TW202129368A - 介電光電相移器 - Google Patents

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Abstract

一種用於將一電信號調變至一光波上之垂直光電(EO)相移器係使用互補金屬氧化物矽(CMOS)程序工具來製造，藉此由EO材料製成之一波導芯與其電極緊密接觸。明確言之，該波導芯係由具有一高線性折射率n及一高三級非線性極化率之一富矽氮化矽(SRN)材料製成。該等電極係由P型或N型摻雜矽製成。又，該光波之偏振係法向於該波導芯與該等電極之間的界面定向。藉由此組合，該EO相移器展現用於調變之高光學侷限、低傳播損耗及一高光電重疊積分。

Description

介電光電相移器
本發明大體上係關於用一電信號調變一光波之光電(EO)相移器。特定言之，本發明係關於可使用互補金屬氧化物矽(CMOS)製程流程中所使用之標準工具製造之光電相移器。本發明尤其但非排他性地可用作具有一富矽氮化矽(SRN)波導芯之一EO相移器，該富矽氮化矽(SRN)波導芯在所施加之電場E與光波之間建立一高重疊積分以用於調變光波。
光電相移器在先前技術中已知。本質上，其等涉及使用一電信號來調變一傳播光波之相位。此係經由調變引發該光波之一相位變化之介質之折射率之手段來完成。
在整合式光學器件且明確言之矽光子之領域中，此調變最通常係經由電漿色散效應藉由波導中之自由載子密度(即，電子及電洞)之變化來實現。直至最近，矽光電調變器之大多數商業實現依靠電漿色散相移器。迄今為止，此等相移器之最高速度變體已基於將PN二極體或半導體-絕緣體-半導體(SIS)電容器整合於矽波導中。此等變體遭受缺點，包含(但不限於)由於大裝置電容而引起之高光學損耗、高功率消耗及有限頻寬。
因而，迫切需要使用超快效應(諸如依靠材料之二級非線性極化率χ(2) 之普克爾(Pockels)效應或依靠材料之三級非線性極化率χ(3) 之二次光電效應)實現光電相移器。然而，已知CMOS程序中可用之矽及介電質不具有任何二級極化率χ(2) 。因此，普克爾效應係不切實際的。因而，二次光電效應變得更加受關注。
應注意，普克爾效應及二次光電效應通常與高度非線性材料(諸如鈮酸鋰、鈦酸鑭鋯鉛(PLZT)、鈦酸鋇(BTO)或聚合物)相關聯。將此等材料整合至矽光子平台中具有依靠行業標準CMOS程序流程中不可用之材料及工具之根本缺點。此外，此等方法依靠遭受光電(EO)材料中之光場之不良侷限之波導結構或組態，從而導致低效裝置。
亦已嘗試使用應力源氮化矽層經由應變工程設計來工程設計矽(無固有χ(2) 之一材料)之一非零二級非線性極化率χ(2) 。然而，此方法遭受一總體低的可實現非線性係數且因此不切實際之裝置。
最後，亦已存在一演示，其中使用一整合式p-i-n二極體經由二次光電效應來實現矽之相位調變。此方法依靠在施加反向偏壓時在該二極體中引發之電場，以使用矽之三級非線性極化率χ(3) 來調變矽之折射率。雖然與CMOS程序相容，但此方法遭受矽之相對較低電崩潰強度(EBD ) ~ 4x107 V/m及低χ(3) ~ 2x10-19 m2 /V2 。此外，由於本質、p型及n型摻雜矽中之低折射率失配，相移器需要一寬本質區域以便避免高光學損耗。繼而，此降低該本質區域中之電場之強度，此進一步引起裝置之相移效率之降低。
考慮到上述情況，本發明之一目的係提供具有一高度非線性波導芯之一EO相移器，該高度非線性波導芯展現針對一光波之一高侷限因子且在經調變之該光波與一所施加電場之間達成一高重疊積分。本發明之另一目的係提供具有同時展現低線性材料吸收及一相對較高線性折射率之一波導芯之一EO相移器。本發明之又另一目的係提供使用CMOS程序流程中可用之工具製造一EO相移器，藉此可將電極製造為與波導芯直接緊密接觸之一方法。本發明之另一目的係提供易於使用、製造相對簡單且相對具成本效益之一EO相移器。
