光学器件和使用该光学器件的光学收发器的制作方法

摄影电影;光学设备的制造及其处理,应用技术1.本文献涉及光学器件和使用该光学器件的光学收发器。背景技术：2.在用于光数据发送的发送器前端电路中，也称为光学调制器的电光调制器用于根据数据信号调制光的强度。在具有电光效应(electro-optic effect)的结晶铌酸锂(ln)等上制造利用电光效应调制光束的光学调制器。为了制造电光调制器，通过从基板的表面扩散诸如钛(ti)这样的金属而在基板中形成光波导，并且经由共平面电极与光波导之间的缓冲层在光波导的上方设置共面电极。参见例如以下提出的专利文献1。3.ti扩散波导与ln基板的折射率的差异小，并且光约束效应弱。利用典型的ln调制器，电场应用效率不足，并且驱动电压倾向于增大。通过形成具有ln晶体薄膜的波导来取代常规的ti扩散波导，光约束得以改善。4.上述的现有技术文献是：5.专利文献1：日本专利申请公开no.2008-89936技术实现要素：6.要解决的技术问题7.在形成具有ln晶体薄膜的光波导时，于薄ln晶体膜的顶部和底部设置折射率低于ln晶体折射率的包覆层或缓冲层，以便将光束约束在ln波导内。当经由缓冲层施加dc偏压时，由于缓冲层处的电压降，施加到光波导的电场会变弱。在这种情况下，dc偏压漂移(dc bias drift)将在正方向(即，需要增加偏压的方向)上偏移(shift)。dc偏压漂移是光学调制器的工作点或光输出功率随时间变化的现象，因为连续施加电压导致干涉条件变化。如果朝向正方向的dc偏压漂移的变化超过一定程度，则即使施加了dc偏压，电光调制也不能再正确地执行。光学器件的工作寿命缩短，并且长期可靠性受损。8.本发明的目的之一是提供在施加偏压下具有长期工作可靠性的光学器件。9.技术方案10.在实施方式中，一种光学器件包括：基板；分层结构，该分层结构设置在所述基板上，所述分层结构包括顺序堆叠的中间层、由具有电光效应的薄晶体膜形成的光波导和缓冲层；以及电极，该电极设置在所述缓冲层上或所述缓冲层上方并向所述光波导施加直流电压。所述中间层的电阻率(resistivity)高于所述缓冲层的电阻率。11.有益效果12.即使在施加偏压时，也实现了具有长期操作可靠性的光学器件。附图说明13.图1a是由薄膜ln波导形成的典型光学调制器的示意性截面图；14.图1b是图1a中例示的光学调制器的等效电路图；15.图2是根据实施方式的光学调制器的示意性平面图；16.图3是实施方式的光学调制器的示意性截面图；17.图4是图3中例示的光学调制器的等效电路图；18.图5例示了与图1a的光学调制器的漂移特性相比的实施方式的光学调制器的漂移特性；19.图6a例示了根据实施方式的光学调制器的制造处理；20.图6b例示了根据实施方式的光学调制器的制造处理；21.图6c例示了根据实施方式的光学调制器的制造处理；22.图6d例示了根据实施方式的光学调制器的制造处理；23.图6e例示了根据实施方式的光学调制器的制造处理；24.图6f例示了根据实施方式的光学调制器的制造处理；25.图6g例示了根据实施方式的光学调制器的制造处理；以及26.图7是应用了实施方式的光学调制器的光学收发器的示意图。具体实施方式27.在描述根据实施方式的光学调制器的配置之前，针对关于在由薄膜ln波导形成的光学调制器中发生dc偏压漂移的变化的技术问题进行更详细的说明。28.图1a是由薄膜ln晶体(在图中被标记为“ln-wg”)的光波导形成的典型光学调制器的示意性截面图。图1b例示了图1a的光学调制器的等效电路图。光波导ln-wg形成在支承基板(在图中被标记为“sub”)上，并且夹在自上而下的第一缓冲层buf1和第二缓冲层ubf2之间。信号电极s和接地电极g设置在第一缓冲层buf1上，从而形成共面型电极结构。29.一般来说，因制造工艺的简单性，第一缓冲层buf1和第二缓冲层buf2由相同的材料形成。因此，第一缓冲层buf1和第二缓冲层buf2的体积电阻率相同。30.