CN102132206B - 具有基于掺杂半导体金属接触的偏压电极的用于减轻dc偏压漂移的光电调制器 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于减轻DC偏压漂移的铌酸锂调制器结构(30)，其包括图形化在具有一个或多个DC部分(38，40)和RF部分(42)的光波导(34)上的重掺杂半导体层(44，54)，其中金属层或触点(50)与半导体层(44，54)的一部分相接触并且在RF部分(42)中淀积缓冲层(46)。还提供了一种用于制作具有上述结构的铌酸锂光电调制器的方法。

Description

具有基于掺杂半导体金属接触的偏压电极的用于减轻DC偏压漂移的光电调制器

技术领域

本公开涉及铌酸锂光电调制器，更具体来讲是涉及具有减轻DC偏压漂移的掺杂半导体结构的铌酸锂光电调制器。

背景技术

光电调制器是光学器件，在其中使用显示光电效应的信号控制元件来调制光束。光电调制器是用于高速光传输系统的关键部件。由于铌酸锂的高光电系数及高质量结晶，所以这类光电调制器通常由被称为“LN”的铌酸锂(LiNbO₃)制成。LN调制器主要用作光电调制器，该调制器将高速电信号转化为光信号用于长距离通信系统，例如用于人造卫星和陆地应用的自由空间激光通信系统以及陆地和水下光纤通信系统。LN光电调制器的设计通常使用以马赫-曾德尔配置制造在平面衬底上的波导。

与已知LN光电调制器有关的事件是DC(直流)偏压漂移的发生，它是由该器件中非预期的电荷生成及电荷重新分布所引起的。DC偏压漂移是电源输出电压的变化，所述电源被用来在某段时间上将调制器偏置在某个工作点上。维持偏压条件所要求的电压稳定增加可以引起控制系统重置发生，这会导致数据丢失。此外，LN光电调制器DC偏置电压的漂移导致了相对强度的相位偏移。随着时间的推移，由于偏置的增长，该DC偏置电压不再能够得到修正或补偿。DC偏压漂移本身表明了当该器件在马赫-曾德尔强度调制器配置中操作时维持固定的输出光强所需的调制器的DC偏置电压的缓慢漂移。存在用于控制这种DC偏压漂移的已知器件。例如，反馈回路可以被用来监测并调节DC电源电压以维持正常运行。然而，对这类反馈回路必须频繁地进行监测，这是很消耗时间的，并且由于电源电压只在某个电压范围内(在此范围外即会失效)，所以这类反馈回路对于人造卫星和空间应用是无效的。此外，在Seino等人的美国专利No.5,404,412中公开了用于减少DC偏压漂移的已知的LN器件。该专利公开了光波导器件，其具有LN衬底和位于整个波导结构(即在波导的DC部分和RF部分两者中)顶部的掺杂多成分的氧化物缓冲层。该缓冲层具有较低电阻率，其导致DC偏压漂移减小。然而，在DC部分和RF部分两者上使用多成分氧化物缓冲层的这类器件具有DC偏压漂移减轻的可重复性和一致性问题。可能影响该已知器件的可重复性和一致性的因素可以包括但不限于氧化物化合物的成分、各种氧化物淀积条件以及淀积前的LN表面制备。

