专利名称：集成光学强度调制器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光学强度调制器及其制造方法，尤其是涉及一种具有光波导的集成光学强度调制器及其制造方法，在该光波导中能够通过施加电压导致具有交错结构的不连续折射区域。
集成光学是基于光波导在基片上制造各种光学器件的技术。它能够简化光学器件和在小区域中具有很多功能器件的生产器件的结构，并降低生产成本。另外，在光波导周围形成电极，这样只是在光波导区域形成电场，因此在低驱动电压下控制光波通路。集成光学基片的典型材料是诸如LiNbO3或LiTaO3的铁电体或电光聚合物。
光学强度调制器是一种利用电压导通和断开沿光波导传输的光波的器件，并用作光通信系统和光学传感系统的主要元件。光学强度调制器可以是两种之一，其中一种利用相位调制，如马赫-策恩德尔(Mach-zehnder)干涉型调制器或方向耦合器开关，另一种由突然改变折射率来调制折射率，如切断调制器。
切断调制器结构简单，制造成本低，适合于各种应用。例如，切断调制器可以用作没有直流偏压和直流漂移效应的线性光学调制器，该直流漂移效应在由直流电压设定光学调制器的工作点时可能存在。
图1A是常用光学强度调制器的立体图。图1A的光学强度调制器包括一个晶体沿Z向切割的LiNbO3基片或沿Z向切割的LiTaO3基片100，一个由冷却质子交换方法在基片100上制成的通道光波导102以及能够将电场施加到光波导102和基片100上的电极104。这时，在光波导上形成一层诸如SiO2的缓冲层106用以抑制由电极引起的通过光波导的光波的欧姆损耗，然后形成由Cr和Au构成的电极。如果一个电压Va施加到上述电极用以将电场沿+Z向施加到光波导上，折射率的变化Δn如下Δn=-12n3r33Ez...(1)]]>其中n表示折射率，r33表示电光系数，Ez表示施加电场的Z向分量。根据公式1，如果沿+Z向施加电场，折射率减小，如果沿-Z向施加电场，折射率增大。这样，如果沿+Z向将电场施加到图1A的光学调制器，光波导的折射率如图1C所示减小，如果光波进入图1B所示的调制区域，由于模式失配存在散射损耗。图1A和1B的标号108表示调制区域。与图1A相同的图1B和图1C的标号表示相同部件。这里，散射损耗量由光波导输入部分的导模分布f1和调制区域的导模分布f2的差决定，如果光波导输入部分的导模功率为P1，调制区域的导模功率为P2，光波导的截面积为s，由于模式变换的散射损耗如下l21=P2P1=∫(f1f2*).(f1*f2)ds∫(f1f1*)ds.∫(f2f2*)ds...(2)]]>其中，*表示复合共轭值。利用公式2能获得光学强度调制器的调制深度。为了获得最大调制深度，施加电压l21为零，这样调制区域的模分布f2必须在基片的整个表面上散开。即光波导必须断开。当给波导施加电场时为了使波导断开容易，通常将光波导的起始导波状态设定在靠近切断状态。然而，如果光波导的导波状态设定在靠近切断状态，光学调制器的插入损耗将增加。
调制区域的导模分布与光波导的输入部分类似，需要高的驱动电压。即调制区域的导模分布与光波导的输入部分的导模分布一样是围绕光波导的中心点对称的，模分布的峰点相连，使有效地减小公式2的值变得困难。这样，必须施加高电压获得必要的大约20dB或更高的衰减比例。
为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种集成光学强度调制器，其光波导的折射率是不连续的并有一个交错结构，光波分布模式相对于波导中心是非对称的，以低的插入损耗和低的驱动电压调制光波。
本发明的另一个目的是提供一种制造集成光学强度调制器的方法。
因此，为了实现上述目的，提供一种集成光学强度调制器，其包括一个具有自发极化，沿一预定方向切割的基片；一个形成在所述基片上的光波导；一组具有沿自发极化相反方向的畴域的畴反向区域,置于围绕光波导的交错结构中；以及一个形成在所述光波导上的第一电极和形成在所述基片上的光波导的左右边的第二和第三电极，其中如果给所述电极施加一预定的电压，光波根据光波导中的畴反向区域的折射率和自发极化区域的折射率的变化在畴反向区域中折射和散射。
