CN1432845A - 集成的光波导器件 - Google Patents

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Abstract

集成的光波导器件，如光相位或光强度调制器或频率转换器，包括：有垂直于铁电材料自发极化方向的第1(11)和第2表面(12)的衬底(10)。至少第2表面对给衬底加外电场的操作无用。器件有集成在衬底上的第1表面中的至少一个波导。至少一个波导的至少一个纵向波导部分形成在有自发极化第1取向的各个第1衬底区中。至少一个纵向波导的至少一个纵向波导部分形成在具有第1自发极化取向的各第1衬底区(14，15；50)。第1表面上设至少一个第2衬底区(15，14；51，52)邻近垂直于纵向波导部分的第1衬底区。第2衬底区有与第1取向相反的第2取向，正切电场分量扩展到第1表面由热电压电或光电效应之一或多个效应引起极化电荷或自由电荷。金属层(117)和第1表面结合并包含可移动电荷。在正切电场分量作用下可移动电荷位移，补偿衬底中的极化或自由电荷，明显减小垂直于至少集成纵向波导部分的第1表面中的电场分量。

Description

集成的光波导器件
技术领域
本发明总的涉及集成的光原器件领域，更具体涉及光束通过衬底材料中集成的光波导传播的集成的光波导器件，具体涉及光电效应为基础而运行的频率转换器和光电调制器，但发明不限于此。光电调制器的实例是相位调制器或强度调制器，例如，Mach-Zehnder型干扰调制器。
背景技术
通常在铁电材料衬底上制造诸如调制器和开关的集成的光波导器件。所有已知的衬底材料中，铌酸锂(LiNbO3)应用最广泛，因为它有显著的光电性能，能形成低成本的光波导。其它已知的衬底材料例如有钽酸锂(LiTbO3)。
光电效应是以张量为特征的二次非线性特性。该张量将材料的光频率下的极化变化(即折射率变化)低频调制电场相联系，该低频调制电场是其频率大大低于光场频率的调制电场。加外部电场通过光电效应改变材料的折射率对光场进行相位和幅度调制。
为了简化，不考虑光电效应的张量特性。光频ω下的折射率变化Δn(ω)与光电系数r和调制电场Eo的乘积成正比：Δn(ω)∞r·E。
LiNbO3晶体中光电系数r33的最高值是r33≈30pm/v。光电系数r33涉及与沿C(也叫Z)晶轴的调制电场分量相关的沿C(也叫Z)晶轴传播的电磁波引起的折射率变化。
为此，通常允许按Z轴切割片构成LiNbO3晶体衬底，Z晶轴垂直于最大面积的表面，因为该结构甚至在较高的调制频率下也能保证有优良的调制性能。
除光电性能外，铁电材料还显示出其它优良性能，如热电性，压电性和光折射性等。
如众所周知的，热电效应是由于较快的温度漂移引起的在材料的自发极化中的变化，同时，压电效应是由于引起材料变形的机械应力造成的自发极化中的变化。用光折射效应会造成光折射率中的光感应变化。
这些特生对集成的光器件有损坏作用，所以会妨碍它们执行规定的功能。
诸如温度漂移，机械应力和短波光强度等参数变化时，事实上铁电材料衬底中能产生自由电荷或极化电荷。这些电荷在衬底中设置用于传播光模式的光波导的区域内产生真正的电场。
这些电场通过光电效应使真正的折射率变化增大。这些电场对折射率的影响与调制电场对折射率的影响相同，如果E是自由电荷或极化电荷在材料中引起的电场，在光频率ω下的折射率变化是Δn(ω)∝r·E。
实际上，由于电磁波通常沿Z轴极化会出现最大的光电调制，电场沿Z轴本身产生折射率变化，所以沿晶体Z轴的电场是最合适的电场。
与其它铁电材料相比，铌酸锂(LiNbO3)中由于更强的热电性，压电性和光折射性使其具有更优异的光电性能。而且，(LiNbO3)热电电场，即热电效应在(LiNbO3)材料中产生的电场，其方向沿其显示出最高光电系数的Z晶轴。
作为最典型的情况的实例，认为是Mach-Zehnder集成的波导光电调制器。这种器件广泛用于集成的光学器件中，例如，因为它允许调制光束强度。
温度变化，机械应力，光辐射确定自由电荷或极化电荷出现，随后在衬底中要形成干扰计臂的区域内建立电场。光电效应引起的这些电荷引起折射率变化，它能改进通过波导传播的光模式。换句话说，通过干扰计臂的光模式传播不仅受所加调制电场影响，还受由压电和/或热电效应产生的电场影响。这些变化使器件光响应中的所谓DC-漂移增大，由此，器件的光响应随长期时间常数变化。
温度或机械应力变化很慢时，由符号相反的电荷的边缘效应散乱或屏蔽不完善所产生的外电场会吸引足够多的自由电荷到衬底表面，这些电荷补偿内部极化电荷。内部极化电荷也能因电流通过与体导电率相关的晶体而得到补偿。按该方式，恢复准中性状态并减小电场。
