專利名稱：集成的光波導(dǎo)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及集成的光原器件領(lǐng)域，更具體涉及光束通過襯底材料中集成的光波導(dǎo)傳播的集成的光波導(dǎo)器件，具體涉及光電效應(yīng)為基礎(chǔ)而運行的頻率轉(zhuǎn)換器和光電調(diào)制器，但發(fā)明不限于此。光電調(diào)制器的實例是相位調(diào)制器或強度調(diào)制器，例如，Mach-Zehnder型干擾調(diào)制器。
背景技術(shù)：
通常在鐵電材料襯底上制造諸如調(diào)制器和開關(guān)的集成的光波導(dǎo)器件。所有已知的襯底材料中，鈮酸鋰(LiNbO3)應(yīng)用最廣泛，因為它有顯著的光電性能，能形成低成本的光波導(dǎo)。其它已知的襯底材料例如有鉭酸鋰(LiTbO3)。
光電效應(yīng)是以張量為特征的二次非線性特性。該張量將材料的光頻率下的極化變化(即折射率變化)低頻調(diào)制電場相聯(lián)系，該低頻調(diào)制電場是其頻率大大低于光場頻率的調(diào)制電場。加外部電場通過光電效應(yīng)改變材料的折射率對光場進行相位和幅度調(diào)制。
為了簡化，不考慮光電效應(yīng)的張量特性。光頻ω下的折射率變化Δn(ω)與光電系數(shù)r和調(diào)制電場Eo的乘積成正比Δn(ω)∞r(nóng)·E。
LiNbO3晶體中光電系數(shù)r33的最高值是r33≈30pm/v。光電系數(shù)r33涉及與沿C(也叫Z)晶軸的調(diào)制電場分量相關(guān)的沿C(也叫Z)晶軸傳播的電磁波引起的折射率變化。
為此，通常允許按Z軸切割片構(gòu)成LiNbO3晶體襯底，Z晶軸垂直于最大面積的表面，因為該結(jié)構(gòu)甚至在較高的調(diào)制頻率下也能保證有優(yōu)良的調(diào)制性能。
除光電性能外，鐵電材料還顯示出其它優(yōu)良性能，如熱電性，壓電性和光折射性等。
如眾所周知的，熱電效應(yīng)是由于較快的溫度漂移引起的在材料的自發(fā)極化中的變化，同時，壓電效應(yīng)是由于引起材料變形的機械應(yīng)力造成的自發(fā)極化中的變化。用光折射效應(yīng)會造成光折射率中的光感應(yīng)變化。
這些特生對集成的光器件有損壞作用，所以會妨礙它們執(zhí)行規(guī)定的功能。
諸如溫度漂移，機械應(yīng)力和短波光強度等參數(shù)變化時，事實上鐵電材料襯底中能產(chǎn)生自由電荷或極化電荷。這些電荷在襯底中設(shè)置用于傳播光模式的光波導(dǎo)的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生真正的電場。
這些電場通過光電效應(yīng)使真正的折射率變化增大。這些電場對折射率的影響與調(diào)制電場對折射率的影響相同，如果E是自由電荷或極化電荷在材料中引起的電場，在光頻率ω下的折射率變化是Δn(ω)∝r·E。
實際上，由于電磁波通常沿Z軸極化會出現(xiàn)最大的光電調(diào)制，電場沿Z軸本身產(chǎn)生折射率變化，所以沿晶體Z軸的電場是最合適的電場。
與其它鐵電材料相比，鈮酸鋰(LiNbO3)中由于更強的熱電性，壓電性和光折射性使其具有更優(yōu)異的光電性能。而且，(LiNbO3)熱電電場，即熱電效應(yīng)在(LiNbO3)材料中產(chǎn)生的電場，其方向沿其顯示出最高光電系數(shù)的Z晶軸。
作為最典型的情況的實例，認為是Mach-Zehnder集成的波導(dǎo)光電調(diào)制器。這種器件廣泛用于集成的光學器件中，例如，因為它允許調(diào)制光束強度。
溫度變化，機械應(yīng)力，光輻射確定自由電荷或極化電荷出現(xiàn)，隨后在襯底中要形成干擾計臂的區(qū)域內(nèi)建立電場。光電效應(yīng)引起的這些電荷引起折射率變化，它能改進通過波導(dǎo)傳播的光模式。換句話說，通過干擾計臂的光模式傳播不僅受所加調(diào)制電場影響，還受由壓電和/或熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電場影響。這些變化使器件光響應(yīng)中的所謂DC-漂移增大，由此，器件的光響應(yīng)隨長期時間常數(shù)變化。
溫度或機械應(yīng)力變化很慢時，由符號相反的電荷的邊緣效應(yīng)散亂或屏蔽不完善所產(chǎn)生的外電場會吸引足夠多的自由電荷到襯底表面，這些電荷補償內(nèi)部極化電荷。內(nèi)部極化電荷也能因電流通過與體導(dǎo)電率相關(guān)的晶體而得到補償。按該方式，恢復(fù)準中性狀態(tài)并減小電場。
溫度和/或機械應(yīng)力變化較快時情況有所不同，因此，可以避免進行電荷補償處理。
此外，模塊幾何結(jié)構(gòu)諸如在與金屬電極相關(guān)的兩個波導(dǎo)臂的位置的不對稱會產(chǎn)生熱電和/或壓電效應(yīng)的不均勻影響，因此，造成器件響應(yīng)更引人注目的變化和無法控制。
