电光器件的制作方法

专利名称：电光器件的制作方法
技术领域：
本发明属于例如滤光器、光开关、可调谐激光器元件等等的电光器件 的领域，该电光电器包括电信号所诱导的光学性质例如折射率的改变。更 具体地，本发明涉及具有非易失性可编程折射率的电光器件。
背景技术：
从例如US 3,883,220、 US 4,787,691以及US 7,009,759可以了解诸如开 关、滤光器、可调谐激光器等的电光器件，其特征为使用电信号诱导的折 射率的改变。这些元件包括诸如LiNb03的晶体绝缘材料(表现出热电效 应)，诸如Si的半导体材料(表现出等离子体色散效应，或者包括分层的 类似于锂离子蓄电池(Li-ion-accumulator)的结构，其中锂离子迁移有助 于折射率的改变)。这些光学元件的主要缺点是，必须持久地施加电功率 以维持折射率的变化，也就是，这些电光元件是"易失性的，，。其他的缺 点为包括晶体材料的电光元件会受极性依赖(双折射)的影响，这就需要 附加的结构以重新获得不依赖极性的器件操作。此外，晶体材料需要大的 热预算(budget)，因此不能在后段制程(BEOL)集成。并且，因为会 强吸收可见光，上述包括半导体材料或锂离子的电光元件仅仅适用于红外 波长范围。
在US 6，628，450中公开了一种非易失性电光开关的实例，该实例包括 将跨隧穿势垒进4亍充电的浮置电荷调制区域。然而，该实例还依赖于半导 电材料中的自由电子，因此局限于红外波长，并导致相对高的吸收。并且， 其具有复杂的结构，该复杂的结构具有多个界面，这会有助于lt射。最后， US 6,628,450所教导的跨两个隧穿势垒施加的电压非常大。
4因此，希望提供一种非易失性的电光器件，用于例如光开关、滤光器 或者可调谐激光器。这样的器件优选具有简单的构造，没有太多的层到层 界面，并且优选适用于光镨中的红外范围以及可见范围的光。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电光器件，所述电光器件包括具 有波导材料的波导结构，所述波导结构限定光束路径。所述波导结构还包 括具有氧空位的过渡金属氧化物和电极，在暴露到电场时所述氧空位能够 迁移，所述电场可通过所述电极施加到所述过渡金属氧化物。所述过渡金 属氧化物和电极净皮设置为使所述氧空位能够沿相对于所述光束路径的中心 的径向方向迁移。
在这个意义上，"径向"并不意味着移动方向必须在自光束路径中心 向外的射线上，而是包括具有相应分量的所有方向，以便光束路径中心与 氧空位之间的距离随着迁移而变化。
本发明的方法基于这样的观察，即，过渡金属氧化物的折射率依赖于 氧空位浓度。因此，波导结构的光学性质受电场的影响。
具体而言，利用这样的构造，可以向电极施加极性相反的切换脉冲，
切换脉冲分别使氧空位迁移到光束路径/更邻近光束路径，或者从光束路径 移出/离开。在下面的描述中，与氧空位位置相关的电光器件的不同状态被
称为"切换状态"。为方<^见，假i殳有两种限定的切换状态，"第一" 切换状态和"第二"切换状态。然而，本发明的教导也适用于具有多于两 种限定的切换状态的更为复杂的构造。
过渡金属氧化物中的氧空位如果被结合到过渡金属氧化物的晶格中则 具有这样的性质，即在没有电场的情况下它们是固定的。因此，假设的切 换状态确实是非易失性的 一旦电极电压被关闭，只要不施加电场，氧空 位保持在其位置上任意长的时间，而不会倾向于系统地扩散。
优选地，过渡金属氧化物材料是这样的材料，该材料具有l(T9Cm2/VS 或更高的氧空位的相对高的迁移率。在切换过程之后可以关闭电压这一事实，使该器件具有不会产生不必 要的热量的优点。此外，较少的功率消耗也是优点。
此外，晶体和无定形的过渡金属氧化物层可直接制造(事实上，已经 存在来自于铁电存储器制造的用于在常规衬底上制造结构层的制造技术)， 并且它们皆可用于光镨的可见和红外部分。具体而言，无定形的过渡金属