因此，需要一种具有用于减轻DC偏压漂移的掺杂半导体结构的LN光电调制器，其提供超越已知器件和方法的优势。

发明内容

在此满足了对具有用于减轻DC偏压漂移的掺杂半导体结构的LN光电调制器以及独特的、非显而易见的和有利的方法和系统的需要，并且讨论了众多优势。具有用于减轻DC偏压漂移的掺杂半导体结构的LN光电调制器的实施例可以提供一个或多个下列优势：提供了LN光电调制器器件，该器件为减轻DC偏压漂移给出了可预测且可靠的解决方案；提供了减轻DC偏压漂移且便于实现的LN光电调制器结构；提供了LN光电调制器器件，其被制造为仅在器件的RF部分中存在缓冲层，而DC部分中没有缓冲层，从而从器件的DC部分中消除了常规的(0.5-1.0μm(微米)厚)氧化物缓冲层，这继而减小了DC开关电压(Vπ)；提供了LN光电调制器器件，其通过将偏置电压直接应用于光波导结构来消除了不可重复性问题；提供了在光波导上具有重掺杂半导体层的LN光电调制器，该重掺杂半导体层在波导以外某点上与金属层或导电层电接触，从而生成良好的接触以允许电场的均匀分布；提供了易于构造且鲁棒并且可重复的LN光电调制器器件；提供了最小化必须使用反馈回路以监测DC偏压漂移的LN光电调制器器件；提供了借助如本文所述的LN光电调制器减轻DC偏压漂移的方法；以及提供了可以被用在众多应用中的LN光电调制器器件，所述应用包括但不限于长距离传输系统，例如用于人造卫星和陆地应用的自由空间激光通信系统以及陆地和水下光纤通信系统。

在本公开的一个实施例中，提供了一种LN光电调制器，其包括：光波导形式的LN衬底，该光波导具有一个或多个DC部分和RF部分；图形化在一个或多个DC部分中的光波导上的重掺杂半导体层；淀积在RF部分中的光波导上的缓冲层；接触半导体层的金属层；以及，RF部分和一个或多个DC部分中的光波导上的一个或多个电极。

在本公开的另一实施例中，提供了具有一个或多个DC部分和RF部分的光波导器件，其包括：LN衬底；淀积在一个或多个DC部分中的光波导上的重掺杂半导体层；淀积在RF部分中的光波导上的缓冲层；接触半导体层的金属层；以及，光波导上的一个或多个电极。

在本公开的另一实施例中，提供了用于减轻DC偏压漂移的LN调制器结构，其包括：图形化在具有一个或多个DC部分和RF部分的光波导上的重掺杂半导体层，其中金属触点与半导体层的一部分相接触并且在RF部分中淀积缓冲层。

在本公开的另一实施例中，提供了一种用于制作LN光电调制器的方法，其包括：提供光波导形式的LN衬底，该光波导具有一个或多个DC部分和RF部分；将缓冲层淀积在RF部分中的光波导上；淀积图形化在一个或多个DC部分中的光波导上的重掺杂半导体层；淀积接触半导体层的金属层；以及，在RF部分和一个或多个DC部分中的光波导上提供一个或多个电极。

附图说明

在结合附图考虑下面的详细描述之后，前述的和其他的优势和特征以及完成这些的方式将变得显而易见，附图图解说明了优选并且示例性的实施例，但不必按比例绘制，其中：

图1是示出了常规马赫-曾德尔光调制器的示意图；

图2是示出了具有马赫-曾德尔配置的常规LN光调制器中DC偏压漂移的曲线图；

图3是本公开的LN调制器的第一所公开实施例的顶视图；

图4是图3的LN调制器的第一DC部分的放大剖开顶视图；

图5是LN调制器第一DC部分沿图3的线5-5的截面图；

图6是本公开的LN调制器的所公开实施例的第一DC部分的放大剖开顶视图；

图7是示出了根据本公开实施例之一的LN调制器的DC偏压漂移特性的图示。

图8是示出了常规光调制器的掺杂缓冲层的DC偏压漂移特性的图示。

具体实施方式

现在将参照附图在下文中更充分地描述所公开的实施例，在附图中示出了某些但不是全部的所公开的实施例。事实上，可以提供若干不同的实施例，并且这些实施例不应被视为对本文中所陈述的实施例的限制。而是，提供这些实施例使得本公开将是全面和完整的，并且将向本领域术人员充分传达本公开的范围。

所公开实施例的器件和方法可以与各种应用一起使用，所述应用包括但不限于长距离通信系统，例如用于人造卫星和陆地应用的自由空间激光通信系统以及陆地和水下光纤通信系统。因此，本领域技术人员将意识到并理解，本公开的器件和方法能够用于许多应用中，所述应用涉及具有减轻DC偏压漂移的掺杂半导体结构的LN光电调制器。

