[发明专利]电光器件

说明书

技术领域

本发明属于例如滤光器、光开关、可调谐激光器元件等等的电光器件的领域，该电光电器包括电信号所诱导的光学性质例如折射率的改变。更具体地，本发明涉及具有非易失性可编程折射率的电光器件。

背景技术

从例如US 3,883,220、US 4,787,691以及US 7,009,759可以了解诸如开关、滤光器、可调谐激光器等的电光器件，其特征为使用电信号诱导的折射率的改变。这些元件包括诸如LiNbO₃的晶体绝缘材料(表现出热电效应)，诸如Si的半导体材料(表现出等离子体色散效应，或者包括分层的类似于锂离子蓄电池(Li-ion-accumulator)的结构，其中锂离子迁移有助于折射率的改变)。这些光学元件的主要缺点是，必须持久地施加电功率以维持折射率的变化，也就是，这些电光元件是“易失性的”。其他的缺点为包括晶体材料的电光元件会受极性依赖(双折射)的影响，这就需要附加的结构以重新获得不依赖极性的器件操作。此外，晶体材料需要大的热预算(budget)，因此不能在后段制程(BEOL)集成。并且，因为会强吸收可见光，上述包括半导体材料或锂离子的电光元件仅仅适用于红外波长范围。

在US 6,628,450中公开了一种非易失性电光开关的实例，该实例包括将跨隧穿势垒进行充电的浮置电荷调制区域。然而，该实例还依赖于半导电材料中的自由电子，因此局限于红外波长，并导致相对高的吸收。并且，其具有复杂的结构，该复杂的结构具有多个界面，这会有助于散射。最后，US 6,628,450所教导的跨两个隧穿势垒施加的电压非常大。

因此，希望提供一种非易失性的电光器件，用于例如光开关、滤光器或者可调谐激光器。这样的器件优选具有简单的构造，没有太多的层到层界面，并且优选适用于光谱中的红外范围以及可见范围的光。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种电光器件，所述电光器件包括具有波导材料的波导结构，所述波导结构限定光束路径。所述波导结构还包括具有氧空位的过渡金属氧化物和电极，在暴露到电场时所述氧空位能够迁移，所述电场可通过所述电极施加到所述过渡金属氧化物。所述过渡金属氧化物和电极被设置为使所述氧空位能够沿相对于所述光束路径的中心的径向方向迁移。

在这个意义上，“径向”并不意味着移动方向必须在自光束路径中心向外的射线上，而是包括具有相应分量的所有方向，以便光束路径中心与氧空位之间的距离随着迁移而变化。

本发明的方法基于这样的观察，即，过渡金属氧化物的折射率依赖于氧空位浓度。因此，波导结构的光学性质受电场的影响。

具体而言，利用这样的构造，可以向电极施加极性相反的切换脉冲，切换脉冲分别使氧空位迁移到光束路径/更邻近光束路径，或者从光束路径移出/离开。在下面的描述中，与氧空位位置相关的电光器件的不同状态被称为“切换状态”。为方便起见，假设有两种限定的切换状态，“第一”切换状态和“第二”切换状态。然而，本发明的教导也适用于具有多于两种限定的切换状态的更为复杂的构造。

过渡金属氧化物中的氧空位如果被结合到过渡金属氧化物的晶格中则具有这样的性质，即在没有电场的情况下它们是固定的。因此，假设的切换状态确实是非易失性的：一旦电极电压被关闭，只要不施加电场，氧空位保持在其位置上任意长的时间，而不会倾向于系统地扩散。

优选地，过渡金属氧化物材料是这样的材料，该材料具有10^-9cm²/Vs或更高的氧空位的相对高的迁移率。

在切换过程之后可以关闭电压这一事实，使该器件具有不会产生不必要的热量的优点。此外，较少的功率消耗也是优点。

此外，晶体和无定形的过渡金属氧化物层可直接制造(事实上，已经存在来自于铁电存储器制造的用于在常规衬底上制造结构层的制造技术)，并且它们皆可用于光谱的可见和红外部分。具体而言，无定形的过渡金属氧化物不呈现任何的双折射，并且它们是可BEOL集成的，因此也适用于以叠层的设置制造。归因于根据本发明的方法，由于仅仅在改变切换状态时才需要电压脉冲，因此，在邻近的光学元件和附近的电路之间同样不会发生(热)串扰。