氧化物不呈现任何的双折射，并且它们是可BEOL集成的，因此也适用于 以叠层的设置制造。归因于根据本发明的方法，由于仅仅在改变切换状态 时才需要电压脉冲，因此，在邻近的光学元件和附近的电路之间同样不会 发生(热)串扰。
波导结构可存在于衬底上。具体而言，对于衬底而言，可使用半导体 衬底，例如掺杂的珪衬底。还可以使用电绝缘衬底，例如玻璃衬底或塑料 衬底。波导结构包括在衬底的表面上的多个层。对于这样的分层结构，平 行于衬底表面的方向械束示为"水平"或"横向"，而"垂直"、以及"之 上"/ "在顶上"或者"之下"/ "下面，，表示垂直于上W面的方向。"之 上"和"在顶上"涉及进一步远离衬底的位置，"之下"和"下面，，涉及 较靠近衬底的位置。如果配置为这样的分层结构，波导结构包括多个垂直 叠层，其中所述层中的至少一个为水平结构，以限定光束路径。
优选地，在分层的结构中，用于施加切换脉冲的电极被设置在不同的 层(不同的垂直位置)中，并且彼此垂直间隔开，4吏得氧空位迁移的径向 方向为垂直方向。在衬底导电的情况下，例如，如果衬底为掺杂的硅或其 他的掺杂半导体或者如果衬底是金属，衬底本身可作为第一电极。那么第 二电极可通过波导芯之上的层来构建。这样的电极设置最为灵活，与现有 技术水平的制造方法最兼容，因此是优选的。
作为分层波导结构的一种可选的方案，电极设置也可以是水平的，即，
电极包括两个横向隔开的电极(例如导电带)，可操作该电极以相对于光 束路径水平地移动氧空位。
如本领域中所/〉知的，波导结构可包括具有第 一折射率的材料的波导
芯和波导覆层，该波导覆层对于被导引的光也是透明的，但是具有低于第
6一折射率的第二折射率。根据本发明，具有氧空位的过渡金属可以是波导 芯材料或其组成部分、波导覆层或其组成部分、或者两者都是，波导芯和 覆层包括过渡金属氧化物材料，以及氧空位可以迁移穿过它们之间的界面。 在所有的情况下，两种切换状态间的不同在于氧空位处于被导引的光的强 度不同的位置。更准确地，在两个切换状态之间，通过氧空位所占据的横 截面积的光场的通量(限定为标量)不同。
尽管氧空位可以移动跨过界面，不过通常优选的是具有不属于上述情 况的配置，其中氧空位在基本上为同种材料的区域之内移动。更概括地， 优选将电光器件的组成部分以这样的方式设置，该方式为使氧空位不会在 对于导引的光而言折射率基本上不同的部分之间迁移。本发明的优点为这 样的设置是易于形成的，因为不需要连续施加的电压或界面(如果分开不 同折射率的材料，会对光学性质产生影响)用于使氧空位在切换之后保持
在原位。
由波导结构限定的光束路径可以为，在两种切换状态之一的状态下， 所述结构对于^皮导引的辐射是谐振的。例如，所述波导结构包括环形谐振 器，其中所述环形谐振器包括这样的部分，所述部分包括过渡金属氧化物 作为覆层和/或波导芯的一部分。
电光元件可用作光开关或滤光器(的部件)。此外，电光元件还可用 作例如用于激光器或用于滤光器的波长调谐元件。其还可用作其他的切换
元件，例如用于激光器中的腔倒空(dumping)。
此外，电光元件的其他应用也是可能的。例如，由于其的非易失性， 它可以极好地适用于目前的切换元件所不能解决的任务。例如，它可用作 调谐元件以补偿制造过程中的工艺变化(几何结构和折射率)。
此外，它可用作补偿在操作期间的温度漂移的折射率稳定元件。与4吏 用热调谐的公知解决方案不同，在相邻的光学元件或附近的电路之间不会 发生串扰。
在本文全文中，"光"用于概括地表示适于在波导中导引的电磁辐射， 具体而言，包括光镨的可见和红外部分中的辐射，还可能包括光语的近紫外部分。


接下来，将参照附图描述本发明的实施例。附图都是示意性的，而没 有按比例绘制。在图中，相同的附图标记表示相同或相应的元件。
图1描绘出了作为波长的函数的具有和不具有氧空位的示例性过渡金
属氧化物的折射率；
图2a和2b示出了根据本发明的器件的原理，该器件包括具有可切换 特性的波导芯；
