專利名稱：共平面集成的光波導光電調制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及光集成領域，更具體涉及集成的光波導光電調制器，它是以光電效應為基礎的器件，其中，光束通過集成在光電襯底材料中的光波導傳播。更具體涉及Mach-Zehnder型光強(即光幅度)，干擾調制器。還更具體涉及共平面集成的光波導光電調制器。其中，在襯底同一表面上設置有加調制電場必需的多個電極。
背景技術：
諸如調制器和開關的集成的光電器件制造在光電材料襯底上。所有已知的材料襯底中，使用最廣泛的是鈮酸鋰(LiNbO3)，因為它能提高光電器件的光電性能，有可能制成低損耗光波導。另一種已知的襯底材料例如是鉭酸鋰位(LiTaO3)。
光電材料顯示出以張量為特征的光電響應，二次非線性特性。該張量將材料的光學頻率的極化變化(即折射率變化)與低頻調制電場相聯(lián)系，所述的低頻調制電場是比光場頻率低很多的頻率的調制電場。加外電場能得到光場的相位和幅度調制，它通過光電效應改變材料的折射率。
為了簡化而忽略掉光電效應的張量特征，光場ω的折射率變化△n(ω)與光電系數(shù)r和調制電場Eo的乘積成正比△n(ω)∝r·Eo。
在其光電系數(shù)為最高值r33≈30pm/v的LiNbO3晶體的情況下，光電系數(shù)r33將用沿晶軸C(也叫Z軸)極化的電磁波表示的折射率變化與沿同一晶軸的調制電場分量聯(lián)系起來。
為此，通?？砂袻iNbO3晶體襯底制成按Z軸切割的晶片，Z晶軸垂直于面積最大的襯底表面，由于有該結構，甚至在較高調制頻率，也能保證襯底有優(yōu)良的調制性能。
Mach-Zemder型干擾光電調制器是能提供光信號電感應幅度調制的器件。Mach-Zehnder型干擾光點調制器中，沿兩個干擾臂傳播的兩個光模式有符號相反的折射率變化時，驅動調制器所需的電壓減小。這可以通過適當設計電極的幾何形狀來實現(xiàn)，所以，兩個干擾臂中沿Z軸的調制電場分量的符號相反(即相對于Z軸取向有相反的取向)。制成的器件有推挽結構。
圖1至圖4畫出了推挽Mach-Zehnder型干擾光電調制器的典型例。圖1和圖2分別是所謂的共平面波導(“CPW”)結構的頂平面圖和橫截面圖。圖3和4是所謂的雙共平面帶(“CPS”)結構的頂平面圖和橫截面圖。
以下文獻中詳細描述以上述結構為基礎的器件的光電特性。例如，k，Noguchi et al，“40-Gbit/sTiLiNbO3 optical modulator with a two-stageelectrode”，IEICE Trans.Electron，vol.E81-c，p，316(1998)and in K.Noguchi et al“Millimiter-wave Ti∶LiNbO3 optical Modulators”，J.of Lightwave tech.Vol.16，P615(1998)中描述了CPM結構的性能。美國專利5388170中描述了雙CPS結構。
參見圖1和圖2，在按Z軸切割的LiNbO3襯底1中集成的Mach-Zehnder型干擾計包括輸入光波導2或輸入通道，第1Y形中繼線3，它把沿輸入光波導2傳播的輸入光信號分成沿構成干擾計臂的兩個大致平行的光波導41，42傳播的兩個光信號；第2Y形中繼線5，它與第1Y形中繼線隔開，用于把兩個光信號合并成沿輸出光波導6或輸出通道傳播的輸出光信號。在垂直于Z晶軸的襯底1的表面7的相應部分上用常規(guī)方法形成光波導2，41，42和6。襯底形成單個鐵電疇，使整個襯底Z晶軸保持相同取向，如圖2中箭頭所指出的取向。
干擾計臂的范圍內，第1金屬電極8重疊在波-導42上的表面7上。其中延伸的部分是421部分，第2金屬電極9重疊在波導41上的表面7上，其中延伸的部分411相當于波導42的部分421，第3金屬電極10重疊在表面7上，重疊范圍垂直于第2電極9，位于與第1電極8相反的側面上，重疊區(qū)的大小程度大致相當于波導41的部分411的大小。通常在表面7上形成二氧化硅(SiO2)緩沖層11，使金屬電極8，9，10與波導41，42中的光場分開，以避免所述光場的衰減。
電極8，9和10用于加調制電場，用該調制電場根據(jù)光電效應來改變兩個波導41，42中的折射率。電極8，10電連接到參考電位(地)，所以叫做接地電極。電極9電連接到調制電位V，所以電極9叫做熱電極。適當設計電極的形狀和配置圖以使器件能在調制電場頻譜的微波區(qū)內運行。通過加調制電場使兩個波導41，42的折射率進行相反變化，使沿這兩個波導傳播的光信號相應地進行相反相位漂移(推挽效應)。因此在波導6中獲得幅度調制的輸出光信號，其幅度與整個相位漂移相關。
CPW結構的主要缺點是結構不對稱，這就造成了沿干擾計臂傳播的每個光模式和調制電場之間相互作用不對稱的危險。這種不對稱引起兩個干擾計臂中不同的相位漂移，因此，在幅度調制的輸出光場的相位中引起啁啾聲。這種不對稱是器件固有的。由于要使兩個干擾計臂中有相反的相位漂移，所以兩個波導必須有一個位于熱電極下而另一個位于地電極下。用重疊系數(shù)г表示根據(jù)調制電場與光模式重疊的調制電場在通過波導傳播的光模式上引起相位漂移效率。位于熱電極9下面的波導41中的重疊系數(shù)гh與位于地電極8下面的波導42中的重疊系數(shù)гg之比明顯地高，所達到的典型值為6，所以，兩個波導中出現(xiàn)明顯不同的相位漂移。
