光元件和光轉換器的製作方法
2023-09-14 22:55:30 2
專利名稱：光元件和光轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於光通訊、光信號處理等的技術領域中的光元件和光轉換器(optical switch)。
背景技術：
近年來，光通訊中的傳輸頻帶迅速增長，並且根據波長多路技術的進展，正在提升更高速度和更大容量。為了配置核心通訊網絡中的光纖網絡的硬體設施，便需要用於轉換光信號的傳輸目的的光信號轉換裝置。這種轉換裝置必須能夠用於單模光纖中。為此，就必須使光的方向轉換，而不依賴於作為光的偏振方向的TE模式和TM模式的偏振。為了響應這個需求，機械驅動型例如所謂的MEMS(微電子機械系統)和熱光型(thermooptic type)等已被發展出來，其中該MEMS通過移動顯微鏡來轉換光的方向，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，該機械驅動型和熱驅動型具有這樣的問題用於轉換光信號的傳輸目的所需的時間是較長的毫秒(msec)級，並且最大的轉換速度低。網絡的速度被進一步加快，這就強烈地需求高速光轉換裝置。
因此，作為高速改變折射率的方法，利用電光效應的方法(基於電光效應的方法)是可利用的。使用這種基於電光效應的方法，能夠在極短時間、即納秒(nsec)至微秒(μsec)級的時間內改變折射率，從而實現了以極高速度驅動的光轉換裝置。
日本專利申請待審公開No.Hei 3-216622[專利文獻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1]2004年第65次秋季會議(日本應用物理學會)預備論文第493頁基於電光效應的方法實現了高速驅動的光轉換裝置。但是，通常，電光效應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，已經提出了下述各種技術。
專利文獻1揭示了一種使用電光效應薄膜的技術，在該電光效應薄膜中，垂直於面(001)的軸相對於基板表面的垂直線的角度被設定為大於0°並且不大於45°。此外，專利文獻2揭示了一種在光波導的預定部分提供靜態相位控制部件的技術，其不依賴電光效應而對波導光給予靜態相位改變。專利文獻3揭示了一種技術，其中偏光部件分別設在具有電光效應的波導的一端和另一端，二分之一波片設置在每個偏光部件的基本中心處，並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1揭示的技術易於實現滿足上述嚴格且複雜的條件的電光效應薄膜的精確成型。此外，在專利文獻2、3所揭示的技術中，實質上是在光波導中額外提供了例如靜態相位控制部件或者二分之一波片的元件，其造成了使裝置結構複雜並且增加光損耗的問題。
因此，基於電光效應的方法雖然能夠較快地驅動光轉換裝置，但其目前也具有很大問題，就是難於實現裝置，並且這種裝置的結構必然複雜且難於縮小尺寸。
發明內容
鑑於上述問題提出本發明，並且本發明的一個目的在於提供一種利用電光效應以容易並穩妥(surely)地實現高速驅動的光元件，其具有極為簡單的結構並且沒有例如光學損耗的任何特性降低，並且能夠實現進一步地縮小尺寸，並且本發明還提供一種應用該光元件的光轉換器。
本發明的一種光元件包括基板；以及至少一層電光效應薄膜，形成在該基板上方並且具有電光效應，其中所述電光效應薄膜具有至少一個偏振軸，並且所有的偏振軸對於入射光的TE模式分量相同，而且對於入射光的TM模式分量相同。
這裡，在某些情形下，該電光效應薄膜具有至少一種類型的區域，並且所述區域的所有偏振軸對於入射光的TE模式分量相同，而且對於入射光的TM模式分量相同。
本發明的另一種光元件包括基板；以及至少一層電光效應薄膜，形成在該基板上方並且具有電光效應，其中所述電光效應薄膜由具有立方晶體結構的電光材料組成。
本發明的一種光轉換器包括光波導，包括至少一層電光效應薄膜；多個輸入通道，平行地形成在該光波導上的一端，以接收光信號；為所述各個輸入通道設置的第一光偏轉器；多個輸出通道，平行地形成在該光波導上的另一端，以輸出光信號；以及為所述各個輸出通道設置的第二光偏轉器；其中該電光效應薄膜具有至少一個偏振軸，並且所有偏振軸對於入射光的TE模式分量相同，而且對於入射光的TM模式分量相同。
這裡，在某些情形下，該電光效應薄膜具有至少一種類型的區域，並且所述區域的所有偏振軸對於入射光的TE模式分量相同，而且對於入射光的TM模式分量相同。
本發明的另一種光轉換器包括光波導，包括至少一層電光效應薄膜；多個輸入通道，平行地形成在該光波導上的一端，以接收光信號；為所述各個輸入通道設置的第一光偏轉器；多個輸出通道，平行地形成在該光波導上的另一端，以輸出光信號；以及為所述各個輸出通道設置的第二光偏轉器；其中所述電光效應薄膜由具有立方晶體結構的電光材料組成。
