專利名稱：光元件和光轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光通訊、光信號處理等的技術(shù)領(lǐng)域中的光元件和光轉(zhuǎn)換器(optical switch)。
背景技術(shù)：
近年來，光通訊中的傳輸頻帶迅速增長，并且根據(jù)波長多路技術(shù)的進(jìn)展，正在提升更高速度和更大容量。為了配置核心通訊網(wǎng)絡(luò)中的光纖網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)施，便需要用于轉(zhuǎn)換光信號的傳輸目的的光信號轉(zhuǎn)換裝置。這種轉(zhuǎn)換裝置必須能夠用于單模光纖中。為此，就必須使光的方向轉(zhuǎn)換，而不依賴于作為光的偏振方向的TE模式和TM模式的偏振。為了響應(yīng)這個需求，機械驅(qū)動型例如所謂的MEMS(微電子機械系統(tǒng))和熱光型(thermooptic type)等已被發(fā)展出來，其中該MEMS通過移動顯微鏡來轉(zhuǎn)換光的方向，該熱光型則通過加熱改變折射率以改變光的傳播方向。
但是，該機械驅(qū)動型和熱驅(qū)動型具有這樣的問題用于轉(zhuǎn)換光信號的傳輸目的所需的時間是較長的毫秒(msec)級，并且最大的轉(zhuǎn)換速度低。網(wǎng)絡(luò)的速度被進(jìn)一步加快，這就強烈地需求高速光轉(zhuǎn)換裝置。
因此，作為高速改變折射率的方法，利用電光效應(yīng)的方法(基于電光效應(yīng)的方法)是可利用的。使用這種基于電光效應(yīng)的方法，能夠在極短時間、即納秒(nsec)至微秒(μsec)級的時間內(nèi)改變折射率，從而實現(xiàn)了以極高速度驅(qū)動的光轉(zhuǎn)換裝置。
日本專利申請待審公開No.Hei 3-216622[專利文獻(xiàn)2]日本專利申請待審公開No.Hei 2-204728 日本專利申請待審公開No.2003-280053[非專利文獻(xiàn)1]2004年第65次秋季會議(日本應(yīng)用物理學(xué)會)預(yù)備論文第493頁基于電光效應(yīng)的方法實現(xiàn)了高速驅(qū)動的光轉(zhuǎn)換裝置。但是，通常，電光效應(yīng)雖然能極大地改變在光傳播方向中不具有磁場分量的TM模式光的折射率，但是不能極大地改變在光傳播方向中不具有電場分量的TE模式光的折射率。因而，在TM模式與TE模式之間折射率的變化極為不同。因此，為了校正這個差異，已經(jīng)提出了下述各種技術(shù)。
專利文獻(xiàn)1揭示了一種使用電光效應(yīng)薄膜的技術(shù)，在該電光效應(yīng)薄膜中，垂直于面(001)的軸相對于基板表面的垂直線的角度被設(shè)定為大于0°并且不大于45°。此外，專利文獻(xiàn)2揭示了一種在光波導(dǎo)的預(yù)定部分提供靜態(tài)相位控制部件的技術(shù)，其不依賴電光效應(yīng)而對波導(dǎo)光給予靜態(tài)相位改變。專利文獻(xiàn)3揭示了一種技術(shù)，其中偏光部件分別設(shè)在具有電光效應(yīng)的波導(dǎo)的一端和另一端，二分之一波片設(shè)置在每個偏光部件的基本中心處，并且二分之一波片將光的TM模式分量和TE模式分量相互替換。
但是，不能說專利文獻(xiàn)1揭示的技術(shù)易于實現(xiàn)滿足上述嚴(yán)格且復(fù)雜的條件的電光效應(yīng)薄膜的精確成型。此外，在專利文獻(xiàn)2、3所揭示的技術(shù)中，實質(zhì)上是在光波導(dǎo)中額外提供了例如靜態(tài)相位控制部件或者二分之一波片的元件，其造成了使裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且增加光損耗的問題。
因此，基于電光效應(yīng)的方法雖然能夠較快地驅(qū)動光轉(zhuǎn)換裝置，但其目前也具有很大問題，就是難于實現(xiàn)裝置，并且這種裝置的結(jié)構(gòu)必然復(fù)雜且難于縮小尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題提出本發(fā)明，并且本發(fā)明的一個目的在于提供一種利用電光效應(yīng)以容易并穩(wěn)妥(surely)地實現(xiàn)高速驅(qū)動的光元件，其具有極為簡單的結(jié)構(gòu)并且沒有例如光學(xué)損耗的任何特性降低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步地縮小尺寸，并且本發(fā)明還提供一種應(yīng)用該光元件的光轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的一種光元件包括基板；以及至少一層電光效應(yīng)薄膜，形成在該基板上方并且具有電光效應(yīng)，其中所述電光效應(yīng)薄膜具有至少一個偏振軸，并且所有的偏振軸對于入射光的TE模式分量相同，而且對于入射光的TM模式分量相同。
這里，在某些情形下，該電光效應(yīng)薄膜具有至少一種類型的區(qū)域，并且所述區(qū)域的所有偏振軸對于入射光的TE模式分量相同，而且對于入射光的TM模式分量相同。
本發(fā)明的另一種光元件包括基板；以及至少一層電光效應(yīng)薄膜，形成在該基板上方并且具有電光效應(yīng)，其中所述電光效應(yīng)薄膜由具有立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成。
本發(fā)明的一種光轉(zhuǎn)換器包括光波導(dǎo)，包括至少一層電光效應(yīng)薄膜；多個輸入通道，平行地形成在該光波導(dǎo)上的一端，以接收光信號；為所述各個輸入通道設(shè)置的第一光偏轉(zhuǎn)器；多個輸出通道，平行地形成在該光波導(dǎo)上的另一端，以輸出光信號；以及為所述各個輸出通道設(shè)置的第二光偏轉(zhuǎn)器；其中該電光效應(yīng)薄膜具有至少一個偏振軸，并且所有偏振軸對于入射光的TE模式分量相同，而且對于入射光的TM模式分量相同。
