專利名稱：成圖形極化介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)和裝置的制作的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從可極化材料制造成圖形極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)和裝置，特別是周期性極化的介質(zhì)結(jié)構(gòu)以及結(jié)合周期性極化結(jié)構(gòu)的裝置的技術(shù)。本發(fā)明廣泛用于光學(xué)系統(tǒng)，特別是非線性光學(xué)系統(tǒng)，如信頻器，光參量振蕩器和放大器，光學(xué)波導(dǎo)等等。
非線性光學(xué)相互作用所選的鐵電材料為LiNbO3，LiTaO3，和KTP。一般說來通過內(nèi)擴(kuò)散和熱處理，如對這三種材料分別進(jìn)行Ti內(nèi)擴(kuò)散，質(zhì)子交換和Ba內(nèi)擴(kuò)散而產(chǎn)生鐵電疇反轉(zhuǎn)。在LiNbO3和LiTaO3中，這些極化技術(shù)在可極化材料中生成淺疇，只適用于淺波導(dǎo)相互作用。為得到和模的最大重疊和最佳裝置效率，疇反轉(zhuǎn)晶格應(yīng)為帶垂直疇壁的矩形。但是，在LiNbO3中，鈦內(nèi)擴(kuò)散工藝(美國專利5,036,220)產(chǎn)生三角形疇倒轉(zhuǎn)晶格，而在LiTaO3中，質(zhì)子交換和600℃左右熱處理(美國專利5,249,191)產(chǎn)生半圓形疇。這些畸形的、非矩形的疇降低了所要求的非線性相互作用的效率。
在KTP中，由Ba擴(kuò)散產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)疇(美國專利5,157,754，Van der Poel等，Appl.Phys.Lett.，57(20)，p2074-6，1990)由于這種擴(kuò)散工藝的各向異性，得到帶垂直側(cè)壁的矩形。但是比較淺它們可用于波導(dǎo)相互作用，但對塊應(yīng)用不特別有效。對KTP疇反轉(zhuǎn)工藝的附加處理是對疇反轉(zhuǎn)進(jìn)行與形成光波導(dǎo)的常用的離子交換相同的步驟。盡管這意味著只需一個加工步驟制造這種裝置(而不是分別進(jìn)行疇反轉(zhuǎn)和波導(dǎo)構(gòu)造工藝)，但它同時意味著波導(dǎo)和疇反轉(zhuǎn)尺寸不能獨(dú)立選擇最佳條件以取得最大效率。為得到周期性反轉(zhuǎn)疇圖形，形成由交替指示離子交換區(qū)和不指示不交換晶體構(gòu)成的分節(jié)波導(dǎo)。應(yīng)用不同的疇反轉(zhuǎn)工序，如電場誘導(dǎo)極化，可將上兩個構(gòu)造過程分開從而可以獨(dú)立優(yōu)化。
已有技術(shù)中的疇反轉(zhuǎn)工藝僅限于只適用于相互作用波導(dǎo)的較淺表面特征的構(gòu)造。[除了Magel等(Magel et al Appl.Phys.Lett 56(2)，p108-10，1990)所述的由激光加熱的座生長技術(shù)長成的LiNbO3周期性極化纖維例外。但是，這種周期性極化纖維不能控制疇的尺寸和邊界的位置到保證長度大于3mm的長樣品的相匹配的程度]。對于更高功率的相互作用，如高功率變頻和脈沖激光系統(tǒng)，由于發(fā)生波導(dǎo)時晶體前面上產(chǎn)生的強(qiáng)度遠(yuǎn)超過了材料損壞極限，波導(dǎo)裝置不適用。為避免非淺性晶體的物理損傷，必須緩和高功率射線束聚焦。對此時所用的周期性極化材料來說，大塊晶體接縫處的極化要非常均勻。需要一種能對鐵電材料進(jìn)行大塊周期極化的疇反轉(zhuǎn)工藝。
Yamada等對LiNbO3的電場誘導(dǎo)極化(美國專利5193023)提供了一種得到最大效率的垂直壁疇化結(jié)構(gòu)和適用于所有鐵電材料的相互作用的準(zhǔn)晶相匹配的準(zhǔn)極化的可能性。Yamada等描述了如圖2a所示采用沉積在晶體±z表面上的成圖形金屬電極22并結(jié)合應(yīng)用脈沖高電壓20。該高電壓脈沖超過了晶體的矯頑場而在金屬電極下產(chǎn)生疇反轉(zhuǎn)。但是，經(jīng)常的破壞性電擊穿依然是一個問題，使這種極化技術(shù)還遠(yuǎn)不能用于裝置的制造?？茖W(xué)文獻(xiàn)上對電場極化方面工作的報導(dǎo)(Yanada等，APl.Phys.Lett.，62(5)，p435-6，1993，Yamada等，ASSL and Blue Green Lasers 1993，paper CThA1-1，Optical Society of America]于電擊穿的破壞效果僅限于100μm厚的晶體襯底。對大塊晶體的應(yīng)用需要更大的孔徑。
緊隨Yamada等的努力，Burns等[Bams等，Paper CThC3-1，Compact BlueGreen Lasers，1994，Optical Society of America，Burns等，Phot.Tech.Lett.，Vol6，p252-4，1994)最近得到了約250μm厚的LiNbO3乎板的疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。但是電擊穿仍是一個問題，光刻成圖形金屬電極不能很好地限定反轉(zhuǎn)疇的寬度，從而明顯地降低了裝置效率。
采用電場來極化成圖形的鐵電晶體以達(dá)到準(zhǔn)晶相匹配是由Papuchon等基于x或y切割晶體襯底在1980年提出的(美國專利4,236,785)。在此發(fā)明中，在如圖2b所示，通過在光學(xué)晶體的x或y切割面26上的光刻構(gòu)造有由所要的非線性相互作用的相干長度所確定的周期的鋸齒形電極結(jié)構(gòu)24。加高電壓跨過兩電極使得電場和晶體z方向(材料自身極化方向)反平行以使周期性疇反轉(zhuǎn)于該晶體襯底。這種周期性極化技術(shù)自發(fā)現(xiàn)以來就是用LiNbO3作晶體襯底，并由科學(xué)文獻(xiàn)所報道(Janzen等，Integrated Photonic Research，paper TuD5-1，1992，Optical society of America]，但是由于共平面電極間的電場不能深深地穿過晶體，所反轉(zhuǎn)的疇必須很淺(≤2μm)。
Papuchon等也提出了在用于疇反轉(zhuǎn)電極上沉積和成圖形第二電極，從而使得可對準(zhǔn)晶相匹配晶格的反轉(zhuǎn)和未反轉(zhuǎn)疇部分加不同電壓，然后利用光電效應(yīng)調(diào)諧準(zhǔn)晶相匹的相互作用波長峰。
Matsumoto等(Electron Lett.，27，p2040-2，1991)描述了在電周期性極化的LiTaO3波導(dǎo)中藍(lán)光的第二諧波的產(chǎn)生。在將樣品加熱到剛剛低于居里溫度約610℃時，用叉指狀電極加周期性電場將z切割LiTaO3晶體襯底極化。制成的波導(dǎo)裝置的轉(zhuǎn)換效率明顯低于通過+z面上離子交換得到的裝置，沒有對其進(jìn)一步研究。
Siebert等(Proc.Soc.Instr.Egn.，1362，p370-6，1991)報導(dǎo)了用熱電效應(yīng)生產(chǎn)電場在y切割LiNbO3表面的反轉(zhuǎn)鐵電微疇。一對鋸齒形電極在y切割面成型沿正軸分開約6μm，周期為30μm。將該晶體加熱到約100℃，由于熱電效應(yīng)產(chǎn)生跨過兩電極的足夠電壓空間周期地反轉(zhuǎn)電極間的鐵電疇。但是電場未深浸入晶體。所以形成的疇只有約1μm深，以致于太淺而使相互作用的波導(dǎo)也不夠用。
Mizuuchi等(Appl.Phys.Lett.，62，p1860-2，1993)公開了一種用常用于正切割面的選擇質(zhì)子交換和快速熱處理在x切割LiTaO3上制造周期性疇反轉(zhuǎn)的技術(shù)。疇反轉(zhuǎn)部分在y-z平面內(nèi)以一角度向z軸傾斜。但是，在這種疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中已經(jīng)呈現(xiàn)準(zhǔn)晶相匹配的非線性相互作用。
