CN111694172A - 光波导元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种缓和光波导元件的光波导中模场直径的非对称性，能够降低光波导元件与光纤的耦合损耗的光波导元件及其制造方法。所述光波导元件，在基板的一面形成有光波导，在所述基板的端部配置有向所述光波导入射光的入射部或从所述光波导出射光的出射部，在所述入射部或所述出射部中的至少一者及其近旁的光波导上形成有电介质膜，所述光波导元件的特征在于，所述电介质膜中，包括具有比所述基板的折射率高的折射率的第一材料的电介质膜与具有比所述基板的折射率低的折射率的第二材料的电介质膜的电介质膜相互层叠。
Description
技术领域
本发明涉及一种光波导元件及其制造方法，特别是涉及一种在基板的一面形成有光波导的光波导元件及其制造方法。
背景技术
在光通信领域或光测量领域中，利用有光调制器或光开关等在基板的至少一面形成有光波导的光波导元件。为了应对调制频率的广范围化等需求，而像多值调制器(multi-value modulator)等那样，在形成于一个基板的光波导中编入多个光调制部分，由于将光波分支或合波的频率增加，因此需要光波导元件整体的低损耗化。
光调制部分增加不仅仅使光波导的图案形状复杂化，配置于光调制部分的信号电极等控制电极的数量也增加，与控制电极相关的配线图案也复杂化。因此，在使用了X切割型(X-cut)的电气光学基板的光波导元件中，提出了使配置于光波导上的交叉部分的信号电极的宽度狭窄化，将光损耗抑制得低的方法(参照专利文献1)。
而且，在光波导元件的低损耗化中也要求降低光输入/输出部的耦合损耗。在将Ti热扩散至铌酸锂(LN)的基板而形成有光波导的光波导元件中，光波导的模场直径(ModeField Diameter，MFD)因钛热扩散成为非对称。另一方面，在具有对称的模场直径的光纤与光波导元件的光学耦合中，因MFD的形状的失配(mismatch)，在一个光入射/出射部中平均产生约0.7dB的耦合损耗(coupling loss)。
为了降低以光波导元件中的光波导的模场直径的非对称性为主要原因的、与光纤的耦合损耗，在专利文献2中提出了在光波导的光输入/输出部中，将与LN基板为相同的材料的LN膜溅射成膜在基板上的方法。具体来说，在LN基板上的光波导的图案蒸镀Ti膜，其后，在相当于光波导的输入/输出部的部分，在包含Ti膜的LN基板上利用溅射法等形成LN膜。其后，使Ti热扩散至LN基板或LN膜内而形成光波导。由此，使光输入/输出部中的模场直径的非对称性缓和，降低与光纤的耦合损耗。
但是，在像LN膜那样的非晶质的溅射膜与像LN基板那样的结晶中，Ti的热扩散速度不同，因此难以缓和模场直径的非对称性。而且，在专利文献2中提出了将LN膜的厚度形成为锥形状(tapered)使模场直径逐渐地变化。然而，在比Ti的热扩散范围厚的LN膜中，Ti的热扩散的形状相同，但在厚度连续地变化的锥形(taper)部中，根据LN膜的厚度，Ti的热扩散形状大有不同。具体来说，在LN膜的厚度比Ti的热扩散范围薄的部分，热扩散至LN膜的厚度的Ti在与厚度方向垂直的横向上重点发生扩散。因此，锥形部的光波导的剖面形状容易成为畸变的非对称形状，设置锥形部反而成为光传输损耗增大的主要原因。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利第6107868号公报
[专利文献2]日本专利特公平6-44086号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
本发明所要解决的课题在于提供一种解决所述问题，缓和光波导元件的光波导中模场直径的非对称性，能够降低光波导元件与光纤的耦合损耗的光波导元件及其制造方法。
[解决问题的技术手段]
用于解决所述课题的手段如下。
