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CN118732154A - 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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CN118732154A
CN118732154A CN202311394746.0A CN202311394746A CN118732154A CN 118732154 A CN118732154 A CN 118732154A CN 202311394746 A CN202311394746 A CN 202311394746A CN 118732154 A CN118732154 A CN 118732154A
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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，即使在如SiN波导、TFLN的肋型光波导那样折射率差减少的情况下也能够以低损失进行两者间的光转移。光波导元件具有：第一基板(1)，具有第一光波导(10)和低折射率层(11)，低折射率层覆盖第一光波导且由折射率比第一光波导低的材料构成；及第二基板(2)，接合于第一基板，并由具有电光效应的材料构成，具有作为第二光波导的肋型光波导(20)，第一光波导和第二光波导具有相互光学耦合的部分，其中，在俯视观察光波导元件时，在第一光波导与第二基板重叠的交界部，在第二基板形成凸部(23)，凸部处的第二基板的厚度比第二光波导处的第二基板的厚度薄。

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，特别是涉及将形成有第一光波导的第一基板与形成有作为第二光波导的肋型光波导的第二基板接合，将该第一光波导与该第二光波导相互光学耦合的光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置。
背景技术
近年来，在作成光通信用等的光波导元件时，在光波导中使用Si波导(参照非专利文献1)。Si波导由于使用CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺，因此存在可伸缩性，在低成本化方面优异，而且也能够装入基于Ge/Si的受光元件。另一方面，作为缺点，在可视光域无法使用，相位调制也使电流向Si波导流动来进行等调制控制变得困难。
因此，作为替代技术，研讨了将氮化硅(SiN)、Thin Film LiNbO3(TFLN、薄膜LN)设为光波导芯的新的平台(参照非专利文献2、3)。为了光功能的集成，光源、相位调制、接收、光合成/分离(功率合成/分支、波长合成/分离、偏振波合流/分离等)成为必须。最适合于这些结构的材料各不相同，因此使异种材料集成化的方法正在发展。
在异种材料接合中，也可以使用外延来形成。近年来，使用将表面平坦化的材料接合的直接接合法，由此能实现使用无法外延生长的材料的组合的光功能集成。其中，开发出通过使氮化硅(SiN)波导与TFLN集成而使光合成/分离与相位调制集成化的元件。
在非专利文献4中，在TFLN上形成SiN波导，由此不将LN加工成波导而实现相位调制。与单片TFLN调制器(参照非专利文献2)相比，该方法由于光波导的光限制弱，因此弯曲半径为几百μm左右较大，驱动电压(Vπ)也大。然而，未对作为难加工性(干刻困难)材料的LiNbO3(LN)进行加工，而对加工容易的SiN进行加工，由此确保生产性。
另一方面，提出将使用Si的光调制器的相位调制部分置换为LN等的利用了电光效应的相位调制，由此同时实现与以往的LN同样的相位调制和Si波导的易加工性、量产性、小型化的方案(参照非专利文献5)。Si的折射率为约3.45，远高于LN的约2.14。当使Si波导的尺寸增大时，作为光波导，光限制效应更高，能够使光分布仅偏向Si波导内，难以受到处于Si波导附近的其他的材料的结构变化产生的光散射等的影响。其结果是，能够抑制在包含Si波导的基板上配置的TFLN基板的端部处的光损失。
