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CN115145063A - 光学器件 - Google Patents

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CN115145063A
CN115145063A CN202210309674.4A CN202210309674A CN115145063A CN 115145063 A CN115145063 A CN 115145063A CN 202210309674 A CN202210309674 A CN 202210309674A CN 115145063 A CN115145063 A CN 115145063A
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optical waveguide
optical
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film
rough surface
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长瀬健司
田家裕
A·R·M·宾拉奥
王进武
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TDK Corp
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Abstract

本发明提供一种光学器件，其具备：基板；光波导，其形成于基板；以及保护层，其邻接于光波导而形成，光波导具有与基板交叉的多个侧面，在光波导的至少一个侧面具有粗糙面。根据本发明的光学器件，能够降低光的传输损耗。

Description

光学器件
技术领域
本发明涉及一种用于光通信和光学测量领域的光学器件。
背景技术
伴随着互联网的普及，通信量飞跃性地增加，光纤通信的重要性非常高。光纤通信是将电信号转换为光信号，并通过光纤来传输光信号的通信方式，具有宽带宽、低损耗、抗噪性强的特征。
作为将电信号转换为光信号的方式，已知有利用半导体激光的直接调制方式和使用了光调制器的外部调制方式。直接调制虽然不需要光调制器而且成本低，但是在高速调制方面有极限，在高速且长距离的用途中使用外部光调制方式。
作为光调制器，通过Ti(钛)扩散在铌酸锂单晶基板的表面附近形成有光波导的马赫-曾德尔型光调制器被实用化(参照专利文献1)。马赫-曾德尔型光调制器是使用具有马赫-曾德尔干涉仪结构的光波导(马赫-曾德尔光波导)的光调制器。马赫-曾德尔干涉仪是将从一个光源发出的光分成两个光，通过不同路径，然后再次重叠以产生干涉的装置，应用马赫-曾德尔干涉仪的马赫-曾德尔型光调制器被用于产生各种调制光。40Gb/s以上的高速的光调制器被商用化，但是主要缺点是总长度长达约10cm。
针对该问题，在专利文献2中公开了使用铌酸锂膜的马赫-曾德尔光调制器。使用了铌酸锂膜(LN膜)的光调制器与使用了铌酸锂单晶基板的光调制器相比，实现了大幅度的小型化、低驱动电压化。在专利文献2中，通过在基板上形成LN膜的步骤、蚀刻LN膜并在基板上形成光波导的步骤，起到充分的光限制的效果，从而使电光器件的动作速度高速化。
在使用LN膜的光波导中，重要的是限制光的进入以降低驱动电压，因此必须注重LN膜质，注意与保护层的紧贴性，避免在LN膜上产生微裂纹。例如，由于具有低折射率的氧化硅作为保护层，与作为光波导的LN膜相邻地形成，因此，由LN膜与构成保护层的材料的膨胀系数不同而引起的应力的影响可能导致光的传输损耗。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种光的传输损耗小的光学器件。通过使光波导的至少一个侧面粗糙化，从而降低由铌酸锂与氧化硅的膨胀系数不同而引起的应力的影响，从而防止光波导的破损和微裂纹的产生，减少光的传输损耗。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-221874号公报
专利文献2：日本特开2006-195383号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种光的传输损耗小的光学器件。
本发明的一个实施方式提供一种光学器件，其具备：基板；光波导，其形成于所述基板；以及保护层，其邻接于所述光波导而形成；所述光波导具有与所述基板交叉的多个侧面，在所述光波导的至少一个所述侧面具有粗糙面。