在結構上，光電(EO)相移器包括一波導芯及經製造為與該波導芯直接緊密接觸之一對電極。然而，該波導芯與該等電極係由不同材料製成。明確言之，富矽氮化矽(SRN)，即氮化矽之一絕緣、富矽變體係用於該波導芯且充當該EO材料且經摻雜矽係用於該等電極。
在本發明中，內在參數及外部參數兩者皆用於最佳化裝置之相移效能。此處，內在參數係指波導芯及電極兩者之材料性質，諸如其等折射率(n)、相對介電電容率εr 、三級極化率χ(3) 、電崩潰強度EBD 及摻雜(N)。另一方面，外部參數係指波導芯之實體尺寸寬度W 及厚度H 、頂部電極及底部電極之各自厚度h1 及h 2 ，以及相移器長度L 。對於本發明，藉由二次光電效應來實現折射率n之調變：
Figure 02_image001
其中∆n 係在一外部施加電場E 之影響下SRN折射率之變化，且D 係簡併因子。如本發明所設想，電場E可為時變的或靜態的。
對於本發明，提供涉及SRN芯及矽電極兩者之內在及外部性質之一組最佳化。如此做係為了達成低Vπ Lπ 、高操作頻寬及低功率消耗，其中Vπ 及Lπ 係指引發一π相移所需之電壓及長度。根據本發明，基本上存在針對一EO相移器的五個要求。此等要求係：i)高光學侷限；ii)高重疊積分；iii)低相對電容率εr ；iv)高EO係數；及v)高電崩潰強度。
第一要求係在EO材料中對光學模式之高度侷限。如本發明所設想，光波較佳地在其基模中被導引。明確言之，對於本發明，電極係由具有高於SRN芯之折射率之一折射率之一P型或N型摻雜矽製成。周圍介電質亦將具有低得多之一折射率。最佳地，對於在800 nm與1,600 nm 之間的一範圍中之光波之一操作波長λ，SRN芯折射率保持在2.5與3.5之間，以容許一高度侷限。此折射率失配之目的係將一適當偏振之光學模式導引至較低折射率SRN中。最後，需要在尺寸上選擇波導芯之寬度W 及厚度H 以進一步最佳化侷限。高侷限最小化來自光學模式與矽電極中之自由載子之相互作用之光學損耗。
第二，確保光場與所施加電場E 之一高度重疊係關鍵的。明確言之，對於本發明，SRN芯經製造為與經摻雜矽電極緊密接觸。此確保針對跨兩個電極之一給定所施加電壓偏壓之最大電場強度。應瞭解，替代性地，電極可由金屬或透明導電氧化物製成。然而，本發明瞭解到，製造可能需要在電極與SRN芯之間放置一薄障壁材料。
第三，SRN芯經製造以擁有一低相對電容率，εr ＜ 10。此確保裝置操作期間之一低裝置電容、一高操作頻寬及低能量消耗。
第四，波導芯之材料需要擁有一高EO係數。在本發明之情況中，SRN芯經製造以在光波之操作波長範圍內擁有一三級極化率χ(3) ~ 9x10-19 m2 /V2 。SRN薄膜之一已知性質在於，其等非線性極化率隨線性折射率增加而增加。因此，在沈積期間選擇一折射率(較佳地n ＞ 3)以確保SRN膜具有一高非線性係數。
最後，為獲得一大折射率變化，一高電場係必不可少的。在本發明之情況中，SRN芯經製造以具有一高電崩潰強度EBD ＞ 1x108 V/m，具有針對厚度H 之最小缺陷密度。此係在無可靠性降級之情況下確保低散射光學損耗及維持高電場所必須的。
對於本發明之一經製造EO相移器，光學模式之偏振係正交於傳播方向及SRN芯與矽電極之間的界面兩者而對準，以便使用χ(3) 之最高分量。如本發明所設想，取決於輸入偏振，EO相移器之製造可能需要一水平實施例或垂直實施例。在一替代實施例中，裝置可經製造為偏振不敏感的。
最初參考圖1，展示根據本發明之一垂直光電(EO)相移器且通常將其指定為10。如所展示，垂直EO相移器10包含與一第一電極14及一第二電極16直接緊密接觸連接之一波導芯12。對於本發明，波導芯12係由一富矽氮化矽(SRN)製成，而第一電極14及第二電極16兩者係由一經摻雜矽製成。出於本發明之目的，第一電極14及第二電極16可為P型摻雜或N型摻雜矽。