图1是表示在包含Si波导等第一光波导10的第一基板1上将包含第二光波导20的TFLN等第二基板2重叠配置的例子的俯视图。图2的(a)～(c)表示图1的单点划线A-A、B-B、C-C处的剖视图。需要说明的是，第一光波导10为芯部，由通过折射率比构成该光波导的材料低的材料构成的低折射率层11(包层部)覆盖。而且，为了维持机械强度，第一光波导根据需要而由保持基板12支承。第二光波导20使用使第二基板的一部分比其周边高的肋型光波导。
在如图1那样俯视观察光波导元件时，在第一光波导10与第二基板2重叠的交界部(第二基板的边缘部)设置扩宽了第一光波导的宽度的部分100，提高光限制效应，抑制由第二基板2的边缘部的影响造成的光损失。
另外，Si波导与TFLN波导之间的光转移通过减小高折射率侧的Si波导的截面尺寸而使光分布扩大，使光波向TFLN波导转移。其结果是，Si波导与TFLN波导之间的光转移能够成为低损失(参照非专利文献6)。因此，进入第二基板的下侧的第一光波导101如图1所示，在与第二光波导20重叠的位置处将光波导的宽度缩窄成锥状。
Si波导的问题点是，由于在1.1μm以下的波长下为不透明，因此会产生无法使用的情况，而且，也会产生两光子吸收等现象，因此无法输入高强度的光。
因此，能够提供通过使SiN波导与TFLN组合而能够使用至可视域且能够进行基于在LN光调制器中使用的电场强度的变化的相位调制的光波导元件。当然，SiN的干刻加工技术也确立，因此与Si波导同样地生产性也高。
然而，SiN的折射率为约2.00，也接近LN的折射率(约2.14)。因此，在TFLN的边缘部处即使增大作为第一光波导的SiN波导的尺寸，也会受到TFLN的影响。而且，关于作为第一光波导的SiN波导与作为第二光波导的TFLN的肋型光波导20之间的光转移，也难以单纯地适用Si波导使用的结构。例如，也可考虑将肋型光波导20的周围尽可能除去而变薄，或者缩窄第二基板2的宽度尺寸的方法，但是需要高加工精度，会招致制造涉及的成本增大、成品率的下降。
而且，为了如图2的(c)所示那样的在第一基板1之上且在作为第二基板的TFLN形成肋型光波导20，如图3的(a)所示，在第一基板1接合了第二基板2之后，如图3的(b)那样，以覆盖形成第二光波导的位置、第一基板1的不想要被蚀刻的部分的方式形成抗蚀剂图案PR1。
特别是在第一光波导配置于附近的TFLN的边缘部，抗蚀剂材料以覆盖(悬垂)于边缘部的方式配置。假设作为第一光波导的Si波导、SiN波导的一部分因蚀刻而损伤时，会成为大的光损失。
其结果是，如图3的(c)所示，在TFLN的边缘部形成与肋型光波导20相同高度的凸部22。图4是俯视观察的图，凸部22形成于包含与第一光波导10(100)交界的交界部的第二基板2的边缘部。图5是图4的单点划线D-D处的剖视图。
关于凸部22的影响，在第一光波导为Si波导的情况下，通过扩宽了光波导的宽度的部分100的结构，能够提高光限制效应而抑制光损失，但是在第一光波导为SiN波导的情况下，仅是扩宽了宽度的部分100的结构的话，难以消除该问题。
在先技术文献
非专利文献
非专利文献1：Yikai Su等，"Silicon Photonic Platform for PassiveWaveguide Devices:Materials,Fabrication,and Applications",Advanced MaterialsTechn ologies.1901153(2020)
非专利文献2：Abdul Rahim等，"Expanding the Silicon Photonics PortfolioWith Silicom Nitride Photonic Integrated Circuits",Journal of LightwaveTechnol ogy,Vol.35,No.4,pp639(2017年2月15日)
非专利文献3：Mian Zhang等，"Integrated Lithium Niobate Electro-optic Modulators:When performance meets scalability",Optica,Vol.8,No.5,pp652(2021)
非专利文献4：Sean Nelan等，"Ultra-high Extinction Dual-output Thin-film Lithium Niobate Intensity Modulator",arXiv:2207.02608v1(2022年7月6日)