根据本发明的光学器件，由具有低折射率的氧化硅构成的保护层邻接于由铌酸锂构成的光波导而设置，由于氧化硅与铌酸锂的膨胀系数的差异而引起的应力的影响，存在光的传输损耗的担忧，但是通过使光波导的表面具有规定的粗糙面，从而不受此影响，可以抑制传输损耗的恶化。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述粗糙面的粗糙度的最大值Rmax为8.6～55nm。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述粗糙面的粗糙度的最大值Rmax为17～40nm。
另外，本发明的光学器件中，优选地，在所述粗糙面中，在1.5μm×0.2μm的视野中具有2个以上的峰。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述粗糙面在与所述基板交叉的方向上具有筋。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述筋为纵筋状。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述光波导是由LiNbO3或LiTaO3构成的膜。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述光波导是在LiNbO3中掺杂有选自Ti、Mg、Zn、In、Sc、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种元素的膜。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述光波导是外延膜。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述外延膜在与所述基板交叉的方向上取向。
本发明的另一个实施方式提供一种光调制器，其具备：基板；光波导，其形成于所述基板；保护层，其邻接于所述光波导而形成；以及电极，其经由所述保护层而形成于所述光波导，所述光波导具有与所述基板交叉的多个侧面，在所述光波导的至少一个所述侧面具有粗糙面。
发明的效果
根据本发明的光学器件和具备该光学器件的光调制器，能够有效地减少光的传输损耗。
附图说明
图1(a)和图1(b)是本发明的一个实施方式的光调制器100的俯视图，图1(a)仅示出光波导，图1(b)示出包括行波电极的光调制器100的整体。
图2是沿图1(a)和图1(b)的A-A'线的光调制器100的示意性截面图。
图3是由SEM观察到的马赫-曾德尔光波导10的第1光波导10a的铌酸锂膜的一个侧面101所具有的粗糙面的照片。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明用于实施本发明的方式。
图1(a)和图1(b)是本发明的一个实施方式的光调制器100的俯视图，图1(a)仅示出光波导，图1(b)示出包括行波电极的光调制器100的整体。
如图1(a)和图1(b)所示，该光调制器100具备：马赫-曾德尔光波导10，具有形成在基板1上并彼此平行设置的第1和第2光波导10a、10b；沿第1光波导10a设置的第1电极7、和沿第2光波导10b设置的第2电极8。
马赫-曾德尔光波导10是具有马赫-曾德尔干涉仪的结构的光波导。具有从一个输入光波导10i通过分波部10c分支的第1和第2光波导10a、10b，第1和第2光波导10a、10b经由合波部10d而合到一个输出光波导10o。输入光Si通过分波部10c分波并分别行进于第1和第2光波导10a、10b，然后，在合波部10d合波，作为调制光So从输出光波导10o输出。
第1电极7在俯视时覆盖第1光波导10a，同样第2电极8在俯视时覆盖第2光波导10b。也就是说，第1电极7经由保护层(将在后文描述)形成于第1光波导10a上，同样第2电极8经由保护层形成于第2光波导10b上。第1电极7例如与交流信号连接，可称为“跳变电极”。第2电极例如接地，可称为“接地电极”。
电信号(调制信号)输入到第1电极7。由于第1光波导10a由铌酸锂等具有电光效应的材料构成，因此通过施加到第1光波导10a的电场，第1光波导10a的折射率如+Δn、-Δn那样变化，一对光波导之间的相位差发生变化。通过该相位差的变化调制的信号光从输出光波导10o输出。
此外，在设置了第1和第2光波导10a、10b的区域(规定区域)以外的区域，还设置有形成于基板1上的未透光的光波导10x、10y、10z。此处，未透光的光波导10x、10y、10z可以是在实际工作中不进行光传输的光波导。即，输入光Si并不在未透光的光波导10x、10y、10z中传播，这样，未透光的光波导10x、10y、10z上也无需设置将电场施加于其的电极。当从基板1的上方观察时，未透光的光波导10x、10y、10z例如沿着第1和第2光波导10a、10b的直线部而设置，并设置有多个(3个)。具体而言，未透光的光波导10y介于第1和第2光波导10a、10b之间。未透光的光波导10x、10y以其间介有第1光波导10a的方式设置。未透光的光波导10y、10z以其间介有第2光波导10b的方式设置。未透光的光波导10x、10y、10z可以均沿着第1和第2光波导10a、10b的延伸方向而延伸。但本实施方式的光调制器100不一定必须包含未透光的光波导，可以为仅包含马赫-曾德尔光波导10而不包含未透光的光波导的结构。
