CN113885229A - 多层膜、光学器件、光子集成电路器件和光收发器 - Google Patents

多层膜、光学器件、光子集成电路器件和光收发器 Download PDF

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Abstract

多层膜、光学器件、光子集成电路器件和光收发器。一种多层膜包括单晶硅层、含有Zr的第一层、含有ZrO2的第二层以及含有具有电光效应的钙钛矿氧化物的第三层。所述第一层、所述第二层和所述第三层按该顺序设置在所述单晶硅层的上方，并且所述多层膜对于要使用的波长是透明的。

Description

多层膜、光学器件、光子集成电路器件和光收发器
技术领域
本公开涉及多层膜、光学器件、光子集成电路器件和光收发器。
背景技术
由于互联网协议(IP)数据业务快速增长，需要扩展光纤网络容量。另外，为了在空间上增加容纳光纤传输设备的效率，期望进一步缩小和集成光发射器和光接收器。因为硅(Si)波导具有强的光约束性，并且因为弯曲半径可以减小至约10μm，所以Si光子集成电路器件已被应用于光发射器和光接收器。
由Si波导形成的Si调制器根据载流子浓度的变化利用Si的折射率变化来调制光，该现象被称为载流子等离子体效应(carrier plasma effect)或电折射效应(electrorefractive effect)。然而，由于Si调制器的折射率变化小于基于电光效应的铌酸锂(LiNbO3，缩写为LN)调制器的折射率变化，因此Si调制器的调制效率可能不足。为此原因，LN调制器是目前的主流。
对于可以集成在Si光子回路中的光调制器的材料，有机材料(即，具有比LiNbO3高的电光效应的聚合物材料)是有前途的。如图1中例示的，已经提出了使用狭缝波导(slotwaveguide)221的光调制器。参见例如以下提出的专利文献1。狭缝波导的两个邻近条纹220之间的间隙223被填充有电光聚合物222。
<相关出版物>
专利文献1：美国专利No.7643714
非专利文献1：D.Rezzonico等人的“Photostabililty studies of pi-conjugated chromophores with resonant and nonresonant light excitation forlong-life polymeric telecommunication devices”(J.Opt.Soc.Am.B.,第24卷第9期，2199-2207页，2007年)。
发明内容
<要解决的技术问题>
尽管电光聚合物适用于Si光子集成电路，但因为对长期可靠性的担忧，尚未将它们投入实际使用。事实上，在以上提出的非专利文献1中已经报道，当作为光纤通信频带之一的1550nm频带中的强光束在含氧大气中通过电光聚合物波导传输时，发生光致氧化(photooxidation)。光致氧化造成聚合物材料劣化，因此造成调制特性和光学性能劣化。
本发明的目的之一是提供可以被集成在光子集成电路中并具有长期可靠性的多层膜以及使用这样的多层膜的光学器件。
<技术解决方案>
根据本公开的一方面，一种多层膜包括：单晶硅层；含有Zr的第一层；含有ZrO2的第二层；以及含有具有电光效应的钙钛矿氧化物的第三层，所述第一层、所述第二层和所述第三层按该顺序设置在所述单晶硅层的上方。所述多层膜对于要使用的波长是透明的。
<本发明的有益效果>
可以实现可以被集成在光子集成电路中并具有长期可靠性的多层膜以及使用这样的多层膜的光学器件。
附图说明
图1是使用电光聚合物的常规狭缝波导的示意图；
图2是应用了实施方式的光学器件的光子集成电路器件的示意图；
图3是使用图2的光子集成电路器件的光收发器的示意性框图；
图4是具有第一实施方式的多层膜的狭缝波导的示意图；
图5例示了第一实施方式的狭缝波导的制造过程；
图6例示了第一实施方式的狭缝波导的制造过程；
图7例示了第一实施方式的多层膜中所包括的晶体层的物理参数；
图8例示了使用图4的狭缝波导的光学器件的光传播状态；
图9是具有第二实施方式的多层膜的狭缝波导的示意图；
图10例示了第二实施方式的多层膜中所包括的晶体层的物理参数；
图11例示了使用图9的狭缝波导的光学器件的光传播状态；
图12是具有第三实施方式的多层膜的狭缝波导的示意图；
图13例示了第三实施方式的多层膜中所包括的晶体层的物理参数；
图14例示了使用图12的狭缝波导的光学器件的光传播状态；
图15是具有第四实施方式的多层膜的狭缝波导的示意图；
图16例示了第四实施方式的多层膜中所包括的晶体层的物理参数；
图17例示了使用图15的狭缝波导的光学器件的光传播状态；
图18是具有第五实施方式的多层膜的狭缝波导的示意图；
图19例示了第五实施方式的多层膜中所包括的晶体层的物理参数；
图20例示了使用图18的狭缝波导的光学器件的光传播状态；
图21是具有第六实施方式的多层膜的狭缝波导的示意图；
图22例示了第六实施方式的多层膜中所包括的晶体层的物理参数；
图23例示了使用图21的狭缝波导的光学器件的光传播状态；
图24是具有第七实施方式的多层膜的狭缝波导的示意图；
图25是用于说明狭缝电极的制造的图；
图26例示了使用图24的狭缝波导的光学器件的光传播状态；
图27是具有第八实施方式的多层膜的狭缝波导的示意图；
图28是用于说明狭缝电极的制造的图；
图29例示了使用图27的狭缝波导的光学器件的光传播状态；
图30是具有第九实施方式的多层膜的狭缝波导的示意图；
图31是用于说明狭缝电极的制造的图；
图32例示了使用图30的狭缝波导的光学器件的光传播状态；
图33是具有第十实施方式的多层膜的狭缝波导的示意图；
图34示意性例示了作用在图33的狭缝波导上的电力线；
图35例示了使用图33的狭缝波导的光学器件的光传播状态；
图36A例示了图33的狭缝波导的制造过程；
图36B例示了图33的狭缝波导的制造过程；
图36C例示了图33的狭缝波导的制造过程；
图36D例示了图33的狭缝波导的制造过程；
图36E例示了图33的狭缝波导的制造过程；
图37A例示了图33的狭缝波导的另一制造过程；
图37B例示了图33的狭缝波导的其它制造过程；
图37C例示了图33的狭缝波导的其它制造过程；
图37D例示了图33的狭缝波导的其它制造过程；以及
图37E例示了图33的狭缝波导的其它制造过程。
具体实施方式
在实施方式中，光子波导由含有无机材料(特别地，电光效应大于LiNbO3的钙钛矿氧化物)的多层膜形成，由此实现了光子波导和使用该光子波导的光学器件的长期可靠性。