這里，在某些情形下，該電光效應(yīng)薄膜具有至少一種類型的區(qū)域，并且所述區(qū)域的所有偏振軸對于入射光的TE模式分量相同，而且對于入射光的TM模式分量相同。
本發(fā)明的另一種光轉(zhuǎn)換器包括光波導(dǎo)，包括至少一層電光效應(yīng)薄膜；多個輸入通道，平行地形成在該光波導(dǎo)上的一端，以接收光信號；為所述各個輸入通道設(shè)置的第一光偏轉(zhuǎn)器；多個輸出通道，平行地形成在該光波導(dǎo)上的另一端，以輸出光信號；以及為所述各個輸出通道設(shè)置的第二光偏轉(zhuǎn)器；其中所述電光效應(yīng)薄膜由具有立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成。


圖1A至圖1F是顯示通過外延生長形成的電光效應(yīng)薄膜的晶體取向相關(guān)性的示意圖表，該電光效應(yīng)薄膜的材料是電光晶體PbLaZrTiO3(PLZT8/65/35)；圖2A、圖2B和圖2C是顯示依賴于每個晶體取向的微區(qū)域(microdomain)的設(shè)置狀態(tài)的示意圖；圖3A和圖3B是顯示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光偏轉(zhuǎn)器的基本結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4A、圖4B和圖4C是按照工藝順序顯示根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光偏轉(zhuǎn)器的制造方法的橫截面示意圖；圖5是顯示單層薄膜中的光學(xué)特性的特性圖表，該單層薄膜的芯層由PLZT(0/30/70)合成物組成，并且該單層薄膜具有單一類型的區(qū)域；圖6是顯示單層薄膜中的光學(xué)特性的特性圖表，在該單層薄膜中，芯層由PLZT(13/70/30)合成物組成；圖7是顯示單層薄膜中的光學(xué)特性的特性圖表，在該單層薄膜中，上、下包層由PLZT(14/80/20)合成物組成；圖8A和圖8B是顯示根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光轉(zhuǎn)換器的大體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9是顯示該光轉(zhuǎn)換器的操作的橫截面示意圖；以及圖10是顯示專利文獻(xiàn)1揭示的光轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)的平面示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的基本要點由于為了解決上述問題而反復(fù)地不懈研究，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種以極簡單的結(jié)構(gòu)使折射率和電光效應(yīng)基本偏振獨立的方法，并且已經(jīng)得到一種不需例如波片和靜態(tài)相位控制部件的附加構(gòu)件的光元件，以及應(yīng)用該光元件的光轉(zhuǎn)換器。
首先，下面將定義電光常數(shù)。假定平行于晶體中傳播的光的TM模式而施加電場E。TE模式和TM模式的折射率在此時的變化分別通過表達(dá)式(1)、(2)表示。
ΔnTE＝-(1/2)nTE3r13E(1)ΔnTM＝-(1/2)nTM3r33E(2)這里，nTE和nTM分別表示TE模式和TM模式的折射率，并且r13和r33分別表示它們的電光常數(shù)。折射率的變化量Δn與電場強度、電光常數(shù)和n3成比例。電光效應(yīng)越大，就能利用低電壓以越大的角度使光偏轉(zhuǎn)。因此，這就需要高電光常數(shù)和高折射率的材料。通常用作體電光材料等的特性的電光效應(yīng)rc通過表達(dá)式(3)表示。
rc＝r33-(nTE/nTM)3r13(3)圖1A至圖1F是顯示通過外延生長形成的電光效應(yīng)薄膜的晶體取向相關(guān)性的示意圖，該電光效應(yīng)薄膜的材料是電光晶體PbLaZrTiO3(PLZT8/65/35)。這里，圖1A、圖1B和圖1C顯示對于各個取向(100)、(110)、(111)的晶體取向相關(guān)性。圖1D、圖1E和圖1F類似地對于各個取向(100)、(110)、(111)顯示由TM模式與TE模式之間的折射率差定義的雙折射率。
首先，從圖1A中對于(100)的結(jié)果看出TM模式和TE模式的各折射率呈現(xiàn)出相同的變化。電光常數(shù)r13、r33≈30pm/V。因此，即使施加電場，也不會引起雙折射，導(dǎo)致了圖1D的結(jié)果。在此情形下，rc≈0pm/V。
接著，從圖1B中對于(110)的結(jié)果看出TE模式的折射率與圖1A中TE模式的折射率呈現(xiàn)出基本相同的變化。電光常數(shù)r13≈30pm/V。但是，在此情形下TM模式的折射率呈現(xiàn)出略大的變化，導(dǎo)致r33≈70pm/V。引起雙折射，如圖1E所示，并且rc≈40pm/V。
接下來，從圖1C中對于(111)的結(jié)果看出TE模式的折射率呈現(xiàn)出遞增變化。電光常數(shù)r13≈-10pm/V。另一方面，TM模式的折射率呈現(xiàn)出很大的遞減變化。電光常數(shù)r33≈90pm/V。因此，引起較大雙折射，如圖1F所示，導(dǎo)致rc≈100pm/V。
