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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種集成光學(xué)帶狀波導(dǎo)。由于這種帶狀波導(dǎo)的新特性， 開拓了各種波長的光和/或至少一種波長范圍的光的調(diào)制或開關(guān)和/或空 間聚合所要求的新應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明與同一天提交的專利申請“由帶狀 波導(dǎo)制成的合波-分波器及其應(yīng)用”和“彩色圖象產(chǎn)生系統(tǒng)及其應(yīng)用” 有關(guān)聯(lián)。

技術(shù)背景

在集成光學(xué)內(nèi)，設(shè)計集成光學(xué)帶狀波導(dǎo)的尺寸及以此為基礎(chǔ)設(shè)計結(jié) 構(gòu)部件的尺寸時，實施的主要方法之一是與應(yīng)用目的決定的具體波長相 應(yīng)，以合適的方式選擇帶狀波導(dǎo)的幾何參數(shù)和材料參數(shù)。根據(jù)光通信技 術(shù)的現(xiàn)狀，這里特指標(biāo)準(zhǔn)化單模和多模光纖的傳輸特性的現(xiàn)狀，以及迄 今可供使用的襯底材料和波導(dǎo)制造工藝及受傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)傳輸法(例如照 相平板法)的限制，至今集成光學(xué)差不多僅在紅外波長的范圍內(nèi)應(yīng)用。 面對這種背景，在集成光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)至今也并無需要研究本說明書中所確 定的含義的光帶寬，即光同時以單模而有效的方式在帶狀波導(dǎo)內(nèi)傳播的 波長范圍。在有關(guān)集成光學(xué)的文獻中既未看到涉及這個問題的帶狀波導(dǎo) 的研究，也不存在有關(guān)這種波長傳播模式的有效折射率的描述。因此， 迄今為止既未發(fā)表過涉及這個問題的理論計算，也未提出制造和研究帶 狀波導(dǎo)，其按上述定義的光帶寬包含例如約400nm的波長范圍，尤其指 整個可見光范圍。

為了藉助于集成光學(xué)結(jié)構(gòu)元件來進行光的傳播、調(diào)制和/或開關(guān)，必 須制造光波導(dǎo)，其功能在于提高波導(dǎo)范圍內(nèi)的折射率，例如帶狀波導(dǎo)或 光纖(參閱W.Karthe，R，Muller，Integrierte?Optik，Akademische Verlagsgesellschaft?Geest?&?Portig?K-G，Leipzig，1991)。

準(zhǔn)波導(dǎo)(例如ARROW)提供了光傳播和調(diào)制的另外的可能性。 (參閱M.Mann，U，Trutschel，C.Wachter，L.Leine，F(xiàn).Lederer， “Directional?coupler?based?on?an?antiresonant?reflecting?optical waveguice”，Opt.lett.，Vol.16(1991)，No.11，PP.805-807)。

當(dāng)波導(dǎo)只傳播基模，則有利于光的有效調(diào)制和/或開關(guān)。因此，不同 的光波長要求不同的特征波導(dǎo)參數(shù)值，這通常要求對不同光波長應(yīng)用不 同的波導(dǎo)。

與此相反，單模光纖具有單模有效傳播寬光譜范圍的光的本身公知 的特性。

至今，還不知道具有這樣特性的在襯底材料內(nèi)(或上)的帶狀波導(dǎo)， 即能在同一波導(dǎo)內(nèi)(從技術(shù)上看)單模、高效地傳播波長差大于約130nm (適用于短波可見光)的各種波長的光。

發(fā)明任務(wù)

本發(fā)明的任務(wù)是在同一帶狀波導(dǎo)內(nèi)單模傳播若干波長或波長區(qū)的 光。因此，如果需要在帶狀波導(dǎo)內(nèi)的光導(dǎo)應(yīng)當(dāng)是可以開關(guān)和調(diào)制的。各 種波長的光束在波長差大于約130nm(適用于短波可見光)時從技術(shù)上 看能以足夠效率傳播的。

進一步地將開發(fā)具有新特性的傳感器。 發(fā)明的詳細(xì)說明

本發(fā)明的任務(wù)是通過一種具有獨立權(quán)利要求1特征的帶狀波導(dǎo)來解 決。權(quán)利要求2到18是主要權(quán)利要求1的進一步構(gòu)型。

有關(guān)可開關(guān)性和可調(diào)制性應(yīng)用方面的發(fā)明任務(wù)由權(quán)利要求19或21 的特征來解決。從屬權(quán)利要求21是獨立權(quán)利要求19的一種構(gòu)型。

有關(guān)作為傳感器應(yīng)用方面的發(fā)明任務(wù)由獨立權(quán)利要求22的特征來 解決。從屬權(quán)利要求23到25是獨立權(quán)利要求22的各個構(gòu)型。

本發(fā)明在于成功地制造單模的垂直于光的傳播方向的兩維上嚴(yán)格 限制的通道，它具備可以傳播相對寬帶的光的特性(權(quán)利要求1)。二 維嚴(yán)格限制意味著：以置入襯底的槽或以涂覆在襯底面上的帶的形式的 通道是可以制造的，它們具有一個嚴(yán)格限制的截面形狀。截面形狀可以 是任意的，尤其是帶形的、矩形的、三角形的、圓形的、橢圓形的或多 角形的。槽或涂覆的帶可以通過合適的襯底材料一定的改良或至少由兩 種材料組合而成。為此必須的處理方法是本身公知的。當(dāng)波導(dǎo)必須的折 射率增高的分散率(Dispersion)d(n2-ns)/dλ大于或等于零時，光的 寬帶傳播占優(yōu)勢(權(quán)利要求3)。

