CN107430297B - 电光调制器 - Google Patents

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Abstract

电光元件包括第一波导，其是等离子体波导，包括：第一芯，包括铁电材料；以及包层，包括第一包层部分，第一包层部分在与铁电材料的第一界面处包括第一包层材料，第一包层材料的介电常数具有负实部；元件包括第一和第二电极，用于当将电压施加在第一和第二电极之间时在铁电材料中产生电场，用于调制铁电材料的折射率的至少实部。元件另外包括结晶衬底，铁电材料在结晶衬底上外延生长，在衬底和铁电材料之间具有零个或一个或多个中间层。元件可以包括第二波导，第二波导是位于第一波导附近的包括第二芯的光子波导，用于实现第一和第二波导之间的短暂耦合。

Description

电光调制器
技术领域
本发明涉及电光元件和包括电光元件的光调制器。它涉及电光相位调制和用于实现光学相位、振幅和强度调制的装置。元件、装置和调制器可以应用于例如，在光学数据和电信、光存储和光学传感中。
背景技术
电光调制器是光子链路中的关键部件，用来对光信号中的电气数据的信息进行编码。这些装置的要求是高速、低能耗、低光损耗、高调制深度、紧凑的占用空间和密集的集成。迄今为止，以化合物半导体、液晶、铌酸锂或聚合物的功能材料为基础的光学调制器已投入实际应用。然而，这些光调制器通常是分立的和笨重的，这是由于光在电介质中的衍射极限的结果。期望的是具有满意的芯片级装置解决方案，其同时实现对光调制器的所有要求。因此，新的光学技术和光学材料是高度期望的并且正在由研究团体探索。作为解决挑战或问题的一种方法，等离子体装置引入具有负介电常数的材料(更特别地：具有介电常数的材料，该介电常数具有负实部)以定位和引导光，提供深亚衍射极限的光限制和固有的宽带行为。因此，可以实现受益于增强的光物质相互作用的低能耗和针对密集的装置集成所期望的小的光学装置占用面积。对于功能光学材料，呈现具有快速响应的大的电光效应的固体铁电材料可用于快速、集成、和高能效的有源光学装置。铁电材料的复折射率以及随后入射引导光的相位和/或振幅可以通过施加外部电场来调制。等离子体波导机制和铁电材料的结合是实现具有期望和优越的装置性能的新一代光调制器的很有前途的技术。
在Viktoriia E.Babicheva等,“Bismuth ferrite for active control ofsurface plasmon polariton modes”,关于微波和光学的高级电磁材料的2014年第8次国际会议,20140825IEEE,p.319–321,等离子体调制器包括等离子体波导，其具有夹在金属板之间的铋铁氧体芯，金属板也用作电极。
发明内容
本发明的潜在目标是以下中的一个或多个：
—以非常高的频率实现光调制；
—提供高调制效率的等离子体波导；
—提供特别小尺寸的等离子体波导；
—可以以晶片级制造电光元件，特别是相位调制器，以及光调制器；
—降低电光部件的能耗；
—在标准的半导体制造工艺中集成等离子体，特别地在CMOS技术或微电子机械***技术中；
—在升高的温度下，例如100℃以上，实现可靠的光调制；
特别地，将提供相应的电光元件。
其他目标和各种优点出自以下说明和实施例。
这些目标中的至少一个至少部分地由根据专利权利要求的装置实现。
电光元件包括第一波导，其是等离子体波导，包括：
—第一芯，包括铁电材料；以及
—包层，包括第一包层部分，第一包层部分在与铁电材料的第一界面处包括第一包层材料，第一包层材料的介电常数具有负实部；
元件包括第一和第二电极，用于当将电压施加在第一和第二电极之间时在铁电材料中产生电场，用于调制铁电材料的折射率的至少实部，元件另外包括结晶衬底，铁电材料在结晶衬底上生长，特别地外延生长，在衬底和铁电材料之间具有零个或一个或多个中间层，其中，一个或多个中间层如果存在的话，在衬底上生长，特别地外延生长，衬底和第一芯在称为垂直方向的方向上堆叠，并且垂直于垂直方向的方向被称为横向方向。