图2是应用了实施方式的光学器件的光子集成电路器件11的示意图。光子集成电路器件11可以被用作光纤发送和接收的前端电路。光子集成电路器件11包括光发射器电路14和光接收器电路15。光发射器电路14具有电-光(E/O)转换功能。光接收器电路15具有光-电(O/E)转换功能。在该示例中，光学器件是在光发送器电路14中使用的光调制器10。
光调制器10的相互作用区域由狭缝波导21形成。在相互作用区域中，电信号与光彼此相互作用，并且通过波导行进的光的速度或相位例如根据施加到波导的电压或电场而改变。
使用硅光子学技术在Si基板上形成光子集成电路器件11，并且集成在Si基板上的光学部件通过Si波导111连接。在光调制器10的相互作用区域中使用的狭缝波导21通过模式转换器112连接到Si波导111。模式转换器112中的每个使传播模式在光通过狭缝波导21行进与光通过Si波导行进之间转换。
尽管为了便于例示在图2中将模式转换器112明确地表示在狭缝波导21和Si波导之间的一个位置处，但模式转换器112实际上设置在连接在狭缝波导21和Si波导111之间的每个位置处。
光调制器10具有例如四个子马赫-曾德尔(MZ)干涉仪MZIX、MZQX、MZIY和MZQY。通过嵌套子MZ干涉仪，形成两个主块或父MZ干涉仪MZI和MZII。在该光调制器10中，设置八个狭缝波导21。从输入端口7输入的光束通过Si波导111进入光调制器10。在两个主块之一处例如由父MZ干涉仪MZII调制的光分量的偏振面在偏振旋转器(PR)61处被旋转90度。已由另一父MZ干涉仪(例如，MZI)调制的光分量在偏振合束器(PBC)5处与偏振旋转的光分量组合。然后，组合光从输出端口8被输出。
在光接收器电路15中，集成有光检测器(PD)2、90度混合光混合器3、偏振分束器(PBS)4和偏振旋转器(PR)62。通过光接收器端口9输入的接收信号光被PBS 4分成两个偏振光分量。偏振光分量之一的偏振面在PR 62处旋转90度，并且具有相同偏振的两个光分量入射到关联的90度混合光混合器3上。
此外,从光输入端口7输入的局部光的一部分被分成两束，并被引导到90度混合光混合器3中的每个。在90度混合光混合器3处，使用本地光作为参考光来检测接收到的信号光。90度混合光混合器3将接收到的信号光中所含有的光学相位转换成光强，并且通过PD 2检测光强。具体地，对于偏振光波中的每个，获取具有90度相位差的I分量和Q分量的差分输出。
图3是使用图2的光子集成电路器件11的光收发器100的示意性框图。光收发器100具有电路装置107和数字信号处理器(DSP)12，以及用作光发送器/接收器前端电路的光子集成电路器件11。DSP 12生成针对要发送的数据信号的IQ调制格式，并对接收到的信号进行解调。由DSP 12生成的电调制信号被电路装置107的驱动电路(DRV)13放大，并作为高速模拟驱动信号输入到光发送器电路14的光调制器10。
在各PD 2(参见图2)处产生的光电流从光接收器电路15输出，被电路装置107的跨阻放大器(TIA)16放大，并作为电压信号输入到DSP 12以进行解调。
下面，将描述构成诸如光调制器10这样的光学器件的狭缝波导21的示例性结构以及狭缝波导21中使用的多层膜的结构。
<第一实施方式>
图4是根据第一实施方式的使用多层膜50A的狭缝波导21A的截面图。例如，狭缝波导21A是图2中例示的八个狭缝波导21中的一个。在Si基板17上形成SiO2层18，并在SiO2层18上设置一对导体20。在本说明书和所附权利要求书中，术语“在……上”、“在……之上”、“在……上方”、“在……下方”或“在……下面”并不指示绝对方向，意在说明在膜生长方向或堆叠方向上观察到的位置关系。一对导体20用作用于向狭缝波导施加电场的电极，为此原因，导体20在下文中被称为“电极20”。电极20可以由单晶Si形成，在该单晶Si中添加有诸如硼(B)和磷(P)这样的杂质元素以减小电阻。
在两个电极20之间形成窄间隙或狭缝23。在狭缝23的底表面处设置高电阻的电绝缘单晶Si层24。单晶Si层24是在没有特意添加杂质元素的情况下生长的未掺杂层。当使用绝缘体上硅(SOI)基板时，SOI基板的最上面的Si层可以被刻蚀成电极形状，使其间具有狭缝，并且可以通过掩盖不必要的区域来注入杂质，由此形成电极20和单晶Si层24。
因为设置在一对电极20之间的单晶Si层24是电绝缘的，所以可以在不造成电短路的情况下向电极20施加预定电压。单晶Si层24的厚度例如为电极20的高度的三分之一(1/3)或更小，更优选地五分之一(1/5)或更小，以便增强电压施加效率，即，尽可能多地减小所施加的电压。
彼此面对的两个电极20的内侧壁被厚度约为2至5nm的绝缘层25覆盖。绝缘层25由SiO2、SiN、SiON或其它合适的绝缘体形成。绝缘层25还更可靠地防止两个电极20之间的电短路。
两个电极20之间的狭缝23被填充有实施方式的多层膜50a。多层膜50a包括绝缘单晶Si层24、第一层26、第二层27和第三层28。第一层26、第二层27和第三层28可以外延生长在单晶Si层24上。
第一层26含有Zr，并且薄至约5至8nm的厚度。第二层27含有在第一层26上外延生长的ZrO2。第三层28含有在第二层27上外延生长的钙钛矿氧化物。在第一实施方式中，第三层28由Pb(Zr,Ti)O3(下文中，缩写为“PZT”)形成。
狭缝波导21A由填充两个电极20之间的狭缝23的多层膜50a构成。构成狭缝波导21A的除了多层膜50A之外的区域可以被绝缘层19覆盖。
图5和图6例示了在多层膜50A之前形成的狭缝电极200的制造。在图5中，绝缘层19设置在形成有设置在狭缝23底部处的绝缘单晶Si层24和两个电极20的晶片的整个表面上方。绝缘层19例如是通过化学气相沉积(CVD)等形成的厚度为几微米(μm)的SiO2膜。可以通过化学机械抛光(CMP)来将绝缘层19平坦化。
在图6中，通过刻蚀去除绝缘层19的部分，以暴露电极20和单晶Si层24。通过该刻蚀过程，在彼此面对的两个电极20的内侧壁上，留下厚度为2至5nm的薄绝缘层25。如上所述，绝缘层25确保防止了电极20之间的电短路。因此，获得了狭缝电极200，该狭缝电极200的跨狭缝23彼此面对的内侧壁被薄绝缘层25覆盖。
然后，在单晶Si层24和电极20上依次外延生长第一层26、第二层27和第三层28，由此获得包括单晶Si层24的多层50A。可以通过例如诸如真空蒸发或溅射这样的物理气相沉积(PVD)法或者另选地可以使用诸如溶胶-凝胶法这样的涂覆法进行外延生长。在第一实施方式中，通过真空蒸发形成含有Zr的第一层26和含有ZrO2的第二层27，并且通过溅射形成含有PZT的第三层28。