非专利文献5：Shihao Sun等，"Hybrid Silicon and Lithium Niobate Modulator",IEEE Jounal of selected topics in Quantum Electronics,Vol.27,No.3,pp3300112(2021年5月/6月)
非专利文献6：Peter O.Weigel等，"Bonded Thin Film Lithium Niobate Modulator on a Silicon Photonics Platform Exceeding 100GHz3-dB ElectricalModulati on Bandwidth",Optics Express,Vol.26,No.18,pp.23728(2018年9月3日)
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，即使在如SiN波导、TFLN的肋型光波导那样两者的折射率差减少的情况下也能够以低损失进行两者间的光转移的光波导元件。进一步，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，具有：第一基板，具有第一光波导和低折射率层，该低折射率层覆盖该第一光波导且由折射率比该第一光波导低的材料构成；及第二基板，接合于该第一基板，并由具有电光效应的材料构成，具有作为第二光波导的肋型光波导，该第一光波导和该第二光波导具有相互光学耦合的部分，所述光波导元件的特征在于，在俯视观察该光波导元件时，在该第一光波导与该第二基板重叠的交界部，在该第二基板形成凸部，该凸部处的该第二基板的厚度比该第二光波导处的该第二基板的厚度薄。
(2)在上述(1)记载的光波导元件中，其特征在于，该凸部处的该第一光波导的光波的传播方向的长度为2μm以下。
(3)在上述(1)记载的光波导元件中，其特征在于，该交界部处的该第一光波导的宽度设定成比位于该交界部的前段或后段的该第一光波导的宽度宽。
(4)在上述(1)记载的光波导元件中，其特征在于，该第一光波导与该第二光波导之间的折射率之差为0.8以下。
(5)在上述(4)记载的光波导元件中，其特征在于，该第一光波导由SiN构成，该第二基板由铌酸锂构成。
(6)一种光调制器件，其特征在于，将上述(1)至(5)的任一记载的光波导元件收容于壳体内，所述光调制器件具备光纤，该光纤相对于该第一光波导输入或输出光波。
(7)在上述(6)记载的光调制器件中，其特征在于，在该第二基板具有调制电极，该调制电极用于对在该第二光波导中传播的光波进行调制，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。
(8)一种光发送装置，其特征在于，具有：上述(7)记载的光调制器件；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
本发明具有第一基板和第二基板，所述第一基板具有第一光波导和低折射率层，该低折射率层覆盖该第一光波导且由折射率比该第一光波导低的材料构成，所述第二基板接合于该第一基板，并由具有电光效应的材料构成，具有作为第二光波导的肋型光波导，该第一光波导和该第二光波导具有相互光学耦合的部分，其中，在俯视观察该光波导元件时，在该第一光波导与该第二基板重叠的交界部，在该第二基板形成凸部，该凸部处的该第二基板的厚度比该第二光波导处的该第二基板的厚度薄，因此，能够抑制由于第二基板的边缘部而产生的第一光波导的光损失。由此，能够提供一种即使在如SiN波导、TFLN的肋型光波导那样两者的折射率差少的情况下也能够以低损失进行两者间的光转移的光波导元件，进一步，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。
附图说明
图1是表示光波导元件的一例的俯视图。
图2是图1的光波导元件的剖视图。图2的(a)是单点划线A-A处的剖视图，(b)是单点划线B-B处的剖视图，(c)是单点划线C-C处的剖视图。
图3是表示光波导元件的制造工艺的一部分的图，特别是示出在第二基板2形成凸部22的情形。
图4是图3的(c)所示的光波导元件的俯视图。
图5是图4的单点划线D-D处的剖视图。
图6是表示本发明的光波导元件的一例的俯视图。
