基于巨電光系數(shù)材料且結(jié)構(gòu)精細(xì)的塊體電光元件及其制造方法
【專利摘要】一種電光元件，在其襯底(1)上有一塊體材料鐵電層(4)，在襯底(1)和鐵電層(4)之間構(gòu)成接地面的電極(2)、與該電極相對(duì)地安裝在鐵電層之上的另一個(gè)窄電極(5)，以及被布置在鐵電層中、上面的電極(5)的兩側(cè)的一些槽(6)。
【專利說(shuō)明】基于巨電光系數(shù)材料且結(jié)構(gòu)精細(xì)的塊體電光元件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電光學(xué)領(lǐng)域，尤其針對(duì)光調(diào)制應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前存在被稱為“微塊體”結(jié)構(gòu)的電光元件。如圖1所示，這種元件具有一個(gè)玻璃的、硅的、或任何其它類型的襯底(I)，襯底的剛性和熱膨脹屬性適合該元件工作，支撐一薄鐵電塊體材料層(4)。襯底與鐵電層之間有一個(gè)電極(2);與該電極相對(duì),在鐵電層上方有另一個(gè)更窄的電極(5)。各構(gòu)件的厚度可以隨應(yīng)用變化。
[0003]這種元件在Marc B0UVR0T于2010年2月8日法國(guó)貝藏松弗朗什-孔泰大學(xué)進(jìn)行的博士論文《基于巨系數(shù)電光晶體的光微調(diào)制器(MCRO MODULATEURS DE LUMIERE A
BASE DE CRISTAUX ELECTRO -OPTIQUES \ COEFFICIENTS GRANTS )》中有敘述。
[0004]商用電光調(diào)制器采用鈮酸鋰。鈮酸鋰的居里溫度大約1134°C，可以通過(guò)表面擴(kuò)散制作波導(dǎo)，需要升溫大約1000°C。然而，其電光性能仍然一般。
[0005]有一些材料被稱作巨系數(shù)電光材料。例如，被稱作SBN或KTN的材料，將在下文中詳細(xì)定義。然而，它們的居里溫度很低，接近環(huán)境溫度。不過(guò)可以用分子冷焊技術(shù)把電光材料晶體(鐵電型單晶體)固定在襯底上，從而制成元件。但是 申請(qǐng)人:注意到:巨系數(shù)電光材料的優(yōu)點(diǎn)還沒(méi)有充分利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是改善這一狀況。
[0007]—種電光兀件，其襯底上有一鐵電塊體材料層，在該襯底與該鐵電層之間有一個(gè)構(gòu)成接地面的電極；與該電極相對(duì)，在該鐵電層上方還安裝了另一個(gè)線形電極；該電光元件還具有一些槽，這些槽位于鐵電層中上面的電極的兩側(cè)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]閱讀下文的描述以及附圖后，可以了解到本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特征。附圖包括:
[0009]圖1，已在前文中引述過(guò)，是一種現(xiàn)有電光元件的示意性剖面圖；
[0010]圖2是圖1所示電光元件的透視圖，在實(shí)驗(yàn)布置中連接了兩根光纖；
[0011]圖3是與圖2同一類型的視圖，但沒(méi)有安裝支撐；圖中顯示了晶體的期望朝向，以及穿過(guò)元件的光場(chǎng)和電場(chǎng)的方向；
[0012]圖4a至圖4d是示意性的剖面圖，描繪了本文提出的電光元件的制造過(guò)程；
[0013]圖5是與圖1相似的視圖，但顯示的是一個(gè)多通路元件。
[0014]圖6a至6b是標(biāo)稱化的檢測(cè)到的強(qiáng)度/電壓關(guān)系圖形表示，分別對(duì)應(yīng)的是KTN的線性方式和二次方式。[0015]附圖和下文中的描述及其附錄在本質(zhì)上包含了特定特征的元素。附圖至少部分地表示了只有用圖形才能更好描述的內(nèi)容。附圖與描述是一個(gè)整體，因此不僅有助于更好地理解本發(fā)明，而且在必要時(shí)還有助于其定義。