当执行诸如真空蒸发或溅射这样的PVD时，基板17可以被加热直至500℃至750℃的温度，以促进外延生长。晶片的部分可以被掩盖，使得多层膜50A没有在任何不必要的区域中生长，从而获得图4中例示的结构。
图7示出了多层膜50A中所包括的单晶Si层24、含有ZrO2的第二层27和含有PZT的第三层28的晶体结构和物理参数。ZrO2为立方晶体，具有0.514nm的晶格常数，接近于立方Si晶格常数0.543nm。因此，可以在单晶Si层24上外延生长含有Zr的第一层26和含有ZrO2的第二层27的薄膜。
为了在高电阻的单晶Si层24上令人满意地生长含有Zr的第一层26和含有ZrO2的第二层27，可能优选的是，在单晶Si层24的表面上不存在硅氧化物膜。然而，实际上，即使存在非常薄的天然氧化膜，第一层26和第二层27也可以外延生长。
PZT为四方晶体，具有0.401nm的晶格常数。如果PZT晶体在平面内旋转45度，则晶格的对角线长度变为0.567nm，这接近于ZrO2晶体的晶格常数0.514nm。在生长过程期间，PZT在平面内自发地旋转45度，从而与下层结构自对齐。因此，含有PZT的第三层28可以在含有ZrO2的第二层27上外延生长。
图8例示了光29行进通过光学器件10A的狭缝波导21A的传播模式。光29的大部分被约束在两个电极20之间的水平方向上的PZT的中心附近。构成电极20的硅具有比PZT高的折射率；然而，光可以被强约束在夹在高折射率介质之间的具有亚波长宽度的PZT狭缝中。在该示例中，两个电极20之间的间隙为0.1μm至0.2μm，这能够充分约束波长为1260nm至1675nm的光纤通信光。
多层膜50A中的第二层27的ZrO2和第三层28的PZT是电介质，并且对于1260nm至1675nm的波长是透明的。与用诸如Pt这样的金属或诸如In2O3-SnO2(ITO)或SrRuO3(SRO)这样的其它导电材料不同，由于光吸收，导致几乎没有出现传播损失。含有Zr的第一层26可以在膜形成期间或之后被部分或全部地氧化。第一层26也可以通过从含有ZrO2的第二层27接收氧而部分或完全地氧化。因此，由于第一层26中的光吸收而引起的传播损失可忽略不计。
如图7中指示的，尽管PZT的折射率为2.44，但ZrO2的折射率低得多，即，为1.54。因此，光29的大部分在垂直于基板的方向上被第一层和第二层约束在PZT中。该多层膜有助于减少由于光吸收导致的传播损失。因为含有Zr的第一层26的部分或全部被氧化，并且因为绝缘层25形成在彼此面对的电极20的内侧壁上，所以防止了由第一层26引起的电短路。即使没有覆盖电极20的侧壁的绝缘层25，因为第一层26的部分或全部被氧化，因此也可以防止电极20之间的电短路。
构成狭缝波导21A的PZT晶体具有电光效应。当在两个电极20之间施加电压时，PZT的折射率改变，并且有效光路长度改变。通过使在图2中的四个子MZ干涉仪中的每个的两个臂(狭缝波导21)之间有适当的电压差，相应的MZ干涉仪的干涉条件变化，并且光束的光学相位可以被调制。
为了使第三层28的PZT晶体在实际使用期间在电压施加方向上表现出最大的电光效应，可以预先在高温下施加比正常使用时的普通电压高的电压来调节晶体的极化。该过程被称为极化处理或成极处理(poling treatment)。
在第一实施方式中使用的PZT具有是LiNbO3的约4倍高的电光效应，LiNbO3是目前用于光调制器的主流材料。换句话说，电极20的长度可以减小至LN光调制器的约四分之一。因此，实现了光学器件10A的尺寸缩小。
根据第一实施方式的多层膜50A和使用多层膜50A的光学器件10A可以被容易地集成在Si光子回路中。也满足了长期可靠性的要求。
<第二实施方式>
图9是根据第二实施方式的使用多层膜50B的狭缝波导21B的截面图。在第二实施方式中，(Pb,La)(Zr,Ti)O3(下文中，缩写为“PLZT”)被用作多层膜50b中所包括的第三层30的钙钛矿氧化物。其它装置配置与第一实施方式中的装置配置相同。相同的部件用相同的附图标记表示，并且可以省略重复描述。
多层膜50B包括按顺序设置在基板17上方的单晶Si层24、含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27以及含有PLZT的第三层30。第一层26、第二层27和第三层30在单晶Si层24上外延生长。
含有PLZT的第三层30可以通过诸如真空蒸发或溅射这样的PVD形成，或者可以采用诸如溶胶-凝胶法这样的涂覆法形成。在该示例中，可以通过在含有ZrO2的第二层27上溅射来形成含有PLZT的第三层30。从充分发挥电光效应的角度来看，PLZT的La含量为2至10atm.％，更优选地8.5至9.5atm.％，甚至更优选地9atm.％。
图10示出了多层膜50B中所包括的单晶Si层24、含有ZrO2的第二层27和含有PLZT的第三层30的晶体结构和物理参数。ZrO2为立方晶体，并且具有0.514nm的晶格常数，该晶格常数接近于相同类型的立方晶体的Si晶格常数0.543nm。因此，含有Zr的第一层26和含有ZrO2的第二层27的薄膜可以在单晶Si层24上外延生长。
PLZT为四方晶体，具有0.408nm的晶格常数。如果PLZT晶体在平面内旋转45度，则晶格的对角线长度变为0.577nm，接近于ZrO2晶体的晶格常数0.514nm。含有PLZT的第三层30可以在含有ZrO2的第二层27上外延生长。
图11例示了行进通过光学器件10B的狭缝波导21B的光31的传播模式。光31的大部分被约束在两个电极20之间的水平方向上的PLZT的中心附近。构成电极20的硅具有比PLZT高的折射率；然而，光可以被强约束在夹在高折射率介质之间的具有亚波长宽度的PLZT狭缝中。在该示例中，两个电极20之间的间隙为0.1μm至0.2μm，这能够充分约束波长为1260nm至1675nm的光纤通信光。
多层膜50B中的第二层27的ZrO2和第三层30的PLZT是电介质，并且对于1260nm至1675nm的波长是透明的，这不同于诸如Pt这样的金属或诸如ITO或SRO这样的其它导电材料。几乎没有由于光吸收而出现的传播损失。含有Zr的第一层26可以在膜形成期间或之后被部分或全部地氧化。第一层26也可以通过从含有ZrO2的第二层27接收氧而部分或完全地氧化。因此，由于第一层26中的光吸收而引起的传播损失可忽略不计。