温度和/或机械应力变化较快时情况有所不同，因此，可以避免进行电荷补偿处理。
此外，模块几何结构诸如在与金属电极相关的两个波导臂的位置的不对称会产生热电和/或压电效应的不均匀影响，因此，造成器件响应更引人注目的变化和无法控制。
为了使这些效应有理想的效果，采用按Z轴切割的铌酸锂(LiNbO3)晶片，使波导区位于垂直于Z晶轴的一个表面下，假设衬底产生热电效应，该理论可以扩展到按相同方式产生电荷的其它效应，如压电效应，和光电效应。如果温度变化较快，将会形成-4×10-5C/km2数量级的无补偿的表面电荷密度。该系数符号为负意味着温度升高时符号为负的极化电荷将会使晶Z+表面(即，沿Z晶轴取向的表面)增大，而正极化电荷使相反的Z-表面变大。该相反符合温度降低。该表面电荷分布将会沿Z晶轴产生几乎在整个晶体内均匀的电场E。事实上在衬底边缘有边缘电场作用，但这些不均匀性不会对设在远离衬底边缘处的波导区造成明显的影响。衬底本身与其厚度相比通常较大。因此，认为电场E是均匀的，和在波导区内沿Z轴取向，每个K温度变化的幅度约为1.6×105V/m。
已提出了几个解决方案来抑制热电或压电效应引起的DC-漂移现象。
提出的某些解决方案，需要用含用移动电荷的导电材料膜，以产生电荷的快速再分布，由此减少或抑制损坏的电场。
例如，美国专利US-5621839公开了一种光波导器件，它有诸如LiNbO3，LiTaO3，Li(Nbx，Tal-x)O3的铁电晶体按X晶轴切割而制成的衬底，在该按X轴切割的衬底的一个主表面上形成的光波导。分别在Z-和Z+衬底晶面上形成第1和第2导电层。第1和第2导电层经主平面上形成的导电层电连接。
换句话说，用导电材料覆盖Z+和Z-衬底表面，和经过导电路径使它们相互连接，Z+和Z-衬底表面即是垂直于Z晶轴的衬底表面，而且，热电电场沿Z+和Z-衬底表面扩展。
该解决方案对垂直于Z晶轴的一个衬底表面中集成有光波导的按X轴切割的衬底最有效。但是，对按X轴切割的衬底中形成的器件的光电响应的影响比其中在衬底Z面集成有波导的按Z轴切割的衬底中形成的器件的光电响应的影响差。
以上的解决方案不能用于按Z轴切割的衬底中集成的器件，因为要用导电材料覆盖的一个表面也是要设置加调制电场用的驱动电极的表面。该情况下，为了使驱动电极之间不发生短路，必须用专用材料或/和进行特别的处理。
例如，美国专利US-5153930中描述了用具有热电效应的材料衬底的器件。器件形成制造中在Z轴切割的单晶LiNbO3衬底中形成两个扩散钛(Ti)的波导，前衬底面上形成SiO2缓冲层。高导电状态的钛薄膜淀积在缓冲层上，Al层淀积在钛薄膜上，并以界定两个分立电极和在钛薄膜周边延伸的环。还在后衬底面上淀积Al层。之后，制成的构件在250℃在氧和氮气氛中烘烤，烘烤期间钛薄膜的露出部分转变成高阻状态。之后，衬底侧边上加导电涂料条，以把环连接到后面上淀积的Al层。温度变化要在衬底表面之间产生热电场时，导电涂料条允许电荷在环和前Al层和后Al层之间重新分布，以产生反作用场，所以，在衬底中无净场。这造成热电场与表面电荷引起的电场之间达到平衡所需的时间极短，在毫秒数量级，所看到的最大效果是温度变化造成的转换性能不会不稳定。
换句话说，理想的情况是，露出的顶层部分的导电性足以允许补偿热电场，而不会造成加到电极的电功率的太高损耗。
但是，由于电极之间露出的高电阻钛薄膜部分的电阻值是有限的而不是无限的，由于前衬底表面电连接到后衬底表面上的Al层，所以对器件的低频性能造成负面影响。
美国专利US-5214724描述了一种光波导器件它用按Z轴切割的(LiNbO3)衬底，其中，在SiO2缓冲层与驱动电极之间和全部缓冲层上形成的硅半导体层作为低频带导体，使由温度变化等引起的表面电荷均匀分布，和稳定光波导器件的特性。重要地是，硅层在诸如热电效应引起的低频场中起导体作用，而在频率更高的调制场中起介质作用。
换句话说，该情况下，企图使波导中温度均匀变化引起的极化电荷形成的电场。
如上所述，由于光折射作用，光也可以引起铁电材料的折射率变化，该情况下，用光电效应而在衬底中产生电荷，由光电效应产生的电场会引起折射率变化。