為了使這些效應(yīng)有理想的效果，采用按Z軸切割的鈮酸鋰(LiNbO3)晶片，使波導(dǎo)區(qū)位于垂直于Z晶軸的一個表面下，假設(shè)襯底產(chǎn)生熱電效應(yīng)，該理論可以擴展到按相同方式產(chǎn)生電荷的其它效應(yīng)，如壓電效應(yīng)，和光電效應(yīng)。如果溫度變化較快，將會形成-4×10-5C/km2數(shù)量級的無補償?shù)谋砻骐姾擅芏取Ｔ撓禂?shù)符號為負意味著溫度升高時符號為負的極化電荷將會使晶Z+表面(即，沿Z晶軸取向的表面)增大，而正極化電荷使相反的Z-表面變大。該相反符合溫度降低。該表面電荷分布將會沿Z晶軸產(chǎn)生幾乎在整個晶體內(nèi)均勻的電場E。事實上在襯底邊緣有邊緣電場作用，但這些不均勻性不會對設(shè)在遠離襯底邊緣處的波導(dǎo)區(qū)造成明顯的影響。襯底本身與其厚度相比通常較大。因此，認為電場E是均勻的，和在波導(dǎo)區(qū)內(nèi)沿Z軸取向，每個K溫度變化的幅度約為1.6×105V/m。
已提出了幾個解決方案來抑制熱電或壓電效應(yīng)引起的DC-漂移現(xiàn)象。
提出的某些解決方案，需要用含用移動電荷的導(dǎo)電材料膜，以產(chǎn)生電荷的快速再分布，由此減少或抑制損壞的電場。
例如，美國專利US-5621839公開了一種光波導(dǎo)器件，它有諸如LiNbO3，LiTaO3，Li(Nbx，Tal-x)O3的鐵電晶體按X晶軸切割而制成的襯底，在該按X軸切割的襯底的一個主表面上形成的光波導(dǎo)。分別在Z-和Z+襯底晶面上形成第1和第2導(dǎo)電層。第1和第2導(dǎo)電層經(jīng)主平面上形成的導(dǎo)電層電連接。
換句話說，用導(dǎo)電材料覆蓋Z+和Z-襯底表面，和經(jīng)過導(dǎo)電路徑使它們相互連接，Z+和Z-襯底表面即是垂直于Z晶軸的襯底表面，而且，熱電電場沿Z+和Z-襯底表面擴展。
該解決方案對垂直于Z晶軸的一個襯底表面中集成有光波導(dǎo)的按X軸切割的襯底最有效。但是，對按X軸切割的襯底中形成的器件的光電響應(yīng)的影響比其中在襯底Z面集成有波導(dǎo)的按Z軸切割的襯底中形成的器件的光電響應(yīng)的影響差。
以上的解決方案不能用于按Z軸切割的襯底中集成的器件，因為要用導(dǎo)電材料覆蓋的一個表面也是要設(shè)置加調(diào)制電場用的驅(qū)動電極的表面。該情況下，為了使驅(qū)動電極之間不發(fā)生短路，必須用專用材料或/和進行特別的處理。
例如，美國專利US-5153930中描述了用具有熱電效應(yīng)的材料襯底的器件。器件形成制造中在Z軸切割的單晶LiNbO3襯底中形成兩個擴散鈦(Ti)的波導(dǎo)，前襯底面上形成SiO2緩沖層。高導(dǎo)電狀態(tài)的鈦薄膜淀積在緩沖層上，Al層淀積在鈦薄膜上，并以界定兩個分立電極和在鈦薄膜周邊延伸的環(huán)。還在后襯底面上淀積Al層。之后，制成的構(gòu)件在250℃在氧和氮氣氛中烘烤，烘烤期間鈦薄膜的露出部分轉(zhuǎn)變成高阻狀態(tài)。之后，襯底側(cè)邊上加導(dǎo)電涂料條，以把環(huán)連接到后面上淀積的Al層。溫度變化要在襯底表面之間產(chǎn)生熱電場時，導(dǎo)電涂料條允許電荷在環(huán)和前Al層和后Al層之間重新分布，以產(chǎn)生反作用場，所以，在襯底中無凈場。這造成熱電場與表面電荷引起的電場之間達到平衡所需的時間極短，在毫秒數(shù)量級，所看到的最大效果是溫度變化造成的轉(zhuǎn)換性能不會不穩(wěn)定。
換句話說，理想的情況是，露出的頂層部分的導(dǎo)電性足以允許補償熱電場，而不會造成加到電極的電功率的太高損耗。
但是，由于電極之間露出的高電阻鈦薄膜部分的電阻值是有限的而不是無限的，由于前襯底表面電連接到后襯底表面上的Al層，所以對器件的低頻性能造成負面影響。
美國專利US-5214724描述了一種光波導(dǎo)器件它用按Z軸切割的(LiNbO3)襯底，其中，在SiO2緩沖層與驅(qū)動電極之間和全部緩沖層上形成的硅半導(dǎo)體層作為低頻帶導(dǎo)體，使由溫度變化等引起的表面電荷均勻分布，和穩(wěn)定光波導(dǎo)器件的特性。重要地是，硅層在諸如熱電效應(yīng)引起的低頻場中起導(dǎo)體作用，而在頻率更高的調(diào)制場中起介質(zhì)作用。
換句話說，該情況下，企圖使波導(dǎo)中溫度均勻變化引起的極化電荷形成的電場。
如上所述，由于光折射作用，光也可以引起鐵電材料的折射率變化，該情況下，用光電效應(yīng)而在襯底中產(chǎn)生電荷，由光電效應(yīng)產(chǎn)生的電場會引起折射率變化。
已結(jié)合主要是頻率轉(zhuǎn)換器的(LiNbO3)激光二極管為基礎(chǔ)的二次諧波發(fā)生器(SHG)研究了光折射作用。正如V.Pruneri et Al，“self-organised light-inducedscattering in periodicAlly poled lithium niobate”，Appl，phys.lett.vol.67.p.1957(1995)；M.Taya et al，“Photorefractive efferts in periodicallypoled ferro-electrics”，optics Letters.VOL.21.p857(1996)，and，B.sturman et，Al，“Mechanism of serf organized light.induced scattering in periodicAlly poled lithium niobate”，Appl.phys，lett.vol.49.p.1349(1996)中報道的，定期極性轉(zhuǎn)換(Poling)，即，定期鐵電疇反向的鈮酸鋰不僅能保證非線性光學處理的準相位匹配，還能降低光折射作用引起的光束扭曲。該降低光束扭曲之后的機理是，光電流按Z軸方向流動，所以在激光束側(cè)邊上建立符號周期性變化的空間電荷分布。這就是說，當光束尺寸大于結(jié)構(gòu)周期時，沿Z軸的電場明顯減小。事實上，從激光束側(cè)邊起算的深度與周期性疇結(jié)構(gòu)的周期相當?shù)纳疃壬先匀淮嬖陔妶稣{(diào)制。
