專利名稱：分支光波導及其使用方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到集成光電子器件，特別是光連接光波導；以及用于相位調制和開關的方法。
背景技術：
代替集成電子器件或和電子器件一起集成到某個器件中，光電子器件在集成光路中的使用變得越來越重要。適合在光電子器件中使用的材料的例子包括鈮酸鋰及硅。作為集成的光電子電路的基礎，硅是有優(yōu)勢的，因為它提供了標準硅集成電子電路制造工藝的潛在的用途以及光與電子電路在硅器件上的集成。硅基光電子器件的實例能在EP-A-0720754及其中給的其它參考中找到。典型的光電子集成電路包括形成在基底上的光波導。例如，一個器件可能包括一層硅膜，其被一層比如二氧化硅的絕緣材料層使得與基底分離，而在硅的上表面形成肋狀結構以提供一個或多個波導。
例如發(fā)光二極管(LED，Light Emitting Diode)或激光二極管的光源的光學輸出的某些特征的變化構成了在光電子器件中的信息編碼。具有典型變化的輸出光參量是振幅，脈沖時間寬度或輸出光的相位。光輸出的變化可以通過直接改變光源輸出，或者更經常的是使光通過一個其光學性質(通常是折射率)能夠被外部裝置改變的材料來獲得。例如，某種材料的折射率可以通過加電場(電光效應)，加磁場(磁光效應)或者加熱(熱光效應)來改變。某些半導體材料的折射率，比如硅的，也可以通過控制材料中自由載流子密度來改變，就是所謂的“自由載流子注入”或“自由載流子耗盡”。例如，通過改變自由載流子密度來改變其組成材料折射率的光電子器件在EP-A-0720754中有所描述。鈮酸鋰器件，和上面描述的在絕緣器件上的硅是擁有電光，磁光，熱光性能的典型材料，而且其折射率也可以通過載流子的注入來改變。
一個能夠被合并在一個集成光電路中的光電子器件的有名的例子就是干涉儀，例如Mach Zehnder干涉儀。這樣的一個器件典型地包括一個分支硅波導干波導被分成兩支，然后重新合并組成輸出波導。在干涉儀的大部分長度里面，波導的分支基本上是相互平行地伸展的。我們知道Mach Zehnder器件可以用作開關。它是通過在光傳播通過波導的分支時引入一個相對相移來實現開關特性的。當在波導的兩個分支之間沒有相對相移時，器件的輸出波導記錄開關狀態(tài)為“接近”，當在波導的兩分支之間存在一個相對相移為n×π時(這里n是整數)，開關的狀態(tài)為“斷開”。相對相移是通過調整器件一個分支的折射率來引入的。通常，當透明材料的折射率被改變的時候，通過該材料的光波的相移也會改變折射率改變得越大，相位改變得就越大。在一個已知的MachZehnder器件的工作過程中，其中一個分支的折射率是通過加熱該波導的一個分支來進行改變的(也就是利用上面描述的熱光效應)。例如，對一個硅波導，溫度每增加一攝氏度，其折射率增加2×10-4。通過加熱波導的一個分支(使得在波導的分支之間存在相移)使得器件處于斷開的狀態(tài)，然后使其冷卻到與波導的另一個分支相同的溫度(使得波導的分支之間沒有相移)使器件又處于接近的狀態(tài)。開關接近的速度取決于加熱的快慢，斷開的速度取決于波導達到相同溫度的快慢，也就是說熱從較熱的分支上流走的快慢。對于大部分材料來說，獲得的相移與波導分支間的溫度差近似成線性關系，而且相移的最大值并不對光損耗有影響。然而，在Mach Zehnder干涉儀中采用已知的熱光效應去改變折射率從而改變相位是相對較慢的。這是因為把波導分支加熱和冷卻是需要一定的時間的。所以，使用已知的熱驅動的Mach Zehnder器件來操作的話，開關典型的工作范圍為KHz，也就是說每秒103次的量級。