参考例示了等效电路的图1b，在从底部起顺序堆叠的基板sub、第二缓冲层buf2、光波导ln-wg和第一缓冲层buf1的分层结构中产生串联电阻rss、rsb2、rsl和rsb1。另外，还产生并联电阻rps、rpb2、rpl和rpb1。光波导ln-wg和第二缓冲层buf2的电阻连接到第一缓冲层buf1的串联电阻rsb1。31.当在信号电极s和接地电极g之间施加电压时，由于第一缓冲层buf1中的电压降，光波导ln-wg和第二缓冲层buf2的电阻变得更小。结果，第一缓冲层buf1的串联电阻rsb1相对增大，并且电压降的影响变得明显。施加到光波导ln-wg的电场变弱，并且dc偏压漂移朝向正方向偏移，这需要增大dc偏压以便适当地保持工作点。32.为了克服第一缓冲层buf1中的电压降的不利影响，实施方式提供了改进的结构。在实施方式中，由薄膜ln晶体形成的光波导夹在缓冲层和中间层(二者的折射率都低于光波导)之间。中间层的电阻率大于缓冲层的电阻率，由此抑制了缓冲层中的电压降。在下面的描述中，除非另有指定，否则术语“电阻率”意指体积电阻率。33.图2是作为光学器件示例的根据实施方式的光学调制器10的示意性平面图。下面描述的实施方式的配置也适用于诸如光学开关、光学滤波器等这样的其他光学器件，或者适用于光学器件与激光二极管、光电二极管等集成在一起的光子集成电路。34.光学调制器10是由基板101上的光波导11形成的马赫-曾德尔(mach-zehnder，mz)光学调制器。为了方便起见，光传播方向被指示为x方向，光学调制器10的高度方向为z方向，并且与x方向和z方向正交的方向为y方向。35.光波导11由脊型薄膜晶体波导形成，如随后将描述的。在光学调制器10的一端(例如，在-x侧)，光波导11被分为两个，并且平行地形成用于x偏振的iq调制器和用于y偏振的iq调制器。在光学调制器10的另一端(例如，在+x侧)，两个iq调制器的输出由偏振波束组合器(pbc)组合。在该示例中，光学调制器10是基于偏振复用iq调制的4通道调制器。36.iq调制器具有用于x偏振和y偏振中的每一个的i通道和q通道。整个iq调制器被称为父mz或主mz(mmz)。形成iq调制器的i通道和q通道中的每一个的mz干涉仪被命名为子mz或副mz(smz)。37.光学调制器10设置有rf电极110和dc电极120。rf电极110和dc电极120具有例如共面结构。38.rf电极110包括rf信号电极110s和rf接地电极110g。当在堆叠方向上观察时，rf信号电极110s和rf接地电极110g形成在光波导11上方的同一层中。rf信号电极110s用于将rf信号输入到分别形成i通道和q通道的每个子mz的光波导11。39.具有几十ghz频带的高速率电信号被输入到rf信号电极110s，以执行高速电光调制。在向rf信号电极110s施加信号电压时，由于在光波导11中产生的电场，导致光波导11的折射率改变，并且通过光波导11行进的光的相位改变。光输出水平根据构成i通道和q通道的波导之间的光学相位的差异而改变。40.dc电极120包括dc信号电极120s和dc接地电极120g。当在堆叠方向上观察时，dc信号电极120s和dc接地电极120g形成在光波导11上方的同一层中。向dc信号电极120s施加dc偏压，以便调整mz干涉仪的相位。dc信号电极120s包括设置于父mz的光波导11以向父mz干涉仪施加dc偏压的dc信号电极120s(mmz)以及设置于子mz的光波导11以向子mz干涉仪施加dc偏压的dc信号电极120s(smz)。41.施加到子mz(smz)的dc信号电极120s的dc偏压用于将i通道和q通道的工作点保持在所期望的点(例如，光输出功率为峰值功率的1/2的点)。dc偏压被控制为使得电信号的开(on)和关(off)对应于光信号的开和关。42.用于x偏振的i通道和q通道被组合以生成iq信号，并且用于y偏振的i通道和q通道被组合以生成另一iq信号。iq信号中的任一iq信号经受偏振平面的旋转，然后在pbc处与另一iq信号组合，由此生成偏振复用光信号。43.图3是在dc电极120设置于图2的光学调制器10的区域中截取的示意性截面图，并且图4是图3的配置的等效电路图。