如上所述，已經(jīng)清楚電光效應(yīng)具有或者不具有依賴電光材料中的晶體取向的偏振相關(guān)性。本發(fā)明的發(fā)明人在一種體電光材料中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電光效應(yīng)的偏振相關(guān)性是由該電光效應(yīng)材料的區(qū)域(domain)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的(參見非專利文獻(xiàn)1)。由于為了將這個事實應(yīng)用于具體的電光效應(yīng)薄膜而不懈研究，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)設(shè)計出一種具有簡單結(jié)構(gòu)的偏振獨立的電光效應(yīng)薄膜，并且已經(jīng)得到如下具體示例的各種實施例。
如下所述能夠理解依賴電光材料中的晶體取向、電光效應(yīng)變得偏振相關(guān)的現(xiàn)象。
PLZT(9/65/35)被公知作為一種張弛振蕩(relaxor)材料，并且被認(rèn)為具有張弛振蕩材料特有的微區(qū)域。伴隨著微區(qū)域的旋轉(zhuǎn)的折射率橢球的旋轉(zhuǎn)能夠解釋電光效應(yīng)的偏振相關(guān)性。公知的是張弛振蕩材料的微區(qū)域在<111>方向具有偏振軸，并且采用斜方六面體(rhombohedral)結(jié)構(gòu)。由于該斜方六面體結(jié)構(gòu)，因此折射率橢球是單軸晶體。這里，當(dāng)在<111>偏振軸的方向上采用箭頭并且由該箭頭的長度表示折射率時，該箭頭到TE模式和TM模式的投影與它們各自的折射率的倒數(shù)成比例。
圖2A、圖2B和圖2C是顯示依賴于每個晶體取向的微區(qū)域的設(shè)置狀態(tài)的示意圖。
這里，圖2A顯示了在具有(100)晶體取向的外延生長的電光效應(yīng)薄膜中的微區(qū)域，圖2B顯示了在具有(110)晶體取向的外延生長的電光效應(yīng)薄膜中的微區(qū)域，圖2C顯示了在具有(111)晶體取向的外延生長的電光效應(yīng)薄膜中的微區(qū)域。這里，在圖2A至圖2C中，如該領(lǐng)域人員所慣用的，負(fù)向即-1是通過在1上劃線來表示，但是在本說明書中，為了描述方便而通過1來表示-1。
首先，將研究具有(100)晶體取向的外延生長的電光效應(yīng)薄膜。如圖2A所示，微區(qū)域呈現(xiàn)為[111]、[111]、[111]和[111]。如從圖2A中所見，箭頭到TE模式和TM模式的投影在所有微區(qū)域中具有相同的長度。因此，即使微區(qū)域旋轉(zhuǎn)，也不會引起TE模式和TM模式的折射率的改變。因此，由微區(qū)域的旋轉(zhuǎn)引起的雙折射不會出現(xiàn)，導(dǎo)致0pm/V的rc。
接下來，將研究具有(110)晶體取向的外延生長的電光效應(yīng)薄膜。如圖2B所示，微區(qū)域呈現(xiàn)為[111]、[111]、[111]和[111]。[111]和[111]之間的微區(qū)域的旋轉(zhuǎn)不會引起折射率的改變。同樣地，折射率不會根據(jù)[111]和[111]之間的旋轉(zhuǎn)而改變。但是，[111]和[111]之間的旋轉(zhuǎn)雖然不會引起TE模式的折射率改變，但是會根據(jù)箭頭長度的改變而引起TM模式的折射率改變。從[111]旋轉(zhuǎn)到[111]導(dǎo)致TM模式的折射率變小。這就引起了雙折射。
接下來，將研究具有(111)晶體取向的外延生長的電光效應(yīng)薄膜。如圖2C所示，微區(qū)域呈現(xiàn)為[111]、[111]、[111]和[111]。[111]、[111]和[111]之間的微區(qū)域的旋轉(zhuǎn)不會引起折射率的改變。但是，從[111]到[111]的區(qū)域的旋轉(zhuǎn)引起TE模式和TM模式的折射率的改變。TE模式的折射率變大，并且TM模式的折射率變小。這就引起了雙折射。此外，可以想到由于箭頭長度的較大變化量，因此該雙折射大于具有(110)晶體取向的外延生長的電光效應(yīng)薄膜的雙折射。因此，認(rèn)為rc(110)＜rc(111)。以上述方式，就能夠解釋電光效應(yīng)rc的取向相關(guān)性。
基于前述研究，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)下述幾個必要條件，在這些條件下電光效應(yīng)在電光效應(yīng)薄膜中是偏振獨立的。
(1)不具偏振軸的結(jié)構(gòu)。該不具偏振軸的結(jié)構(gòu)不會引起雙折射。
(2)在具有至少一個偏振軸的結(jié)構(gòu)中，所有的偏振軸對于入射光的TE模式分量是相同的，并且對于入射光的TM模式分量也相同。這里，如果有兩種或者更多種區(qū)域，那么必須使各個區(qū)域的所有偏振軸對于入射光的TE模式分量相同，并且對于入射光的TM模式分量也相同。如果各個區(qū)域的所有偏振軸對于入射光的TE模式分量相同，并且對于入射光的TM模式分量也相同，那么即使通過將電壓施加至電光效應(yīng)薄膜而引起區(qū)域的旋轉(zhuǎn)，也不會出現(xiàn)雙折射。
(3)具有單一類型的區(qū)域的結(jié)構(gòu)。如果區(qū)域僅具有一種類型，那么就不會出現(xiàn)區(qū)域的旋轉(zhuǎn)，從而不會導(dǎo)致雙折射。因此，區(qū)域的所有偏振軸對于入射光的TE模式分量自然是相同的，并且對于入射光的TM模式分量也相同。
滿足上述條件(1)到(3)中的任一個就將實現(xiàn)其電光效應(yīng)偏振獨立的電光效應(yīng)薄膜。一種易于實現(xiàn)的具體的可想到的結(jié)構(gòu)是具有立方晶體結(jié)構(gòu)作為滿足條件(1)的結(jié)構(gòu)的電光材料。
此外，由呈現(xiàn)斜方六面體結(jié)構(gòu)并且具有(100)晶體取向的電光材料組成的電光效應(yīng)薄膜是滿足條件(2)的結(jié)構(gòu)的實例。
另外，具有假立方(pseudo-cubic)晶體結(jié)構(gòu)的單一類型的區(qū)域的電光材料是滿足條件(3)的結(jié)構(gòu)的實例。