美國專利US-5278924中提出了關(guān)于光電調(diào)制器定期轉(zhuǎn)換極性作為補償光調(diào)制與RF電信號之間的相位速度不匹配的方法。更具體地說，在有反向區(qū)和非反向區(qū)的鐵電疇的襯底中形成帶不對稱的共平面波導(dǎo)行波電極的集成的光學Mach-Zehnder型干擾計。反向區(qū)和非反向區(qū)按垂直于干擾計臂，即垂直于波導(dǎo)臂的方向沿臂按交替順序相互平行延伸。每個干擾計臂中的光信號通過鐵電疇的反向的和非反向的區(qū)域。反向區(qū)和非反向區(qū)之間的每個轉(zhuǎn)變均改變光信號的相位調(diào)制的符號。這補償RF信號和光信號之間相位速度不匹配引起的光信號和RF電信號調(diào)制之間的180℃相位差。
美國專利US-6055342中，把鐵電疇反向用于集成的光強度調(diào)制器中，使光波導(dǎo)的折射率具有交錯圖形的不連續(xù)性，所以，光波分布模式相對于波導(dǎo)中心不對稱，以用低插入損耗和低驅(qū)動電壓調(diào)制光波。在包圍光波導(dǎo)的交錯圖形中設(shè)置有從襯底的自發(fā)極化方向反向的鐵電疇的疇反向區(qū)，在疇反向區(qū)和光波導(dǎo)中心處的自發(fā)極化區(qū)之間有界面。
日本特許公開JP07-191352中描述了諸如直接耦合光開關(guān)的光波導(dǎo)器件的問題，其中波導(dǎo)之間會出現(xiàn)波能互換。器件包括諸如用按Z軸切割的(LiNbO3)晶體片制成的晶體襯底，襯底表面中形成相鄰和平行的兩個光波導(dǎo)。器件有耦合區(qū)，它是在襯底中發(fā)生波導(dǎo)間波能互換的區(qū)域。同一襯底表面上形成正電極和負電極作為光波導(dǎo)，電極與襯底表面之間設(shè)有緩沖層，兩個電極相互平行延伸，和與各波導(dǎo)局部重疊。產(chǎn)生從正電極向負電極彎曲的電場，它在兩個波導(dǎo)中相對于Z晶軸按大致相反的方向起作用。
按日本特許公開JP-07-191352，按該結(jié)構(gòu)，兩個光波導(dǎo)中電場的作用方向只是大致相反，所以與完全反向的情況相比，電場作用損失大。此外，為確保兩個光波導(dǎo)上電場最有效的作用，必需精確調(diào)節(jié)位置，調(diào)節(jié)方式例如是使電極邊緣部分匹配到光波導(dǎo)器件中心區(qū)的最佳位置，以使電場的密度部分集中到光波導(dǎo)上。這種高精度位置調(diào)節(jié)方法不能用在小型光波導(dǎo)上，而且不能提高生產(chǎn)率。而且，在晶體襯底的同一表面上形成相互對準的正電極和負電極，會出現(xiàn)兩個電極之間存在的緩沖層造成的工作電壓波動的現(xiàn)象(DC漂移)，這在實際應(yīng)用中造成明顯的缺陷。
為解決上述文獻中所述的缺陷，所述的器件中，在按Z軸切割的(LiNbO3)晶體襯底的表面上形成一對光波導(dǎo)，襯底中的耦合區(qū)進行波能互換。形成光波導(dǎo)的晶體的Z軸方向是在彼此相反方向上形成的，晶體襯底的上表面和下表面中設(shè)有相反且相互平行的平板形正電極和負電極。用正負電極形成方向相反的光波導(dǎo)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，通過相反的平板形電極之間形成的線性的均勻和平行的電場的作用，按相對于光波導(dǎo)Z軸的各個相反方向起作用。
按那個文獻，由于電極結(jié)構(gòu)是相反結(jié)構(gòu)，電極之間有介質(zhì)，所以能抑制電極之間出現(xiàn)的DC漂移現(xiàn)象和它引起的現(xiàn)有器件中的問題。
考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的情況，本發(fā)明的目的是尋找克服集成的光波導(dǎo)器件中DC漂移缺陷的方法。該解決方法能基本上減少有加外部調(diào)制電場用的驅(qū)動電極的器件中存在的現(xiàn)象，這種器件例如相位調(diào)制器和強度調(diào)制器，和不需要電極的例如頻率轉(zhuǎn)換器。
按本發(fā)明設(shè)置的集成的光波器件，包括鐵電材料襯底，它有垂直于鐵電材料的自發(fā)極化方向的第1面和第2面，至少第2面對給襯底加外部電場的操作基本上不起作用；至少一個與襯底的第1表面一致的集成在襯底上的波導(dǎo)；至少一個波導(dǎo)的至少一個縱向波導(dǎo)部分形成在有第1自發(fā)極化取向的各個第1襯底區(qū)中。
第1襯底區(qū)中設(shè)有至少一個第2襯底區(qū)，鄰近所述第1襯底區(qū)垂直于縱向波導(dǎo)部分，有與所述第1取向反的自發(fā)極化的第2取向，以擴展與所述第1表面正切的電場分量，引起由熱電效應(yīng)，壓電效應(yīng)和光電效應(yīng)中的一個或多個效應(yīng)產(chǎn)生的極化電荷或自由電荷。
材料層還與所述第1表面相關(guān)和包含移動電荷，所以，在所述正切電場分量作用下引起移動電阻位移，從而大致補償了襯底中的極化電荷或自由電荷，以明顯降低了至少是集成縱向波導(dǎo)部分的襯底區(qū)中垂直于第1表面的電場分量。
換句話說，不僅使熱電效應(yīng)或壓電效應(yīng)產(chǎn)生的極化電荷以及光電效應(yīng)產(chǎn)生的自由電荷所產(chǎn)生的電場大致均勻，還基本消除了集成至少一個波導(dǎo)的至少一個襯底表面。
