專利名稱：集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器及其制造方法，尤其是涉及一種具有光波導(dǎo)的集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器及其制造方法，在該光波導(dǎo)中能夠通過(guò)施加電壓導(dǎo)致具有交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)折射區(qū)域。
集成光學(xué)是基于光波導(dǎo)在基片上制造各種光學(xué)器件的技術(shù)。它能夠簡(jiǎn)化光學(xué)器件和在小區(qū)域中具有很多功能器件的生產(chǎn)器件的結(jié)構(gòu)，并降低生產(chǎn)成本。另外，在光波導(dǎo)周圍形成電極，這樣只是在光波導(dǎo)區(qū)域形成電場(chǎng)，因此在低驅(qū)動(dòng)電壓下控制光波通路。集成光學(xué)基片的典型材料是諸如LiNbO3或LiTaO3的鐵電體或電光聚合物。
光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器是一種利用電壓導(dǎo)通和斷開(kāi)沿光波導(dǎo)傳輸?shù)墓獠ǖ钠骷⒂米鞴馔ㄐ畔到y(tǒng)和光學(xué)傳感系統(tǒng)的主要元件。光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器可以是兩種之一，其中一種利用相位調(diào)制，如馬赫-策恩德?tīng)?Mach-zehnder)干涉型調(diào)制器或方向耦合器開(kāi)關(guān)，另一種由突然改變折射率來(lái)調(diào)制折射率，如切斷調(diào)制器。
切斷調(diào)制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，適合于各種應(yīng)用。例如，切斷調(diào)制器可以用作沒(méi)有直流偏壓和直流漂移效應(yīng)的線性光學(xué)調(diào)制器，該直流漂移效應(yīng)在由直流電壓設(shè)定光學(xué)調(diào)制器的工作點(diǎn)時(shí)可能存在。


圖1A是常用光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器的立體圖。圖1A的光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器包括一個(gè)晶體沿Z向切割的LiNbO3基片或沿Z向切割的LiTaO3基片100，一個(gè)由冷卻質(zhì)子交換方法在基片100上制成的通道光波導(dǎo)102以及能夠?qū)㈦妶?chǎng)施加到光波導(dǎo)102和基片100上的電極104。這時(shí)，在光波導(dǎo)上形成一層諸如SiO2的緩沖層106用以抑制由電極引起的通過(guò)光波導(dǎo)的光波的歐姆損耗，然后形成由Cr和Au構(gòu)成的電極。如果一個(gè)電壓Va施加到上述電極用以將電場(chǎng)沿+Z向施加到光波導(dǎo)上，折射率的變化Δn如下Δn=-12n3r33Ez...(1)]]>其中n表示折射率，r33表示電光系數(shù)，Ez表示施加電場(chǎng)的Z向分量。根據(jù)公式1，如果沿+Z向施加電場(chǎng)，折射率減小，如果沿-Z向施加電場(chǎng)，折射率增大。這樣，如果沿+Z向?qū)㈦妶?chǎng)施加到圖1A的光學(xué)調(diào)制器，光波導(dǎo)的折射率如圖1C所示減小，如果光波進(jìn)入圖1B所示的調(diào)制區(qū)域，由于模式失配存在散射損耗。圖1A和1B的標(biāo)號(hào)108表示調(diào)制區(qū)域。與圖1A相同的圖1B和圖1C的標(biāo)號(hào)表示相同部件。這里，散射損耗量由光波導(dǎo)輸入部分的導(dǎo)模分布f1和調(diào)制區(qū)域的導(dǎo)模分布f2的差決定，如果光波導(dǎo)輸入部分的導(dǎo)模功率為P1，調(diào)制區(qū)域的導(dǎo)模功率為P2，光波導(dǎo)的截面積為s，由于模式變換的散射損耗如下l21=P2P1=∫(f1f2*).(f1*f2)ds∫(f1f1*)ds.∫(f2f2*)ds...(2)]]>其中，*表示復(fù)合共軛值。利用公式2能獲得光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器的調(diào)制深度。為了獲得最大調(diào)制深度，施加電壓l21為零，這樣調(diào)制區(qū)域的模分布f2必須在基片的整個(gè)表面上散開(kāi)。即光波導(dǎo)必須斷開(kāi)。當(dāng)給波導(dǎo)施加電場(chǎng)時(shí)為了使波導(dǎo)斷開(kāi)容易，通常將光波導(dǎo)的起始導(dǎo)波狀態(tài)設(shè)定在靠近切斷狀態(tài)。然而，如果光波導(dǎo)的導(dǎo)波狀態(tài)設(shè)定在靠近切斷狀態(tài)，光學(xué)調(diào)制器的插入損耗將增加。