電場極化不限于鐵電材料。Brueck等(美國專利5239407)報導(dǎo)了當(dāng)在高溫度(250℃-350℃)下對高電場(約5kV/mm)曝露在熔融二氧化硅中產(chǎn)生二級非線性。這種穩(wěn)定的非線性認(rèn)為是由于熔融的二氧化硅內(nèi)在所加電場作用下離子雜質(zhì)物種遷移造成的。
有機(jī)聚合場材料也能加電場極化產(chǎn)生二級光學(xué)非線性(如美國專利5064265)。表現(xiàn)出二級非線性電極化率的懸枝基團(tuán)作為側(cè)鏈加到熱塑性聚合物中。通過將聚合物加熱到接近或超過其玻璃化溫度，加一DC電場以在單軸向線性側(cè)鏈懸枝基團(tuán)的分子兩極，在電場依然作用時冷卻該聚合物以固定所校正的側(cè)鏈分子而極化。
現(xiàn)有技術(shù)不能提供基于準(zhǔn)晶相匹配的產(chǎn)生二次諧波的產(chǎn)生的低價可見光源所要求的多種特征和非線性光學(xué)相互作用用的體周期性極化材料。問題在于樣品之間很難再現(xiàn)，不適于體光學(xué)相互作用的淺反轉(zhuǎn)疇，晶體襯底電擊穿的破壞效應(yīng)。
由于公知的鐵電材料的最發(fā)達(dá)技術(shù)只能用于z切割面和只產(chǎn)生淺的反轉(zhuǎn)疇，在已有技術(shù)中，集成光波導(dǎo)變頻裝置領(lǐng)域基本上只是關(guān)于z切割的鐵電材料。鈦內(nèi)擴(kuò)散到LiNbO3和KTP中的鋇離子交換也是同樣。為得到這些材料的最大非線性光學(xué)系數(shù)，d33，泵和信號束必須沿z軸偏振，要求橫向磁(TM)偏振波導(dǎo)方式(垂直于波導(dǎo)芯片的平面偏振)。但是，半導(dǎo)體二極管激光器，用于許多非線性光學(xué)變頻相互作用最吸引入的泵源，以橫電模式(TE)偏振，即平行于二極管面偏振，結(jié)果需昂貴的偏振旋轉(zhuǎn)元件插入二極管和非線性晶體之間。因此非常需要一種周期性極化x或y切割鐵電晶體的制造技術(shù)，以便波導(dǎo)橫式可以TE偏振以與二極管激光器的輸入相匹配，而且依然能得到大d33非線性光學(xué)系數(shù)。
由于極化要求的電場強(qiáng)度接近電勢閾值，所以電場極化很難。要進(jìn)行極化，所加電場必須大于極化所要求的電場，但也不能太大而超過擊穿電場。實際上，這是很難實現(xiàn)的，對較大樣品來說，擊穿電場可在樣品中變化，問題變得更為嚴(yán)峻。
已有技術(shù)中擊穿問題是本質(zhì)性難題。由于電極的形狀，材料部分呈受的電場明顯比大塊樣品平均所加的電場高。已有技術(shù)中采用的電極構(gòu)型集中了電場，導(dǎo)致嚴(yán)重的擊穿問題。
已經(jīng)確定已有技術(shù)中的問題是由電極的幾何形狀，典型地由光刻形成的如圖2a(已有技術(shù))的形狀所造成的。金屬膜22成圖形以在極化所要求的區(qū)域12上形成連續(xù)接觸層，在原有極化不被干擾的區(qū)域13上的膜除去。典型的一次短脈沖時在電極21和22間加一場，在某一施加電壓實現(xiàn)極化。不幸的是，在加脈沖時許多樣品在某個時間出現(xiàn)電擊穿，產(chǎn)生的弧放電物理地?fù)p壞樣品。擊穿發(fā)生的可能性如此之高結(jié)果認(rèn)為電場極化不是生產(chǎn)反轉(zhuǎn)疇鐵電材料的可行方法。
從對襯底材料表面的電場圖樣的分析可以看出已有技術(shù)中電極排布上的問題。在圖2a的幾何圖形中，電極間隙23的表面上的電場的標(biāo)稱幾乎是遠(yuǎn)離成圖形電極的體電場值Eo的0.5倍。這是J.D.Jackson名著Classical Elcetrodynamics(第二板)處理混合邊界條件部分中所示的例子。從高斯定理，應(yīng)遵守電極下沿表面的常規(guī)場必基本上高于體電場Eo，在LiNbO3中不可能始終加一個超過極化極限的場Eo而在樣品中某處不超過擊穿極限。這個問題是由于電極下電場增強(qiáng)所致。
若電極的空間負(fù)載因數(shù)為50％(即電極寬度為周期的50％)，電極下平均法向場則為1.5×Eo。電極下的峰場甚至?xí)?。從法拉第定律，我們知道電場?biāo)稱作為位置x的函數(shù)連續(xù)變化從電極一邊對其值0.5Eo變到其峰值然后在電極另一邊降回0.5Eo。若我們假定一個法向場隨x變化的合理的方程，即使沒有靜電問題的顯解我們也可能估計峰場的量級。假設(shè)為正弦函數(shù)，算得峰法向場為2.5×Eo。實際上，峰場約為體場的兩倍左右。
索尼集團(tuán)(Yamada等)報導(dǎo)了LiNbO3的室溫?fù)舸﹫黾s為26kV/mm。室溫極化所需的場為22到24kV/mm之間，差距不超過20％。體場必須超過極化場否則樣品中不能生出反轉(zhuǎn)疇。已知升高溫度時極化場降低，擊穿場也降低，所以在高溫時無更多優(yōu)點(diǎn))。要實現(xiàn)極化，所加場必須超過極化場，所加場不能太大或太長超過擊穿場，否則突變電子雪崩將損壞樣品。所要求的和最大的場的差距顯然比所加場的四個因子變量窄。
已有技術(shù)中簡單的周期性電極結(jié)構(gòu)不能維持在LiNbO3中小于擊穿電場下，最大(峰)施加場，而同時仍超過可極化材料8的體極化場。對其它鐵電材料如KTP和LiTaO3存在類似問題。需要一種能周期性極化而不超過擊穿場的技術(shù)。需要一種周期性電極結(jié)構(gòu)來調(diào)制所加場高于和低于沿樣品表面的極化場(以控制非線性光學(xué)極性反轉(zhuǎn)的區(qū)域的空間界限)同時控制峰場以使在加電壓脈沖時不會太大或太長而超過擊穿場。
按本發(fā)明，極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)如用作倍頻器的構(gòu)造是通過在鄰近極化材料如壓電的或鈮酸鋰的第一表面產(chǎn)生一個均一電勢如通過電極表面的地電位，之后在鄰近可極化材料的第二表面加一電場，在此按三維調(diào)制模式以一場振幅級在所選擇的足以引起可極化材料預(yù)定區(qū)限內(nèi)原子重排的位置將該電場空間諧制，其中調(diào)制模式的調(diào)制振幅級是按調(diào)制參數(shù)控制的。調(diào)制振幅級的控制機(jī)制可由伸向可極化材料的電導(dǎo)材料的突出部分來控制或由將可極化材料從電極板分離的介質(zhì)的介電常數(shù)的調(diào)制變量來控制。所述的電導(dǎo)材料可以是一板，一沉積層或一種液體。所用模式可以是周期性的也可以是能直線成圖形極化結(jié)構(gòu)的，包括波導(dǎo)。第一電極和第二電極可以跨過可極化材料的晶片彼此相對或沿可極化材料的邊橫向相對，且?guī)т忼X狀邊的晶片表面上的電極直接指向第二電極。
按本發(fā)明的另一實施例中，調(diào)制振幅級在壓電材料中可通過在加一極化力時使材料受力而選擇性增強(qiáng)。控制機(jī)構(gòu)的形狀可包括例如由鄰近可極化材料表面的角所形成的場濃縮區(qū)以促進(jìn)所控制的疇取向的成核(初始生長中心的產(chǎn)生)。疇定向程度是通過限制控制機(jī)構(gòu)和均一電勢電極間的電荷轉(zhuǎn)移來控制的。
推薦按這種工藝制出的各種產(chǎn)品。
通過對由電極構(gòu)型產(chǎn)生的電場幅度的調(diào)制控制得到所要的極化結(jié)果。通過降低所加電場的峰值，本發(fā)明允許使用較高的平均電場而不造成擊穿。換言之在一固定施加電壓下大大降低了擊穿的可能性，可以進(jìn)行大生產(chǎn)規(guī)模的晶片極化。
通過下文詳細(xì)的說明并結(jié)合附圖會更好地理解本發(fā)明。


圖1是按本發(fā)明制得的結(jié)構(gòu)的一個例子的剖面圖；圖2a是已有技術(shù)中第一種結(jié)構(gòu)；圖2b是已有技術(shù)中第二種結(jié)構(gòu)；圖3是可極化材料晶片上的電場控制掩模的局部剖面透視圖；圖4是可極化材料晶片上另一個電場控制掩模的局部剖面透視圖5是可極化材料晶片上另一個電場導(dǎo)電層的局部剖面透視圖；圖6是靠近可極化材料晶片的另一個電場導(dǎo)電結(jié)構(gòu)局部剖面透視圖；圖7是一局部剖面透視圖以說明壓增強(qiáng)極化；圖8是表面上極化控制段圖形平面圖；圖9是波導(dǎo)圖形平面圖；圖11-13是制造TE模式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的工藝的透視圖；圖14說明了電極位于橫截面上的裝置；圖15是帶槽的鋸齒形電極透視圖；圖16電極鄰近可極化介質(zhì)材料的調(diào)制介質(zhì)層局部剖面透視圖；圖17是TE波導(dǎo)片狀極化晶片的局部剖面透視圖。