如图10中指示的，尽管PLZT的折射率为2.40，但ZrO2的折射率低得多，即，为1.54。因此，光31的大部分在垂直于基板的方向上被第一层和第二层约束在PLZT中。该多层膜有助于减少由于光吸收导致的传播损失。因为含有Zr的第一层26的部分或全部被氧化，并且因为绝缘层25形成在电极20的彼此面对的内侧壁上，所以防止了由第一层26引起的电短路。即使没有覆盖电极20的侧壁的绝缘层25，因为第一层26的部分或全部被氧化，所以也可以防止电极20之间的电短路。
构成狭缝波导21B的PLZT晶体具有电光效应。当在两个电极20之间施加电压时，PLZT的折射率改变，并且有效光路长度改变。通过使在图2中的子MZ干涉仪中的每个的两个臂(狭缝波导21)之间有适当的电压差，相应的MZ干涉仪的干涉条件变化，并且光束的光学相位可以被调制。
为了使第三层30的PLZT晶体在实际使用期间在电压施加方向上表现出最大的电光效应，可以通过在高温下施加比正常使用时的电压高的电压来调节晶体极化。
在第二实施方式中使用的PLZT具有是LiNbO3的约20倍高的电光效应，LiNbO3是目前用于光调制器的主流材料。换句话说，电极20的长度可以减小至LN光调制器的约二十分之一(1/20)。因此，实现了光学器件10B的尺寸缩小。
根据第二实施方式的多层膜50B和使用多层膜50B的光学器件10B可以被容易地集成在Si光子回路中。也满足了长期可靠性的要求。
<第三实施方式>
图12是根据第三实施方式的使用多层膜50C的狭缝波导21C的截面图。第三实施方式的多层膜50C包括按顺序设置在基板17上方的高电阻的单晶Si层24、含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27、SrTiO3(STO)层以及含有PZT的第三层28。第一层26、第二层27、STO层32和第三层28在单晶Si层24上外延生长。与第一实施方式相比，含有STO的层32被插置在含有ZrO2作为主要成分的第二层27和含有PZT作为主要成分的第三层28之间。多层膜51C的其它配置与第一实施方式中的配置相同。相同的部件用相同的附图标记表示，并且可以省略重复的描述。
多层膜50C可以通过诸如真空蒸发或溅射这样的PVD制造，或者另选地，可以采用诸如溶胶-凝胶法这样的涂覆法制造。在该示例中，通过真空蒸发形成含有Zr的第一层26和含有ZrO2的第二层27，并且通过溅射形成含有STO的层32和含有PZT的第三层28。
图13示出了多层膜50C中所包括的单晶Si层24、含有ZrO2的第二层27、含有STO的层32和含有PZT的第三层28的晶体结构和物理参数。如上所述，因晶格常数接近，含有Zr的第一层26和含有ZrO2的第二层27的薄膜可以在单晶Si层24上外延生长。
如同ZrO2一样，STO是立方晶体，具有0.391nm的晶格常数。STO晶体在生长期间在平面内自发旋转45度，晶格的对角线长度变为0.553nm，接近于ZrO2晶体的晶格常数0.514nm。因此，含有STO的层32可以在含有ZrO2的第二层27上外延生长。PZT为四方晶体，具有0.401nm的晶格常数，这接近STO的晶格常数。含有PZT的第三层28可以在含有STO的层32上外延生长。
图14例示了行进通过光学器件10C的狭缝波导21C的光33的传播模式。光33的大部分被约束在两个电极20之间的水平方向上的PZT的中心附近。
多层膜50C中的第二层27的ZrO2、含有STO的层32和第三层28的PZT是电介质，并且对于1260nm至1675nm的波长是透明的，这不同于诸如Pt这样的金属或诸如ITO或SRO这样的其它导电材料。几乎没有由于这些层中的光吸收而出现的传播损失。
如图13中指示的，尽管STO和PZT的折射率分别为2.28和2.44，但ZrO2的折射率低得多，即，为1.54。因此，光33的大部分在垂直于基板的方向上被第一层和第二层约束在PZT中。该多层膜有助于减少由于光吸收导致的传播损失。
如上所述，由于PZT的电光效应，狭缝波导21C的长度可以减小至典型LN光调制器的波导长度的约1/4。根据第三实施方式的多层膜50C和使用多层膜50C的光学器件10C可以容易地集成在Si光子回路中。也满足了长期可靠性的要求。
<第四实施方式>
图15是根据第四实施方式的使用多层膜50D的狭缝波导21D的截面图。第四实施方式的多层膜50D包括按顺序设置在基板17上方的高电阻的单晶Si层24、含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27、SrTiO3(STO)层以及含有PLZT的第三层30。第一层26、第二层27、STO层32和第三层30在单晶Si层24上外延生长。对于第三层30，使用PLZT取代第三实施方式的多层膜50C的PZT。
除了多层膜51D之外的配置与第一实施方式中的配置相同。相同的部件用相同的附图标记表示，并且可以省略重复的描述。用于制造多层膜50D的过程已经如在第一实施方式至第三实施方式中进行了描述。
图16示出了多层膜50D中所包括的单晶Si层24、含有ZrO2的第二层27、含有STO的层32和含有PLZT的第三层30的晶体结构和物理参数。如上所述，含有Zr的第一层26和含有ZrO2的第二层27的薄膜可以在单晶Si层24上外延生长。
如同ZrO2一样，STO是立方晶体，具有0.391nm的晶格常数。STO晶体在生长期间在平面内自发旋转45度，晶格的对角线长度变为0.553nm，接近于ZrO2晶体的晶格常数0.514nm。因此，含有STO的层32可以在含有ZrO2的第二层27上外延生长。PLZT为四方晶体，具有0.408nm的晶格常数，接近于STO的晶格常数。含有PLZT的第三层30可以在含有STO的层32上外延生长。
图17例示了行进通过光学器件10D的狭缝波导21D的光34的传播模式。光34的大部分被约束在两个电极20之间的水平方向上的PLZT的中心附近。
多层膜50D中的第二层27的ZrO2、含有STO的层32和第三层30的PZT是电介质，并且对于1260nm至1675nm的波长是透明的，这不同于诸如Pt这样的金属或诸如ITO或SRO这样的其它导电材料。几乎没有由于这些层中的光吸收而出现的传播损失。
如图16中指示的，尽管STO和PLZT的折射率分别为2.28和2.40，但ZrO2的折射率低得多，即，为1.54。因此，光34的大部分在垂直于基板的方向上被第一层和第二层约束在STO和PLZT中。该多层膜有助于减少由于光吸收导致的传播损失。