圖1A至圖1F是顯示通過外延生長形成的電光效應薄膜的晶體取向相關性的示意圖表，該電光效應薄膜的材料是電光晶體PbLaZrTiO3(PLZT8/65/35)；圖2A、圖2B和圖2C是顯示依賴於每個晶體取向的微區域(microdomain)的設置狀態的示意圖；圖3A和圖3B是顯示根據本發明第一實施例的光偏轉器的基本結構的示意圖；圖4A、圖4B和圖4C是按照工藝順序顯示根據本發明第一實施例的光偏轉器的製造方法的橫截面示意圖；圖5是顯示單層薄膜中的光學特性的特性圖表，該單層薄膜的芯層由PLZT(0/30/70)合成物組成，並且該單層薄膜具有單一類型的區域；圖6是顯示單層薄膜中的光學特性的特性圖表，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是顯示根據本發明第二實施例的光轉換器的大體結構的示意圖；圖9是顯示該光轉換器的操作的橫截面示意圖；以及圖10是顯示專利文獻1揭示的光轉換器的基本結構的平面示意圖。
具體實施例方式
本發明的基本要點由於為了解決上述問題而反覆地不懈研究，本發明的發明人已經發現一種以極簡單的結構使折射率和電光效應基本偏振獨立的方法，並且已經得到一種不需例如波片和靜態相位控制部件的附加構件的光元件，以及應用該光元件的光轉換器。
首先，下面將定義電光常數。假定平行於晶體中傳播的光的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式(1)、(2)表示。
ΔnTE＝-(1/2)nTE3r13E(1)ΔnTM＝-(1/2)nTM3r33E(2)這裡，nTE和nTM分別表示TE模式和TM模式的折射率，並且r13和r33分別表示它們的電光常數。折射率的變化量Δn與電場強度、電光常數和n3成比例。電光效應越大，就能利用低電壓以越大的角度使光偏轉。因此，這就需要高電光常數和高折射率的材料。通常用作體電光材料等的特性的電光效應rc通過表達式(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薄膜的晶體取向相關性的示意圖，該電光效應薄膜的材料是電光晶體PbLaZrTiO3(PLZT8/65/35)。這裡，圖1A、圖1B和圖1C顯示對於各個取向(100)、(110)、(111)的晶體取向相關性。圖1D、圖1E和圖1F類似地對於各個取向(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中對於(100)的結果看出TM模式和TE模式的各折射率呈現出相同的變化。電光常數r13、r33≈30pm/V。因此，即使施加電場，也不會引起雙折射，導致了圖1D的結果。在此情形下，rc≈0pm/V。
接著，從圖1B中對於(110)的結果看出TE模式的折射率與圖1A中TE模式的折射率呈現出基本相同的變化。電光常數r13≈30pm/V。但是，在此情形下TM模式的折射率呈現出略大的變化，導致r33≈70pm/V。引起雙折射，如圖1E所示，並且rc≈40pm/V。
接下來，從圖1C中對於(111)的結果看出TE模式的折射率呈現出遞增變化。電光常數r13≈-10pm/V。另一方面，TM模式的折射率呈現出很大的遞減變化。電光常數r33≈90pm/V。因此，引起較大雙折射，如圖1F所示，導致rc≈100pm/V。
如上所述，已經清楚電光效應具有或者不具有依賴電光材料中的晶體取向的偏振相關性。本發明的發明人在一種體電光材料中已經發現電光效應的偏振相關性是由該電光效應材料的區域(domain)的旋轉導致的(參見非專利文獻1)。由於為了將這個事實應用於具體的電光效應薄膜而不懈研究，本發明的發明人已經設計出一種具有簡單結構的偏振獨立的電光效應薄膜，並且已經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、電光效應變得偏振相關的現象。
PLZT(9/65/35)被公知作為一種張弛振蕩(relaxor)材料，並且被認為具有張弛振蕩材料特有的微區域。伴隨著微區域的旋轉的折射率橢球的旋轉能夠解釋電光效應的偏振相關性。公知的是張弛振蕩材料的微區域在111方向具有偏振軸，並且採用斜方六面體(rhombohedral)結構。由於該斜方六面體結構，因此折射率橢球是單軸晶體。這裡，當在111偏振軸的方向上採用箭頭並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成比例。
圖2A、圖2B和圖2C是顯示依賴於每個晶體取向的微區域的設置狀態的示意圖。
