CN110573941A - 光调制元件 - Google Patents
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Abstract
在向电极施加高频信号而进行光调制的波导路型光调制元件中，提高电极的设计自由度而能实现进一步的宽带化。光调制元件(10)具备设置于基板(100)的光波导(104等)和控制在该光波导中传播的光波的电极(108等)，使高频信号向该电极传播而进行光调制，其中，所述电极包括：导电层(108a等)，由铜(Cu)或铜合金构成；及保护层(108b等)，由除了铜及铜合金以外的材料构成。
Description
技术领域
本发明涉及控制在光波导内传播的光波而进行光调制的光调制元件，特别是涉及通过宽带的高频信号而能提高进行该光波的控制的电极的设计自由度的光调制元件。
背景技术
近年来，在光通信或光计测的领域中，多使用在具有电光效应的基板上配置有光波导的波导路型光调制元件。光波导型的光调制元件通常与上述光波导一起具备用于控制在该光波导内传播的光波的控制电极。
作为这样的波导路型光调制元件，广泛地使用例如将作为强电介质结晶的铌酸锂(LiNbO3)(也称为“LN”)使用于基板的马赫-曾德尔型光调制元件。马赫-曾德尔型光调制元件具有用于从外部导入光波的输入光波导和用于使通过该输入光波导导入的光波分成2条路径地传播的光分支部。而且，马赫-曾德尔型光调制元件具有使在该光分支部之后被分支的各个光波传播的2条并行光波导和将在该2条并行光波导中传播的光波合成而向外部输出用的输出光波导。而且，马赫-曾德尔型光调制元件具备通过施加电压而利用电光效应使在上述并行光波导内传播的光波的相位变化来进行控制用的控制电极。该控制电极通常由在上述并行光波导的上部或其附近配置的信号电极(高频电极)和与该信号电极分离地配置的接地电极构成，构成使高频信号以与并行光波导内的光波的传播速度相同的速度传播的信号线路。
以往，作为使用了LN基板的马赫-曾德尔型光调制元件中的上述控制电极的原料，从原料的长期稳定性及键合等的制造容易性的观点出发而使用金(Au)。另一方面，从使高频信号向控制电极构成的信号线路传播而进行的光调制动作的观点出发，希望具有更高的导电性且导体损失少。即，为了减少控制电极中的高频传播损失与特性阻抗的权衡的制约而以所希望的特性阻抗实现宽带化，需要减少控制电极的导体损失。
因此，以往，进行增厚控制电极或者增宽控制电极的一部分的宽度而使该截面为蘑菇状，由此增大该控制电极的截面积而减少导体损失的情况(参照专利文献1、2)。
然而，通过对控制电极的截面形状或尺寸想办法而能实现的导体损失的减少的程度存在极限，面向进一步的宽带化，希望进一步减少上述权衡的限制而扩宽控制电极的设计自由度。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平1-91111号公报
专利文献2：日本特开平8-122722号公报
发明内容
发明要解决的课题
从上述背景出发，在使高频信号向形成于光波导上的控制电极传播而进行光调制的波导路型光调制元件中，希望扩宽控制电极的设计自由度，能实现进一步的宽带化。
用于解决课题的方案
本发明的一个方式涉及一种光调制元件，具备设置于基板的光波导和控制在该光波导中传播的光波的控制电极，使高频信号向该控制电极传播而进行光调制，其中，所述电极包括：导电层，由铜(Cu)或铜合金构成；及保护层，由除了铜及铜合金以外的材料构成。
根据本发明的另一个方式，所述保护层的至少一部分设置在所述基板上，所述导电层设置于所述保护层的设置在所述基板上的所述至少一部分上。
根据本发明的另一个方式，所述保护层的至少一部分以覆盖所述导电层的表面的方式设置。
根据本发明的另一个方式，所述保护层的一部分设置在所述基板上，所述导电层设置在所述保护层的所述一部分上，所述保护层的另一部分以覆盖所述导电层的表面的方式设置。
根据本发明的另一个方式，所述保护层未设置在所述基板的基板面的区域中的未设置所述电极的区域上。
根据本发明的另一个方式，所述保护层由金属氮化物及硅(Si)构成，或者，所述保护层由金属氮化物或硅(Si)构成。
根据本发明的另一个方式，所述金属氮化物是SiN、CrN、TiN及CuN，或者，所述金属氮化物是SiN、CrN、TiN或CuN。
根据本发明的另一个方式，在所述电极的上表面的至少一部分形成有由金(Au)构成的表面层。
此外，该说明书包括在2017年3月31日提出申请的日本国专利出愿、特愿2017-69820号的全部的内容。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的光调制元件的结构的图。
图2是图1所示的光调制元件的AA剖面向视图。
图3是表示构成光调制元件的控制电极的第一变形例的结构的图。
图4是表示构成光调制元件的控制电极的第二变形例的结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的一个实施方式的光调制元件的结构的图。而且，图2是图1所示的光调制元件的AA剖面向视图。本光调制元件10是在基板100上配置有马赫-曾德尔(MZ，Mach-Zehnder)型光波导102的马赫-曾德尔型光调制元件。
