CN106662766A - 光波导元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够将光附加损耗抑制得较低的光波导元件。本发明的光波导元件具备：基板，具有电光效应；光波导(1)，形成于该基板；及控制电极，用于控制在该光波导内传播的光波，且具有信号电极(2)及接地电极(3、4)，其中，该信号电极(2)在该光波导1上配置该信号电极(2)的交叉部分具有狭窄部，在所述狭窄部中，该信号电极(2)的宽度比该交叉部分的前后窄。

Description

光波导元件
技术领域
本发明涉及一种光波导元件，特别是与光波导的一部分相邻而形成有电极的光波导元件。
背景技术
近年来，在光通信或光测量领域中多用波导型光调制器等光波导元件，所述波导型光调制器在具有电光效应的基板上形成有光波导，并且形成有用于控制在光波导内传播的光波的控制电极。
这种光波导元件中的控制电极成为以由接地电极夹着信号电极的方式配置的结构，关于其形状提出了各种发明(例如，参考专利文献1、2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-242592号公报
专利文献2：日本专利第4771451号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
例如，在形成有光波导的基板上形成有信号电极的X切割的铌酸锂(LN)光调制器中，由于信号电极的配线的限制，需要使信号电极与光波导在局部交叉，因此在局部产生信号电极以横跨光波导上的方式配置的部位。
图1是表示在现有的光波导元件中产生信号电极与光波导的交叉的部位的例子的图。图1的例子中，被2个接地电极3、4夹着的均匀宽度的信号电极2以横跨光波导1的方式配置。
当在具有电光效应的基板上直接形成控制电极时，在产生控制电极与光波导的交叉的部位，控制电极直接形成于光波导上。控制电极由金等金属材料形成，金属材料作为在光的波长下具有复折射率的物质而起作用。因此，控制电极对波导作为具有复折射率的包覆层而发挥作用，因此会吸收掉在光波导中传播的光，导致产生光的附加损耗。
尤其是在具备多个马赫-曾德尔(MZ)光波导的MZ集成型光波导元件的情况下，在光波导上配置信号电极的部位较多，光波导与信号电极重叠的面积变大，因此光附加损耗变得更大。另外，由MZ光波导形成的MZ干渉仪中，为了实现较高的ON/OFF消光比，需要以合波前的各光波导的光功率变相等的方式将光附加损耗最大的光波导作为基准来调整损耗，因此存在元件整体的光附加损耗变大的课题。
为了防止上述光附加损耗，利用了如下方法：在形成波导之后的基板表面设置电介质SiO2等的缓冲层，并在该缓冲层的上侧形成控制电极。通过将该缓冲层的厚度设为0.3μm以上、更优选设为0.5μm以上，能够防止上述光附加损耗。然而，通过形成缓冲层，在该控制电极控制在该光波导中传播的光波的区域中电场的施加效率降低，因此产生调制器的驱动电压变高的课题。并且，还可以考虑仅在产生该信号电极与该光波导的交叉的部位形成缓冲层的方法，但利用实施了图案化的缓冲层得到优质膜在制作方面是非常困难的，并且由于因图案化膜所引起的不均匀的薄膜应力的影响，光波导元件的偏置点变动等也成为问题。
本发明所要解决的课题在于解决上述问题，并提供一种既能够实现低驱动电压也能够将光附加损耗抑制得较低的光波导元件。
用于解决技术课题的手段
为了解决上述课题，本发明的光波导元件具有如下技术特征。
(1)一种光波导元件，其具备：基板，具有电光效应；光波导，形成于该基板；及控制电极，用于控制在该光波导内传播的光波，且具有信号电极及接地电极，所述光波导元件的特征在于，该信号电极在该光波导上配置该信号电极的交叉部分具有狭窄部，在所述狭窄部中，该信号电极的宽度比该交叉部分的前后窄。
(2)上述(1)所述的光波导元件的特征在于，隔着该狭窄部的该接地电极的间隔与在该狭窄部的前后隔着该信号电极的该接地电极的间隔大致相同。