[0016]本描述后附的表格也起同樣的作用。
【具體實(shí)施方式】
[0017]在本文中，使用“長(zhǎng)度”一詞用于與光傳播方向(圖3中的矢量X)基本上平行的方向。使用“寬度”一詞用于與光傳播方向基本上垂直并位于元件平面內(nèi)的方向(圖3中的矢量Y)。用“窄”表示寬度小?！吧戏健薄ⅰ跋路健?、“上”、“下”是以元件厚度方向(圖3中的矢量Z)為參照的。
[0018]如圖1所示，微塊體結(jié)構(gòu)的電光元件具有一個(gè)玻璃的或硅材料的襯底1，該襯底支撐著一鐵電塊體材料薄層4。在襯底和鐵電層之間有一個(gè)電極2 ;還有一個(gè)比電極2更窄的電極5位于電極2的對(duì)面，在塊體材料層的上方。本文所提到的塊體材料層是變薄了的。
[0019]圖2也顯不了上述構(gòu)件,并且還顯不了一條輸入光纖OFl和一條輸出光纖0F2。兩條光纖的芯都與鐵電層4進(jìn)行光連接，鐵電層4位于電極2和5之間。這種連接定義了一條光路:輸入光纖中的LP10，然后鐵電層4中的LP11，以及輸出光纖0F2中的LP12。
[0020]應(yīng)用為信號(hào)處理、近程及遠(yuǎn)程光纖通信、光傳感器，以及激光、偏振開(kāi)關(guān)，或者從一串脈沖(尤其是短脈沖)中選擇并隔離一個(gè)光脈沖(英文稱作“pulse-picking”，脈沖提取)的應(yīng)用。
[0021]該元件的工作基于雙折射干涉原理:兩列波通過(guò)由兩個(gè)相對(duì)電極形成的電容性微結(jié)構(gòu)后發(fā)生的雙折射干涉。直線偏振的入射光電磁波在所述元件的輸入端分成獨(dú)立的兩列波，每列波沿晶體的中性軸(圖3中的軸Y和Z)傳播。這兩個(gè)軸上各自不同的折射率(η。和rO導(dǎo)致所述兩列波的傳播速`度不同。這兩列波在元件的輸出端重新合并成一列光電磁波，其偏振態(tài)與在元件輸入端處不同。所述元件的電控信號(hào)(E)可以控制材料兩個(gè)中性軸之間的折射率差值(Λη=η0-ηε)，從而可以改變穿過(guò)位于上面的電極5下方激活區(qū)的光的偏振態(tài)。
[0022]鐵電層4的晶體尤其根據(jù)電光元件所需特性而選擇。
[0023]眾所周知，鐵電材料是熱電材料的一個(gè)子類。熱電材料在一定的溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)電極化屬性，而這種自發(fā)電極化可以通過(guò)施加電場(chǎng)來(lái)消除或重新定向。因此鐵電材料既是壓電的，又是熱電的。這些鐵電材料具有整體極化現(xiàn)象，因此具有相對(duì)介電常數(shù)，該相對(duì)介電常數(shù)同時(shí)取決于溫度、機(jī)械應(yīng)力和電場(chǎng)。這些現(xiàn)象同時(shí)存在，因此有關(guān)這些材料的物理屬性的研究很困難，進(jìn)展不大，盡管多年以來(lái)其潛在應(yīng)用激發(fā)了很大的興趣。前文中引述的論文就屬于這些研究之一。
[0024]考慮到給定的鐵電材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，所述論文的第二章說(shuō)明了如何定義電光張量，電光張量用數(shù)學(xué)方法表示了根據(jù)鐵電材料光折射率各向異性的鐵電材料屬性。該論文還顯示了存在一個(gè)優(yōu)先方向使得施加的電場(chǎng)可以激發(fā)最高電光系數(shù)并得到最強(qiáng)電光效應(yīng)，該方向與一個(gè)通常用r33表示的電光系數(shù)相關(guān)，其值比其它系數(shù)的值大。這些張量的值是已知的并且專屬于每種材料。例如，附錄III給出了鈮酸鋰和SBN各自的線性電光張量(Pockels效應(yīng))的值。在線性工況，鈮酸鋰具有3m對(duì)稱三角結(jié)構(gòu)，而SBN具有4mm四方結(jié)構(gòu)。