圖3和圖4所示的雙CPS結構中，設兩個熱電極13和15，分別重疊在波導42和41的相應的部分421，411并延伸。還設兩個接地電極12和14，它們與各熱電極13和15分別相鄰。兩個熱電極13和15電連接到相對于地電位符號相反的兩個調制電位+V，-V。為此，該結構也叫做雙驅動結構。
某些情況下，圖中用點劃線和數(shù)字16指示的第3接地電極設在熱電極13和15之間，所以，后面的每個電極在兩個接地電極之間延伸，生成的結構，仍然保證有較高的對稱性，叫做有雙CPW結構。
雙CPS結構以及雙CPW結構不會出現(xiàn)結合CPW結構上述的問題。因此叫做無啁啾聲結構。但是，雙驅動使產生符號相反的驅動電位的電子電路的復雜性明顯加大。這就是雙CPS結構的最大缺點。
日本特許公開07-191352披露了諸如直接藕合的光開關的光波導器件的問題，其中，波導之間發(fā)生波能互換。該器件與光電調制器明顯不同，因為，后者在波導之間沒有出現(xiàn)波能互換，它包括按Z軸切割的LiNbO3晶體形成的晶體襯底，其中，在襯底表面中形成相互平行的兩個相鄰的光波導。器件有耦合區(qū)，它是兩個波導之間波能發(fā)生互換的襯底區(qū)。同一襯底表面上形成正和負電極作為光波導，兩個電極之間插入緩沖層，相互平行延伸，并部分覆蓋各個波導。產生從正電極朝負電極彎曲的電場，在兩個波導中相對于Z晶軸它們有方向大致相反的作用。
按日本特許公開07-191352，該結構中，兩個光波導中電場作用方向只是大致相反，所以，與方向完全相反的情況相比，它的電場作用損失大。此外，為保證兩個光波導上有最有效的電場作用，必須進行精確的位置調整，例如，電極的邊緣部分要與光波導器件中心區(qū)的最佳位置匹配，使電場致密部分集中在光波導上。在微小光波導上進行這種高精度的位置調整極困難，并有礙生產率提高。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，由于兩個電極之間有緩沖層，所以會產生工作電壓波動的現(xiàn)象(DC漂移)，這在實際應用中存在明顯的問題。
在那篇文獻中沒有考慮共平面電極配置，所述的器件被認為以克服了這些缺陷。所述的器件中，在按Z軸切割的鈮酸鋰晶體襯底表面上形成一對光波導，在襯底的耦合區(qū)內進行波能互換。在形成光波導的晶體的Z軸方向按彼此相反的方向形成，在晶體襯底的上表面和下表面中設置方向相反且相互平行的平板形正電極和負電極。根據(jù)該結構，利用在相反的平板形電極之間形成線性均勻和平行的電場的作用，相對于光波導的Z軸按各個相反的方向起作用。
日本特許公開07-191352提出的解決方案是以鐵電材料的已知性能為基礎，即，非線性光系數(shù)d和光電系數(shù)r的符號與鐵電疇的取向有關，即與晶體自發(fā)極化取向有關。當晶體自發(fā)極化取向是使d和r的符號變成相反時，響應高頻，低頻，電磁場而呈現(xiàn)出二次非線性材料。
這種現(xiàn)象用在以激光二極管為基礎的二次諧波發(fā)生器(SHG)中，以獲得高效準相位匹配頻率轉換，正如，M.yamada.et al，”First-order quasi-phase-matchedLiNbO3waveguide periodically poled by applying an extemal field for efficient bluesecond-harmonic generation”appl phys.lett.vol.62.P435(1993)中報道的。
關于光電調制器，鐵電疇反向作用已用于美國專利US-5278924中，用于獲得光電調制器，它補償光調制與RF電信號之間的相位速度不匹配。
SHG器件和US-5278924中公開的器件中，均要求適當?shù)亩ㄆ诜聪虻蔫F電疇結構和通過許多鐵電疇界面?zhèn)鞑サ墓饽Ｊ?。在這些界面的散射和反射造成的線性損失通常低于檢測值，與任何波導損失相比都是可以忽略不計的。事實上，不同取向的疇有相同的線性介電性能(即不同取向的疇的折射率相同)。
例如，美國專利US-5278924中的有不對稱的共平面行波電極的集成光Mach-Zehnder型干擾計形成在有反向區(qū)和非反向區(qū)的鐵電疇的襯底中。反向區(qū)和非反向區(qū)相互平行延伸，沿干擾計臂按交替順序垂直延伸到干擾計臂。每個干擾計臂中的光信號通過鐵電疇的反向區(qū)和非反向區(qū)。反向區(qū)和非反向區(qū)之間的每次轉換改變光信號的感應相位調制中包括的符號，從而補償了RF電信號與光信號之間相位速度不匹配引起的光信號和RF電信號調制之間的180度相位差。