图3a和3b示出了根据本发明的器件的原理，该器件包括具有可切换
特性的波导覆层；
图4a和4b示出了根据本发明的器件作为光开关的示例性使用；
图5a和5b示出了在两种切换状态下的才艮据本发明的器件的实施例的
横截面；
图6a和6b示出了在两种切换状态下的根据本发明的器件的另一实施
例的横截面；
图7a和7b示出了在两种切换状态下的根据本发明的器件的又一实施
例的横截面；以及
图8a和8b示出了在两种切换状态下的根据本发明的器件的又一实施 例的横截面。
具体实施例方式
图l示出了 Cr掺杂的SrTi03的折射率作为光波长的函数。较高的折 射率曲线101示出了不具有氧空位的材料的折射率，而较低的折射率曲线 102示出了具有一定的氧空位浓度时的折射率。对于选定的材料，在633nm (红光)的波长下，折射率被设计为在2.37与2.38之间，以及例如在IR 波长1550nm下，折射率被设计为在2.26和2.28之间，该IR波长常常用 作电信i殳备中的信号传输。
8其他的高迁移率氧离子传导材料，例如0<5<0.1的Ceo,9Gd(u02』或 BUVlsCikuOh)"具有非^ ( extrinsic)氧化物离子空位的萤石型氧化物 (例如，稳定的氧化锆(Zr02)w((Y，Sc)203)s 、掺杂的氧化铈 ((Ce，Gd)02_8，Bi203))、具有本征(intrinsic)或非本征空位的钙钬矿(例 如(La，Sr) (Ga，Mg)03_s、 Baln025、 (Li，La)Ti03-s) ， Aurivilius型氧化 物(例如Bi4(V，Ti.Cu)2On—§)、焦绿石(例如Gd2(Zr，Ti)207)、以及类似 La2M02O9的氧化物可以有利地用于本发明。然而，本发明并不局限于这些 材料，而是涉及具有适当的透明度并表现出折射率受控于氧空位浓度的任 何材料。
图2a示例了才艮据本发明的器件1的实例。该器件包括波导结构，该波 导结构限定了光束路径2。描绘的波导结构包括部分3和部分4，其中在部 分3中波导芯由常规波导材料制成，而在部分4中波导芯由上述种类的具 有可移动的氧空位7的过渡金属氧化物制成。该器件包括两个电极5.1、5.2， 通过这两个电极，可以通过电压脉冲将氧空位7移进和移出光束路径2。 所有图中的参考标号6表示极性对应于描绘的切换状态的电压源。
在图2a所示的第一切换状态中，氧空位处于光束路径中。图2b示例 了第二切换状态，其中氧空位远离光束路径，并且不影响导引光束的区域 的折射率。
图3a和3b示出了可选的实施例的两种切换状态。与图2a和2b的实 施例不同，波导芯3在切换区域也包括常规波导材料。然而，在图2a和 2b中没有示出的波导覆层包含过渡金属氧化物部分8，其中氧空位7可以 通过施加的电压脉冲而移动。图3a和3b的器件的原理与图2a和2b的器 件相同，因为由波导结构所导引的光包括这样的部分(也称为消逝场)， 该部分突出到覆层材料中并在其中依赖于到波导芯的距离而指数衰减。因 此，受存在或不存在氧空位的影响的是消逝光场部分。
图4a和4b示意性地示例了基于根据本发明的器件1的光开关的实例。 该光开关包括并入了器件1的环形谐振器。依赖于切换状态，被导引在第 一波导芯3.1 (以及其周围的覆层材料)中的光不受环形谐振器的影响地被传输(第一切换状态，图4a)，或者，在第二切换状态，导引的光被耦合 到环形谐振器波导芯3.2中，并且相当大的部分被进一步耦合到第二波导 芯3.3 (图4b)。
包括有谐振器的结构具有这样的优点，即小的折射率差异也能总体上 对波导系统的状态产生强的影响。替代提供谐振结构，其他方式也可以在 例如开关或滤光器的器件中产生所要求的强影响(不同于各种谐调元件或 干扰校正元件)。这样的其他方式包括将具有可切换的状态的过渡金属氧 化物设置在光束路径的长的部分之上，和/或提供具有强折射率对比度的过 渡金属氧化物等。