已结合主要是频率转换器的(LiNbO3)激光二极管为基础的二次谐波发生器(SHG)研究了光折射作用。正如V.Pruneri et Al，“self-organised light-inducedscattering in periodicAlly poled lithium niobate”，Appl，phys.lett.vol.67.p.1957(1995)；M.Taya et al，“Photorefractive efferts in periodicallypoled ferro-electrics”，optics Letters.VOL.21.p857(1996)，and，B.sturman et，Al，“Mechanism of serf organized light.induced scattering in periodicAlly poled lithium niobate”，Appl.phys，lett.vol.49.p.1349(1996)中报道的，定期极性转换(Poling)，即，定期铁电畴反向的铌酸锂不仅能保证非线性光学处理的准相位匹配，还能降低光折射作用引起的光束扭曲。该降低光束扭曲之后的机理是，光电流按Z轴方向流动，所以在激光束侧边上建立符号周期性变化的空间电荷分布。这就是说，当光束尺寸大于结构周期时，沿Z轴的电场明显减小。事实上，从激光束侧边起算的深度与周期性畴结构的周期相当的深度上仍然存在电场调制。
美国专利US-5278924中提出了关于光电调制器定期转换极性作为补偿光调制与RF电信号之间的相位速度不匹配的方法。更具体地说，在有反向区和非反向区的铁电畴的衬底中形成带不对称的共平面波导行波电极的集成的光学Mach-Zehnder型干扰计。反向区和非反向区按垂直于干扰计臂，即垂直于波导臂的方向沿臂按交替顺序相互平行延伸。每个干扰计臂中的光信号通过铁电畴的反向的和非反向的区域。反向区和非反向区之间的每个转变均改变光信号的相位调制的符号。这补偿RF信号和光信号之间相位速度不匹配引起的光信号和RF电信号调制之间的180℃相位差。
美国专利US-6055342中，把铁电畴反向用于集成的光强度调制器中，使光波导的折射率具有交错图形的不连续性，所以，光波分布模式相对于波导中心不对称，以用低插入损耗和低驱动电压调制光波。在包围光波导的交错图形中设置有从衬底的自发极化方向反向的铁电畴的畴反向区，在畴反向区和光波导中心处的自发极化区之间有界面。
日本特许公开JP07-191352中描述了诸如直接耦合光开关的光波导器件的问题，其中波导之间会出现波能互换。器件包括诸如用按Z轴切割的(LiNbO3)晶体片制成的晶体衬底，衬底表面中形成相邻和平行的两个光波导。器件有耦合区，它是在衬底中发生波导间波能互换的区域。同一衬底表面上形成正电极和负电极作为光波导，电极与衬底表面之间设有缓冲层，两个电极相互平行延伸，和与各波导局部重叠。产生从正电极向负电极弯曲的电场，它在两个波导中相对于Z晶轴按大致相反的方向起作用。
按日本特许公开JP-07-191352，按该结构，两个光波导中电场的作用方向只是大致相反，所以与完全反向的情况相比，电场作用损失大。此外，为确保两个光波导上电场最有效的作用，必需精确调节位置，调节方式例如是使电极边缘部分匹配到光波导器件中心区的最佳位置，以使电场的密度部分集中到光波导上。这种高精度位置调节方法不能用在小型光波导上，而且不能提高生产率。而且，在晶体衬底的同一表面上形成相互对准的正电极和负电极，会出现两个电极之间存在的缓冲层造成的工作电压波动的现象(DC漂移)，这在实际应用中造成明显的缺陷。
为解决上述文献中所述的缺陷，所述的器件中，在按Z轴切割的(LiNbO3)晶体衬底的表面上形成一对光波导，衬底中的耦合区进行波能互换。形成光波导的晶体的Z轴方向是在彼此相反方向上形成的，晶体衬底的上表面和下表面中设有相反且相互平行的平板形正电极和负电极。用正负电极形成方向相反的光波导。根据该结构，通过相反的平板形电极之间形成的线性的均匀和平行的电场的作用，按相对于光波导Z轴的各个相反方向起作用。
按那个文献，由于电极结构是相反结构，电极之间有介质，所以能抑制电极之间出现的DC漂移现象和它引起的现有器件中的问题。
考虑到现有技术中的情况，本发明的目的是寻找克服集成的光波导器件中DC漂移缺陷的方法。该解决方法能基本上减少有加外部调制电场用的驱动电极的器件中存在的现象，这种器件例如相位调制器和强度调制器，和不需要电极的例如频率转换器。
按本发明设置的集成的光波器件，包括：
铁电材料衬底，它有垂直于铁电材料的自发极化方向的第1面和第2面，至少第2面对给衬底加外部电场的操作基本上不起作用；
至少一个与衬底的第1表面一致的集成在衬底上的波导；
至少一个波导的至少一个纵向波导部分形成在有第1自发极化取向的各个第1衬底区中。