此外還發(fā)現(xiàn)：只有在波導(dǎo)必須的折射率增高的分散率d(n2-ns)/dλ 大于或等于零時，具有并不嚴(yán)格限制通道的帶狀波導(dǎo)也具有傳播相對寬 帶的光的特性(權(quán)利要求2)。

在任何情況下，一種單模集成光學(xué)寬帶帶狀波導(dǎo)(以下稱為 EOBSW)有能力單模寬帶地傳播光。所謂寬帶指的是各種波長的光束， 尤其是可見光可以以帶寬。

Δλ＞0.48×λ-85nm (式中λ和Δλ單位為nm，以及從技術(shù)上看，具有足夠效率單模傳播。 這意味著對可見光而言，帶寬大于約100nm(圖7b)。

所謂單模指的是對于每一種波長范圍內(nèi)的波長只對應(yīng)一種，并且是 唯一的有效折射率。(圖7a)。

這里，光被理解為可見光和不可見光即紅外光和紫外光以及電磁 幅射。所謂技術(shù)上有足夠效率的傳播指的是，在EOBSW內(nèi)傳播模式 的有效折射率Neff至少必須比周圍材料的折射率ns高5×10-5，這 里ns表示取襯底折射率n1或涂層折射率n3中的較大者。這是一個必 需的先決條件，以便使波導(dǎo)衰減達到1dB/CM范圍內(nèi)的較低的值，由 此來實現(xiàn)技術(shù)上高效可置入的帶狀波導(dǎo)。對于在λ1和λ1+Δλ范圍內(nèi) 每一種給定的波長，對應(yīng)有一種唯一的有效折射率，即有效的基模折 射率。單模性的范圍一方面從技術(shù)上看是由波長λ1+Δλ處的基模N00 的高效起振決定，另一方面從技術(shù)上看是由波長λ1處的側(cè)向第一模 N01的高效起振或深度方向第一模N10的高效起振來決定。λ1和λ1+ Δλ值由帶狀波導(dǎo)的幾何材料參數(shù)和包圍帶狀波導(dǎo)的介質(zhì)的幾何材料 參數(shù)決定。原則上可利用的波長最小值λmin和最大值λmax由應(yīng)用材料 的傳輸范圍決定。

例如就晶體材料KTiOPO4而言，最小值約為350nm而最大值約為 4μm。

此外，所謂技術(shù)上高效指的是在整個單模，可傳播的波長范圍中， 波導(dǎo)衰減和在EOBSW和單模光纖之間的光耦合效率變化不應(yīng)大于30％， 因為通常，光藉助于單模光纖耦合入EOBSW內(nèi)。應(yīng)用傳統(tǒng)的帶狀波導(dǎo) 是不可能在同一帶狀波導(dǎo)內(nèi)單模且技術(shù)上有足夠效率來傳播(例如)紅 光和蘭光的。參數(shù)包括襯底的折射率，涂層的折射率，EOBSW的一維 或二維折射率剖面，在襯底內(nèi)(或上)EOBSW的截面形狀(例如寬度 和深度)和長度，是這樣設(shè)計的，在Δλ＞130nm的較大波長范圍(適用 于短波可見光)保證EOBSW的單模運行，即對于波長范圍內(nèi)一種給定 的波長，只對應(yīng)一種唯一有效折射率(W.Karthe，R.Muller，Integriete Optik，Akademische?Verlagsgesellschaft?Geest?&?Portig?K.-G.，Leipzig， 1991)。尤其能夠傳播所有可見光波長范圍內(nèi)的光波。因此，在同一 EOBSW內(nèi)，在整個可見光范圍，可以實現(xiàn)單模、(且從技術(shù)上看)具 有相同效率地傳播光波。因此，一種真正的單模，白光帶狀波導(dǎo)呈現(xiàn)在 我們面前。

根據(jù)發(fā)明所述的EOBSW的特點是制造上采用特別相稱的方法，并 具備特殊的性能。對襯底材料物理上的要求是側(cè)向嚴(yán)格受限的結(jié)構(gòu)的可 制造性(例如利用離子交換時的擴散的各向異性)和/或與包圍EOBSW 的材料相比，對波導(dǎo)必需的折射率增高的分散率相應(yīng)的公式為： $\frac{d(n_{\text{2}}-n_s)}{\mathrm{d\lambda }}\ge 0$ 式中，如果n1＞n3，則ns＝n1；或如果n3＞n1，則ns＞n3。