本發(fā)明包括采用為導(dǎo)電層覆蓋的成圖形介質(zhì)隔層。導(dǎo)電層在驅(qū)動電路施加預(yù)定電壓，而加在樣品一個表面上的電場可由距導(dǎo)電層的距離(可控的)來調(diào)制。圖1是按本發(fā)明制得的結(jié)構(gòu)的一個例子的剖面圖。在圖1中，絕緣層4被淀積并被構(gòu)圖以覆蓋在不要求疇反轉(zhuǎn)的區(qū)域13上。然后提供連續(xù)導(dǎo)電層14，如電導(dǎo)液，和成圖形絕緣體留下的溝10中的絕緣體接觸并覆蓋絕緣體。因此導(dǎo)電表面確定的等電勢表面和場(在垂直方向)成直線以電絕緣膜保留部分的厚度和位置所確定的方式在空間成波紋形。
通過檢測樣品表面的電場分布對成圖形絕緣層的微分厚度d的函數(shù)可以非常容易地看出這樣構(gòu)型比現(xiàn)有技術(shù)好的地方。在d趨近于零的極限時，電場總是均一的，且等于體電場Eo，或所加電壓除以樣品厚度。在d相對于周期P為無窮大的極限情況下，表面場有力調(diào)制使導(dǎo)電層接觸其表面的區(qū)域下為最大值而絕緣體區(qū)域下為最小值。場對x的依賴關(guān)系由麥克斯韋方程代表的特征函數(shù)形式表示，它只依賴于負(fù)載因子(對周期性結(jié)構(gòu)來說，不是邊或其它圖形變量)。由于微分厚度d在這兩個極點(diǎn)間變化，所加電場的法向成分的調(diào)制從其最大值到零變化。
這種構(gòu)型和構(gòu)造方法的重要性在于能夠控制所加電場的深度調(diào)制，這是已有技術(shù)中根本缺乏的能力。通過調(diào)節(jié)微分厚度d，場調(diào)制可降少到足以避免擊穿同時仍能實現(xiàn)疇再取向或極化。厚度d是可調(diào)節(jié)以控制在可極化材料8的選定區(qū)域內(nèi)控制電場強(qiáng)度的所選振幅調(diào)制參數(shù)，特別包括表面6上的峰到峰場變量。(所謂極化是指可極化材料內(nèi)微觀二極的原子取向。極化可包括原來均勻極化襯底中的疇反轉(zhuǎn)，以在有無序取向的疇的晶片內(nèi)確定極化方向或在部分極化的襯底中使疇取向。)成圖形的層可以是覆蓋不反轉(zhuǎn)區(qū)域的介質(zhì)材料。(在已有技術(shù)中，成圖形的層是金屬并覆蓋要反轉(zhuǎn)區(qū)域。)
該發(fā)明是一個用所要的圖形，產(chǎn)生一均勻電位，按調(diào)制圖形控制電場的方法，所述的調(diào)制圖形可以是例如由導(dǎo)電材料，在圖1的情形下是導(dǎo)電液體形成的突起產(chǎn)生的。
圖1示意性說明了按優(yōu)選實施例方法由成圖形極化介質(zhì)材料2制得的結(jié)構(gòu)的剖面。這種可極化材料8，在本優(yōu)選實施例中是由商業(yè)上可得的單疇LiNbO3構(gòu)成的鐵電晶體，由氧等離子灰化(oxygen plasma ashing)被清洗，以除去所有烴和其它在拋光和處理過程中留下的雜質(zhì)。電絕緣介質(zhì)膜4以預(yù)定厚度和預(yù)選x-y圖形淀積在z切割晶體表面6上形成掩模。為簡化處理，這種電絕緣介質(zhì)膜是由有機(jī)光刻膠組成可達(dá)幾微米厚。(其它絕緣材料如SiO2或TiO2也可采用。盡管電絕緣體是合乎需要的，對介電材料不是必須的，只要材料能承受高施加電壓而不擊穿或毀壞)。用標(biāo)準(zhǔn)接觸平版印刷技術(shù)經(jīng)一光掩模對光刻膠曝光，得到了所選厚度的電絕緣的電場強(qiáng)度控制掩模圖形。(另一種成圖形過程是進(jìn)行投影光刻，它要求光掩模和晶體襯底不接觸，更適于大批量生產(chǎn)應(yīng)用)。
圖1的電場控制掩模透視圖見圖3，由沉積在LiNbO38的+z表面的平面絕緣膜4構(gòu)成，其中構(gòu)成圖形的接觸窗10使得可通過電極材料(如導(dǎo)電液體)和晶體直接電接觸。
在用LiNbO3作鐵電襯底晶體的優(yōu)選實施例中，已構(gòu)圖的電場控制掩模在+z晶體表面形成，由于此處是疇成核出現(xiàn)的地方，之后向-z表面長大。由于疇反轉(zhuǎn)是在+z表面成核的，所以在-z表面不需提供構(gòu)圖掩模，因此平面電導(dǎo)材料提供了到-z面的電接觸。在LiNbO3和其它鐵電材料，如LiTaO3，KTP，KNbO3，BaTiO3，SBN，Ag3AsS3等以及其它非鐵電材料，如某些聚合物(帶具有大超極化率的二極發(fā)色團(tuán)的)和熔融了的二氧化硅的所有優(yōu)選實施例中，都應(yīng)將成圖形的電場控制掩模加到疇成核出現(xiàn)的材料表面上。由于可極化材料必須能支持所施加的電場不被損壞，它必須對電場極化過程操作是介電的。只要在極化過程感應(yīng)電流不造成損壞就不需要絕緣材料。
通過第一導(dǎo)電材料15，和材料的第一表面7，-z表面形成電接觸，在任何實施例中導(dǎo)電材料可以是，液體導(dǎo)體，沉積在-z表面的薄金屬膜，或鄰近-z表面的大塊電導(dǎo)體。值得注意在這里的實施例中所謂相鄰包括在材料(表面和導(dǎo)體)間使用涂層。和第一表面相反，材料的第二表面6，+z表面的電接觸是通過將第二電導(dǎo)材料(可以是和第一電導(dǎo)材料一樣的材料)沉積在電絕緣介質(zhì)膜上而實現(xiàn)的。該相對表面到第一表面有點(diǎn)距離，按所用的幾何結(jié)構(gòu)它可以平行于第一表面，和/或成角度和/或彎曲和/或有角，邊，和/或鋸齒形。圖中所示平面幾何形狀包括可極化介質(zhì)材料中較大規(guī)模的三維結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，膜具有真實的三維結(jié)構(gòu)。液體形式的第二電導(dǎo)材料可以是鹽如LiCl或KCl的飽和水溶液。這種液體導(dǎo)體充添入絕緣介質(zhì)膜的接觸窗和晶體+z表面接觸。由于接觸窗尺寸小，液體導(dǎo)體和晶體第二表面間有時會留有氣泡，從而不能形成良好的電接觸。
用電導(dǎo)板16，17或線達(dá)到和液態(tài)導(dǎo)體的電接觸，可使樣品極化面積增加時得到良好電流分布。例如用圓圈形橡膠18，19將液體導(dǎo)體限定在圖1所示的可極化材料表面的要求的范圍內(nèi)。這種限定避免液體導(dǎo)體溢過可極化材料邊界在極化處理時造成電擊穿和短路。
用合適的電源20將脈沖式高壓電勢加在晶體襯底上，和襯底晶體的固有極化方向相反，即正電壓加到晶體的+z面，而-z面接地。換言之，負(fù)電壓加到鄰近-z表面的電導(dǎo)材料而鄰近+z表面的控制電場強(qiáng)度的裝置接地。用作電極的電導(dǎo)材料不必具有金屬電導(dǎo)率；只要極化時通過該導(dǎo)電材料能加一均勻電壓就足夠了。所述的均勻電位可以包括在整個可極化介質(zhì)材料的小的電位變量，只要在疇反轉(zhuǎn)成核表面造成的場變量和控制電場強(qiáng)度的裝置所加變量相比小，和只要在可極化介質(zhì)材料的相對表面上造成的變量不會引起體場強(qiáng)度落到發(fā)生極化的極限場之下。也應(yīng)注意大地是令人滿意的電極，無論它離樣品多遠(yuǎn)。若用地面作一個電極，其接近程度應(yīng)能降低在可極化介質(zhì)材料內(nèi)產(chǎn)生所需電場所要的電位。
樣品上可加多個高壓脈沖，其持續(xù)時間從幾微秒到幾秒。在所有實施例中所施加的有效電壓必須超過晶體中某點(diǎn)的晶體矯頑場以實現(xiàn)極化。疇定向電勢閾值決定于電極形狀和樣品溫度。對室溫帶光刻膠絕緣層和飽和LiCl電極的優(yōu)選實施例來說，用于LiNbO3襯底晶體的疇反轉(zhuǎn)電勢閾值為約23-24kV/mm。對熔融的二氧化硅，有效的疇反轉(zhuǎn)電位約為5kV，和熔融的二氧化硅晶片厚度無關(guān)。