图2是沿图1(a)和图1(b)的A-A'线的光调制器100的示意性截面图。
如图2所示，本实施方式的光调制器100至少具有基板1、光波导2、保护层3以及电极层4按此顺序层叠而成的多层结构。基板1例如是蓝宝石基板，在基板1的表面上形成有由铌酸锂膜构成的光波导2。光波导2具有由平板部2s和在平板部2s上隆起的脊部2r构成的第1和第2光波导10a、10b。
为了防止在第1和第2光波导10a、10b中传播的光被第1电极7或第2电极8吸收，保护层3邻接于光波导2(第1和第2光波导10a、10b)而形成，至少形成在光波导2的脊部2r的上表面。因此，保护层3只要能够作为光波导与信号电极之间的中间层而起作用即可，并且保护层3的材料可以广泛地选择。例如，保护层3可以使用由氧化硅等的非金属氧化物、氧化铝等的金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物、聚酰亚胺等的树脂材料、陶瓷等的绝缘材料制成。保护层材料可以是结晶性的材料或无定形的材料。作为更优选的实施方式，作为保护层3，可以使用折射率小于光波导2的折射率的材料，例如Al2O3、SiO2、LaAlO3、LaYO3、ZnO、HfO2、MgO、Y2O3等。
在电极层4，设置有第1电极7、第2电极8。第1电极7至少经由保护层3而与第1光波导10a相对，设置成与对应于第1光波导10a的脊部2r重叠，以调制在第1光波导10a内行进的光。第2电极8至少经由保护层3而与第2光波导10b相对，设置成与对应于第2光波导10b的脊部2r重叠，以调制在第2光波导10b内行进的光。
作为光波导2，只要由电光材料构成的话就没有特别限定，因此构成光波导2的膜也可以被称为电光材料膜。但是光波导2优选由铌酸锂(LiNbO3)构成，这是因为铌酸锂具有大的电光学常数并且适合作为光调制器等的光学器件的构成材料。光波导2也可以由钽酸锂(LiTaO3)构成。此外，在光波导2由铌酸锂构成的情况下，还可以掺杂有其它元素，例如，可以在铌酸锂中掺杂有选自Ti、Mg、Zn、In、Sc、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种。以下，详细说明在光波导2是铌酸锂膜的情况下的本发明的结构。
作为基板1，只要是折射率低于铌酸锂膜的基板就没有特别地限定，优选为能够使铌酸锂膜形成为外延膜的基板，优选为蓝宝石单晶基板或硅单晶基板。单晶基板的结晶取向没有特别地限定。铌酸锂膜具有相对于各种结晶方位的单晶基板容易形成为c轴取向的外延膜的性质。c轴取向的铌酸锂膜具有三次对称的对称性，因此，优选基底的单晶基板也具有相同的对称性，在蓝宝石单晶基板的情况下，优选为c面的基板；在硅单晶基板的情况下，优选为(111)面的基板。
在此，外延膜是相对于基底的基板或基底膜的结晶方位一致地取向的膜。在将膜面内设定为X-Y面，将膜厚方向设定为Z轴时，结晶随着X轴、Y轴和Z轴方向一致地取向。例如，通过首先进行利用2θ-θX射线衍射的取向位置上的峰强度的确认，其次进行极点的确认，从而可以证明光波导2为外延膜。
具体来说，首先进行利用2θ-θX射线衍射的测定时，目标的面以外的全部的峰强度需要为目标的面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。例如，铌酸锂的c轴取向外延膜中，(00L)面以外的峰强度为(00L)面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。(00L)是对(001)或(002)等的等价的面进行总称的表示。
其次，在极点测定中需要看到极点。在上述的第1取向位置上的峰强度的确认的条件下，仅表示一个方向上的取向性，即使得到了上述的第1条件，在面内结晶取向不一致的情况下，特定角度位置上X射线的强度也不高，看不到极点。由于LiNbO3是三方晶系的结晶结构，因此，单晶中的LiNbO3(014)的极点为3个。在铌酸锂膜的情况下，已知在以c轴为中心旋转180°后的结晶对称地结合的、所谓双晶的状态下进行外延生长。在该情况下，成为3个极点对称地2个结合的状态，因此，极点成为6个。另外，在(100)面的硅单晶基板上形成了铌酸锂膜的情况下，由于基板成为四次对称，因此，观测到4×3＝12个极点。另外，在本发明中，以双晶的状态外延生长的铌酸锂膜也包含于外延膜中。
作为铌酸锂膜的形成方法，优选利用溅射法、CVD法、溶胶凝胶法等的膜形成方法。如果铌酸锂的c轴垂直于基板1的主面地取向，则通过与c轴平行地施加电场，从而光学折射率与电场强度成比例地变化。
在作为单晶基板使用蓝宝石的情况下，可以直接在蓝宝石单晶基板上外延生长铌酸锂膜。在作为单晶基板使用硅的情况下，经由包覆层(未图示)通过外延生长形成铌酸锂膜。作为包覆层(未图示)，使用折射率低于铌酸锂膜且适于外延生长的包覆层。