這裡，圖2A顯示了在具有(100)晶體取向的外延生長的電光效應薄膜中的微區域，圖2B顯示了在具有(110)晶體取向的外延生長的電光效應薄膜中的微區域，圖2C顯示了在具有(111)晶體取向的外延生長的電光效應薄膜中的微區域。這裡，在圖2A至圖2C中，如該領域人員所慣用的，負向即-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薄膜。如圖2A所示，微區域呈現為[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域中具有相同的長度。因此，即使微區域旋轉，也不會引起TE模式和TM模式的折射率的改變。因此，由微區域的旋轉引起的雙折射不會出現，導致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薄膜。如圖2B所示，微區域呈現為[111]、[111]、[111]和[111]。[111]和[111]之間的微區域的旋轉不會引起折射率的改變。同樣地，折射率不會根據[111]和[111]之間的旋轉而改變。但是，[111]和[111]之間的旋轉雖然不會引起TE模式的折射率改變，但是會根據箭頭長度的改變而引起TM模式的折射率改變。從[111]旋轉到[111]導致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薄膜。如圖2C所示，微區域呈現為[111]、[111]、[111]和[111]。[111]、[111]和[111]之間的微區域的旋轉不會引起折射率的改變。但是，從[111]到[111]的區域的旋轉引起TE模式和TM模式的折射率的改變。TE模式的折射率變大，並且TM模式的折射率變小。這就引起了雙折射。此外，可以想到由於箭頭長度的較大變化量，因此該雙折射大於具有(110)晶體取向的外延生長的電光效應薄膜的雙折射。因此，認為rc(110)＜rc(111)。以上述方式，就能夠解釋電光效應rc的取向相關性。
基於前述研究，本發明的發明人已經發現下述幾個必要條件，在這些條件下電光效應在電光效應薄膜中是偏振獨立的。
(1)不具偏振軸的結構。該不具偏振軸的結構不會引起雙折射。
(2)在具有至少一個偏振軸的結構中，所有的偏振軸對於入射光的TE模式分量是相同的，並且對於入射光的TM模式分量也相同。這裡，如果有兩種或者更多種區域，那麼必須使各個區域的所有偏振軸對於入射光的TE模式分量相同，並且對於入射光的TM模式分量也相同。如果各個區域的所有偏振軸對於入射光的TE模式分量相同，並且對於入射光的TM模式分量也相同，那麼即使通過將電壓施加至電光效應薄膜而引起區域的旋轉，也不會出現雙折射。
(3)具有單一類型的區域的結構。如果區域僅具有一種類型，那麼就不會出現區域的旋轉，從而不會導致雙折射。因此，區域的所有偏振軸對於入射光的TE模式分量自然是相同的，並且對於入射光的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其電光效應偏振獨立的電光效應薄膜。一種易於實現的具體的可想到的結構是具有立方晶體結構作為滿足條件(1)的結構的電光材料。
此外，由呈現斜方六面體結構並且具有(100)晶體取向的電光材料組成的電光效應薄膜是滿足條件(2)的結構的實例。
另外，具有假立方(pseudo-cubic)晶體結構的單一類型的區域的電光材料是滿足條件(3)的結構的實例。
如上所述，本發明提出下述三種結構作為電光效應薄膜。
1.由呈現斜方六面體結構並且生長成具有(100)晶體取向的電光材料組成的薄膜2.具有單一類型的區域並且由具有假立方晶體結構的電光材料組成的薄膜3.由具有立方晶體結構的電光材料組成的薄膜如隨後所述，具有上述結構的電光效應薄膜能夠被容易地製造，並且這些薄膜的使用實現了一種利用電光效應容易並穩妥地實現高速驅動的光元件，其具有極為簡單的結構並且沒有例如光學損耗的任何特性降低，並且能夠實現進一步地縮小尺寸。此外，還實現了一種應用該光元件的光轉換器。
本發明應用的各種具體實施例下面，將結合附圖詳細描述本發明應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明應用至光偏轉器的實例，該光偏轉器是一種光元件。該光偏轉器是一種以期望角度使入射光偏轉以輸出偏轉光的光元件。
圖3A和圖3B是顯示根據第一實施例的光偏轉器的基本結構的示意圖。圖3A是平面圖，圖3B是沿圖3A中I-I線的橫截面圖。
該光偏轉器包括在基板1上形成的應力消除層2；由層疊在應力消除層2上的電光材料組成的光波導3；以及設置在光波導3上以經由光波導3朝向應力消除層2的偏轉電極4。
基板1包含絕緣材料，在這裡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，並且在主生長面上具有(100)晶體取向。
