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CN118409391A - 光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置 - Google Patents

光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置 Download PDF

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CN118409391A
CN118409391A CN202311354724.1A CN202311354724A CN118409391A CN 118409391 A CN118409391 A CN 118409391A CN 202311354724 A CN202311354724 A CN 202311354724A CN 118409391 A CN118409391 A CN 118409391A
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CN
China
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optical waveguide
optical
refractive index
substrate
low refractive
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CN202311354724.1A
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Inventor
平田章太郎
冈桥宏佑
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置，即使在覆盖光波导的低折射率层的宽度变窄的情况下，也防止了低折射率层的剥离。一种光波导元件，在基板上形成有光波导(10)，其特征在于，所述光波导元件设置有：突起部(40)，形成于基板表面；光波导(10)，配置在该突起部的上方，该光波导(10)的宽度比该突起部的一部分的宽度形成得大；及低折射率层(2)，覆盖该光波导，并且以还至少与所述突起部的一部分接触的方式配置，该低折射率层(2)的折射率比该光波导的折射率低。

Description

光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置
技术领域
本发明涉及光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置，特别是涉及在基板上形成有光波导的光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置。
背景技术
在光计测技术领域、光通信技术领域，特别是高速/大容量光纤通信系统中，通过在基板上形成有光波导的光波导元件构成光调制器，多使用装入有该光调制器的光发送装置。近年来，随着信息量的增大，希望长距离间或者城市间、数据中心间使用的光通信的高速化、大容量化。而且，由于也存在由基站的空间产生的限制，因此需要光调制器的高速化及小型化。
在光调制器等光波导元件的小型化中，通过增强光限制效应来减小光波导的弯曲半径，能够小型化，因此光波导的微细化有效。例如，具有电光效应的LiNbO3(以下，称为LN。)在将电信号转换为光信号时，应变少且光损失低，因此被使用作为面向长距离的光调制器。在LN光调制器中，以往的光波导的模场直径(MFD)为左右，弯曲半径大到几十因此难以小型化。
最近，由于研磨技术、贴合技术的提高而LN基板的薄板化成为可能，左右的LN光波导的研究开发不断进展。
另一方面，光纤的MFD为在包含具有比该MFD小的MFD的微细光波导的光波导元件中，使光从元件端面入射时，在直接接合有光纤的情况下会产生大的插入损失。因此，如专利文献1所示，研究了在芯片内设置将低折射率层与LN层组合而成的模斑转换部。
图1是在基板1上形成有光波导10的光波导元件。光波导10是例如在基板1的表面形成有凹凸的肋型波导，以覆盖光波导10的方式配置有低折射率层2(永久抗蚀剂、SiO2层等)。该低折射率层2与光波导10相比折射率低，并由透明的材料构成，因此可期待抑制由肋型波导的表面的粗糙引起的光波的散射的效果。而且，在光波导10的端部配置模斑转换部SSC。