[0025]對(duì)于巨系數(shù)鐵電材料，主系數(shù)的值隨材料的成分而變。對(duì)于SBN，其值一般介于400 至 1400pm/V 之間。
[0026]直到目前，主要使用鈮酸鋰，因?yàn)槠浯蠹s1134°C的居里溫度足夠高，以便通過(guò)表面擴(kuò)散制作波導(dǎo)，這需要升溫100(TC左右。然而，其系數(shù)r33仍然一般。
[0027]有一些材料的系數(shù)r33明顯優(yōu)于鈮酸鋰，被稱作巨系數(shù)電光材料，例如被稱作SBN (Strontium 銀，Baryum 鋇，Niobium 銀)、KTN (Potassium 鉀，Tantale 組，Niobium 銀)的材料。然而其居里溫度低，接近環(huán)境溫度，因此有問(wèn)題。如所述論文的第三章所述，這些問(wèn)題之一可以這樣解決:用分子冷焊技術(shù)將電光塊體材料晶體固定在襯底上。要根據(jù)所期望的取向來(lái)實(shí)施固定，以便使主系數(shù)起作用。主系數(shù)r33應(yīng)該沿電光元件的厚度方向(圖3中的矢量Z)取向。
[0028]圖3是與圖2相似的透視圖，只不過(guò)沒(méi)有畫(huà)出襯底。圖3描繪了晶體的一種定位，使得系數(shù)r33沿矢量方向Z起作用，從而改變偏振折射率& (稱作異常折射率)。另外兩個(gè)方向X和Y涉及的是系數(shù)r13，影響折射率η。(稱作普通折射率)。
[0029]當(dāng)材料只具有兩個(gè)不同的折射率η。和時(shí)，就被歸為單軸傳播介質(zhì)類。當(dāng)三個(gè)折射率都互不相同時(shí)，介質(zhì)就被稱作雙軸的。在所有的情況下，光傳播軸的折射率(圖3中的矢量X)都對(duì)電光元件的整體電光性能沒(méi)有任何影響。
[0030]現(xiàn)在更詳細(xì)地考查現(xiàn)有技術(shù)。
[0031]現(xiàn)有技術(shù)包括兩類基于鈮酸鋰電光效應(yīng)的調(diào)制器:
[0032]-一般用于激光，或?yàn)榱藵M足自由空間中調(diào)制需求的Pockels元件；
[0033]一集成調(diào)制器，用于滿足超高速光纖通信的需要。
[0034]在電場(chǎng)E的作用下，電光效應(yīng)可以改變電光材料的折射率，從而控制穿過(guò)電光元件的光的偏振態(tài)。
[0035]Pockels元件利用兩電極之間的電容性塊體結(jié)構(gòu)，針對(duì)自由入射光應(yīng)用(無(wú)波導(dǎo))。不過(guò)，這類器件要求電極間有較大的間距，因?yàn)椴捎玫氖菈K體材料。較大的間距需要很高的控制電壓，達(dá)到幾千伏，因此調(diào)制通帶很窄，甚至只能在單個(gè)調(diào)制頻率上工作。還需要使用特殊的激勵(lì)電路或驅(qū)動(dòng)電路，該電路專門(mén)用于每一種電光元件，其成本通常與電光元件本身在同一數(shù)量級(jí)。
[0036]鈮酸鋰集成調(diào)制器基于一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如在FR0014804中所描述的那種。鈮酸鋰集成調(diào)制器采用Mach-Zehnder干涉儀的工作原理。其調(diào)制工作基于Mach-Zehnder兩臂之間的不平衡，從而改變兩束光在干涉儀輸出端重新合并時(shí)的光交互。該技術(shù)基于一個(gè)表面擴(kuò)散的光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該光導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以在Mach-Zehnder的臂中對(duì)光導(dǎo)向。