晶體內(nèi)電場由已構(gòu)圖的絕緣介質(zhì)膜的微分厚度調(diào)制。這樣得到的疇反轉(zhuǎn)12在絕緣電場控制掩模的接觸窗下，與已有技術(shù)(圖2a)中疇反轉(zhuǎn)直接在成圖形的導(dǎo)電掩模22下的情況相反。本發(fā)明形成的反轉(zhuǎn)疇(圖1)的尺寸是由絕緣電場控制掩模上光刻限定的接觸窗的尺寸所決定的，但不必正好一樣的大小。應(yīng)注意直接電接觸不是產(chǎn)生極化必須的。絕緣膜可阻止任何導(dǎo)電電極和可極化材料間的接觸。只要所加電場高于有效電場就能產(chǎn)生極化。
若升溫后進(jìn)行極化，疇反轉(zhuǎn)電勢閾值會降低。由實驗觀察到用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂和晶體電接觸時，該值從室溫的約11.8kV降到230℃時約8.9kV。極化是在電爐上油浴加熱進(jìn)行的。已報告了(Janzen等，ECOC92(Companion Workshop，1992)晶體擊穿電勢閾值也隨樣品溫度升高而降低。但是，我們的實驗表明用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂和晶體接觸時，在高溫下(≤230℃)極化降低有出現(xiàn)擊穿的可能性。期望用本發(fā)明的方法在高溫下極化樣品也能同樣減小擊穿的可能性。在極化時通過例如將整個極化電極裝置放進(jìn)烘箱中，或通過加熱燈輻射樣品升高樣品的溫度。
在LiNbO3的電場極化過程中出現(xiàn)的電擊穿被認(rèn)為是電子雪崩的結(jié)果。已有技術(shù)中如Yamada等通過將襯底晶體薄化(到約100μm)使得在達(dá)到足以毀壞樣品的能量之前電子穿過整個晶體來減少擊穿效果，與其不同，在本發(fā)明中由于成圖形的絕緣介質(zhì)膜通過調(diào)制電場來控制擊穿，從而不發(fā)生電子雪崩效應(yīng)。這樣可以極化厚襯底(＞500μm)。事實上，可極化的最大樣品厚度只由有效的高壓脈沖來限定的。
極化時，樣品上電壓和電流被控制的。向鐵電晶體的電子轉(zhuǎn)移精確地限定到產(chǎn)生所要的疇反轉(zhuǎn)圖形所要求的量，對LiNbO3公知的約為1.4μc(mm-2)。電流由下列因素限制1)限制電路中電流(例如將電阻和晶體串聯(lián))；2)限制施加電壓(所加電壓越接近極化極限，電流越小)；3)限制所加電壓的脈沖長度，或通過4)這些變量的混用。通過限制電流到產(chǎn)生所要圖形要求的程度，避免了由橫向疇壁運(yùn)動造成的成圖形(周期性)疇合并。(后者將增加疇反轉(zhuǎn)表面面積從而需要更大量的電子轉(zhuǎn)移)。
成圖形的極化材料的極化區(qū)域的大小和排布是由成圖形的極化襯底的應(yīng)用來決定的。成圖形疇形成尺寸和掩模材料中圖形接觸窗的尺寸相應(yīng)，但不必正好一樣大小。采用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)，可以在絕緣掩模材料中形成特征尺寸達(dá)1μm的任何要求的形狀。疇深度約等于鐵電晶體厚度，如≥500μm，并由晶體襯底厚度限制。
液體導(dǎo)體接觸具有特別的好處。它消除了薄膜金屬電極和電線的連接的不良電流分布性能，后者將導(dǎo)致局部過熱和擊穿可能性增加，并伴隨晶體+z表面反轉(zhuǎn)疇的不良邊緣性能。
在本發(fā)明的第一可選實施例中，電絕緣介質(zhì)膜由SiO2或其它硬絕緣介質(zhì)材料如TiO2或Al2O3構(gòu)成，和簡單的光刻膠層相比同時具有更高的電絕緣性和增加的強(qiáng)度的雙重優(yōu)點(diǎn)。薄膜電絕緣氧化層可由氣相法快速沉積(或者用射頻濺射)。大于50μm的膜厚是合適的。該硬絕緣層被構(gòu)圖以用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)和蝕刻工藝，如在緩沖氧化物蝕刻液中的濕蝕刻來生產(chǎn)所要的電場控制結(jié)構(gòu)。(可用的其它蝕刻技術(shù)包括離子束蝕刻或離子轟擊蝕刻)。由于硬成圖形膜較少可能在加工處理時被損壞，此較軟光刻膠層更適于大批量生產(chǎn)。
在本發(fā)明的第二可選實施例中，采用不同結(jié)構(gòu)的圖形電絕緣電場控制掩模，其視圖和局部剖面見圖4所示。掩模由一層或多層28可能具有不同化學(xué)組分由適當(dāng)?shù)募夹g(shù)沉積在LiNbO3晶體的+z面上的電絕緣介質(zhì)材料構(gòu)成。用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)將掩模形成圖形。成圖形可能通過去除所有掩模層在LiNbO3上完全打開接觸窗10，或通過在晶體表面至少局部未損傷地留下一個或多個平面層而生成一掩模厚度調(diào)制區(qū)30從而和晶體不直接電接觸。通過變化絕緣掩模的厚度調(diào)制晶體內(nèi)電場便得疇反轉(zhuǎn)12只出現(xiàn)在掩模厚度調(diào)制區(qū)或打開的接觸窗正下方的高電場區(qū)內(nèi)。
例如允許和晶體表面不直接電接觸的單層厚度調(diào)制絕緣掩模僅通過對光刻膠不充分曝光來產(chǎn)生，這樣顯影后在所有區(qū)域內(nèi)留下某種材料。通過不完全蝕刻平面層，例如采用濕化學(xué)蝕刻，反應(yīng)離子蝕刻或離子束轟擊蝕刻可在硬絕緣層(如SiO2或TiO2)內(nèi)產(chǎn)生類似結(jié)構(gòu)。多層絕緣掩模結(jié)構(gòu)的一個例子為沉積在晶體+z面(如通過氣相法或濺射法)上厚為約50-1000μm的SiO2層，其上覆蓋以厚達(dá)幾微米的光刻膠層。光刻膠層曝光顯影得到的圖形通過適當(dāng)?shù)奈g刻工藝(如緩沖氧化物蝕刻液中濕蝕刻)轉(zhuǎn)移到SiO2層上，可能是也可能不完全穿過SiO2層達(dá)晶體襯底。成圖形后，極化時光刻膠留在樣品上以增加絕緣掩模的深度調(diào)制，因此增加晶體內(nèi)電場調(diào)制。值得注意介質(zhì)膜的選擇厚度可以依可極化介質(zhì)材料以多種方式變化，包括厚度梯度，多個高度的周期性和非周期性方式。
本發(fā)明的第三個可選實施例消除了電場控制絕緣掩模中接觸窗或掩模厚度調(diào)制區(qū)內(nèi)捕捉氣泡的效應(yīng)。這種氣泡通過增加液體導(dǎo)體的厚度和阻止極化產(chǎn)生而局部降低電場。如圖5所示，導(dǎo)電層32(如鋁或其它金屬)沉積(如通過氣相或濺射)覆蓋成圖形的絕緣掩模4上。該掩?？勺兒穸染褪强烧{(diào)整以產(chǎn)生所需場調(diào)制的振幅調(diào)制參數(shù)。在通過成圖形處理將絕緣掩模完全去除的地方，所沉積的導(dǎo)電層和晶體表面直接接觸。在沉積的導(dǎo)電層上疊蓋液體電導(dǎo)體導(dǎo)致和掩模厚度調(diào)制區(qū)10，30的所有部分的電接觸，即使部分區(qū)域為氣泡覆蓋，只要液體導(dǎo)體在該區(qū)域某點(diǎn)和導(dǎo)電層接觸就可以。和各掩摸厚度調(diào)制區(qū)的連續(xù)電接觸造成完全疇反轉(zhuǎn)和疇反轉(zhuǎn)圖形整體均一性的改善。厚導(dǎo)電膜沉積在成圖形絕緣掩模上維持整個沉積膜的電接觸，即，和厚沉積導(dǎo)電膜任何部分的電接觸均可實現(xiàn)和電場控制絕緣掩模的所有掩模厚度調(diào)制區(qū)的接觸。和導(dǎo)電膜的電接觸可以通過液體電導(dǎo)體或也可通過直接和靠近+z表面的大塊導(dǎo)電材料接觸來達(dá)到。