另外，作为铌酸锂膜的形成方法，还已知有将铌酸锂单晶基板薄地研磨而切片的方法。该方法具有可以得到与单晶相同的特性的优点，可以适用于本发明。
如图2所示，第1和第2光波导10a、10b分别具有与基板1大致垂直的两个侧面101、102。将侧面101、102中的至少一个形成为粗糙面。也就是说，可以在侧面101、102同时形成有粗糙面，也可以仅在侧面101或侧面102中的任一个形成有粗糙面。
粗糙面是为了降低由构成光波导2的铌酸锂膜与氧化硅的膨胀系数不同而引起的应力的影响，从而减少光的传输损耗而形成的。对形成粗糙面的方法没有特别限定，可以使用公知的方法。在下文中，以通过铣削法与抗蚀剂图案化使第1光波导10a的两个侧面101、102具有粗糙面的方法为例进行说明。
通过铣削法与抗试剂图案化进行粗糙面的形成的方法包括：使表面粗糙化的工序；在表面形成抗试剂层的工序；以及隔着掩模对表面进行曝光，从而去除抗试剂层的工序。粗糙化的程度由粗糙面的粗糙度的最大值Rmax来定义。粗糙度的最大值Rmax是指，规定的长度内表面轮廓最高点(峰)和最低点(谷)之间的距离。在本实施方式的光调制器100中，第1光波导10a的两个侧面101、102的粗糙度的最大值Rmax优选为8.6～55nm，更优选为17～40nm。通过使粗糙面的粗糙度的最大值Rmax设为8.6～55nm，可以将光的传输损耗抑制得较小，通过使粗糙面的粗糙度的最大值Rmax设为17～40nm，可以进一步将光的传输损耗抑制得更小。
粗糙面的粗糙度的最大值Rmax例如通过AFM(Atomic Force Microscope，原子力显微镜)来测量。在上述粗糙面中，在1.5μm×0.2μm的视野中具有2个以上10个以下的峰。由此，通过在上述表面形成规定的粗糙面，从而抑制了光波导受到由铌酸锂膜与氧化硅的膨胀系数不同而引起的应力的影响所导致的光的传输损耗。
对上述粗糙面的图案形状没有特别限制，只要是表面为不平坦的粗糙面即可。例如，可以在光波导10a、10b的侧面101、102的表面形成有多个突出，也可以随机地形成有多个点状的凹陷，也可以形成有其它图案。在本实施方式中，上述侧面101、102的粗糙面可以形成为具有条纹。在此，“条纹”是指，由多条凹部和凸部交替地排列而成的、不平坦的图案。条纹的图案优选形成为条纹的长边方向与基板交叉的细长形状，也称为纵条纹状。以下，将条纹状的图案称为筋，将横条纹状的图案称为横筋，将纵条纹状的图案称为纵筋。
在上述的各个粗糙化的图案中，相较于横筋状或随机粗糙度图案，纵筋状是以在规定的视野汇总地出现峰的频率的方式，获得具有特定粗糙度的最佳的图案表示方式。这是因为，对于光波导为2.0μm以下的铌酸锂膜，纵筋可以确保在1.5μm×0.2μm的视野中具有2个以上10个以下的峰，并且该峰的数量以规定的间隔重复地连续出现。但横筋或随机粗糙度有时可能在规定的视野中只具有0～1个左右的峰。因此，为了求得峰的出现频率恒定的粗糙度，粗糙化图案最优选为纵筋状。通过在第1光波导10a的两个侧面101、102形成纵筋状的粗糙面，从而抑制了光波导受到由铌酸锂膜与氧化硅的膨胀系数不同而引起的应力的影响所导致的光的传输损耗。
图3是表示光波导2中的马赫-曾德尔光波导10、和通过SEM(scanning electronmicroscope，扫描电子显微镜)观察马赫-曾德尔光波导10的侧面101的状态的结果。通过SEM观察到的马赫-曾德尔光波导10的第1光波导10a的侧面101为粗糙面。在观察到的侧面形成有纵筋状的粗糙面，与现有的未形成粗糙面的平坦的电光材料膜(未图示)的表面状态明显不同。通过将光波导2的侧面形成为具有这样的纵筋状的粗糙面，可以获得本实施方式的光波导2所具有的抑制光的传输损耗的效果。在此，仅例示出通过SEM观察到的马赫-曾德尔光波导10的第1光波导10a的侧面101，实际上，通过SEM观察到的光波导2的至少一个侧面均可以为如图3所示的纵筋状的粗糙面。
此外，对作为光波导2的铌酸锂膜的侧面形成粗糙面的方法不限于上述方法，还可以是例如通过激光蚀刻法、或通过金属掩模图案化及RIE蚀刻来形成粗糙面。具体而言，在使用激光进行粗糙面的形成的方法中，对作为光波导2的铌酸锂膜的两个侧面101、102的表面照射激光束，并来回进行扫描，扫描的方向与光的传播方向相同，沿光波导2的侧面行进，从而在于基板交叉的方向上形成细长形状的纵筋。金属掩模图案化及RIE蚀刻是通过在作为光波导2的铌酸锂膜的两个侧面101、102的表面形成金属掩模图案，并进行RIE蚀刻的方法。RIE(Reactive Ion Etching)是干蚀刻的一种，RIE蚀刻的原理是，当在平板电极之间施加10～100MHZ的高频电压(RF：radio frequency)时会产生数百微米厚的离子层(ionsheath)，在其中放入试样，离子高速撞击试样而完成化学反应蚀刻。
此外，只要能够对铌酸锂膜的至少一个侧面形成粗糙面即可，则不限于任何方法，可以是任意的。