另一篇文獻，美國專利US-5267336中，利用了鐵電疇反向作用制成電場傳感器，用無電極的集成光波導Mach-Zehnder型干擾計檢測寬帶瞬態(tài)電響應。該文獻論述了常規(guī)光電傳感器的缺點，其中，用天線拾取要測試的外電場，并將它轉換成電壓，之后，該電壓加到位于干擾計臂上或附近的適當電極上，按此方式給兩個干擾計臂中的每個臂建立方向相反的電場。根據(jù)該文獻，各種應用中，要求測試有金屬電極存在的電場，以干擾測試下的電場。嚴重情況下，電極附近會產生飛弧，造成短路。由于電路的電容特性，金屬電極還會限制傳感器的頻率響應。有時存在燃燒或易爆材料時該電路還會出危險。因此，根據(jù)該文獻，要求電場傳感器不需用任何金屬電極。根據(jù)該文獻，通過使兩個干擾計臂中的一個臂的鐵電疇反向，來制成無金屬電極的電場傳感器，使外部垂直向的電場在兩個干擾計臂中產生相等且相反相位的漂移，引起如常規(guī)電極器件出現(xiàn)的總相位漂移。
申請人可以看出共平面電極配置優(yōu)于非共平面的類似電極配置，特別是在高頻應用中更具有優(yōu)勢。
申請人還發(fā)現(xiàn)，使用光電系數(shù)的符號反向作用在光電材料襯底中制成共平面集成光電Mach-Zehnder型調制器，例如，用諸如LiNbO3的鐵電材料中的鐵電疇反向，至少使干擾計的一個臂中的器件調制區(qū)內的鐵電系數(shù)符號與另一個干擾計臂中的器件調制區(qū)的鐵電系數(shù)符號不同。能制成關于單疇光電襯底的新的和優(yōu)良的調制器結構。這些結構例如包括無啁啾聲的共平面波導調制器(只用一個熱電極)和單驅動雙帶共平面調制器(用兩個熱電極)。
發(fā)明內容
按本發(fā)明的一個方案，提供共平面集成光波導光電調制器，包括光電材料襯底；在襯底的相應表面中集成的至少兩個光波導；電極系統(tǒng)，配置在所述襯底表面上，用于給波導加調制電場，引起器件調制區(qū)中兩個波導的折射率調制，其特征是，在器件調制區(qū)中至少一部分形成波導，該波導形成于沿垂直于波導部分的軸具有相反光電系數(shù)符號的相應襯底區(qū)中，使波導部分中相同方向和取向的調制電場引起波導部分中相反符號的折射率調制。一個實施例中，其光電系數(shù)的符號相反的波導部分和相應襯底部分大致在整個器件調制區(qū)延伸。
另一實施例中，器件調制區(qū)中設置至少兩個光電系數(shù)符號交替的襯底區(qū)系列。每個系列被至少兩個波導中的相應波導穿過。兩個系列中的區(qū)域對按垂直于有相反符號的光電系數(shù)的波導方向大致對齊。
電極系數(shù)中包括至少兩個接地電極，每個接地電極伸過相應波導的所述部分，至少一個熱電極在接地電極之間延伸。因此，電極形成共平面波導電極系統(tǒng)。
或者，電極系統(tǒng)包括在波導所述部分上延伸的一個熱電極，和在熱電極側邊延伸的至少一個接地電極。而且，該情況下，電極形成共平面波導電極系統(tǒng)，但能減小要加到熱電極上的驅動電壓。
該情況下，由于波導之間要隔開適當?shù)木嚯x，以基本上防止調制區(qū)內波導之間的光耦合。熱電極最好包括較寬部分，其寬度等于或大于所述的隔開距離；和在較寬部分頂上的較窄部分。
另一實施例中，電極系統(tǒng)包括；兩個熱電極。每個熱電極伸過相應波導所述部分，用于接收相同的調制電壓；和至少一個在熱電極側邊延伸的接地電極，以形成共平面雙帶電極系統(tǒng)。
最好是至少一個接地電極包括兩個熱電極，每個熱電極在接地電極的一個側邊上延伸而與另一個熱電極相對。
優(yōu)選實施例中，共平面集成的光波導光電調制器有電極系統(tǒng)，它包括集成的電動分隔器，用于接收外部產生的調制電壓，和給兩個熱電極加電壓。
在調制區(qū)處部，用各個Y形繼電線把波導光連接到輸入波導和輸出波導。在所述Y形繼電線處兩個熱電極匯合在一起，并在輸入和輸出波導上延伸。
最好是接地電極在側邊延伸。與輸入和輸出波導一致，以形成共平面導電極系統(tǒng)。
在光電材料襯底是按Z軸切割的鐵電材料襯底的情況下。即，材料有自發(fā)極化，例如鈮酸鋰，具有符號相反的光電系數(shù)的區(qū)域是有相反取向的鐵電疇的區(qū)域。
襯底材料也可以是按X軸切割的鐵電材料襯底，具體說是鈮酸鋰襯底。該情況下，相反取向的鐵電疇結構允許加一個熱電極和一個接地電極形成推挽調制器。
按本發(fā)明第2方案，提供一種光電調制器。包括按本發(fā)明第1方案的共平面集成的光波導光電調制器；和電驅動元件，用于給電極系統(tǒng)加單極性驅動電位。
按本發(fā)明的另一方案，提供用于光通信系統(tǒng)的傳輸站，包括至少一個光束發(fā)生裝置用于產生光束；和按本發(fā)明第2方案的光電調制器。