調(diào)制區(qū)域的導(dǎo)模分布與光波導(dǎo)的輸入部分類似，需要高的驅(qū)動(dòng)電壓。即調(diào)制區(qū)域的導(dǎo)模分布與光波導(dǎo)的輸入部分的導(dǎo)模分布一樣是圍繞光波導(dǎo)的中心點(diǎn)對(duì)稱的，模分布的峰點(diǎn)相連，使有效地減小公式2的值變得困難。這樣，必須施加高電壓獲得必要的大約20dB或更高的衰減比例。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器，其光波導(dǎo)的折射率是不連續(xù)的并有一個(gè)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，光波分布模式相對(duì)于波導(dǎo)中心是非對(duì)稱的，以低的插入損耗和低的驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)制光波。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制造集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器的方法。
因此，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，提供一種集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器，其包括一個(gè)具有自發(fā)極化，沿一預(yù)定方向切割的基片；一個(gè)形成在所述基片上的光波導(dǎo)；一組具有沿自發(fā)極化相反方向的疇域的疇反向區(qū)域,置于圍繞光波導(dǎo)的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)中；以及一個(gè)形成在所述光波導(dǎo)上的第一電極和形成在所述基片上的光波導(dǎo)的左右邊的第二和第三電極，其中如果給所述電極施加一預(yù)定的電壓，光波根據(jù)光波導(dǎo)中的疇反向區(qū)域的折射率和自發(fā)極化區(qū)域的折射率的變化在疇反向區(qū)域中折射和散射。
為了實(shí)現(xiàn)第二個(gè)目的，提供一種制造集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器的方法，其包括以下步驟(a)在圍繞電光基片的縱軸的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)中形成一個(gè)疇反向電極；(b)將一預(yù)定脈沖電壓施加到步驟(a)形成的疇反向電極上，形成一個(gè)疇反向區(qū)域，然后蝕刻所述疇反向電極；(c)掩蓋步驟(b)得到的結(jié)構(gòu)部分，其中沒(méi)有形成光波導(dǎo)，然后將掩蓋部分浸入一預(yù)定的質(zhì)子源溶液達(dá)一預(yù)定時(shí)間，用以與所述基片上存在的預(yù)定離子交換所述質(zhì)子源溶液的質(zhì)子，以形成質(zhì)子交換區(qū)域；(d)熱處理步驟(c)得到的結(jié)構(gòu)達(dá)一預(yù)定時(shí)間，用以形成一個(gè)光波導(dǎo)；以及(e)在所述光波導(dǎo)上以及在所述基片的步驟(d)中形成的光波導(dǎo)的左右邊形成一預(yù)定電極。
下面參照附圖通過(guò)詳細(xì)描述最佳實(shí)施例本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。
圖1A是常用光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器；圖1B是由于在圖1A的常用光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器中等水平的模式變換散射光波的過(guò)程圖；圖1C是當(dāng)圖1A的常用光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器沿圖1B的AA’剖開(kāi)的折射率的變化圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖；圖3A至3E是圖2的光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器形成過(guò)程的截面圖；圖4A是圖2的集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器的平面圖；圖4B是圖4A的光學(xué)調(diào)制器沿A0A1，B0B1和C0C1線的剖面圖；圖4C是當(dāng)將電場(chǎng)施加到光學(xué)調(diào)制器上時(shí)沿圖4A的A0A1，B0B1和C0C1線的折射率和導(dǎo)模分布圖；圖4D是當(dāng)將電場(chǎng)施加到圖2的光學(xué)調(diào)制器上時(shí)光波導(dǎo)中的散射光波的過(guò)程圖。
參照?qǐng)D2，在光學(xué)調(diào)制器中，光波導(dǎo)204形成在LiNbO3或LiTaO3的疇反向區(qū)域202中，電極206和地線208用以給光波導(dǎo)204施加電場(chǎng)。由SiO2構(gòu)成的緩沖層210形成在光波導(dǎo)204上。