在本發(fā)明的第四可選實施例中，如圖6所示，在調(diào)制高度40的構(gòu)造中帶有突起38的成圖形第二導(dǎo)電材料36用于控制可極化介質(zhì)材料內(nèi)電場強(qiáng)度。突起具有為確定所加電場強(qiáng)度調(diào)制所選高度，和為確定電場調(diào)制圖形所選的橫向尺寸。它們可由和電極36相同的材料構(gòu)成，或由沉積在電極上的其它導(dǎo)電材料構(gòu)成。第一導(dǎo)電材料34，如金屬板，薄膜或液體導(dǎo)電材料，鄰近LiNbO3晶體的第一表面，-z表面7。成圖形的第二導(dǎo)電材料置于LiNbO3晶體和第一表面相對的第二表面，+z表面6上使突起正對第二表面上。第一導(dǎo)電材料和成圖形第二導(dǎo)電材料的微分間距42是控制可極化介質(zhì)材料所選區(qū)域內(nèi)電場強(qiáng)度的參數(shù)。在第一導(dǎo)電材料和第二導(dǎo)電材料間加有效電勢20時，只在可極化介質(zhì)材料內(nèi)電場超過材料的疇反轉(zhuǎn)電位極限處發(fā)生極化。極化過程產(chǎn)生具有和成圖形的第二導(dǎo)電材料的突起形狀對應(yīng)，但不必正好一樣尺寸，從而得到成圖形的極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)2。注意突起可以用介質(zhì)材料充填，只要能產(chǎn)生調(diào)制電場。
第二導(dǎo)電材料的突起的平面構(gòu)形39由成圖形極化材料所要求的應(yīng)用確定。其平面構(gòu)形具有明顯的曲率以便在突起所限定的表面上與多個突起相對應(yīng)的距離呈現(xiàn)強(qiáng)的三維特征。各突起設(shè)計成含一個或多個用于疇核生成的電場濃縮區(qū)54。電場濃縮區(qū)可能由限定所選電場控制區(qū)之一的邊界相臨的角構(gòu)成。若場控制區(qū)為導(dǎo)電材料，該角一定是外角，若是介質(zhì)材料，該角一定是內(nèi)角，在繞介質(zhì)材料的構(gòu)形形成的導(dǎo)電材料內(nèi)產(chǎn)生場濃縮。
成圖形導(dǎo)電材料上突起形狀可由光刻在材料表面上的光刻膠層成圖形之后通過蝕刻，如濕化學(xué)蝕刻，反應(yīng)離子蝕刻或離子束轟擊蝕刻將所得圖形轉(zhuǎn)移給材料來形成。突起的調(diào)制高度是由蝕刻處理時間決定。
在本發(fā)明的另一可選實施例中(圖16)，如圖16所示，帶有調(diào)制介電常數(shù)的成圖形介質(zhì)膜212用于控制表面220上和可極化介質(zhì)材料210內(nèi)的電場強(qiáng)度。介質(zhì)膜212含介電常數(shù)增強(qiáng)區(qū)218和/或介電常數(shù)減小區(qū)216以完成調(diào)制。調(diào)制介電常數(shù)區(qū)在可極化介質(zhì)材料表面220橫向成兩維排布。第一導(dǎo)電材料(電極)216鄰近表面222，第二導(dǎo)電材料214鄰近正對表面220的介質(zhì)膜。電壓源224用于在電極間加一高于引起在材料210中產(chǎn)生疇定向的極限的電位。介質(zhì)材料厚度228是用于控制所加電場強(qiáng)度調(diào)制的一個參數(shù)，膜212的介電常數(shù)的調(diào)制量級是控制調(diào)制的另一個參數(shù)。
本發(fā)明的工藝可以通過在LiNbO3晶面上加應(yīng)力或張力，由壓電效應(yīng)在晶體內(nèi)產(chǎn)生電場而增強(qiáng)。所產(chǎn)生的電場可以加到所加極化電位中或從中減出以幫助或阻止極化過程。周期性應(yīng)力可通過成圖形電場控制絕緣掩模加到圖7中場46給出的晶體表面。在高溫(或降低溫度時)膨脹溫度系數(shù)和LiNbO3不同的平面層44沉積并冷卻到室溫，在該平面層內(nèi)產(chǎn)生一應(yīng)力而作用于晶體46。層內(nèi)應(yīng)力的拉張或壓縮性可分別由沉積具有較高或較低膨脹系數(shù)的膜來選擇。用光刻技術(shù)對平面層成圖形以形成電場控制掩模4，44產(chǎn)生了分布在晶面上的周期性應(yīng)力。也可以在室溫下沉積該平面層并成圖形，在極化處理時晶體加熱到高溫(或冷卻)以產(chǎn)生周期性應(yīng)力。壓縮應(yīng)變層的成圖形將一張力作用于電場控制掩模中心下的晶體，和將一壓縮力作用于掩模邊緣處的晶體上，在此層可向成圖形窗10的中心擴(kuò)展。
合適的平面層的例子為SiO2，其沿x和y軸的熱膨脹系數(shù)約為5.5×10-7/℃，而LiNbO3為15×10-6/℃。沿x軸加一張力由于壓電張量的系數(shù)ε311沿z軸產(chǎn)生一電場。對帶SiO2層的LiNbO3而言，所產(chǎn)生的電場對SiO2層沉積溫度微分大約為±12伏/mm/℃。從沉積溫度開始100℃溫差得到內(nèi)場得為1200V/mm，它按加給晶體的力的類型決定幫助或抵消所加極化電位。
當(dāng)向可極化材料施加一極化力時，應(yīng)力產(chǎn)生的壓電場圖形用于調(diào)制極化力高于或低于疇定向所要求的有效力。若在疇反轉(zhuǎn)核出現(xiàn)區(qū)域內(nèi)調(diào)制，能在可極化材料內(nèi)產(chǎn)生極化圖形。若電場極化，采用帶由應(yīng)變圖形控制的極化圖形的均一電極。這種場助式方法也可和其它極化技術(shù)如離子內(nèi)擴(kuò)散，外擴(kuò)散，和快速熱處理一起使用。
本發(fā)明的其它可選實施例包括使用其它類型的可極化材料。其它適用的鐵電晶體包括，如LiTaO3，KTP，KDP和其同晶型體，KNbO，BaTiO3，SBN，Ag3AsS3等。本發(fā)明也可用于非鐵電材料如熔融二氧化硅和有機(jī)聚合物的成圖形極化。在每種情形中用于限定成圖形極化的成圖形電場控制材料都在反轉(zhuǎn)疇成核的晶面(如LiNbO3的+z面)上形成或與之相鄰。
實驗上已確定當(dāng)電場控制材料的構(gòu)型用于制作成圖形極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)的極化圖時，極化疇在濃縮電場的場控制材料區(qū)域成核。當(dāng)在+z面上成圖形的金屬電極和在-z面上平面金屬電極間加高壓脈沖時，用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂和由連到金屬層的電極電接觸，用光刻成圖形的導(dǎo)電材料，如金屬膜，沉積在LiNbO3的+z表面上的控制電場導(dǎo)致金屬膜圖形外角極化疇成核，其中導(dǎo)電膜圖形鄰邊間內(nèi)角小于180°。平面圖形的結(jié)構(gòu)中的角是指對圖形來說呈某種圓的幾何形狀中以一定角度交匯的兩條邊界的交匯處。內(nèi)角是用結(jié)構(gòu)內(nèi)的弧來測的角度。在三維圖形中，角是指一邊和具有對整個圖形來說呈某種圓的幾何圖形的面的交匯處。外角含角的軸平面軸線之間的小于180度內(nèi)角。點(diǎn)是邊匯集到一起的的外角的特殊情況。這些區(qū)域以被相對于整個圖形的規(guī)模降低了的增益來增強(qiáng)電場強(qiáng)度，且各種類型的外角均能用于反轉(zhuǎn)疇成核。
為在大晶體內(nèi)實現(xiàn)均勻成圖形極化，如圖8所示，在晶體正面上形成由多個導(dǎo)電材料的平面片段50構(gòu)成的場控制導(dǎo)電材料結(jié)構(gòu)48。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于具有高和均勻密度的疇定向成核角。圖8中每一片段各帶有用于形核的四個角；疇定向從成核點(diǎn)向外生長，在導(dǎo)電電極下，匯集于在各節(jié)中部，基本上在節(jié)的下方形成完全定向的區(qū)域。然后，由每行片段形成的極化控制直區(qū)差不多被完全疇取向。極化控制區(qū)段(sector)是指由多個片段(segment)構(gòu)成的幾何區(qū)，當(dāng)在片段極化區(qū)上和區(qū)段之間的間隙上求平均時，材料內(nèi)誘導(dǎo)極化基本上控制到所要求的值。所述的所要求的值非常接近100％，如在相配比晶格中，或為一個小得多的值，如在由平均極化率區(qū)分功能的幾個極化控制區(qū)內(nèi)。所述的區(qū)段可以是含其它結(jié)構(gòu)的多重連接區(qū)。