光学调制器10具有基板101上的多层结构109，在该多层结构109中顺序地设置有中间层102、由具有电光效应的薄晶体膜103形成的光波导11和缓冲层105。在缓冲层105上设置有具有共面构造的dc信号电极120s和dc接地电极120g。44.基板101是用于支承光学调制器10的支承基座。基板的类型不受特别限制，并且可以使用诸如ln基板、litao3基板、al2o3基板、硅(si)基板、石英基板等这样的适合于支承光学调制器的任何基板。在堆叠方向上夹住由薄晶体膜103形成的脊形光波导11的中间层102和缓冲层105可以用作包覆层(clad layer)，以约束光波导11内的光。45.中间层102由电阻率比缓冲层105的电阻率高的材料制成，以便有效地将从dc电极120施加的电场集中到光波导11中。中间层102可以由sio2或sio2与诸如tio2、zro2等这样的其它氧化物的混合晶体形成。46.由薄晶体膜103形成的光波导11由诸如ln、litao3或linbo3与litao3的混合晶体这样的具有高电光效应的晶体制成。光波导11的脊部的高度例如为几百纳米(nm)至500nm。47.覆盖光波导11和薄晶体膜103的缓冲层105由与光波导11的折射率差异尽可能大并且电阻率比中间层102的电阻率低的材料制成。缓冲层105可以由向sio2基材中添加掺杂物的材料形成。通过将缓冲层105的电阻率设置为比中间层102的电阻率低，可以减小缓冲层105中的电压降，并且抑制了正方向上的dc漂移。48.缓冲层105的成分可以被选择为，使得缓冲层105的电阻率低于构造光波导11的薄晶体膜103的电阻率。在这种情况下，光波导11和中间层102的电阻率比缓冲层105的电阻率高，并且进一步抑制了缓冲层105中的电压降的影响。49.参照图4的等效电路，缓冲层105的串联电阻rsb、ln薄膜的光波导11的串联电阻rsl、中间层102的串联电阻rsh和基板101的串联电阻rss从dc信号电极s起顺序地形成为多层结构。另外，在dc信号电极s和dc接地电极g之间产生缓冲层105的并联电阻rpb、ln薄膜的光波导11的并联电阻rpl、中间层102的并联电阻rph和基板101的并联电阻rps。50.就在施加dc偏压之后，在dc信号电极s和光波导11之间累积的负电荷量以及在dc接地电极g和光波导11之间累积的正电荷量小，并且在每个层中电容占主导地位。在经过了足够的时间之后，通过相应层的电阻值之间的关系来调节施加到光波导11的电压。特别地，缓冲层105的串联电阻rsb中的电压降影响与rsb串联连接的光波导11和中间层102的电阻，并成为引起dc漂移的主要因素。至于并联电阻rp，因为向相应层施加相同的电压v，所以对dc漂移几乎没有影响。51.通过降低缓冲层105的电阻并抑制缓冲层105中的电压降，电场可以集中到光波导11中，并且可以抑制dc漂移在正方向上的偏移。如果中间层102和缓冲层105由具有相同成分的相同材料制成，则如以上参考图1b描述的，与缓冲层105的串联电阻rsb连接的光波导11和中间层102的电阻将减小，并且施加到光波导11的电场减小。52.相比之下，在实施方式中，中间层102的电阻率被设置为大于缓冲层105的电阻率。通过增加中间层102的电阻率，与缓冲层105的rsb串联连接的中间层102的串联电阻rsh可以相对于串联电阻rsb增加。dc漂移初始地取决于电容，但从长远来看，dc漂移是通过电阻调节的。保持中间层102的串联电阻rsh相对高以便抑制缓冲层105中的电压降是防止dc漂移在正方向上偏移的有效对策。因此，装置的寿命延长并且可以实现长期可靠性。53.除了中间层102与缓冲层105之间的电阻关系之外，光波导11的电阻率可以被设置为大于缓冲层105的电阻率。通过将光波导11的电阻率设置为大于缓冲层105的电阻率，与缓冲层105的串联电阻rsb连接的光波导11和中间层102的电阻的总和可以进一步增加。结果，电场更高效地集中到光波导11中，并且可以抑制缓冲层105中的电压降的不利影响。54.