如上所述，由于PZT的电光效应，狭缝波导21D的长度可以减小至典型LN光调制器的波导长度的约1/20。根据第四实施方式的多层膜50D和使用多层膜50D的光学器件10D可以容易地集成在Si光子回路中。也满足了长期可靠性的要求。
<第五实施方式>
图18是根据第五实施方式的使用多层膜50E的狭缝波导21E的截面图。第五实施方式的多层膜50E包括按顺序设置在基板17上方的高电阻的单晶Si层24、含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27、含有MgO的层35以及含有PZT的第三层28。第一层26、第二层27、含有MgO的层35和第三层28在单晶Si层24上外延生长。
与第三实施方式相比，含有MgO的层35取代含有STO的层32被插置在含有ZrO2的第二层27和含有PZT的第三层28之间。除了多层膜50E之外的配置与第三实施方式中的配置相同。相同的部件用相同的附图标记表示，并且可以省略重复的描述。如同含有STO的层32一样，含有MgO的层35是通过例如溅射形成的。
图19示出了多层膜50E中所包括的单晶Si层24、含有ZrO2的第二层27、含有MgO的层35和含有PZT的第三层28的晶体结构和物理参数。如同ZrO2一样，MgO是立方晶体，具有0.421nm的晶格常数。MgO晶体在生长期间在平面内自发旋转45度，晶格的对角线长度变为0.595nm，接近于ZrO2晶体的晶格常数0.514nm。因此，含有MgO的层35可以在含有ZrO2的第二层27上外延生长。PZT为四方晶体，具有0.401nm的晶格常数，接近于MgO的晶格常数。含有PZT的第三层28可以在含有MgO的层35上外延生长。
图20例示了行进通过光学器件10E的狭缝波导21E的光36的传播模式。光36的大部分被约束在两个电极20之间的水平方向上的第三层28的PZT的中心附近。
多层膜50E中所包括的第二层27的ZrO2、含有MgO的层35和第三层28的PZT是电介质，并且对于1260nm至1675nm的波长是透明的，这不同于诸如Pt这样的金属或诸如ITO或SRO这样的其它导电材料。几乎没有由于这些层中的光吸收而出现的传播损失。
如图19中指示的，尽管PZT的折射率为2.44，但MgO和ZrO2的折射率较低，即，分别为1.71和1.54。因此，光36的大部分在垂直于基板的方向上被第一层和第二层约束在PZT中。该多层膜有助于减少由于光吸收导致的传播损失。
如上所述，由于PZT的电光效应，狭缝波导21E的长度可以减小至典型LN光调制器的波导长度的约1/4。根据第五实施方式的多层膜50E和使用多层膜50E的光学器件10E可以容易地集成在Si光子回路中。也满足了长期可靠性的要求。
<第六实施方式>
图21是根据第六实施方式的使用多层膜50F的狭缝波导21F的截面图。第六实施方式的多层膜50F包括按顺序设置在基板17上方的高电阻的单晶Si层24、含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27、含有MgO的层35以及含有PLZT的第三层30。第一层26、第二层27、含有MgO的层35和第三层30在单晶Si层24上外延生长。
与第四实施方式相比，含有MgO的层35取代含有STO的层32被插置在含有ZrO2的第二层27和含有PLZT的第三层30之间。除了多层膜50F之外的配置与第三实施方式和第四实施方式中的配置相同。相同的部件用相同的附图标记表示，并且可以省略重复的描述。如同含有STO的层32一样，含有MgO的层35是通过例如溅射形成的。
图22示出了多层膜50F中所包括的单晶Si层24、含有ZrO2的第二层27、含有MgO的层35和含有PLZT的第三层30的晶体结构和物理参数。如同ZrO2一样，MgO是立方晶体，具有0.421nm的晶格常数。MgO晶体在生长期间在平面内自发旋转45度，晶格的对角线长度变为0.595nm，接近于ZrO2晶体的晶格常数0.514nm。因此，含有MgO的层35可以在含有ZrO2的第二层27上外延生长。PLZT为四方晶体，具有0.408nm的晶格常数，接近于MgO的晶格常数。含有PLZT的第三层30可以在含有MgO的层35上外延生长。
图23例示了行进通过光学器件10F的狭缝波导21F的光37的传播模式。光37的大部分被约束在两个电极20之间的水平方向上的第三层30的PLZT的中心附近。
多层膜50F中所包括的第二层27的ZrO2、含有MgO的层35和第三层30的PLZT是电介质，并且对于1260nm至1675nm的波长是透明的，这不同于诸如Pt这样的金属或诸如ITO或SRO这样的其它导电材料。几乎没有由于这些层中的光吸收而出现的传播损失。
如图22中指示的，尽管PLZT的折射率为2.40，但MgO和ZrO2的折射率较低，即，分别为1.71和1.54。因此，光37的大部分在垂直于基板的方向上被第一层和第二层约束在PLZT中。该多层膜有助于减少由于光吸收导致的传播损失。
如上所述，由于PZT的电光效应，狭缝波导21F的长度可以减小至典型LN光调制器的波导长度的约1/20。根据第六实施方式的多层膜50F和使用多层膜50F的光学器件10F可以容易地集成在Si光子回路中。也满足了长期可靠性的要求。
<第七实施方式>
图24是根据第七实施方式的使用多层膜50G的狭缝波导21G的截面图。在第七实施方式中，在Si基板17上形成SiO2层18。在SiO2层上，一个电极38由第一导电类型(例如，P型)的单晶Si形成，另一个电极39由第二导电类型(例如，N型)的单晶Si形成。电极38和电极39彼此靠近地设置，在它们之间形成狭缝23。电极38和电极39之间的狭缝23的底表面是N型单晶Si层40。
P型电极38是通过例如注入硼(B)离子制造的，N型电极39是通过注入磷(P)离子制造的。
多层膜50G包括按顺序设置在基板17上方的高电阻的单晶Si层40、含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27、含有STO的层32以及含有PZT的第三层28。
第一层26、第二层27、含有STO的层32和第三层28在单晶Si层40上外延生长。
ZrO2立方晶体的晶格常数是0.514nm，接近于立方Si晶体的晶格常数0.543nm(参见图13)。因此，含有ZrO2的第二层27可以在N型单晶Si层40上外延生长。如上所述，含有STO的层32可以在含有ZrO2的第二层27上外延生长，并且含有PZT的第三层28可以在含有STO的层32上外延生长。