在图1中，以入射光L1与出射光(L21、L22)位于基板1的相同侧面的方式构成，但是入射光与反射光也可以位于相对的侧面。
图2示出图1的由虚线框X表示的模斑转换部SSC的放大图。图2是表示模斑转换部SSC的一例的俯视图，图3和图4分别示出单点划线A-A’、B-B’处的剖视图。将作为光波导10的肋型波导的前端形成为锥状，对应于此，肋型波导的下侧的基板1也形成为锥状。而且，覆盖光波导的低折射率层2的宽度也逐渐缩窄宽度地形成。基板利用的是在保持基板3上直接接合有LN等的薄板的基板、在保持基板3上层叠有LN层的基板。
关于模斑转换部处的MFD，通过调整低折射率层2的宽度而能够得到所希望的MFD。其结果是，能够调整模斑转换部的端部的MFD，减少光插入损失。如图3所示，在低折射率层与光波导10(或基板1)的接合强度低的情况下，随着低折射率层的宽度变窄，两者的密合性下降，产生低折射率层2的剥离、破裂。
图5是图1的虚线框Y中的光波导的放大图，图6示出单点划线E-E’处的剖视图。在覆盖光波导10的低折射率层2的宽度宽的情况下，不太会成为问题，但是仅在光波导10的附近配置低折射率层的情况下，与模斑转换部同样，会产生低折射率层2的剥离的问题。需要说明的是，在图5的两侧配置的标号11的构件表示在形成有光波导10时剩余的基板1的一部分。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2021-162634号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明要解决的课题在于提供一种解决上述那样的问题，即使在覆盖光波导的低折射率层的宽度变窄的情况下，也能防止低折射率层的剥离的光波导元件。此外，在于提供一种使用该光波导元件的光调制器件和光发送装置。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明的光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置具有以下的技术特征。
(1)一种光波导元件，在基板上形成有光波导，其特征在于，所述光波导元件设置有：突起部，形成于基板表面；光波导，配置在该突起部的上方，该光波导的宽度比该突起部的一部分的宽度形成得大；及低折射率层，覆盖该光波导，并且以还至少与所述突起部的一部分接触的方式配置，该低折射率层的折射率比该光波导的折射率低。
(2)在上述(1)所述的光波导元件中，其特征在于，该低折射率层的宽度为5μm以下。
(3)在上述(2)所述的光波导元件中，其特征在于，该低折射率层构成光波导的模斑转换部的一部分。
(4)在上述(1)所述的光波导元件中，其特征在于，在该突起部的两侧形成有凹部，该低折射率层以与该凹部接触的方式配置。
(5)在上述(1)所述的光波导元件中，其特征在于，该突起部的折射率比该光波导的折射率低。
(6)在上述(1)所述的光波导元件中，其特征在于，该基板具有保持基板和形成在该保持基板的上方的薄膜层，该突起部形成于该薄膜层。
(7)一种光调制器件，其特征在于，将上述(1)至(6)中任一项所述的光波导元件收容在壳体内，所述光调制器件具备光纤，该光纤相对于该光波导输入或输出光波。
(8)在上述(7)所述的光调制器件中，其特征在于，所述光波导元件具有控制电极，该控制电极是用于调制在该光波导中传播的光波的调制电极，在该壳体的内部具有电子电路，该电子电路将向该调制电极输入的调制信号放大。
(9)一种光发送装置，其特征在于，具有：上述(8)所述的光调制器件；光源，向该光调制器件输入光波；及电子电路，向该光调制器件输出调制信号。
发明效果
本发明涉及一种光波导元件，在基板上形成有光波导，其中，所述光波导元件设置有：突起部，形成于基板表面；光波导，配置在该突起部的上方，该光波导的宽度比该突起部的一部分的宽度形成得大；及低折射率层，覆盖该光波导，并且以还至少与所述突起部的一部分接触的方式配置，该低折射率层的折射率比该光波导的折射率低，因此，能够增大光波导与低折射率层的接触面积，能够提高两者的密合性。而且，以向光波导的下表面侧旋入的方式配置低折射率层，发挥锚定效果，能够有效地抑制低折射率层的剥离。
此外，通过使用具备这样的优异的特性的光波导元件，也能够提供发挥同样的效果的光调制器件、光发送装置。
附图说明
图1是表示光波导元件的一例的俯视图。
图2是表示图1的虚线框X的模斑转换部的一例的俯视图。
图3是表示图2的单点划线A-A’处的现有例的剖视图。
图4是表示图2的单点划线B-B’处的现有例的剖视图。
图5是表示图1的虚线框Y的光波导的一例的俯视图。