EOBSW是根據(jù)以下所述方法之一制成的： —介電晶體(如KTiOPO4(KTP)，LiNbO3和LiTaO3)內(nèi)進行離 子交換或離子擴散， —玻璃內(nèi)進行離子交換， —在合適的襯底(如Si)上用聚合物進行噴射澆鑄處理、壓印處理和彈 射處理，由此產(chǎn)生脊形或反脊形或彼得曼(Petemann)波導(dǎo)， —通過在合適的襯底(如SiO2)上外延沉積法制成的II-VI族或III-V 族半導(dǎo)體材料EOBSW， —通過摻雜或合金法制成的II-VI族或III-V族半導(dǎo)體EOBSW， —三元或四元II-VI族或III-V族半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的EOBSW， —脊形或反脊形或彼得曼(Petermann)波導(dǎo)(用II-VI族或III-V族 半導(dǎo)體材料)， —在合適襯底材料(優(yōu)選Si)內(nèi)(或上)通過Si、SiO3、SiON層和/ 或其它的氧化物層和/或氮化物層的組合制成的EOBSW， —在合適的襯底材料上的采用溶膠-凝膠處理法(參閱S.Pelli， G.C.Righini，A.Verciani“Laser?Writing?of?optical?waveguides?in?sol- gel?films”，SPIE?2213，International?Symposium?on?integrated?optics， pp.58-63，1994)， —離子注入所有上述材料內(nèi)。

光學(xué)帶狀波導(dǎo)的制造法，尤其是對介電晶體進行離子交換或離子擴 散，或在玻璃內(nèi)進行離子交換都可以與離子注入法有效地組合，以獲得 嚴(yán)格限制的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)發(fā)明提供的EOBSW能使光在一個相當(dāng)寬的光譜范圍內(nèi)進行 光波導(dǎo)、光調(diào)制和/或光開關(guān)。在EOBSW內(nèi)按下述原理實現(xiàn)光的相位 調(diào)制、振幅調(diào)制和/或光的偏振： —電光、聲光、熱光、磁光、光光或光熱調(diào)制， —通過向半導(dǎo)體材料內(nèi)注入或空耗自由載流子來改變有效折射率， —在充分利用法布里-珀羅(Fabry-Perot)效應(yīng)情況下，進行電光、 聲光、熱光、磁光、光光或光熱調(diào)制， —在充分利用法布里-珀羅(Fabry-Perot)效應(yīng)情況下，通過向半導(dǎo) 體材料內(nèi)注入或空耗自由載流子來改變有效折射率，從而達到調(diào)制的目 的， —電光、聲光、熱光、磁光、光光或光熱截止調(diào)制， —基于通過向半導(dǎo)體內(nèi)注入或空耗自由載流子改變有效折射率實現(xiàn)截 止調(diào)制， —可控制的波導(dǎo)放大， —可控制的偏振轉(zhuǎn)動， —波導(dǎo)模式變化或 —電吸收調(diào)制。

光調(diào)制也能在EOBSW以外實現(xiàn)，藉助于： —改變光源和帶狀波導(dǎo)間的耦合效率或 —調(diào)制光源本身，或進一步 —光衰減器(例如光楔)或 —移相器(例如波凱爾光電元件)或 —偏振轉(zhuǎn)動器作為外部結(jié)構(gòu)元件。

EOBSW內(nèi)光的調(diào)制在相位、振幅和偏振方向上是可實現(xiàn)的。

外電場Eelektr.對襯底材料的折射率有影響，并以好的近似顯示外 電場對傳播模式的有效折射率也有影響，相應(yīng)公式為： $\Delta \left|\frac{1}{{n^2}_{\mathrm{ij}}}\right|=\underset{k=1}{\overset{3}{\Sigma }}{r}_{\mathrm{ijk}}{E}_k$ 式中nij為材料的折射率，rijk為線性電光學(xué)張量，而i，j＝1，2，3。

通過相應(yīng)的張量分量的有效的變化即可以改變材料本身的折射 率，也可以改變材料的雙折射。對于一定的光的線性偏振nij可以簡化為 有效折射率n。

相位調(diào)制意味著：通過改變其傳播常數(shù)，即其有效的折射率Neff， 傳播模式的相位狀態(tài)(相位角值)的相應(yīng)變化公式為 與波長有關(guān)，式中L表示電場對EOBSW的有效作用長度，通過它等于 電極的有效長度。此外在帶狀波導(dǎo)內(nèi)有

Δn≈ΔNeff.

EOBSW內(nèi)的振幅調(diào)制或強度調(diào)制，即意味著截止調(diào)制，也意味著 在應(yīng)用集成光學(xué)法布里-珀羅(Fabry-Perot)諧振器下的調(diào)制。截止 調(diào)制意味著對波導(dǎo)必需的折射率增高n2-ns進一步減小，以至于大大增 加了波導(dǎo)模式的衰減量，在極端情況下，不再有波導(dǎo)模式傳播。

偏振模式意味著：基于S(o.G)效應(yīng)(即雙彎曲形效應(yīng))誘導(dǎo)的 雙折射變化，導(dǎo)至傳播光的偏振狀態(tài)的改變。

對于上述所有調(diào)制類型而言，帶狀波導(dǎo)不致丟失單模傳播寬光譜帶 波長的特性。

在利用上述原理時，整個可見光光譜范圍的光都可以通過唯一的 EOBSW單模傳播和調(diào)制。

在合適設(shè)計EOBSW的情況下，在其它光譜范圍，例如紫外光或紅 外光光譜范圍，同時單模傳播若干波長或波長范圍在Δλ＞0.48×λ- 85nm的范圍內(nèi)是可能的，這里的范圍受限于應(yīng)用材料的傳輸范圍。 EOBSW的特性可以用于例如測量技術(shù)、傳感器、光度計和光譜儀(例 如在應(yīng)用干涉計法情況下)，由此奠定了一種新的微系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)元件 族的基礎(chǔ)。