(1)一种光波导元件，在基板的一面形成有光波导，在所述基板的端部配置有向所述光波导入射光的入射部或从所述光波导出射光的出射部，在所述入射部或所述出射部中的至少一者及其近旁的光波导上形成有电介质膜，所述电介质膜中，包括具有比所述基板的折射率高的折射率的第一材料的电介质膜与具有比所述基板的折射率低的折射率的第二材料的电介质膜的电介质膜相互层叠。
(2)根据所述(1)所述的光波导元件，在将所述电介质膜的平均折射率设为n、所述基板的折射率设为ns时，n/ns为0.970以上且1.003以下。
(3)根据所述(1)或(2)所述的光波导元件，所述电介质膜的厚度为0.5μm以上。
(4)根据所述(1)至(3)中任一项所述的光波导元件，所述基板的厚度为20μm以下。
(5)根据所述(4)所述的光波导元件，所述基板经由树脂层而接合于加强基板。
(6)根据所述(1)至(5)中任一项所述的光波导元件，所述电介质膜具有随着所述光波导远离所述端部，膜厚逐渐减少的部分。
(7)根据所述(1)至(6)中任一项所述的光波导元件，所述基板为铌酸锂，所述电介质膜包括含有铌、钽、硅、钛、氧化锆、氧化钇、碲、铪、锌、铝、镁、锗中至少一个以上的元素的氧化膜或氮化膜。
(8)根据所述(7)所述的光波导元件，所述电介质膜的第一材料或第二材料中的至少一种材料的线膨胀系数为铌酸锂的a轴与c轴的线膨胀系数之间的值。
(9)一种在基板的一面形成有光波导的光波导元件的制造方法，在形成所述光波导后，在向所述光波导入射光的入射部或从所述光波导出射光的出射部中的至少一者及其近旁的光波导上，形成电介质膜，并且所述电介质膜中，包括具有比所述基板的折射率高的折射率的第一材料的电介质膜与具有比所述基板的折射率低的折射率的第二材料的电介质膜的电介质膜相互层叠。
[发明的效果]
本发明是一种光波导元件，在基板的一面形成有光波导，在所述基板的端部配置有向所述光波导入射光的入射部或从所述光波导出射光的出射部，在所述入射部或所述出射部中的至少一者及其近旁的光波导上形成有电介质膜，其中所述电介质膜中，包括具有比所述基板的折射率高的折射率的第一材料的电介质膜与具有比所述基板的折射率低的折射率的第二材料的电介质膜的电介质膜相互层叠，因此能够缓和入射部或出射部中模场直径的非对称性。其结果，可降低光波导元件与光纤的耦合损耗。
附图说明
图1是表示本发明的光波导元件的一例的图(光波导元件的一端面的图)。
图2是表示本发明的光波导元件的一例的平面图。
图3是图2的点线A-A'的剖面图。
图4是表示本发明的光波导元件的另一例的图(光波导元件的一端面的图)。
图5是表示未形成电介质膜情况下的MFD的图。
图6是表示形成有电介质膜情况下的MFD的图。
图7是表示MFD的对称性相对于光波导宽度(Ti宽度)的变化的图表。
图8是表示耦合损耗相对于标准化折射率(n/ns)的变化的图表。
图9是表示标准化折射率相对于五氧化钽与五氧化铌的组成比率的变化的图表。
图10是针对2种材料的组合，表示标准化折射率相对于组成比率的变化的图表。
图11是表示基板晶片中的电介质膜的配置例的图。
图12是表示电介质膜的开裂状态的照片。
[符号的说明]
无
具体实施方式
以下，针对本发明的光波导元件及其制造方法进行详细的说明。
首先，像专利文献2中所示那样的以往例的问题如上所述，在铌酸锂(LN)基板之上层叠LN膜，对LN基板与LN膜两者进行了Ti的热扩散，但两者的热扩散速度不同，因此，无法充分缓和非对称的模场直径。并且，在LN膜的锥形部分，光波导的剖面形状容易成为畸变(distorted)的非对称形状，特别是光传输损耗也变大。
相对于此，本发明人们确认到通过像图1～图3中所示那样，在通过LN基板的Ti扩散形成的光波导中，在包含光输入/输出部的光波导上形成具有接近于LN的折射率的电介质膜(以往存在空气或低折射率(n<1.6)的粘接层)，模场直径的非对称性被缓和。因此，探讨了在实施光波导的形成工艺即Ti的热扩散后，在包含光波导的LN基板上层叠LN膜的方法。而且，配置于LN基板上的电介质膜通常需要为具有与LN基板相同或比LN基板低的折射率的膜，可列举与基板为相同材料的LN的膜作为电介质膜的第一候补。然而，LN为具有各向异性(anisotropy)的材料，通过LN基板的Ti扩散形成的光波导利用了非常光(extraordinary light)。在此种光波导上，即使形成通常的蒸镀膜或溅射膜，也无法形成像各向异性结晶那样因光的偏光方向而折射率不同的膜，因此，无法获得缓和光波导的模场直径的非对称性的效果。作为在基板上配置LN膜的方法，有效的是形成磊晶膜的方法或直接接合相同的LN基板的方法，但技术上的难易度也高，因此生产性差。