具有电光效应的薄晶体膜的电阻率主要由材料决定。因此，通过调整添加的掺杂物和/或膜形成条件，可以高效地控制缓冲层105或中间层102的电阻。为了降低缓冲层105的电阻，可以将诸如铍(be)或铝(al)这样的杂质离子以预定浓度添加到sio2基材中。在对诸如化学气相沉积(cvd)或溅射这样的膜形成过程的控制下，可以通过增加膜密度或膜形成期间引入的氧的量来增加中间层102的电阻。55.如果中间层102的电阻率低于光波导11的电阻率，或者如果中间层102薄，则不可以忽略基板101的串联电阻rss的影响。在这种情况下，为了增加中间层102的串联电阻rsh，期望的是增加中间层102的厚度，以便比薄晶体膜103和光波导11厚。另选地，基板101的电阻率可以被设置为大于缓冲层105的电阻率，以减小缓冲层105中的电压降的影响。高电阻基板的示例包括但不限于al2o3基板和litao3基板。56.图5例示了与图1a中例示的光学调制器的漂移特性相比的实施方式的光学调制器10的漂移特性。实线a表示实施方式的光学调制器10的漂移，并且虚线b表示图1a的光学调制器的漂移。横轴表示时间(分钟)，并且纵轴表示被表示为dc漂移(δv)相对于所施加电压(±v伏)的百分比的漂移量。漂移0％表示在给定的dc偏压下实现致使输出电力从零变化为峰值的vπ驱动的状态。57.如虚线b所例示的，利用图1a的配置，dc漂移初始地逐渐在负方向上偏移，然后切换到正方向上的快速变化。在200分钟后，dc漂移超过+50％。可调整的dc漂移的粗略标准为50％，因此，图1a的配置不能够进行调制。58.利用其特性由实线a例示的实施方式的光学调制器10，dc漂移在负方向上偏移，并在经过了几十分钟后变得几乎恒定。只要dc漂移在负方向上偏移，就可以通过减小所施加的dc偏压将工作点校正为最佳点。在实施方式中，因为缓冲层105中的电压降保持得小并且因为电场足够地施加到光波导11，因此dc漂移方向保持在负方向上。59.图6a至图6g例示了根据实施方式的光学调制器10的制造处理。图6a至图6g中例示的步骤只是在制造光学调制器10期间可以采用的示例，并且本发明不限于下述的材料、参数、条件等。60.在图6a中，通过cvd法、溅射法等在基板101的整个表面上方形成中间层102。中间层102由电阻率比将在后续工艺中形成的缓冲层高并且折射率比将在后续处理中形成的光波导低的材料制成。中间层102可以是sio2层、sio2与tio2的混合晶体层、sio2与zro2的混合晶体层等。在形成中间层102时，可以控制膜形成条件，使得中间层102的电阻率比将后续步骤中形成的缓冲层的电阻率高。使用具有氧化膜的si基板，可以按需要将基板或氧化膜处理成所期望的厚度。61.在图6b中，制备用于形成用于光波导的薄晶体膜的基板140。在该示例中，基板140是ln基板。通过用离子束照射基板140的主表面来形成离子注入层141。通过控制注入能量，离子可以被注入到所期望的深度。例如，离子注入层141的厚度可以为500nm至几微米。离子可以是氢离子、氦离子、氩离子等。基板的尚未经历离子注入的其余部分用作支承层142。62.在图6c中，基板140的离子注入层141被结合到中间层102。在结合之前，可以用湿化学物质、臭氧、等离子体等对离子注入层141和中间层102中的至少一个的结合表面进行表面激活。63.在图6d中，对结合的晶片执行诸如退火这样的热处理，以分离支承层142。通过热处理，在离子注入层141与支承层142之间的界面处产生微腔，由此可以从离子注入层141去除支承层142。在去除之后，可以通过化学机械抛光(cmp)对离子注入层141的表面进行平坦化。64.在图6e中，对离子注入层141进行刻蚀，以制造由薄ln晶体膜103形成的脊型光波导11。光波导11的脊的高度例如为200nm至300nm，并且宽度例如为300nm至500nm。65.在图6f中，通过溅射等，在整个表面上形成缓冲层105。因此，获得了具有顺序堆叠的中间层102、薄晶体膜103的光波导11和缓冲层105的多层结构。例如，缓冲层105的厚度为约0.5μm至1μm的sio2膜。