根據(jù)權(quán)利要求的EOBSW具有下述優(yōu)點： —光的單模寬帶傳播； —直到GHz范圍(根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)狀況)從技術(shù)含義而言有效的光的 可調(diào)制性和/或光的可開關(guān)性； —各按要求的不同，選擇與波長有關(guān)的調(diào)制結(jié)構(gòu)或與波長無關(guān)的調(diào)制結(jié) 構(gòu)(例如電吸收調(diào)制、光源調(diào)制、光楔)是可能的； —與體積光波凱爾源或克爾源相比，較低的電光調(diào)制電壓(幾百伏)， 因此可以與微電子學(xué)的方法、結(jié)構(gòu)和元部件結(jié)合； —在應(yīng)用KTP作為襯底材料時，可以在EOBSW內(nèi)傳播高的光功率密 度而無相位變化(材料對光誘導(dǎo)的折射率變化的高穩(wěn)定性)。

對整個可見光波長范圍，集成光寬帶波導(dǎo)是對集成光學(xué)的一種基本 技術(shù)革新，一類完全新的原則解決方法(例如在多介質(zhì)區(qū)，在傳感器、 在量測技術(shù)和光譜學(xué)方面)成為可能。

附圖的簡單說明

以下將根據(jù)附圖對發(fā)明作出說明。附圖為：

圖1：描繪了Ti：LiNbO3帶狀波導(dǎo)內(nèi)的結(jié)構(gòu)和折射率分布，

圖2：Ti：LiNbO3帶狀波導(dǎo)的單模范圍，

圖3：描繪了Rb：KTP-EOBSW內(nèi)的結(jié)構(gòu)和折射率分布，

圖4：Rb：KTP-EOBSW的單模范圍，

圖5：EOBSW在襯底材料內(nèi)或在襯底材料上的配置及波導(dǎo)區(qū)的截 面形狀，

圖6：具有相位調(diào)制器的Rb：KTP-EOBSW，

圖7：對于在EOBSW內(nèi)，單模波導(dǎo)技術(shù)上重要的波長范圍的概要 表示，

圖8：EOBSW作為傳感器的應(yīng)用。

實施發(fā)明的途徑

在圖1和圖2中圖解說明一種公知的在LiNbO3內(nèi)擴散了Ti的帶狀 波導(dǎo)的特性。

與此相反，圖3和圖4描繪了一種根據(jù)本發(fā)明所述的單模集成光 學(xué)寬帶帶狀波導(dǎo)(基于KTP內(nèi)銣鉀離子交換的帶狀波導(dǎo))EOBSW 有關(guān)其帶寬的特性。在圖2和圖4中與襯底折射率n1有關(guān)的有效折射 率Neff?Z的圖形選擇為波長的函數(shù)。每一種波導(dǎo)模式對應(yīng)一種有效折 射率值Neff，它處于n1及n3之中較大者和n2之間。Neff值與波長、 襯底的折射率和波導(dǎo)折射率或折射率剖面以及波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)有 關(guān)。因此帶有腳標(biāo)ik(I，k≥0，整數(shù))的每一種模式在圖中是用其 有效折射率曲線Nik描繪的，這里的i表示深度方向模的序數(shù)，而k 則表示側(cè)向模的序數(shù)。

如果對于波長范圍內(nèi)一給定波長只有一個唯一的有效折射率與之 對應(yīng)，則這種波導(dǎo)是單模的。從技術(shù)上看，為了光的順利傳播，各種模 的有效折射率必須至少比n1和/或n3高出5×10-5。因此帶寬可以直 接讀取。從技術(shù)上看，圖7a是一般化描繪了在帶狀波導(dǎo)內(nèi)單模高效傳 播的波長范圍。圖7b表示一種根據(jù)本發(fā)明所述的KTP-EOBSW和另 一種傳統(tǒng)的，在LiNbO3內(nèi)擴散入Ti的帶狀波導(dǎo)的單?？蓚鞑サ牟ㄩL范 圍與波長本身的關(guān)系。除此之外，在圖7b中根據(jù)本發(fā)明描述的EOBSW 的范圍總地與對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)的帶狀波導(dǎo)劃清了界線。

圖1和圖2首先以Ti擴散的帶狀波導(dǎo)為例闡明了這種關(guān)系。

圖1給出了在襯底材料1內(nèi)的一種帶狀波導(dǎo)2。為了制造傳統(tǒng)的 帶狀波導(dǎo)，例如，在X方向切割的鈮酸鋰內(nèi)擴散入鈦。(R.V.Schmidt， I.P.Kaminow，Appl.Phys.Lett.，Vol.25(1974)，No.8，pp.458- 460)。為此，將一鈦帶11濺射到襯底表面上。當(dāng)溫度高于950℃時， 鈦向晶體內(nèi)擴散。在側(cè)向擴散系數(shù)約為深度方向的一倍，因此帶大大 變寬了。在擴散時間td之后，在結(jié)果帶寬W時，折射率剖面的形狀 可按照下列公式獲得。????