在图2a-4b的结构中，切换设置被描绘为似乎是"水平"的，也就是， 似乎波导结构被提供在衬底的顶上，氧空位沿平行于其上设置有波导结构 的衬底表面移动。选择示例为水平切换设置是因为那样更容易说明这种光 开关的设计。然而，尽管水平切换设置确实是可能的并且在本发明的范围 内，不过在大多数情况下，优选的是其中氧空位垂直于图2a-4b的绘制平 面移动的垂直切换设置。图2a - 4b要被解读为适于水平切换设置和垂直切 换设置。
图5a和5b示出了这样的垂直切换设置的第一实施例的横截面。这些 以及接下来的图附中的横截面涉及沿着光束路径的波导的切换部分，通常 并不涉及波导的4^长度，如图2a - 4b所示。
波导结构在例如掺杂的硅衬底的衬底5.2上包括介质隔离物层11 (例 如Si02)以及不受氧空位影响的波导芯7 (例如用于IR光的未掺杂的硅或 用于可见光的适宜的介质透明材料(例如玻璃，Ti02或Ta20s)等)。切 换区域的覆层8由所描述的种类的过渡金属氧化物制成。波导芯3材料的 折射率高于覆层8和介质隔离物层11的折射率。在覆层的顶上，该结构还 包括电极5.1。另一电极5.2可由衬底本身形成。
通过将电压脉冲施加到两个电极5.1、 5.2,可以使覆层8中的氧空位7 在第一切换状态(图5a)和第二切换状态(图5b)之间迁移，其中在第一 切换状态中，氧空位邻近波导芯3并处于光强度相当大的区域之内，在第
10二切换状态，氧空位7远离光束路径2。在这些附图和接下来的附图中， 光束路径2的光模式轮廓由虚线图示，本领域的技术人员公知光束没有明 确的边界。
图6a和6b的实施例与图5a和5b的实施例的区别在于以下两个特征 -切换区域中的波导芯材料4是过渡金属氧化物，覆层12是例如常规 覆层材料。因此，氧空位在波导芯内在不同光强度的位置之间移动。 -波导为脊(rib)波导。
从图5a和5b的实施例出发，也可以仅实现这两个特征中的一个。如 果介质隔离物层11与覆层的折射率差异非常显著，那么第 一特征(芯中的 氧空位)格外有意义，由此在波导芯3内获得不对称的强度分布。如果波 导芯3与覆层之间的折射率差异相对较小，那么第二特征(脊波导)格外 有意义，使得模式相对较远地穿入到覆层材料中(例如，比图6a示例的情 况更远)。
还可以在芯和覆层中都提供氧空位。那么，氧空位能够越过或不能越 it^层与芯之间的界面。
此外，图中所示例的介质隔离物层11可以视为覆层的一部分并且可由 过渡金属氧化物制成，因此可以包括(所述)可移动的氧空位。
图7a和7b示出了图6a和6b配置的变体，其中顶电极5.1是透明电 极(例如铟锡氧化物(ITO)或者其他透明导电材料)并用作覆层。描绘 的实施例中的第二电极5.2也被选为透明电极，例如，也是ITO，其取代 介质隔离物层。
尽管在这样的配置中光损耗可能略高，但是仍然具有优势。具体而言， 用于施加希望的强度的电场的电压比上述实施例更小，因为电极基本上更 靠近氧空位在其中迁移的区域。
另一优势在于衬底不需要是导电的。因此，衬底可以是例如玻璃板。 然而，应该注意，非导电衬底也可用于图5a、 6b的配置及其变体，只是衬 底必须包括导电(例如，金属)涂层，或者分层的结构的另一层以及波导 芯之下必须是导电的。
ii当然，仅仅使两个电极5.1， 5.2中的一个为透明电极也是一种选择。 本发明可以以多种方式偏离上述的实施例。
例如，在描述的实施例中，光束路径由横向结构层，也就是由横向约 束的波导芯或脊波导结构限定。然而，本发明并不局限于所示出的波导结 构。现有技术中公知以波导结构限定光束路径的其他方式，本发明同样适 用于这些方式。在光有源器件例如激光器、放大器或其他发光器件的情况 下，光束路径可由例如增益导引结构(而不是讨论的折射率导引结构)来 限定。本发明的教导同等地适合这样的结构。