我們也知道在干涉儀中可以采用載流子注入的方法來改變折射率，從而改變相位，例如在Mach Zehnder器件中。對載流子注入的精細設計意味著實現折射率的改變可能要比應用熱光效應來的更快。干涉儀中應用載流子注入法的典型的開關可工作在GHz范圍，也就是每秒109次。載流子的注入通常減小被注材料的折射率。然而，載流子的注入也可能會使被注材料升溫，從而導致材料的折射率升高。可見，這兩種效應對改變材料的折射率所起的作用正相反，這樣會不利地限制可獲取的最大相移，并導致相移響應相對于注入載流子量及開關頻率成非線性的關系。另外不利的一點是載流子可能會引起光損耗。
我們已經發(fā)明了一種使用兩個光學連接的光波導的方法，以及一個可以合并這樣的光波導的器件，就是使用熱光效應來產生波導間的相對相位改變，但是與迄今為止已知的熱光效應的干涉器件相比，它擁有更快的反應速度。
發(fā)明概述本發(fā)明的第一個方面是提供了一種使用光電子器件的方法。該器件包括一個上硅層，該上硅層包括形成該上硅層的一部分的兩個光連接的波導。這種方法包括加熱第一個波導，冷卻第二個波導，從而引入兩波導間的折射率的差異，隨之而帶來的是光通過第一和第二個波導而產生的相對的相移；然后再冷卻被加熱的波導及加熱被冷卻的波導，從而充分地平衡波導間的溫度，使得光通過第一和第二個波導之間不會產生相移。
本處使用的術語“兩個光連接的波導”指的是至少通過兩波導中的每一個的光的一部分是來自另一個共同的波導。此處定義的兩個光連接的波導的一個實例就是分支光波導。在這種情形，所有的通過分支波導的每個分支的光都是來自同樣的共同波導，即所謂的“干”波導，從該“干”波導分成多個分支。本發(fā)明的一個較佳的方法是使用一個包括分支光波導的光電器件，該方法包括加熱波導的第一個分支，冷卻波導的第二個分支，從而引入分支間的折射率的差并帶來相對的相移。
此處定義的兩個光連接的波導的另外一個例子是瞬逝波(evanescent)耦合器。兩個波導(例如硅層中的肋狀結構)相互緊貼著延伸出一個耦合距離就構成了一個瞬逝波耦合器，這樣的話，通過各個波導的光波模式會產生交迭。這種交迭導致來自一個波導的一部分光傳到另一個波導，反之亦然。在超出耦合距離之外，瞬逝波耦合器的兩個波導就相互分離。本發(fā)明的另外一個較佳的方法包括形成部分瞬逝波耦合器的兩個光波導。
根據目前發(fā)明的方法，兩個光連接的波導的溫度都被有效地控制著。這與以前已知的使用分支光波導的方法有很大不同的，以前的方法中只有一個分支被加熱，然后被冷卻。對光連接的波導的兩個波導的有效控制意味著，與先前已知的方法相比兩個波導間溫度差能夠更快地產生。這樣，在這樣例如干涉儀的器件中，獲取的相位調制的速度可以得到很有利地提高，同時，利用熱光效應引發(fā)相位調制的優(yōu)點也能夠得以獲得，即，線性的響應關系以及低光學的損耗的優(yōu)點。
第一個波導的加熱和第二個波導的冷卻較佳的是幾乎同時進行。獲取這一點的較佳的方法包括(i)提供一個包括一對異質材料的電路，每個異質的材料分別被安置在第一和第二個波導之間；(ii)圍繞這個回路上加一個電流并通過這些異質的材料，從而根據珀耳帖(Peltier)效應可以達到所說的加熱第一個波導而冷卻第二個波導的效果。