像之后详述的那样，本发明人们发现，为了降低与光纤的耦合损耗，作为电介质膜的特征，需要设将配置于由Ti的热扩散所形成的光波导上的电介质膜的折射率n利用LN基板的折射率(ns＝2.138)标准化而得的折射率n/ns为0.970～1.003，并且形成为厚度0.5μm以上。
然而，作为具有比LN基板的折射率低且接近的折射率的材料，可列举氧化钽、氮化硅、氧化锌等，但是针对对缓和模场直径的非对称具有效果的标准化折射率n/ns进行了计算，结果明确了即使形成这些的膜，也无法制成优选的范围即0.970～1.003。
而且，已知氮化硅膜的折射率因氮化率而变化，所以探讨了利用导入氮气的反应性溅射来形成具有期望的标准化折射率的电介质膜。但是，像图4中所示的那样，在具有形成有光波导的基板的厚度为20μm以下，所述基板经由粘接层即树脂层而接合于加强基板的结构时，在进行电介质膜的形成时，由于存在所述树脂层，而无法充分提高成膜时的温度。因此，膜强度不充分，在形成后出现了膜破裂或膜剥离的问题。
因此，针对组合有具有比LN的基板折射率高的折射率的第一材料与具有比LN的基板折射率低的折射率的第二材料的层叠结构的电介质膜进行了探讨。作为电介质膜，能够利用含有铌、钽、硅、钛、氧化锆、氧化钇、碲、铪、锌、铝、镁、锗中的至少一个以上的元素的氧化膜或氮化膜。
例如，同时溅射具有比LN基板的基板折射率高的折射率的材料即硅、氧化钛、氧化铌中的任一者、与具有比LN基板的基板折射率低的折射率的材料即氧化钽、氧化锌、氧化硅、氧化镁、氮化硅中的任一者即可。而且，也可制作混合有两者的材料的靶材来进行溅射。并且，在考虑到组成变化对折射率的影响的情况下，尤其优选两者的折射率差少的氧化铌与氧化钽的组合。实际上，确认到通过同时溅射氧化铌与氧化钽，调整针对每个靶材输入的高频能量，可形成归入期望的标准化折射率的范围的电介质膜。
通过化学气相成长(chemical vapor deposition，CVD)或离子镀蒸镀等其他成膜方法，也能够形成期望的标准化折射率范围的电介质膜。然而，在为形成有光波导的基板的厚度为20μm以下，所述基板经由粘接层即树脂层而接合于加强基板的结构的情况下，更优选抑制对树脂层的影响，能够形成具有充分的膜强度的电介质膜的低温工艺的溅射法。
作为电介质膜的形状，优选像图3(图2的点线A-A'的剖面图)所示那样，具有随着光波导远离基板的端部，电介质膜的膜厚逐渐减少的部分(锥形部)。由此，可使模场直径逐渐变化，从而能够抑制光传输损耗的发生。专利文献2的情况下，因锥形部，光传输损耗反而增大，但在本发明的构成中，可期待由所述锥形部带来的特性改善。在本发明中，为了避免因电介质膜膜厚的急剧变化引起光传输损耗增大，锥形部的倾斜角θ优选为最大1°以下。
(确认试验)
为了确认本发明的光波导元件的制造工艺的条件，进行了以下的试验。
作为LN基板，使用了市售的直径4英寸、厚度0.5mm的铌酸锂晶片(X板、品质：光学等级(Optical grade))。
将形成于LN基板上的钛膜的图案宽度设为3.0μm、3.5μm、4.0μm、4.5μm、5.0μm、5.5μm、6.0μm、7.0μm及8.0μm，并将Ti膜的高度设定为
为了在LN基板上使钛热扩散，将电炉内的温度设定为1000℃，扩散时间为15小时。
在电介质膜的形成中，使用多维同时磁控溅射装置，将五氧化钽(纯度4N)与五氧化铌(纯度3N)作为溅射材料。作为工艺气体，导入氩8.2sccm、氧1.0sccm，对五氧化钽施加320W的高频能量，对五氧化铌施加500W的高频能量进行溅射。