图7是图6的单点划线D-D处的剖视图。
图8是表示本发明的光波导元件涉及的制造工艺的一部分(其1)的图。
图9是表示本发明的光波导元件涉及的制造工艺的一部分(其2)的图。
图10是说明本发明的光波导元件中的使两个光波导光学耦合的例子的图。
图11是表示光的传播方向上的两个光波导中的有效折射率变化的一例的图。
图12是说明在SiN波导的上侧装载有TFLN时的模拟模型的图。
图13是表示SiN波导的宽度与TFLN的厚度的关系的坐标图。
图14是表示将SiN波导的高度(厚度)设为恒定时的SiN波导与TFLN的间隔、TFLN的厚度的变化引起的重叠积分(Loss)的变化的图。
图15是说明SiN波导与肋型光波导(TFLN)之间的光转移的模拟模型的图。
图16是表示波长变化中的光损失的变化的坐标图。
图17是说明评价TFLN的边缘部的凸部的影响的模拟模型的图。
图18是表示TFLN的凸部的影响的图。
图19是说明使用构成多个光波导元件(芯片)的晶圆的制造工艺的一部分的图。
图20是说明在光调制器的作用部使用第二基板(TFLN)的光波导元件的制造工艺的一部分的图。
图21是表示本发明的光发送装置的一例的图。
标号说明
1第一基板
10第一光波导(SiN)
11 低折射率层
12 保持基板
2第二基板(TFLN)
20第二光波导(肋型光波导)
23 凸部
24 剥离层
25 保持构件
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。
如图6及7所示，本发明的光波导元件具有：第一基板1，具有第一光波导10和低折射率层11，该低折射率层11覆盖该第一光波导10且由折射率比该第一光波导低的材料构成；及第二基板2，接合于该第一基板1，由具有电光效应的材料构成，具有作为第二光波导的肋型光波导20，所述光波导元件具有该第一光波导10与该第二光波导20相互光学耦合的部分，其特征在于，在俯视观察该光波导元件时，在该第一光波导与该第二基板重叠的交界部，在该第二基板形成凸部23，该凸部23处的该第二基板2的厚度比该第二光波导20处的该第二基板2的厚度薄。
在本发明的光波导元件中，作为第一光波导，以SiN波导为中心进行说明，作为第二基板，以TFLN为中心进行说明，但是本发明没有限定为这些材料。例如也可以使用Si波导作为第一光波导。但是，本发明的光波导元件能够更优选使用于第一光波导使用的材料与第二光波导使用的材料的折射率差少的情况。例如，当考虑SiN的折射率为1.5～2.0的范围，LN的折射率为2.1～2.3的情况时，更优选在折射率差为0.8以下的情况下使用本发明。以下，以使用SiN的情况为中心进行说明，但是在纯粹的SiN的情况下，根据密度能够将折射率调整为1.5～2.0，但是密度稀疏的膜由于水分混入而折射率等容易变化。因此，本发明的SiN也可以包含能够调整组分的氮氧化硅(SiON)。
图6是表示本发明的光波导元件的一例的俯视图，图7是图6的单点划线D-D处的剖视图。在通过SiN波导形成第一光波导10的情况下，在第一光波导(芯部)配置SiN，以覆盖其周围的方式通过折射率比芯部的SiN低的材料形成包层部。第一基板1例如通过SiN形成光波导的芯部，通过SiO2形成覆盖芯部10的包层部11。将该包层部11称为低折射率层。
在本发明中，将包含第一光波导10的基板称为第一基板1，但是第一基板不仅包含第一光波导10和将该第一光波导10覆盖的低折射率层11，而且可以包含用于提高基板整体的机械强度的保持基板12。作为保持基板，可以使用Si、SiO2。
接合于第一基板1的第二基板2利用具有电光效应的材料即铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、PLZT(锆钛酸铅镧)等的薄板。以下，以TFLN为中心进行说明。
在第二基板2的表面形成有肋型光波导20作为第二光波导。第一光波导10与第二光波导具有如图6所示在俯视观察时相互重叠的部分，利用该部分在第一光波导与第二光波导之间进行光波的转移。关于重叠部分的形状，在后文详细叙述。
作为本发明的光波导元件的特征，如图6所示，在俯视观察光波导元件时，在第一光波导10与第二基板2重叠的交界部，在该第二基板2形成凸部23。并且，如图7所示，该凸部23处的第二基板2的厚度比第二光波导20处的该第二基板2的厚度薄。需要说明的是，在图6中，凸部23的形成部分仅形成于第一光波导10的附近的第二基板的边缘部，但是并不局限于此，例如，可以如图10所示在第二基板的边缘部整体形成凸部23。