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)點將變得清楚，附圖中只畫出無限制的實例，其中圖1是常規(guī)共平面波導集成的光電調制器的頂平面示意圖；圖2是圖1所示調制器沿II-II線切開的橫截面圖；圖3是常規(guī)的雙共平面帶集成的光電調制器的頂平面圖；圖4是圖3所示調制器沿IV-IV線切開的橫截面圖；圖5是按本發(fā)明實施例的無啁啾聲的共平面波導集成的光電調制器的頂平面圖；圖6是圖所示調制器沿VI-VI線切開的橫截面圖；圖7是按本發(fā)明另一實施例的無啁啾聲的共平面波導集成的光電調制器的與圖6相同的橫截面圖；圖8是按本發(fā)明另一實施例的允許單驅動操作的共平面雙帶集成的光電調制器的頂平面圖；圖9是圖7所示調制器沿IX-IX線切開的橫截面圖；圖10是包括圖5或圖7所示共平面波導調制器，或圖8所示雙共平面帶調制器的光通信系統(tǒng)的傳輸站的簡化的框圖；圖11是有交替的電極配置的雙共平面帶調制器的頂平面示意圖；圖12是包括圖11所示雙共平面帶調制器的光通信系統(tǒng)的傳輸站的簡化框圖；圖13是按本發(fā)明另一實施例的共平面調制器的頂平面示意圖；圖14是圖13所示調制器沿XIV-XIV線切開的橫截面圖。
圖中，圖1至4中已用于指示現(xiàn)有結構的部分參考數(shù)字也用于指示圖5至12中指示相同或相應的部分。
圖5和6分別是本發(fā)明第1實施例的示意圖，具體說是共平面波(CPW)Mach-Zehnder型集成的光電調制器的示意圖。襯底1是按Z軸切割的光電材料襯底，例如無機晶體，如LiNbO3，LiTaD3，KTP或可極化的無中心對稱的聚合物，極化的玻璃，半導體。
襯底1包括至少一個器件調制區(qū)50，用于使光場與電場之間相互作用；至少兩個區(qū)域61和62，具有符號相反的光電系數(shù)，例如，在襯底是有自發(fā)極化的鐵電材料的情況下，兩個鐵電疇區(qū)61，62有極性相反的反向鐵電疇。換句話說，在一個區(qū)域中，例如區(qū)域61中的鐵電疇與另一個區(qū)域62中鐵電疇沿Z晶軸的取向相反的取向。附圖中用不同的方式示意性的表示，兩個區(qū)域中沿Z晶軸的相反取向區(qū)域61中朝襯底的頂表面71取向，區(qū)域62中朝襯底的底表面72取向。例如。區(qū)域62的鐵電疇與襯底1中剩余的鐵電疇取向相同。區(qū)域62中的鐵電疇取向與襯底1中剩余的鐵電疇的取向相反。
每個鐵電疇區(qū)域61，62中分別形成兩個光波導41和42中的一個，鐵電疇區(qū)域在調制區(qū)50中縱向延伸到波導41，42。兩個鐵電疇61，62之間的界面區(qū)63位于兩個波導41，42之間的中間位置。
調制區(qū)50中金制成的金屬電極80，90和100重疊在襯底1的頂表面71上，頂表面71與金屬電極之間加有緩沖層11，緩沖層11例如是二氧化硅層，最好是比二氧化硅(Sio2)層的介電常數(shù)稍小的苯并環(huán)丁稀(BCB)層，因此能確保光模式與調制電場之間更好的相位匹配，特別是在微波頻譜范圍內的調制電場情況下，能保證有更小的損失。
實際上，第1電極80重疊在波導42上，在其中延伸出部分421，第2金屬電極100重疊在波導41上，大小與光導42的部分421相當?shù)牟糠?11，第3金屬電極90重疊在兩個波導41與42之間的鐵電疇區(qū)62的一部分上。
電極80和100要電連接到參考電位(地)并作為接地電極。電極90要電連接到調制電位V并因此作為熱電極。電極配置圖最好設計成允許器件能在調制電場的微波區(qū)內運行。
每個鐵電疇區(qū)在垂直于波導的方向要足夠大，以能包括兩個干擾調制器臂中的一個臂的波導。鐵電疇區(qū)最好覆蓋通過各個波導傳播的光模式的全部橫截面外行。并考慮到鐵電疇區(qū)的厚度，以波導表面起算的反向區(qū)越深，用光模式對折射率變化覆蓋越大，即從光模式來看的有效折射率變化。
為了調制進入調制器的光信號，電極80，90和100電連接到時間可變電壓源，使調制電場加到電極80，90和100。
盡管兩個波導41，42中的調制電場的方向和取向相同，事實上，后者是形成在沿Z軸有鐵電疇取向相反的區(qū)域內，造成兩個波導41，42的折射率經受相反的變化，沿該波導傳導的光信號相應地經受相反的相位漂移。因此，器件有推挽結構。
事實上，鐵電疇反向使襯底材料的非線性特性改變，而使材料的線性介電特性不變。換句話說，加外電場時，在包括微波和光波段的全部頻率下不同取向的鐵電疇中的介電常數(shù)相同。如果其幾何形狀使外部調制電場跨接在相反的鐵電疇區(qū)之間的界面上，那么，在兩個相反的鐵電疇區(qū)中建立起符號相反的折射率變化。但該變化不會大到足以因跨在邊界上延伸的波導中的折射率和/或散射引起任何明顯的損失。
由于本申請所述的器件可以是兩個鐵電疇界面，只有跨接在界面上的模式，同時沿Mach-Zehnder干擾計臂中的一個臂傳播，因此反射和/或散射損失很小。
與圖1和2所示的常規(guī)CPW調制器的差別是，整個襯底1形成只有單一取向的單個鐵電疇，由于調制區(qū)50中的結構(即有關光波導和電極)是對稱的，圖5和6所示調制器允許無啁啾聲運行。這就明顯優(yōu)于常規(guī)調制器結構。
圖5和圖6所示調制器中，光波導41和42均位于接地電極80和100下面。用重疊系數(shù)гg表示通過波導傳播的光模式與調制電場之間的重疊。通過位于接地電極下的波導傳播的光模式與調制電場的重疊小于使波導位于熱電極下所獲得的重疊，后一種情況下，用重疊系數(shù)гh表示重疊，гh幾乎是гg的6倍.