第1衬底区中设有至少一个第2衬底区，邻近所述第1衬底区垂直于纵向波导部分，有与所述第1取向反的自发极化的第2取向，以扩展与所述第1表面正切的电场分量，引起由热电效应，压电效应和光电效应中的一个或多个效应产生的极化电荷或自由电荷。
材料层还与所述第1表面相关和包含移动电荷，所以，在所述正切电场分量作用下引起移动电阻位移，从而大致补偿了衬底中的极化电荷或自由电荷，以明显降低了至少是集成纵向波导部分的衬底区中垂直于第1表面的电场分量。
换句话说，不仅使热电效应或压电效应产生的极化电荷以及光电效应产生的自由电荷所产生的电场大致均匀，还基本消除了集成至少一个波导的至少一个衬底表面。
一个实施例中，所述第1表面是对衬底加外电场的操作有用的表面，器件包括与所述第1表面有关的用于加外部调制电场的共面配置，所述外部调制电场的调制频率范围适合于对波导中的折射率进行光电调制。第2表面无电极。第1表面与电极之间设有材料层，它有所述调制频率范围内大致有绝缘体性能。
该情况下所述材料层是硅层。
一个实施例中，器件包括形成干扰的光电调制器的各个臂的至少两个波导。形成至少两个波导，它的至少一部分在沿垂直于波导部分的轴的自发极化有相反取向的各衬底区中的器件调制区中。
所述各衬底区可沿所述垂直轴方面彼此相邻。
至少一个第2衬底区可包括至少两个第2衬底区，它们位于相对于波导部分纵向的波导部分的相反侧边上它们之间夹有所述第1衬底区。
实际上，要形成至少两个波导，它们可形成干扰的光电调制器中的各个臂，所述波导的至少一部分在所述第1衬底区中。
另一实施例中，第1表面对给衬底加外电场的操作也基本上不起作用，但这种情况下两个表面均无电极。
该情况下，所述材料层是金属层。
该情况下，所述的至少一个第2衬底区可包括至少两个第2衬底区，它们位于相对于波导部分纵向的波导部分的相反侧边上它们之间夹有所述第1衬底区。
附图说明
通过以下对本发明的一些实施例的详细描述，本发明的特征和优点将更清楚，这些实施例是为了说明发明而不是限制发明，附图中：
图1是按本发明的第1实施例的集成的光波导器件的简单的顶平面图；
图2是沿图1中II-II线取的简化的截面图；
图3和图4是与图2中相同部分的放大截面图，分别示出器件中的电场的X和Z分量的分布；
图5是按本发明第2实施例的集成的光波导器件的简化截面图；
图6和7分别示出图5所示器件中电场的X和Z分量的分布，用于标注第1器件尺寸；
图8和9分别示出图5所示器件中电场的X和Z分量的分布，用于标注第2器件尺寸；
图10和11分别示出图5所示器件中电场的X和Z分量的分布，用于标注第3器件尺寸；
图12和13分别示出图5所示器件中电场的X和Z分量的分布，用于标注第4器件尺寸；
图14是按本发明第3实施例的集成的光波导器件的简化的截面图；
图15和16分别示出图14所示器件中电场的X和Z分量的分布，用于标注第1器件尺寸；
图17和18分别示出图14所示器件中电场的X和Z分量的分布，用于标注第2器件尺寸。
以下相同的参考数字指示将描述的不同实施例中相同的、相似的或相应的部分。
具体实施方式
图1和图2分别是按本发明第1实施例的顶平面示意图和剖视示意图。具体说，器件是共平面波导(CPW)Mach-Zehnder型集成的光电调制器。
器件包括：沿Z轴切割的铁电材料衬底10，例如LiNbO3或LiTaO3的无机晶体，有垂直于Z晶轴的顶表面11和底表面12。
衬底10包括至少在视场和电场之间相互作用的器件调制区13中的至少两个铁电畴区14，15，它们有相反的铁电畴，即，极化相反的铁电畴。图中用不同的方式示意性的标出出极性相反的铁电畴，两个铁电畴区14，15中，Z晶轴相反取向；铁电畴区14朝衬底顶表面11取向，铁电畴区15朝衬底底表面12取向。
器件还包括：在衬底10的顶表面11中，用常规方法集成的输入光波导16或输入通道；第1Y形继电线17，用于把沿输入波导16传播的输入光信号分割成沿两个大致平行的按Y晶轴方向延伸和构成干扰计臂的光波导18，19传播的光信号；第2Y形继电线110，它与第1Y形继电线沿Y轴隔开，用于把两个光信号汇合成沿输出光波导111或输出通道传播的输出光信号。
每个铁电畴区14，15中各自形成两个波导18，19。
图示例中，两个铁电畴区14，15纵向延伸到波导18，19用于延伸调制区13的总长度。两个铁电畴区14，15之间的界面112位于沿X晶轴两个波导14，15之中间位置。但这不是对本发明的限制，因为，两个区14和15可以只延伸器件调制区13的部分长度。后一种情况下，每个波导18，19可穿过与区14，15类似的有交替铁电畴取向的一组纵向系列区。