(3)上述(1)或(2)所述的光波导元件的特征在于，该狭窄部的宽度为该交叉部分的前后的宽度的0.75倍以下。
(4)上述(1)至(3)中任一项所述的光波导元件的特征在于，该狭窄部的长度为在该光波导内传播的光波的模场直径的1.5倍以上。
(5)上述(1)至(4)中任一项所述的光波导元件的特征在于，该信号电极的宽度朝向该狭窄部逐渐变窄。
(6)上述(1)至(5)中任一项所述的的光波导元件的特征在于，在该交叉部分中，该信号电极的中心线与该光波导的中心线交叉的角度为45度以上且90度以下。
发明效果
通过本发明，信号电极在该光波导上配置该信号电极的交叉部分具有狭窄部，在所述狭窄部中，该信号电极的宽度比该交叉部分的前后窄，因此既能够实现低驱动电压，也能够将光附加损耗抑制得较低。
附图说明
图1是表示在现有的光波导元件中产生信号电极与光波导的交叉的部位的例子的图。
图2是表示本发明所涉及的光波导元件的基板中的配线结构的例子的图。
图3是表示在本发明所涉及的光波导元件中产生信号电极与光波导的交叉的部位的例子的图。
图4是表示在本发明所涉及的光波导元件中产生信号电极与光波导的交叉的部位的例子的图。
图5是表示本发明所涉及的光波导元件中的传播特性的模拟结果的例子的图。
图6是表示本发明所涉及的光波导元件中的反射特性的模拟结果的例子的图。
图7是表示在本发明所涉及的光波导元件中产生信号电极与光波导的交叉的部位的例子的图。
图8是表示在本发明所涉及的光波导元件中产生信号电极与光波导的交叉的部位的例子的图。
图9是表示在本发明所涉及的光波导元件中产生信号电极与光波导的交叉的部位的例子的图。
具体实施方式
以下，对本发明所涉及的光波导元件进行详细说明。
本发明所涉及的光波导元件具备：基板，具有电光效应；光波导，形成于该基板；及控制电极，用于控制在该光波导内传播的光波，且具有信号电极及接地电极，所述光波导元件的特征在于，该信号电极在该光波导上配置该信号电极的交叉部分具有狭窄部，在所述狭窄部中，该信号电极的宽度比该交叉部分的前后窄。
基板例如可以利用铌酸锂、铌酸钽、钽酸锂、PLZT(锆钛酸铅镧)、以及石英类材料及它们的组合。尤其是优选利用在X切割的基板中电光效应较高的铌酸锂或铌酸钽。
光波导例如能够通过利用热扩散法或质子法等使Ti等扩散至基板表面而形成。
并且，控制电极例如能够通过Ti/Au的电极图案的形成及镀金法等而形成。
图2是表示本发明所涉及的光波导元件的基板中的配线结构的例子的图，并联配置有4条马赫-曾德尔光波导，通过构成控制电极的信号电极2与未图示的接地电极协同动作而对光波导1施加电场，由此控制在光波导1内传播的光波。
信号电极2可以区分为控制在光波导1内传播的光波的作用部a及连接于作用部a的配线部b、c，配线部b、c上，在局部产生以信号电极2横跨光波导1上的方式配置的部位(例如，图中的A处的交叉部分)。
图3是表示在本发明所涉及的光波导元件中产生信号电极与光波导的交叉的部位的例子的图。该图中，将信号电极2的宽度构成为在与光波导1的交叉部分的区域急剧变窄的结构。
图4是表示在本发明所涉及的光波导元件中产生信号电极与光波导的交叉的部位的另一例的图。该图中，使信号电极2的宽度以朝向与光波导1的交叉部分的区域缓慢变窄的方式连续地变化。
图3、图4中，被2个接地电极3、4夹着的信号电极2在配置于光波导1上的交叉部分都具有狭窄部，在所述狭窄部中，信号电极2的宽度比该交叉部分的前后窄。因此，配置于光波导1上的信号电极2的面积比现有例(图1)小，因此能够将由信号电极2的影响引起的光附加损耗抑制得较低。
尤其是在多个马赫-曾德尔光波导集成的光波导元件中，信号电极2配置于光波导1上的交叉部分增多，因此基于本发明的效果较大。
在此，所谓交叉部分包含信号电极2与光波导1实际交叉的(重叠的)区段和其附近的区段(信号电极2对光波导1的光附加损耗带来影响的区段)。图3、图4中，信号电极2中的以光波导1为中心的L_str的长度的区段(比光波导1的宽度稍宽的区段)相当于信号电极2与光波导1的交叉部分。