图25例示了第七实施方式的狭缝电极201的制造。在SiO2层上，形成P型电极38、N型电极39和位于电极之间的狭缝23的底表面处的N型单晶Si层40。接下来，在晶片的整个表面上方形成绝缘层19并将其平坦化。然后，刻蚀要形成多层膜50G的区域，以暴露电极38、电极39和N型单晶Si层40。作为该刻蚀过程的结果，在电极38和电极39的内侧壁上留下薄绝缘层41。因此，形成了狭缝电极201，在该狭缝电极201中，跨狭缝23彼此面对的侧壁被厚度为约2至5nm的薄绝缘层41覆盖。
在第七实施方式中，对由P型单晶Si形成的电极38赋予负电位，对由N型单晶硅和N型单晶Si层40形成的另一电极39赋予正电位(反向偏置)。因PN结二极管的特性，没有电流从正电位的N型单晶Si层40和N型单晶Si电极39流向负电位的P型单晶Si电极38。因此，可以在电极38和电极39之间施加操作光学器件所需的预定电压，而没有造成它们之间电短路。
从提高电压施加效率的角度来看，设置在电极38和电极39之间的N型单晶Si层40的厚度为电极38和电极39的高度的1/3或更小，更优选地1/5或更小。
在制造狭缝电极201之后，含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27、含有STO的层32和含有PZT的第三层28在N型单晶Si层40以及电极38和电极39上按该顺序外延生长。因此，制造出包括单晶Si层40的多层膜50G。
图26例示了行进通过光学器件10G的狭缝波导21G的光37的传播模式。光37的大部分在水平方向上被约束为朝向电极38和电极39之间的狭缝内部的PZT的第三层28的中心。如图13中指示的，STO和PZT的折射率分别为2.28和2.44，而ZrO2的折射率低得多，即，为1.54。因此，光37的大部分在垂直于基板的方向上被第一层和第二层约束在STO和PZT中。该多层膜有助于减少由于光吸收导致的传播损失。
如上所述，由于PZT的电光效应，狭缝波导21G的长度可以减小至典型LN光调制器的波导长度的约1/4。根据第七实施方式的多层膜50G和使用多层膜50G的光学器件10G可以容易地集成在Si光子回路中。也满足了长期可靠性的要求。
尽管在第七实施方式中，形成在N型单晶Si层40和电极上方的多层膜采用第三实施方式的外延生长的配置，但可以采用第一实施方式、第二实施方式、第四实施方式、第五实施方式或第六实施方式的多层配置。当PLZT用作第三层时，波导长度可以减小至典型LN光调制器的波长长度的1/20。
<第八实施方式>
图27是根据第八实施方式的使用多层膜50H的狭缝波导21H的截面图。在第八实施方式中，在形成在Si基板17上的SiO2层18上，形成一对具有不同导电类型的电极。一个电极38由第一导电类型(例如，P型)的单晶Si形成，另一个电极39由第二导电类型(例如，N型)的单晶Si形成。电极38和电极39彼此靠近地设置，在它们之间形成狭缝23。电极38和电极39之间的狭缝23的底表面是具有PN结单晶Si层43。
多层膜50H包括按顺序设置在基板17上方的PN结单晶Si层43、含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27、含有STO的层32以及含有PZT的第三层28。第一层26、第二层27、含有STO的层32和第三层28在PN结单晶Si层43上外延生长。可以采用第一实施方式、第二实施方式、第四实施方式、第五实施方式或第六实施方式的外延生长配置来取代基于第三实施方式的该多层外延配置。
图28例示了第八实施方式的狭缝电极202的制造。在SiO2层18上，形成P型电极38、N型电极39和位于电极之间的狭缝23的底表面处的PN结单晶Si层43。接下来，在晶片的整个表面上方形成绝缘层19并将其平坦化。然后，刻蚀要形成多层膜50H的区域，以暴露电极38、电极39和PN结单晶Si层43。作为该刻蚀过程的结果，在电极38和电极39的内侧壁上留下厚度为2至5nm的薄绝缘层41。因此，形成狭缝电极201，在狭缝电极201中，跨狭缝23彼此面对的侧壁被薄绝缘层41覆盖。
在第八实施方式中，对P型单晶Si电极38和PN结单晶Si层43的P型区域赋予负电位，对N型单晶Si电极39和PN结单晶Si层43的N型区域赋予正电位(反向偏置)。因PN结二极管的特性，没有电流从正电位的N型单晶Si电极39和PN结单晶Si层43的N型区域流向负电位的P型单晶Si电极38和PN结单晶Si层43的P型区域。因此，可以在电极38和电极39之间施加操作光学器件所需的预定电压，而没有造成它们之间的电短路。
从提高电压施加效率(即，减小所施加电压)的角度来看，设置在电极38和电极39之间的PN结单晶Si层43的厚度为电极38和电极39的高度的1/3或更小，更优选地1/5或更小。
在制造狭缝电极202之后，含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27、含有STO的层32和含有PZT的第三层28在PN结单晶Si层43以及电极38和电极39上按该顺序外延生长。因此，制造出包括PN结单晶Si层43的多层膜50H。
图29例示了行进通过光学器件10H的狭缝波导21H的光44的传播模式。光44的大部分在水平方向上被约束为朝向电极38和电极39之间的狭缝内部的PZT的第三层28的中心。如图13中指示的，STO和PZT的折射率分别为2.28和2.44，而ZrO2的折射率低得多，即，为1.54。因此，光44的大部分在垂直于基板的方向上被第一层和第二层约束在STO和PZT中。该多层膜有助于减少由于光吸收导致的传播损失。
如上所述，由于PZT的电光效应，狭缝波导21H的长度可以减小至典型LN光调制器的波导长度的约1/4。当PLZT用作第三层时，波导长度可以进一步减小。第八实施方式的多层膜50H和使用多层膜50H的光学器件10H可以容易地集成在Si光子回路中。也满足了长期可靠性的要求。
<第九实施方式>
图30是根据第九实施方式的使用多层膜50I的狭缝波导21I的截面图。在第九实施方式中，在Si基板17上形成SiO2层18。在SiO2层18上，一个电极38由第一导电类型(例如，P型)的单晶Si形成，另一个电极39由第二导电类型(例如，N型)的单晶Si形成。电极38和电极39彼此靠近地设置，在它们之间形成狭缝23。电极38和电极39之间的狭缝23的底表面是高电阻的，即，是绝缘单晶Si层45。
高电阻单晶Si层45是在对电极38和电极39执行导电杂质的离子注入时通过掩盖狭缝23的区域而形成的从而没有掺杂杂质。通过在P型单晶Si电极38和N型单晶Si电极39之间设置绝缘单晶Si层45，可以在电极38和电极39之间施加操作光学器件所需的预定电压，而没有造成电极38和电极39之间的电短路。