這種結(jié)構(gòu)可由沉積適合的導(dǎo)電材料(如鋁等金屬)并用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)產(chǎn)生所要圖形來快速制成。成圖形的電場控制結(jié)構(gòu)的實施例應(yīng)做在疇成核的LiNbO3+z面上并向-z面生長。對于其它的可極化材料，如LiTaO3。KTP，KNbO3，BaTiO3，SBN，Ag3AsS3，熔融二氧化硅和聚合物等，成圖形電場控制掩模應(yīng)被用于疇成核出現(xiàn)的晶體表面上。所述多個片段直線排列在整個可極化介電材料的表面上構(gòu)成至少一個區(qū)段52，每個片段含至少一個適用于支持電場濃縮的區(qū)域54。電場濃縮區(qū)可包括帶鄰近邊間小于180°的內(nèi)角的角以促進(jìn)極化成核。在加高壓脈沖時，疇從成核處橫向擴(kuò)展到電場控制材料片段所限定的高電場區(qū)域，使各片段完全極化。在整個構(gòu)造的片段間的電連接是由內(nèi)部互連的導(dǎo)電區(qū)56維持的，以確保在整個電場控制結(jié)構(gòu)中良好電流分布和均勻成圖形極化。電源和成圖形電導(dǎo)體的電連接是由電線連接或直接和電導(dǎo)體接觸實現(xiàn)的。和晶體-z面的電連接是由另一導(dǎo)電材料實現(xiàn)的，在任何實施例中可是液體導(dǎo)體，沉積在-z表面的薄金屬膜，鄰近在-z表面的大塊導(dǎo)體。電場控制材料的直線排列的多個片段所構(gòu)成的區(qū)段沿一軸排成周期性圖形。在一個區(qū)段以及一個區(qū)域到另一個區(qū)段的片段的相對布局可調(diào)整以得到某種應(yīng)用所要求的極化圖形。
對于體光學(xué)非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器，圖8所示的場控制材料構(gòu)型是合適的，由直線排列的片段和片段間電連接構(gòu)成的區(qū)段的相互補(bǔ)償以便在沿裝置長度積分時穿過可極化材料垂直于區(qū)段的準(zhǔn)直(或匯聚)激光束看到均一的極化晶格并且產(chǎn)生的信號光束維持在TEM00單橫向模式。此時的效率由于片段和片段間電連接都存在間隙而較從由跨過整個裝置孔伸展的均勻條組成的理想情況降低。效率的減少由區(qū)段內(nèi)片段的負(fù)載循環(huán)和片段間電連接的負(fù)載循環(huán)來確定的。對由20μm的片段，間隙為2μm，電連接通道為1μm，將效率降為理想情況的80％。
對集成光波導(dǎo)的非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換，具有所要電場控制結(jié)構(gòu)的實施例見圖9所示。直線排列的片段52構(gòu)成的區(qū)段的排布使得光波導(dǎo)58穿過片段50的單個排60。片段間電連接56位于波導(dǎo)58的通路之外，結(jié)果這種實施例的效率為理想的均一長條圖形的100％。用合適的光刻標(biāo)直掩模能快速地得到具有極化片段的波導(dǎo)的校直。
本發(fā)明圖1，3，6，8，9的可替換實施例見圖10，其中電絕緣掩模62形成厚度調(diào)制電場控制結(jié)構(gòu)以取得做成圖形極化晶體用的高疇成核密度極化圖形。用光蝕刻刻工藝通過對絕緣膜62的厚度40的調(diào)制形成了片段50。絕緣掩模12可由多個不同化學(xué)成分的平面層形成。掩模厚度調(diào)制可以完全除去絕緣掩模區(qū)也可以留下絕緣掩模的一個或多個平面層的部分未損傷。各掩模厚度調(diào)制片段包括至少一個電場濃縮區(qū)54。電場濃縮區(qū)可以是片段的角，其中掩模厚度調(diào)制區(qū)的鄰邊間的所含的角小于180°。厚度調(diào)制場控制絕緣掩模上的金屬膜，它與電源電連接。制作體和波導(dǎo)變頻裝置要求的區(qū)段和片段的總體布局和用于圖8和9所示的電場控制導(dǎo)電材料的一樣，除了不再需要內(nèi)連接通道，因為該功能由厚度調(diào)制絕緣掩模上的導(dǎo)電疊層來實現(xiàn)。
在上述所有制作成圖形極化裝置的方法中，圖形是按其應(yīng)用選擇的。一個簡單的圖形是周期性晶格圖形，其中疇在兩方向間反轉(zhuǎn)負(fù)載循環(huán)50％。該圖形可用于例如準(zhǔn)晶格配匹結(jié)構(gòu)中的非線性變頻器。圖形的周期的選擇使晶相和所需非線性相應(yīng)作用匹配。
上述技術(shù)的一項重要改進(jìn)是用成圖形電極將極化圖形壓印進(jìn)樣品材料中，參見對圖6的說明。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于不需要在樣品上進(jìn)行極化成圖形加工(除拋光和清洗之外)。若這種結(jié)構(gòu)是電極固有的，則樣品在安裝，極化，從電極上卸下時可盡快地大規(guī)模生產(chǎn)出來。若這種可選擇的極化結(jié)構(gòu)不必須指上述可能性，那么這種結(jié)構(gòu)也可用于成圖形電極構(gòu)圖。如，在圖5中，導(dǎo)電材料32和成圖形介質(zhì)材料4粘到外電極的表面(未畫出)，這通常是將層4和32物理地置于與可極化介質(zhì)材料8相鄰。在這種相鄰放置不包含任何明顯間隙的情形下。同時，也可能在層4和32和材料8間有小的間隙，只要該間隙和層呈波紋形的圖形的特有尺寸相比為小就可以。該間隙小，材料8中電場量級的變化不太嚴(yán)重。
圖5，6，8，9的導(dǎo)電材料圖形都能附著在或制作進(jìn)電極中以利于電場極化晶片的大規(guī)模生產(chǎn)的電極。圖16的空間變化介電常數(shù)的介質(zhì)材料圖形也可用于大規(guī)模生產(chǎn)用電極。圖3，4，10的介質(zhì)層結(jié)構(gòu)可用圖5中的導(dǎo)電材料沉積疊置并附著在電極上以同于批量生產(chǎn)。
本發(fā)明還提供一種生產(chǎn)具有大d33非線性光學(xué)系數(shù)的橫電(TE)偏振周期性極化波導(dǎo)的工藝。這種周期性極化襯底是鐵電晶體，可以是如LINbO3，LiTaO3，KTP，KNbO3，KTP，KNbO3，BaTiO3，SBN，Ag3AsS3，等。該工藝為圖17示意性說明。可極化介質(zhì)材料襯底8在區(qū)域8被極化，區(qū)域8基本上滲透進(jìn)塊襯底。該襯底晶片優(yōu)選地為LiNbO3，其中其z軸(非線性材料光軸)由矢量246如圖示定向。擴(kuò)散到晶片的頂z切割表面的回火質(zhì)子交換(APE)波導(dǎo)如圖將形成波導(dǎo)242的TM波導(dǎo)。為用良好的APE技術(shù)形成TE波導(dǎo)，必須將x切割或y切割區(qū)曝光(或采用純x和y切割間的中間切割)。切口246形成一邊帶基本上在該邊所在平面內(nèi)極化軸246。由回火質(zhì)子交換在邊上構(gòu)成波導(dǎo)244，形成TE偏振的波導(dǎo)。若極化伸進(jìn)襯底內(nèi)，該方法可用于例如周期性極化變頻器。
圖11，12，13說明了用LiNbO3襯底的底成本制造技術(shù)作為一個例子。步驟1為用本發(fā)明圖1和其可替換實施例的方法周期性極化-z切割LiNbO3襯底，得到的反轉(zhuǎn)疇12完全在晶體襯底內(nèi)伸展，其厚度保持了+z面上光刻成圖形電場控制掩模產(chǎn)生的成圖形極化的尺寸和周期性。
在周期性極化并除去成圖形絕緣掩模后，由圖11所示的鋸切口152將z切割表面切片，用晶片鋸形成垂直于反轉(zhuǎn)疇條12的薄帶156。各帶繞如圖11所示y軸旋轉(zhuǎn)90°，將x(或y)切面曝光。將-z切割面如用蟲膠或環(huán)氧樹脂膠粘在一起形成拼合晶片160(圖12)。(注意若極化區(qū)是沿材料的y軸定向而不是如圖11所示沿x軸，切割和旋轉(zhuǎn)應(yīng)沿x軸)。沿成圖形極化件的周邊粘貼未極化x切割材料以增加拼合晶片的表面積。拼合晶片的+和-x(或+和-y面)例如用Logitech PrecisionPolishing Machine光學(xué)拋光以得到由多個體周期極化材料的構(gòu)成的光學(xué)平面和無劃痕拼合襯底。