并且，所谓交叉部分的前后是信号电极2的宽度成为信号电极2的配线的基本宽度W_hot的部分。
并且，在交叉部分设有狭窄部，在所述狭窄部中，将信号电极2的宽度设为比其前后窄的(小于基本宽度W_hot的)W_str。
另外，如图3那样，在信号电极2的宽度急剧变化的不连续结构的情况下，高频信号的反射特性和传播特性的劣化令人担忧。因此，从高频特性的观点考虑，优选如图4那样为信号电极2的宽度缓慢变窄的锥形。
并且，图3、图4中，使信号电极2的宽度在狭窄部和其前后直线性变化，但也可以使其曲线性变化。即，例如可以代替图4中的直线形状的中间部而设置呈能够连续微分的曲线形状且缓慢变窄的中间部。
并且，可以如图4那样，不使信号电极2的轮廓带棱角而使从具有信号电极2的基本宽度W_hot的部位至狭窄部为止的信号电极2的宽度曲线性变化。
在此，本例中，当使控制电极(信号电极2及接地电极3、4)与光波导1交叉时，通过设为在光波导1上直接重叠形成控制电极的结构来实现低驱动电压，但也可以考虑在形成光波导1之后的基板表面设置电介质SiO2等的缓冲层并在该缓冲层的上侧形成控制电极的结构。在该情况下，通过将缓冲层设为3μm以下并适用本发明，能够抑制驱动电压的上升，且能够将光附加损耗抑制得较低。另外，控制电极的高频特性会根据缓冲层的有无及缓冲层的厚度发生变化，但通过相应地调整具有电光效应的基板的厚度，能够实现高频特性的最优化。尤其是在无缓冲层或厚度为0.3μm以下的情况下，通过将该基板的厚度设为几10μm以下，能够将控制电极的有效折射率调整为最优值，且同时还能够得到减薄基板厚度而产生的驱动电压降低效果。
并且，如上所述，仅在控制电极相对于光波导1靠近至亚微米级程度时才产生光附加损耗。因此，例如可以仅在与基板或缓冲层接触的信号电极2下部适用狭窄部，而信号电极2上部的电极宽度设为比下部宽的电极形状。在该情况下，只要是具有信号电极2下部的电极宽度比交叉部分的前后窄的狭窄部的结构，就能够产生本发明的效果。并且，与信号电极2上部的宽度和信号电极2下部的宽度相等的情况相比，信号电极2的表面积较宽，电信号的电场密度相对稀疏，高频传播损失降低，因此除了本发明的效果以外，在高频特性方面也有利。
接着，对信号电极2的狭窄部的宽度及长度的要件进行说明。
以下，作为信号电极2的狭窄部的宽度及长度，如图3、图4中以W_str、L_str所示，使用信号电极2的宽度变窄的部分且其宽度大致恒定的部分的宽度及长度。并且，作为信号电极2的狭窄部前后的宽度，使用W_hot。一般而言，W_hot为10～50μm左右。
为了降低光附加损耗，优选信号电极2的狭窄部的宽度较窄且较长，但高频特性的劣化令人担忧，因此需要将这些适当地进行设定。
就信号电极2的狭窄部的宽度而言，从降低光附加损耗的观点考虑，狭窄部的宽度越窄越有效，优选W_str/W_hot≤0.75即狭窄部的宽度W_str为交叉部分前后的基本宽度W_hot的0.75倍以下。并且，为了方便制造，优选信号电极2的狭窄部的宽度为5μm以上。
优选信号电极2的狭窄部的长度为λ/10＝c/(10nf)以下的长度，以避免高频的影响。在此，c为光速，f为信号频率，n为行进波电极的有效折射率。并且，若将光电场分布假定为高斯分布，则光能的99.7％进入在光波导1内传播的光波的模场直径的1.5倍的范围内，因此优选信号电极2的狭窄部的长度为模场直径的1.5倍以上。
并且，如图8所示，从阻抗匹配方面考虑，优选以接地电极3与信号电极2的间隔和接地电极4与信号电极2的间隔大致恒定的方式设为接地电极3、4的间隔在信号电极2的狭窄部变窄的结构。然而，有时接地电极4的高频的GND电流难以流动，高频特性会劣化。为了抑制该劣化，可以如图3、图4所示，设为接地电极3、4的间隔在信号电极2的狭窄部和其前后大致相同的结构。通过设为这种结构，能够得到良好的高频特性，而且能够将制造上的困难性抑制得较低。因此可以说，从抑制制造成本的观点考虑，优选使接地电极3、4的间隔大致恒定的结构。
接着，对本发明所涉及的光波导元件的高频特性的模拟结果进行说明。