詳細地，在涉及藉由熟知化學氣相沈積(CVD)技術沈積之一富矽氮化矽(Six Ny )膜之一多步驟程序中製造波導芯12。此等技術容許沈積富矽之一非化學計量氮化矽膜。以此方式，用作波導芯12之所得SRN可具有不同於化學計量氮化物之內在特性；即，其折射率n 、其相對介電電容率εr 、其非線性極化率(χ(2) 及χ(3) )、其電崩潰強度EBD 及線性材料吸收。如本發明所設想，n 將自針對Si3 N4 之約2增加至2.5與3.5之間的一範圍中。亦將發生的是，波導芯12之相對電容率εr 可保持至小於10之一值。
在圖1中，波導芯12經展示為具有一厚度H 及一寬度W 。亦將看見，第一電極14具有一厚度h1 及一延伸重疊±e1 。類似地，第二電極16具有一厚度h2 及一延伸重疊±e2 。用於尺寸H 、W 、h1 、h2 、e1 及e2 之值可根據設計考量而改變。較佳地，e1 =e2 = 0。
參考圖2A，展示根據本發明之一水平EO相移器且通常將其指定為20。就構造材料而言，垂直EO相移器10與水平EO相移器基本上相同。重要的是，其等兩者皆具有用具有相同內在特性之一相同SRN材料製造之一相同波導芯12。然而，取決於輸入光學模式之所要偏振，用於EO相移器(即，垂直對水平)之一個組態可優於另一組態。例如，橫向磁(TM)偏振可用於垂直EO相移器10之情況。取決於此偏好，可變更用於不同組態之結構之協作，儘管僅略微變更。
在圖2A中，水平EO相移器20經展示為具有擁有一厚度H 及一寬度W 之一波導芯12。亦將看見，第一電極14與第二電極16具有h1 =h2 =h 之一相同厚度。水平EO相移器20亦包含具有一厚度H 及一寬度t1 之一第一側區段22。如所展示，第一側區段22定位於第一電極14與波導芯12之間。重要的是，第一側區段22之厚度H 等於波導芯12之厚度。此外，第一側區段22將由與第一電極14之矽摻雜材料相同之矽摻雜材料製成。因此，經由第一側區段22，第一電極14經連接為與波導芯12直接電接觸。類似於第一側區段22之一第二側區段24使第二電極16與波導芯12互連。
圖2B及圖2C分別展示本發明之用於通常指定為20’之一水平EO相移器之一第一替代實施例及用於通常指定為20”之一水平EO相移器之一第二替代實施例。概括而言，圖2B中所展示之相移器20’具有一波導芯12’，該波導芯12’包含在第一電極14上方延伸之一重疊部76’a。此相移器20’亦包含在第二電極16上方延伸之一重疊部76’b。
與第一替代實施例(即，相移器20’ (圖2B))相反，第二替代實施例(即，相移器20” (圖2C))包含作為第一電極14之部分之一第一側區段22及作為第二電極16之部分之一第二側區段24。對於相移器20”，重疊部76”a及重疊部76”b分別在第一側區段22及第二側區段24上方延伸。
詳細地，參考圖2B，相移器20’之波導芯12’將具有延伸超出第一電極14及第二電極16之厚度h 之一厚度H 。波導芯12’將包含具有在第一電極14與第二電極16之間延伸之一寬度W 之一下部分。波導芯12’亦包含在各自電極14及16上方延伸超出寬度W 之一上部分。因此，針對波導芯12’建立一上寬度W1 。如所展示，W1 將等於W 加上藉由重疊部76’a及76’b提供之額外寬度。
參考圖2C，將看見，波導芯12”之厚度H 包含個別第一側區段22及第二側區段24之厚度。其亦包含個別重疊部76”a及76”b之厚度h3 。又，看見波導芯12”具有介於第一側區段22與第二側區段24之間的一寬度W ，且在第一側區段22及第二側區段24上方，波導芯12”具有等於W +t1 +t2 之一寬度。在此實施例中，藉由第一側區段22及第二側區段24提供額外寬度t1 +t2 。
圖3中闡述用於製造一垂直EO相移器10 (諸如圖1中所展示之垂直EO相移器)之程序步驟。一般而言，此等製造步驟符合標準矽製程流程。
在圖3中，步驟3A展示為開始製造一垂直EO相移器10，呈現用一下層52覆蓋之一底部包層50，繼而用一富矽氮化矽(SRN)膜54覆蓋該下層52。底部包層50將位於一基板(未展示，其可為矽)之頂部上。較佳地，底部包層50係由具有一低折射率之SiO2 製成，且下層52係由結晶矽、多晶矽或非晶矽製成。