这样，具有高质量铁电材料、特别是具有高的结晶度和低的缺陷密度的芯可以被制造，以使得芯以及特别地铁电材料可以具有特别好的光学性质。
通过电场，在界面处存在的等离子体激元模式的相位可以被调制。
在第一波导中，模式可以被引导(“引导模式”)，其根据波导的性质可以是等离子体激元模式和/或混合等离子体-光子模式。
电光元件可用于通过调制所施加的电场来在界面处调制频率f的等离子体激元模式的相位。由此，更具体地，第一包层材料通常在所述频率f具有介电常数的负实部，实现等离子体的存在。
具体地，通过存在于第一界面的铁电材料中的电场，可以调制在第一界面处存在的铁电材料的折射率的至少实部。为了调制混合等离子体-光子模式，铁电材料中存在的电场可以用来调制铁电材料折射率的实部。
在一个实施例中，衬底是半导体衬底或氧化物衬底，例如半导体氧化物衬底，特别是硅衬底或氧化硅衬底。
在一个实施例中，衬底由铁电材料制成。特别地，衬底可以由与第一芯中包含的铁电材料相同的铁电材料制成。例如，包括在第一芯中的铁电材料和衬底的铁电材料可以是LiNbO3或BaTiO3或(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3](具有相同的x)；但是也可以使用其他铁电材料。可以特别地在这样的实施例中提供为，在所述基底和所述芯的铁电材料之间不存在中间层。
在一个实施例中，基板和包括在第一芯中的铁电材料是同一个铁电单晶体，例如LiNbO3或BaTiO3或(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3]的同一个晶体的不同部分。所述的铁电单晶作为一个整体部分，可以在这样的实施例中提供为，在该衬底和芯的铁电材料之间不存在中间层。
第一和第二电极可以存在于衬底上和/或可以建立包层(或至少第一包层部分)，特别是在最后两个实施例中(分别具有铁电衬底和单晶)。
第一芯，当与衬底同质外延时，例如，如在最后提到的两个实施例中一样，可以包括(以及特别地是)从衬底突出的突起，例如使得突起从衬底垂直地突出，并且衬底至少沿着横向方向横向地延伸超出突起的相应横向延伸部。此外，第一和第二电极可以位于衬底上，同时横向地夹住突起。
通常，衬底呈板状。
通常，第一波导是用于沿横向方向引导等离子体激元模式的波导。
要使用电光元件调制的光可以特别地是红外光，但更一般地可以是任何电磁辐射，特别是红外和/或可见和/或紫外线范围内的光。
在一个实施例中，包层包括与第一包层部分不同并且通常分离(即相距一定距离)的第二包层部分，其在与铁电材料的第二界面处包括第二包层材料，第二包层材料的介电常数具有负实部。这样，可以实现改进的限制。
通常，第一芯布置在第一和第二包层部分之间。
在一个实施例中，第一电极建立第一包层部分，特别地其中第一包层材料是金属材料。
如果存在上述第二包层部分，则可以提供为第二电极建立第二包层部分。特别地，第二包层材料是金属材料。这可能导致改进的约束。可替换地，第二包层材料是非金属导电材料。这有助于制造非常高质量的铁电材料，特别是具有出色的光学性质的铁电材料。
在存在上述第二包层部分的一个实施例中，铁电材料横向地布置在第一和第二包层部分之间，特别地其中第一电极建立第一包层部分，以及第二电极建立第二包层部分。
可以特别地提供为，第一和第二电极被构造和布置为当将电压施加在第一电极和第二电极之间时产生跨越功能铁电材料(包括第一界面和第二界面)的具有至少主要横向对准的电场矢量的电场。
第一包层材料可以是金属材料，以及第二包层材料也可以是金属材料。
第一和第二电极可以建立第一和第二包层部分。
在一个实施例中，铁电材料垂直地布置在第一包层部分和衬底之间，并且第一和第二电极被构造和布置为当将电压施加在第一电极和第二电极之间时产生跨越功能铁电材料(包括第一界面)的具有至少主要横向对准的电场矢量的电场，特别地其中第一电极建立第一包层部分。第一包层材料可以是金属材料。该实施例可以可选地没有第二包层，第二包层的介电常数具有负实部。
