介质光波导器件

介质光波导器件

本发明一般地涉及一种介质光波导器件，更具体地涉及一种经改进的旨在使这种介质光波导器件具有高度可靠性和长使用寿命的技术。

光波导器件属于一种象光调制器之类的光学器件。这种光波导器件有其优点：从结构上看，容易减小其尺寸和重量；并且能够用平面型技术或类似技术成批生产。尤其是，其中一种铁电光波导器件，能够按照所加电压来控制折射率，从而被用于各式各样的光学器件。这种铁电介质光波导器件含有一个由铁电晶体形成的基片；一个在该基片中由金属或金属氧化物热扩散形成的光波导管；和一对安置在基片上的金属电极。

举例来说，一个常规的介质光波导器件含有一个由铁电晶体形成的基片；一个在基片部分表面上由金属或金属氧化物热扩散形成的光波导管；一个在借以形成光波导管的基片的表面上形成的绝缘缓冲层；一个在该缓冲层上形成的半导体薄膜；和一对在该半导体薄膜上彼此间以间隔关系安置的金属电极。

为什么在基片上形成绝缘缓冲层的理由是减少电极的光吸收；为什么在半导体薄膜上安置电极的理由是为了避免由温度变化所致的热电效应产生的电荷在电极下面的聚集。从可制造性、稳定性等来看，半导体薄膜由硅(Si)制成；电极由金(Au)制成。

然而，对常规介质光波导器件来说，在硅半导体薄膜或类似薄膜到金电极或类似电极的接合部位，会发生固相合金化反应。在硅与金之间发生固相合金化反应的情况下，生成硅化金。这个反应随着时间的推移而继续进行下去，最终引起该对电极短路的问题。尤其是，温度越高，固相合金化反应进程就越快，使上述问题变得更严重。

一般说来，固相合金化反应是一种发生在一种金属固体和另一种同它接合的固体之间的化学变化；即一种金属固体的金属分子或原子经扩散进入同它接合的固体中，从而使合金化继续发展的反应。一般说来，温度越高，发展速度就越快。

因此，本发明之目的在于提供一种能够抑制电极间短路，从而取得高度可靠性和长使用寿命效果的介质光波导器件。

根据本发明第一种情况提供的介质光波导器件含有一个借以形成光波导的电介质基片；一个在所述基片上形成的绝缘缓冲层；一个在所述缓冲层上形成的半导体薄膜；一对旨在与所述基片中形成的所述光波导管相配而彼此间以间隔关系安置的金属电极；和一个置于所述半导薄膜与所述电极之间的绝缘扩散抑制层。

可以在半导体薄膜上均匀地形成扩散抑制层，以覆盖该对电极间的区域。另一方面，也可以用一对彼此间隔开的扩散抑制层，以完全与该对电极相对应的方式，来形成该扩散抑制层。

基片可由铌酸锂(LiNbO3)制成；半导体薄膜可由硅(Si)制成；电极可由金(Au)制成；缓冲层和扩散抑制层可由二氧化硅(SiO2)制成。扩散抑制层的厚度最好选定小于缓冲层的厚度。

根据本发明第二种情况提供的介质光波导器件含有一个借以形成光波导管的电介质基片；一个在所述基片上形成的绝缘缓冲层；一个在所述缓冲层上形成的半导体薄膜；一对旨在与所述基片中形成的所述光波导管相对应而彼此间以间隔关系安置的金属电极；和一对旨在置于所述半导体薄膜与所述电极之间而制成的、和旨在完全与所述电极相对应而彼此间隔开的扩散抑制层。所述扩散抑制层由金属制成，该金属在与所述半导体薄膜发生固相合金化反应时的扩散常数，小于在所述电极和所述半导体薄膜之间发生固相合金化反应时的扩散常数。

发生固相合金化反应时的扩散常数是一个表示金属在它与其接合基体之间发生固相反应时的扩散程度的数值。

基片可由铌酸锂(LiNbO3)制成；半导体薄膜可由硅(Si)制成；电极可由金(Au)制成；扩散抑制层可由下列一种金属或该种金属的合金制成：铝(Al)，钛(Ti)，铬(Cr)，镍(Ni)，铜(Cu)，锌(Zn)，镓(Ga)，锗(Ge)，银(Ag)，铟(In)，和铂(Pt)。