如上所述，本發(fā)明提出下述三種結(jié)構(gòu)作為電光效應(yīng)薄膜。
1.由呈現(xiàn)斜方六面體結(jié)構(gòu)并且生長成具有(100)晶體取向的電光材料組成的薄膜2.具有單一類型的區(qū)域并且由具有假立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成的薄膜3.由具有立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成的薄膜如隨后所述，具有上述結(jié)構(gòu)的電光效應(yīng)薄膜能夠被容易地制造，并且這些薄膜的使用實現(xiàn)了一種利用電光效應(yīng)容易并穩(wěn)妥地實現(xiàn)高速驅(qū)動的光元件，其具有極為簡單的結(jié)構(gòu)并且沒有例如光學(xué)損耗的任何特性降低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步地縮小尺寸。此外，還實現(xiàn)了一種應(yīng)用該光元件的光轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明應(yīng)用的各種具體實施例下面，將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明應(yīng)用的各種具體實施例。
第一實施例本實施例將揭示一個將本發(fā)明應(yīng)用至光偏轉(zhuǎn)器的實例，該光偏轉(zhuǎn)器是一種光元件。該光偏轉(zhuǎn)器是一種以期望角度使入射光偏轉(zhuǎn)以輸出偏轉(zhuǎn)光的光元件。
圖3A和圖3B是顯示根據(jù)第一實施例的光偏轉(zhuǎn)器的基本結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3A是平面圖，圖3B是沿圖3A中I-I線的橫截面圖。
該光偏轉(zhuǎn)器包括在基板1上形成的應(yīng)力消除層2；由層疊在應(yīng)力消除層2上的電光材料組成的光波導(dǎo)3；以及設(shè)置在光波導(dǎo)3上以經(jīng)由光波導(dǎo)3朝向應(yīng)力消除層2的偏轉(zhuǎn)電極4。
基板1包含絕緣材料，在這里SrTiO3(STO)作為其主要成分。例如，基板1包括含有1％鈮的STO作為其材料，并且在主生長面上具有(100)晶體取向。
應(yīng)力消除層2是由金屬材料組成，該金屬材料的主要成分是例如銀或其合金，并且具有消除由于基板1而產(chǎn)生的對光波導(dǎo)3的應(yīng)力的功能。該應(yīng)力消除層2是高導(dǎo)電率金屬材料，以便當(dāng)對光波導(dǎo)3施加電壓時，該應(yīng)力消除層2也可以用作低電極。在主表面上包含具有(100)晶體取向的STO的基板中，由于STO是立方晶體，所以設(shè)置正方形(100)面。斜方六面體PLZT單元晶胞具有菱形底面。當(dāng)斜方六面體PLZT是直接在(100)面上外延生長時，取向也出現(xiàn)在基板表面上，以便受基板應(yīng)力的影響而易使具有正方形/矩形面的四方形晶體變形(distort)。這里，當(dāng)應(yīng)力消除層2設(shè)置在基板1和光波導(dǎo)3之間時，應(yīng)力消除層2消除基板應(yīng)力，以便作為PLZT的初始晶系的斜方六面體晶體能夠生長。斜方六面體晶體的偏振方向是(111)面，并且在該薄膜中生成的區(qū)域是單一類型的，以便波導(dǎo)光的偏振相關(guān)性能夠減小。
作為所謂的平板導(dǎo)波的光波導(dǎo)3是由兩層或者更多層的堆疊(stack)形成，這里是由三層電光效應(yīng)薄膜形成。特別是，這樣構(gòu)成光波導(dǎo)3，以使下包層11和上包層13將芯層12夾在中間，在該芯層12中形成光路。
在該實施例中，至少包括光波導(dǎo)3的芯層12的層被形成，以滿足如上所述的下列條件1至3的其中之一。
1.由具有斜方六面體結(jié)構(gòu)并且生長成具有(100)晶體取向的電光材料組成的薄膜2.具有單一類型的區(qū)域并且由具有假立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成的薄膜3.由具有立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成的薄膜構(gòu)成光波導(dǎo)3的下包層11、芯層12和上包層13的電光材料優(yōu)選包含例如從下列材料中選取的一種，這些材料的每一種都是電光效應(yīng)優(yōu)良的鐵電材料，并且例如具有簡單的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)Pb(Zr1-xTix)O3(0≤x≤1)，(Pb1-yLa(3/2)y)(Zr1-xTix)O3(0≤x，y≤1)，Pb(B’1/3B”2/3)xTiyZr1-x-yO3(0≤x，y≤1，B’是二價過渡金屬，B”是五價過渡金屬)，Pb(B’1/2B”1/2)xTiyZr1-x-yO3(0≤x，y≤1，B’是二價過渡金屬，B”是五價過渡金屬)，Pb(B’1/3B”2/3)xTiyZr1-x-yO3(0≤x，y≤1，B’是六價過渡金屬，B”是三價過渡金屬)，以及Ba(FexNb1-x)O3(0≤x≤1)，(1-x)NaNbO3·xKNbO3(0≤x≤1)。這里，光波導(dǎo)3的每一個電光效應(yīng)薄膜是通過外延生長形成的取向附生膜(epitaxial film)，并且例如在主生長面上具有(100)晶體取向。
此外，適宜使用的是具有鎢青銅型結(jié)構(gòu)的電光材料，其包含從例如(Sr1-xBax)Nb2O6(0≤x≤1)、(Sr1-xBax)Ta2O6(0≤x≤1)、PbNb2O6和Ba2NaNb5O15中所選的一種。還適宜使用的是具有鉍層狀(bismuth-layered)結(jié)構(gòu)的電光材料，其包含從例如(Bi1-xRx)Ti3O12(R是稀土元素0≤x≤1)、SrBi2Ta2O9和SrBi4Ti4O15中所選的一種。