如本發明所設想，可使用包含沈積、生長或接合技術之任何熟知製程來製造矽材料。此外，設想下層52之矽將為一N型或P型摻雜矽。最重要的是，SRN膜54應經製造為具有擁有以下項之特定內在特性：i)一相對較高折射率(例如，在2.5至3.5範圍中)；ii)一低電容率εr ；iii)針對增加之χ(3) 極化率之一高EO係數；iv)一高電崩潰強度EBD ；及v)一低線性材料吸收。在尺寸上，經摻雜矽之下層52將具有較佳小於SRN膜54之厚度H 之一厚度h2 。
步驟3B指示在實質上如所展示之SRN膜54之頂部上定位一蝕刻遮罩56 (藉由電子束、光阻劑或介電硬遮罩定義)。接著使用熟知蝕刻技術移除SRN膜54及經摻雜矽下層52之未遮罩部分以曝露底部包層50之一部分。此蝕刻之結果係產生如步驟3C中所展示之第二電極16。
步驟3D指示在剩餘SRN膜54及經展示為自步驟3C剩餘之經曝露底部包層50上方沈積一中間包層58。如同上文所提及之底部包層50一樣，中間包層58較佳由具有一低折射率之SiO2 製成。然而，具有低於SiO2 之一折射率及一較低光學損耗之低K介電材料可替代性地用於所有包覆層。如步驟3E中所展示，接著使未遮罩之中間包層58變薄及平坦化至曝露SRN膜54之一程度，同時最小化任何SRN膜之移除，從而導致中間包層58變得與SRN膜54共面。在此情況中，結果係如步驟3E中所展示之製造材料之一組合。
在步驟3F中，在步驟3E中所展示之製造材料之組合上方鋪設經摻雜矽之一上層60。經摻雜矽之此上層60將具有可等於或可不等於第二電極16之厚度h2 之一厚度h 1 。接著，在經摻雜矽之上層60上定位一蝕刻遮罩62，如步驟3G中所展示。重要的是，蝕刻遮罩62與SRN膜54及經摻雜矽之第二電極16兩者重疊達一寬度W 。後續蝕刻操作穿過層60及膜54以留下一起形成垂直EO相移器10之波導芯12及第一電極14之結構組件之一組合。
如步驟3H中所展示，在EO相移器10之製造(fabrication/manufacture)中之此階段，可見第一電極14、第二電極16及波導芯12已彼此直接及緊密連接。最後步驟(步驟3I)接著指示沈積一頂部包層64以將垂直EO相移器10嵌入於類似於包層58及50之包覆材料之一包覆材料內。重要的是應注意，在步驟3I之後，經由通過頂部包層64之各自連接製作對第一電極14及第二電極16兩者之電接取。程序步驟之一替代序列係可行的，其中可在於SRN膜54上方鋪設上層60之前執行上層60之沈積及圖案化。
在圖4中，呈現用於製造一水平EO相移器20 (諸如圖2中所展示之水平EO相移器)之程序步驟。如之前關於垂直EO相移器10般，用於水平EO相移器20之製造步驟符合標準矽製程流程。注意：類似元件符號係用於垂直EO相移器10及水平EO相移器20兩者之所有圖中，其中相同材料係用於類似組件。
在步驟4A中，一水平EO相移器20之製造起始於用具有一厚度H 之經摻雜矽之一下層52覆蓋之一底部包層50。步驟4B展示在下層52上定位具有寬度W 之一開口之一蝕刻遮罩70。步驟4C接著展示藉由蝕刻移除在該開口中曝露之下層52之部分，直至底部包層50已被曝露以產生一間隙72。
步驟4D展示在已移除蝕刻遮罩70a及70b之後，跨整個下層52沈積一SRN膜54。此時，間隙72亦填充有SRN材料。在步驟4E中，使SRN膜54變薄及平坦化直至下層52曝露，而變為波導芯12之SRN膜54之部分保留在間隙72中。
步驟4F展示在波導芯12及下層52之相鄰部分上方定位一蝕刻遮罩74。如所展示，遮罩74在波導芯12及下層52之部分上方延伸達等於t1 +W +t2 之一距離。接著蝕刻下層52之在遮罩74外面之部分以建立具有一厚度h 之經蝕刻部分。如步驟4G中所指示，此蝕刻有效地產生第一電極14及第二電極16。在移除遮罩74之後，沈積類似於包層50之一包層64。步驟4H展示具有以下其經整合組件之一經完成水平EO相移器20：一第一電極14、一第一側區段22、波導芯12、一第二側區段24及一第二電極16與一頂部包層64。