在本发明的光波导元件中，为了抑制由于凸部23使在第一光波导10中传播的光波散射的情况而降低该凸部23的高度。至少通过设定成比第二光波导20的高度低而抑制光损失的产生。而且，关于第一光波导10的一部分且配置于凸部23的下侧的部分，与其他的部分相比，通过提高有效折射率，增强光限制，能够降低凸部引起的光波的散射。具体而言，如图6的标号100所示，将光波导的宽度设定得宽。在本说明书中，用标号10表示第一光波导，用标号100表示在第二基板的边缘部附近变得宽幅的部分，用标号101表示位于第二基板的下侧的第一光波导的部分。
进一步，关于凸部23的形状，凸部23处的第一光波导10的光波的传播方向的长度优选设为2μm以下。通过设定为这样的范围能够进一步抑制光损失。关于详情，在后文叙述。
接下来，使用图8及图9，说明本发明的光波导元件涉及的制造工艺。需要说明的是，以下的光波导元件使用SiN波导和TFLN。
(步骤1)
准备图8的(a)的下侧图示的包含SiN波导的第一基板1。SiN101被低折射率层11覆盖，并被保持基板12支承。
(步骤2)
准备约0.5μm厚左右的TFLN作为第二基板2。TFLN经由剥离层24粘贴于保持构件25。作为具体的剥离层的材料，可列举WOx等。
(步骤3)
将SiN波导(第一基板)与TFLN(第二基板)接合(参照图8的(a)及(b))。接合方法可以是直接接合，也可以是树脂粘接，但是在图8的(b)中，记载为直接接合。关于直接接合，也记载在非专利文献6中。
(步骤4)
通过适当的药液等对剥离层24进行侧蚀刻(参照图8的(c))。在通过药液对WOx进行侧蚀刻的情况下，蚀刻液为氨水和过氧化氢水混合液等比较妥当。而且，在利用干刻进行侧蚀刻的情况下，也可以使用SF6、XeF2等氟系气体作为蚀刻气体。此时，侧蚀刻量任意，但是优选为剥离层24的厚度以上。
(步骤5)
在上述的样品形成适当的加工抑制膜PR2(参照图9的(d))。膜形成所需的事项要求具有台阶覆盖性的成膜方法。具体而言，是溅射成膜，将“台阶覆盖＝最薄部膜厚/平坦部膜厚”(最薄的部分的膜厚相对于平坦部的膜厚之比)设定为0.5左右。通常，真空蒸镀的台阶覆盖为0附近，但是通过提高成膜时压力而能够提高台阶覆盖。在将后述的干刻耐性高的材料使用于成膜的情况下，台阶覆盖优选比0.5小。
在加工抑制膜PR2使用的材料中，可列举在TFLN加工时能得到适当的选择比的材料，在对剥离层进行侧蚀刻时不会被同时除去的材料。具体而言，在剥离层为WOx的情况下，优选使用Cr等。而且，在TFLN加工后，在仍保留加工抑制膜的状态下也能够进行商品化。在该情况下，作为膜材料，不发生光吸收的情况、折射率比SiN、LN低的情况成为追加条件。作为具体的加工抑制膜的材料，可以为Al2O3、SiO2、HfO2、GeO2等。但是，根据TFLN的干刻条件而加工抑制膜的材质不同，因此没有限定为上述材料。加工抑制膜PR2的厚度需要在TFLN波导形成时的加工中未被加工至不仅包括SiN波导(SiN)而且包括以SiN为芯部且作为包层部发挥功能的低折射率层11的一部分的范围的内侧的厚度。只要带有TFLN的边缘部的上部的加工抑制膜PR2的厚度即可，优选在TFLN波导形成后TFLN的基板2露出的状态。
(步骤6)
通过适当的药液等将剥离层24除去，将保持构件剥离(参照图9的(e))。也可以通过步骤4中使用的药液进行剥离。
(步骤7)
向在含有SiN波导101的基板(101、11、12)接合有TFLN的基板“带有TFLN的SiN波导基板”涂布抗蚀剂，形成抗蚀剂图案PR3。对于SiN波导101进行图案的对位。在此，抗蚀剂PR3不需要覆盖(悬垂)于TFLN(第二基板2)的外周部。抗蚀剂PR3是保护TFLN的抗蚀剂，是用于在TFLN形成肋型光波导20的抗蚀剂(参照图9的(f))。例如，在如图3的(b)那样悬垂的情况下，位于抗蚀剂PR3之下的第二基板的厚度与肋型光波导20处的第二基板的厚度相同。到目前为止，作为本发明的光波导元件的特征的、使第二基板的边缘部的凸部的高度比肋型光波导低的情况变得困难。
(步骤8)
