CN102792198A - 光波导元件 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种光波导元件，其能够抑制MZ型波导的合波部中的不需要的高次模的激发、实现输出光的稳定化、并高效地导出放射模式光。在基板上形成有马赫-曾德尔型波导的光波导元件中，向该马赫-曾德尔型波导的射出侧的合波部（13）输入的2个波导（11、12）的倾角为0度，该合波部合波后的波导是多模波导，从该合波部输出的波导由3分支波导构成，该3分支波导由输出主波导（14）和夹着该输出主波导的2个输出副波导（15、16）构成。

Description

光波导元件
技术领域
本发明涉及一种光波导元件，尤其涉及一种在基板上形成了马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)型波导的光调制器或光开关等光波导元件。
背景技术
在光通信领域、光测量领域中，在铌酸锂（LN）、半导体材料等的基板上具有构成了马赫-曾德尔型（MZ型）构造的光波导的强度调制器、光开关被广泛使用。
MZ型构造的光调制器具有沿着MZ型波导配置的调制电极，通过施加到该调制电压的施加电压，改变MZ型波导的分支波导（臂部）间的光相位，通过射出侧的合波部中的干扰现象，控制光的导通/关断（ON/OFF）。
作为合波部构造最简单、制造最容易的MZ型构造，列举在合波部具有Y分支构造的情况。在Y分支构造的波导中，输入到合波部的光的相位在各臂部之间相等时，光被引导到输出波导，当相位为相反相位时，从Y构造放射光，从而进行导通/关断动作。
此时，由LN、半导体材料等构成的基板的厚度为在光波导中传播的光波的波长的15倍以下、例如20μm以下时，基板的厚度的尺寸和光波导的尺寸成为相同程度，从Y分支构造放射出的光将基板自身视为平板波导而在输出波导附近传播。因此，作为关断光（OFF光）的放射模式光混入到输出波导而发生串扰现象，从而产生光波导元件的导通/关断消光比特性劣化的问题。
为解决该问题，在专利文献1中公开了下述技术：如图1所示，MZ型波导的合波部使用XY耦合器，从而防止基板的平板波导化，提高光波导元件的特性。在图1中，MZ型构造由输入波导1、分支波导2（6）、3（7）及输出波导8构成。在分支波导的一部分设置调制部4、5。在专利文献1中，用于导出放射模式光的波导9及10设置在合波部。此外，虚线箭头表示光波的传播方向。
专利文献1所示的现有技术，如图2所示，构成为波导交叉以使合波部的束腰（A）为单模。在该构造中，交叉部中的弯折性较大，从而在合波部中输入光会激发不需要的高次模，在合波后光产生晃动。结果使输出的消光比劣化、导通光输出和关断光输出的互补性消失。这样一来，例如在将关断光成分用于MZ型调制器的直流偏压监控控制时，即使使用关断光（放射模式光）设定了适当的偏压点，在导通光输出侧也变为不适当的偏压状态，存在无法获得作为调制器的最佳输出特性的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利说明书第5,627,929号
发明内容
发明要解决的课题
本发明提供一种光波导元件，其能够解决上述问题，抑制MZ型波导的合波部中的不需要的高次模的激发、实现输出光的稳定化，并高效地导出放射模式光。
用于解决课题的手段
为解决上述课题，技术方案1的发明是一种光波导元件，在基板上形成有马赫-曾德尔型波导，其特征在于，向该马赫-曾德尔型波导的射出侧的合波部输入的2个波导的倾角是0度，该合波部合波后的波导是多模波导，从该合波部输出的波导由3分支波导构成，该3分支波导由输出主波导和夹着该输出主波导的2个输出副波导构成。
技术方案2的发明的特征是，在技术方案1所述的光波导元件中，该基板的厚度为在波导中传播的光波的波长的15倍以下。
技术方案3的发明的特征是，在技术方案1或2所述的光波导元件中，输出的该3分支波导中，该输出副波导的宽度小于该输出主波导的宽度。
技术方案4的发明的特征是，在技术方案1至3的任意一项所述的光波导元件中，在同一基板上形成多个该马赫-曾德尔型波导，从该马赫-曾德尔型波导输出的至少一个该输出副波导与其他波导交叉时，相对于其他波导以3度以上的角度倾斜。
发明效果
根据技术方案1的发明，在基板上形成有马赫-曾德尔型波导的光波导元件中，向该马赫-曾德尔型波导的射出侧的合波部输入的2个波导的倾角是0度，该合波部合波后的波导是多模波导，从该合波部输出的波导由3分支波导构成，该3分支波导由输出主波导和夹着该输出主波导的2个输出副波导构成，因此，可抑制合波部中产生不需要的高次模光，可抑制该高次模光进入到输出主波导、输出光晃动等问题。并且，通过输出副波导，还能够稳定地仅导出放射模式光。