偏轉(zhuǎn)電極4是在光波導(dǎo)3上例如以三角形而形成，并且當(dāng)在偏轉(zhuǎn)電極4和應(yīng)力消除層2之間施加預(yù)定電壓時，該偏轉(zhuǎn)電極4能夠以期望角度使入射光偏轉(zhuǎn)以輸出偏轉(zhuǎn)光。
這里，將描述根據(jù)本實施例的光偏轉(zhuǎn)器的制造方法。
圖4A、圖4B和圖4C是按照工藝順序顯示根據(jù)第一實施例的光偏轉(zhuǎn)器的制造方法的橫截面示意圖。
首先，將應(yīng)力消除層2形成在基板1上。
特別是，如圖4A所示，主要成分是例如銀或其合金的金屬材料通過濺射沉積在基板1上，該基板1在主生長表面上具有(100)晶體取向并且由Nb1％-STO組成，由此形成具有大約100nm薄膜厚度的應(yīng)力消除層2。
接下來，將光波導(dǎo)3形成在應(yīng)力消除層2上。
在該實施例中，將下包層11、芯層12和上包層13如圖4B所示而形成，以滿足上述條件1至3中的任何一個。
1.將芯層12形成為由具有斜方六面體結(jié)構(gòu)并且生長成具有(100)晶體取向的電光材料組成的薄膜的情形具有斜方六面體結(jié)構(gòu)的張弛振蕩基板的其中一個實例是PZLT材料。這種基板是在主生長表面上具有(100)晶體取向的基板1上外延生長，由此形成具有(100)晶體取向的光波導(dǎo)。這里，具有折射率2.39(1.55μm波長)的PLZT(13/70/30)用作下包層11的材料。具有折射率2.41(1.55μm波長)的PLZT(9/65/35)用作芯層12的材料。具有折射率2.40(1.55μm波長)的PLZT(13/70/30)用作上包層13的材料。
PLZT的溶膠凝膠(sol-gel)溶液是通過溶劑、在組分金屬元素的有機化合物和穩(wěn)定劑的回流(reflux)下合成所述有機化合物是Pb(CH3COO)2·3H2O[乙酸鉛]、La(i-OC3H7)3[異丙醇鑭]、Ti(i-OC3H7)4[異丙醇鈦]和Zr(OC3H7)4[丙醇鋯]；該穩(wěn)定劑是CH3COCH2COCH3[2，4-戊二酮]；并且該溶劑是CH3C2H4OH[2-甲醇乙醇]。
為了形成具有PLZT(9/65/35)合成物的芯層12，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩爾比設(shè)為101/9，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設(shè)為65/35?；?通過旋轉(zhuǎn)涂布而涂覆有這種溶膠凝膠溶液，并且在氧氣環(huán)境中在350℃進(jìn)行鍛燒并在750℃進(jìn)行燒結(jié)。每道工藝可生長的薄膜厚度約為120nm，并且重復(fù)涂覆、鍛燒和燒結(jié)工藝直到獲得期望的薄膜厚度，在這里約為5μm。
為了形成具有PLZT(13/70/30)合成物的下包層11和上包層13，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩爾比設(shè)為97/13，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設(shè)為70/30。基板1通過旋轉(zhuǎn)涂布涂覆有這種溶膠凝膠溶液，并且在氧氣環(huán)境中在350℃進(jìn)行鍛燒并在750℃進(jìn)行燒結(jié)。重復(fù)涂覆、鍛燒和燒結(jié)工藝，直到下包層11和上包層13都具有期望的薄膜厚度，在這里約為3μm。
2.芯層12形成為具有單一類型的區(qū)域并且由具有假立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成的薄膜的情形作為芯層12的材料，具有稍微變形成四方形晶體的假立方晶體結(jié)構(gòu)的PLZT(0/30/70)合成物被使用。為PLZT制備溶膠凝膠溶液的方法與上述的方法相同。
為了形成具有PLZT(0/30/70)合成物的芯層12，沒有使用La(i-OC3H7)3，也就是說，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩爾比設(shè)為110/0(100∶0)，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設(shè)為30/70。基板1通過旋轉(zhuǎn)涂布涂覆有這種溶膠凝膠溶液，并且在氧氣環(huán)境中在350℃進(jìn)行鍛燒并在750℃進(jìn)行燒結(jié)。重復(fù)涂覆、鍛燒和燒結(jié)工藝，直到芯層12具有期望的薄膜厚度，在這里約為5μm。
為了形成具有PLZT(9/65/35)合成物的下包層11和上包層13，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩爾比設(shè)為101/9，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設(shè)為65/35?；?通過旋轉(zhuǎn)涂布涂覆有這種溶膠凝膠溶液，并且在氧氣環(huán)境中在350℃進(jìn)行鍛燒并在750℃進(jìn)行燒結(jié)。重復(fù)涂覆、鍛燒和燒結(jié)工藝，直到下包層11和上包層13都具有期望的薄膜厚度，在這里約為3μm。
圖5顯示了具有單一類型的區(qū)域的單層薄膜的光學(xué)特性，其中芯層12的PLZT具有這種合成物。
這里，研究由于施加平行于(000)取向的電場而引起的TE模式和TM模式的折射率的變化量Δn。如該圖所示，可以確認(rèn)TE模式和TM模式的折射率呈現(xiàn)幾乎相同的變化。
3.下包層11、芯層12和上包層13形成為各自由具有立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成的薄膜的情形具有立方晶體結(jié)構(gòu)的材料被用作下包層11、芯層12和上包層13的材料。這里，PLZT(13/70/30)合成物用于芯層12，并且PLZT(14/80/20)合成物用于下包層11和上包層13。具有這些合成物的每一個的PLZT在室溫中呈現(xiàn)基本立方的晶體。為PLZT制備溶膠凝膠溶液的方法與上述的方法相同。