以抗蚀剂图案PR3为掩模，对TFLN进行干刻，由此在TFLN形成肋型光波导20(参照图9的(g))。TFLN的边缘部的加工抑制膜PR2的膜厚比SiN波导上的膜厚薄，因此在TFLN波导形成后，LN有时会露出。该状态形成“TFLN肋型光波导20的厚度”>“TFLN的凸部23的厚度”>“TFLN加工部分21的厚度”的大小关系，从抑制光波导的光损失的观点出发也成为优选的状态。
图10的(a)是表示通过上述的制造工艺作成的光波导元件的一部分的俯视图。成为加工抑制膜PR2残留在TFLN的凸部23的外侧的状态。而且，凸部23的厚度比肋型光波导20的厚度薄，比主要被加工的加工部21厚。进一步，即使在使用光限制弱的SiN波导10的情况下，光在TFLN的边缘部附近发生散射的情况也与Si波导相同。因此，SiN波导10的一部分使用光限制强的波导宽度(100)。
从SiN波导10向TFLN的肋型光波导20的光转移通过将SiN波导宽度设为连续缩窄的锥状10A而使有效折射率下降，通过另一方的TFLN的肋型光波导20相反地设为连续变宽的锥状20A而提升有效折射率。并且，两者的有效折射率相等，由此进行光转移。
在图10的(b)的实施例中，成为考虑了制造公差的结构，即使SiN波导10与肋型光波导20的相互的位置关系在附图的左右方向上稍微偏离的情况下也能够进行稳定的光转移。图11示出具体的光波导的宽度的变化。如图11那样，在TFLN的肋型光波导20的锥部20B处，SiN波导10是有效折射率不会变化的恒定宽度的光波导10B，通过使各波导的有效折射率交叉，能够确保低损失光转移和制造公差。
以下，说明在SiN波导与TFLN的肋型光波导之间用于实现低损失的光转移的具体的设计条件。
首先，如图12的(a)所示，可考虑从中途将TFLN2装载于SiN波导10的结构。在使光向SiN波导入射时，在TFLN2的边缘部，折射率急剧地变化，因此光发生散射。此时的损失根据图12的(b)和图12的(c)的折射分布通过波导的光的重叠积分能够算出。
将SiN波导厚度(h)固定为0.5μm，将SiN波导宽度(w)、SiN波导与TFLN的间隔(d)及TFLN的厚度(t)设为在以下的数值范围内变化的参数，计算了TFLN装载产生的光损失的结果为图13。其中，以波长1.55μm，TE模式进行了计算。
w＝0.4～1.6μm
d＝0.1～0.5μm
t＝0.05～0.25μm
根据图13，SiN波导与TFLN的间隔d越大，则SiN波导与TFLN的相互作用越小，因此光损失越小。同样，TFLN的厚度t越小，则光损失越小。应注意的点是当增大SiN波导宽度w时，光损失下降，当成为1.2μm以上时，成为恒定值。
因此，图14示出将SiN波导宽度w固定为1.4μm，将t和d设为参数时的光损失(重叠积分)的等高线。
在将TFLN装载产生的光损失规定为0.1dB以下的情况下，如果通过直线来近似图14的0.1dB的线，则以下的关系式成立。
t≤0.29d+0.072
其中，SiN膜设为非计量比组分(SiNx、x≠1.33)，或者通过改变密度能够改变折射率。进一步，LN也不仅可以为非计量比组分，而且通过杂质掺杂(Mg、Zn等)能够进行折射率调整。因此，上述式成立的条件是SiN膜为计量比组分，LN仅为一致熔融组分。
接下来，考虑向TFLN附加了肋型结构的状态。说明在SiN波导10与TFLN的肋型光波导20的光连接中使用定向耦合器的情况。
图15的(a)示出模拟的结构的立体图。图15的(b)是该结构的俯视图，也记载有各波导的尺寸记号。将SiN波导的光入射部的宽度SiN_w1＝0.8μm固定，将被装载的TFLN的边缘部处的SiN波导宽度增粗为SiN_w2＝1.4μm。这是为了抑制TFLN边缘处的光损失。由于将TFLN装载的内侧的SiN波导宽度减细至SiN_w3而成为在SiN波导中传播的光受到TFLN的影响的状态。
关于上部的TFLN的肋型光波导20，将与SiN波导10(101)相互作用的区域的长度设为DC_L，将肋型波导的宽度设为LN_w1。然后，通过将肋型光波导20的宽度增粗至LN_w2＝1.0μm而将光限制在波导内。图15的(c)及(d)分别示出图15的(b)的单点划线E-E和F-F处的剖视图。将SiN波导的厚度固定为h＝0.5μm，将上部包层厚度设为d。TFLN的厚度LN_t＝0.5μm对应于肋型结构芯部的厚度。
另外，被加工成肋型结构的部位的TFLN的残存厚度是t。
在该结构中，图16的(a)示出固定为SiN_w3＝1.0μm，LN_w1＝0.75μm，d＝0.3μm，t＝0.1μm并以DC_L为参数进行计算而得到的结果。计算时使用的参数如表1所示。