擴散入Ti的帶狀波導(dǎo)，在可見光的波長范圍內(nèi)，不能單模傳播帶 寬幾百nm的光(參照圖7b)。波導(dǎo)2構(gòu)成為幾何上略有限制的寬度a 和深度t的槽。

槽具有折射率分布nw＝f(x，y)，表面折射率n2＝nw(x＝0， y＝0)，與周圍的襯底材料的折射率n1相比提高了。圖1的圖給出了 折射率在x方向和y方向的定性分布。折射率分布在x方向(用x″方向 表示)和在y方向(用y″方向表示)連續(xù)過渡是典型的。

圖2給出了在X切割的LiNbO3內(nèi)示例選擇的Ti擴散的帶狀波導(dǎo) 的單模范圍。(X＝結(jié)晶的x軸，它相應(yīng)于圖1的y軸)。曲線描繪 了基模N00的Z偏振光的有效折射率(Neff，z，Z＝結(jié)晶的Z軸， 它相當(dāng)于圖1的x軸)和側(cè)向1模N01的有效折射率。一條寬3.0μm， 厚15nm濺射的Ti帶用作擴散源。擴散溫度為1000℃，擴散時間為3 小時。

鈦離子在LiNbO3內(nèi)的擴散系數(shù)之比為：

Dx/Dy≈2 深度剖面按照

nw＝n1+(n2-n1)*exp(-(y)2/a2y) 計算，而側(cè)向折射率分布按照

nw＝n1+(n2-n1)*0.5[erf((2x+W)/2ax)-erf((2x-W)/2ax)]， 計算。這里ax＝2(Dxtd)1/2，相當(dāng)于圖1中的寬度a/2，而 ay＝2(Dytd)1/2，相當(dāng)于圖1中的深度t，為2μm。當(dāng)λ＝500nm時， n1＝2,2492；n2-n1＝O.0080；襯底折射率n1的分散率(Pispersion) 幾乎為零。td值是擴散時間，erf是誤差函數(shù)(參照J(rèn).ctyroky， M.Hofman，J.Janta，J.Schrofel，“3-D?Analysis?of?LiNbO3：Ti Channel?Waveguides?and?Directional?Coupler”，IEEE?J.of?Quantum Electron.，Vol.QE-20(1984)，No.4，pp.400-409)。上述帶狀波 導(dǎo)在490nm到620nm范圍，從技術(shù)上高效的意義而言，只傳播基模， 即帶寬Δλ＝130nm。有效折射率用有效指數(shù)法計算(G.B.Hocker， W.K.Burns“Mode?dispersion?in?diffused?channel?waveguides?by?the effective?index?method”，Appl.Optics，Vol.16(1977)，No.1，pp113- 118)。

圖3給出了在襯底材料1，例如在Z切割的KTiOPO4(KTP)內(nèi) 的(根據(jù)本發(fā)明敘述的)單模集成光學(xué)寬帶帶狀波導(dǎo)(EOBSW)2。 (M.Rottschalk，J-P.Ruske，K.Hornig，A.Rasch，“Fabrication?and Characterization?of?Singlemode?Channel?Waveguides?and?Modulatorsin KTiOPO4?for?the?short?Visible?Wavelength?Region”，SPIE2213， International?Symposium?on?integrated?Optics(1994)pp.152-163)。 襯底材料1附有一掩模，它只允許在未來的波導(dǎo)位置上自由地留下一隙 縫。銣-鉀離子交換是在帶有硝酸鋇和硝酸鉀組分的硝酸銣溶化物中實 現(xiàn)。擴散的優(yōu)勢方向只取深度方向，從而形成下述的折射率剖面。由此 可獲得在側(cè)向的折射率的階梯形剖面。嚴(yán)格限制在狹長結(jié)構(gòu)的可制造性 得以保證，因為幾乎不存在側(cè)向擴散，從掩模到波導(dǎo)的傳送是以1∶1 的比例實現(xiàn)的。

在Rb：KTP波導(dǎo)內(nèi)的折射率的分散率為d(n2-n1)/dλ≥0。這種分 散率有利于波導(dǎo)在較寬的波長范圍Δλ內(nèi)的單模性。EOBSW2在波長 范圍約400nm內(nèi)是單模的。EOBSW2是以寬a、深t幾何上嚴(yán)格限 制的槽構(gòu)成的。這種槽具有折射率分布為nw＝f(x，y)，表面折射 率n2＝nw(-a≤x″≤0，yf＝0)，比周圍襯底材料的折射率n1增高 了。

圖3的圖給出了在x方向和y方向折射率的定性分布。典型情況是 在x方向(以x″方向表示)折射率尖銳突變，而在y方向(以y′方向表 示)折射率從n1到n2有較大的上升。

圖4給出了一種按本發(fā)明所挑選的，在KTiOPO4內(nèi)銣-鉀離子交 換的EOBSW。

曲線表示基模N00的Z偏振光的有效折射率(Neff，z?Z＝結(jié)晶的Z 軸，相應(yīng)于圖3的y軸)和側(cè)向第1模的N01的有效折射率。當(dāng)λ＝500nm 時，n1＝1,9010；襯底折射率的分散幾乎為零(參閱L.P.Shi，Application of?crystals?of?the?KTiOPO4-type?in?the?field?of?integrated?optics， Dissertation?Univ.Koln(1992))。