基板100是由具有电光效应的铌酸锂(LN)构成的基板，例如为Z切割的LN基板。在基板100上配置有由非导电性的材料构成的非导电层120。该非导电层120可以是以例如避免在MZ型光波导102中传播的光波被后述的信号电极108等吸收而产生光损失的情况等为目的而设置的所谓缓冲层。这样的缓冲层由例如介电常数比基板100低的材料(关于具体的材料在后文叙述)构成。
MZ型光波导102具有作为并行光波导的光波导104、106。在光波导104、106的正上部分别沿该光波导104、106配置有被施加高频信号的信号电极108、110。而且，以从信号电极108、110分别离开规定的分离距离而夹持该信号电极108、110的方式配置接地电极112、114、116。信号电极108和接地电极112、114、及信号电极110和接地电极114、116分别构成高频信号传播的信号线路(高频信号线路)。从MZ型光波导102的图示左端输入的光波按照上述的高频信号来调制(例如，强度调制)，从图示右端输出。
特别是在本实施方式的光调制元件10中，信号电极108、110及接地电极112、114、116分别包括由铜(Cu)或铜合金构成的导电层108a、110a、112a、114a、116a。作为铜合金，可以使用例如Al-Cu合金、Ni-Cu合金、Be-Cu合金、Sn-Cu合金。上述的铜(Cu)或铜合金的导电率比在以往的光调制元件中作为电极材料使用的金(Au)高。因此，在光调制元件10中，信号电极108、110及接地电极112、114、116构成的高频信号线路的导体损失有效地减少。
并且，通过该导体损失的减少，减轻信号电极108、110等构成的高频信号线路中的高频传播损失与特性阻抗的权衡的制约(即，扩宽构成该信号线路的信号电极108、110及接地电极112、114、116的设计自由度)，以所希望的特性阻抗实现进一步的宽带化的情况变得容易。
此外，在本实施方式的光调制元件10中，信号电极108、110及接地电极112、114、116分别具有在其上部设有导电层108a、110a、112a、114a、116a的保护层108b、110b、112b、114b、116b。上述的保护层108b、110b、112b、114b、116b由除了铜(Cu)及铜合金以外材料构成，例如，由金属氮化物及/或硅(Si)构成。该金属氮化物可以设为例如SiN、CrN、TiN及/或CuN。在此，保护层130等可以由使用这些材料中的任一个构成的单一的层构成，也可以由使用互不相同的材料分别构成的多个层构成。
通常，将由铜(Cu)构成的电极(铜电极)和其他的电极在基板上接近配置，如果使该铜电极与该他的电极之间产生电位差，则铜离子从铜电极顺着该基板的表面移动，会发生所谓电迁移。当这样的电迁移发生时，移动的铜离子在基板表面使铜逐渐析出，在铜电极与其他的电极之间形成短路。
相对于此，在本实施方式的光调制元件10中，信号电极108、110、及接地电极112、114、116的导电层108a、110a、112a、114a、116a分别形成在保护层108b、110b、112b、114b、116b上。因此，构成导电层108a、110a、112a、114a、116a的铜(Cu)或铜合金的铜离子通过上述保护层108b、110b、112b、114b、116b阻碍其移动，防止电迁移的发生。
通过以上的结构，在本实施方式的光调制元件10中，抑制构成电极的金属的迁移而将长期可靠性维持得高，并能够扩宽电极的设计自由度而实现进一步的宽带化。
此外，不包含铜(Cu)及铜合金而由金属氮化物或Si构成的保护层不需要设置在基板100的基板面的区域中的未设置信号电极108等或接地电极112等电极的区域。
接下来，说明本实施方式的变形例。
〔第一变形例〕
图3是表示可以取代图2所示的信号电极108、110及接地电极112、114、116而使用的信号电极108′、110′及接地电极112′、114′、116′的结构的图。
信号电极108′、110′及接地电极112′、114′、116′分别与信号电极108、110及接地电极112、114、116同样地具有导电层108a、110a、112a、114a、116a。但是，信号电极108′、110′及接地电极112′、114′、116′不包含保护层108b、110b、112b、114b、116b，取代于此而具有将导电层108a、110a、112a、114a、116a覆盖的保护层108c、110c、112c、114c、116c。
即，在本变形例中，通过将导电层108a、110a、112a、114a、116a覆盖的保护层108c、110c、112c、114c、116c，防止铜离子从导电层108a、110a、112a、114a、116a的电迁移。
〔第二变形例〕
图4是表示可以取代图2所示的信号电极108、110及接地电极112、114、116而使用的信号电极108″、110″及接地电极112″、114″、116″的结构的图。