應力消除層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，並且具有消除由於基板1而產生的對光波導3的應力的功能。該應力消除層2是高導電率金屬材料，以便當對光波導3施加電壓時，該應力消除層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，由於STO是立方晶體，所以設置正方形(100)面。斜方六面體PLZT單元晶胞具有菱形底面。當斜方六面體PLZT是直接在(100)面上外延生長時，取向也出現在基板表面上，以便受基板應力的影響而易使具有正方形/矩形面的四方形晶體變形(distort)。這裡，當應力消除層2設置在基板1和光波導3之間時，應力消除層2消除基板應力，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，並且在該薄膜中生成的區域是單一類型的，以便波導光的偏振相關性能夠減小。
作為所謂的平板導波的光波導3是由兩層或者更多層的堆疊(stack)形成，這裡是由三層電光效應薄膜形成。特別是，這樣構成光波導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構並且生長成具有(100)晶體取向的電光材料組成的薄膜2.具有單一類型的區域並且由具有假立方晶體結構的電光材料組成的薄膜3.由具有立方晶體結構的電光材料組成的薄膜構成光波導3的下包層11、芯層12和上包層13的電光材料優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優良的鐵電材料，並且例如具有簡單的鈣鈦礦型結構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)。這裡，光波導3的每一個電光效應薄膜是通過外延生長形成的取向附生膜(epitaxial film)，並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構的電光材料，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)結構的電光材料，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。
偏轉電極4是在光波導3上例如以三角形而形成，並且當在偏轉電極4和應力消除層2之間施加預定電壓時，該偏轉電極4能夠以期望角度使入射光偏轉以輸出偏轉光。
這裡，將描述根據本實施例的光偏轉器的製造方法。
圖4A、圖4B和圖4C是按照工藝順序顯示根據第一實施例的光偏轉器的製造方法的橫截面示意圖。
首先，將應力消除層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)晶體取向並且由Nb1％-STO組成，由此形成具有大約100nm薄膜厚度的應力消除層2。
接下來，將光波導3形成在應力消除層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構並且生長成具有(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構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。這裡，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]；該穩定劑是CH3COCH2COCH3[2，4-戊二酮]；並且該溶劑是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的摩爾比設為101/9，並且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設為65/35。基板1通過旋轉塗布而塗覆有這種溶膠凝膠溶液，並且在氧氣環境中在350℃進行鍛燒並在750℃進行燒結。每道工藝可生長的薄膜厚度約為120nm，並且重複塗覆、鍛燒和燒結工藝直到獲得期望的薄膜厚度，在這裡約為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的摩爾比設為97/13，並且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設為70/30。基板1通過旋轉塗布塗覆有這種溶膠凝膠溶液，並且在氧氣環境中在350℃進行鍛燒並在750℃進行燒結。重複塗覆、鍛燒和燒結工藝，直到下包層11和上包層13都具有期望的薄膜厚度，在這裡約為3μm。