有效折射率用效率-指數(shù)法計算。此外n2-n1＝0,0037＝常數(shù)，適用 于整個波長范圍。對擴散系數(shù)，有Dx/Dy＝10-3。側(cè)向折射率剖面是具有 寬a＝4.0μm的階梯形剖面(參照圖3)。深度剖面根據(jù)表達式nw＝n1+ (n2-n1)*erf?c(-y″/t)來計算，式中t＝4.0μm，erfc＝互補誤 差函數(shù)。作為例子描述的EOBSW，在從470nm到870nm的波長范圍， (從技術(shù)上有效的意義講)只傳播基模，即：Δλ＝400nm。

作為例子描述的EOBSW的制造是眾所周知的。波導(dǎo)是在Z切割的 KTiOPO4，KTP襯底里通過銣-鉀離子交換制成的。(J.D.Bierlein， A.Ferretti，L.H.Brixner，W.Y.Hsu，“Fabrication?and?Characrerization of?optical?waveguides?in?KTiOPO4”，Appl.phys.Lett.，Vol.50 (1987)，No.8，pp.1216-1218)。Z切割指的是產(chǎn)生波導(dǎo)的晶體平 面處于與結(jié)晶的Z軸垂直方向。

離子交換時擴散基本上只出現(xiàn)在深度方向是有利的。 (J.D.Bierlien，H.Vanherzeele，“Potassium?titanyl?Phosphate： Properties?and?new?applications”，J.Opt.Soc.Am.B，Vol.6 (1989)，No4，pp.622-633)。

圖5給出在襯底材料內(nèi)或襯底材料上，EOBSW的可能的截面形 狀：

圖5a給出了以矩形、梯形或三角形槽的形式埋入襯底材料1內(nèi)的 波導(dǎo)2，

圖5b給出了埋藏入襯底材料1內(nèi)波導(dǎo)2，

圖5c給出了以矩形、梯形或三角形通道的形式置于襯底材料1上 的波導(dǎo)2，

圖5d給出了帶狀加載波導(dǎo)2，從而矩形、梯形或三角形帶5保證 光的側(cè)向傳播，

圖5e給出了肋形或脊形波導(dǎo)，及

圖5f給出了倒置肋形或脊形波導(dǎo)。

對于圖5所列舉的所有波導(dǎo)，如此調(diào)整光學(xué)參數(shù)，使得產(chǎn)生一種 EOBSW，如以圖3和圖4對Rb：KTP情況的描述中解釋的那樣。

圖6給出了根據(jù)發(fā)明所述具有電極結(jié)構(gòu)4的EOBSW在EOBSW2 內(nèi)傳播光的相位調(diào)制上的應(yīng)用。光可調(diào)制性的可能性是通過應(yīng)用一種有 可能影響輸入信號的相位的襯底材料而實現(xiàn)的。輸入信號是波長λ的光 或若干分立波長λi的光，和/或一個和多個波長范圍Δλi的光。

KTiOPO4通過應(yīng)用其高度線性的電光學(xué)系數(shù)，提供了應(yīng)用電光相 位調(diào)制的可能性。EOBSW2和電極4如此安置在KTP襯底1上，使得 構(gòu)成一種電光調(diào)制器。光源3的光耦合到EOBSW2的輸入端E內(nèi)。加 在電極4上的電壓U控制在輸出端A提供進一步應(yīng)用的光的相位。 EOBSW具有單模傳播寬譜范圍光的特性(Δλ＞130nm，屬于短波可見 光)。

圖6的EOBSW是在Z切割的磷酸鈦氧基鉀(KTiOPO4，KTP) 襯底材料內(nèi)通過離子交換(銣對鉀)而制成的。為了能利用線性電光張 量rijk的最高，系數(shù)r333，電極必須根據(jù)圖6安置，其中在襯底表面上， 一個第一電極淺薄地設(shè)置在波導(dǎo)槽旁邊和一個第二電極與EOBSW2相 疊置。

藉助于加在電極上的電壓U，在波導(dǎo)范圍內(nèi)，在Z方向(Z＝結(jié) 晶的Z軸，相應(yīng)于圖3的y方向)產(chǎn)生電場EZ分量。

按照方程式 $\Delta \left|\frac{1}{{n^2}_{\mathrm{ij}}}\right|=\underset{k=1}{\overset{3}{\Sigma }}{r}_{\mathrm{ijk}}{E}_k$ 和 電場分量引起相位變化，可以下式表示： 式中r333表示Z偏振光和Z方向電場的線性電光系數(shù)，Γ表示帶狀波導(dǎo) 內(nèi)電場和傳播的光模之間的重疊系數(shù)，d表示電極間距，L表示有效電 極長度。?