然而，因?yàn)樾枰乇鄯纸夤馐移鹱饔玫碾姽庀禂?shù)r33較小，所以芯片長(zhǎng)度必須長(zhǎng)，以便限制波導(dǎo)的彎曲損耗，并在整個(gè)交互長(zhǎng)度上得到足夠的電光效應(yīng)。起作用的交互長(zhǎng)度需要設(shè)計(jì)特殊的行波電極，以便調(diào)整光電磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)的傳播速度。這種調(diào)整確實(shí)可以讓光波在沿臂傳播的整個(gè)過(guò)程中處于同一折射率調(diào)制狀態(tài)。
[0037]然而，該技術(shù)不適合巨系數(shù)材料，原因在于巨系數(shù)材料的固有屬性。主要的限制就是材料的居里溫度。該溫度對(duì)應(yīng)于材料兩種狀態(tài)之間的界限。低于該溫度，材料具有自發(fā)極化:是鐵電相。高于該溫度，材料改變狀態(tài)，失去極化:是順電相。因此需要一直保持低于該溫度，尤其是在制造技術(shù)階段，以便保持希望的初始屬性。鈮酸鋰的居里溫度大約1134°C，從而可以制作表面擴(kuò)散波導(dǎo)，制作過(guò)程需要升溫大約1000°C。巨系數(shù)材料根據(jù)其構(gòu)成不同，具有不同的居里溫度，但一般不超過(guò)幾百攝氏度，因此不可能制作擴(kuò)散波導(dǎo)。
[0038]鈮酸鋰(LiNbOJ
[0039]由于同時(shí)具備多種屬性和特征，鈮酸鋰是當(dāng)前在集成光學(xué)領(lǐng)域用得最多的材料。這些特征可以調(diào)整材料的響應(yīng)?？梢杂免壦徜囍瞥筛鞣N光子器件。而且還可以生長(zhǎng)出光學(xué)性能優(yōu)異的晶體。為了生長(zhǎng)出這種自然狀態(tài)下不存在的晶體，最廣泛使用方法就是Czochralski方法，可以制作出數(shù)千克非常均質(zhì)的晶體，且成本相對(duì)低廉。這種單晶體具有電光屬性、壓電屬性、光彈性屬性和光學(xué)非線性屬性，引人關(guān)注。
[0040]該材料是鈮、鋰、氧的化合物(LiNbO3)，三角晶結(jié)構(gòu)，對(duì)350和5000納米之間的波長(zhǎng)透明，呈現(xiàn)Pockels電光效應(yīng)。其雙折射強(qiáng)烈依賴于溫度:精確調(diào)整溫度可以控制可能的相匹配。其晶體形態(tài)以固體材料出現(xiàn)，常溫下化學(xué)屬性穩(wěn)定，因而成為對(duì)空間光學(xué)和集成光學(xué)特別有用的材料。其居里溫度高，可以在成形的技術(shù)過(guò)程中保持其鐵電屬性。其張量和電光系數(shù)(見(jiàn)附錄III，II1.1部分)不大但足夠了，因?yàn)閿U(kuò)散波導(dǎo)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較大的交互長(zhǎng)度和較小的電極間距(因而得到局部強(qiáng)電場(chǎng))。
[0041]幾十年以來(lái)，存在著用于光電信領(lǐng)域的快速調(diào)制器這樣的商用電光系統(tǒng)。最近的發(fā)展使得調(diào)制頻率可以適應(yīng)大于40Gb/s的速率。此外，現(xiàn)在還有許多LiNbO3集成光學(xué)器件都在利用這一材料的電光屬性，例如開(kāi)關(guān)、稱合器、Mach-Zehnder干涉儀。
[0042] 申請(qǐng)人:將鈮酸鋰與其它鐵電材料(其中包括KTN和SBN晶體)進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比的核心內(nèi)容見(jiàn)附表I。
[0043]鉬鈮酸鉀(KTN)