图6是表示图5的单点划线E-E’处的现有例的剖视图。
图7是表示本发明的光波导元件的一例的、图2的单点划线A-A’处的剖视图。
图8是表示本发明的光波导元件的一例的、图2的单点划线B-B’处的剖视图。
图9是表示本发明的光波导元件的一例的、图5的单点划线E-E’处的剖视图。
图10是表示本发明的光波导元件的第二实施例的剖视图。
图11是表示本发明的光波导元件的第三实施例的剖视图。
图12是表示本发明的光波导元件的第四实施例的剖视图。
图13是表示本发明的光波导元件的第五实施例的剖视图。
图14是表示本发明的光波导元件的一例的、图2的单点划线C-C’处的剖视图。
图15是表示本发明的光波导元件的第六实施例的剖视图。
图16是表示本发明的光波导元件的第七实施例的俯视图。
图17是图16的单点划线D-D’处的剖视图。
图18是说明图11所示的实施例的各部分的尺寸的图。
图19是表示本发明的光发送装置的一例的图。
标号说明
1形成光波导的基板(薄板、膜体)
2低折射率层
3电介质层
4形成突起部的层(薄膜层)
10光波导(肋型光波导)
40～43、45突起部
F光纤
LD光源
CA壳体
MD光调制器件
DRV驱动电路
DSP数字信号处理器
OTA光发送装置
具体实施方式
以下，关于本发明的光波导元件，使用优选例进行详细说明。
图7至9示出表示本发明的光波导元件的一例的剖视图。图7是与图2的单点划线A-A’对应的剖视图，图8是与图2的单点划线B-B’对应的剖视图，图9是与图5的单点划线E-E’对应的剖视图。
本发明的光波导元件是在基板上形成有光波导10的光波导元件，其特征在于，该光波导元件设置有：突起部40，形成于基板表面；光波导10，配置在该突起部的上方，且该光波导10的宽度比该突起部的一部分的宽度形成得大；及低折射率层2，覆盖该光波导，并且以还至少与所述突起部的一部分接触的方式配置，该低折射率层2的折射率比该光波导的折射率低。
作为本发明的光波导元件使用的基板，可以利用具有电光效应的基板，具体而言，可以使用铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)，PLZT(锆钛酸铅镧)等的基板、在上述的基板材料中掺杂了MgO等的基材。而且，也可以将上述的材料利用溅射法、蒸镀法或CVD法等气相生长法进行膜形成。而且，也可以使用将具有电光效应的基板接合于另一基板之后，对电气光学基板进行了薄膜加工的基板(薄板)。此外，也可以利用半导体基板、EO聚合物等有机材料的基板等。
形成有光波导的基板1为了提高机械强度而在基板1的下侧接合保持基板。基板1与保持基板3直接接合或经由树脂等粘结层粘结固定。作为进行直接接合的保持基板，优选折射率比光波导、形成有光波导的基板低，但是没有限定于此。需要说明的是，在直接接合时，根据需要，可以在接合界面形成SiO2等的薄膜。
在保持基板的折射率比基板1的折射率高的情况下，在基板1与保持基板之间设置折射率比基板1低的层。而且，保持基板优选利用热膨胀率与基板1接近的材料，例如包含水晶或玻璃等的氧化物层的基板。此外，也可以利用与基板1相同的LN基板或硅基板、以及简称为SOI、LNOI的在硅基板上形成有氧化硅层的复合基板或在LN基板上形成有氧化硅层的复合基板。
本发明中的“基板”不仅仅是指形成光波导的基板1，在通过薄板或薄膜构成基板1的情况下，上述那样的保持基板或包含形成后述的突起部的层而称为“基板”。
作为光波导10的形成方法，可以利用对光波导以外的基板1进行蚀刻或在光波导的两侧形成槽等使基板的与光波导对应的部分成为凸状的肋型波导。此外，也可以对应于肋型的光波导而利用热扩散法或质子交换法等使Ti等向基板表面扩散，由此进一步提高折射率。作为肋型波导的尺寸，为了提高光的限制而成为1μm左右的宽度、高度的微细的形状。光波导10可以是将光波导以外的基板1全部除去的通道型波导，也可以是保留有一部分的肋型波导。本发明中的“肋型”的说明也包含通道型而称为“肋型”。
光波导的截面的形状在肋型中可以采用四边形、梯形、三角形、半圆等各种形状。例如，在图7所示那样的三角波导的底边的两个角度比90度小的情况下，三角形沿横向增大，因此容易保持TE模式。
在向光调制器等光波导10施加电场的情况下，在光波导10上或与之接近地形成控制电极(未图示)。控制电极包括向光波导施加调制信号的调制电极、施加DC偏压的DC偏压电极。控制电极的形成方法通过溅射法、蒸镀法等形成基底电极，然后通过镀敷法形成为具有厚度的电极。