珀耳帖(Peltier)效應是一個已知的熱電效應，其中如果一個電路由兩種異質的材料組成，例如兩種金屬，并且有電流通過該材料，那么電流會在材料間的一個接點產生制冷，在另一接點產生加熱。珀耳帖效應是可逆的，也就是說通過反轉電流的方向，加熱和冷卻也會被反轉。我們知道珀耳帖效應不僅在由兩種不同的金屬組成的電路中發(fā)生，而且對于由n型區(qū)域半導體和p型區(qū)域半導體組成的電路中也存在。當電流從n型摻雜區(qū)域流向p型摻雜區(qū)域的時候，出現制冷。
這樣，根據本發(fā)明的較佳的實現方案，利用珀耳帖效應加熱一個光波導，而冷卻另一個光波導，這樣就會實現分別對各自波導的同時加熱和冷卻。
在本發(fā)明的方法中，在最初的第一和第二個波導被分別加熱和冷卻之后，隨后這些波導又分別被冷卻和加熱，以充分的平衡兩個波導的溫度。也就是說，熱的波導被冷卻，冷的波導被加熱。象上面所描述的，通過提供由異質材料組成的電路，后來的冷卻和加熱最好用珀耳帖效應來獲得，只是簡單地通過反轉流過電路的電流方向就可以了。當波導間的溫度被基本上平衡之后，通過各自的波導(假設兩個波導的光程相等)的光波之間就基本上不會有相對的相移。相移存在和消失的這種變化就可以被用作開關。這樣應用本發(fā)明的一個更好方法的就是開關的方法，包括交替加熱和冷卻各個波導(在相反的方向)，以至于在波導間交替地會出現溫度差(開關處于斷開狀態(tài))以及波導間沒有溫度差(開關處于接通狀態(tài))。
根據本發(fā)明的一個獨特的較佳實現方案，其中應用珀耳帖效應來加熱和冷卻光連接的波導，這些異質的材料包括n型和p型摻雜的半導體，如果是n型和p型摻雜的硅更好。應用這樣的一個實現方案，例如可導致開關操作的相位調制的工作范圍可以達到大約10MHz，也就是大約每秒107次。
在根據本發(fā)明的另外一個實現方案中，最好能夠提供多個成對異質材料在電路中依次地排列和定位，使得每一對的各個異質材料都被定位在兩個光連接的波導中間，而且該方法包括利用在電路中流過每一對異質材料的電流來加熱和冷卻各自的波導。象前面說的，較好的異質材料是n型和p型摻雜半導體，特別是n型和p型摻雜的硅。在這一個實施方案中，以及在前面描述的單對異質材料的實施例中，可以在n型和p型摻雜的區(qū)域之間提供金屬線路，以完成整個電路。在金屬線路使用的地方，在金屬線路與n型和p型摻雜區(qū)域之間，會出現異質材料結，實現珀耳帖加熱和冷卻效應。
在可選擇的另一種安排中，異質材料可以包括硅表面上提供兩種不同的金屬以代替n型和p型摻雜區(qū)域。
在本發(fā)明的各種實現方案中，應用珀耳帖效應來獲得的溫度差優(yōu)選至少有25攝氏度，更好的達到至少40攝氏度，最好能夠達到至少50攝氏度。
目前發(fā)明的另外一個方面，提供了一個在上面描述方法中使用的光電器件，其包括(i)在上硅層中形成的兩個光連接的肋狀波導；(ii)一對已定位的異質材料，每一個都在第一和第二個肋狀波導之間；以及(iii)通過該對異質材料完成一個電路的裝置，使得電流能夠從正反兩個方向通過異質材料。
在根據本發(fā)明的一個優(yōu)選的器件中，對多者異質材料對進行安置，使得每對中的每個異質材料都被安置在第一和第二波導之間，而且設計完成該電路的裝置使得電流能夠在每對異質材料間在正反兩個方向上依次地通過。每對的異質材料較佳由n型和p型摻雜半導體構成，最好是n型和p型摻雜硅。與單對異質材料的實現方案相比，多個成對異質材料的使用增大了該效果。