根据本发明第三种情况提供的介质光波导器件含有一个借以形成光波导管的电介质基片；一对旨在与所述基片中形成的光波导管相配而彼此间以间隔关系安置的金属电极；一个置于所述基片与所述电极之间的主层，所述主层有一个形成在与介于所述电极对之间的区域相对应的一个区段中的主半导体区段，以便在长度上沿所述电极对置区段延伸，和一个为了包围所述主半导体区段而制成的主绝缘区段；一个置于所述主层与所述电极之间的次层，所述次层有一个为了与所述主半导体区段大体上相对应而制成的次绝缘区段，和一个为了包围所述次绝缘区段和为了与所述主半导体区段的周围区段相接合而制成的次半导体区段。

基片可由铌酸锂(LiNbO3)制成。主层的主半导体区段和次层的次半导体区段可由硅(Si)制成；电极可由金(Au)制成。主层的主半导体区段可以含有多个互相隔开的半导体区段；次层的次绝缘区段可以含有多个互相隔开的绝缘区段。

根据本发明的第一方面，绝缘扩散抑制层置于半导体薄膜与一对电极之间，从而抑制半导体薄膜与电极之间的固相合金化反应。因此，该对电极随着时间的推移而通过半导体薄膜短路的问题，能被减轻，从而使介质光波导器件具有高的可靠性和长的使用寿命。

在半导体薄膜是由硅制成的情况下，有理由使用二氧化硅作扩散抑制层材料，因为在制作过程中容易制成二氧化硅薄膜形式的扩散抑制层：先在缓冲层上制成半导体薄膜，然后加热以氧化该半导体薄膜的表面。

虽然扩散抑制层厚度越厚，抑制固相合金化反应的效果越好，但扩散抑制层厚度最好选定至少小于缓冲层厚度，因为扩散抑制层过厚会召致要加到电极上的激励电压的增加。

根据本发明的第二方面，由金属制成的扩散抑制层被置于半导体薄膜和一对电极之间，从而抑制半导体薄膜和电极之间的固相合金化反应。因此，该对电极随着时间的推移而通过半导体薄膜短路的问题，能够被减轻，从而使介质光波导器件具有高的可靠性和长的使用寿命。

制成扩散抑制层的金属，在与半导体薄膜发生固相合金化反应时的扩散常数，必须小于在电极和半导体薄膜之间发生固相合金化反应时的扩散常数，且各扩散抑制层必须在电气上互相隔离，因为一定不许在该对电极之间发生短路。

根据本发明第三方面，次绝缘区段存在于介乎对电极之间的次层区段之中，以便在其长度上沿电极对置区段延伸。此外，主半导体区段存在于主层之中，以便与次绝缘区段大体上对应。因此，次绝缘区段阻止电极和次半导体区段之间固相合金化反应的发展，使固相合金化反应发展的途径复杂化。据此，到该对电极随时间推移而被短路为止的时期，能够被延长，从而使介质光波导器件获得高的可靠性和长的使用寿命。

可以预料，次层中次绝缘区段的设置会防碍于次层的原来作用，以致由于在电极下面产生不均匀电荷分布而致的特性上的变化(温度漂移)受到抑制。然而，这样一种可能性是可消除的，因为主半导体区段可补偿次绝缘区段。

当主层的主半导体区段含有多个互相间隔开的半导体区段，并且次层的次绝缘区段含有多个互相间隔开的绝缘区段时，固相合金化反应发展的途径，能够被进一步复杂化，从而使介质光波导器件取得高的可靠性和长的使用寿命。

参考本发明某些优选的实施例的说明性附图，从下面描述和所附权利要求书的研究，最能了解发明本身，并且会使本发明的上述和其它目的、特征、和优点，以及实现它们的方式，变得更清楚。

图1是本发明第一个优选实施例的断面图；图2是本发明第一个优选实施例的俯视图；图3是本发明第二个优选实施例的断面图；图4是本发明第三个优选实施例的断视图；图5是本发明第三个优选实施例的俯视图；图6A-6F是本发明第三个优选实施例的说明制作过程的断面图。

现在将参照图描述本发明的一些优选实施例。图1和2说明本发明第一个优选实施例。更具体地说，图1和2分别是马赫一策德尔(Mach-Zehnder)光调制器主要部分的断面图和俯视图。

参考图1和2，参考数字1表示由铌酸锂(LiNbO3)的Z切割晶片制成的基片。在基片1的上表面里制成一对光波导管2。该对光波导管2是在其两端附近互相连接的。在基片1的上表面里，用象钛(Ti)这样的金属，经热扩散而制成光波导管2，从而在金属被热扩散的区段提高折射率。