此外，在帶狀波導(dǎo)內(nèi)，有關(guān)系式：Δn33≈ΔNeff.z。對于給定的控制 電壓U和不同的波長λi，相位變化Δi不同。

在第一種情況，分立波長λ1的光聚束在EOBSW2的輸入端E上。 這束光的相位得以調(diào)制，其作用相當(dāng)于在公知的帶狀波導(dǎo)內(nèi)的效果。

在第二種情況下，至少有二種分立波長λ1和λ2聚束在EOBSW2 的輸入端E上。根據(jù)所加的調(diào)制電壓，基于上述關(guān)系式，相位變化 Δ1不等于相位變化Δ2，因此，EOBSW2不致丟失單模傳播光的 特性。

根據(jù)現(xiàn)今的技術(shù)狀況，調(diào)制到頻率在GHz的范圍是可能的。為了 實現(xiàn)完滿的交擾調(diào)制，在電極長mm的范圍，電極間距μm的范圍時， 控制電壓U在0和約4伏之間。

圖7表示對于根據(jù)本發(fā)明所述的EOBSW內(nèi)的單模波導(dǎo)(根據(jù)權(quán)利 要求1)的技術(shù)上重要的波長范圍的概要示圖。所謂技術(shù)上重要指的是， 有效折射率Neff必須至少比ns超出5×10-5，這里ns表示襯底折射 率n1或涂層折射率n3兩者中取較大者，以保證波導(dǎo)衰減足夠低，例如 為1dB/CM。對于在λ1和λ1+Δλ范圍內(nèi)的每一種波長只對應(yīng)一種唯一 的有效折射率，即基模的折射率N00。

單模性的范圍，從技術(shù)上看，一方面在波長λ1+Δλ時由基模N00 的有效起振決定，另一方面從技術(shù)上看在波長λ1時由側(cè)向第一模N01的 有效起振或深度方向第一模N10的有效起振所決定。λ1和λ1+Δλ值由 波導(dǎo)的幾何-材料參數(shù)和波導(dǎo)周圍介質(zhì)的幾何-材料參數(shù)決定。原則 上可利用的波長的最小值λmin和最大值λmax由所用材料的傳輸范圍決 定。

對于晶體材料KTP，例如，λmin約為350nm，λmax約為4μm。

圖7b給出了與現(xiàn)有技術(shù)相應(yīng)的Ti：LiNbO3構(gòu)成的帶狀波導(dǎo)和根據(jù) 本發(fā)明所述的EOBSW(Rb：KTP)兩者的單?？蓚鞑サ牟ㄩL范圍Δλ 與波長λ的關(guān)系。藉助于效率-指數(shù)法，基于有效折射率的計算，決定 單?？蓚鞑サ牟ㄩL范圍Δλ(其方式與圖2和圖4相似，在那里，對參 考波長λ1＝500nm進行了計算)。

基于已知的波長與波導(dǎo)必須的折射率增高n2-n1之間的關(guān)系(分散 率)以及波長與襯底折射率之間的關(guān)系(分散率)，從具體的參考波長 λ1出發(fā)，在計算時，首先改變波導(dǎo)深度t，其次改變波導(dǎo)寬度a，一直 到第一?？偸瞧鹫瘢罱K改變波長，一直到基模N00消失。

單?？蓚鞑バ缘牟ㄩL范圍的上限是波長λ1+Δλ，在此波長范圍內(nèi)， 帶狀波導(dǎo)的有效折射率超過襯底折射率n1為5×10-5。單?？蓚鞑サ?波長范圍的大小與參考波長λ1有關(guān)。從與傳統(tǒng)的鈦在鈮酸鋰擴散的帶狀 波導(dǎo)(Ti：LiNbO3)相應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)出發(fā)，可以得到：單模可傳播的波 長范圍Δλ必須滿足不等式

Δλ＞0.48×λ-85nm (式中λ和Δλ用nm，以說明與(例如)KTP內(nèi)的Ru-K離子交換的 帶狀波導(dǎo)(Rb：KTP)相當(dāng)?shù)腅OBSW的特性。在圖7b中Δλ與EOBSW 相應(yīng)的區(qū)域用灰色調(diào)表示。單?？蓚鞑サ牟ㄩL范圍實際上受限于襯底材 料的光傳輸范圍的界限，要是(例如)λ＜λmin或λ1+Δλ＞λmax(參看圖 7a)。

在應(yīng)用合適的襯底材料或波導(dǎo)材料時，不等式也可以用于波長大于 或小于圖7a和圖7b所示的情形。

圖8給出了EOBSW2用作傳感器的例子。根據(jù)圖8a，量測并估 算了測試介質(zhì)(氣體的、流體的或固體的)對于EOBSW2內(nèi)傳播波 在涂層內(nèi)存在的短暫場的吸收作用。此外，與測試介質(zhì)接觸的襯底材 料1的表面，除了測試窗6表面以外，均為阻尼層7(例如SiO2)所 覆蓋。因此，短暫的場只可到達測試窗6。測試窗6只在一定長度的 范圍內(nèi)使EOBSW2空出。光聚束在EOBSW2的輸入端E上。而在 EOBSW2的輸出端有受測試介質(zhì)影響的光供使用。例如，應(yīng)用接收器 8實現(xiàn)光度計量測量。EOBSW2具有傳播來自寬波長光譜的各種波 長λi的光成分。

與已知的帶狀波導(dǎo)相反，測試波導(dǎo)能在更大的波長范圍內(nèi)適應(yīng)待研 究的介質(zhì)和待研究的材料參數(shù)。在各種波長λi下測量可以在測試介質(zhì)上 直接進行。EOBSW內(nèi)的光成分可以通過與EOBSW相適應(yīng)的振幅調(diào)制 器(未繪出)更為有利地調(diào)制。通過測試介質(zhì)本身的吸收或通過改變表 面散射，可以改變波導(dǎo)的衰減?？梢栽趥鞑ゲ〞r充分利用在帶狀波導(dǎo)本 身之外傳播一部分電場或磁場分布(短暫的場)。因此這部分場可以從 帶狀波導(dǎo)外到達。如果在帶狀波導(dǎo)上，即在涂層內(nèi)存在吸收性介質(zhì)，短 暫的場本身根據(jù)吸收的情況而衰減或通過未被覆蓋的吸收性介質(zhì)置于 測試窗6上改變帶狀波導(dǎo)的表面散射。兩者均引起波導(dǎo)衰減，因此都可 以用光度計來測量。