雖然如本文中所展示及詳細揭示之特定介電光電相移器完全能夠獲得本文先前所述目的及提供本文先前所述優點，但應理解，其僅闡釋本發明之當前較佳實施例，且除了如隨附發明申請專利範圍中所描述之外，對本文中所展示之構造或設計之細節無限制意圖。
10:垂直光電(EO)相移器/光電(EO)相移器 12:波導芯 12’:波導芯 12”:波導芯 14:第一電極/電極 16:第二電極/電極 20:水平光電(EO)相移器 20’:水平光電(EO)相移器/相移器 20”:水平光電(EO)相移器/相移器 22:第一側區段 24:第二側區段 50:底部包層/經曝露底部包層/包層 52:下層/經摻雜矽下層 54:富矽氮化矽(SRN)膜/膜 56:蝕刻遮罩 58:中間包層/包層 60:上層/層 62:蝕刻遮罩 64:包層/頂部包層 70a:蝕刻遮罩 70b:蝕刻遮罩 72:間隙 74:蝕刻遮罩/遮罩 76’a:重疊部 76’b:重疊部 76”a:重疊部 76”b:重疊部 e1 :延伸重疊 e2 :延伸重疊 H:厚度 h:厚度 h1 :厚度 h2 :厚度 h3 :厚度 t1 :寬度 t2 :寬度 W:寬度 W1 :上寬度
將自結合隨附描述獲得之附圖最佳理解本發明之新穎特徵以及本發明自身(關於其結構及其操作兩者)，其中類似元件符號係指類似部分，且其中： 圖1係一垂直光電(EO)相移器之一內側橫截面之一正視圖，其展示在如在垂直於該EO相移器之波導芯中之一光波之行進方向之一平面中所見之一配置中之本發明之組件； 圖2A係一水平EO相移器之一內側橫截面之一正視圖，其展示在如在垂直於該EO相移器之波導芯中之一光波之行進方向之一平面中所見之一配置中之本發明之組件； 圖2B係如自與圖2A中所展示相同之視角所見之一水平EO相移器之一第一替代實施例的一正視圖； 圖2C係如自與圖2A中所展示相同之視角所見之一水平EO相移器之一第二替代實施例的一正視圖； 圖3係製造圖1中所展示之垂直EO相移器所遵循之步驟3A至3I之一序列；及 圖4係製造圖2中所展示之水平EO相移器所遵循之步驟4A至4H之一序列。
10:垂直光電(EO)相移器/光電(EO)相移器
12:波導芯
14:第一電極/電極
16:第二電極/電極
e1:延伸重疊
e2:延伸重疊
H:厚度
h1:厚度
h2:厚度
W:寬度

Claims (20)

  1. 一種光電相移器，其包括： 一波導芯，其由一富矽氮化矽(SRN)製成，其中該波導芯具有一折射率n ，界定一縱軸且具有一相移長度L ； 一第一電極，其經定位為與該波導芯緊密接觸； 一第二電極，其經定位為與該波導芯緊密接觸，其中該波導芯定位於該第一電極與該第二電極之間，且該第一電極與該第二電極具有介於其等之間的一距離；及 一驅動電路，其連接於該第一電極與該第二電極之間以選擇性地建立該波導芯中之一所施加電場E 以用於在一光波軸向行進通過該光電相移器之該波導芯之該相移長度L 時使該光波之相位偏移。
  2. 如請求項1之相移器，其中該第一電極及該第二電極各由矽製成。
  3. 如請求項2之相移器，其中該第一電極及該第二電極係選自由N型摻雜矽及P型摻雜矽組成之群組，且其中該矽係選自由結晶矽、多晶矽及非晶矽組成之群組。
  4. 如請求項1之相移器，其中該第一電極及該第二電極係由選自由金屬及透明導電氧化物組成之群組之一材料製成。
  5. 如請求項1之相移器，其中該SRN針對在800 nm與1,600 nm之間的一範圍中之該光波之一操作波長λ提供在2.5與3.5之間的一範圍中之一折射率n ，及小於10之一相對電容率εr 。
  6. 如請求項5之相移器，其中該波導芯中之該折射率n 係藉由該所施加電場E 根據在數學上表示為
    Figure 03_image003