参考数字3表示一对由金(Au)制成的电极，这对电极3要制得分别与该对光波导管2相配。电极3之一是行进波控制电极；另一个是接地电极。缓冲层4由二氧化硅(SiO2)制成，它是在基片1的上表面上均匀地形成的；而光波导管2是在基片1里形成的。对于相应地位于光波导管2上方的电极3来说，缓冲层4用来减少其光吸收。

高电阻半导体薄膜5由硅(Si)制成，它是在缓冲层4上均匀地形成的。构成基片1的铌酸锂晶体具有大的热电效应，因此基片1的温度变化会在基片1上表面上产生电荷，并且这些电荷被集中在电极3的下面，从而影响光波导管2的折射率。在光调制器情况下，这种对光波导管2的影响会使工作点发生变化(温度漂移)，导致工作不稳定。半导体薄膜5用于防止这样一种温度漂移。

此外，一个由二氧化硅(SiO2)制成的绝缘薄膜6用作扩散抑制层，它是在半导体薄膜上均匀地形成的。绝缘薄膜6是容易生成的，举例来说，先制成其厚度大于所需厚度的半导体薄膜5，然后通过加热来氧化半导体薄膜5的表面。此外，绝缘薄膜6的厚度最好选定小于缓冲层4的厚度，以防由于绝缘薄膜6的绝缘性质变化而使加到电极3上的激励电压变大。电极3是用蒸气沉淀法、电镀法等方法在绝缘薄膜6上制成的。

现在简要地描述这种光调制器的工作原理。来自该对光波导管2的一个连接端的入射光被分成两部分，这两束光又被引入该对光波导管2中。在对电极3加激励电压时，由于光电效应而在两束光之间产生相差。然后，这两束光又被偶合，从而得到光信号输出。当所加激励电压使两束光之间的相差成为例如零或π时，就能得到一个接通一断开脉冲信号。

根据这个优选实施例，绝缘膜6被置于半导体薄膜5与这对电极3之间。这就是说，电极3不直接连接到半导体薄膜5。因此，能够抑制电极3与半导体薄膜5之间的固相合金化反应。据此，该对电极3随时间推移而短路的问题，能够被减轻，从而获得有着高可靠性和长使用寿命的光调制器。

图3表示本发明第二个优选实施例，更具体地说，图3是马赫一策德尔光调制器主要部分的断面图。与第一个优选实施例相同的部分用相同的参考数字表示，只有不同部分才另加说明。

在上述第一个优选实施例中，用绝缘薄膜6作扩散抑制层而置于半导体薄膜5与对电极3之间；而在第二个优选实施例中，则用一对金属薄膜7作扩散抑制层而置于半导体薄膜5与对电极3之间。该对金属薄膜7要制作得与该对电极3相配，并且彼此间在电气上绝缘。

金属薄膜7由象铬(Cr)这样的材料制成，它与半导体薄膜5(Si)发生固相合金化反应时的扩散常数，小于在电极3(Au)与半导体薄膜5(Si)之间发生固相合金化反应时的扩散常数。制成金属薄膜7的其它材料实例有铝(Al)，钛(Ti)，镍(Ni)，铜(Cu)，锌(Zn)，镓(Ga)，锗(Ge)，银(Ag)，铟(In)，铂(Pt)，及其合金。

根据这个优选实施例，金属薄膜7被置于半导体薄膜5与对电极3之间；并且在金属薄膜7与半导薄膜5之间发生固相合金化反应时的扩散常数，小于在电极3与半导体薄膜5之间发生固相合金化反应时的扩散常数。因此，半导体薄膜5固相合金化反应的发展，同现有技术结构相比，能够被减弱。据此，该对电极3随时间推移而短路的问题，能够被减轻，从而获得有着高可靠性和长使用寿命的光调制器。

图4至6说明本发明第三个实施例。更具体地说，图4与5分别是马赫-策德尔光调制器主要部分的断面图和俯视图，图6是说明光调制器制作过程的断面图。与第一优选实施例或第二优选实施例相同的部分用相同的参考数字表示。充参照图4和5，参考数字1表示由铌酸锂(LiNbO3)晶片制作的基片。在基片1的上表面里制成一对光波导管2。这对光波导管2是在其两端附近彼此连接的。