為了形成具有PLZT(13/70/30)合成物的芯層12，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩爾比設(shè)為97/13，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設(shè)為70/30?；?通過旋轉(zhuǎn)涂布涂覆有這種溶膠凝膠溶液，并且在氧氣環(huán)境中在350℃進(jìn)行鍛燒并在750℃進(jìn)行燒結(jié)。重復(fù)涂覆、鍛燒和燒結(jié)工藝，直到芯層12具有期望的薄膜厚度，在這里約為5μm。
為了形成具有PLZT(14/80/20)合成物的下包層11和上包層13，Pb(CH3COO)2·3H2O/La(i-OC3H7)3的摩爾比設(shè)為96/14，并且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設(shè)為80/20?；?通過旋轉(zhuǎn)涂布涂覆有這種溶膠凝膠溶液，并且在氧氣環(huán)境中在350℃進(jìn)行鍛燒并在750℃進(jìn)行燒結(jié)。重復(fù)涂覆、鍛燒和燒結(jié)工藝，直到下包層11和上包層13都具有期望的薄膜厚度，在這里約為3μm。
圖6顯示了單層薄膜中的光學(xué)特性，其中芯層12由PLZT(13/70/30)合成物組成；并且圖7顯示了單層薄膜中的光學(xué)特性，其中下包層11和上包層13由PLZT(14/80/20)合成物組成。
這里，研究由于施加平行于(000)取向的電場而引起的TE模式和TM模式的折射率的變化量Δn。如圖6和圖7所示，可以確認(rèn)TE模式和TM模式的折射率呈現(xiàn)幾乎相同的變化。
隨后，偏轉(zhuǎn)電極4形成在上包層13上。
特別是，如圖4C所示，例如Cu/W薄膜以三角形而掩模沉積在上包層13上，以形成偏轉(zhuǎn)電極4。
通過前述工藝，本實施例的光偏轉(zhuǎn)器完成。
下述為當(dāng)光波導(dǎo)3被形成以滿足本實施例光偏轉(zhuǎn)器的條件1時的結(jié)果。假定TM模式和TE模式的折射率的比被定義為表達(dá)式(4)，其中nTM是TM模式的折射率，并且nTE是TE模式的折射率，TM模式和TE模式的折射率的比產(chǎn)生極小值0.03％。
折射率比＝|(nTM-nTE)/nTM| (4)此外，假定TM模式和TE模式的電光效應(yīng)的偏振相關(guān)性的比被定義為表達(dá)式(5)，其中r13是TE模式的電光效應(yīng)，并且r33是TM模式的電光效應(yīng)，這個偏振相關(guān)比產(chǎn)生極小值1.0％。
偏振相關(guān)比＝|(r33-r13)/r33|(5)此外，當(dāng)光波導(dǎo)3被形成以滿足條件2時，折射率比和偏振相關(guān)比均分別產(chǎn)生極小值0.2％和1.5％。
另外，當(dāng)光波導(dǎo)3被形成以滿足條件3時，折射率比和偏振相關(guān)比均分別產(chǎn)生極小值0.01％和0.5％。
如上所述，本實施例實現(xiàn)了一種利用電光效應(yīng)以容易并穩(wěn)妥地達(dá)到高速驅(qū)動的光偏轉(zhuǎn)器，其具有極為簡單的結(jié)構(gòu)并且不會引起例如光學(xué)損耗的任何特性降低，并且其能夠進(jìn)一步縮小尺寸。
第二實施例本實施例揭示一種本發(fā)明應(yīng)用的光轉(zhuǎn)換器的具體結(jié)構(gòu)。
圖8A和圖8B是顯示根據(jù)第二實施例的光轉(zhuǎn)換器的大體結(jié)構(gòu)的示意圖。圖8A是僅顯示該光轉(zhuǎn)換器的主要構(gòu)成部分的平面示意圖，圖8B是沿圖8A中的點劃線I-I的光轉(zhuǎn)換器的橫截面示意圖。使用相同的附圖標(biāo)號或標(biāo)記以指代與第一實施例中相同的構(gòu)件等，并省略其詳細(xì)描述。
本實施例的光轉(zhuǎn)換器20被構(gòu)成以使根據(jù)第一實施例的多個光偏轉(zhuǎn)器10被平行設(shè)置。
該光轉(zhuǎn)換器20是一種具有N×N(N等于或者大于2的整數(shù)，并且在附圖的示例中N＝4)排列的光轉(zhuǎn)換器，并且其包括具有光偏轉(zhuǎn)機構(gòu)的主要構(gòu)成部分21和通道形成部分22，主要構(gòu)成部分21設(shè)置在該通道形成部分22中。
通道形成部分22包括形成在通道基板31上的通道波導(dǎo)32。
通道波導(dǎo)32被構(gòu)成以使下包層41和上包層43將芯層42夾在中間，在該芯層42中形成光路，并且該通道波導(dǎo)32包括光信號的輸入通道I1至I4以及輸出通道O1至O4。每一個輸入通道I1至I4在其前端具有使信號光準(zhǔn)直的微透鏡44，并且微透鏡44以相等間距平行設(shè)置。類似地，每一個輸出通道O1至O4在其后端具有微透鏡44，并且微透鏡44以相等間距平行設(shè)置。在通道波導(dǎo)32中，形成溝槽45，在溝槽45中安裝了主要構(gòu)成部分21，并且各種布線層46圖案化形成(pattern-form)在對溝槽45的底部暴露的通道基板31的表面的部分上。
在通道形成部分22中，通過使由例如硅組成的通道基板31的表面熱氧化而形成具有大約5μm薄膜厚度的二氧化硅薄膜，隨后，在從該二氧化硅薄膜的表面到大約3μm深的二氧化硅薄膜中摻雜例如鎵，由此形成具有大約2μm薄膜厚度的下包層41以及具有大約2μm薄膜厚度的芯層42。此后，具有大約2μm薄膜厚度的二氧化硅薄膜通過溶膠凝膠方法、濺射方法或者類似方法而形成在芯層42上，以形成上包層43。然后，例如使用CF4氣體作為蝕刻氣體以干蝕刻上包層43、芯層42和下包層41，以圖案化形成溝槽45。