该电场布置可以有助于在商用的半导体制造工艺中的电光元件的集成。
在一个实施例中，第二电极由非金属导电材料，特别地透明的非金属导电材料(对于要耦合至第一波导的光是透明的)制成。更特别地，第二电极包括非金属导电材料的横向对准层，非金属导电材料可选地是透明的。
可选地，非金属导电材料的介电常数具有负实部。在该情况下，第二电极可以构成第二包层部分。
在一个实施例中，元件另外包括第二波导，第二波导是位于第一波导附近的包括第二芯的光子波导，用于实现第一和第二波导之间的短暂耦合，特别地其中，第二波导垂直地布置在衬底和第一波导之间。这可以强有力地贡献于电光元件的高强度集成。
第二波导通常被提供用于沿着传播方向引导光子光模式，传播方向是横向方向，以及特别地，第一和第二波导可以与同一个横向方向平行地延伸，同时相对于彼此垂直地和/或横向地位移。
当光子光模式在第二波导中传播时，通常存在第一和第二波导之间的短暂耦合。通过短暂耦合(其需要第一和第二芯的接近)，在第二波导中存在的光子光模式可以激发第一波导中的引导模式，特别是等离子体激元模式；反之亦然，在第一波导中引导的模式(特别是等离子体激元模式)可以激发第二波导中的光子光模式。
第二芯可以由硅制成。硅对于例如红外光是透明的。
本发明还包括包含所述类型的电光元件的各种光调制器。
因此，可以通过所描述的发明获得超紧凑、快速和节能的光学相位调制器。电光元件可以包括基于等离子体金属-绝缘体-金属(MIM)或金属-绝缘体(MI)波导的有源(即，可调制)波导芯，其中，芯包括或甚至由铁电材料组成。铁电材料可以是任一种，诸如LiNbO3、KNO3、KTaxNb1-xO3、BaxSr1-xTiO3、SrBaNbO3、K3Li2Nb5O15、KxNa1-xSryBa1-y-Nb2O6、KH2PO4、KH2AsO4、NH4H2PO4、ND4D2PO4、RbH2AsO4、KTiOPO4、KTiOAsO4、RbTiOPO4、RbTiOAsO4、CsTiOAsO4、Pb(ZrxTi1-x)O3、La-doped Pb(ZrxTi1-x)O3、(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3]或(1-x)[Pb(Zr1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3]，(0<x<1；0<y<1)，但不限于此。而且，铁电材料可以基于非铁电材料人工合成。此外，铁电材料不一定在其呈现铁电性的相位，而是可以在任何相位，只要材料呈现期望的电光效应。铁电材料通常夹在两种导电材料之间，以使得电压可以跨越可以提供电光效应的材料施加。即，铁电材料的复折射率可以经由所施加的电场改变。电极和导电包层的金属材料分别可以是金、银、铂、铝、铜、钨、和钛，但不限于上述金属；优选地可以使用CMOS工艺兼容的金属，诸如铜或钨。如果使用非金属导电材料(例如，作为第二电极的材料)，它可以是导电氧化物，诸如，SrRuO3、LaSrCoO3、LaNiO3、氧化铟锡、或诸如石墨烯的其他导电材料，但不限于此。非金属导电材料可用作铁电材料(芯)处的界面材料(包层)，以减少通过铁电材料的泄漏电流。
其他的实施例和优点来自从属权利要求和图。
附图说明
下面，通过示例和所包括的附图，更详细地描述本发明。附图是示意图。图1至4示出电光元件。图5至9示出光调制器。
图1是示出根据第一实施例的基于介电加载的金属-绝缘体-金属等离子体波导的铁电材料集成的等离子体相位调制元件的示例的截面图。
图1a是图1的电光元件的透视图。
图2是示出根据本发明的第二实施例的基于介电加载的金属-绝缘体等离子体波导的铁电材料集成的等离子体相位调制元件的示例的截面图。
图2a是图2的电光元件的透视图。