根據本發(fā)明的第二個方面，器件中完成電路的裝置可以包括金屬線路，而且如上所述金屬線/摻雜區(qū)接點可以提供異質材料接點，根據珀耳帖效應這些接點可以被加熱和冷卻。
在根據目前的發(fā)明的較佳的光電器件中，光連接的波導或者是分支光波導的分支，或者構成瞬逝波耦合器的部件。
根據目前的發(fā)明的一個較佳的光電器件是干涉器件，特別是MachZehnder干涉儀，或者Michelson干涉儀。
附圖簡述下面通過舉例方法參考附圖將對目前發(fā)明的實現方案進行描述

圖1是對根據本發(fā)明的器件的第一種實現方案的示意性描述；圖2a和2b是圖1器件中分別沿著線A-A和B-B所取的剖視圖。
圖3是圖1和2中器件的分支區(qū)域的透視圖。
圖4是根據本發(fā)明的器件的第二種實現方案的示意性描述。
本發(fā)明的較優(yōu)方案現在參考附圖，圖1到3顯示了一個分支波導1，其中莖波導2分別分成第一和第二個分支3和4，然后又重新組合成輸出波導5。根據本發(fā)明，既然通過分支3和4的光的一部分(這里是全部的)是來自相同的波導(這里是莖波導2)，這兩個分支3和4就是光學連接的。波導的分支3和4在大部分長度的區(qū)域內是基本上相互平行地延伸的。莖2，分支3和4，以及輸出波導5每一個都是在硅層10上形成肋狀結構。這個肋狀結構包括在硅的上層10中形成的一個上表面和兩個側表面，而硅層10又是依附在硅基11上的。上硅層10與硅基11之間被一層二氧化硅絕緣材料12隔開(圖2a，2b和3)。一個二氧化硅的保護層14沿著形成波導分支3和4的每個肋狀結構的上、側表面延伸。保護層14也稍微地延伸到處于硅層10的上表面的每個肋狀波導3和4的一側。
上硅層10的第一個區(qū)域6處于波導分支3和4之間，是n型摻雜的，而上硅層10的另一個區(qū)域7也是處于波導分支3和4之間，是p型摻雜的。摻雜區(qū)域6和7相互間是縱向隔開的，也就是說沿著波導3和4的方向(參看圖1和3)。定位摻雜區(qū)域6和7的位置使得它們不能擴展到每個肋狀波導3和4的光波路徑中。光波模式在圖2a和2b中用虛線15表示。
一個單金屬傳導線路8沿著形成波導分支3的肋狀結構的全部長度延伸。兩個較短的金屬線路8′和8″沿著形成波導分支4的肋狀結構延伸，使得每一個都分別與n型和p型摻雜的區(qū)域6和7相連。每個金屬線路8，8′和8″都和各自的肋狀波導的上表面和側表面相連接，而且在肋狀波導的兩側也和硅層的部分上表面相連接。金屬線路延伸超出了二氧化硅保護層14的邊緣，直接與硅層10相連接(參看圖2和3)。
在操作的過程中，電源13的接入是通過與金屬連接墊9′和9″相連接完成的，金屬連接墊9′和9″分別與金屬線路8′和8″進行電連接，這樣一個電路就完成了。電流從連接墊9′流入，通過金屬線路8′，n型摻雜區(qū)6，金屬線路8，p型摻雜區(qū)7以及金屬線路8″到達第二個連接墊9″。既然電流通過了異質材料間的接點(此處接點處于金屬線路分別與每個n型和p型摻雜的區(qū)域6和7之間)，那么根據珀耳帖效應在分支3上的材料之間的接點被冷卻，而在分支4上的材料之間的接點被加熱。更精確地是，冷卻和加熱分別發(fā)生在金屬與在分支3和4上的摻雜材料之間。既然沿著波導的冷卻效果是疊加的，它到底發(fā)生在哪個位置并不重要，總體的效果是分支3被冷卻，而分支4被加熱。而且，金屬線路8，8′和8″以及每個分支肋狀結構3和4的硅都是熱的導體，并在沿著每個波導分支3和4的長度在各個接點上傳熱(或者是冷卻)。