一個實施例中，所述第1表面是對襯底加外電場的操作有用的表面，器件包括與所述第1表面有關(guān)的用于加外部調(diào)制電場的共面配置，所述外部調(diào)制電場的調(diào)制頻率范圍適合于對波導(dǎo)中的折射率進行光電調(diào)制。第2表面無電極。第1表面與電極之間設(shè)有材料層，它有所述調(diào)制頻率范圍內(nèi)大致有絕緣體性能。
該情況下所述材料層是硅層。
一個實施例中，器件包括形成干擾的光電調(diào)制器的各個臂的至少兩個波導(dǎo)。形成至少兩個波導(dǎo)，它的至少一部分在沿垂直于波導(dǎo)部分的軸的自發(fā)極化有相反取向的各襯底區(qū)中的器件調(diào)制區(qū)中。
所述各襯底區(qū)可沿所述垂直軸方面彼此相鄰。
至少一個第2襯底區(qū)可包括至少兩個第2襯底區(qū)，它們位于相對于波導(dǎo)部分縱向的波導(dǎo)部分的相反側(cè)邊上它們之間夾有所述第1襯底區(qū)。
實際上，要形成至少兩個波導(dǎo)，它們可形成干擾的光電調(diào)制器中的各個臂，所述波導(dǎo)的至少一部分在所述第1襯底區(qū)中。
另一實施例中，第1表面對給襯底加外電場的操作也基本上不起作用，但這種情況下兩個表面均無電極。
該情況下，所述材料層是金屬層。
該情況下，所述的至少一個第2襯底區(qū)可包括至少兩個第2襯底區(qū)，它們位于相對于波導(dǎo)部分縱向的波導(dǎo)部分的相反側(cè)邊上它們之間夾有所述第1襯底區(qū)。


通過以下對本發(fā)明的一些實施例的詳細描述，本發(fā)明的特征和優(yōu)點將更清楚，這些實施例是為了說明發(fā)明而不是限制發(fā)明，附圖中圖1是按本發(fā)明的第1實施例的集成的光波導(dǎo)器件的簡單的頂平面圖；圖2是沿圖1中II-II線取的簡化的截面圖；圖3和圖4是與圖2中相同部分的放大截面圖，分別示出器件中的電場的X和Z分量的分布；圖5是按本發(fā)明第2實施例的集成的光波導(dǎo)器件的簡化截面圖；
圖6和7分別示出圖5所示器件中電場的X和Z分量的分布，用于標注第1器件尺寸；圖8和9分別示出圖5所示器件中電場的X和Z分量的分布，用于標注第2器件尺寸；圖10和11分別示出圖5所示器件中電場的X和Z分量的分布，用于標注第3器件尺寸；圖12和13分別示出圖5所示器件中電場的X和Z分量的分布，用于標注第4器件尺寸；圖14是按本發(fā)明第3實施例的集成的光波導(dǎo)器件的簡化的截面圖；圖15和16分別示出圖14所示器件中電場的X和Z分量的分布，用于標注第1器件尺寸；圖17和18分別示出圖14所示器件中電場的X和Z分量的分布，用于標注第2器件尺寸。
以下相同的參考數(shù)字指示將描述的不同實施例中相同的、相似的或相應(yīng)的部分。
具體實施例方式
圖1和圖2分別是按本發(fā)明第1實施例的頂平面示意圖和剖視示意圖。具體說，器件是共平面波導(dǎo)(CPW)Mach-Zehnder型集成的光電調(diào)制器。
器件包括沿Z軸切割的鐵電材料襯底10，例如LiNbO3或LiTaO3的無機晶體，有垂直于Z晶軸的頂表面11和底表面12。
襯底10包括至少在視場和電場之間相互作用的器件調(diào)制區(qū)13中的至少兩個鐵電疇區(qū)14，15，它們有相反的鐵電疇，即，極化相反的鐵電疇。圖中用不同的方式示意性的標出出極性相反的鐵電疇，兩個鐵電疇區(qū)14，15中，Z晶軸相反取向；鐵電疇區(qū)14朝襯底頂表面11取向，鐵電疇區(qū)15朝襯底底表面12取向。
器件還包括在襯底10的頂表面11中，用常規(guī)方法集成的輸入光波導(dǎo)16或輸入通道；第1Y形繼電線17，用于把沿輸入波導(dǎo)16傳播的輸入光信號分割成沿兩個大致平行的按Y晶軸方向延伸和構(gòu)成干擾計臂的光波導(dǎo)18，19傳播的光信號；第2Y形繼電線110，它與第1Y形繼電線沿Y軸隔開，用于把兩個光信號匯合成沿輸出光波導(dǎo)111或輸出通道傳播的輸出光信號。
每個鐵電疇區(qū)14，15中各自形成兩個波導(dǎo)18，19。
圖示例中，兩個鐵電疇區(qū)14，15縱向延伸到波導(dǎo)18，19用于延伸調(diào)制區(qū)13的總長度。兩個鐵電疇區(qū)14，15之間的界面112位于沿X晶軸兩個波導(dǎo)14，15之中間位置。但這不是對本發(fā)明的限制，因為，兩個區(qū)14和15可以只延伸器件調(diào)制區(qū)13的部分長度。后一種情況下，每個波導(dǎo)18，19可穿過與區(qū)14，15類似的有交替鐵電疇取向的一組縱向系列區(qū)。
調(diào)制區(qū)13中最好用金制成的金屬電極配置與襯底10的頂表面11重疊。因此頂表面11是給器件加外部產(chǎn)生的調(diào)制電場的操作相關(guān)的有用表面。底表面112上沒設(shè)電極，因此，底表面是給器件加外部產(chǎn)生的調(diào)制電場的操作無用的表面。
實際上，電極113重疊在波導(dǎo)18，19上使其縱向部分延伸。兩個電極114，115沿垂直于電極113的Y軸延伸。
電極114和115要電連接到參考電位(地)，因此，作為接地電極。電極113要電連接到調(diào)制電位V，因此，作為熱電極。最好設(shè)置電極的布圖，以允許器件在調(diào)制電場的微波范圍運行。