图3是示出根据本发明的第三实施例的水平的金属-绝缘体-金属等离子体波导结构中的基于氧化物衬底的铁电材料集成的等离子体相位调制元件的示例的截面图。
图4是示出根据本发明的第四实施例的垂直的金属-绝缘体-金属等离子体波导结构中的基于氧化物衬底的铁电材料集成的等离子体相位调制元件的示例的截面图。
图5是示出在诸如马赫-曾德尔或延迟干涉仪的有限输入响应光学滤波器构造中的等离子体相位调制元件的平面图的示例。
图6是示出在诸如光学法布里-珀罗谐振器的无限输入响应滤波器型驻波光学谐振器中的等离子体相位调制元件的平面图的示例。
图7是示出了在诸如光学环形谐振器的无限输入响应滤波器型行波光学谐振器中的等离子体相位调制元件的平面图的示例。
图8是示出了在具有电极和包层的非常紧凑的布置的马赫-曾德尔干涉仪构造中的等离子体相位调制元件的平面图的示例。
图9是示出基于并联的马赫-曾德尔干涉仪的IQ调制器布置中的等离子体相位调制元件的平面图的示例。
图10是示出了根据本发明的第十实施例的实现为水平的金属-绝缘体-金属等离子体波导结构中的等离子体相位调制元件的电光元件的示例的横截面图，其中衬底和第一芯是同一个铁电单晶的不同部分。
所述实施例意味着示例或用于阐明本发明并且不限制本发明。
具体实施方式
第一实施例
图1示出根据第一实施例的电光元件，更特别地基于介电加载的金属-绝缘体-金属等离子体波导的铁电材料集成的等离子体相位调制元件的示例的截面图。该图是在垂直于波导传播方向的横断面中获取的。图1a是图1的电光元件的透视图。
在衬底或衬底层105上，提供(特别是通过外延生长)另外的层和结构，即缓冲绝缘体层107和光波导(“第二波导”)的芯104(“第二芯”)被构造在其中的顶部装置层。装置层的邻近芯104的在108处的材料在装置工作波长下具有比芯104低的折射率，装置工作波长即至少部分地耦合至下面描述的第一(等离子体)波导的在第二波导中引导的光的波长。在此，绝缘体上的硅晶片被作为示例。第二波导的芯104是在硅装置层中制造的。二氧化硅或其它介电材料108，包括但不限于SiN、SiON或聚合物，可以围绕装置层内的波导芯104，如图1所示。与芯104相比，在108处的填充介电材料的期望属性包括低光学损耗和低折射率。铁电材料101然后通过合适的材料生长或沉积方法(通常通过外延生长)沉积在顶部上，包括但不限于射频溅射、脉冲激光沉积、金属有机物化学气相沉积、分子束外延、化学溶液沉积、或上述方法的混合。铁电材料101建立第一波导的芯(“第一芯”)。单个或多个缓冲层和/或种子层109可以可选地***在下方的硅基装置层(在108和104)和铁电材料101之间作为例如隔离物或用于减少晶格失配和提高铁电材料101的外延质量。沉积后退火可用于提高在101处的铁电材料的晶体质量。铁电材料101由金属或非金属导电材料102横向夹住，金属或非金属导电材料102用作横向包层材料。因此，金属或非金属导电材料由中央铁电介质块电隔离。如果金属和非金属导电材料的介电常数的实部在第一波导的包层中分别在装置工作波长下低于零，并假设芯中的铁电材料101具有其介电常数的正实部，由此建立等离子体波导。表面等离子体激元模式可以沿着垂直于纸平面的方向被引导。由等离子体波导机制辅助，铁电材料块的宽度可以比λ/2n小得多，其中λ是装置工作波长，以及n是铁电材料101的折射率。引导模式(等离子体激元模式、混合等离子体-光子模式)可以强烈地限制在铁电材料内。金属或非金属导电材料也可以用作电极。当诸如电调制信号脉冲的外部电压经由两个电极施加时，跨越铁电材料101生成电场(电场矢量在110处可视化)，并由于电光效应(包括由于铁电性的影响)引起铁电材料101中的折射率变化。随后，表面等离子体激元模式通过外部施加的电压调制。因为可以提供铁电材料块的非常窄的(横向)宽度，可以获得强大的电场，其可以通过施加的外部电压与铁电材料101的块的宽度的比值近似，产生了显著的电光效应。
在图1a中可见，第二波导的芯可以在其沿着(共同)波导方向与第一波导的芯重叠的区域中具有腰部。