信号电极108″、110″及接地电极112″、114″、116″分别包括导电层108a、110a、112a、114a、116a及保护层108b、110b、112b、114b、116b。而且，信号电极108″、110″及接地电极112″、114″、116″还具有将导电层108a、110a、112a、114a、116a覆盖的保护层108c、110c、112c、114c、116c。
由此，在本变形例中，能够进一步减少铜离子从构成导电层108a、110a、112a、114a、116a的铜(Cu)或铜合金的电迁移的发生，进一步提高光调制元件10的可靠性。
如以上说明所述，本实施方式的光调制元件10中，对于在光波导104、106中传播的光波进行调制的信号电极108、110及接地电极112、114、116分别包括由金属氮化物或硅(Si)构成的保护层108b、110b、112b、114b、116b和设置在这些保护层上的由铜(Cu)或铜合金构成的导电层108a、110a、112a、114a、116a。
由此，在光调制元件10中，能够防止或减少铜离子的电迁移的发生，因此可靠性提高，并且能够减轻信号电极108、110等构成的高频信号线路的高频传播损失与特性阻抗的权衡的制约。其结果是，在光调制元件10中，能够扩宽信号电极108、110等的设计自由度，能够以所希望的特性阻抗实现进一步的宽带化。
此外，在上述的实施方式中，构成信号电极108、110及接地电极112、114、116的导电层108a、110a、112a、114a、116a分别其整体由铜(Cu)或铜合金构成，但是并不局限于此。各导电层可以例如其截面的至少一部分由铜(Cu)或铜合金构成。即使在该情况下，也能够实现比以往那样的以不包含铜(Cu)或铜合金的部分的金(Au)为主体的电极高的导电率，能够扩宽电极的设计自由度。
另外，在上述的实施方式中，作为一例，示出了使用Z切割的LN基板即基板100的光调制元件，但是并不局限于此。在本实施方式中说明的信号电极108等电极的结构在使用X切割的LN基板构成的光调制元件中也能够同样使用。此外，该电极的结构并不局限于使用LN基板的光调制元件，在使用具有电光效应的其他的材料(例如，LiTaO3、SrTiO3、SrBi2Ta2O9、BaTiO3、KTiOPO4、PLZT)作为基板的光调制元件或使用了通过电流注入来控制光波导的折射率而进行光调制的半导体基板的光调制元件中也同样能够适用。
然而，在上述的实施方式中，导电层108a、110a、112a、114a、116a由铜(Cu)或铜合金构成，因此在对这些导电层进行引线键合(例如，金线的键合)的情况下，键合强度以实用性的水准来实现的情况变得困难。这种情况下，只要在信号电极108、110及接地电极112、114、116的上表面的一部分(在本实施方式中，)设置由金(Au)构成的表面层，对该表面层进行引线键合即可。由此，能够进行可靠性高的引线键合。
标号说明
10···光调制元件，100···基板，102···MZ型光波导，104、106···光波导，108、110···信号电极，112、114、116···接地电极，120···非导电层，108a、110a、112a、114a、116a···导电层，108b、110b、112b、114b、116b、108c、110c、112c、114c、116c···保护层。
Claims (8)
1.一种光调制元件，具备设置于基板的光波导和控制在该光波导中传播的光波的电极，使高频信号向该电极传播而进行光调制，其中，
所述电极包括：
导电层，由铜(Cu)或铜合金构成；及
保护层，由除了铜及铜合金以外的材料构成。
2.根据权利要求1所述的光调制元件，其中，
所述保护层的至少一部分设置在所述基板上，所述导电层设置于所述保护层的设置在所述基板上的所述至少一部分上。
3.根据权利要求1所述的光调制元件，其中，
所述保护层的至少一部分以覆盖所述导电层的表面的方式设置。
4.根据权利要求1所述的光调制元件，其中，
所述保护层的一部分设置在所述基板上，所述导电层设置在所述保护层的所述一部分上，
所述保护层的另一部分以覆盖所述导电层的表面的方式设置。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光调制元件，其中，
所述保护层未设置在所述基板的基板面的区域中的未设置所述电极的区域上。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的光调制元件，其中，
所述保护层由金属氮化物及硅(Si)构成，或者，所述保护层由金属氮化物或硅(Si)构成。
7.根据权利要求6所述的光调制元件，其中，
所述金属氮化物是SiN、CrN、TiN及CuN，或者，所述金属氮化物是SiN、CrN、TiN或CuN。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的光调制元件，其中，
在所述电极的上表面的至少一部分形成有由金(Au)构成的表面层。
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