此外，藉助于測試介質(zhì)的影響，可以改變傳播模式的傳播常數(shù)，這 可以用干涉儀裝置來測量，例如應(yīng)用圖8b的邁克遜(Michelson)干 涉儀。

具有EOBSW2的襯底1放在光分配器10和反射器9之間的光路 上。

進一步實施的變型方案在于：測試窗6用一種對物理、化學(xué)或生物 等外在影響起作用的襯底覆蓋，當(dāng)外在影響起作用時，它將影響傳播光 的性能或波導(dǎo)本身的性能。

根據(jù)圖8c，在傳感器的情況下，EOBSW2的波導(dǎo)端面B上的反射 率可以作為量測量求出。

預(yù)先安排了下列方案：

a)測試器件本身作為反射器，與波導(dǎo)端面B接觸或間隔一定距離， 或

b)反射器9用活性物質(zhì)鏡面化，活性物質(zhì)本身就是反射器9，這 時活性物質(zhì)與周圍測試介質(zhì)有關(guān)，改變其反射率，或

c)反射器9放置在距波導(dǎo)端面B一定距離而測試器件放在波導(dǎo)端 面B和反射器9之間。

在間距較小時，例如幾微米范圍，則可以放棄附加的聚光裝置。

在這種安排下，從可能的寬的波長譜而來的，至少有一種波長的 光可聚束在EOBSW2的輸入端E上。與輸入E相應(yīng)，在輸出端A上， 經(jīng)光束分配器10，受測試介質(zhì)影響反射的光部分和/或熒光部分被量 測。

根據(jù)圖8的量測裝置的集成光學(xué)實施方式有利于微型化結(jié)構(gòu)和微系 統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。

在較高靈敏度下可以用最少的試樣量，因為測試窗6只需比 EOBSW2略寬，測試窗的長度可在mm范圍。

藉助于量測裝置的安排，所有影響傳播光的性能或影響EOBSW2 本身性能的氣體、流體和固體的物理、化學(xué)和生物量的量測都是可能 的。因此，在包含EOBSW的規(guī)定的測量裝置的安排下，由一寬波長譜 中自由選擇波長或波長范圍是可能的。

參考符號和公式符號： 1?????????襯底 2????????帶狀波導(dǎo)(EOBSW) 3????????光源 4????????電極 5????????帶形涂覆層(帶) 6????????測試窗 7????????阻尼層 8????????接收器 9????????反射器 10???????光束分配器 11???????鈦帶 λ????????????????波長 λ1?????構(gòu)成單模波長范圍短波端的波長 λi?????分立的波長 λmin???襯底材料光傳輸范圍的最小值 λmax???襯底材料光傳輸范圍的最大值 Δλ?????????????帶狀波導(dǎo)單模運行的波長范圍 ???????相位 Δ?????相位變化 Δi???與波長λi有關(guān)的相位變化 E????????輸入端 A????????輸出端 B????????波導(dǎo)端面 U????????控制電壓 SE??????輸入信號 SA??????輸出信號 a????????結(jié)構(gòu)的寬度 t????????結(jié)構(gòu)的深度(高度) w????????在擴散時鈦帶的出端寬度 L????????有效電極長度 d????????電極間距 x????????對帶狀波導(dǎo)橫向或側(cè)向的坐標(biāo)軸 y????????對帶狀波導(dǎo)深度方向的坐標(biāo)軸 z??????????????在帶狀波導(dǎo)內(nèi)光傳播方向的坐標(biāo)軸 Dx，Dv，Dz?擴散系數(shù) N00???????????帶狀波導(dǎo)基模的有效折射率 N01???????????側(cè)向1模的有效折射率 N10???????????深度方向1模的有效折射率 Neff???????????帶狀波導(dǎo)模的有效折射率 Neff.z?????????帶狀波導(dǎo)Z偏振模的有效折射率 ax????????????x方向長度中間值 ay????????????y方向長度中間值 td????????????擴散時間 nw????????????在波導(dǎo)范圍的折射率分布nw＝f(x，y) n1????????????襯底的折射率 n2????????????在表面上波導(dǎo)范圍的折射率 n3????????????涂層的折射率 n4????????????在n1＞n3時襯底的折射率或

???????????在n3＞n1時涂層的折射率 nij????????????晶體材料的折射率分量 $\frac{d(n_2-n_1)}{\mathrm{d\lambda }}\ge 0$ ???????????????對波導(dǎo)必須的折射率增高與波長的關(guān)系(分散率) Ek????????????與晶體方向k有關(guān)的電場強度分量 Eelektr????????外電場 rijk??????????對給定材料的線性電光學(xué)張量元 Γ???????????????????????????在電極裝置的外加電場和帶狀波導(dǎo)內(nèi)傳播模的光場之間的

???????????疊置系數(shù) Z??????????????結(jié)晶學(xué)的Z軸 X??????????????結(jié)晶學(xué)的X軸