2.芯層12形成為具有單一類型的區域並且由具有假立方晶體結構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構的PLZT(0/30/70)合成物被使用。為PLZT製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的摩爾比設為110/0(100∶0)，並且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設為30/70。基板1通過旋轉塗布塗覆有這種溶膠凝膠溶液，並且在氧氣環境中在350℃進行鍛燒並在750℃進行燒結。重複塗覆、鍛燒和燒結工藝，直到芯層12具有期望的薄膜厚度，在這裡約為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的摩爾比設為101/9，並且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設為65/35。基板1通過旋轉塗布塗覆有這種溶膠凝膠溶液，並且在氧氣環境中在350℃進行鍛燒並在750℃進行燒結。重複塗覆、鍛燒和燒結工藝，直到下包層11和上包層13都具有期望的薄膜厚度，在這裡約為3μm。
圖5顯示了具有單一類型的區域的單層薄膜的光學特性，其中芯層12的PLZT具有這種合成物。
這裡，研究由於施加平行於(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TE模式和TM模式的折射率呈現幾乎相同的變化。
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構的電光材料組成的薄膜的情形具有立方晶體結構的材料被用作下包層11、芯層12和上包層13的材料。這裡，PLZT(13/70/30)合成物用於芯層12，並且PLZT(14/80/20)合成物用於下包層11和上包層13。具有這些合成物的每一個的PLZT在室溫中呈現基本立方的晶體。為PLZT製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的摩爾比設為97/13，並且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設為70/30。基板1通過旋轉塗布塗覆有這種溶膠凝膠溶液，並且在氧氣環境中在350℃進行鍛燒並在750℃進行燒結。重複塗覆、鍛燒和燒結工藝，直到芯層12具有期望的薄膜厚度，在這裡約為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的摩爾比設為96/14，並且Zr(OC3H7)4/Ti(i-OC3H7)4的摩爾比設為80/20。基板1通過旋轉塗布塗覆有這種溶膠凝膠溶液，並且在氧氣環境中在350℃進行鍛燒並在750℃進行燒結。重複塗覆、鍛燒和燒結工藝，直到下包層11和上包層13都具有期望的薄膜厚度，在這裡約為3μm。
圖6顯示了單層薄膜中的光學特性，其中芯層12由PLZT(13/70/30)合成物組成；並且圖7顯示了單層薄膜中的光學特性，其中下包層11和上包層13由PLZT(14/80/20)合成物組成。
這裡，研究由於施加平行於(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TE模式和TM模式的折射率呈現幾乎相同的變化。
隨後，偏轉電極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，以形成偏轉電極4。
通過前述工藝，本實施例的光偏轉器完成。
下述為當光波導3被形成以滿足本實施例光偏轉器的條件1時的結果。假定TM模式和TE模式的折射率的比被定義為表達式(4)，其中nTM是TM模式的折射率，並且nTE是TE模式的折射率，TM模式和TE模式的折射率的比產生極小值0.03％。
折射率比＝|(nTM-nTE)/nTM| (4)此外，假定TM模式和TE模式的電光效應的偏振相關性的比被定義為表達式(5)，其中r13是TE模式的電光效應，並且r33是TM模式的電光效應，這個偏振相關比產生極小值1.0％。
偏振相關比＝|(r33-r13)/r33|(5)此外，當光波導3被形成以滿足條件2時，折射率比和偏振相關比均分別產生極小值0.2％和1.5％。
另外，當光波導3被形成以滿足條件3時，折射率比和偏振相關比均分別產生極小值0.01％和0.5％。
如上所述，本實施例實現了一種利用電光效應以容易並穩妥地達到高速驅動的光偏轉器，其具有極為簡單的結構並且不會引起例如光學損耗的任何特性降低，並且其能夠進一步縮小尺寸。
第二實施例本實施例揭示一種本發明應用的光轉換器的具體結構。
圖8A和圖8B是顯示根據第二實施例的光轉換器的大體結構的示意圖。圖8A是僅顯示該光轉換器的主要構成部分的平面示意圖，圖8B是沿圖8A中的點劃線I-I的光轉換器的橫截面示意圖。使用相同的附圖標號或標記以指代與第一實施例中相同的構件等，並省略其詳細描述。
本實施例的光轉換器20被構成以使根據第一實施例的多個光偏轉器10被平行設置。