根据技术方案2的发明，基板的厚度为在波导中传播的光波的波长的15倍以下，因此，基板作为平板波导发挥作用，从而放射到基板内的光波会在基板内传播而容易与光波导再耦合。但是，通过将技术方案1所述的发明适用于该基板，就可以提供一种能够抑制光波、尤其是高次模光从光波导向基板内的放射、输出特性稳定的光波导元件。
根据技术方案3的发明，输出的3分支波导中，输出副波导的宽度小于输出主波导的宽度，因此可将单模光引导到输出主波导，将高次模光引导到输出副波导，使两者高效地分离。
根据技术方案4的发明，在同一基板上形成多个马赫-曾德尔型波导，从该马赫-曾德尔型波导输出的至少一个输出副波导与其他波导交叉时，相对于其他波导以3度以上的角度倾斜，因此，能够抑制在该输出副波导中传播的高次模光与其他波导耦合，能够稳定地导出高次模光，并且也不会使在其他波导中传播的光波不稳定。
附图说明
图1是表示光波导元件的现有例的图。
图2是图1的合波部的放大图。
图3是表示本发明的光波导元件中的合波部的概要的图。
图4是表示本发明的光波导元件的第1实施例的图。
图5是表示本发明的光波导元件的第2实施例的图。
图6是表示本发明的光波导元件中的具有多个马赫-曾德尔型波导的例子的图。
具体实施方式
以下详细说明本发明的光波导。
如图3所示，本发明的光波导元件在基板上形成有马赫-曾德尔型波导，其特征在于，向该马赫-曾德尔型波导的射出侧的合波部（13）输入的2个波导（11、12）的倾角为0度，该合波部合波后的波导是多模波导，从该合波部输出的波导由3分支波导构成，该3分支波导由输出主波导（14）和夹着该输出主波导的2个输出副波导构成。
如图3所示，通过将分支波导11及12平行配置等构成，使输入到合波部13的2个波导的倾角为0度，并且通过多模波导构成合波部，从而可抑制合波部中产生不需要的高次模光。结果是，不会产生不需要的高次模光进入到输出主波导14、输出光晃动等问题。并且，通过输出副波导15及16，可稳定地仅导出放射模光。
此外，本发明中的“2个波导的倾角是0度”并非完全指的是仅为0度的情况，即便是在设计上产生些许倾斜等情况时，在本发明的效果奏效的范围内，也包含在本发明的范围内。
作为本发明中利用的基板，可利用电介质基板、使用了具有电光效果的材料的基板，例如可使用铌酸锂、钽酸锂、PLZT（锆钛酸铅镧）及石英类的材料、以及组合了这些材料的基板。尤其是，优选使用电光效果强的铌酸锂（LN）结晶。
作为在基板上形成光波导的方法，可通过使Ti等以热扩散法、质子交换法等扩散到基板表面而形成。并且，也可使用脊状波导，其是通过对光波导以外的基板进行蚀刻或在光波导两侧形成槽等，而使基板中和光波导对应的部分为凸起状。
在光调制器等光波导元件中，在基板上形成信号电极、接地电极等调制电极。该电极可通过Ti/Au的电极图案的形成及镀金方法等形成。进一步，可根据需要在光波导形成后的基板表面设置电介质SiO2等缓冲层，在缓冲层上形成调制电极。
在基板薄板化时，元件整体的机械强度下降，因此将加强板接合到基板。加强板所使用的材料可使用各种材料，例如除了使用和薄板同样的材料外，也可使用石英、玻璃、氧化铝等介电常数比薄板低的材料，或者使用具有和薄板不同的结晶取向的材料。但如果选择线膨胀系数和薄板同等的材料，则可使相对于温度变化的光调制器的调制特性稳定，因此优选使用。如果同等的材料的选择较困难，则对接合薄板和加强板的粘接剂选择具有和薄板同等的线膨胀系数的材料。
薄板和加强板的接合中，作为粘接剂可使用环氧类粘接剂、热硬化型粘接剂、紫外线硬化性粘接剂、焊锡玻璃、热硬化性、光硬化性或光增粘性的树脂粘接剂片等各种粘接材料。并且，也可不使用粘接剂，而通过直接接合法直接粘贴薄板和加强板。
本发明中使用的基板的厚度设定为在波导中传播的光波的波长的15倍以下（例如，利用具有1.55μm波长的光波时，基板厚度为约20μm以下），基板容易作为平板波导发挥作用。在该条件下，放射到基板内的光波在基板内传播，容易与光波导再耦合。然而，即便是利用了该基板的光波导元件，通过采用本发明的构成，也能够提供抑制了光波、尤其是高次模光从光波导向基板内的放射、并且输出特性稳定的光波导元件。
使用图4至图6说明本发明的光波导元件的实施例。
图4（a）表示光波导元件的MZ型波导的包含合波部的部分的形状，图4（b）表示图4（a）的虚线B部分的波导的概要。
输入到图4（a）所示的合波部22的2个波导由MZ型波导的分支波导20及21构成。区间α的波导由图4（a）所示的曲线部分（左侧部分）和与该曲线部分平滑连接的直线部分（图4（b）所示的长度L1的部分）构成。分支波导20及21的前端部分连接到合波部22，在连接的正前方部分，如图4（b）所示具有长度L1的平行的直线部分以使2个波导的倾角为0度。此外，平行的直线部分的倾角优选完全是0度，但如果有0.1度以下的误差，则作为可望具有与本发明同样的效果的范围而被允许。