在本公开所公开的实施例之一中，提供了一种具有掺杂半导体结构的铌酸锂(LN)光电调制器器件。优选地，该器件减轻DC偏压漂移。该LN光电调制器优选地设计为在其中形成常规马赫-曾德尔配置的光波导结构，如图1中所示。图1是示出了常规马赫-曾德尔光调制器的示意图。图1示出了光波导12的马赫-曾德尔配置，该光波导12包括第一DC(直流)部分14、第二DC(直流)部分16以及RF(射频)部分18。进入波导内的光强(I)从进入点20进入，离开波导的光强从出口点22离开。所公开的LN调制器减轻DC偏压漂移。常规光电调制器的DC偏置电压中的漂移导致强度/电压曲线的偏移，如图2所示。图2是示出了具有马赫-曾德尔配置的常规LN光调制器中DC偏压漂移的曲线图，其中y-轴表示出光强(Iout)/入光强(Iin)的比率，而x-轴表示DC电压，并且强度曲线针对两个不同的时间点(T)，即T1和T2。DC偏压漂移本身表明了当该器件在马赫-曾德尔强度调制器配置中操作时维持固定输出光强所需的调制器DC偏置电压的缓慢漂移，其为时间的函数。

图3是本公开的LN光电调制器30的第一所公开实施例的顶视图。用于减轻DC偏压漂移的LN光电调制器包括LN衬底32(见图5)，在其中形成马赫-曾德尔配置的光波导结构34。这可以通过薄扩散层36(见图5)热扩散进入到LN衬底内来完成。优选地，薄扩散层包括钛或其他适合的金属，其在扩散前可以具有约为600A-1000A(埃)的厚度。更为优选地，薄扩散层可以具有约为850A-900A(埃)的厚度。替换地，这可以通过质子交换波导形成工艺来完成。LN衬底还可以包括在衬底上淀积和图形化并且扩散到衬底内的钛层。优选地，形成光波导结构后，衬底可以具有一个或多个DC部分以及RF部分。如图3中所示，LN调制器30包括第一DC部分38、第二DC部分40以及RF部分42。所公开实施例的LN调制器适用于第一DC部分38和第二DC部分40，因为这些部分是偏压漂移效应产生的调制器部分。图5是LN调制器的第一DC部分38沿图3的线5-5的截面图。

LN调制器还包括重掺杂半导体层44，该层被图形化或放置在调制器30的第一DC部分38和第二DC部分40中的光波导结构34上，并且以与波导类似的方式进行图形化。半导体层44的厚度和复折射率优选地是使得在波导中引导的光不会由于其位于光波导上而泄露或高度衰减。半导体层的厚度及其复折射率的实部在工作波长上确定光封闭的程度，同时复折射率的虚部影响调制器的光插入损耗。重掺杂半导体层可以由例如硅、锗、砷化镓或其他适合的材料组成。重掺杂半导体层优选地具有10¹⁸cm^-3至10¹⁹cm^-3范围内的掺杂水平，以促成良好的欧姆接触，足以借助金属层允许电场均匀分布。更为优选地，半导体层包括重掺杂(10¹⁸-10¹⁹cm^-3)n-型或p-型硅(Si)，其为多晶状态或无定形状态。重掺杂半导体层优选地为薄，并且具有200A-800A(埃)范围内的厚度。更为优选地，该厚度约为500A(埃)。重掺杂半导体层用作DC部分中光波导上的电接触层，并且用作光波导的上包层。优选地，半导体层直接形成在光波导上，该光波导形成在LN衬底中。硅元素在通信波长(1400nm-1600nm(纳米))上的复折射率的实部(n)在上述掺杂水平上为3.45。包括折射率为2.15的LN包层或衬底、折射率为2.16的钛(Ti)扩散芯区域和折射率为3.45的500A(埃)硅的外包层(上方有空气)的光波导结构将光极好地限制在波导芯中，极少的光泄露到包层区域内。硅的复折射率的虚部(k)在10¹⁸cm^-3的掺杂水平上为5×10^-5，而在10¹⁹cm^-3的掺杂水平上大约为10^-3。波导在这些k-值上的光插入损耗几乎是可以忽略的。因此，薄且重掺杂的半导体层不会导致所引导的光传播通过调制器光波导结构的任何损耗。