调制区13中最好用金制成的金属电极配置与衬底10的顶表面11重叠。因此顶表面11是给器件加外部产生的调制电场的操作相关的有用表面。底表面112上没设电极，因此，底表面是给器件加外部产生的调制电场的操作无用的表面。
实际上，电极113重叠在波导18，19上使其纵向部分延伸。两个电极114，115沿垂直于电极113的Y轴延伸。
电极114和115要电连接到参考电位(地)，因此，作为接地电极。电极113要电连接到调制电位V，因此，作为热电极。最好设置电极的布图，以允许器件在调制电场的微波范围运行。
两层膜116，117的叠层设在衬底顶表面11与电极113，114，115之间。通常设置叠层的最下层膜116，或缓冲层使金属电极与波导18，19中的光场隔开，以防光场衰减。缓冲层可以是二氧化硅层，最好是介电常数比SIO2的介电常数稍低的苯并环丁烯(BCB)层，因而能确保光模式与调制电场之间更好的相位匹配。特别是在微波范围的调制电场中有更低的损失。
缓冲层116上设半导体材料层117。这里的半导体材料是在调制电场的典型频率下基本不导电的材料，而在热电，压电或光电效应的典型的更低频率下，该材料是导体。合适的材料例如是硅。
每个铁电畴区在垂直波导方向，即X方向都要足够大，以能包含两个干扰调制器臂中的一个臂的波导。铁电畴区覆盖通过各个波导传播的光模式的整个横截面外形。关于铁电畴区的厚度，波导表面的反向区更深，折射率变化与光模式的重叠更大，即，从光模式看有效折射率变化更大。
电极113，114和115电连接到时间可变电压源，给电极加调制电场，以调制进入调制器的光信号。
尽管两个波导18，19中的调制电场的方向和取向相同，事实上，后者形成在有符号相反的光电系数的相反铁电畴的衬底区中，使两个波导的折射率进行相反变化，沿该波导传播的光信号相应地进行相反的相位漂移。因此，器件有所述的推挽结构。
为研究调制区中的电场分布，对图1和图2所示结构进行了数值计算。
简而言之，假设金属电极113，114，115接地，已进行了计算。换句话说，设金属电极的电位为0，它与距离比衬底尺寸大很多的情况下的电位相同。以该方式，已分析了由于电荷分离(即，(LiNbO3)铁电畴中极化变化)，所引起的电场分布变化。考虑线性度问题，加到电极上的外部电位(例如，确保器件的功能性的调制电压)，不会修改对接地电极计算出的电场分布变化。该模式中，假设半导体材料层117在低频有理想的无限大的导电率，因此接地。
参见图2，对具有下列尺寸的器件进行数值计算：
衬底厚度d1＝1mm；衬底宽度d2＝2.4mm；
缓冲层116厚度＝1μm；半导体层117厚度＝1μm；
膜层116，117叠层和金属电极的总厚度d4＝30μm；
电极总宽度d3＝1mm；
热电极宽度d5＝40μm；
接地电极之间的间距d6＝80μm；
图3和4画出从数值计算得到的电场分布。具体说，图3展示出电场X分量EX的值，图4展示出电场Z分量EZ的值，该电场是温度每变化1°K而产生的。
注意图4，容易看出，波导区中电场Z分量EZ的值范围是0至2.5×104v/m。这就是说，EZ分量比无铁电畴反向的情况下产生的电场分量几乎小一个数量级。事实上，如上所述，温度每变化1°K单畴铌酸锂衬底中的电场分量Ez扩大约1.6×105v/m。
对该结果说明如下，由于存在有相反取向的铁电畴的两个衬底区14和15，衬底中两个衬底表面11，12中引起的极化电荷在两个区域14，15中的符号相反。实际上，在区域14的顶表面有负电荷，而在区域15的顶表面电荷是正电荷。图3和4中用“+”和“-”符号在衬底顶表面11正下面示出。
自发极化产生的两个衬底区14，15的表面上存在符号相反的电荷会明显降低形成单个铁电畴的衬底处的电场分量。
此外，自发极化中的变化产生的两个衬底区14，15的表面上有的符号相反的电荷会引起强电场分量EX或正切电场分量。该EX分量反过来引起半导体材料层117中的表面电流，在该频率下半导体材料层117作为导体。因此，在半导体材料层117和金属电极中产生了电荷离析。半导体层117和电极中产生的自由电荷与自发极化变化产生的在衬底顶表面上的电荷的符号相反。这些自由电荷至少部分补偿极化电荷。因此，在波导处出现了中和处理，从而进一步减小了该区域中的电场分量EZ。
为此，大大减小了因温度变化，机械应力，光强度引起的衬底材料中的极化电荷所造成的器件工作点的损害作用。
值得注意的是，覆盖区域14与15之间的界面周围的衬底表面的大部分的金属电极已经允许电场分量Ez减小。提供半导体材料层117能增强该作用。