图5是表示传播特性的模拟结果的例子的图。并且，图6是表示反射特性的模拟结果的例子的图。
在此，针对将信号电极的狭窄部的前后的宽度(W_hot)设为10～50μm的情况，使用3维电磁场分析模拟器计算出传播特性及反射特性。
图5及图6中，将在信号电极2设置下述(条件1)～(条件7)的狭窄部时的模拟结果与在信号电极2未设置狭窄部时的模拟结果(Ref)进行比较并示出。
(条件1)W_str/W_hot＝0.72，L_str＝5μm
(条件2)W_str/W_hot＝0.72，L_str＝10μm
(条件3)W_str/W_hot＝0.72，L_str＝15μm
(条件4)W_str/W_hot＝0.44，L_str＝5μm
(条件5)W_str/W_hot＝0.44，L_str＝10μm
(条件6)W_str/W_hot＝0.44，L_str＝15μm
(条件7)W_str/W_hot＝0.14，L_str＝15μm
如图5所示，关于传播特性，在(条件1)～(条件7)下，均与在信号电极2未设置狭窄部的情况大致相同。并且，如图6所示，关于反射特性，在(条件1)～(条件7)下，虽均存在些微的偏差，但与在信号电极2未设置狭窄部的情况下相比观察不到劣化。因此，可知在W_str/W_hot＝0.14～0.72、L_str＝5～15μm的范围内，不会使高频特性劣化而能够将光附加损耗抑制得较低。
并且，制作出W_str/W_hot＝0.44，L_str＝100μm的试制品进行了实测，结果能够确认到高频特性没有劣化。
在此，到目前为止的说明中，示出了信号电极2与光波导1垂直交叉的结构的例子，但也可以是信号电极2与光波导1倾斜地交叉的结构。
图7是表示本发明所涉及的光波导元件中的信号电极与光波导的交叉部分的另一例的图。该图中，信号电极2与光波导1以角度θ倾斜地交叉，在该情况下也能够抑制光附加损耗。
但是，若信号电极2与光波导1以锐角交叉，则交叉部分的面积变大，导致光附加损耗增大。因此，从抑制光附加损耗的观点考虑，优选交叉部分中的光波导1的中心线L1与信号电极2的中心线L2交叉的角度θ为45度以上且90度以下。
并且，为了确保高频特性，优选信号电极2的弯曲部为圆弧形状。然而，在如图9那样的信号电极2的圆弧弯曲部的情况下，与信号电极2与光波导1垂直相交的情况相比，信号电极2与光波导1的重叠面积变大，因此适用本发明带来的效果较大。
产业上的可利用性
如以上说明，根据本发明，能够提供一种能够将光附加损耗抑制得较低的光波导元件。
标号说明
1-光波导
2-信号电极
3、4-接地电极

Claims (6)

1.一种光波导元件，其具备：
基板，具有电光效应；
光波导，形成于该基板；及
控制电极，用于控制在该光波导内传播的光波，且具有信号电极及接地电极，
所述光波导元件的特征在于，
该信号电极在该光波导上配置该信号电极的交叉部分具有狭窄部，在所述狭窄部中，该信号电极的宽度比该交叉部分的前后窄。
2.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
隔着该狭窄部的该接地电极的间隔与在该狭窄部的前后隔着该信号电极的该接地电极的间隔大致相同。
3.根据权利要求1或2所述的光波导元件，其特征在于，
该狭窄部的宽度为该交叉部分的前后的宽度的0.75倍以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
该狭窄部的长度为在该光波导内传播的光波的模场直径的1.5倍以上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
该信号电极的宽度朝向该狭窄部逐渐变窄。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
在该交叉部分中，该信号电极的中心线与该光波导的中心线交叉的角度为45度以上且90度以下。
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