薄膜162，如200nm的SiO2或Al，沉積在拋光的x切割9(或y切割)面之一上作波導(dǎo)掩模。在沉積膜上光刻膠旋壓成型并經(jīng)合適光掩模曝光。在光刻膠顯影和烤硬后(hardbaking)，波導(dǎo)掩模圖形164由濕蝕刻浸在如緩沖氧化物蝕刻液中，傳遞給沉積的薄膜(也可在光刻膠層顯影后用起走(Iift-off)技術(shù)將波導(dǎo)掩模沉積和成圖形)得到如圖13所示結(jié)構(gòu)。該波導(dǎo)掩模圖形限定波導(dǎo)的生長方向為沿晶體薄帶即沿周期極化圖形的軸方向。然后垂直于波導(dǎo)生長方向?qū)⑵锤骶∏谐裳b置長度區(qū)段166，而晶體端面168光學(xué)拋光以耦合進(jìn)波導(dǎo)中。(圖13)波導(dǎo)理想地用回火質(zhì)子交換(ADE)工藝形成。也可以將離子而不是質(zhì)子內(nèi)擴(kuò)散或離子交換進(jìn)可極化材料中。在用ADE時，拼合晶片帶浸入溶融苯甲酸中進(jìn)行酸中質(zhì)子和晶體中的鋰離子交換。得到的階躍波導(dǎo)在約300℃回火幾小時以將質(zhì)子深入擴(kuò)散到晶體內(nèi)生產(chǎn)高非線性低損耗波導(dǎo)。最后，各裝置分開清洗，各裝置以有多重波導(dǎo)垂直于周期性極化疇反轉(zhuǎn)晶格結(jié)構(gòu)運(yùn)行。這種ADE波導(dǎo)增加了晶體反常折射率，形成沿z軸光偏振的波導(dǎo)，其中x或y切割是TE偏振的。這樣本發(fā)明生產(chǎn)TE偏振準(zhǔn)晶相匹配疇反轉(zhuǎn)波導(dǎo)而不需TE偏振半導(dǎo)體二極管的光器和波導(dǎo)片之間的偏振旋轉(zhuǎn)元件。
另一種構(gòu)造工藝是在拼合晶片切割和端面拋光前進(jìn)行波導(dǎo)交換和回火步驟以避免處理時毀壞脆弱端面。
用如圖16的第一電極190和第二電極180電場和電極構(gòu)型進(jìn)行x(或y)切割鐵電晶體極化。第二電極180是由將可能由LiNbO3，LiTaO3，KTP，KNbO3，BaTiO3，SBN，Ag3AsS3等構(gòu)成的鐵電晶體襯底的x線(或y)切割面182上沉積的導(dǎo)電材料，距晶體邊緣數(shù)百微米成圖形(用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù))而形成的。對LiNbO3襯底，電極的鋸齒邊186必須伸向晶體的正面188使疇12在成圖形電極上成核且向z面長大。大量電極在晶片上作成基本上平行排布可以可切成單一帶。第一電極190從可以由金屬板組成的導(dǎo)電材料形成，放置貼在帶的z切割側(cè)面上。也可由如金屬等導(dǎo)電材料膜直接沉積在帶的z切割面。極化前多個帶疊在一起可進(jìn)行大量生產(chǎn)。大于晶體矯頑場(約20kV/mm)的連續(xù)或脈沖電場加到兩電極間以極化晶體。所加電壓和襯底晶體固有極化方向相反，即，將負(fù)脈沖加到晶體-z表面上的電極上。由于第一電極貼在晶體側(cè)面，所加電場深深地延伸進(jìn)晶體內(nèi)，結(jié)果在貼在晶體z切割面上的第一電極和成圖形第二電極間有深極化疇形成。第一電極基本上是平面的，平行于第二電極。電極可有角度和曲度以使它們彼此分開，只要所加場足以使在所要的區(qū)域產(chǎn)生極化。成圖形第二電極對所加電場空間調(diào)制以通過只在高電場區(qū)產(chǎn)生極化實現(xiàn)周期性疇反轉(zhuǎn)。疇反轉(zhuǎn)后，第二導(dǎo)電電極從晶體剝離并用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)在晶體的極化區(qū)作成波導(dǎo)192，它沿y(或x)軸生長。對LiNbO3襯底，由于其對光折射損傷的惰性，優(yōu)選地使用回火質(zhì)子交換技術(shù)作成波導(dǎo)。也可使用其它波導(dǎo)。
圖15所示為用于極化x或y切割鐵電晶體的另一種電極排布。標(biāo)準(zhǔn)晶片極光刻工藝常用于大量的鐵電晶體x(或y)切割面上薄膜第一導(dǎo)電電極成圖形。在襯底晶體200為LiNbO3時，各第一導(dǎo)體電極的鋸齒邊186應(yīng)朝向晶體-z方向188生長，以使疇12在成圖形的第一電極上成核，并沿-z方向生長。在第一電極成圖形后，光刻膠層旋壓在晶片表面并烤硬以在第二電極202沉積工序中提供起走(liftoff)掩模。切割鋸用于在第一導(dǎo)電電極間淺(約50μm深)槽204。導(dǎo)電膜202(如鋁)沉積到槽內(nèi)，如利用濺射，以在槽的-z切割面產(chǎn)生第二電極。光刻膠膜用商用抗蝕剝離劑(或丙酮)除去。用電線和x(或y)面上的第一電極電連接。用物理接觸(或焊接)和槽的z切割面上第二電極接觸。加大于晶體矯頑場(約20kV/mm)和晶體自身第一電極和第二電極極化方向相反的連續(xù)或脈沖電場(負(fù)脈沖加到極化區(qū)-z面)以引起晶體極化。由于槽的-z面上的第二電極在x(或y)切割面上延伸，電場深入晶體形成深疇。x(或y)切割面上的成圖形第一電極空間調(diào)制所加電場以產(chǎn)生周期性疇反轉(zhuǎn)。在襯府上形成基本上平行的電極排布。若槽電極全部橫向連通，如槽電極一端到所要圖形側(cè)邊，和若所有鋸齒電極是橫向連通的，如沿另一端形成交叉圖形，能一步完成極化。然后若有電連接如到端連接時，將所需有效電位同時加到所有電極對上。
在除去x(或y)切割面上主電極后，用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)在晶體疇反轉(zhuǎn)區(qū)形成波導(dǎo)192。對LiNbO3襯底用標(biāo)準(zhǔn)回火質(zhì)子交換工藝。波導(dǎo)應(yīng)位于兩電極位置間使極化基本上貫穿可極化材料的區(qū)域內(nèi)。波導(dǎo)形成后，切割晶片且端部拋光以產(chǎn)生各有多重周期性極化TE偏振波導(dǎo)的分立裝置切片。
在用非LiNbO3作襯底材料時，如LiTaO3，KTP，KNbO3，BaTiO3，SBN，Ag3AsS3，熔融二氧化硅或有機(jī)聚合物，成圖形第一電極和第二電極取向是由進(jìn)行疇成核的材料面確定的。成圖形第一電極一定位于在極化區(qū)成核表面上。
本發(fā)明使得可以以低成本，大塊和新穎結(jié)構(gòu)制造成圖形極化LiNbO3。本發(fā)明可用于高密度光學(xué)貯存，信息顯示，熒光檢測和印刷。幾種單值激光器系統(tǒng)使用這種材料。
本發(fā)明已結(jié)合特定實施方案進(jìn)行了說明。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說其它實施方案也是顯而易見的。因此，除所附的構(gòu)成本發(fā)明說明書一部分的權(quán)利要求所指明以外，不必對其進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種制作成圖形極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，包括將第一導(dǎo)電材料附著在可極化介質(zhì)材料第一表面；在所述可極化介質(zhì)材料的第二表面相鄰放置一裝置，以根據(jù)所選振幅調(diào)制參數(shù)控制所述可極化介質(zhì)材料內(nèi)所選區(qū)域中的電場強(qiáng)度；和在所述第一導(dǎo)電材料和所述控制裝置間加一高于疇定向電位極限的有效電位以在所述可極化介質(zhì)材料內(nèi)產(chǎn)生疇的選擇定向而產(chǎn)生所述成圖形極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電場強(qiáng)度控制裝置包括正對所述第二表面的調(diào)制高度構(gòu)型中具有突起的第二導(dǎo)電材料，所述第二表面和所述第一面相對。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電場強(qiáng)度控制裝置包括第二導(dǎo)電材料和介質(zhì)材料，所述介質(zhì)材料具有正對所述第二表面且位于所述第二表面和所述第二導(dǎo)電材料之間的二維的調(diào)制介電常數(shù)，所述第二表面和所述第一表面相對。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括所述第二表面和所述控制裝置間的構(gòu)型，應(yīng)用選擇厚度的介質(zhì)膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述控制裝置的放置包括將第二導(dǎo)電材料沉積在所述介電膜上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述控制裝置是導(dǎo)電液體。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第二導(dǎo)電材料的所述突起具有使所選擇區(qū)域相界臨的角。