与靶材相向配置的晶片在装置内旋转，在每次通过靶材上时被成膜，因此电介质膜包括层叠结构的氧化膜。
为了像图2中所示那样，限定于LN芯片的光入射部与光出射部来形成电介质膜，对LN晶片表面进行了遮罩(mask)。
而且，为了防止因急剧的MFD变动引起光损耗的增加，而使相对于光波导的行进方向来说的电介质膜的膜厚缓慢地变化(参照图3的锥形部)。
将钛膜的宽度5μm中，未形成电介质膜的情况的MFD示于图5、形成了电介质膜的情况的MFD示于图6。若对图5与图6进行比较，则可确认到通过在利用Ti的热扩散形成于LN基板的光波导上设置电介质膜，缓和了模场直径的非对称性。
钛膜的图案宽度是对光学显微镜(奥林巴斯(Olympus)(股)公司制造，MX50)安装自动线宽测定系统(佛罗贝尔(flovel)(股)公司制造，TARCY LS200)，测定热扩散前的LN基板的钛膜的图案宽度。
热扩散后的图案宽度也能够利用本系统进行测定，热扩散前后在图案宽度中未出现大的差异。
MFD是使用高功能型近场图案(Near Field Pattern，NFP)测量光学系统(协同光系统(synergy optosystems)公司制造，M-显微镜型号S(M-Scope type S))，以波长1550nm进行测定。
将相对于各钛宽度来说的纵向上MFD的对称性示于图7的图表。此处，纵向上MFD的对称性σy(+)/σy(-)是MFD的光强度分布的最大值起与基板表面垂直的方向(纵向)上的上方向(+)与下方向(-)上的模场的宽度(成为最大值的1/e2的强度)，σy(+)/σy(-)越接近于1越表示对称性高。
参照图7，确认到：具有电介质膜的情况与无电介质膜的情况相比，纵向上MFD的对称性σy(+)/σy(-)接近于1，非对称性得到了缓和。特别是，在光束缚(opticalconfinement)弱的钛宽度6μm以下的光波导中，非对称性得到大幅改善。而且，在将本发明的电介质膜应用于光波导的弯曲部的情况下，也可期待放射损耗(radiation loss)的降低效果。
将计算耦合损耗与折射率依存性而得的结果示于图8的图表(图表中的凡例是指电介质膜的膜厚)。可理解：通过将电介质膜的标准化折射率设定为0.970～1.003，耦合损耗得到了有效果的抑制。并且，关于电介质膜的膜厚，在1μm～4μm的任一者中均观察到改善，进行更详细的分析时，确认到虽然模场直径的非对称性的缓和不充分，但通过将膜厚设定为0.5μm以上，而有助于降低耦合损耗。特别是，标准化折射率0.981～1.001、膜厚1μm以上的情况下会获得充分的模场直径的非对称性的缓和，带来耦合损耗的大幅降低，因此优选。另一方面，可理解：若电介质膜的标准化折射率大于基板的折射率，则耦合损耗增加，相较于在光波导的标准化折射率1.005附近无电介质膜的情况，耦合损耗恶化。
将所形成的折射率跟电介质膜的五氧化钽与五氧化铌的组成比率的关系示于图9的图表。关于图9的横轴，在组成比率为0的情况下是指五氧化钽为100％，组成比率为1的情况下是指五氧化铌为100％。在将电介质膜的标准化折射率制成0.970～1.003的情况下，优选将五氧化铌的比例制成5％～60％，在将电介质膜的标准化折射率制成0.981～1.001的情况下，优选将将五氧化铌的比例制成20％～60％。
将成为候补电介质膜的材料的折射率与热膨胀系数示于表1。
在考虑到组成变化对折射率的影响的情况下，优选组合像氧化铌与氧化钽那样折射率差少的材料(图9)。
而且，在图10中示出能够将电介质膜的标准化折射率(n/ns)设定为0.970～1.003的范围内的材料的组合例与各组合材料的组成比率引起的标准化折射率的变化。
[表1]
在利用非常光的LN钛扩散光波导中，折射率2.20的氧化铌与折射率2.11的氧化锆(包含氧化钇稳定化氧化锆)的组合中，组成变动对折射率的影响最少。
但是，氧化锆为强度高破坏韧性也高，因此溅射下的成膜速度慢这一情况成为工艺上的课题。