對于波導分支3和4的分別冷卻和加熱引起了通過分支3和4的光之間的相移，這一點可以被用來開關Mach Zehnder器件。
這種方法的下一步就是對電流的方向進行反轉。根據珀耳帖效應，加熱和冷卻的效應也被反轉，所以分支3被加熱，分支4被冷卻。電流以相反的方向通過，直到分支間的溫度被基本上平衡，以至于分支間不再有相對的相移。開關就處于接通的狀態(tài)了?？梢圆捎眠@種方法交替的進行加熱和冷卻以切換器件的開和關的狀態(tài)，這種速度可以達到每秒107次。
圖4顯示了根據本發(fā)明的另外一個實現方案。與圖1到3的實現方案相比，相同的部分以相同的參考數字標記。在這種情況下，多個成對的n型和p型摻雜區(qū)域的位置確定在波導的分支3和4之間。更短長度的金屬線路(總的標記為8*)被排列起來使得電流可以順序地通過每一對n型和p型摻雜的區(qū)域，接著通過隨后的一對。這種排列可以增大圖1到3中的實現方案的效果。
盡管上面描述的實現方案參照了Mach Zehnder干涉儀，但是本發(fā)明還是發(fā)現了在光電器件中的通常應用，在這里的光電器件中，都是用來改變分支光波導的分支的折射率。例如，它可以用在Michelson干涉儀中。
權利要求
1.一種使用一個光電器件的方法，該器件包括一個上硅層，該上硅層包括兩個光連接的波導，該波導形成上硅層的部分，該方法包括加熱其中第一個波導，冷卻第二個波導，從而引起該兩波導間的折射率差，以及隨后的光通過該第一和第二個波導而產生的相對的相移。
2.一種根據權利要求1的方法，其中該兩個光連接的波導在上硅層中形成肋狀結構。
3.一種根據權利要求1或2的方法，其中該兩個光連接的波導包括分支光波導的兩個分支，該方法包括加熱該波導的第一個分支，冷卻該波導的第二個分支，從而引起折射率差以及隨后的該兩分支間的相對相移。
4.一種根據權利要求1或2的方法，其中該兩個光連接波導形成瞬逝波耦合器的一部分。
5.一種根據前面任一權利要求的方法，其中加熱和冷卻基本上是同時進行的。
6.一種根據前面任一權利要求的方法，包括附加的一個步驟，即冷卻已被加熱的波導及加熱已被冷卻的波導，以基本上平衡波導的溫度，使得光通過第一和第二波導沒有相對的相移。
7.一種根據前面任一權利要求的方法，包括(i)提供包括一對異質材料的電路，每一個異質材料的位置都被定在第一和第二波導之間；以及(ii)電路中通以電流，電流通過該異質材料，從而根據珀耳帖效應以實現所說的對第一和第二個波導的加熱和冷卻。
8.一種根據權利要求7的方法，包括附加的一個步驟，即反轉流過該電路的電流的方向。
9.一種根據權利要求7或8的方法，包括多個成對異質材料，這些異質材料在電路中順序地排列與定位，以使得每對的各個異質材料的位置都被定在第一和第二個光波導之間。
10.一種根據權利要求7，8或9的方法，其中每一對的異質材料分別包括半導體的n型和p型摻雜區(qū)域，最好是n型和p型摻雜硅。
11.一種根據權利要求10的方法，其中金屬線路與該n型和p型的摻雜區(qū)域實現電連接，并沿著各個波導延伸出至少一部分，而且異質材料結存在于金屬線路和每個n型和p型的摻雜區(qū)域間的接合處，通過珀耳帖效應異質材料結的被加熱和冷卻造成該波導的加熱和冷卻。
12.一種根據前面任一權利要求的方法，其中該波導間上硅層的第一個部分是n型摻雜的，而上硅層的另一部分是p型摻雜的，由此電流可以通過摻雜區(qū)域以對波導分別進行加熱和冷卻。