【表1】
参数表
符号 值 含义
SiN_w1 0.8μm 入射SiN波导宽度
SiN_w2 1.4μm TFLN装载交界部的SiN波导宽度
SiN_w3 1.0μm 定向耦合部的SiN波导宽度
DC_L 8.0μm 定向耦合器的耦合长度
LN_w1 0.75μm 定向耦合部的TFLN肋型波导宽度
LN_w2 1.0μm 输出侧的TFLN肋型波导宽度
d 0.3μm SiN波导与TFLN肋型波导宽度的间隔
h 0.5μm SiN波导厚度
LN_t 0.5μm TFLN肋型波导厚度
t 0.1μm TFLN肋型波导残存膜厚
图16的(a)的纵轴是出射光量(从TFLN的肋型光波导射出的出射光的光量)除以入射光量(向SiN波导入射的入射光的光量)的值。耦合长度设为DC_L＝8.0μm，由此可知透射率成为95％(0.2dB)。作为参考，图16的(b)示出耦合长度DC_L＝8.0μm时的波长依存性(1500～1600nm)。
进一步，可考虑在TFLN的边缘部形成有凸部的情况。图17的(a)示出模拟的结构的立体图，图17的(b)示出俯视图，图17的(c)示出俯视图的单点划线G-G处的剖视图。图15使用的尺寸记号在图17中也相同，差异点仅是TFLN的边缘部的凸部23不同。该凸部如图17的(c)记载那样通过光传播的方向的长度LN_L和厚度LN_h来记述。
图18示出在该结构中，将图15使用的参数(表1)固定，以LN_h和LN_L为参数进行了光损失计算的结果。在将光损失的上限设为0.5dB的情况下，成为LN_h＜0.17μm或LN_L＜1.2μm。进一步，在光损失的上限为1.0dB的情况下，成为LN_h＜0.21μm或LN_L＜2.0μm。即，凸部23处的SiN波导的光波的传播方向的长度优选为2μm以下。
以上，以芯片等级说明了SiN波导与TFLN的接合。本发明使用的制造工艺也能够通过晶圆等级实现。需要说明的是，以下的各步骤的编号与图8及9的制造工程的步骤的编号相关联。
(步骤1)
准备包含SiN波导的基板。
(步骤2-1)
如图19的(a)那样，准备带有剥离层24的TFLN2。
(步骤2-2)
如图19的(b)那样，在TFLN的成为边缘的部位形成贯穿孔。优选在MEMS中使用的Si深挖加工、激光加工等。
(步骤2-3)
如图19的(c)那样，将对TFLN2进行支承的保持构件25的不需要的部位通过适当的方法(干刻、激光加工、切割等机械加工)除去。
(步骤3)
如图19的(d)那样，对上述晶圆进行了清洗后，与带有SiN波导的晶圆贴合。此时，将TFLN的边缘调整成来到SiN波导的宽度宽的部位(参照图6的标号100)。
(步骤4)
如图19的(e)那样，经由贯穿孔进行剥离层24的侧蚀刻。
(步骤5)
成膜出加工抑制膜PR2。(参照图9的(d))
(步骤6)
使剥离层24完全剥离。(参照图9的(e))
(步骤7、8)
成膜出难加工件PR3，进行肋型光波导20、凸部23等的加工(参照图9的(f)及(g))。然后进行电极形成。
根据上述的制造工艺，可知能够以晶圆等级制造本发明的光波导元件。
接下来，说明在将本发明的光波导元件使用作为光调制器时，仅在马赫-曾德尔型光波导的作用部(电极的电场作用于光波导的部分)使用TFLN的方法。
(步骤1)
如图20的(a)那样，准备SiN波导10。
(步骤2、3)
如图20的(b)那样，将带有TFLN2的基板(包含保持构件、剥离层。称为“带有TFLN的基板”)与形成有SiN波导10的基板(包含低折射率层11)贴合。此时，SiN波导的宽度宽的部位100的长度成为相对于“带有TFLN的基板的尺寸”和“贴合精度”的制造公差。
(步骤4、5、6)
对剥离层进行侧蚀刻，如图20的(c)那样，成膜出加工抑制膜PR2。除去剥离层，将保持构件剥离。
(步骤7)
如图20的(d)那样，对抗蚀剂(难加工件)PR3进行成图。成图时的对位对于肋型光波导的形成位置、通过形成SiN波导的基板应保护的部分实施。
(步骤8)
如图20的(e)那样，对TFLN进行加工，将加工抑制膜PR2、难加工件PR3除去。虽然记载了在MZ结构的上下形成有凹陷部RC的状态，但是该部位由于没有波导，因此即使加工也没有问题。
然后，形成电极等。