图5是按本发明第2实施例的集成光波导器件的简化截面图。具体地说，该第2实施例的器件是共平面波导(CPW)Mach-Zehnder型干扰光电调制器。
与图1和2所示器件的差别是，该情况下两个波导18，19形成在相同衬底区50中，衬底区50构成单个铁电畴晶体区，其中，有第1取向的铁电畴，例如，附图中的“朝上”取向的铁电畴。衬底区50夹在两个衬底区51与52之间，也构成单个铁电畴晶体区，其中，铁电畴有第2取向，它与衬底区50的取向相反，例如是附图中的“朝下”取向。
区域50，51和52可扩展器件调制区的整个长度或部分长度。后一种情况下，波导18，19可通过有交错的铁电畴取向的与区域50相同的纵向系列区域之后，设置这样的纵向系列区域和与区域51，52相同的也有交错的铁电畴取向的其它两个纵向系列区域。
两个波导中的一个，例如，波导19位于中心热电极113下面。另一波导18位于两个接地电极中的一个下面，例如电极114下面。
与上述实施例一样，金属电极与衬底顶表面11之间夹有缓冲层116和半导体层117的叠层。
图5所示结构，对中心衬底区50的不同宽度值(即图5中d7的尺寸值)进行数值计算，以分析波导区中电场与参数的关系。
与上述实施例一样，假设金属电极113，114，115接地，进行计算。该情况下数值计算的的目的是，找出使电荷离折引起的折射率变化尽可能接近0的d7值。这就是说，器件工作点的DC漂移可忽略不计。
参见图5，对有以下尺寸的结构进行数值计算：
衬底厚度d1＝1mm；衬底宽度d2＝2.4mm；
缓冲层116厚度＝1μm；半导体层117厚度＝1μm；
层116，117叠层和金属电极的总厚度d4＝30μm；
电极配置总宽度d3＝1mm；
热电极宽度d5＝9μm；
接地电极之间的间距d6＝57μm。
图6至13展示出计算出的电场分布。具体地说，图6和7示出以d7＝1.02mm算出的电场的X和Z分量Ex和Ez值。图8和9示出从d7＝0.94mm算出的电场X和Z的分量Ex和Ez值。图10和11示出从d7＝0.9mm算出的电场X和Z的分量Ex和Ez值。最后，图12和13示出d7＝0.85mm算出的电场X和Z的分量Ex和Ez值。计算中假设温度变化1°K。
数值计算表明，由于设置垂直于铁电畴区50的两个铁电畴区51，52，并设有半导体层117，所以电场X的分量EX极小。再参见对上述实施例的描述，假设没有半导体层，提供铁电畴反向建立强的电场X的分量Ex。一旦提供了半导体层117，该强电场分量Ex引起半导体层中自由电荷离析，从而至少部分补偿衬底中产生的极化电荷。结果，明显减小器件工作点中DC漂移引起的电场Z的分量Ez。
考虑到图6至13中所示的数值计算结果，可以推论能找到使电场分量Ex和Ez值最小，特别是可以使电场分量Ez几乎为0的d7值。图5所示结构可以具有上述的结构尺寸，例如d7的值可以0.9至0.94mm。实际上，d7从1.02mm(图6和7所示情况)减小到0.94mm(图8和9所示情况)，电场分量Ez仍然为正，但Ez明显减小，从约1.22×104V/m减小到4.2×103V/m。d7再减小至0.9mm(图10和11所示情况)，使电场分量EZ变成负，Ez≈-2.3×103V/m。d7再降到0.85mm(图12和13所示)，Ez分量的绝对值增大，变成Ez≈-6×103V/m。
图14示出按本发明第3实施例的器件。具体地说，该情况下的器件是双共平面带(CPS)Mach-Zehnder型干扰强度调制器，它与图5相同，是剖视示意图。
与图5所示的CPW Mach-Zehnder型干扰调制器相同，形成干扰计臂的两个波导18，19形成在同一衬底区50中，衬底区50构成单个铁电畴晶体区，其中有“朝上”取向的铁电畴。衬底区50夹在两个衬底区51，52之间，也构成单个铁电畴晶体区，其中，铁电畴取向与区域50中的铁电畴取向相反，例如“朝下”取向。
器件包括在要集成波导18，19的衬底表面11中设置的金属电极配置。电极配置包括两个热电极113A，113B。每个波导18，19分别位于热电极113A，113B下面。接地电极114和115在一对热电极113A，113B的侧边延伸。衬底表面11与电极之间设有SiO2缓冲层116和半导体材料层117的叠层膜。
与上述的两个实施例一样，对图14所示结构进行数值计算，以分析电场分布。
假设金属电极113A，113B，114和115接地，再进行计算。
图15至18示出假设有以下尺寸的图14所示结构算出的电场的X和Z的分量Ex和Ez。