    之二次光電效應調變，其中χ(3) 係SRN之三級非線性極化率。
  7. 如請求項6之相移器，其中E 係選自由一時變電場及一靜態電場組成之群組之一電場。
  8. 如請求項5之相移器，其中該折射率n 容許該波導芯中之該光波之一非常高侷限因子且SRN之該相對電容率εr 容許該相移器之一較低電容。
  9. 如請求項1之相移器，其中該光波之一π相移所需之該相移長度L 小於2 mm。
  10. 如請求項1之相移器，其中該第一電極及該第二電極各具有大於該波導芯之n 之一折射率ne ，其中該光波在基模中被導引，且其中該光波之一光學偏振係垂直於該波導芯與該第一電極之間及該波導芯與該第二電極之間的各自界面表面來建立，以在該光波傳遞通過該相移器時將該光波侷限在該波導芯內。
  11. 一種用於製造一光電(EO)相移器之方法，其包括以下步驟： 產生一波導芯，其中該波導芯係由具有一厚度H 、一寬度W 及一相移長度L 之一富矽氮化矽(SRN)材料製成，且其中該波導芯具有針對在800 nm與1,600 nm之間的一範圍中之一光波之一操作波長λ在2.5至3.5之一範圍中之一折射率n ； 將一第一電極與該波導芯緊密接觸連接； 將一第二電極與該波導芯緊密接觸連接；及 使一驅動電路在該第一電極與該第二電極之間互連以建立該波導芯中之一電場E 以用於在一光波傳遞通過該波導芯之該長度L 時用一相移調變該光波。
  12. 如請求項11之方法，其中該波導芯經產生為具有小於10之一相對電容率εr 。
  13. 如請求項11之方法，其中該光波之一π相移所需之該相移長度L 小於2.2 mm。
  14. 如請求項11之方法，其中該第一電極及該第二電極係選自由N型摻雜矽及P型摻雜矽組成之群組，且其中該矽係選自由結晶矽、多晶矽及非晶矽組成之群組。
  15. 如請求項11之方法，其中該波導芯中之該折射率n 係藉由該所施加電場E 根據在數學上表示為
    Figure 03_image005
    之一二次光電效應調變，其中χ(3) 係該SRN材料之三級非線性極化率。
  16. 如請求項15之方法，其中該第一電極在一第一位置處連接至該波導芯且該第二電極在一第二位置處連接至該波導芯，且其中該第一位置係與該第二位置相距該厚度H 以建立該EO相移器作為一垂直EO相移器。
  17. 如請求項15之方法，其中該第一電極在一第一位置處連接至該波導芯且該第二電極在一第二位置處連接至該波導芯，且其中該第一位置係在距該第二位置該厚度W 處以建立該EO相移器作為一水平EO相移器。
  18. 如請求項15之方法，其中E 係一外部施加之時變電場，且該二次光電效應在數學上表示為
    Figure 03_image007
    。
  19. 如請求項11之方法，其中該等連接步驟係使用選自由沈積、生長及接合組成之群組之一製程來完成。
  20. 如請求項11之方法，其中該光波係在其基模中，其中該光波之一光學偏振係垂直於該波導芯與該第一電極之間及該波導芯與該第二電極之間的各自界面表面來建立，以在該光波傳遞通過該相移器時將該光波侷限在該波導芯內。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115685598B (zh) * 2022-11-14 2023-08-25 杭州视光半导体科技有限公司 具有包芯电光材料层的波导结构、制备方法及应用

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2443038C2 (de) 1974-09-09 1984-01-12 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Elektrooptischer Schalter und Modulator für sich kreuzende oder verzweigende optische Wellenleiter