此外，至目前为止，所讨论的实施例包括被约束到仅一种材料层中的 氧空位，而相邻的材料不含氧和/或对氧来说呈化学惰性和/或包括基本上较 低的氧迁移率，使得氧空位不能穿透到相邻的层中。而这并不是必须的。 相反，电光器件的不同组成部分的材料也可以能够传导氧空位，使得氧空 位能够跨界面迁移。尽管这样的实施例对材料的选择更为严格，但是它在 对比度方面，即，在第一与第二切换状态的有效总折射率之间的差异方面 非常有利。图8a和8b示出了相应的实施例作为示例，其中，不同于图6a 和6b的实施例，氧空位7在脊波导材料与覆层材料之间迁移，并因此在邻 近光束路径中心的位置与完全在光束路径之外的位置之间迁移。
氧空位跨界面进行迁移的修改对于其他的上述实施例也是可用的，其 包括穿过其他界面例如到介质隔离物层的界面迁移的氧空位，因此将该介 质隔离物层选择为是具有高氧空位迁移率的材料。
各种其他的变体也是可能的。
权利要求
1. 一种电光器件，包括具有波导材料的波导结构，所述波导结构限定光束路径(2)，所述电光器件的特征在于，所述波导结构包括过渡金属氧化物和电极(5.1，5.2)，所述过渡金属氧化物具有氧空位(7)，当暴露到电场时所述氧空位(7)能够迁移，所述电极(5.1，5.2)用于向包括所述具有氧空位的过渡金属氧化物的区域施加电场，其中所述过渡金属氧化物和所述电极被设置为在施加的电场下使所述氧空位沿这样的方向迁移，所述方向具有相对于所述光束路径的中心的径向分量。
2. 根据权利要求1的电光器件，包括衬底(5.2， 13)，其中所述波导结构包括在所述衬底的表面上的横向结构层的叠层。
3. 根据权利要求2的电光器件，其中所述第一和第二电极沿基本上垂直于所述衬底的所述表面的方向彼此间隔。
4. 根据上述权利要求中的任何一项的电光器件，其中所迷波导结构包括波导芯(4),所述波导芯(4)包括所述过渡金属氧化物，所述波导结构还包括至少部分地嵌入所述波导芯的覆层(11, 12， 5.1),其中所述覆层是所述氧空位无法穿透的。
5. 根据权利要求1-3中的任何一项的电光器件，其中所述波导结构包括波导芯(3)和至少部分地嵌入所述波导芯的覆层(8)，其中所述覆层包括所述过渡金属氧化物，其中所述波导芯是所述氧空位无法穿透的。
6. 根据权利要求1-3中的任何一项的电光器件，其中所述波导结构包括波导芯(3)和至少部分地嵌入所述波导芯的覆层(8)，其中所述波导芯和所述覆层包括具有氧空位(7)的过渡金属氧化物，所述氧空位(7)在电场的作用下能够迁移，其中所述波导芯与所述覆层之间的界面是所述氧空位可以穿透的。
7. 根据上述权利要求中的任何一项的电光器件，其中所述过渡金属氧化物呈现出至少10—9cm2/Vs的氧空位迁移率。
8. 根据上述权利要求中的任何一项的电光器件，其中所述电 极(5.1， 5.2)中的至少一个是透明的并且是所述覆层的一部分。
9. 根据上述权利要求中的任何一项的电光器件，其中所述光 束路径使得依赖于所述氧空位的切换状态，所述结构谐振或不谐 振。
10. —种光开关或滤光器，包括根据上述权利要求中的任何一 项的电光器件。
11. 一种辐射产生器件，例如激光器或放大器或超级发光二极 管，包括根据权利要求1-9中的任何一项的电光器件。
12. —种调谐器件或稳定元件，包括根据权利要求1-9中的 任何一项的电光器件。
全文摘要
本发明涉及电光器件。根据本发明，提供了一种电光器件(1)，所述电光器件包括具有波导材料的波导结构，所述波导结构限定了光束路径。所述波导结构还包括具有氧空位的过渡金属氧化物和电极(5.1，5.2)，在受电场作用时所述氧空位能够迁移，可以通过所述电极将所述电场施加到所述过渡金属氧化物。所述过渡金属氧化物和所述电极被设置为使所述氧空位能够沿着相对于所述光束路径的中心的径向方向迁移。
文档编号G02F1/025GK101487931SQ20091000355
公开日2009年7月22日 申请日期2009年1月15日 优先权日2008年1月16日
发明者I·梅杰, T·施特费勒 申请人:国际商业机器公司