兩層膜116，117的疊層設(shè)在襯底頂表面11與電極113，114，115之間。通常設(shè)置疊層的最下層膜116，或緩沖層使金屬電極與波導(dǎo)18，19中的光場隔開，以防光場衰減。緩沖層可以是二氧化硅層，最好是介電常數(shù)比SIO2的介電常數(shù)稍低的苯并環(huán)丁烯(BCB)層，因而能確保光模式與調(diào)制電場之間更好的相位匹配。特別是在微波范圍的調(diào)制電場中有更低的損失。
緩沖層116上設(shè)半導(dǎo)體材料層117。這里的半導(dǎo)體材料是在調(diào)制電場的典型頻率下基本不導(dǎo)電的材料，而在熱電，壓電或光電效應(yīng)的典型的更低頻率下，該材料是導(dǎo)體。合適的材料例如是硅。
每個鐵電疇區(qū)在垂直波導(dǎo)方向，即X方向都要足夠大，以能包含兩個干擾調(diào)制器臂中的一個臂的波導(dǎo)。鐵電疇區(qū)覆蓋通過各個波導(dǎo)傳播的光模式的整個橫截面外形。關(guān)于鐵電疇區(qū)的厚度，波導(dǎo)表面的反向區(qū)更深，折射率變化與光模式的重疊更大，即，從光模式看有效折射率變化更大。
電極113，114和115電連接到時間可變電壓源，給電極加調(diào)制電場，以調(diào)制進入調(diào)制器的光信號。
盡管兩個波導(dǎo)18，19中的調(diào)制電場的方向和取向相同，事實上，后者形成在有符號相反的光電系數(shù)的相反鐵電疇的襯底區(qū)中，使兩個波導(dǎo)的折射率進行相反變化，沿該波導(dǎo)傳播的光信號相應(yīng)地進行相反的相位漂移。因此，器件有所述的推挽結(jié)構(gòu)。
為研究調(diào)制區(qū)中的電場分布，對圖1和圖2所示結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值計算。
簡而言之，假設(shè)金屬電極113，114，115接地，已進行了計算。換句話說，設(shè)金屬電極的電位為0，它與距離比襯底尺寸大很多的情況下的電位相同。以該方式，已分析了由于電荷分離(即，(LiNbO3)鐵電疇中極化變化)，所引起的電場分布變化?？紤]線性度問題，加到電極上的外部電位(例如，確保器件的功能性的調(diào)制電壓)，不會修改對接地電極計算出的電場分布變化。該模式中，假設(shè)半導(dǎo)體材料層117在低頻有理想的無限大的導(dǎo)電率，因此接地。
參見圖2，對具有下列尺寸的器件進行數(shù)值計算襯底厚度d1＝1mm；襯底寬度d2＝2.4mm；緩沖層116厚度＝1μm；半導(dǎo)體層117厚度＝1μm；膜層116，117疊層和金屬電極的總厚度d4＝30μm；電極總寬度d3＝1mm；熱電極寬度d5＝40μm；接地電極之間的間距d6＝80μm；圖3和4畫出從數(shù)值計算得到的電場分布。具體說，圖3展示出電場X分量EX的值，圖4展示出電場Z分量EZ的值，該電場是溫度每變化1°K而產(chǎn)生的。
注意圖4，容易看出，波導(dǎo)區(qū)中電場Z分量EZ的值范圍是0至2.5×104v/m。這就是說，EZ分量比無鐵電疇反向的情況下產(chǎn)生的電場分量幾乎小一個數(shù)量級。事實上，如上所述，溫度每變化1°K單疇鈮酸鋰襯底中的電場分量Ez擴大約1.6×105v/m。
對該結(jié)果說明如下，由于存在有相反取向的鐵電疇的兩個襯底區(qū)14和15，襯底中兩個襯底表面11，12中引起的極化電荷在兩個區(qū)域14，15中的符號相反。實際上，在區(qū)域14的頂表面有負電荷，而在區(qū)域15的頂表面電荷是正電荷。圖3和4中用“+”和“-”符號在襯底頂表面11正下面示出。
自發(fā)極化產(chǎn)生的兩個襯底區(qū)14，15的表面上存在符號相反的電荷會明顯降低形成單個鐵電疇的襯底處的電場分量。
此外，自發(fā)極化中的變化產(chǎn)生的兩個襯底區(qū)14，15的表面上有的符號相反的電荷會引起強電場分量EX或正切電場分量。該EX分量反過來引起半導(dǎo)體材料層117中的表面電流，在該頻率下半導(dǎo)體材料層117作為導(dǎo)體。因此，在半導(dǎo)體材料層117和金屬電極中產(chǎn)生了電荷離析。半導(dǎo)體層117和電極中產(chǎn)生的自由電荷與自發(fā)極化變化產(chǎn)生的在襯底頂表面上的電荷的符號相反。這些自由電荷至少部分補償極化電荷。因此，在波導(dǎo)處出現(xiàn)了中和處理，從而進一步減小了該區(qū)域中的電場分量EZ。
為此，大大減小了因溫度變化，機械應(yīng)力，光強度引起的襯底材料中的極化電荷所造成的器件工作點的損害作用。
值得注意的是，覆蓋區(qū)域14與15之間的界面周圍的襯底表面的大部分的金屬電極已經(jīng)允許電場分量Ez減小。提供半導(dǎo)體材料層117能增強該作用。
圖5是按本發(fā)明第2實施例的集成光波導(dǎo)器件的簡化截面圖。具體地說，該第2實施例的器件是共平面波導(dǎo)(CPW)Mach-Zehnder型干擾光電調(diào)制器。
與圖1和2所示器件的差別是，該情況下兩個波導(dǎo)18，19形成在相同襯底區(qū)50中，襯底區(qū)50構(gòu)成單個鐵電疇晶體區(qū)，其中，有第1取向的鐵電疇，例如，附圖中的“朝上”取向的鐵電疇。襯底區(qū)50夾在兩個襯底區(qū)51與52之間，也構(gòu)成單個鐵電疇晶體區(qū)，其中，鐵電疇有第2取向，它與襯底區(qū)50的取向相反，例如是附圖中的“朝下”取向。