平行的直线部分的长度L1确保使在分支波导中传播的光波的行进方向彼此平行所需的长度。例如，优选为100μm以上。此外，当L1的长度较长时，在光波导中传播的光波的串扰现象会在平行波导部分产生，而在到达合波部前产生相互干扰的问题，因此长度L1优选500μm以下。
基板的厚度为10μm左右时，图4（b）所示的输入侧的波导宽度W1是作为单模的3~8μm。输出侧的波导（输出主波导）23的宽度W6也同样设定成作为单模的3~8μm。
输入侧的波导20、21的间隔W2优选在可能的范围内变窄以使在2个波导中传播的光波适当地合波，需要设定为至少1μm以下。另一方面，若间隔W2变窄，则合波部的波导的制造重现性明显下降，因此间隔W2优选设定为0.5μm以上。考虑以上情况，间隔W2例如设定为0.8μm左右。
合波部（区间β）22的宽度W3设定为输入侧波导的宽度W1的2倍以上以成为多模。合波部的波导的长度L2为10~500μm，从而可实现特性良好的波导构造。
合波部的形状可采用图4（a）所示的梯形、图4（b）所示的长方形等各种形状，设定成在合波部的输入侧的连接部与分支波导平滑地连接、在合波部的输出侧与输出副波导平滑地连接。
3分支波导由输出主波导23和输出副波导24、25构成。输出副波导的宽度W4是比输出主波导的宽度W6小的波导宽度，例如为1~6μm左右。并且设定成在输出副波导中仅传播高次模光。并且，输出副波导和输出主波导所成的角度θ1，为了降低3分支波导侧的弯折度，优选为2度以下的角度。并且，和输入侧波导的连接一样，可使输入部的倾角为0度、与输出主波导平行地设定。并且，也可是正弦波函数、三次函数等能够仅将从合波部出来的部分设定为0度的函数形状。
对于输出主波导23和输出副波导24（25）之间的间隔W5，为了可适当地分离单模和多模，而优选在可能的范围内较窄，需要设定为至少1μm以下。另一方面，间隔W5变窄时，合波部的波导的制造重现性明显下降，因此间隔W2优选设定为0.5μm以上。考虑以上情况，间隔W5例如设定为0.8μm左右。
图5表示使输入到合波部32的输入侧的波导30、31的端部为能够将与合波部32连接时的倾角设定为0度的正弦波函数、三次函数等的函数形状。除此以外可和图4同样地设定。此外，图5（b）表示图5（a）的虚线C的部分的放大图。
在即将与合波部32连接前的分支波导30及31中，光波的传播方向（图5（b）的右方）和分支波导所成的角度连续变化。基本上只要该角度在分支波导和合波部的连接部分为0度即可，但当该角度剧烈变化时，合波部32中在2个波导中传播的光波存在无法适当合波的情况，因此在合波部的正前方的部分（长度L1’的部分），设置该角度为0.1度以下的区间，优选该区间的长度L1’设定为100μm以上、500μm以下。
通过使输入侧的波导和合波部的连接状态为图4、图5的形状，可抑制不需要的高次模的激发，可提高输出的消光比、导通光和关断光的光输出间的互补性。
接下来，对如图6所示在同一基板上形成多个MZ型波导（40、41）的情况进行说明。此时，存在输出副波导横切其他波导的情况，例如，图6（a）的输出副波导42如图6（b）所示，与其他输出副波导43、输出主波导44交叉。
这样一来，当多个光波导交叉时，容易发生在一个波导中传播的光波向另一个波导移动的串扰现象。在本发明中，为防止该串扰，设定成使光波导交叉的角度θ2为3度以上的倾角。尤其是，高次模光具有容易与其他光波导耦合的倾向，所以对于传播高次模光的输出副波导，优选将交叉角必须设定为3度以上。
产业利用性
如上所述，根据本发明，可提供一种能够抑制MZ型波导的合波部中的不需要的高次模的激发、实现输出光的稳定化、并且高效地导出放射模式光的光波导元件。
符号说明
11、12、20、21、30、31分支波导
13、22、32合波部
14、23、33输出主波导
15、16、24、25、34、35输出副波导

Claims (4)

1.一种光波导元件，在基板上形成有马赫-曾德尔型波导，其特征在于，
向该马赫-曾德尔型波导的射出侧的合波部输入的2个波导的倾角是0度，
该合波部合波后的波导是多模波导，
从该合波部输出的波导由3分支波导构成，该3分支波导由输出主波导和夹着该输出主波导的2个输出副波导构成。
2.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，该基板的厚度为在波导中传播的光波的波长的15倍以下。
3.根据权利要求1或2所述的光波导元件，其特征在于，输出的该3分支波导中，该输出副波导的宽度小于该输出主波导的宽度。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的光波导元件，其特征在于，在同一基板上形成多个该马赫-曾德尔型波导，从该马赫-曾德尔型波导输出的至少一个该输出副波导与其他波导交叉时，相对于其他波导以3度以上的角度倾斜。
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