US4525687A (en) 1983-02-28 1985-06-25 At&T Bell Laboratories High speed light modulator using multiple quantum well structures
JPS6371826A (ja) 1986-09-16 1988-04-01 Hitachi Ltd 光半導体装置
US5917980A (en) 1992-03-06 1999-06-29 Fujitsu Limited Optical circuit device, its manufacturing process and a multilayer optical circuit using said optical circuit device
US5937115A (en) 1997-02-12 1999-08-10 Foster-Miller, Inc. Switchable optical components/structures and methods for the fabrication thereof
US6310999B1 (en) 1998-10-05 2001-10-30 Lucent Technologies Inc. Directional coupler and method using polymer material
US7387913B2 (en) 2001-08-08 2008-06-17 Jsr Corporation 3D optoelectronic micro system
US20030231394A1 (en) 2002-06-12 2003-12-18 Koichi Kimura Optical element and display unit using this
JP3823193B1 (ja) 2005-07-08 2006-09-20 学校法人慶應義塾 多モード干渉導波路型光スイッチ
WO2007067165A1 (en) * 2005-12-05 2007-06-14 Massachusetts Institute Of Technology Enhanced electrical characteristics of light-emitting si-rich nitride films
US7672553B2 (en) * 2007-03-01 2010-03-02 Alcatel-Lucent Usa Inc. High speed semiconductor optical modulator
JP2009258527A (ja) 2008-04-21 2009-11-05 Hitachi Ltd 光学素子
EP2513715B1 (en) 2010-02-11 2014-03-19 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Apparatus and method for guiding optical waves
US9221074B2 (en) * 2012-10-11 2015-12-29 Octrolix Bv Stress-tuned planar lightwave circuit and method therefor
US10761396B2 (en) * 2017-03-03 2020-09-01 Neophotonics Corporation High frequency optical modulator with laterally displaced conduction plane relative to modulating electrodes

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