基本上，光轉(zhuǎn)換器20的主要構(gòu)成部分21被構(gòu)成以使第一實施例的光偏轉(zhuǎn)器10分別相應(yīng)于輸入通道I1至I4和輸出通道O1至O4而設(shè)置，并且光波導(dǎo)3在那里共用。
每一個光偏轉(zhuǎn)器10被構(gòu)成以使光波導(dǎo)3經(jīng)由應(yīng)力消除層2被設(shè)置在元件基板1上，并且由一對偏轉(zhuǎn)電極4組成的棱鏡電極5被設(shè)置在光波導(dǎo)3上。也就是說，主要構(gòu)成部分21被構(gòu)成以使棱鏡電極5分別相應(yīng)于輸入通道I1至I4和輸出通道O1至O4而設(shè)置在光波導(dǎo)3上。這里，在每一個輸入通道I1至I4中的多個棱鏡電極5可以在多層中串聯(lián)設(shè)置，因此，多個棱鏡電極5可以設(shè)置在多層中的每一個輸出通道O1至O4中。在此情形中，根據(jù)設(shè)置在每個通道中的棱鏡電極5的數(shù)量能夠獲得大偏轉(zhuǎn)角。
這里，光波導(dǎo)3被形成以使至少包括光波導(dǎo)3的芯層12的層滿足下述條件1至3的一個，它們同第一實施例前述的一樣。
1.由具有斜方六面體結(jié)構(gòu)并且生長成具有(100)晶體取向的電光材料組成的薄膜2.具有單一類型的區(qū)域并且由具有假立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成的薄膜3.由具有立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成的薄膜如圖8B所示，如上構(gòu)成的主要構(gòu)成部分21裝配在通道波導(dǎo)32的溝槽45中，其上、下面被反轉(zhuǎn)，以便光波導(dǎo)3和通道波導(dǎo)32的位置相互匹配，并且棱鏡電極5分別通過例如焊料球47而連接至預(yù)定布線層46。
下面將描述該光轉(zhuǎn)換器20的操作。
圖9是顯示光轉(zhuǎn)換器20的操作的橫截面示意圖。這里，為了描述方便，僅顯示輸入通道I1、I2和輸出通道O1、O2的2×2排列。此外，實線LTM和虛線LTE分別表示信號光的TM模式分量和TE模式分量。已通過輸入通道I1的入射光射入在棱鏡電極5上。預(yù)定電壓已經(jīng)施加在棱鏡電極5和反電極層2之間。施加該電壓引起光波導(dǎo)3的折射率的棱鏡式(prismatic)變化，以使入射光以非常小的角度向左或者向右偏轉(zhuǎn)，以作為信號光向例如輸出通道O2的方向傳播。如圖所示，在光轉(zhuǎn)換器20中，折射率和電光效應(yīng)基本是偏振獨立的，從而在信號光的TM模式分量和TE模式分量之間基本無法識別出光傳播狀態(tài)的差異。因此，其光傳播狀態(tài)可認(rèn)為是相同的。然后，信號光射入在預(yù)定輸出通道例如輸出通道O2的前方設(shè)置的棱鏡電極5上，并且使其經(jīng)受同該入射光相似的偏轉(zhuǎn)校正。然后，該信號光從輸出通道O2輸出。
這里，作為本實施例的對比例，將使用圖10描述專利文獻(xiàn)1揭示的光轉(zhuǎn)換器的主要構(gòu)成部分。在此，為了描述方便，僅顯示輸入通道I1、I2和輸出通道O1、O2的2×2排列。
該主要構(gòu)成部分被構(gòu)成以使相應(yīng)于每個輸入通道I1、I2和輸出通道O1、O2的一對棱鏡電極102、103(每個棱鏡電極的結(jié)構(gòu)與棱鏡電極5的相同)設(shè)置在基板(未示出)上形成的并顯示出電光效應(yīng)的光波導(dǎo)101上，并且每個二分之一波片104被插入在棱鏡電極102、103之間。應(yīng)注意的是，在圖中所示的示例中，提供了輸入通道I1、I2共用的二分之一波片104和輸出通道O1、O2共用的二分之一波片104。這里，實線LTM和虛線LTE也分別表示信號光的TM模式分量和TE模式分量。
在圖10所示的光轉(zhuǎn)換器中，二分之一波片104被用來旋轉(zhuǎn)光的偏振方向，以使TE模式分量和TM模式分量相互置換。這樣，在輸入側(cè)和輸出側(cè)上的每片二分之一波片104自然就必需一對棱鏡電極102、103，這導(dǎo)致了與本實施例的光轉(zhuǎn)換器20相比復(fù)雜且較大的裝置。另一方面，本實施例的光轉(zhuǎn)換器20不需要二分之一波片或者在那里相應(yīng)附加的棱鏡電極，這就實現(xiàn)了更簡單且更小的裝置。
應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明不限于上述實施例。例如，光偏轉(zhuǎn)器不僅可應(yīng)用于光轉(zhuǎn)換器，還可應(yīng)用于激光打印機、條形碼閱讀機等等。
如至此所述，本實施例實現(xiàn)了一種利用電光效應(yīng)以容易并穩(wěn)妥地實現(xiàn)高速驅(qū)動的光轉(zhuǎn)換器20，其具有極為簡單的結(jié)構(gòu)并且不會引起例如光學(xué)損耗的任何特性降低，而且能夠進(jìn)一步減小尺寸。
本發(fā)明實現(xiàn)了一種利用電光效應(yīng)以容易并穩(wěn)妥地實現(xiàn)高速驅(qū)動的光元件，其具有極為簡單的結(jié)構(gòu)并且不會引起例如光學(xué)損耗的任何特性降低，而且能夠進(jìn)一步縮小尺寸，并且本發(fā)明還實現(xiàn)了一種應(yīng)用該光元件的光轉(zhuǎn)換器。