[0044]該合成物因其非線性屬性而被廣泛使用，是固體合成物KNbO3和KTaO3的混合，其中，KNbO3和KTaO3的比例可以選擇。這兩種合成物的居里溫度Tc的巨大差異(對(duì)于KNbO3, Tc=428°C，對(duì)于KTaO3, Tc=-260°C )使得可以通過(guò)調(diào)整鉭和鈮的比例來(lái)獲得KTaNbO3的居里溫度，其居里溫度在-38至428°C之間。因此該鐵電材料的居里溫度低于1000°C。在順電相，材料KTN具有立方晶格:該材料是各向同性的。對(duì)該材料施加電場(chǎng)會(huì)把立方晶格變?yōu)樗姆骄Ц?，從而使其通過(guò)電光效應(yīng)顯示出晶體的雙折射屬性。在塊體晶體形態(tài)下，KTN在400-4000nm的窗口是透明晶體，具有激發(fā)Kerr 二次電光效應(yīng)的特性。
[0045]因此，KTN通常為人所知的用途是在二次方式，而不是線性方式。線性方式可以在低于居里溫度，接近0°C的溫度下觀察到。圖6a表示了根據(jù)施加的電壓檢測(cè)到的光強(qiáng)度。線性工況下表現(xiàn)出正弦圖形，隨施加電壓的恒定間距而重復(fù)。對(duì)于施加的不同電壓范圍，發(fā)光效率斜率是一樣的。但 申請(qǐng)人:注意到可以在二次方式下(也就是說(shuō)高于居里溫度)使其以局部線性方式工作。在二次方式下，檢測(cè)到的光強(qiáng)度與所施加電壓的關(guān)系可以從圖6b中看到。二次工況下表現(xiàn)出的圖形其周期隨施加電壓的升高而減小。因此，所施加的電壓升高時(shí)，發(fā)光效率斜率就顯著增大，參見(jiàn)圖6b的右部分。在二次工況，對(duì)于施加40伏左右的電壓，斜率ρβ大于施加10伏左右電壓時(shí)的斜率β，而該斜率β又大于線性工況下施加10伏左右電壓時(shí)的斜率α。因此，可以激勵(lì)基于KTN的電光元件使鐵電材料用于線性工況。該材料的價(jià)值在于只需要較低電壓就可以增大發(fā)光效率斜率，而且同時(shí)還是線性的。
[0046]因此，可以使用在線性工況下的ΚΤΝ，其系數(shù)大約幾百皮米每伏，非常明顯地高于鈮酸鋰處于居里溫度下鐵電相時(shí)的系數(shù)。
[0047]鈮酸鍶鋇(SBN)
[0048]由于其壓電屬性、熱電屬性、電光屬性，SrBaNb2O6在當(dāng)今廣泛使用，并且，根據(jù)二階非線性一般光學(xué)法則，被用于滿足光折射的需要，例如利用光折射效應(yīng)制作臨時(shí)地埋波導(dǎo)，因?yàn)樵摬▽?dǎo)在可見(jiàn)光下可降解。
[0049]該晶體是固體合成物BaNb2O6和SrNb2O6的混合，最終形成完整晶體SrxBai_xNb206。該材料具有4mm四方晶系結(jié)構(gòu)，其中鋇(Ba)相對(duì)于鍶(Sr)的部分濃度可以在20-80%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)的張量及其電光系數(shù)的值見(jiàn)附錄III的II1.2部分。例如，SBN:61有合成物 Sra61Baa39Nb2O6, SBN: 34 有合成物 Sr0.34BaQ.66Nb206。其居里溫度 Tc 比 LiNbO3 低得多:變化范圍從對(duì)于富鍶合成物的室溫(約22°C)到對(duì)于富鋇合成物的80°C。
[0050]鈮酸鍶鋇在高于居里溫度時(shí)具有順電工況，在溫度低于Tc時(shí)具有鐵電工況。
[0051]該晶體的電光屬性對(duì)其成分非常敏感。系數(shù)r33的值因此可以在400-1400pm/V之間變化，即大約是LiNbO3的12至40倍。例如在SBN的情況下，鍶的濃度越高，則系數(shù)r33越大但居里溫度越低。根據(jù)具體應(yīng)用可以選擇最好的折衷方式。
[0052]本文提出利用微塊體結(jié)構(gòu)巨系數(shù)鐵電材料的“巨屬性”來(lái)顯著降低控制電壓以及所需的交互長(zhǎng)度。該鐵電材料可以包含被稱為SBN、KTN、KNSBN的材料及其混合物中的至少一種。