多层膜50I包括按顺序设置在基板17上方的高电阻的单晶Si层45、含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27、含有STO的层32以及含有PZT的第三层28。第一层26、第二层27、含有STO的层32和第三层28在高电阻的单晶Si层45上外延生长。可以采用第一实施方式、第二实施方式、第四实施方式、第五实施方式或第六实施方式的外延生长配置来取代基于第三实施方式的该多层外延配置。
图31例示了第九实施方式的狭缝电极203的制造。在SiO2层上，形成P型电极38、N型电极39和位于电极之间的狭缝23的底表面处的高电阻的单晶Si层45。接下来，在晶片的整个表面上方形成绝缘层19并使其平坦化。然后，刻蚀要形成多层膜50I的区域，以暴露电极38、电极39和高电阻的单晶Si层45。作为该刻蚀过程的结果，在电极38和电极39的内侧壁上留下厚度为2至5nm的薄绝缘层41。因此，形成了狭缝电极203，在狭缝电极201中，跨狭缝23彼此面对的侧壁被薄绝缘层41覆盖。
从提高电压施加效率(即，减小所施加电压)的角度来看，设置在电极38和电极39之间的高电阻的单晶Si层45的厚度为电极38和电极39的高度的1/3或更小，更优选地1/5或更小。
在制造狭缝电极203之后，含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27、含有STO的层32和含有PZT的第三层28在高电阻的单晶Si层45以及电极38和电极39上按该顺序外延生长。由此，制造包括高电阻的单晶Si层45的多层膜50I。
图32例示了行进通过光学器件10I的狭缝波导21I的光46的传播模式。光46的大部分在水平方向上被约束为朝向电极38和电极39之间的狭缝内部的PZT的第三层28的中心。如图13中指示的，STO和PZT的折射率分别为2.28和2.44，而ZrO2的折射率低得多，即，为1.54。因此，光46的大部分在垂直于基板的方向上被第一层和第二层约束在STO和PZT中。该多层膜有助于减少由于光吸收导致的传播损失。
如上所述，由于PZT的电光效应，狭缝波导21I的长度可以减小至典型LN光调制器的波导长度的约1/4。当PLZT用作第三层时，波导长度可以进一步减小。第九实施方式的多层膜50I和使用多层膜50I的光学器件10I可以被容易地集成在Si光子回路中。也满足了长期可靠性的要求。
<第十实施方式>
图33是第十实施方式的使用多层膜50J的狭缝波导21J的示意性截面图。在第一实施方式至第九实施方式中，光波导由填充在彼此水平靠近的、设置在基板17上方的两个电极之间的狭缝的钙钛矿型氧化物形成。第一实施方式至第九实施方式的狭缝波导可以被称为水平狭缝波导。
在第十实施方式中，光波导由在垂直于基板的方向上的彼此靠近设置的两个电极之间含有钙钛矿型氧化物的多层膜50J形成。该配置可以被称为垂直狭缝波导。
在基板17上的SiO2层18上，设置用作一个电极的单晶Si层49和从单晶Si层49延伸的单晶Si互连件55。预先向单晶Si层49和互连件55添加杂质元素。
在单晶Si层49的上层处设置另一电极52。电极52和用作电极的单晶Si层49在膜堆叠方向上彼此靠近地设置。在单晶Si层49和电极52之间设置多层膜50J，多层膜50J包括按顺序外延生长的含有Zr的第一层26、含有ZrO2的第二层27和含有PZT的第三层28。夹在单晶Si层49和电极52之间的多层膜50J构成狭缝波导21J。上电极52通过例如外延生长Si层并将其图案化为预定电极形状来形成。构成电极52的Si层可以是非晶的、多晶的或单晶的。
如以上参考图13描述的，ZrO2晶体为立方的，具有0.514nm的晶格常数，这接近于同样为立方晶体的Si的晶格常数0.543nm。因此，含有ZrO2的第二层27可以在Si单晶层49上外延生长。为了在低电阻的单晶Si层49上令人满意地生长含有Zr的第一层26和含有ZrO2的第二层27，优选的可以是，在单晶Si层49的表面上不存在硅氧化物膜。然而，即使存在非常薄的自然氧化膜，实际上也可以执行外延生长。
如上所述，通过PZT晶体的自对齐面内旋转，含有PZT的第三层28可以在含有ZrO2的第二层27上外延生长。
包括多层膜50J的狭缝波导20J在横向或水平方向上被绝缘层51包围。绝缘层51由诸如SiO2或Al2O3这样的折射率比PZT的折射率低的透明材料形成。绝缘层51用作将光在平行于基板的横向方向上约束在第三层28中的覆层。
互连件55和电极52在相反方向上延伸，且多层膜50J插置在互连件55和电极52之间。通过将多层膜50J连接到在相反方向上延伸的互连件55和电极52，可以向第三层的PZT高效施加电场。
图34是例示了作用在图33的狭缝波导21J上的电力线的示意图。如果互连件55和电极52在同一方向上延伸，则在施加电压后，电场被施加到存在于互连件55和电极52之间的绝缘层51，并且电场无法集中到含有PZT的第三层28。通过将互连件55和电极52从相反方向连接到多层膜50J，当施加电压时，可以将电力线集中到PZT。
为了使第三层28的PZT晶体在实际使用期间在电压施加方向上发挥最大的电光效应，可以预先在高温下施加比正常使用时高的电压来调节晶体极化。这也适用于PLZT用于第三层的情况。
图35例示了传播通过光学器件10J的狭缝波导21J的光53的状态。光53的大部分在水平方向上被约束为朝向夹在绝缘层51之间的第三层28的中心。在垂直于基板的方向上，折射率比第三层28的PZT的折射率高的单晶Si层49和Si电极52靠近彼此设置。在夹在单晶Si层49和Si电极52之间的PZT中，产生狭缝传播模式。含有ZrO2的第二层27和含有PZT的第三层28是对于光纤通信波长透明的电介质，因此几乎没有光传播损失。
图36A至图36E例示了光学器件10J的狭缝波导21J的制造工艺的示例。在图36A中，使用SiO2层18和单晶Si层47形成在Si基板17上的SOI基板。在单晶Si层47的任何必要区域中预先离子注入诸如硼(B)和磷(P)这样的杂质元素，以减小电阻。
如在第一实施方式中，含有Zr并具有约7nm厚度的第一层26、含有ZrO2的第二层27和含有PZT的第三层28在单晶Si层47上按该顺序外延生长。因此，获得包括第一层26、第二层27和第三层28的多层堆叠件48。
在图36B中，通过刻蚀，去除多层堆叠件48的部分和单晶Si层47的部分，以形成含多层堆叠件48的部分的脊。