第二实施例
图2示出根据本发明的第二实施例的基于介电加载的金属-绝缘体等离子体波导的铁电材料集成的等离子体相位调制元件的示例的截面图。该图是在垂直于波导传播方向的横断面中获取的。图2a是图2的电光元件的透视图。
如图2所示，该实施例与第一实施例的相位调制元件的不同之处在于等离子体波导(第一波导，在210处的铁电芯)的形成和所施加的电场方向210。具体地，导电材料203(其特别地可以是非金属的)沉积在层堆叠的顶部，层堆叠包括衬底205和缓冲绝缘体207以及具有第二波导的装置层，第二波导具有比下方的缓冲绝缘体层207更高折射率的芯204(例如，初始的绝缘体上的硅晶片的硅芯204和SiO2绝缘体层207)。此外，如第一实施例所述，如有必要，可以存在缓冲层和/或种子层209。铁电材料201沉积在导电材料203的顶部。其介电常数的实部为负的金属或非金属导电材料202被涂布在铁电材料201的顶部上。因此，等离子体波导由构成芯的铁电材料201和构成包层部分的材料202形成。引导模式(特别是表面等离子体激元模式)在铁电材料201中的限制被加强，产生增强的光-物质相互作用。电压可以在顶部材料202和铁电材料201下面的导电材料203之间施加，产生垂直电场(参见电场矢量210)，其中金属202’可以被施加在导电材料203上，特别是在导电材料203是非金属的情况下。电场然后通过电光效应(例如，由于铁电性的影响)引起铁电材料201中的折射率的变化。这然后用来经由表面等离子体激元模式或混合等离子体光子模式来调制光信号。
第三实施例
图3示出根据本发明的第三实施例的水平的金属-绝缘体-金属等离子体波导结构中的基于氧化物衬底的铁电材料集成的等离子体相位调制元件的示例的截面图。该实施例使用了氧化物衬底306，诸如MgO、Al2O3、SrTiO3和LaSrAlTaO6。衬底材料的选择不限于上述材料。用于辅助铁电材料301的外延生长且具有比铁电材料301更小的折射率(实部)的衬底材料是优选的。如果需要，可以引入缓冲层和/或种子层309。铁电材料301由金属302横向夹住，金属302用作横向包层材料。因此，支持表面等离子体激元模式。引导模式被严格限制在用作等离子体波导的芯的铁电材料301中。跨越由绝缘铁电材料301分离的在302处的金属建立的电极施加电压，从而生成跨越铁电材料301的水平电场(参见，在310处)。光信号的相位或振幅之后可以通过电光效应来调制。由于通过衬底晶体结构的合适选择可获得的出色的铁电材料质量，该实施例可以提供铁电材料301内的引导模式的特别强的限制。
第四实施例
图4示出根据本发明的第四实施例的垂直的金属-绝缘体-金属等离子体波导结构中的基于氧化物衬底的铁电材料集成的等离子体相位调制元件的示例的截面图。如图所示，金属或非金属导电材料402沉积在氧化物衬底材料406的顶部。如果需要，可在氧化物衬底406和金属或非金属导电材料402之间***缓冲层和/或种子层409。然后，将铁电材料401沉积在材料402的顶部，并用作等离子体波导的芯的电光材料。具有负实部的介电常数的材料402’被涂布在铁电材料401的顶部上。因此，等离子体波导被创建，并且引导模式可以强烈地被限制在铁电材料401内。外部电压可以从顶层材料402’施加至铁电材料401下面的材料402，引起具有垂直电场矢量的电场410，其之后可以由于铁电材料401中的电光效应引起折射率和/或吸收的变化。由于通过衬底晶体结构的合适选择可获得的出色的铁电材料质量，该实施例可以提供特别好的铁电材料质量以及由此强的电光效应。
第五实施例