[0053]從圖1至3可以看到其結(jié)構(gòu):一個(gè)所選鐵電塊體材料的薄片4位于兩片金屬2和5之間，金屬2和5實(shí)現(xiàn)電容性寬帶電激勵(lì)電極的功能。電激勵(lì)產(chǎn)生電場(chǎng)V/d，V是施加的電壓，d是薄片的厚度。因其厚度小，電場(chǎng)就更大了。所得到的調(diào)制是電光感應(yīng)的雙折射調(diào)制，
其現(xiàn)象是根據(jù)交互長(zhǎng)度L而變的光的偏振態(tài)調(diào)制。在光波的兩個(gè)分量之間有相位差J識(shí)。
該相位差與交互長(zhǎng)度、施加的電場(chǎng)、系數(shù)r33成正比，與鐵電塊體材料薄片的厚度成反比:
[0054]Λφ a r33.L.V/d
[0055]由此可以定義主要參數(shù):
[0056]所制造的結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系(L/d)；
[0057]所選擇的材料的張量屬性(r33)；
[0058]所需控制電壓Vn (為了得到相位差π )。
[0059]本發(fā)明i羊細(xì)介紹
[0060]為了改善電光元件的性能，該元件還可以包含一些槽6，這些槽位于鐵電層4中，在上面的電極5的兩側(cè)圍繞上面的電極5，。
[0061]現(xiàn)在描述制造該類調(diào)制器的方法。該方法從本質(zhì)上包含如下操作:
[0062]a.在選定的襯底(玻璃/硅/剛性材料)上進(jìn)行金屬沉積:該襯底的厚度可變。
[0063]b.在鐵電材料上進(jìn)行類似的沉積；根據(jù)不同的應(yīng)用，優(yōu)先選用不同的材料。
[0064]c.通過(guò)壓力分子冷焊將鐵電材料轉(zhuǎn)移到襯底上。
[0065]d.通過(guò)研磨、拋光或超聲波加工使鐵電塊體材料變薄。鐵電材料的最終厚度根據(jù)電光元件的期望性能來(lái)確定。
[0066]e.用光刻技術(shù)制作至少一個(gè)表面電極。
[0067]f.在該表面電極兩側(cè)制作槽。這些槽可以通過(guò)切除材料、飛秒激光加工、超聲波加工、或鋸線切割來(lái)制成。
[0068]g.在電光兀件的輸入端和輸出端切割并拋光光通道。
[0069]用該制作方法得到工作于大約5伏控制電壓、調(diào)制通帶大約IGHz的電光元件。如果沒(méi)有槽，電壓會(huì)是大約15伏。
[0070]操作f中制作的槽可以將性能提高至少3倍。這些槽首先可以將電場(chǎng)限制在表面電極下方，因?yàn)橄藧夯◣У募纳孤╇妶?chǎng)線。這些槽還可以提高電場(chǎng)和光場(chǎng)的重疊積分，從而有利于電光交互并可以降低控制電壓。這些槽還有生成脊波導(dǎo)(英文“ridgewaveguide”)類型的偽光波導(dǎo)的效果,從而改善結(jié)構(gòu)中的光稱合,并可以減少器件的插入損耗。
[0071] 圖4a描繪的是襯底I在上表面帶有一個(gè)金屬層2、以及與其分離地，鐵電材料塊體晶體3、在下表面的一個(gè)同種金屬層2。如箭頭所示，將這兩部分壓在一起，從而在兩層金屬2處形成冷焊，不超過(guò)晶體3的居里溫度即镕合。襯底可以是玻璃、硅、或其它剛性材料制成的。例如，金屬層可以是金沉積，非常適合冷焊。
[0072]圖4b描繪了將塊體晶體3變薄的過(guò)程。如短劃線和箭頭所示，塊體晶體3厚度減少，變成鐵電薄片4。
[0073]圖4c描繪了通過(guò)沉積得到上面的電極5，材料也可以是金。
[0074]圖4d描繪了在鐵電薄片4中制作兩個(gè)槽6的過(guò)程，這兩個(gè)槽與上面的電極5平行并在其兩側(cè)。
[0075]附表1I給出了該電光元件的各部分尺寸的例子?？梢允闺姽庠碾姌O間距小于300微米左右。至少一個(gè)電極的寬度小于電極間距。電極間距可以小到十幾個(gè)微米左右。