衬底厚度d1＝1mm；衬底宽度d2＝2.4mm；
电极配置总宽度d3＝0.94mm；
膜层116，117叠层和金属电极的总厚度d4＝30μm；
缓冲层116厚度：1μm；半导体层117厚度：1μm；
热电极之间的间距d8＝60μm；
热电极与相邻接地电极之间间距d9＝20μm；
热电极宽度d10＝9μm；
其中要形成波导的衬底区50的宽度d7的值在图15和16中d7＝0.94mm，在图17和18中d7＝0.9mm。
与图5所示结构一样，可以推论，与其中无铁电畴反向和没设半导体的同样的器件结构相比，能明显减小对器件的DC漂移有损害作用的电场分量Ez。此外，能找到使电场分量Ez减小到几乎为0的d7的值。上面给出的结构尺寸，例如d7的值在0.9mm至0.9mm。
尽管本发明的实施例全都是涉及Mach-Zehnder型光电调制器来描述的，但本发明不限于此。
本发明还能用于其它类型的器件。
例如，本发明能用于相位调制器，它的操作仍然是用驱动电极加外部调制电场对折射率进行光电调制为基础。
本发明也能用于不需要驱动电极不要求加外部调制电场来操作的那些集成的光波导器件。该情况下，衬底的两个表面对于给器件加外部产生的调制电场的操作没用。这些器件例如频率转换器。这些器件与要求驱动电极的器件不同，不存在电极之间短路的问题。因此，半导体层117可以是与频率范围无关的作为导体材料层，例如金属层。
关于不同取向的铁电畴晶体区的形成方法，已经报道了各种使畴反向的方法，这些方法允许制造包含不同极性区的LiNbO3晶体，这些性能出现的转换取决于Z晶轴的方向和取向。
使铁电畴反向的某些方法依赖接近晶体居里点的高温下的离子扩散。
正如在N.Ohnishi，“Anetching study on a heat-induced layer at the positive-domain surface of LiNbO3”，Jap，J.Appl.phys.vol.16.p 1069(1977)，中报道的，在800-1100℃加热1至20小时，LiNbO3晶体Z+面的Li2O外扩散，可使铁电畴反向。
S.Miyazawa，“Ferroelectric domain inversion in Ti-diffused LiNbO3 OpticAlWaveguide”，J，Appl，phys，vol.50，p4599(1979)报道，在空气中在950-1100℃温度下进行5至10小时的Ti内扩散，可使Z+面上出现铁电畴反向。
K.Nakamura and H Shimizu“Ferroelectric inversion layers formed by heattreatment of proton-exchanged LiTaO3”，Appl.phys lett，vol.56，p1535(1990)报道，在接近居里点的高温下处理后质子交换可使LiNbO3晶的Z+面上铁电畴反向。
SiO2涂层在居里点附近的温度下热处理几小时后也能用于激励LiNbO3中的LiO2外扩散，正如M Fujimura et Al“Ferroelectric-domain inversion induced by sio2cladding for LiNbO3 Waveguide SHG”，Electronics Lett，vol.27P1207(1991)中报道的，涂敷面积下在Z+面出现铁电畴反向。
L.Huang and N.A.F.Jaeger“Discussion of domain inversion in LiNbO3”APPL.Phys，Lett，vol，65，P1763(1994)中提出了简单模式，其中，铁电畴反向与高温下Li2O外扩散产生的NbLi缺陷和自由电子引起的每厘米几百伏的空间电荷场有关。
R.W.Haycock and P.D.Townsend“A，Wethod ofpoling LiNbO3 and LiTaO3below Tc”，Appl.phys.lett.vol.48.p.698(1986)中论述了用电子束使LiNbO3和LiTaO3中的铁电畴反向的另一种方法。第1试验是在600℃温度下用10V/cm数量级的小电场对LiNbO3进行试验，其目的是，使氧离子组合成比有机单离子态小的分子态，使Li离子更容易跨过到氧平面的另一边。
任何已知的铁电畴反向或析性变换方法原则上是用于形成本发明提供的铁电畴区。