該光轉換器20是一種具有N×N(N等於或者大於2的整數，並且在附圖的示例中N＝4)排列的光轉換器，並且其包括具有光偏轉機構的主要構成部分21和通道形成部分22，主要構成部分21設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32。
通道波導32被構成以使下包層41和上包層43將芯層42夾在中間，在該芯層42中形成光路，並且該通道波導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直的微透鏡44，並且微透鏡44以相等間距平行設置。類似地，每一個輸出通道O1至O4在其後端具有微透鏡44，並且微透鏡44以相等間距平行設置。在通道波導32中，形成溝槽45，在溝槽45中安裝了主要構成部分21，並且各種布線層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，通過使由例如矽組成的通道基板31的表面熱氧化而形成具有大約5μm薄膜厚度的二氧化矽薄膜，隨後，在從該二氧化矽薄膜的表面到大約3μm深的二氧化矽薄膜中摻雜例如鎵，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。此後，具有大約2μm薄膜厚度的二氧化矽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。然後，例如使用CF4氣體作為蝕刻氣體以幹蝕刻上包層43、芯層42和下包層41，以圖案化形成溝槽45。
基本上，光轉換器20的主要構成部分21被構成以使第一實施例的光偏轉器10分別相應於輸入通道I1至I4和輸出通道O1至O4而設置，並且光波導3在那裡共用。
每一個光偏轉器10被構成以使光波導3經由應力消除層2被設置在元件基板1上，並且由一對偏轉電極4組成的稜鏡電極5被設置在光波導3上。也就是說，主要構成部分21被構成以使稜鏡電極5分別相應於輸入通道I1至I4和輸出通道O1至O4而設置在光波導3上。這裡，在每一個輸入通道I1至I4中的多個稜鏡電極5可以在多層中串聯設置，因此，多個稜鏡電極5可以設置在多層中的每一個輸出通道O1至O4中。在此情形中，根據設置在每個通道中的稜鏡電極5的數量能夠獲得大偏轉角。
這裡，光波導3被形成以使至少包括光波導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構並且生長成具有(100)晶體取向的電光材料組成的薄膜2.具有單一類型的區域並且由具有假立方晶體結構的電光材料組成的薄膜3.由具有立方晶體結構的電光材料組成的薄膜如圖8B所示，如上構成的主要構成部分21裝配在通道波導32的溝槽45中，其上、下面被反轉，以便光波導3和通道波導32的位置相互匹配，並且稜鏡電極5分別通過例如焊料球47而連接至預定布線層46。
下面將描述該光轉換器20的操作。
圖9是顯示光轉換器20的操作的橫截面示意圖。這裡，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的入射光射入在稜鏡電極5上。預定電壓已經施加在稜鏡電極5和反電極層2之間。施加該電壓引起光波導3的折射率的稜鏡式(prismatic)變化，以使入射光以非常小的角度向左或者向右偏轉，以作為信號光向例如輸出通道O2的方向傳播。如圖所示，在光轉換器20中，折射率和電光效應基本是偏振獨立的，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的差異。因此，其光傳播狀態可認為是相同的。然後，信號光射入在預定輸出通道例如輸出通道O2的前方設置的稜鏡電極5上，並且使其經受同該入射光相似的偏轉校正。然後，該信號光從輸出通道O2輸出。
這裡，作為本實施例的對比例，將使用圖10描述專利文獻1揭示的光轉換器的主要構成部分。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。
該主要構成部分被構成以使相應於每個輸入通道I1、I2和輸出通道O1、O2的一對稜鏡電極102、103(每個稜鏡電極的結構與稜鏡電極5的相同)設置在基板(未示出)上形成的並顯示出電光效應的光波導101上，並且每個二分之一波片104被插入在稜鏡電極102、103之間。應注意的是，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。這裡，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所示的光轉換器中，二分之一波片104被用來旋轉光的偏振方向，以使TE模式分量和TM模式分量相互置換。這樣，在輸入側和輸出側上的每片二分之一波片104自然就必需一對稜鏡電極102、103，這導致了與本實施例的光轉換器20相比複雜且較大的裝置。另一方面，本實施例的光轉換器20不需要二分之一波片或者在那裡相應附加的稜鏡電極，這就實現了更簡單且更小的裝置。