通過波導傳播的光模式與調制電場之間的較小重疊的意思是，產生同樣的波導折射率的光電調制所需的驅動電壓更高。結果要達到相同的折射率調制效果，圖5和6所示調制器中驅動電壓中的系數(shù)應比圖1和2所示單疇CPW調制器中的驅動電壓中的系數(shù)增大3.5。
圖7所示共平面波導調制器中所需的驅動電壓可以減小，產生與圖5和6所示調制器相關的給定的折射率調制，同時能保持無啁啾聲運行。兩個波導41和42位于熱電極900下，因此兩個鐵電疇區(qū)61和62之間的界面63也位于熱電極900下。用該配置，通過波導傳播的光模式與調制電場之間的重疊高于用圖5和6所示結構獲得的重疊，甚至高于圖1和2所示常規(guī)共平面波導調制器能獲得的重疊。驅動電壓可以小于圖5和6所示調制器所需的驅動電壓，至少在原理上，驅動電壓小于圖1和圖2所示常規(guī)共平面波導調制器所需的驅動電壓。同時，能保持無啁啾聲運行，結構仍然對稱。
與圖5和6所示實施例相比，圖7所示實施例中波導41和42相互接近。但波導41與42之間保持足夠大的間距，以避免兩個波導之間光耦合，和避免波導之間波能互換。設在兩個波導下面的熱電極900要足夠寬，熱電極至少寬30μm，以允許波導之間有足夠的間距，以避免波導41和42之間波能互換。
寬的熱電極的阻抗小，為了保持高阻抗，應仔細設計熱電極900，使它有特定形狀，如圖7所示倒“T”形，有位于緩沖層11上的至少為30μm寬的板901，和位于板901頂上的較窄的柱902。但是，即使有這種設計，調制器的輸入阻抗約為25歐姆時，也只能在20GHZ頻段內獲得速度匹配電光響應。這在實際應用中是太低的阻抗值。因此，圖7所示結構只能用在10GHZ頻段，使調制器的輸入阻抗可高于30歐。該頻帶寬限制是可用Vπ·L乘積為13Vcm時計算出的，式中Vπ是驅動電壓，L是調制區(qū)長度。
發(fā)現(xiàn)，圖7所示調制器至少需要一個接地電極，甚至在圖結構中設有兩個熱電極時也至少要一個接地電極，以增強結構的對稱性。
圖8和9所示本發(fā)明另一實施例，具體是共平面雙帶(CPS)Mach-Zehnder型集成光電調制器。如上述實施例一樣，襯底1是按Z軸切割的光電材料襯底，例如是無機晶體，如LiNbO3，LiTaO3，KTP或是能極化的非中心對稱的聚合物，極化的玻璃，半導體等。至少在器件調制區(qū)50中包括至少兩個光電系數(shù)符號相反的區(qū)61和62，例如，有相反的鐵電疇取向的鐵電疇區(qū)61和62。
每個鐵電疇區(qū)61和62分別形成兩個光波導41和42中的一個，調制區(qū)50內的鐵電疇按縱向延伸到波導41和42。兩個鐵電疇區(qū)61和62之間的界面63位于兩個波導41和42之間的中間位置，例如，兩個波導41與42之間的中間，使在光模式與調制電場相互作用的調制區(qū)50中，鐵電疇反向包括兩個干擾計臂中的一個。
調制器包括有兩個電極130和150的金屬電極配置，作為熱電極，這些電極配置分別與波導42和41重疊，部分421和411，電極130和150還在調制區(qū)50的外邊相應在調制區(qū)50中延伸出的波導42和41上分別延伸至上流區(qū)51和下流區(qū)52，在Y形繼電線3和4的相應部分匯合到一起，形成分別重疊在輸入波導2和輸出波導6上的電極延伸部分160，170。能用作接地電極的電極120和140分別共同延伸地設在電極130和150，電極160和170側邊。
事實上波導41，42位于熱電極130，150下面，增大通過波導傳播的光模式與調制電場之間的重疊，因此有助于減小驅動電壓，此時，結構對稱，所以能保持無啁啾聲運行。
與圖3所示常規(guī)雙CPS調制器的差別是為了實現(xiàn)推挽運行，需要雙電壓驅動(+V，-V)，圖8和9所示雙CPS調制器中，在兩個相反的鐵電疇區(qū)61，62中形成兩個波導41，42，它的優(yōu)點是允許單驅動運行。
由于兩個區(qū)域61，62中的鐵電疇有相反取向，給兩個熱電極13和15加相同的驅動電壓V，可使波導41，42中進行相反的折射率調制，并使通過其傳播的光模式有相反的相位漂移。
圖8所示電極配置中，除了有與器件(通過波導傳播的光模式與調制電場相互作用)的調制區(qū)50一致的雙CPS區(qū)外，在上流區(qū)51和下流區(qū)52中存在為分別為輸入和輸入CPW區(qū)的兩個CPW區(qū)，在輸入和輸出CPW區(qū)和雙CPS之間不傳輸。
用使其阻抗等于雙CPS結構的每個CPS部分的阻抗Zo的一半即Zo/2的方式設計輸入和輸出CPW電極。如果每個帶130，150在輸出處經過阻抗Zo單獨接地，盡管調制器的輸入和輸出阻抗會超過Zo/2，實際上，也可認為圖8所示結構中的輸入和輸出阻抗約等于Zo/2。為了防止在輸出處出現(xiàn)電反射，最好使CPW輸出部分與約等于Zo/2的總負載ZL連接。為了保證用于調制微波的結構對稱，最好在延長部分170和接地電極120和140之間分別連接兩個微波負載2Zl，每個微波負載的值為2ZL。
圖8所示電極配置允許形成用于調制微波的集成的電動分割器。
要指出的是，盡管圖8中只畫了電極配置的調制部分，但本行業(yè)的技術人員應知道，還能設其它電極部分，例如，設偏置電極部分，以便能適當選擇器件工作點。該方案中，值得注意的是，在其光電系數(shù)符號相反的襯底區(qū)中形成的兩個波導上設置單個電極延伸，能使器件偏置。
圖9中示意性的標示出CPS區(qū)50可能的尺寸，數(shù)字L1和L3用于指示熱電極130和150之間和相鄰的接地電極120和140之間的間隙尺寸，而數(shù)字L2是指示兩個熱電極130和150之間的間隙尺寸，L1的合適值范圍是6至20μm，例如是20μm；為使結構對稱，L1的值大致等于L3的值。L2的合適值范圍是大于等于100μm，以防止兩個相鄰的共平面帶120，130和140，150之間出現(xiàn)任何電耦合。緩沖層11最好用苯并環(huán)乙烯(BCB)制成，其膜厚范圍是0.7-1.8μm。電極120，130，140和150最好用金制成，它們的厚度范圍是15μm至25μm，熱電極130，150的寬度范圍是5μm-14μm。