參照?qǐng)D3A至3E，調(diào)制光學(xué)強(qiáng)度的基片由諸如LiNbO3或LiTaO3的單晶電光材料構(gòu)成，并具有自發(fā)極化。在形成圖3A的疇反向電極的過(guò)程中，Cr和Au隨后以預(yù)定間隔沉積在交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的上述材料的Z向切割基片300上，用以形成疇反向電極301。Cr和Au隨后沉積在基片300的底部用以形成接地電極304?；?00的所有上表面電極電連接，然后施加比晶體的矯頑場(chǎng)高的一個(gè)正電壓，以形成疇反向區(qū)域。當(dāng)電場(chǎng)施加到電極時(shí)，施加具有數(shù)十微秒或更窄脈寬的脈沖電壓Vp以防止由于電子的破壞導(dǎo)致晶體的破碎。在圖3B的步驟中，在疇反向之后利用化學(xué)蝕刻去除疇反向電極301。圖3B的標(biāo)號(hào)300表示一個(gè)基片，標(biāo)號(hào)302表示由上述過(guò)程形成的疇反向區(qū)域。
圖3C給出了在圖3B的基片部分沉積Cr薄膜310的步驟，其中沒(méi)有形成通道光波導(dǎo)。Cr薄膜310的沉積如此構(gòu)成以致疇反向區(qū)域分開(kāi)的部分位于光波導(dǎo)的中心。沉積后，將圖3C所得結(jié)構(gòu)浸入150-260℃的如苯酸的質(zhì)子源溶液中數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)，然后在苯酸中的質(zhì)子H+與形成光波導(dǎo)部分的Li+進(jìn)行交換，以形成質(zhì)子交換區(qū)域312。
質(zhì)子交換后圖3D的過(guò)程用于熱處理。將形成質(zhì)子交換區(qū)域312的基片在大約350℃進(jìn)行熱處理數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)。熱處理能夠減小光波導(dǎo)314的傳輸損耗并恢復(fù)電光系數(shù)。這時(shí)，在熱處理前利用自調(diào)整方法在光波導(dǎo)上形成SiO2薄膜316，用以增強(qiáng)光波導(dǎo)的制導(dǎo)和控制導(dǎo)波模式。在熱處理過(guò)程中集中在表面的質(zhì)子擴(kuò)散至內(nèi)部，減小了表面的折射率并加深了光波導(dǎo)。
圖3E給出了熱處理后形成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制電極的步驟。如圖3E所示形成電極318，SiO2薄膜316作為光波導(dǎo)上電極的緩沖層，以致施加驅(qū)動(dòng)電壓的電極318可以形成在沒(méi)有蝕刻SiO2薄膜316的結(jié)構(gòu)上。電極如此形成以致施加電場(chǎng)的Z向分量圍繞光波導(dǎo)的中心對(duì)稱，隨后沉積Cr和Au用以提高電極的導(dǎo)電性和黏附力。
同時(shí)，參照?qǐng)D4A至圖4D描述圖2的光波導(dǎo)中的散射光波原理。在圖4A中，標(biāo)號(hào)202和204與圖2相同。圖4B是圖2的光學(xué)調(diào)制器沿A0A1，B0B1和C0C1線的剖面圖。圖4B的光波導(dǎo)的+Z軸向箭頭表示晶體自發(fā)極化方向，-Z軸向箭頭表示疇反向區(qū)域中的晶體反向疇方向。如果極化反向，電光系數(shù)的符號(hào)也改變。
圖4C是當(dāng)將電場(chǎng)施加到光學(xué)調(diào)制器上時(shí)圖4B的光波導(dǎo)的局部正常導(dǎo)模分布圖。圖4C的FnA，F(xiàn)nB和FnC代表光波導(dǎo)的X軸向折射率分布，F(xiàn)mA，F(xiàn)mB和FmC代表X軸向?qū)７植?。折射率分布FnA是對(duì)稱的，在截面A0A1的光波導(dǎo)輸入部分的導(dǎo)模分布FmA也是對(duì)稱的。然而，調(diào)制區(qū)域的折射率分布是非對(duì)稱的，導(dǎo)模分布也是非對(duì)稱的。在截面B0B1的光波導(dǎo)中，光波導(dǎo)左邊的折射率增大公式1的Δn，光波導(dǎo)右邊的折射率減小公式1的Δn。即利用疇反向結(jié)構(gòu)能夠使左右邊的折射率差加倍，因此對(duì)于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)只需一半電壓。這樣導(dǎo)模向左邊折射。在截面C0C1的光波導(dǎo)中，通過(guò)施加電場(chǎng)使勁光波導(dǎo)左邊的折射率減小Δn，而右邊折射率增大Δn。這樣，導(dǎo)模向右邊折射。
向左邊折射的截面B0B1的導(dǎo)模FmB進(jìn)入疇反向區(qū)域相反的截面C0C1，并向右邊折射(FmC)，因此導(dǎo)模部分地散射進(jìn)入基片，在通過(guò)調(diào)制區(qū)域后大大減小了光強(qiáng)。圖4D給出了當(dāng)導(dǎo)模的折射方向左右重復(fù)變化時(shí)散射導(dǎo)模的步驟。散射步驟與將-Z向電場(chǎng)施加到光波導(dǎo)上的情況相同。這樣，甚至當(dāng)給光學(xué)調(diào)制器施加一個(gè)反向數(shù)字電信號(hào)獲得光信號(hào)時(shí)也不需要附加的反向器。