本发明的光波导元件的特征在于，如图7至9所示，将光波导10形成于突起部40之上。并且，将光波导10的宽度比突起部40的一部分的宽度构成得大，由此提高覆盖光波导的低折射率层与光波导的密合性，此外，通过光波导与突起部的组合能够产生锚定效果。
形成突起部40的薄膜层4可以利用SiO2等的薄膜层。为了形成突起部40，在形成了成为突起部的薄膜层之后，形成成为光波导的薄板或薄膜层，在形成了光波导10之后，通过湿刻等在薄膜层4形成突起部40。因此，只要是蚀刻速度比构成光波导的材料快且折射率比构成光波导的材料低的材料(例如，SiO2或Al2O3)，就可以使用作为薄膜层4的材料。
构成突起部的材料的折射率优选比构成光波导10的材料的折射率低。而且，在低折射率层2构成模斑转换部的一部分的芯部的情况下，构成突起部的薄膜层4的折射率更优选为比低折射率层2低的折射率。当然，除了模斑转换部以外，薄膜层4的折射率可以比低折射率层2高。
作为以覆盖光波导的方式配置的低折射率层2，优选使用将光致抗蚀剂等树脂材料的一部分残留在基板上的永久抗蚀剂。可以使用光致抗蚀剂能使用的酚醛清漆树脂。低折射率层2优选折射率比光波导10低且透明性比光波导10高，具有抑制光波导10的表面的粗糙度引起的传播光的散射的效果的结构。而且，优选存在向突起部40形成的间隙进入的流动性，几乎没有由固化引起的膨胀，收缩也少的材料。
通常，低折射率层2的宽度越窄，与包含光波导10的基板的密合性越下降。特别是在光波导10的宽度设定为1μm左右的情况下，如果将低折射率层2的宽度设定为其数倍，例如5μm以下，则光波导与低折射率层的密合性下降，成为在光波导元件的制造工序或使用过程中容易剥离的原因。特别是在模斑转换部使用低折射率层2的情况下，低折射率层自身构成光波导的一部分，因此对应于MFD而设定为例如5μm以下，进而3μm以下的宽度。
需要说明的是，本发明不仅使用于模斑转换部的低折射率层，而且在覆盖光波导10的低折射率层中也优选能够利用于低折射率层的宽度窄的部分。
图10至13示出图7所示的光波导部分的另一实施例。
在图10中，突起部41的侧面成为倒“ハ”字。图11是突起部42的侧面成为曲线形状的“ハ”字的图，在突起部的一部分形成有缩颈的图。在图10及图11的光波导元件中，与图7所示的宽度恒定的情况相比，与低折射率层的接触面积增大，锚定效果也提高。
图12在突起部43的两侧形成有凹部44，低折射率层2以与该凹部接触的方式配置。而且，在图13中，在突起部45的两侧形成有凹部46，并且使该凹部46的内表面成为曲面。如图12及图13那样通过凹部(44、46)能够使与低折射率层2接触的接触面积进一步增加。而且，如图13所示，通过曲面构成凹部的内表面，由此能够缓和低折射率层2例如在热固化时的收缩或膨胀引起的内部应力的产生。
图14是图2的单点划线C-C’处的剖视图，在锥状的前端部分也对应于突起部地形成有凹部47，由此也能够抑制光波导10(基板1)的端部处的低折射率层2的剥离。
图15是在光波导10的一部分(主要是上侧部分)配置SiO2膜作为散射抑制膜5，并以覆盖该散射抑制膜5的方式配置低折射率层2的图。由SiO2形成的散射抑制膜5与由永久抗蚀剂构成的低折射率层的密合性差，但是由于低折射率层以覆盖光波导10及突起部40的方式配置，因此通过锚定效果能够抑制低折射率层2的剥离。
图16及图17是说明在基板端部附近配置的加强构件的粘结的情形的图。图17示出图16的单点划线D-D’处的剖视图。配置覆盖光波导10的低折射率层2，在其上经由粘结层6配置加强构件7。夹着模斑转换部地保留LN层的一部分11，使用薄膜层4在LN层11的下部也设置向LN层的内侧进入的突起部48，由此，不仅增加粘结层6与薄膜层4的接触面积，而且通过LN层11的锚定效果也能够防止粘结层的剥离。
图18是以图11所示的实施例为参考而表示各部的尺寸的图。根据光波导元件自身的尺寸、形成于基板的光波导的形状等，能适当调整尺寸。特别是在模斑转换部，光波导10等的宽度也根据场所而不同，因此各部的尺寸具有一定的幅度。
例如，光波导10的宽度a在模斑转换部以外为3μm以下，通常设定为1μm左右。在模斑转换部内，由LN层等构成的光波导10的宽度a在3μm以下，更优选1μm以下的范围内变化。
覆盖光波导10的低折射率层2的宽度d除了模斑转换部以外，在4～50μm的范围内适当设定。高度he设定为2～5μm左右。但是，在将低折射率层2利用作为模斑转换部的构成部分的情况下，对应于其高度而设定为例如3μm左右的高度。模斑转换部的低折射率层2的宽度d根据使用场所而设定为1～10μm的范围。特别是宽度d为5μm以下的情况下，为了防止低折射率层2的剥离，使用本发明的突起部的结构不可或缺。