薄且重掺杂的半导体层在其上不使用金属层的情况下提供了沿调制器DC部分中光波导长度的均匀DC电场。这是因为薄半导体层上金属层的存在可能导致波导内显著的(＞10dB/cm(分贝/厘米))光插入损耗。LN调制器通过使用重掺杂半导体层并且使其在波导区域以外电接触波导的极小段(＜50μm(微米))中的欧姆金属层或欧姆接触，来提供沿DC部分中光波导长度的均匀电场。重掺杂水平的薄半导体层使用适合的金属极大地促进了欧姆接触形成，以借助金属允许电场均匀分布。

半导体层44还允许被提供到整个DC部分电极长度同时仅被施加在单一接触点的电场均匀分布。在DC部分电极的整个长度上不存在金属层的情况下，均匀电场导致波导中最小的光插入损耗。由于在工作光波长上适当的厚度、折射率和吸收系数，它不会导致波导中的光封闭的损耗，而且最低限度地影响波导中的光衰减。

LN调制器还包括淀积在RF部分中光波导上的缓冲层46。缓冲层可以包括氧化物，如二氧化硅、氧化锡、氧化铟或这些氧化物的组合，例如二氧化硅、氧化锡、氧化铟中的两种或两种以上的混合物。缓冲层还可以包括其他适合的材料。LN调制器还包括光波导上RF部分中的一个或多个电极48(见图4)以及光波导上DC部分中的一个或多个电极。电极可以由例如金、铜、铝材料或其他适合的材料制成。缓冲层46可以被用在电极结构和光波导之间的RF部分中，以便防止由于金属电极的存在而产生的波导中的光损耗。电极优选地是通过缓冲层与衬底隔离。缓冲层防止金属电极对光模的光吸收。通常，二氧化硅(SiO₂)由于其1.55微米的光学透明度和其低介电常数而被用作缓冲层。电极结构可以被用在RF部分中，以便最小化沿其长度的RF损耗，并且提供行波调制器配置中光场和电场间的折射率匹配。

LN调制器还包括金属层50或导电层。金属层优选地接触半导体层。金属层可以在光波导或光波导区域(见图6)外接触半导体层，或者可以在光波导或光波导区域内接触半导体层。金属层可以包括金属，例如金、铝、金/铝混合物、铜或其他适合的金属。导电层优选地在调制器器件的第一和第二DC部分中的结构上波导区域外任意位置的单个部分或点上接触半导体层。高电导率的半导体层有助于通过合适的金属形成良好的欧姆接触，并且允许被提供到DC部分或电极部分的整个长度同时被施加在接触点的电场均匀分布。本公开的LN调制器优选地与该器件的DC部分有关。调制器的RF部分40保持不变。

图4是图3的LN调制器第一DC部分的放大剖开顶视图。图4示出了波导34、该波导上的半导体层44、金属层触点50、电极48、该半导体层的柱状部分(stemportion)54以及引线键合56。图6是本公开的LN调制器的第一DC部分的放大剖开顶视图。图6示出了波导34、半导体层44、该半导体层的柱状部分54以及金属层触点50，这里将对掺杂半导体的金属触点制作在波导区域以外。这种配置最小化通过波导的光衰减。

本公开的LN调制器结构实现了将DC偏置电压直接应用在波导部分上，从而允许去除DC部分中光波导上的标准氧化物缓冲层，该层可以引起LN调制器的DC偏压漂移。此外，由于从器件的DC部分去除了常规(0.5-1.0μm(微米))的氧化物缓冲层(常规LN调制器中通常包括它)，因此也可以减小所公开实施例的LN调制器的DC开关电压(Vπ)。所公开实施例的LN调制器结构具有最小的重复性问题或没有重复性问题(常规LN调制器具有该问题)，因为器件的DC部分中没有氧化物缓冲层，并且偏置电压被直接施加到光波导结构。此外，所公开的实施例具有额外的优势，即与常规器件相比DC开关电压被减小，因为偏置电压被直接施加到光波导而其间没有任何缓冲层。多成分缓冲氧化层(其是常规器件中偏压漂移效应的主要原因)在所公开的LN调制器结构中被去除。