其次，可列举折射率2.20的氧化铌与折射率2.08的氧化碲的组合，在X切割的LN晶片中，在光入射部与光出射部形成电介质膜的情况下(图11)，理想的是接近于结晶c轴(ne)方向的热膨胀系数7.5(×10-6/℃)。而且，也考虑结晶a轴(no)方向(与图11中的晶片面垂直的方向)的热膨胀系数15.0(×10-6/℃)，则理想的是电介质膜的第一材料或第二材料中的至少一种材料的线膨胀系数为基板的a轴与c轴的线膨胀系数之间的值。
氧化铌与氧化碲的热膨胀系数分别为14.3(×10-6/℃)、15.0(×10-6/℃)，因此对于Z切割的LN晶片来说优选，但对于X切割的LN晶片来说不太优选。在X切割的LN晶片中，在形成了热膨胀系数3.3(×10-6/℃)左右的氮化硅膜的情况下，像图12中所示那样在热膨胀系数不同的c轴方向上出现了膜破裂。在使用X切割的LN晶片的情况下，在实现折射率控制及热膨胀系数的整合方面，优选组合与氧化铌折射率差少的氧化铪、氧化钽、氮化硅、氧化锌。特别是，在对形成有光波导的X切割的LN基板的厚度为20μm以下，所述基板经由树脂层接合于加强基板的结构进行膜形成的情况下，优选将膜质的稳定性高的氧化钽与膜应力弱的氧化铌组合。
在以上的说明中，作为基板材料，以铌酸锂(LN)为中心进行了说明，除此以外，也能够使用钽酸锂、锆酸钛酸镧(PLZT)等结晶材料或InP等半导体基板。
而且，作为光波导的形成方法，不仅仅是将钛(Ti)等高折射率物质热扩散在铌酸锂基板(LN基板)上的方法，在通过质子交换法等来形成的情况下当然也可应用本发明。
[产业上的可利用性]
像以上说明的那样，根据本发明，可提供一种缓和光波导元件的光波导中模场直径的非对称性，能够降低光波导元件与光纤的耦合损耗的光波导元件及其制造方法。
Claims (9)
1.一种光波导元件，其特征在于，
在基板的一面形成有光波导，
在所述基板的端部配置有向所述光波导入射光的入射部或从所述光波导出射光的出射部，
在所述入射部或所述出射部中的至少一者及其近旁的光波导上形成有电介质膜，
所述电介质膜中，包括具有比所述基板的折射率高的折射率的第一材料的电介质膜与具有比所述基板的折射率低的折射率的第二材料的电介质膜的电介质膜相互层叠。
2.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，在将所述电介质膜的平均折射率设为n、所述基板的折射率设为ns时，n/ns为0.970以上且1.003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，所述电介质膜的厚度为0.5μm以上。
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，所述基板的厚度为20μm以下。
5.根据权利要求4所述的光波导元件，其特征在于，所述基板经由树脂层而接合于加强基板。
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，所述电介质膜具有随着所述光波导远离所述端部，膜厚逐渐减少的部分。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光波导元件，其特征在于，所述基板为铌酸锂，所述电介质膜包括含有铌、钽、硅、钛、氧化锆、氧化钇、碲、铪、锌、铝、镁、锗中至少一个以上的元素的氧化膜或氮化膜。
8.根据权利要求7所述的光波导元件，其特征在于，所述电介质膜的第一材料或第二材料中的至少一种材料的线膨胀系数为铌酸锂的a轴与c轴的线膨胀系数之间的值。
9.一种光波导元件的制造方法，其特征在于，其为在基板的一面形成有光波导的光波导元件的制造方法，
在形成所述光波导后，在向所述光波导入射光的入射部或从所述光波导出射光的出射部中的至少一者及其近旁的光波导上，形成电介质膜，并且
所述电介质膜中，包括具有比所述基板的折射率高的折射率的第一材料的电介质膜与具有比所述基板的折射率低的折射率的第二材料的电介质膜的电介质膜相互层叠。
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