为了实现第二个目的，提供一种制造集成光学强度调制器的方法，其包括以下步骤(a)在围绕电光基片的纵轴的交错结构中形成一个畴反向电极；(b)将一预定脉冲电压施加到步骤(a)形成的畴反向电极上，形成一个畴反向区域，然后蚀刻所述畴反向电极；(c)掩盖步骤(b)得到的结构部分，其中没有形成光波导，然后将掩盖部分浸入一预定的质子源溶液达一预定时间，用以与所述基片上存在的预定离子交换所述质子源溶液的质子，以形成质子交换区域；(d)热处理步骤(c)得到的结构达一预定时间，用以形成一个光波导；以及(e)在所述光波导上以及在所述基片的步骤(d)中形成的光波导的左右边形成一预定电极。
下面参照附图通过详细描述最佳实施例本发明的上述目的和优点将更加明显。
图1A是常用光学强度调制器；图1B是由于在图1A的常用光学强度调制器中等水平的模式变换散射光波的过程图；图1C是当图1A的常用光学强度调制器沿图1B的AA’剖开的折射率的变化图；图2是根据本发明的集成光学强度调制器结构图；图3A至3E是图2的光学强度调制器形成过程的截面图；图4A是图2的集成光学强度调制器的平面图；图4B是图4A的光学调制器沿A0A1，B0B1和C0C1线的剖面图；图4C是当将电场施加到光学调制器上时沿图4A的A0A1，B0B1和C0C1线的折射率和导模分布图；图4D是当将电场施加到图2的光学调制器上时光波导中的散射光波的过程图。
参照图2，在光学调制器中，光波导204形成在LiNbO3或LiTaO3的畴反向区域202中，电极206和地线208用以给光波导204施加电场。由SiO2构成的缓冲层210形成在光波导204上。
参照图3A至3E，调制光学强度的基片由诸如LiNbO3或LiTaO3的单晶电光材料构成，并具有自发极化。在形成图3A的畴反向电极的过程中，Cr和Au随后以预定间隔沉积在交错结构的上述材料的Z向切割基片300上，用以形成畴反向电极301。Cr和Au随后沉积在基片300的底部用以形成接地电极304。基片300的所有上表面电极电连接，然后施加比晶体的矫顽场高的一个正电压，以形成畴反向区域。当电场施加到电极时，施加具有数十微秒或更窄脉宽的脉冲电压Vp以防止由于电子的破坏导致晶体的破碎。在图3B的步骤中，在畴反向之后利用化学蚀刻去除畴反向电极301。图3B的标号300表示一个基片，标号302表示由上述过程形成的畴反向区域。
图3C给出了在图3B的基片部分沉积Cr薄膜310的步骤，其中没有形成通道光波导。Cr薄膜310的沉积如此构成以致畴反向区域分开的部分位于光波导的中心。沉积后，将图3C所得结构浸入150-260℃的如苯酸的质子源溶液中数分钟至数小时，然后在苯酸中的质子H+与形成光波导部分的Li+进行交换，以形成质子交换区域312。
质子交换后图3D的过程用于热处理。将形成质子交换区域312的基片在大约350℃进行热处理数分钟至数小时。热处理能够减小光波导314的传输损耗并恢复电光系数。这时，在热处理前利用自调整方法在光波导上形成SiO2薄膜316，用以增强光波导的制导和控制导波模式。在热处理过程中集中在表面的质子扩散至内部，减小了表面的折射率并加深了光波导。
图3E给出了热处理后形成光学强度调制电极的步骤。如图3E所示形成电极318，SiO2薄膜316作为光波导上电极的缓冲层，以致施加驱动电压的电极318可以形成在没有蚀刻SiO2薄膜316的结构上。电极如此形成以致施加电场的Z向分量围绕光波导的中心对称，随后沉积Cr和Au用以提高电极的导电性和黏附力。
同时，参照图4A至图4D描述图2的光波导中的散射光波原理。在图4A中，标号202和204与图2相同。图4B是图2的光学调制器沿A0A1，B0B1和C0C1线的剖面图。图4B的光波导的+Z轴向箭头表示晶体自发极化方向，-Z轴向箭头表示畴反向区域中的晶体反向畴方向。如果极化反向，电光系数的符号也改变。
图4C是当将电场施加到光学调制器上时图4B的光波导的局部正常导模分布图。图4C的FnA，FnB和FnC代表光波导的X轴向折射率分布，FmA，FmB和FmC代表X轴向导模分布。折射率分布FnA是对称的，在截面A0A1的光波导输入部分的导模分布FmA也是对称的。然而，调制区域的折射率分布是非对称的，导模分布也是非对称的。在截面B0B1的光波导中，光波导左边的折射率增大公式1的Δn，光波导右边的折射率减小公式1的Δn。即利用畴反向结构能够使左右边的折射率差加倍，因此对于非对称结构只需一半电压。这样导模向左边折射。在截面C0C1的光波导中，通过施加电场使劲光波导左边的折射率减小Δn，而右边折射率增大Δn。这样，导模向右边折射。