接下来，说明将本发明的光波导元件应用于光调制器件、光发送装置的例子。以下，使用高带宽相干驱动调制器(HB-CDM:High Bandwidth-Coherent Driver Modulator)的一例进行说明，但是本发明并不局限于此，也可以应用于光相位调制器、具备偏振波合成功能的光调制器、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21所示，光波导元件具有由SiN波导10、肋型光波导20构成的光波导以及对在肋型光波导20中传播的光波进行调制的调制电极等控制电极(未图示)，收容于壳体CA内。进一步，通过设置相对于光波导输入输出光波的光纤(F)，能够构成光调制器件MD。在图21中，光纤F使用具备光学透镜的光学块、透镜镜筒、偏振波合波部OB等与光波导元件内的SiN波导10光学耦合。并不局限于此，可以将光纤经由贯穿壳体的侧壁的贯穿孔向壳体内导入，将光学部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光学耦合。而且，为了稳定地进行与光纤、光学块的接合，可以沿着包含SiN波导的基板(包含低折射率层11)的端面重叠配置加强构件(未图示)。偏振波合成部OB通过将非专利文献3记载的波导结构应用于SiN波导而能够将空间系统置换为波导，能够抑制制造、构件成本。
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)连接于光调制器件MD，由此能够构成光发送装置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21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既可以配置在壳体CA的外部，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21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如SiN波导、TFLN的肋型光波导那样两者的折射率差减少的情况下也能够低损失地进行两者间的光转移的光波导元件。进一步，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 (8)

1.一种光波导元件，具有：
第一基板，具有第一光波导和低折射率层，该低折射率层覆盖该第一光波导且由折射率比该第一光波导低的材料构成；及
第二基板，接合于该第一基板，并由具有电光效应的材料构成，具有作为第二光波导的肋型光波导，
该第一光波导和该第二光波导具有相互光学耦合的部分，所述光波导元件的特征在于，
在俯视观察该光波导元件时，在该第一光波导与该第二基板重叠的交界部，在该第二基板形成凸部，该凸部处的该第二基板的厚度比该第二光波导处的该第二基板的厚度薄。
2.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
该凸部处的该第一光波导的光波的传播方向的长度为2μm以下。
3.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
该交界部处的该第一光波导的宽度设定成比位于该交界部的前段或后段的该第一光波导的宽度宽。
4.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
该第一光波导与该第二光波导之间的折射率之差为0.8以下。
5.根据权利要求4所述的光波导元件，其特征在于，
该第一光波导由SiN构成，该第二基板由铌酸锂构成。
6.一种光调制器件，其特征在于，
将权利要求1～5中任一项所述的光波导元件收容于壳体内，
所述光调制器件具备光纤，该光纤相对于该第一光波导输入或输出光波。
7.根据权利要求6所述的光调制器件，其特征在于，
在该第二基板具有调制电极，该调制电极用于对在该第二光波导中传播的光波进行调制，
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。
8.一种光发送装置，其特征在于，具有：
权利要求7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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