根據(jù)本發(fā)明參照實(shí)施例描述了采用Z向切割晶體基片的集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器，圍繞光波導(dǎo)的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)中形成許多變換區(qū)域，從而減小了驅(qū)動(dòng)電壓。在以上的描述中，采用了Z向切割基片。然而，也可采用X或Y向切割基片。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器，由于圍繞光波導(dǎo)交錯(cuò)的鐵電基片的交錯(cuò)疇反向結(jié)構(gòu)由光導(dǎo)模的折射能夠使光波導(dǎo)的驅(qū)動(dòng)電壓減半。多級(jí)形成向左右折射光導(dǎo)模的區(qū)域，提高衰減比率。另外，電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)成寬帶電極。具有高折射率的光波導(dǎo)可以采用上述工作原理，因此光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器的光波導(dǎo)具有好的導(dǎo)波狀態(tài)，減小了插入損耗。上述結(jié)構(gòu)和制造工藝簡(jiǎn)單。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)稱的特性曲線，因此甚至對(duì)于反向的數(shù)字電信號(hào)也不需要附加的反向器。由于光學(xué)調(diào)制器采用了LiNbO3或LiTaO3基片，可以采用已知的工藝和疇反向工藝生產(chǎn)上述基片。
權(quán)利要求
1.一種集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于包括一個(gè)具有自發(fā)極化、沿一預(yù)定方向切割的基片；一個(gè)在所述基片上形成的光波導(dǎo)；一組具有沿自發(fā)極化相反方向的疇域的疇反向區(qū)域，置于圍繞所述光波導(dǎo)的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)中；以及一個(gè)形成在所述光波導(dǎo)上的第一電極和形成在所述基片上的光波導(dǎo)右邊和左邊的第二和第三電極，其中如果將一預(yù)定電壓施加到第一電極，光波根據(jù)所述光波導(dǎo)中的疇反向區(qū)域的折射率和所述自發(fā)極化區(qū)域折射率的變化在疇反向區(qū)域折射和散射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于所述基片的材料是LiNbO3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于所述基片的材料是LiTaO3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于在所述光波導(dǎo)和第一電極之間還包括一個(gè)抑制歐姆損耗的緩沖層。
5.一種制造集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器的方法，其特征在于包括以下步驟(a)在圍繞電光基片的縱軸的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)中形成一個(gè)疇反向電極；(b)將一預(yù)定脈沖電壓施加到步驟(a)形成的疇反向電極上，形成一個(gè)疇反向區(qū)域，然后蝕刻所述疇反向電極；(c)掩蓋步驟(b)得到的結(jié)構(gòu)部分，其中沒(méi)有形成光波導(dǎo)，然后將掩蓋部分浸入一預(yù)定的質(zhì)子源溶液達(dá)一預(yù)定時(shí)間，用以與所述基片上存在的預(yù)定離子交換所述質(zhì)子源溶液的質(zhì)子，以形成質(zhì)子交換區(qū)域；(d)熱處理步驟(c)得到的結(jié)構(gòu)達(dá)一預(yù)定時(shí)間，用以形成一個(gè)光波導(dǎo)；以及(e)在所述光波導(dǎo)上以及在所述基片的步驟(d)中形成的光波導(dǎo)的左右邊形成一預(yù)定電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于由沉積Cr薄膜形成步驟(c)的掩膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于由相繼沉積Cr和Au形成所述疇反向電極和預(yù)定電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述質(zhì)子源溶液是苯酸。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于在步驟(c)形成的質(zhì)子交換區(qū)域上沉積一預(yù)定的氧化層之后進(jìn)行步驟(d)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種集成光學(xué)強(qiáng)度調(diào)制器及其制造方法。該調(diào)制器包括一具有自發(fā)極化、沿一預(yù)定方向切割的基片;一在所述基片上形成的光波導(dǎo);一組具有沿自發(fā)極化相反方向的疇域的疇反向區(qū)域;以及一個(gè)形成在所述光波導(dǎo)上的第一電極和形成在所述基片上的光波導(dǎo)右邊和左邊的第二和第三電極,其中如果將一預(yù)定電壓施加到第一電極,光波根據(jù)所述光波導(dǎo)中的疇反向區(qū)域的折射率和所述自發(fā)極化區(qū)域折射率的變化在疇反向區(qū)域折射和散射。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1205449SQ9810284
公開(kāi)日1999年1月20日 申請(qǐng)日期1998年7月10日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月14日
發(fā)明者李相潤(rùn), 張祐赫 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社