13.一種根據權利要求2或者任何一個從屬于權利要求2的方法，包括金屬線路既和肋狀波導的上、側表面相連接，也與在肋狀波導任何一邊的上硅層的部分上表面相連接，這樣通過金屬線路的電流可以起到所謂的加熱和冷卻的作用。
14.一種根據權利要求6，7或8的方法，其中每一對異質材料包括兩種不同的金屬。
15.一種根據前面任一權利要求的方法，其中該器件被用作開關，這種方法包括重復地加熱和冷卻該第一和第二個波導，重復地引起和隨后消除波導間的相移，從而重復地改變開關的開和關的狀態(tài)。
16.一個光電器件，包括(i)一個上硅層，其包括形成部分上硅層的兩個光連接的光波導；(ii)一對異質材料，對其的定位使得每對材料都安置在第一和第二個光波導之間；以及(iii)通過該對異質材料完成一個電路的裝置，其使得電流可以以正反兩個方向通過該異質材料。
17.一個根據權利要求16的光電器件，其中該兩個光連接的波導形成為上硅層的肋狀結構。
18.一個根據權利要求16或17的光電器件，其中多個成對的異質材料的定位使得每對的各個異質材料都被安置在第一和第二個波導之間，而且對形成電路的裝置進行設置使得電流能夠從正反兩個方向依次地通過每一對異質材料。
19.一個根據權利要求16，17或18的光電器件，其中每一對異質材料分別包括半導體的n型和p型摻雜區(qū)域，較佳為n型和p型摻雜硅。
20.一個根據權利要求16到19中任何一項的光電器件，其中金屬線路與n型和p型的摻雜區(qū)域實現電連接，并沿著各個波導延伸出至少一部分，而且異質材料結存在于金屬線路和每個n型與p型的摻雜區(qū)域間的接合處，通過珀耳帖效應異質材料結的被加熱和冷卻帶來了該波導的加熱和冷卻。
21.一個根據權利要求16到20中任何一項的光電器件，其中該波導間的上硅層的第一個部分是n型摻雜的，該上硅層的另一個部分是p型摻雜的，由此電流可以通過摻雜區(qū)域以分別加熱和冷卻各自的波導。
22.一個根據權利要求17，或任何一個從屬于權利要求17的光電器件，包括金屬線路既和肋狀波導的上、側表面相連接，也與在肋狀波導任何一邊上的上硅層的部分上表面相連接，這樣通過金屬線路的電流可以起到所謂的加熱和冷卻的效果。
23.一個根據權利要求16或17的光電器件，其中每對異質材料都包括兩種不同的金屬。
24.一個根據權利要求16到23的任何一項的光電器件，是一個干涉儀，較佳是一個Mach Zehnder干涉儀與Michelson干涉儀。
25.一個根據權利要求16到24的任何一項的光電器件，或者一個根據權利要求1到15之一的方法，其中波導在上硅層形成為直立的肋狀結構，另外，該上硅層支撐在一個硅基上，而且被一個絕緣層將該硅基與之隔開。
26.一種使用基本上如上描述的光電器件的方法。
27.一個基本上參考附圖如上描述的光電器件。
全文摘要
該器件包括一個上硅層(10),其包括形成于上硅層(10)中的兩個光連接的肋狀結構波導(3,4);一對異質材料(6,7)的每一個都定位在兩個波導(3,4)之間;以及電路(8,9,13),通過該對異質材料(6,7),使得電流可以以正反兩個方向通過此異質材料(6,7),從而根據珀耳帖效應可以同時加熱一個波導及冷卻另一個波導。
文檔編號G02F1/313GK1307691SQ99808028
公開日2001年8月8日 申請日期1999年4月26日 優(yōu)先權日1998年5月1日
發(fā)明者E·J·C·道奈 申請人:布克哈姆技術公共有限公司