本申請人還發(fā)現(xiàn)，已由日本特許公開JP-07-191352提出的關于光波導器件的結構中，波導之間會出現(xiàn)波能互換，代替晶體襯底上表面和下表面中設置的非共平面電極使Mach-Zehnder型調制器不能在較高的調制頻率下運行。光電調制器驅動電壓(也叫Vπ)和頻帶寬度(BW)與調制器長度成反比，即，與調制器的調制區(qū)長度L成正比。但是，一方面要求有長的調制器長度，以減小驅動電壓，另一方面，要求保持小的調制器長度，以得到更大的頻帶寬度。用乘積Vπ.L和BW.L表示，好的光電調制器應該有Vπ.L上小和BW.L的高特性。假設日本特許公開JP-07-191352提出的結構來制成Mach-Zehnder型調制器，選擇調制器長度L約為3cm，那么，驅動電壓保持在約等于5V，申請人還看到，在這些條件下，很難達到5GHZ的頻帶寬度。其原因是，調制大致通過襯底傳播的微波，發(fā)現(xiàn)折射率與光模式的反射率基本上不同。這是在晶體襯底的上表面和下表面中的平板正電極和負電極配置造成的。
經過比較，申請人用以下的幾何參數(shù)在圖9所示結構上進行模擬熱電極寬度7.5μm；L1＝L3＝20μm；L2＝150μm；電極厚度18μm；BCB層厚度1.5μm，對長度L為31mm的有效CPS區(qū)50，給出的Vπ.L和約為13Vcm的乘積，能得到的驅動電壓振幅Vπ約為4.2V。
從模擬結果申請人發(fā)現(xiàn)，能保證每個帶130和150中光引導模式和調制微波之間的準完善相位調制，對于大多數(shù)重要的頻率范圍，即大約10GHZ至40GHZ頻率范圍內，用調制微波看到的折射率接近還用光模試看到的(約等于2.14)。作為調制頻率函數(shù)的光電響應，在40GHZ數(shù)量級的3dB頻帶寬度。
一個原因是，本發(fā)明的結構中，有共平面電極配置，調制微波還通過緩沖層11傳播，所以，用微波看到的平均折射率很接近用光模式看到的折射率。
同樣的結構也能保證每個帶的阻抗Zo在60歐。因此，得到的輸入調制器阻抗是30歐。它與典型的50歐源阻抗匹配，而不會引起太高的輸入微波反射損失。由于用BCB緩沖層11，使微波損失也低。
如果熱電極寬度增大到相應于或大于光模式尺寸(通常在強度為l/e2寬度為10μm)，能得到較低的Vπ·.L積。但這會造成更壞的相位匹配缺陷。
對于所提出的結構計算出的電返回損失會大大低于-10dB電平。模擬結果表明，光電響應和電返回損失均有脈動，使每個CPS帶與接地電極更好地阻抗匹配能減小這些脈動。通過使阻抗為Zo(即等于每個CPS阻抗)的兩個CPS帶單獨接地能達到該目的。如上所述。這種電極結構也能保證輸入調制器阻抗是Zo/2。
圖10是一個簡化的框圖，用于光電通信系統(tǒng)的傳輸站包按圖5至9所示的任一實施例的調制器201。調制器201有光輸入202，接收例如激光源208產生的光束，和光輸出203，用于強度調制的光束。調制器201還包括電輸入204，用于接收來自驅動器209的調制電位V；電輸出205；和兩個要連接到參考電位的電接地端206，207。用合適的負載210，211使電輸出205耦合到參考電位，用于阻抗匹配。圖5和7所示CPW結構和圖8所示雙CPS結構中的調制器允許單驅動可操作性。
圖11是按本發(fā)明另一實施例的雙共平面帶調制器的頂平面圖。它與圖8所示調制器不同，該調制器包括其結構與圖3所示常規(guī)雙CPS調制器電極結構相同的金屬電極12，13，14，15的配置，兩個接地電極12，14和兩個熱電極13，15分別重疊在波導42。41上，且在其中分別延伸出部分421和411。
圖11所示雙共平面帶調制器也允許單驅動可操作性(而兩個熱電極13，15加同極性的調制電位)，但與圖8所示實施例不同，它不包括用于調制微波的集成的電動分割器。圖12是可用調制器(圖中的301)的光通信系統(tǒng)的傳輸站的簡化框圖。調制器301有接收激光源310產生的光束的光輸入302和用于強度調制的光束的光輸出303。調制器301還包括接收從驅動器311通過電動分割器312的同極性調制電位V的兩個電輸入304和305；兩個電輸出306和307。和兩個要連接到參考電位的接地端308和309。用適當?shù)呢撦d313，314使電輸出306，307耦合到參考電位，用于阻抗匹配。
發(fā)現(xiàn)，圖11所示雙CPS調制器，可設中心接地電極16，象圖3和4所示的現(xiàn)有器件一樣，所以，從波導中調制電場分布的觀點，能使結構更對稱。該情況下，器件變成雙CPW調制器。
可從諸如LiNbO3的光電材料的按常規(guī)的Z軸的切電開始制造本發(fā)明的共平面集成的光波導光電調制器?？捎萌魏喂姆椒ǎ?，由鈦(Ti)離子選擇攙雜襯底，形成集成光波導。可用公知的光刻技術和隨后進行的散擴散工藝進行選擇摻雜。
關于相反的鐵電疇區(qū)61和62的形成方法，已報道了使疇反向的各種技術，允許制造包括不同極性的區(qū)域的LiNbO3晶體，因此，根據(jù)Z晶軸的方向和取向而使這些性能相反。
有些實現(xiàn)鐵電疇反向的方法是根據(jù)在按接近晶體居里點的高溫下進行離子擴散而。
N，Ohnishi，”An etching study on a heat.induced layer at the positive-domainsurface of LiTbO3”，Jap.J.Appl.phys.vol.16，p，1069(1977)報道了在800-1100℃加熱1至20小時的LiTbO3晶體的Z+面的Li2O外擴散能引起鐵電疇反向。
S.Miyazawa，”Ferroelectric domain inversion in Ti-diffused LiTbO3opticalwaveguide”J.appl vol.50.p.4599(1979)報道了，在950-1100℃空氣中進行5-10小時的鈦(Ti)內擴散，能產生在Z+面上的鐵電疇反向。