在本公开的另一实施例中，提供了具有一个或多个DC部分以及RF部分的光波导器件。优选地，该器件减轻了DC偏压漂移。该器件包括LN衬底、淀积在DC部分中光波导上的重掺杂半导体层、淀积在RF部分中光波导上的缓冲层和接触半导体层的金属层。金属层可以在光波导以外或在光波导以内接触半导体层。

在本公开的另一实施例中，提供了用于减轻DC偏压漂移的LN调制器结构，该结构包括在具有一个或多个DC部分以及RF部分的光波导上图形化的重掺杂半导体层，其中金属触点与半导体层的一部分相接触并且在RF部分中淀积缓冲层。金属触点可以在光波导以外或者在光波导以内与半导体层的一部分相接触。

在本公开的另一实施例中，提供了用于制作LN光电调制器的方法。优选地，该调制器减轻DC偏压漂移。该方法包括如下步骤，以光波导具有一个或多个DC部分以及RF部分的形式提供LN衬底。优选地，光波导以马赫-曾德尔配置形成。优选地，LN衬底包括淀积并且图形化在衬底上并且扩散到衬底内的钛层。作为示例，薄金属(如钛(Ti))层可以被淀积并且图形化在LN衬底上，所述薄金属层在扩散前优选地具有约为600A-1000A(埃)的厚度，更优选地具有约为850A-900A(埃)的厚度。而后，该层在氧气氛中被扩散到LN衬底内，以形成马赫-曾德尔配置的光波导结构。该方法还包括如下步骤，将缓冲层淀积在RF部分中光波导上。优选地，缓冲层可以包括氧化物，例如二氧化硅、氧化锡、氧化铟或这类氧化物的组合，或其他适合的材料。作为示例，可以在整个LN衬底上淀积0.5-1.0μm(微米)的二氧化硅(SiO₂)缓冲层并且之后去除器件的DC部分中的缓冲层，以便缓冲层只处于RF部分中。该方法还包括如下步骤，将图形化的重掺杂半导体层淀积在DC部分中光波导上。重掺杂半导体层可以包括硅、锗、砷化镓或其他合适的材料。重掺杂半导体层优选地具有10¹⁸cm^-3至10¹⁹cm^-3范围内的掺杂水平，以促成良好的欧姆接触，足以借助以下所讨论的金属层或触点允许电场均匀分布。优选地，重掺杂半导体层具有200A-800A(埃)范围内的厚度。更优选地，厚度约为500A(埃)。重掺杂半导体层用作DC部分光波导上的电气层，并且用作光波导的上包层。作为示例，可以在波导上使用化学气相淀积或溅射淀积500A(埃)的重掺杂(10¹⁸-10¹⁹cm^-3)p-型多晶硅层或无定形硅层。如图5中所示，优选地仅对调制器的DC部分中光波导上的半导体层图形化，并且去除整个RF部分中的半导体层。该方法还包括如下步骤，淀积接触半导体层的金属层。金属层可以在光波导以外或者在光波导以内接触半导体层。优选地，金属层包括金属，例如金、铝、金/铝混合物、铜或其他适合的金属。作为示例，可以在整个LN衬底上淀积薄铝/金双导电层或金属层，其中铝形成了对重掺杂p-型硅层的欧姆接触，并且金形成了基层(baselayer)(电镀板)，用于随后调制器电极的金电镀。该方法还包括如下步骤，在RF部分中光波导上提供一个或多个电极，并且在一个或多个DC部分中光波导上提供一个或多个电极。调制器的DC部分中光波导上的电极排布优选地被限制在波导区域以外利用半导体层的柱状部分与掺杂半导体层电接触的区域(见图4和6)。该小接触区域可以连接到焊盘(未显示)从而为外部电连接提供接入点。而后，金电极被电镀到适当的厚度，并且去除电镀层从而完成LN调制器的制作。金可以被淀积在除半导体层以外波导上的任何位置。