[0076]本發(fā)明的變型可以產(chǎn)生根據(jù)選擇以相位調(diào)制或強(qiáng)度調(diào)制工作的元件。以本發(fā)明所提出的設(shè)備為基礎(chǔ)，可以制成具有獨(dú)立的N個(gè)通路的集成光調(diào)制器，如圖5所示。圖5中的構(gòu)件與圖4d中的相同，只不過(guò)用同一種薄塊體電光材料、在同一襯底上制作了 N = 5個(gè)通路。
[0077]各電極5的中心軸距直接取決于器件所處的外部環(huán)境(光纖、激光器網(wǎng)絡(luò)，……)。例如，各電極5之間至少間隔250微米左右，即光纖的標(biāo)準(zhǔn)寬度。
[0078]其構(gòu)成與尺寸可以與表1I中的一樣。
[0079]就算沒(méi)有強(qiáng)調(diào)要用于微波領(lǐng)域，也自然會(huì)想到這種幾百M(fèi)Hz、小巧的N路調(diào)制產(chǎn)品對(duì)如下各個(gè)領(lǐng)域的相關(guān)系統(tǒng)頗具意義:通信、工業(yè)和/或科學(xué)應(yīng)用中信號(hào)的傳輸與處理。10個(gè)左右的通路數(shù)目N可以在單個(gè)襯底上的單個(gè)鐵電層上實(shí)現(xiàn)。獨(dú)立的通路數(shù)目N可以被選為例如大于或等于2。
[0080]可以有如下兩種工作方式，但不限于此:相位調(diào)制、偏振開(kāi)關(guān)。
[0081]在第一種情況下，得到的是獨(dú)立N路的相位動(dòng)態(tài)控制器件。這種功能例如可以用在纖維激光系統(tǒng)中，使用N路功率組合的有源方式。例如可以制造出包含64個(gè)集成調(diào)制器的器件，這64個(gè)集成調(diào)制器在一個(gè)芯片上，或者在并列的多個(gè)芯片上。
[0082]上文所指的另外一個(gè)功能涉及線間延遲光轉(zhuǎn)換，用于超高頻天線控制。測(cè)試得到的良好消光值(25-30dB)以及直流穩(wěn)定性是不可否認(rèn)的巨大優(yōu)勢(shì)。由于小寬度小電容量微帶(英文“microstrip”)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，超高頻運(yùn)行是可能的但對(duì)這類應(yīng)用不一定必需。因此幾何形狀的限制不代表技術(shù)上的障礙，并可以將控制電壓降到幾伏的范圍中。[0083]該類器件可以采用前述的電光元件制造方法來(lái)制造。該方法的上面的電極的沉積掩膜設(shè)計(jì)部分要改一下:在電活性薄材料的整個(gè)可用寬度上重復(fù)制作初始圖案。
[0084]本文提出一種光調(diào)制器，該調(diào)制器利用薄結(jié)構(gòu)巨系數(shù)鐵電材料的塊體屬性，該鐵電材料的厚度隨器件的預(yù)期性能而變化。在電場(chǎng)作用下，材料的折射率被改變。因此，根據(jù)本發(fā)明，可以用亞毫米尺寸的器件實(shí)現(xiàn)電光方式以外的調(diào)制應(yīng)用。例如，兩電極的間距可以小于300微米左右。
[0085]通過(guò)與電光元件兩電極分別相連的激勵(lì)電路9可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)，從而使電光元件以光相位調(diào)制器和/或光偏振調(diào)制器的方式工作。激勵(lì)電路9還可以設(shè)計(jì)成用于以光強(qiáng)度調(diào)制器或光開(kāi)關(guān)工作。
[0086]本發(fā)明提出的設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢(shì)。例如，對(duì)于同一控制電壓和同厚度的晶體，得到同樣的電光強(qiáng)度對(duì)于鈮酸鋰晶體而言需要IOcm的交互長(zhǎng)度，而對(duì)于SBN晶體而言只需要5mm的交互長(zhǎng)度。
[0087]相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)包括:
[0088]大大提聞了光調(diào)制效率；
[0089]大大減小了交互長(zhǎng)度；
[0090]射頻調(diào)制通帶；
[0091]簡(jiǎn)化的電光結(jié)構(gòu)(無(wú)波導(dǎo)雙折射干涉)；
[0092]集成制造技術(shù)，將多個(gè)獨(dú)立的調(diào)制器件集成在單個(gè)器件中。
[0093]說(shuō)明書(shū)附錄
[0094]表I
[0095]
【權(quán)利要求】
1.一種電光兀件,包括在襯底(I)上的塊體材料鐵電層(4)、在襯底(I)和鐵電層(4)之間形成接地面的電極(2)以及與該電極相對(duì)地安裝在鐵電層之上的另一個(gè)窄電極(5)，該電光兀件的特征在于具有一些槽(6),這些槽被布置在鐵電層中、上面的電極(5)的兩側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電光元件，其特征在于:鐵電材料⑷具有低于1000°C的居里溫度；以及兩個(gè)電極(2、5)之間的距離小于大約300微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項(xiàng)的電光元件，其特征在于:所述鐵電材料包含稱為SBN、KTN、KNSBN的材料和它們的混合物中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的電光元件，其特征在于所述電光元件被激勵(lì)以使得所述鐵電材料用于線性工況。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的電光元件，其特征在于:所述兩個(gè)電極(2、5)之間的距離大約10微米，窄電極(5)的寬度小于所述電極之間的距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)的電光兀件,其特征在于所述電光兀件包含窄電極(5)的N個(gè)基本上相互平行的布置，每個(gè)窄電極(5)被槽(6)圍繞，這N個(gè)布置形成獨(dú)立的N個(gè)通路，其中N大于或等于2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的電光元件，其特征在于所述電光元件裝有激勵(lì)電路(9)，所述激勵(lì)電路(9)被配置為用于使所述電光元件作為光相位調(diào)制器工作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)的電光元件，其特征在于所述電光元件裝有激勵(lì)電路(9)，所述激勵(lì)電路(9)被配置為用于使所述電光元件作為光偏振調(diào)制器工作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)的電光元件，其特征在于所述電光元件裝有激勵(lì)電路(9)，所述激勵(lì)電路(9)被配置為用于使所述電光元件作為光強(qiáng)度調(diào)制器或光開(kāi)關(guān)工作。
10.一種電光元件的制造方法，包括如下步驟: a)在選定的襯底上進(jìn)行金屬沉積， b)在鐵電材料上進(jìn)行類似的沉積， c)通過(guò)分子冷焊將鐵電材料轉(zhuǎn)移到襯底上， d)使鐵電材料變薄， e)通過(guò)光刻技術(shù)制成至少一個(gè)表面電極， f)在表面電極兩側(cè)制成槽，這些槽通過(guò)材料切除來(lái)獲得， g)在所述電光元件的輸入端和輸出端切割并拋光光通道。
【文檔編號(hào)】G02F1/05GK103534635SQ201280011424
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2012年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月26日
【發(fā)明者】馬克·亞歷山大·布夫羅 申請(qǐng)人:馬克·亞歷山大·布夫羅