图5示出在诸如马赫-曾德尔或延迟干涉仪的有限输入响应光学滤波器构造中的等离子体相位调制元件520的平面图的示例。该干涉仪包括本专利申请中描述的两个光学相位调制元件(标记为520)。在该光调制器中，输入光511被分割成两条光路，其中每一条由本专利申请中描述的用作相位调制元件的电光元件进行相位调制，最后，光被重新组合为输出光512。因此，由元件520引起的相位调制通过两个相位调制光部分的干涉转变为强度调制。可以采用推挽式结构，其中在马赫-曾德尔干涉仪的两个臂中生成相反极性的相移。因此，等离子体相位调制元件520的长度可以减小至一半(与仅使用一个元件520相比)。波导530和光功率分配器可以通过连续连接的硅基波导530或通过由其他材料制成的波导来实现，该其他材料具有比下面的包层材料更高的折射率并且是光学透明的或者在装置的工作波长范围中具有可接受的光学损耗。分配器的构造可以例如基于在图中绘制的Y形分配器550、或定向耦合器、或多模干涉模式***结构。绝热锥形结构540可以被***以改进模式匹配和从访问波导530至等离子体波导520的光传输。受益于在相位调制元件520中的等离子体波导，装置长度可以短到几微米。
第六实施例
图6是示出在建立光调制器的诸如光学法布里-珀罗谐振器的无限输入响应滤波器型驻波光学谐振器中的等离子体相位调制元件620的平面图的示例。调制器包括两个空间分隔的光学反射器660和在本专利申请中描述的中央铁电材料集成的等离子体相位调制元件(标记为620)。光学反射器660可以被实现为反射涂层、分布式布拉格反射器、分布式反馈反射器、光栅或光子晶体反射镜。只有入射光611与光学谐振器的谐振波长一致时才能传输通过光学谐振器。谐振器的谐振波长可以通过将外部电压施加到本文描述的等离子体相位调制元件(标记为620)来偏移。然后，通过比较在调制之前和之后经由光学谐振器的光传输612(在传输端口处的输出)或从光学谐振器返回的光反射613(在反射端口处的输出)的光功率强度变化，相位调制被转变为强度调制。
第七实施例
图7示出了在诸如光学环形谐振器720的无限输入响应滤波器型行波光学谐振器中的等离子体相位调制元件的平面图的示例。环形谐振器720的至少一部分由本专利申请中描述的等离子体相位调制元件来实现。与光学环形谐振器720的谐振波长一致的入射光711可以进入环形谐振器720并且呈现减少的传输或增强的反射。谐振器的谐振波长可以如本文所述通过施加外部电压到等离子体相位调制元件(标记为720)来偏移。因此，通过比较调制之前和之后的传输712或反射光713的功率强度变化，相位调制被转换为强度调制。
第八实施例
图8示出了在具有金属的非常紧凑的布置的马赫-曾德尔干涉仪构造中的等离子体相位调制元件820的平面图的示例。从访问波导830发射的入射光811从光子转换成等离子体和/或混合模式，并通过金属Y-尖端870分离。两个表面等离子激元模式被引导至在马赫-曾德尔干涉仪的上臂880a和下臂880b中的两个铁电材料集成的等离子体相位调制元件820中。两个相位调制元件820可以共享金属890作为等离子体波导包层和电极，如图所示。光调制器可以具有非常紧凑的装置尺寸。通过施加外部电压以调节等离子体相位调制元件中的铁电材料的光学特性，可以在马赫-曾德尔干涉仪的上臂和下臂中传播的表面等离子体激元模式的相位中编码信息。在调制器的结尾，利用等离子体-光子模式干涉仪通过仅选择性地模式耦合至优选的等离子体激元模式来将相位调制转换成输出光812的强度调制。
第九实施例
图9是示出基于并联的马赫-曾德尔干涉仪的IQ调制器布置中的等离子体相位调制元件的平面图的示例。在马赫-曾德尔干涉仪的第一级的一个臂中，存在一个第二级马赫-曾德尔干涉仪900，其具有如本文所述的铁电材料集成的等离子体相位调制元件。马赫-曾德尔干涉仪900可以例如通过图5或图8所描述的设计实现。在另一个臂中，存在一个90度移相器980和另一个第二级马赫-曾德尔干涉仪900，其具有如本发明的先前实施例所描述的铁电材料集成的等离子体相位调制元件920。移相器980可以如本文所述使用铁电材料集成的等离子体相位调制元件来实现，或者它们可以基于任何其他光学装置构造和光学效应，诸如机械光学、热光效应、电光、载体等离子体色散效应、声光效应、弗朗兹-凯尔迪什效应、量子限制斯塔克效应、和在光学材料中引起的光吸收或增益关联的相变效应。
第十实施例