8.一種制造極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，包括鄰近可極化介質(zhì)材料的第一表面產(chǎn)生均一電位；和鄰近所述可極化介質(zhì)材料的第二表面加一電場，所述電場按三維調(diào)制圖形用場振幅級在所選足以在預(yù)定區(qū)域內(nèi)引起原子重排的位置上空間調(diào)整所述電場，所述圖形化調(diào)制的調(diào)制振幅級按調(diào)制參數(shù)控制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述的調(diào)制圖形包括正對所述第二表面的調(diào)制高度構(gòu)型中具有突起的導(dǎo)電材料，所述第二表面和所述第一表面相對。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括根據(jù)在所述第二表面和所述導(dǎo)電材料間的所述構(gòu)型應(yīng)用選擇厚度的介質(zhì)膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述的導(dǎo)電材料包括在所述介質(zhì)膜上的沉積物。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述的導(dǎo)電材料是導(dǎo)電液體。
13.一種成圖形極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括具有第一表面和第二表面的可極化介質(zhì)材料；鄰近所述第一表面的第一導(dǎo)電材料；按所選振幅調(diào)制參數(shù)控制所述可極化介質(zhì)材料內(nèi)所選區(qū)域中電場強(qiáng)度的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其中所述的電場強(qiáng)度控制裝置包括正對所述第二表面的調(diào)制高度構(gòu)型中具有突起的第二導(dǎo)電材料，所述的第二表面和所述第一表面相對。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其中所述的電場強(qiáng)度控制裝置包括第二導(dǎo)電材料和介質(zhì)材料，所述的介質(zhì)材料具有正對所述第二表面且位于所述第二表面和所述導(dǎo)電材料之間的兩維的調(diào)制介電常數(shù)，所述第二表面和所述第一表面相對。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的結(jié)構(gòu)，還包括根據(jù)位于所述第二表面和所述控制裝置間的構(gòu)型的選擇厚度的介質(zhì)膜。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述結(jié)構(gòu)，其中所述第二導(dǎo)電材料的所述突起具有使所選擇區(qū)域相界臨的角。
18.用于建立制作成圖形極化介電裝置的極化圖形中的場控制導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，所述的結(jié)構(gòu)包括直線排列的所述場控制導(dǎo)電材料的多個片段構(gòu)成至少一個可極化介質(zhì)材料表面的極化控制區(qū)段，每個所述片段包括至少一個使電場濃縮以促進(jìn)極化成核的區(qū)域。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的構(gòu)造，其中所述場控制導(dǎo)電材料的所述至少一個電場濃縮區(qū)域包括若干個角，它們是小于180℃的內(nèi)角。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的構(gòu)造，其中所述區(qū)段限定的沿軸的周期性圖形。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的構(gòu)造，還包括連接導(dǎo)電材料和電源的導(dǎo)通裝置。
22.一種制作成圖形極化結(jié)構(gòu)的方法，包括在具有第一圖形的可極化壓電材料上施加應(yīng)力，以在所述可極化壓電材料內(nèi)誘導(dǎo)電場圖形，同時在相對于所述電場圖形校直的第二圖形中，向所述可極化壓電材料施加高于疇定向極限的有效極化力以產(chǎn)生成圖形化極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)。
23.一種在體極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)中制造TE模偏振光波導(dǎo)的方法，包括將體極化晶片切片一次以產(chǎn)生一邊緣，從而使所述體極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)的極化軸在所述切割面內(nèi)，和沿一軌跡將離子內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)所述邊緣，以增加沿所述邊緣光信號的TE模式分量的沿所述軌跡的光折射率。
24.一種體極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)中TE模偏振光波導(dǎo)，包括帶有所述體極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)的極化軸約在所述切割面內(nèi)的具有邊緣的切片體極化晶片材料，和在所述邊緣中離子內(nèi)擴(kuò)散以增加沿所述邊緣光信號的TE模式分量的沿所述軌跡的光折射率的軌跡。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的波導(dǎo)，其中所述的體極化是在和所述軌跡交叉的圖形中進(jìn)行。
26.一種通過在第一電極和第二電極間加一電壓形成的成圖形極化介質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括可極化晶片材料第一電極；和第二電極，所述的第二電極沿所述晶片材料的第一基本平面的表面，所述第二電極具有和所述第一電極相對的鋸齒形邊緣；其中所述第一電極位于所述晶片材料和所述第一表面橫向相對的第二基本平面的表面上，以便加在所述第一電極和所述第二電極間的有效電位產(chǎn)生基本上穿進(jìn)所述可極化晶片材料的電場分布，以在所述可極化材料的所選區(qū)域內(nèi)誘導(dǎo)疇定向。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的結(jié)構(gòu)，其中所述的第二平面是所述晶片材料的一邊。
28.基本上如所示和所述的方法。
29.基本上如所示和所述的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
通過在鄰近可極化介質(zhì)材料如壓電或鈮酸鋰的第一表面(6)產(chǎn)生一均一電位，如通過電極表面的地電位，然后鄰近可極化介質(zhì)材料的第二表面(8)和加一電場，其中電場按三維調(diào)制模式以一場調(diào)制級在所選足以引起可極化材料預(yù)定區(qū)內(nèi)原子重排的位置進(jìn)行空間調(diào)制，其中調(diào)制模式按調(diào)制參數(shù)控制。調(diào)制振幅級的控制機(jī)構(gòu)可以是導(dǎo)電材料(15)伸向可極化材料的突起或由將可極化材料從電極板分開的介質(zhì)材料的介電常數(shù)調(diào)制變量控制。
文檔編號G02B6/13GK1147860SQ95193030
公開日1997年4月16日 申請日期1995年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1994年5月9日
發(fā)明者希姆J·菲爾德, 大衛(wèi)·A·G·迪肯 申請人:迪肯研究室