本實施例在各個方面都被視為說明性而且是非限制性的，因此，權(quán)利要求的等效含義和范圍內(nèi)的所有變化將被涵蓋在本發(fā)明中。本發(fā)明可以用不脫離本發(fā)明的精神或者實質(zhì)特征的其它具體形式來體現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種光元件，包括基板；以及至少一層電光效應(yīng)薄膜，形成在所述基板上方并且具有電光效應(yīng)；其中所述電光效應(yīng)薄膜具有至少一個偏振軸，并且所有的偏振軸對于入射光的TE模式分量相同，而且對于入射光的TM模式分量相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光元件，其中所述電光效應(yīng)薄膜具有至少一種類型的區(qū)域，并且所述區(qū)域的所有偏振軸對于入射光的TE模式分量相同，而且對于入射光的TM模式分量相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的光元件，其中所述電光效應(yīng)薄膜由具有斜方六面體結(jié)構(gòu)的電光材料組成，并且該電光材料在(100)方向上生長。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的光元件，其中所述電光效應(yīng)薄膜在主面上具有(100)晶體取向的所述基板上方生長。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的光元件，其中所述電光效應(yīng)薄膜由具有假立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成，并且具有單一類型的區(qū)域。
6.一種光元件，包括基板；以及至少一層電光效應(yīng)薄膜，形成在所述基板上方并且具有電光效應(yīng)；其中所述電光效應(yīng)薄膜由具有立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光元件，其中所述基板由主要成分是SrTiO3的材料組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光元件，其中所述電光效應(yīng)薄膜通過外延生長形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的光元件，其中進(jìn)一步包括光波導(dǎo)，包括至少一層所述電光效應(yīng)薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的光元件，其中進(jìn)一步包括應(yīng)力消除層，設(shè)置在所述基板與所述光波導(dǎo)之間，以消除對該光波導(dǎo)有影響的所述基板的應(yīng)力。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的光元件，其中所述電光效應(yīng)薄膜具有簡單的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的光元件，其中所述電光效應(yīng)薄膜具有至少一層鎢青銅型結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的光元件，其中所述電光效應(yīng)薄膜具有至少一層鉍層疊結(jié)構(gòu)。
14.一種光轉(zhuǎn)換器，包括光波導(dǎo)，包括至少一層電光效應(yīng)薄膜；多個輸入通道，平行地形成在所述光波導(dǎo)上的一端，以接收光信號；為所述各個輸入通道設(shè)置的第一光偏轉(zhuǎn)器；多個輸出通道，平行地形成在所述光波導(dǎo)上的另一端，以輸出光信號；以及為所述各個輸出通道設(shè)置的第二光偏轉(zhuǎn)器；其中該電光效應(yīng)薄膜具有至少一個偏振軸，并且所有偏振軸對于入射光的TE模式分量相同，而且對于入射光的TM模式分量相同。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的光轉(zhuǎn)換器，其中所述電光效應(yīng)薄膜具有至少一種類型的區(qū)域，并且所述區(qū)域的所有偏振軸對于入射光的TE模式分量相同，而且對于入射光的TM模式分量相同。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的光轉(zhuǎn)換器，其中所述電光效應(yīng)薄膜由具有斜方六面體結(jié)構(gòu)的電光材料組成，并且該電光材料在(100)方向上生長。
17.一種光轉(zhuǎn)換器，包括光波導(dǎo)，包括至少一層電光效應(yīng)薄膜；多個輸入通道，平行地形成在所述光波導(dǎo)上的一端，以接收光信號；為所述各個輸入通道設(shè)置的第一光偏轉(zhuǎn)器；多個輸出通道，平行地形成在所述光波導(dǎo)上的另一端，以輸出光信號；以及為所述各個輸出通道設(shè)置的第二光偏轉(zhuǎn)器；其中所述電光效應(yīng)薄膜由具有立方晶體結(jié)構(gòu)的電光材料組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光波導(dǎo)的芯層被生長為由具有斜方六面體結(jié)構(gòu)的電光材料組成并且在主面上具有(100)晶體取向的基板上方生長的薄膜。本發(fā)明的一個目的在于提供一種利用電光效應(yīng)以容易并穩(wěn)妥地實現(xiàn)高速驅(qū)動的光元件，其具有極為簡單的結(jié)構(gòu)并且沒有例如光學(xué)損耗的任何特性降低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步縮小尺寸；本發(fā)明還提供一種應(yīng)用該光元件的光轉(zhuǎn)換器。該光元件包括基板；及至少一層電光效應(yīng)薄膜，形成在該基板上方并且具有電光效應(yīng)，該電光效應(yīng)薄膜具有至少一個偏振軸，并且所有偏振軸對于入射光的TE模式分量相同，而且對于入射光的TM模式分量相同。該光轉(zhuǎn)換器包括光波導(dǎo)，多個輸入通道，第一光偏轉(zhuǎn)器，多個輸出通道，以及第二光偏轉(zhuǎn)器。
文檔編號H04B10/12GK1779507SQ20051005902
公開日2006年5月31日 申請日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月26日
發(fā)明者佐藤桂輔, 近藤正雄, 石井雅俊 申請人:富士通株式會社