参考数字3表示由金(Au)制作的一对电极。该对电极3要制得分别与该对光波导管2相配。电极3之一是行进波控制电极；另一个是接地电极。起缓冲层作用的主层8主要由二氧化硅(SiO2)制成，它是在借以制作光波导管2的基片1的上表面上均匀地形成的。对于相应地位于光波导管2上方的电极3来说，主层8用于减少其光吸收。

主层8含有一对由硅(Si)制作的半导体区段(主半导体区段)8A，和一个由二氧化硅(SiO2)制作的绝缘区段(主绝缘区段)8B。这对半导体区段8A是在主层8的一个区段中形成的(该区段与对电极3之间的一个区域相对应)，以便在其长度上沿电极3的对置区段延伸(参见图5)。绝缘区段是作为主层8的剩余区段而制成的。

用作高电阻半导体薄膜的次层9主要由硅(Si)制成，它是在主层8上均匀地形成的。次层9含有一对由二氧化硅(SiO2)制作的绝缘区段(次绝缘区段)9A，和一个由硅(Si)制作的半导体区段(次半导体区段)9B。该对绝缘区段9A是在次层9的一个区段中形成的，要分别与主层8的一对半导体区段8A相对应。半导体区段9B是作为次层9的剩余区段而形成的。

每个绝缘区段9A在尺寸上略小于相应半导体区段8A；主层8的每个半导体区段8A的周围区段，连接至次层9的半导体区段9B。这就是说，次层9的每个绝缘区段9A，被主层8的相应半导体区段8A所补偿；并且半导体区段9B和半导体区段8A，都具有相应于第一个优选实施例中或第二个优选实施例中半导体薄膜5的作用。

构成基片1的Z切割铌酸锂晶体具有大的热电效应，因此，基片1的温度变化在基片1的上表面上产生电荷，并且这些电荷被集中在电极3的下面，从而影响光波导管2的折射率。在光调制器情况下，这种对光波导管2的折射率的影响，会使工作点发生变化(温度漂移)，从而导致工作不稳定。次层9的半导体区段9B和主层8的半导体区段8A，用于防止这种由温度变化而致的工作点变化。电极3是在次层9的半导体区段9B上形成的。

现在参照图6A至6F，简要描述图4和5所示光调制器制作过程的实例。

如图6A所示，在由铌酸锂(LiNbO3)晶片制作的基片1的上表面里，用象钛(Ti)这样的热扩散金属制作光波导管2，从而提高金属热扩散区段的折射率。其后，在基片1的整个上表面上均匀地制作一层二氧化硅(SiO2)薄膜10。其后，如图6B所示，在与以后要制作的对电极3之间的一个区域相对应的二氧化硅薄膜10中的一个区段，用局部蚀刻法开出一对槽11。其后，如图6C所示，在二氧化硅薄膜10上形成一层硅(Si)薄膜12，以充填槽11。

然后，如图6D所示，用局部蚀刻硅薄膜12的方法开出一对槽14(只留下在槽11中制成的一对硅薄膜13)。其后，如图6E所示，制成一对二氧化硅薄膜15，以充填槽14。其后，如图6F所示，用金蒸气沉淀法或金电镀法，在硅薄膜12上制作电极3。

根据第三个优选实施例，在介于对电极3之间的次层9中的一个区段，制成一对绝缘区段9A；并且在主层8中制成一对半导体区段8A，使8A分别与一对绝缘区段9A大体上对应。因此，从图4显而易见，处于对电极3之间区域的半导体区段9B和8A是成阶梯状的，从而形成一条复杂化路径。据此，甚至在半导体区段9B和8A开始生成硅化物时，也需要一段长的时间，对电极3才短路。据此，光调制器能获得高的可靠性和长的使用寿命。

此外，可以预料，次层9中绝缘区段9A的设置会妨碍次层9的原有功能，以致，由于在电极3下面产生不均匀的电荷分布而引起的特性上的变化(温度漂移)，受到抑制。然而，这样一种可能性是可被消除的，因为次层9的绝缘区段9A是被主层8的半导体区段8A所补偿的。

虽然在这个优选实施例中，两个半导体区段8A和两个绝缘区段9A是分别在主层8和次层9中形成的，然而，半导体区段8A和绝缘区段9A的数目是不受本发明限制的。例如，可以制成单个半导体区段8A和单个绝缘区段9A；也可以制成三个或多个半导体区段8A和三个或多个绝缘区段9A。

根据如上所解释的本发明，由于固相合金化反应所致的电极间短路，能够被抑制、从而使介质光波导器件获得高的可靠性和长的使用寿命。