图10示出了根据本发明的第十实施例的基于铁电材料的衬底1006的水平的金属-绝缘体-金属等离子体波导结构中的等离子体相位调制元件的示例的横截面图。在该实施例中，采用铁电材料衬底1006，诸如LiNbO3、BaTiO3或(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3O3]-x[PbTiO3]的单晶。衬底材料的选择不限于上述材料。波导结构的芯的铁电材料(参见1001)被金属材料(参见1002)横向夹住，金属材料存在于铁电衬底1006上并且可以用作横向波导包层材料。引导模式被严格限制在铁电材料1001中，铁电材料1001用作等离子体波导的芯。电压可以跨越由被1001处的(电绝缘)铁电材料分离的在1002处的金属材料建立的电极施加，生成跨越芯的1001处的铁电材料的水平电场(参见箭头1010)。光信号的一个或多个相位和/或一个或多个振幅可以由此通过电光效应调制。
波导的芯(参见1001)和衬底(参见1006)在本实施例中相互同质外延，换句话说，是同一铁电单晶的不同部分。
例如图10所示其中波导芯和衬底包括(例如是)同一铁电单晶的不同部分的电光元件显示出特别好的性能。例如，可以制造它们，包括生长铁电单晶，然后通过移除铁电材料的一部分以产生突起，建立波导芯的突起从建立衬底的单晶的一部分突出。移除铁电材料可以通过例如选择性蚀刻来完成。可以另外用作波导芯的包层的电极可以通过涂布(例如，金属化)突起的侧壁来制造，其中，侧壁可以特别地是突起的相互相对的侧壁。
如前所述，包层材料的与芯的铁电材料交界处(例如用于涂布/金属化侧壁的金属)可以具有一个具有负实部的介电常数。
由于包括在芯中的铁电材料的部分和建立衬底的铁电材料的部分在彼此上生长，即通过生长初始单晶(其一部分被移除以产生(即释放)芯的侧壁)，并考虑(最终)芯的铁电材料存在于衬底上，芯的铁电材料在衬底上生长，或略微不同地表达，衬底可以被称为芯的铁电材料生长的衬底。

Claims (27)

1.一种电光元件，包括第一波导，所述第一波导是等离子体波导，包括：
—第一芯，包括铁电材料，其中，所述铁电材料建立所述第一芯；以及
—包层，包括第一包层部分，所述第一包层部分在与所述铁电材料的第一界面处包括第一包层材料，所述第一包层材料的介电常数具有负实部；
所述元件包括第一电极和第二电极，用于当将电压施加在所述第一电极和第二电极之间时在所述铁电材料中产生电场，用于调制所述铁电材料的折射率的至少实部，所述元件另外包括结晶衬底，所述铁电材料在所述结晶衬底上生长，在所述衬底和所述铁电材料之间具有零个或一个或多个中间层，所述衬底和所述第一芯在称为垂直方向的方向上堆叠，并且垂直于所述垂直方向的方向被称为横向方向，其中，所述元件另外包括第二波导，所述第二波导是光子波导，用于将在所述第二波导中引导的光耦合到所述第一波导中，从而在所述第一波导中激发能够在所述第一波导中引导的模式，其中，所述第二波导包括绝热锥形结构，所述绝热锥形结构被配置为改进从所述第二波导至所述第一波导中的光传输。
2.根据权利要求1所述的电光元件，其中，所述铁电材料是通过外延生长而结晶的，并且其中，所述一个或多个中间层如果存在的话，在所述衬底上外延生长。
3.根据权利要求1所述的电光元件，其中，所述铁电材料布置在非金属材料上。
4.根据权利要求1所述的电光元件，其中，所述元件是包括板状衬底的集成的芯片级元件。
5.根据权利要求1所述的电光元件，包括铁电单晶，其中，建立所述第一芯的铁电材料和所述结晶衬底包括所述铁电单晶的不同部分。
6.根据权利要求1所述的电光元件，其中，所述包层包括与所述第一包层部分分离的第二包层部分，所述第二包层部分在与所述铁电材料的第二界面处包括第二包层材料，所述第二包层材料的介电常数具有负实部。
7.根据权利要求1所述的电光元件，其中，所述第一电极建立所述第一包层部分。