區(qū)域50，51和52可擴展器件調(diào)制區(qū)的整個長度或部分長度。后一種情況下，波導(dǎo)18，19可通過有交錯的鐵電疇取向的與區(qū)域50相同的縱向系列區(qū)域之后，設(shè)置這樣的縱向系列區(qū)域和與區(qū)域51，52相同的也有交錯的鐵電疇取向的其它兩個縱向系列區(qū)域。
兩個波導(dǎo)中的一個，例如，波導(dǎo)19位于中心熱電極113下面。另一波導(dǎo)18位于兩個接地電極中的一個下面，例如電極114下面。
與上述實施例一樣，金屬電極與襯底頂表面11之間夾有緩沖層116和半導(dǎo)體層117的疊層。
圖5所示結(jié)構(gòu)，對中心襯底區(qū)50的不同寬度值(即圖5中d7的尺寸值)進行數(shù)值計算，以分析波導(dǎo)區(qū)中電場與參數(shù)的關(guān)系。
與上述實施例一樣，假設(shè)金屬電極113，114，115接地，進行計算。該情況下數(shù)值計算的的目的是，找出使電荷離折引起的折射率變化盡可能接近0的d7值。這就是說，器件工作點的DC漂移可忽略不計。
參見圖5，對有以下尺寸的結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算
襯底厚度d1＝1mm；襯底寬度d2＝2.4mm；緩沖層116厚度＝1μm；半導(dǎo)體層117厚度＝1μm；層116，117疊層和金屬電極的總厚度d4＝30μm；電極配置總寬度d3＝1mm；熱電極寬度d5＝9μm；接地電極之間的間距d6＝57μm。
圖6至13展示出計算出的電場分布。具體地說，圖6和7示出以d7＝1.02mm算出的電場的X和Z分量Ex和Ez值。圖8和9示出從d7＝0.94mm算出的電場X和Z的分量Ex和Ez值。圖10和11示出從d7＝0.9mm算出的電場X和Z的分量Ex和Ez值。最后，圖12和13示出d7＝0.85mm算出的電場X和Z的分量Ex和Ez值。計算中假設(shè)溫度變化1°K。
數(shù)值計算表明，由于設(shè)置垂直于鐵電疇區(qū)50的兩個鐵電疇區(qū)51，52，并設(shè)有半導(dǎo)體層117，所以電場X的分量EX極小。再參見對上述實施例的描述，假設(shè)沒有半導(dǎo)體層，提供鐵電疇反向建立強的電場X的分量Ex。一旦提供了半導(dǎo)體層117，該強電場分量Ex引起半導(dǎo)體層中自由電荷離析，從而至少部分補償襯底中產(chǎn)生的極化電荷。結(jié)果，明顯減小器件工作點中DC漂移引起的電場Z的分量Ez。
考慮到圖6至13中所示的數(shù)值計算結(jié)果，可以推論能找到使電場分量Ex和Ez值最小，特別是可以使電場分量Ez幾乎為0的d7值。圖5所示結(jié)構(gòu)可以具有上述的結(jié)構(gòu)尺寸，例如d7的值可以0.9至0.94mm。實際上，d7從1.02mm(圖6和7所示情況)減小到0.94mm(圖8和9所示情況)，電場分量Ez仍然為正，但Ez明顯減小，從約1.22×104V/m減小到4.2×103V/m。d7再減小至0.9mm(圖10和11所示情況)，使電場分量EZ變成負，Ez≈-2.3×103V/m。d7再降到0.85mm(圖12和13所示)，Ez分量的絕對值增大，變成Ez≈-6×103V/m。
圖14示出按本發(fā)明第3實施例的器件。具體地說，該情況下的器件是雙共平面帶(CPS)Mach-Zehnder型干擾強度調(diào)制器，它與圖5相同，是剖視示意圖。
與圖5所示的CPW Mach-Zehnder型干擾調(diào)制器相同，形成干擾計臂的兩個波導(dǎo)18，19形成在同一襯底區(qū)50中，襯底區(qū)50構(gòu)成單個鐵電疇晶體區(qū)，其中有“朝上”取向的鐵電疇。襯底區(qū)50夾在兩個襯底區(qū)51，52之間，也構(gòu)成單個鐵電疇晶體區(qū)，其中，鐵電疇取向與區(qū)域50中的鐵電疇取向相反，例如“朝下”取向。
器件包括在要集成波導(dǎo)18，19的襯底表面11中設(shè)置的金屬電極配置。電極配置包括兩個熱電極113A，113B。每個波導(dǎo)18，19分別位于熱電極113A，113B下面。接地電極114和115在一對熱電極113A，113B的側(cè)邊延伸。襯底表面11與電極之間設(shè)有SiO2緩沖層116和半導(dǎo)體材料層117的疊層膜。
與上述的兩個實施例一樣，對圖14所示結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算，以分析電場分布。
假設(shè)金屬電極113A，113B，114和115接地，再進行計算。
圖15至18示出假設(shè)有以下尺寸的圖14所示結(jié)構(gòu)算出的電場的X和Z的分量Ex和Ez。
襯底厚度d1＝1mm；襯底寬度d2＝2.4mm；電極配置總寬度d3＝0.94mm；膜層116，117疊層和金屬電極的總厚度d4＝30μm；緩沖層116厚度1μm；半導(dǎo)體層117厚度1μm；熱電極之間的間距d8＝60μm；熱電極與相鄰接地電極之間間距d9＝20μm；熱電極寬度d10＝9μm；其中要形成波導(dǎo)的襯底區(qū)50的寬度d7的值在圖15和16中d7＝0.94mm，在圖17和18中d7＝0.9mm。
與圖5所示結(jié)構(gòu)一樣，可以推論，與其中無鐵電疇反向和沒設(shè)半導(dǎo)體的同樣的器件結(jié)構(gòu)相比，能明顯減小對器件的DC漂移有損害作用的電場分量Ez。此外，能找到使電場分量Ez減小到幾乎為0的d7的值。上面給出的結(jié)構(gòu)尺寸，例如d7的值在0.9mm至0.9mm。
盡管本發(fā)明的實施例全都是涉及Mach-Zehnder型光電調(diào)制器來描述的，但本發(fā)明不限于此。