在本公开的另一实施例中，提供了使用一个或多个本文所述LN光电调制器的实施例来减轻DC偏压漂移的方法。

图7是示出了根据本公开实施例的LN调制器DC偏压漂移特性的图示。图8是示出了常规光调制器的掺杂SiO₂(二氧化硅)缓冲层DC偏压漂移特性的图示。

半导体层的复光学折射率使得其作为光波导包层不会导致光封闭的损耗或光衰减。在电极整个长度上不存在金属层的情况下，均匀电场实现了波导内最小的光插入损耗。

本公开涉及的本领域技术人员将想到本公开的许多修改和其他实施例，这些修改或实施例具有前述描述及相关附图中所表达的教导的益处。因此，应理解，本公开不限于所公开的特定实施例，并且修改及其他实施例意在被包括在随附权利要求的范围内。尽管本文中使用了特定术语，但它们仅以一般性和描述性的意义使用，而并非出于限制目的。

Claims (12)

1.一种Z切面铌酸锂光电调制器，包括：

光波导形式的铌酸锂衬底，所述光波导具有一个或多个DC部分和RF部分；

重掺杂半导体层，其直接图形化在所述光波导的顶部上并且图形化在所述一个或多个DC部分中，其中所述半导体层不具有在所述半导体层顶部上的金属层，并且其中偏置电压通过金属接触层被施加到所述半导体层，所述金属接触层在所述光波导外部和所述半导体层下方接触所述半导体层；

缓冲层，其直接淀积在所述RF部分中的所述光波导上并且不接触所述一个或多个DC部分；

接触所述半导体层的金属接触层，其中所述金属接触层位于所述光波导外部并在所述半导体层下方；以及

在所述RF部分和所述一个或多个DC部分中的所述光波导缓冲层上的一个或多个电极。

2.根据权利要求1所述的调制器，其中所述光波导以马赫-曾德尔配置形成。

3.根据权利要求1所述的调制器，其中所述铌酸锂衬底还包括淀积且图形化在所述衬底的顶部上并且扩散到所述衬底内的钛层。

4.根据权利要求1所述的调制器，其中所述重掺杂半导体层包括从如下组成的群组中选择的材料：硅、锗和砷化镓。

5.根据权利要求1所述的调制器，其中所述重掺杂半导体层具有10¹⁸cm^-3至10¹⁹cm^-3范围内的掺杂水平，以借助所述金属层允许电场的均匀分布。

6.根据权利要求1所述的调制器，其中所述重掺杂半导体层具有200埃至800埃范围内的厚度。

7.根据权利要求1所述的调制器，其中所述重掺杂半导体层用作所述一个或多个DC部分中的所述光波导上的电气层，并且用作所述光波导的上包层。

8.根据权利要求1所述的调制器，其中所述缓冲层包括从如下组成的群组中选择的材料：二氧化硅、氧化锡、氧化铟以及其两种或多于两种的混合物。

9.根据权利要求1所述的调制器，其中所述金属层包括从如下组成的群组中选择的材料：金、铝、金/铝混合物和铜。

10.一种用于减轻DC偏压漂移的Z切面光调制器器件，所述器件具有一个或多个DC部分和RF部分，所述器件包括：

光波导形式的铌酸锂衬底；

重掺杂半导体层，其直接淀积在所述光波导的顶部上并且沉积在所述一个或多个DC部分中，其中所述半导体层不具有在所述半导体层顶部上的金属层并且沿着所述光波导的长度在所述一个或多个DC部分中提供均匀的DC电场，并且其中偏置电压通过金属接触层被施加到所述半导体层，所述金属接触层在所述光波导外部和所述半导体层下方接触所述半导体层；

缓冲层，其直接淀积在所述RF部分中的所述光波导上并且不接触所述一个或多个DC部分；

接触所述半导体层的金属接触层，其中所述金属接触层位于所述光波导外部并在所述半导体层下方；以及

所述光波导缓冲层上的一个或多个电极。

11.根据权利要求10所述的器件，其中所述器件减轻DC偏压漂移。

12.一种用于制作如权利要求1-9中任一项所述的铌酸锂光电调制器的方法，包括：

提供光波导形式的铌酸锂衬底，所述光波导具有一个或多个DC部分和RF部分；

将缓冲层淀积在所述RF部分中的所述光波导上；

淀积图形化在所述一个或多个DC部分中的所述光波导上的重掺杂半导体层；

淀积接触所述半导体层的金属层；以及

在所述RF部分和所述一个或多个DC部分中的所述光波导上提供一个或多个电极。