[实施例]
对具有图2所示的光波导2的截面结构的光调制器100，在粗糙面为不同粗糙度Rmax下进行光的传输损耗比较。作为实施例，仅改变粗糙度Rmax，其它的结构均相同。各实施例的粗糙度参数和评价结果如表1所示。
[表1]
Figure BDA0003567499410000101
从表1中可以看出，通过将粗糙度Rmax设为8.6～55nm，光的传输损耗为10.5dB以下，从而可以将光的传输损耗抑制得较小。通过将粗糙度Rmax设为17～40nm，光的传输损耗为8.4dB以下，从而可以将光的传输损耗更进一步地抑制得更小。
虽然以上结合附图和实施例对本发明进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本发明。例如，上述光调制器100的说明中，以第1电极为跳变电极，第2电极为接地电极进行说明。但不限于此，第1和第2电极可以为对光波导施加电场的任意电极，例如，第1电极可以为信号电极，第2电极可以为接地电极，由于光调制器是具有一个信号电极的所谓单驱动型，作为第1电极的信号电极和作为第2电极的接地电极为对称结构，因此施加到第1和第2光波导的电场的大小相等，符号相反。另外，本发明的实施方式也可以适用于不包含电极的各种器件。此外，例如，上述光调制器100的说明中，第1光波导10a的两个侧面101、102均具有粗糙面，但不限于此，也可以是仅侧面101或侧面102的一个面具有粗糙面。
另外，在上述实施方式中，光波导2在基板1的表面上形成为隆起的脊部，但光波导2的形成方式不限于此，也可以是在基板注入离子以形成光波导，例如在铌酸锂单晶基板掺杂Ti以形成光波导2，这些变更也包含在本实施方式内。
另外，在上述实施方式中，列举了包含电极的光调制器的一个例子，但是，本发明当然也可以适用于不包含电极而仅设置有光波导的光学器件，可以应用于光开关、光共振器、光分支电路、传感器元件、毫米波产生器等能够实现光通信或光学测量的功能的任意的电光器件中。在将本发明应用于具有电光效应膜的电光器件的情况下，也可以由电光效应膜来代替光波导。本领域技术人员在不偏离本发明的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本发明进行变形和变化，这些变形和变化均落入本发明的范围内。
符号说明
1…基板；2…光波导；3…保护层；4…电极层；7…第1电极；8…第2电极；10…马赫-曾德尔光波导；10a…第1光波导；10b…第2光波导；10c…分波部；10d…合波部；10i…输入光波导；10o…输出光波导；101…一个侧面；102…另一个侧面。

Claims (11)

1.一种光学器件，其特征在于，
具备：
基板；
光波导，其形成于所述基板；以及
保护层，其邻接于所述光波导而形成，
所述光波导具有与所述基板交叉的多个侧面，
在所述光波导的至少一个所述侧面具有粗糙面。
2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，
所述粗糙面的粗糙度的最大值Rmax为8.6～55nm。
3.根据权利要求2所述的光学器件，其特征在于，
所述粗糙面的粗糙度的最大值Rmax为17～40nm。
4.根据权利要求2或3所述的光学器件，其特征在于，
在所述粗糙面中，在1.5μm×0.2μm的视野中具有2个以上的峰。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光学器件，其特征在于，
所述粗糙面在与所述基板交叉的方向上具有筋。
6.根据权利要求5所述的光学器件，其特征在于，
所述筋为纵筋状。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的光学器件，其特征在于，
所述光波导是由LiNbO3或LiTaO3构成的膜。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的光学器件，其特征在于，
所述光波导是在LiNbO3中掺杂有选自Ti、Mg、Zn、In、Sc、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种元素的膜。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的光学器件，其特征在于，所述光波导是外延膜。
10.根据权利要求9所述的光学器件，其特征在于，
所述外延膜在与所述基板交叉的方向上取向。
11.一种光调制器，其特征在于，
具备：
基板；
光波导，其形成于所述基板；
保护层，其邻接于所述光波导而形成；以及
电极，其经由所述保护层而形成于所述光波导，
所述光波导具有与所述基板交叉的多个侧面，
在所述光波导的至少一个所述侧面具有粗糙面。
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