本發(fā)明還能用于其它類型的器件。
例如，本發(fā)明能用于相位調(diào)制器，它的操作仍然是用驅(qū)動電極加外部調(diào)制電場對折射率進行光電調(diào)制為基礎(chǔ)。
本發(fā)明也能用于不需要驅(qū)動電極不要求加外部調(diào)制電場來操作的那些集成的光波導(dǎo)器件。該情況下，襯底的兩個表面對于給器件加外部產(chǎn)生的調(diào)制電場的操作沒用。這些器件例如頻率轉(zhuǎn)換器。這些器件與要求驅(qū)動電極的器件不同，不存在電極之間短路的問題。因此，半導(dǎo)體層117可以是與頻率范圍無關(guān)的作為導(dǎo)體材料層，例如金屬層。
關(guān)于不同取向的鐵電疇晶體區(qū)的形成方法，已經(jīng)報道了各種使疇反向的方法，這些方法允許制造包含不同極性區(qū)的LiNbO3晶體，這些性能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)換取決于Z晶軸的方向和取向。
使鐵電疇反向的某些方法依賴接近晶體居里點的高溫下的離子擴散。
正如在N.Ohnishi，“Anetching study on a heat-induced layer at the positive-domain surface of LiNbO3”，Jap，J.Appl.phys.vol.16.p 1069(1977)，中報道的，在800-1100℃加熱1至20小時，LiNbO3晶體Z+面的Li2O外擴散，可使鐵電疇反向。
S.Miyazawa，“Ferroelectric domain inversion in Ti-diffused LiNbO3OpticAlWaveguide”，J，Appl，phys，vol.50，p4599(1979)報道，在空氣中在950-1100℃溫度下進行5至10小時的Ti內(nèi)擴散，可使Z+面上出現(xiàn)鐵電疇反向。
K.Nakamura and H Shimizu“Ferroelectric inversion layers formed by heattreatment of proton-exchanged LiTaO3”，Appl.phys lett，vol.56，p1535(1990)報道，在接近居里點的高溫下處理后質(zhì)子交換可使LiNbO3晶的Z+面上鐵電疇反向。
SiO2涂層在居里點附近的溫度下熱處理幾小時后也能用于激勵LiNbO3中的LiO2外擴散，正如M Fujimura et Al“Ferroelectric-domain inversion induced by sio2cladding for LiNbO3Waveguide SHG”，Electronics Lett，vol.27P1207(1991)中報道的，涂敷面積下在Z+面出現(xiàn)鐵電疇反向。
L.Huang and N.A.F.Jaeger“Discussion of domain inversion in LiNbO3”APPL.Phys，Lett，vol，65，P1763(1994)中提出了簡單模式，其中，鐵電疇反向與高溫下Li2O外擴散產(chǎn)生的NbLi缺陷和自由電子引起的每厘米幾百伏的空間電荷場有關(guān)。
R.W.Haycock and P.D.Townsend“A，Wethod ofpoling LiNbO3and LiTaO3below Tc”，Appl.phys.lett.vol.48.p.698(1986)中論述了用電子束使LiNbO3和LiTaO3中的鐵電疇反向的另一種方法。第1試驗是在600℃溫度下用10V/cm數(shù)量級的小電場對LiNbO3進行試驗，其目的是，使氧離子組合成比有機單離子態(tài)小的分子態(tài)，使Li離子更容易跨過到氧平面的另一邊。
任何已知的鐵電疇反向或析性變換方法原則上是用于形成本發(fā)明提供的鐵電疇區(qū)。
但是，高溫下離子擴散獲得的鐵電疇反向區(qū)通常很淺(只在表面下的幾微米深)，因此，只適用于波導(dǎo)。此外，鐵電疇的形狀是三角形(在Ti內(nèi)擴散，Li2O外擴散，SiO2涂敷的情況下)，或是半圓形(經(jīng)熱處理后質(zhì)子交換情況下)，有時會造成反向區(qū)與波導(dǎo)模式重疊不好。用電子束輻射法能在整個樣品厚度(0.1-1mm)上產(chǎn)生整齊的多個疇，能提供改善所述重疊的電位。
用于獲得鐵電疇反向的其它方法包括在CzochrAlski生長和激光加熱的基底晶體生長中摻雜。
目前已用室溫下電場極性變換方法制成了最有效的極性轉(zhuǎn)換器件。正如M.Yamada et Al.“First-order quasi-phase-matched LiNbO3Waveguide periodically.poled by applying an externAl field for efflicient blue second-harmonicgeneration”，APPl.phys.lett.vol.62.P435(1993)中報道的。高壓脈沖加到按Z軸切割的襯底，所以，外電場高于矯頑場對LiNbO3而言是20kv/mm值，相當于使疇反向的值。電場極性轉(zhuǎn)變法可整個厚度上獲得有高清晰度的整齊的多個疇(幾微米，如定期制造的某些準相位匹配的頻率轉(zhuǎn)換工藝所示的)，而且，與其它方法相比，它更簡單更價廉。
關(guān)于反向的和非反向的鐵電疇區(qū)的厚度，這些疇向下延伸到襯底底表面不重要。參見圖5，區(qū)域50，51和52的厚度與它們的寬度相比是足夠了。