K.Nakamura and H.shimizu，”Ferroellectric inversion laryers foemed by heattreatment of proyton-exchanged LiTaO3.”Appl.phys.Lett.vol，56，p，1535(1990)報道質子交換后用接近居里溫度的熱處理可使在LiTbO3的Z+面上的鐵電疇反向。
涂SiO2后在接近居里溫度的溫度下熱處理幾小時，也能用于促進LiNbO3中的Li2O外擴散，正如M.Fujimura et al“Ferroelectric-domain inversion induced bySiO2cladding for LiTbO3.。waveguide SHG”，Electronics Lett.Vol.27.p1207(1991)報道的，而且，在涂覆面積下的Z+面上發(fā)生鐵電疇反向。
L.Huang and N.A.F.Jaeger，”Discussion of domain inversion in LiTbO3”Appl.phys.Lett.vol.65.p.1763(1994)中報道了一種簡單模式，其中，鐵電疇反向與高溫下Li2O外擴散產生NbLi缺陷和自由電子造成的幾百伏/厘米的空間電荷場有關。
在P.W.Haycock and P.D.Townsend.”A method of polmg LiTbO3and liNaO3below Tc”Appl.phys.Lett.vol.48.p.698(1986)中討論了基于使用電子束在LiNbO3和LiTaO3中實現(xiàn)鐵電疇反向的另一方法。第1個試驗是用10V/cm數(shù)量級的小電場在大約600℃溫度下(LiNbO3)。目的是氧離子結合成小于原始的單離子態(tài)的分子態(tài)，使鋰離子更容易跨越到氧平面的另一邊。
任何公知的鐵電疇反向或極化技術原則都是能用于形成鐵電疇區(qū)61，62。
但是，在高溫下離子擴散獲得的鐵電疇反向區(qū)通常較淺(只在表面下幾微米深)，這只適用于波導。此時，有時反向區(qū)與波導模式之間重疊不好會造成三角形疇(Ti內擴散，Li2O外擴散，涂SiO2生成的疇形)或半圓形疇(質子交換后熱處理形成的)損壞。加改善所述重疊用的電位，用電子束輻射技術可在整個樣品厚度(0.1-1mm)上形成直疇。
用于獲得鐵電疇反向的其它方法包括在C2ochralski生長中摻雜和激光加熱的底座晶體生長中摻雜。
正如M.Yamada et al，”First-order quasi-phase mached liNbO3waveguideperiodically poled by applying an external field for efficient blue second harmonicgeneration”Appl.phys.Lett.vol62.P435(1993)中所論述的，用室溫下的電場極化技術已獲得了目前最有效的極化器件。給按Z軸切割的襯底加高壓脈沖，所以外電場高于矯頑場值(就liNbO3而言是20KV/mm)。與該電場相響應，產生疇反向。電場極化技術允許在整個厚度上獲得高清晰度的直疇(幾微米，正如已示出的用一些準相位匹配頻率轉換工藝周期性地制造的)。
本發(fā)明文本中，光電系數(shù)符號相反的區(qū)域，例如，鐵電材料襯底中的鐵電疇區(qū)域，足夠大，垂直于波導，包括兩個調制器臂的波導。最好是有符號相反的光電系數(shù)區(qū)域或鐵電疇區(qū)擴展，以覆蓋通過波導傳播的光模式的整個橫截面外形。
用形成加極化電壓的電極的光刻方法界定有亞微米清晰度的調制器的平板(即襯底1的表面71上)中鐵電疇區(qū)的擴展范圍。
關于反向區(qū)的厚度，鐵電疇區(qū)61，62延伸到襯底1的底表面72并不重要。但是，從波導表面起的反向區(qū)越深，光模式的重疊就越大。所有可用的極化技術中，優(yōu)選電場極化技術。
襯底1中的波導2，41，42，6形成前后形成鐵電疇區(qū)61，62。
盡管詳細地描述了設置光電系數(shù)符號相反的區(qū)域，以延伸整個器件的調制區(qū)，但這并不是對發(fā)明的限制，實際延伸的鐵電疇區(qū)只是調制區(qū)的一部分。
此外用兩組有光電系數(shù)符號交替的區(qū)域代替只有兩個光電系數(shù)相反的區(qū)，其中，形成調制器臂的兩個波導中每一個波導穿過每組區(qū)域且兩組區(qū)域中的區(qū)域對按垂直于波導的方向鄰近，有符號相反的光電系數(shù)。按此方式，能補償調制電場和通過波導傳播的光模式的光調制的相位速度不匹配。
注意本發(fā)明不僅能用于在按Z軸切割的襯底上形成的調整器，正如本說明中對離子的描述，是極其重要的。只用舉例方式，圖13，14分別是按本發(fā)明的實施例的頂平面示意圖和橫截面示意圖，其中，按X軸切割的襯底1中形成共平面Mach-Zehnder型調制器，即，襯底的主表面垂直于X晶軸。
至少在器件調制區(qū)50中，在有符號相反的光電系數(shù)r33的襯底區(qū)中構成干擾計臂的兩個波導411和421(如上所述，光電系數(shù)r33是指沿Z晶軸傳播的電磁波引起的折射率變化與沿同一晶軸的調制電場分量相關)。例如，假設襯底諸如鈮酸鋰的鐵電材料，波導411直接形成在襯底中有朝圖的右邊自發(fā)極化取向的區(qū)域內(沿Z晶軸)，同時波導421形成在自發(fā)極化取向已反向的襯底區(qū)500中，Kishino etal，”70+μm deep domain inversion in x-cut liNbo3 and its use in a high-speedbandpass integrated-optic modulator”Appl.phys.Lett.vol.76.No.26.p.3852-3854中報道了在鈮酸鋰襯底中可使自發(fā)極化反向的方法。