在图36C中，通过刻蚀完全去除在脊的一侧延伸的单晶Si层47，由此形成用作电极的单晶Si层49和互连件55。在该阶段，获得包括单晶Si层49的多层膜50J。
在图36D中，通过CVD等，至少围绕多层膜50J形成具有几微米厚度的绝缘层51。然后，通过CMP等将绝缘层51平坦化，直到含有PZT的第三层28被暴露。
在图36E中，通过溅射在含有PZT的第三层28上和设置在第三层28附近的绝缘层51上，形成Si层。通过刻蚀去除设置在与互连件55同侧的Si层，以形成在与互连件55相反的方向上延伸的电极52。可以在Si层的溅射期间添加杂质元素，或者可以在形成电极52之后通过离子注入添加杂质元素。用该配置，可以有效地向含有PZT的第三层28施加电场。
图37A至图37E例示了光学器件10J的狭缝波导21J的制造工艺的另一示例。在图37A中，通过刻蚀去除SiO2层上的单晶Si层47的部分，以形成脊。在图37B中，通过刻蚀完全去除设置在脊的一侧的单晶Si层47，由此获得用作电极和互连件55的单晶Si层49。
在图37C中，通过CVD等，至少围绕单晶Si层49形成具有几微米厚度的绝缘层51。然后，通过CMP等将绝缘层51平坦化。然后，通过刻蚀，去除绝缘层51的位于单晶Si层49上的部分，以暴露单晶Si层49的顶表面。
在图37D中，第一层26、第二层27和第三层28至少围绕单晶Si层49按此顺序外延生长，由此形成多层堆叠件48。最后，在图37E中，通过CMP等，将结构平坦化，并且在绝缘层51上的预定区域中形成与第三层28连接的电极52。这样，获得了具有狭缝波导21J的光学器件10J。
狭缝波导21J的制造过程不受特别限制，可以采用任何合适的垂直狭缝波导21J的形成过程。
尽管已经基于特定示例描述了本公开，但本公开不限于上述配置。除了光调制器之外，实施方式的多层膜50还可以应用于诸如光学开关或光谐振器这样的光学器件。在光学开关的应用中，通过接通和断开施加到狭缝波导21的电压，对于从输入端口入射的光束，可以将输出端口在交叉端口(cross port)和贯穿端口(through port)之间切换。因为多层膜的钙钛矿氧化物的电光效应强，所以开关速度高。通过使用无机材料，实现了操作的长期可靠性。当多层膜50应用于光谐振器时，可以通过调整所施加的电压来调节环形谐振器或跑道型谐振器(racetrack resonator)的谐振频率。
含有钙钛矿氧化物的第三层不限于(Pb)(Zr,Ti)O3和(Pb,La)(Zr,Ti)O3，可以使用其它具有电光效应的钙钛矿氧化物，包括K(Ta,Nb)O3、(Sr,Ba)TiO3和BaTiO3。
虽然已经详细描述了本发明的实施方式，但应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和更改。

Claims (12)

1.一种多层膜，所述多层膜包括：
单晶硅层；
含有Zr的第一层；
含有ZrO2的第二层；以及
含有具有电光效应的钙钛矿氧化物的第三层，所述第一层、所述第二层和所述第三层按该顺序设置在所述单晶硅层上方，
其中，所述多层膜对于要使用的波长是透明的。
2.根据权利要求1所述的多层膜，其中，所述钙钛矿氧化物选自由(Pb)(Zr,Ti)O3、(Pb,La)(Zr,Ti)O3、K(Ta,Nb)O3、(Sr,Ba)TiO3和BaTiO3组成的组。
3.根据权利要求1所述的多层膜，所述多层膜包括：
设置在所述第二层和所述第三层之间的含有SrTiO3或MgO的层，
其中，所述钙钛矿氧化物为(Pb)(Zr,Ti)O3或(Pb,La)(Zr,Ti)O3。
4.根据权利要求1所述的多层膜，其中，所述单晶硅层设置在硅氧化物层上。
5.一种光学器件，所述光学器件包括：
基板；
狭缝电极，所述狭缝电极具有在所述基板上方设置的一对导体之间的狭缝；以及
多层膜，所述多层膜设置在所述狭缝中；
其中，所述多层膜包括单晶硅层、含有Zr的第一层、含有ZrO2的第二层以及含有钙钛矿氧化物的第三层，所述第一层、所述第二层和所述第三层在所述单晶硅层上方按该顺序外延生长，并且
其中，由所述狭缝内的所述第三层形成波导。
6.根据权利要求5所述的光学器件，该光学器件包括：
绝缘层，所述绝缘层位于所述一对导体的侧壁上，所述侧壁跨所述狭缝彼此面对。
7.根据权利要求5所述的光学器件，
其中，所述单晶硅层是设置于所述狭缝的底表面的单晶未掺杂硅。
8.根据权利要求5所述的光学器件，
其中，所述一对导体中的一个由第一导电类型单晶硅形成，所述一对导体中的另一个由第二导电类型单晶硅形成，
其中，所述单晶硅层是所述第一导电类型单晶硅、所述第二导电类型单晶硅中的一种或具有PN结的单晶硅，并且
其中，施加到所述一对导体的电位与相应导体的导电类型相反。
9.根据权利要求5所述的光学器件，
其中，所述一对导体在垂直于所述基板的方向上彼此靠近地设置，
其中，所述多层膜在垂直于所述基板的方向上设置在所述一对导体之间，并且在平行于所述基板的水平方向上设置在折射率比所述钙钛矿氧化物小的绝缘层之间，并且
其中，由被所述一对导体和所述绝缘层包围的所述钙钛矿氧化物形成光波导。
10.根据权利要求9所述的光学器件，其中，所述一对导体从设置在所述一对导体之间的所述多层膜沿相反方向延伸。
11.一种光子集成电路器件，所述光子集成电路器件包括：
光学器件，所述光学器件具有基板、具有在所述基板上方设置的一对导体之间的狭缝的狭缝电极和设置在所述狭缝中的多层膜；
硅波导，所述硅波导光学连接到所述光学器件，
其中，所述多层膜包括单晶硅层、含有Zr的第一层、含有ZrO2的第二层以及含有钙钛矿氧化物的第三层，所述第一层、所述第二层和所述第三层在所述单晶硅层上方按该顺序外延生长，并且
其中，由所述狭缝内的所述第三层形成波导。
12.一种光学收发器，所述光学收发器包括：
光子集成电路；
电路装置，所述电路装置向所述光子集成电路供应电信号或从所述光子集成电路接收电信号；以及
数字信号处理器，所述数字信号处理器连接到所述电路装置，
其中，所述光子集成电路包括光学器件以及光学连接到所述光学器件的硅波导，所述光学器件具有基板、具有在所述基板上方设置的一对导体之间的狭缝的狭缝电极以及设置在所述狭缝中的多层膜,
其中，所述多层膜包括单晶硅层、含有Zr的第一层、含有ZrO2的第二层以及含有钙钛矿氧化物的第三层，所述第一层、所述第二层和所述第三层在所述单晶硅层上方按该顺序外延生长，并且
其中，由所述狭缝内的所述第三层形成波导。
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