各個襯底區(qū)可在波導(dǎo)形成前后形成。
注意，盡管以上所述的實施例中只考慮了熱電效應(yīng)對產(chǎn)生的極化電荷的作用，但壓電效應(yīng)產(chǎn)生的極化電荷或光電效應(yīng)產(chǎn)生的自由電荷的情況下也能達到同樣的效果。
盡管已用一些實施例公開和描述了本發(fā)明，但本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)明白，不脫離所附權(quán)利要求書限定的發(fā)明范圍的情況下對所述的實施例還會有一些改進，以及還會有其它實施例。
權(quán)利要求
1.集成的光波導(dǎo)器件，包括鐵電材料襯底(10)，有垂直于鐵電材料自發(fā)極化方向的第1表面(11)和第2表面(12)，至少第2表面相對于給襯底加外部產(chǎn)生的電場的操作大致是無效的；在襯底中對應(yīng)于第1表面集成的至少一個波導(dǎo)(18，19)；在有自發(fā)極化第1取向的各第1襯底區(qū)(14，15，50)中形成至少一個波導(dǎo)的至少一個縱向波導(dǎo)部分，其特征是，還包括第1襯底區(qū)上的至少一個第2襯底區(qū)(15，14；51，52)，鄰近橫切于縱向波導(dǎo)部分的所述第1襯底區(qū)，有與所述第1取向相反的自發(fā)極化第2取向，所以，電場擴展正切到所述第1表面的分量，結(jié)果，由熱電效應(yīng)，壓電效應(yīng)和光電效應(yīng)中的一種或多種效應(yīng)產(chǎn)生極化或自由電荷，和材料層(117)與所述第1表面結(jié)合并包含可移動電荷，在所述正切電場分量作用下，引起可移動電荷位移，它大致補償襯底中的極化或自由電荷，以明顯減小垂直于第1表面的至少是集成所述縱向波導(dǎo)部分的區(qū)域中的電場分量。
2.按權(quán)利要求1的集成的光波導(dǎo)器件，其中，所述第1表面相對于給襯底加外部產(chǎn)生的電場有效，器件包括與所述第1表面有關(guān)的用于加外部調(diào)制電場的共平面電極(113，114，115；113A，113B，114，115)配置，調(diào)制電場有用于對波導(dǎo)中折射率進行光電調(diào)制的調(diào)制頻率范圍，所述第2表面無電極，第1表面與電極之間夾有材料層，材料層在所述調(diào)制頻率范圍內(nèi)基本上起絕緣體作用。
3.按權(quán)利要求2的集成的光波導(dǎo)器件，其中，所述材料層是硅層。
4.按權(quán)利要求2或3的集成的光波導(dǎo)器件，包括形成干擾光電調(diào)制器的各個臂的至少兩個波導(dǎo)，所述至少兩個波導(dǎo)在沿橫切于波導(dǎo)部分的軸的自發(fā)極化取向相反的各襯底區(qū)中形成，所述波導(dǎo)至少它們的一部分在器件調(diào)制區(qū)內(nèi)。
5.按權(quán)利要求4的集成的光波導(dǎo)器件，其中，所述的各襯底區(qū)在所述橫切方向相互鄰近。
6.按權(quán)利要求2或3的集成的光波導(dǎo)器件，其中，所述的至少一個第2襯底區(qū)包括至少兩個第2襯底區(qū)，它們位于相對于波導(dǎo)部分的縱向的波導(dǎo)部分的相反側(cè)邊，并在它們之間夾有第1襯底區(qū)。
7.按權(quán)利要求6的集成的光波導(dǎo)器件，包括形成干擾光電調(diào)制器的各個臂的至少兩個波導(dǎo)，形成的至少兩個波導(dǎo)的至少一部分在所述第1襯底區(qū)中。
8.按權(quán)利要求1的集成的光波導(dǎo)器件，其中，第1表面相對于給襯底加外部產(chǎn)生的電場的操作基本上無效。
9.按權(quán)利要求8的集成的光波導(dǎo)器件，其中，所述材料層是金屬層。
10.按權(quán)利要求8或9的集成的光波導(dǎo)，其中，所述至少一個第2襯底區(qū)包括至少兩個第2襯底區(qū)，它們位于相對于波導(dǎo)部分縱向的波導(dǎo)部分的相反側(cè)邊，并在它們之間夾有第1襯底區(qū)。
全文摘要
集成的光波導(dǎo)器件，如光相位或光強度調(diào)制器或頻率轉(zhuǎn)換器，包括有垂直于鐵電材料自發(fā)極化方向的第1(11)和第2表面(12)的襯底(10)。至少第2表面對給襯底加外電場的操作無用。器件有集成在襯底上的第1表面中的至少一個波導(dǎo)。至少一個波導(dǎo)的至少一個縱向波導(dǎo)部分形成在有自發(fā)極化第1取向的各個第1襯底區(qū)中。至少一個縱向波導(dǎo)的至少一個縱向波導(dǎo)部分形成在具有第1自發(fā)極化取向的各第1襯底區(qū)(14，15；50)。第1表面上設(shè)至少一個第2襯底區(qū)(15，14；51，52)鄰近垂直于縱向波導(dǎo)部分的第1襯底區(qū)。第2襯底區(qū)有與第1取向相反的第2取向，正切電場分量擴展到第1表面由熱電壓電或光電效應(yīng)之一或多個效應(yīng)引起極化電荷或自由電荷。金屬層(117)和第1表面結(jié)合并包含可移動電荷。在正切電場分量作用下可移動電荷位移，補償襯底中的極化或自由電荷，明顯減小垂直于至少集成縱向波導(dǎo)部分的第1表面中的電場分量。
文檔編號G02F1/225GK1432845SQ0212860
公開日2003年7月30日 申請日期2002年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月28日
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