應當注意的是，本發明不限於上述實施例。例如，光偏轉器不僅可應用於光轉換器，還可應用於雷射印表機、條形碼閱讀機等等。
如至此所述，本實施例實現了一種利用電光效應以容易並穩妥地實現高速驅動的光轉換器20，其具有極為簡單的結構並且不會引起例如光學損耗的任何特性降低，而且能夠進一步減小尺寸。
本發明實現了一種利用電光效應以容易並穩妥地實現高速驅動的光元件，其具有極為簡單的結構並且不會引起例如光學損耗的任何特性降低，而且能夠進一步縮小尺寸，並且本發明還實現了一種應用該光元件的光轉換器。
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，權利要求的等效含義和範圍內的所有變化將被涵蓋在本發明中。本發明可以用不脫離本發明的精神或者實質特徵的其它具體形式來體現。
權利要求
1.一種光元件，包括基板；以及至少一層電光效應薄膜，形成在所述基板上方並且具有電光效應；其中所述電光效應薄膜具有至少一個偏振軸，並且所有的偏振軸對於入射光的TE模式分量相同，而且對於入射光的TM模式分量相同。
2.根據權利要求1的光元件，其中所述電光效應薄膜具有至少一種類型的區域，並且所述區域的所有偏振軸對於入射光的TE模式分量相同，而且對於入射光的TM模式分量相同。
3.根據權利要求2的光元件，其中所述電光效應薄膜由具有斜方六面體結構的電光材料組成，並且該電光材料在(100)方向上生長。
4.根據權利要求3的光元件，其中所述電光效應薄膜在主面上具有(100)晶體取向的所述基板上方生長。
5.根據權利要求2的光元件，其中所述電光效應薄膜由具有假立方晶體結構的電光材料組成，並且具有單一類型的區域。
6.一種光元件，包括基板；以及至少一層電光效應薄膜，形成在所述基板上方並且具有電光效應；其中所述電光效應薄膜由具有立方晶體結構的電光材料組成。
7.根據權利要求1的光元件，其中所述基板由主要成分是SrTiO3的材料組成。
8.根據權利要求1的光元件，其中所述電光效應薄膜通過外延生長形成。
9.根據權利要求1的光元件，其中進一步包括光波導，包括至少一層所述電光效應薄膜。
10.根據權利要求9的光元件，其中進一步包括應力消除層，設置在所述基板與所述光波導之間，以消除對該光波導有影響的所述基板的應力。
11.根據權利要求1的光元件，其中所述電光效應薄膜具有簡單的鈣鈦礦型結構。
12.根據權利要求1的光元件，其中所述電光效應薄膜具有至少一層鎢青銅型結構。
13.根據權利要求1的光元件，其中所述電光效應薄膜具有至少一層鉍層疊結構。
14.一種光轉換器，包括光波導，包括至少一層電光效應薄膜；多個輸入通道，平行地形成在所述光波導上的一端，以接收光信號；為所述各個輸入通道設置的第一光偏轉器；多個輸出通道，平行地形成在所述光波導上的另一端，以輸出光信號；以及為所述各個輸出通道設置的第二光偏轉器；其中該電光效應薄膜具有至少一個偏振軸，並且所有偏振軸對於入射光的TE模式分量相同，而且對於入射光的TM模式分量相同。
15.根據權利要求14的光轉換器，其中所述電光效應薄膜具有至少一種類型的區域，並且所述區域的所有偏振軸對於入射光的TE模式分量相同，而且對於入射光的TM模式分量相同。
16.根據權利要求15的光轉換器，其中所述電光效應薄膜由具有斜方六面體結構的電光材料組成，並且該電光材料在(100)方向上生長。
17.一種光轉換器，包括光波導，包括至少一層電光效應薄膜；多個輸入通道，平行地形成在所述光波導上的一端，以接收光信號；為所述各個輸入通道設置的第一光偏轉器；多個輸出通道，平行地形成在所述光波導上的另一端，以輸出光信號；以及為所述各個輸出通道設置的第二光偏轉器；其中所述電光效應薄膜由具有立方晶體結構的電光材料組成。
全文摘要
本發明涉及一種光波導的芯層被生長為由具有斜方六面體結構的電光材料組成並且在主面上具有(100)晶體取向的基板上方生長的薄膜。本發明的一個目的在於提供一種利用電光效應以容易並穩妥地實現高速驅動的光元件，其具有極為簡單的結構並且沒有例如光學損耗的任何特性降低，並且能夠實現進一步縮小尺寸；本發明還提供一種應用該光元件的光轉換器。該光元件包括基板；及至少一層電光效應薄膜，形成在該基板上方並且具有電光效應，該電光效應薄膜具有至少一個偏振軸，並且所有偏振軸對於入射光的TE模式分量相同，而且對於入射光的TM模式分量相同。該光轉換器包括光波導，多個輸入通道，第一光偏轉器，多個輸出通道，以及第二光偏轉器。
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 優先權日2004年11月26日
發明者佐藤桂輔, 近藤正雄, 石井雅俊 申請人:富士通株式會社