在形成缓冲层105期间，可以引入杂质元素，以便将缓冲层105的电阻率设置为比中间层102的电阻率低，更优选地，比中间层102和光波导11的电阻率低。66.减小缓冲层105的串联电阻对于抑制缓冲层105中的电场下降是有效的。然而，如果缓冲层105的电阻减小得太多，则由于电流流动增加，调制效率降低，这也可能造成电极之间的短路。因此，在降低缓冲层105的电阻方面存在限制。该问题可以通过将中间层102的电阻率设置为甚至比光波导11的电阻率高来解决。67.如以上描述的，由薄晶体膜103形成的光波导11的电阻率由晶体材料的成分决定。取决于材料，可能难以在光波导11与缓冲层105之间提供足够的电阻率差异。在这种情况下，优选的是，通过控制中间层102的膜形成条件，将中间层102的电阻率设置为比光波导11的电阻率大，或者将中间层102设置为比薄晶体膜103和光波导11厚。利用该布置，可以增加与缓冲层105的电阻串联连接的光波导11和中间层102的总电阻。68.在设计时，在选择了薄晶体膜103的材料之后，首先将缓冲层105的电阻率设置为比光波导11的电阻率低的水平且不引起短路或调制效率下降的水平。然后，将中间层102的电阻率设置为比光波导11的电阻率高。在该设计中，从缓冲层105、光波导11到中间层102，电阻率按升序增加。通过控制膜形成条件，可以容易地调整中间层102的电阻率。在形成缓冲层105之后，可以使其表面平坦化。69.在图6g中，在缓冲层105上形成dc信号电极120s和dc接地电极120g，并且制造光学调制器10。在光学调制器10中，中间层102的电阻率比缓冲层105的电阻率高，并且抑制了缓冲层105中的电压降。电场被高效地集中到光波导11上，并且抑制了dc漂移在正方向上的移位。结果，实现了具有长期可靠性的光学器件。70.《应用于光学收发器》71.图7是应用了光学调制器10的光学收发器1的示意图。在该示例中，光学收发器1包括光学发送器电路2、光学接收器电路3、数字信号处理器(dsp)5和激光二极管(ld)4。72.光学发送器电路2具有根据实施方式的光学调制器10和偏压控制电路9。偏压控制电路9控制施加到光学调制器10的dc偏压。偏压控制电路9可以通过将监测电路与诸如现场可编程门阵列(fpga)这样的逻辑器件或与软件程序组合来配置。在光学调制器10中，抑制了正方向的dc漂移偏移，并且即使在dc偏压控制操作期间，也保证了长期可靠性。73.光学发送器电路2可以包括将高速驱动信号输入到光学调制器10的rf电极110的驱动器电路。dsp 5输出数字数据信号。数字数据信号被转换为高速模拟信号，然后被供应到光学调制器10的rf电极110。从id 4输出的光束在光学调制器10处被rf信号调制。调制后的光信号被输出到诸如光纤电缆这样的光传输线路6。74.光学接收器电路3将从诸如光纤电缆这样的光传输线路7接收到的光信号转换为电信号。光学接收器电路3例如是相干接收器电路，其使用从ld 4输出的光束作为参考光(或本地振荡光)，检测正交偏振分量和每个偏振分量的同相位(i相位)和正交相位(q相位)的信号分量。检测到的光分量被转换为电信号，该电信号接着在dsp 5中经历诸如波形整形或均衡这样的信号处理并被解码。75.上述实施方式是例示性的，并且能料想到各种替换和改变。基板101可以由折射率比薄晶体膜13和光波导11的折射率低的材料制成，并且它可以被用作包覆层的部分。实施方式的配置不仅适用于光学调制器，而且还适用于诸如光学开关或光学滤波器这样的另一光学器件以及这些光学器件与波长可调谐激光器集成在一起的光子集成电路。光学调制器10不限于双偏振调制方案，并且适用于需要通过施加dc偏压来控制工作点的任何调制方案，包括16进制正交振幅调制(16qam)和正交相移键控(qpsk)。在任一情况下，都抑制了dc漂移在正方向上的偏移，并且可以实现具有长期可靠性的紧凑的光学调制器。









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