构成突起部的薄膜层4考虑突起部的高度h而设定为例如5μm以下的厚度。突起部的高度只要能够确保低折射率层2的永久抗蚀剂进入的间隙即可，例如，设定为10～500nm的范围。
突起部的形状为了产生锚定效果，突起部的顶部的宽度b相对于光波导的宽度a的比b/a优选设为90％以下。而且，为了使突起部稳定地支承光波导10，突起部的底部的宽度c的比c/b为100％以上，比c/a也优选为100％以上。
接下来，说明将本发明的光波导元件适用于光调制器件或光发送装置的例子。以下，使用高带宽相干驱动调制器(HB-CDM：HighBandwidth-Coherent Driver Modulator)的一例进行说明，但是本发明并不局限于此，也可以适用于光相位调制器、具备偏振合成功能的光调制器或集成有更多或更少的马赫-曾德尔型光波导的光波导元件、与由硅等其他材料构成的光波导元件接合的接合器件、传感器用途的器件等。
如图19所示，光波导元件具有形成于光波导基板1的光波导10和调制在该光波导10中传播的光波的调制电极等控制电极(未图示)，收容于壳体CA内。此外，通过设置将光波向光波导输入输出的光纤(F)而能够构成光调制器件MD。在图19中，光纤F使用具备光学透镜的光学块或透镜镜筒、偏振波合波部OB等与光波导元件内的光波导10进行光学耦合。并不局限于此，也可以将光纤经由贯穿壳体的侧壁的贯穿孔向壳体内导入，将光学元件或基板与光纤直接接合，或者将在光纤端部具有透镜功能的光纤与光波导元件内的光波导进行光学耦合。而且，为了稳定地进行与光纤或光学块的接合，也可以沿着光波导基板1的端面将加强构件(未图示)重叠配置。
将输出使光调制器件MD进行调制动作的调制信号So的电子电路(数字信号处理器DSP)与光调制器件MD连接，由此构成光发送装置OTA。为了得到向光波导元件施加的调制信号S，需要将从数字信号处理器DSP输出的调制信号So放大。因此，在图19中，使用驱动电路DRV，将调制信号放大。驱动电路DRV、数字信号处理器DSP可以配置在壳体CA的外部，但是也可以配置在壳体CA内。特别是通过将驱动电路DRV配置在壳体内，能够进一步减少来自驱动电路的调制信号的传播损失。
向光调制器件MD输入的输入光L1可以从光发送装置OTA的外部供给，但是也可以如图19所示将半导体激光(LD)设为光源。由光调制器件MD调制后的输出光L2通过光纤F向外部输出。
工业实用性
如以上说明所述，根据本发明，能够提供一种即使在覆盖光波导的低折射率层的宽度变窄的情况下也防止了低折射率层的剥离的光波导元件。而且，能够提供一种使用该光波导元件的光调制器件和光发送装置。

Claims (9)

1.一种光波导元件，在基板上形成有光波导，其特征在于，
所述光波导元件设置有：
突起部，形成于基板表面；
光波导，配置在该突起部的上方，该光波导的宽度比该突起部的一部分的宽度形成得大；及
低折射率层，覆盖该光波导，并且以还至少与所述突起部的一部分接触的方式配置，该低折射率层的折射率比该光波导的折射率低。
2.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
该低折射率层的宽度为5μm以下。
3.根据权利要求2所述的光波导元件，其特征在于，
该低折射率层构成光波导的模斑转换部的一部分。
4.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
在该突起部的两侧形成有凹部，该低折射率层以与该凹部接触的方式配置。
5.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
该突起部的折射率比该光波导的折射率低。
6.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
该基板具有保持基板和形成在该保持基板的上方的薄膜层，该突起部形成于该薄膜层。
7.一种光调制器件，其特征在于，
将权利要求1～6中任一项所述的光波导元件收容在壳体内，
所述光调制器件具备光纤，该光纤相对于该光波导输入或输出光波。
8.根据权利要求7所述的光调制器件，其特征在于，
所述光波导元件具有控制电极，该控制电极是用于调制在该光波导中传播的光波的调制电极，
在该壳体的内部具有电子电路，该电子电路将向该调制电极输入的调制信号放大。
9.一种光发送装置，其特征在于，具有：
权利要求8所述的光调制器件；
光源，向该光调制器件输入光波；及
电子电路，向该光调制器件输出调制信号。
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