8.根据权利要求6所述的电光元件，其中，所述铁电材料横向地布置在所述第一包层部分和第二包层部分之间，其中所述第一电极建立所述第一包层部分，以及所述第二电极建立所述第二包层部分。
9.根据权利要求1所述的电光元件，其中，所述铁电材料垂直地布置在所述第一包层部分和所述结晶衬底之间，以及其中，所述第一电极和所述第二电极被构造和布置为当将电压施加在所述第一电极和所述第二电极之间时在所述第一界面处产生具有至少主要垂直对准的电场矢量的电场。
10.根据权利要求1所述的电光元件，其中，所述铁电材料垂直地布置在所述第一包层部分和所述结晶衬底之间，以及其中，所述第一电极和所述第二电极被构造和布置为当将电压施加在所述第一电极和所述第二电极之间时在所述铁电材料中产生具有至少主要垂直对准的电场矢量的电场。
11.根据权利要求9所述的电光元件，其中，所述第二电极由非金属导电材料制成。
12.根据权利要求11所述的电光元件，其中，所述第二电极包括非金属导电材料的横向对准层。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的电光元件，其中，所述第二波导包括位于所述第一波导附近的第二芯，用于实现所述第一波导和第二波导之间的短暂耦合。
14.根据权利要求13所述的电光元件，其中，所述第二波导垂直地布置在所述衬底和所述第一波导之间。
15.根据权利要求13所述的电光元件，其中，所述第二芯存在于与所述结晶衬底平行对准的层中，所述第二波导在所述层并邻近所述第二芯包括两个材料部分，其中，所述第二芯具有比所述两个材料部分中任一个的折射率高的折射率。
16.根据权利要求15所述的电光元件，其中，沿着所述芯的垂直方向的厚度与沿着所述两个材料部分中每一个的垂直方向的厚度相同。
17.根据权利要求15所述的电光元件，所述第二波导在所述结晶衬底中或在垂直地布置在所述第二芯和所述衬底之间的层中包括另一材料部分，其与所述第二芯相邻地定位，其中，所述第二芯具有比所述另一材料部分的折射率高的折射率。
18.一种包括根据权利要求1-17中任一项所述的电光元件的光调制器。
19.根据权利要求18所述的光调制器，其中，所述电光元件被构造和配置为接收光、引起所述光的相移并输出相移光。
20.根据权利要求18所述的光调制器，包括有限输入响应光学滤波器，其包括所述电光元件。
21.根据权利要求20所述的光调制器，其中，所述滤波器是马赫-曾德尔或延迟干涉仪。
22.根据权利要求18所述的光调制器，包括无限输入响应滤波器型驻波光学谐振器，其包括所述电光元件。
23.根据权利要求22所述的光调制器，其中，所述无限输入响应滤波器型驻波光学谐振器是光学法布里-珀罗谐振器。
24.根据权利要求18所述的光调制器，包括无限输入响应滤波器型行波光学谐振器，其包括所述电光元件。
25.根据权利要求24所述的光调制器，其中，所述无限输入响应滤波器型行波光学谐振器是光学环形谐振器。
26.一种用于调制输入光并输出调制光的光调制器装置，所述装置包括光导元件，用于在用于接收所述输入光的输入部分和用于输出所述调制光的输出部分之间沿着所述装置的光路引导光，其中，所述光路包括彼此平行延伸的第一主路径部分和第二主路径部分，其中，一个或多个相移元件设置在所述第一主路径部分和第二主路径部分中的一者或两者中，用于在所述第一主路径部分中的光和所述第二主路径部分中的光之间引入90°的相移，其中，所述第一主路径部分另外包括彼此平行延伸的第一子部分和第二子部分，所述第二主路径部分另外包括彼此平行延伸的第三子部分和第四子部分，其中，所述第一子部分包括第一光调制器，所述第二子部分包括第二光调制器，所述第三子部分包括第三光调制器，以及所述第四子部分包括第四光调制器，以及其中，所述第一至第四光调制器中的每一个包括根据权利要求1-17中任一项所述的电光元件。
27.根据权利要求26所述的光调制器装置，其中，所述光调制器装置是IQ调制器。
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