但是，高温下离子扩散获得的铁电畴反向区通常很浅(只在表面下的几微米深)，因此，只适用于波导。此外，铁电畴的形状是三角形(在Ti内扩散，Li2O外扩散，SiO2涂敷的情况下)，或是半圆形(经热处理后质子交换情况下)，有时会造成反向区与波导模式重叠不好。用电子束辐射法能在整个样品厚度(0.1-1mm)上产生整齐的多个畴，能提供改善所述重叠的电位。
用于获得铁电畴反向的其它方法包括在CzochrAlski生长和激光加热的基底晶体生长中掺杂。
目前已用室温下电场极性变换方法制成了最有效的极性转换器件。正如M.Yamada et Al.“First-order quasi-phase-matched LiNbO3 Waveguide periodically.poled by applying an externAl field for efflicient blue second-harmonicgeneration”，APPl.phys.lett.vol.62.P435(1993)中报道的。高压脉冲加到按Z轴切割的衬底，所以，外电场高于矫顽场对LiNbO3而言是20kv/mm值，相当于使畴反向的值。电场极性转变法可整个厚度上获得有高清晰度的整齐的多个畴(几微米，如定期制造的某些准相位匹配的频率转换工艺所示的)，而且，与其它方法相比，它更简单更价廉。
关于反向的和非反向的铁电畴区的厚度，这些畴向下延伸到衬底底表面不重要。参见图5，区域50，51和52的厚度与它们的宽度相比是足够了。
各个衬底区可在波导形成前后形成。
注意，尽管以上所述的实施例中只考虑了热电效应对产生的极化电荷的作用，但压电效应产生的极化电荷或光电效应产生的自由电荷的情况下也能达到同样的效果。
尽管已用一些实施例公开和描述了本发明，但本行业的技术人员应明白，不脱离所附权利要求书限定的发明范围的情况下对所述的实施例还会有一些改进，以及还会有其它实施例。

Claims (10)

1.集成的光波导器件，包括：
铁电材料衬底(10)，有垂直于铁电材料自发极化方向的第1表面(11)和第2表面(12)，至少第2表面相对于给衬底加外部产生的电场的操作大致是无效的；
在衬底中对应于第1表面集成的至少一个波导(18，19)；
在有自发极化第1取向的各第1衬底区(14，15，50)中形成至少一个波导的至少一个纵向波导部分，
其特征是，还包括：
第1衬底区上的至少一个第2衬底区(15，14；51，52)，邻近横切于纵向波导部分的所述第1衬底区，有与所述第1取向相反的自发极化第2取向，所以，电场扩展正切到所述第1表面的分量，结果，由热电效应，压电效应和光电效应中的一种或多种效应产生极化或自由电荷，和
材料层(117)与所述第1表面结合并包含可移动电荷，在所述正切电场分量作用下，引起可移动电荷位移，它大致补偿衬底中的极化或自由电荷，以明显减小垂直于第1表面的至少是集成所述纵向波导部分的区域中的电场分量。
2.按权利要求1的集成的光波导器件，其中，所述第1表面相对于给衬底加外部产生的电场有效，器件包括与所述第1表面有关的用于加外部调制电场的共平面电极(113，114，115；113A，113B，114，115)配置，调制电场有用于对波导中折射率进行光电调制的调制频率范围，所述第2表面无电极，第1表面与电极之间夹有材料层，材料层在所述调制频率范围内基本上起绝缘体作用。
3.按权利要求2的集成的光波导器件，其中，所述材料层是硅层。
4.按权利要求2或3的集成的光波导器件，包括形成干扰光电调制器的各个臂的至少两个波导，所述至少两个波导在沿横切于波导部分的轴的自发极化取向相反的各衬底区中形成，所述波导至少它们的一部分在器件调制区内。
5.按权利要求4的集成的光波导器件，其中，所述的各衬底区在所述横切方向相互邻近。
6.按权利要求2或3的集成的光波导器件，其中，所述的至少一个第2衬底区包括至少两个第2衬底区，它们位于相对于波导部分的纵向的波导部分的相反侧边，并在它们之间夹有第1衬底区。
7.按权利要求6的集成的光波导器件，包括形成干扰光电调制器的各个臂的至少两个波导，形成的至少两个波导的至少一部分在所述第1衬底区中。
8.按权利要求1的集成的光波导器件，其中，第1表面相对于给衬底加外部产生的电场的操作基本上无效。
9.按权利要求8的集成的光波导器件，其中，所述材料层是金属层。
10.按权利要求8或9的集成的光波导，其中，所述至少一个第2衬底区包括至少两个第2衬底区，它们位于相对于波导部分纵向的波导部分的相反侧边，并在它们之间夹有第1衬底区。
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