向左边折射的截面B0B1的导模FmB进入畴反向区域相反的截面C0C1，并向右边折射(FmC)，因此导模部分地散射进入基片，在通过调制区域后大大减小了光强。图4D给出了当导模的折射方向左右重复变化时散射导模的步骤。散射步骤与将-Z向电场施加到光波导上的情况相同。这样，甚至当给光学调制器施加一个反向数字电信号获得光信号时也不需要附加的反向器。
根据本发明参照实施例描述了采用Z向切割晶体基片的集成光学强度调制器，围绕光波导的交错结构中形成许多变换区域，从而减小了驱动电压。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。
根据本发明的光学强度调制器，由于围绕光波导交错的铁电基片的交错畴反向结构由光导模的折射能够使光波导的驱动电压减半。多级形成向左右折射光导模的区域，提高衰减比率。另外，电极结构简单，可以简单地设计成宽带电极。具有高折射率的光波导可以采用上述工作原理，因此光学强度调制器的光波导具有好的导波状态，减小了插入损耗。上述结构和制造工艺简单。能够实现对称的特性曲线，因此甚至对于反向的数字电信号也不需要附加的反向器。由于光学调制器采用了LiNbO3或LiTaO3基片，可以采用已知的工艺和畴反向工艺生产上述基片。
权利要求
1.一种集成光学强度调制器，其特征在于包括一个具有自发极化、沿一预定方向切割的基片；一个在所述基片上形成的光波导；一组具有沿自发极化相反方向的畴域的畴反向区域，置于围绕所述光波导的交错结构中；以及一个形成在所述光波导上的第一电极和形成在所述基片上的光波导右边和左边的第二和第三电极，其中如果将一预定电压施加到第一电极，光波根据所述光波导中的畴反向区域的折射率和所述自发极化区域折射率的变化在畴反向区域折射和散射。
2.根据权利要求1所述的光学强度调制器，其特征在于所述基片的材料是LiNbO3。
3.根据权利要求1所述的光学强度调制器，其特征在于所述基片的材料是LiTaO3。
4.根据权利要求1所述的光学强度调制器，其特征在于在所述光波导和第一电极之间还包括一个抑制欧姆损耗的缓冲层。
5.一种制造集成光学强度调制器的方法，其特征在于包括以下步骤(a)在围绕电光基片的纵轴的交错结构中形成一个畴反向电极；(b)将一预定脉冲电压施加到步骤(a)形成的畴反向电极上，形成一个畴反向区域，然后蚀刻所述畴反向电极；(c)掩盖步骤(b)得到的结构部分，其中没有形成光波导，然后将掩盖部分浸入一预定的质子源溶液达一预定时间，用以与所述基片上存在的预定离子交换所述质子源溶液的质子，以形成质子交换区域；(d)热处理步骤(c)得到的结构达一预定时间，用以形成一个光波导；以及(e)在所述光波导上以及在所述基片的步骤(d)中形成的光波导的左右边形成一预定电极。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于由沉积Cr薄膜形成步骤(c)的掩膜。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于由相继沉积Cr和Au形成所述畴反向电极和预定电极。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述质子源溶液是苯酸。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于在步骤(c)形成的质子交换区域上沉积一预定的氧化层之后进行步骤(d)。
全文摘要
本发明提供了一种集成光学强度调制器及其制造方法。该调制器包括一具有自发极化、沿一预定方向切割的基片;一在所述基片上形成的光波导;一组具有沿自发极化相反方向的畴域的畴反向区域;以及一个形成在所述光波导上的第一电极和形成在所述基片上的光波导右边和左边的第二和第三电极,其中如果将一预定电压施加到第一电极,光波根据所述光波导中的畴反向区域的折射率和所述自发极化区域折射率的变化在畴反向区域折射和散射。
文档编号G02F1/01GK1205449SQ9810284
公开日1999年1月20日 申请日期1998年7月10日 优先权日1997年7月14日
发明者李相润, 张祐赫 申请人:三星电子株式会社