襯底的相應于集成波導的頂主表面71上設置電極配置，頂主表面71與電極配置之間設置緩沖層11。電極配置包括沿波導411的側邊延伸的熱電極501，和沿波導421的側邊延伸的接地電極，波導411和421分別設在襯底的兩個相反的側邊上。
產生的電場Z分量隨后給熱電極501上加調制電位V，Z分量在波導411，421中有相同的方向和取向。但是，由于波導形成在符號相反的光電系數(shù)襯底區(qū)中，所以，兩個波導的折射率按相反方向變化，得到推挽效果。
按本發(fā)明的共平面集成的光波導光電調制器特別適用于高數(shù)據(jù)速度的數(shù)字式光通信。
權利要求
1.共平面集成光波導光電調制器，包括光電材料襯底(1)；至少兩個光波導(41，42)，它們集成在襯底的表面(71)的相應部分中；和電極系統(tǒng)(80，90，100；80，90，900；12-15；12-16；120，130，140，150，160，170；501，502)，它們配置在所述襯底表面上，用于給波導加調制電場，以對器件調制區(qū)(50)中的兩個波導的折射率進行調制，其特征在于，對于器件調制區(qū)中的至少部分波導(411，421)，在沿垂直于波導部分的軸有相反符號光電系數(shù)的相應襯底區(qū)域(61，62；1，500)中形成波導，使波導部分中方向和取向相同的調制電場引起波導部分中符號相反的折射率調制。
2.按權利要求1的共平面集成光波導光電調制器，其中，所述波導部分和有符號相反的光電系數(shù)的相應襯底區(qū)域大致在整個器件調制區(qū)延伸。
3.按權利要求1的共平面集成光波導光電調制器，其中，器件調制區(qū)設至少兩組有交替符號的光電系數(shù)的襯底區(qū)，至少兩個波導中的各個波導穿過每組光電系數(shù)符號交替的襯底區(qū)，兩組襯底區(qū)中的區(qū)域對按垂直于波導的方向大致對齊，有符號相反的光電系數(shù)。
4.按權利要求2或3的共平面集成光波導光電調制器，其中，所述電極系統(tǒng)包括至少兩個接地電極(80，100)，和至少一個熱電極(90)，每個接地電極在相應波導的所述部分上延伸，熱電極在兩個接地電極之間延伸，以形成共平面波導電極系統(tǒng)。
5.按權利要求2或3的共平面集成的光波導光電調制器，其中，所述電極系統(tǒng)包括一個在波導的所述部分上延伸的熱電極(900)和在熱電極側邊延伸的至少一個接地電極(80，100)。
6.按權利要求5的共平面集成的光波導光電調制器，其中，波導之間隔開適當?shù)木嚯x，以大致防止在調制區(qū)中波導之間的光耦合，熱電極包括其寬度等于或大于所述間距的較寬部分(901)和在較寬部分頂上的較窄部分(902)。
7.按權利要求2或3的共平面集成的光波導光電調制器，其中，所述電極系統(tǒng)包括兩個熱電極(13，15；130，150)，每個熱電極在相應波導的所述部分上延伸，用于接收相同的調制電壓；和至少一個在所述熱電極側邊延伸的接地電極(12，14；120，140)，以形成雙共平面帶電極系統(tǒng)。
8.按權利要求7的共平面集成的光波導光電調制器，其中，至少一個接地電極包括兩個接地電極，每個接地電極沿相應熱電極的相對另一個熱電極的邊延伸。
9.按權利要求8的共平面集成的光波導光電調制器，其中，所述電極系統(tǒng)包括集成的電動分割器(160，130，150)用于接收外部產生的調制電壓(V)并給兩個熱電極供給電壓。
10.按權利要求9的共平面集成的光波導光電調制器，其中，用Y形繼電線(3，5)把所述調制區(qū)外的波導光學連接到輸入波導(2)和輸出波導(6)，在所述Y形繼電線兩個熱電極匯合在一起，且輸入和輸出波導上有擴展部分(160，170)。
11.按權利要求10的共平面集成的光波導光電調制器，其中，接地電極沿所述擴展部分的側邊延伸形成與輸入和輸出波導對應的共平面波導電極系統(tǒng)。
12.按前述任一權利要求的共平面集成的光波導光電調制器，其中，光電材料襯底是按Z軸切割的鐵電材料特別是鈮酸鋰襯底，光電系數(shù)符號相反的區(qū)域是有相反取向的鐵電疇的區(qū)域。
13.按權利要求1的共平面集成的光波導光電調制器，其中，光電材料襯底是按X軸切割的鐵電材料特別是鈮酸鋰襯底，有光電系數(shù)符號相反的區(qū)域是有取向相反的鐵電疇的區(qū)域，所述電極系統(tǒng)包括熱電極和接地電極。
14.光電調制器，包括按前述任一權利要求的共平面集成的光波導光電調制器(201；301)和用于給電極系統(tǒng)提供單極性驅動電位(V)的電驅動元件(209；311，312)
15.光通信系統(tǒng)用的傳輸站，包括至少一個產生光束的光束發(fā)生裝置(208，310)和按權利要求14的光電調制器。
全文摘要
共平面集成的光波導光電調制器，包括光電材料襯底(1)，集成在表面(71)上的至少兩個光波導(41，42)，設在襯底表面上給波導加調制電場的電極系統(tǒng)(80，90，100；80，90，900；12－15；120，130，140，150，160，170)，引起器件調制區(qū)(50)中兩個波導的折射率調制。在相應襯底區(qū)中(61，62)形成波導用于在器件調制區(qū)中的至少波導部分(411，421)，相應的襯底區(qū)(61，62)有沿垂直于波導區(qū)的軸符號相反的光電系數(shù)，使波導部分方向和取向相同的調制電場引起波導部分中符號相反的折射率調制。制成無啁啾聲的共平面波導調制器和單驅動雙共平面帶調制器。
文檔編號G02F1/225GK1432846SQ0212860
公開日2003年7月30日 申請日期2002年6月28日 優(yōu)先權日2001年6月28日
發(fā)明者V·普路內利, A·耐斯波拉 申請人:康寧Oti股份公司