CN113467108A - 光电器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光电器件，其具备：基板；光波导，由在所述基板上以脊状形成的光电材料膜构成；缓冲层，覆盖所述光波导而设置；以及上部电极，经由所述缓冲层设置于所述光波导上，所述缓冲层在所述光波导上的所述上部电极侧具有凹陷。根据本发明的光电器件，能够抑制光的传播损耗。

Description

光电器件
技术领域
本发明涉及一种用于光通信和光学测量领域的光电器件。
背景技术
伴随着互联网的普及，通信量飞跃性地增加，光纤通信的重要性非常高。光纤通信是将电信号转换为光信号，并通过光纤来传输光信号的通信方式，具有宽带宽、低损耗、抗噪性强的特征。
由于具有这样的优点，光纤通信被应用于各种各样的产品，作为其代表可列举光开关器件或光调制器。特别地，作为光调制器件将电信号转换为光信号的方式，已知有利用半导体激光的直接调制方式和使用了光调制器的外部调制方式。直接调制虽然不需要光调制器而且成本低，但是在高速调制方面有极限，在高速且长距离的用途中使用外部光调制方式。
作为光调制器，通过Ti(钛)扩散在铌酸锂单晶基板的表面附近形成有光波导的马赫-曾德尔型光调制器被实用化(例如，参照专利文献1)。40Gb/s以上的高速的光调制器被商用化，但存在总长长达10cm左右的大的缺点。马赫-曾德尔型光调制器是使用具有马赫-曾德尔干涉仪结构的光波导(马赫-曾德尔光波导)的光调制器。马赫-曾德尔干涉仪是将从一个光源发出的光分成两个光，通过不同路径，然后再次重叠以产生干涉的装置，应用马赫-曾德尔干涉仪的马赫-曾德尔型光调制器被用于产生各种调制光。
相对于此，在专利文献2中公开了使用铌酸锂膜的马赫-曾德尔光调制器。使用了铌酸锂膜的光调制器与使用了铌酸锂单晶基板的光调制器相比，实现了大幅度的小型化、低驱动电压化。图5示出了专利文献2中记载的现有的光调制器300的截面结构。在蓝宝石基板21上形成由铌酸锂膜制成的一对光波导22a,22b，并且信号电极24a和接地电极24b经由缓冲层23分别配置在光波导22a,22b的上部。该光调制器300是具有一个信号电极24a的所谓单驱动型，信号电极24a和接地电极24b为对称结构，因此施加到光波导22a,22b的电场的大小相等，符号相反。然而，光波导22a,22b的截面形状为矩形，光的传播损耗较大。
在专利文献3中，公开了在马赫-曾德尔光学调制器的情况下需要将光波导弯曲的部分。为了防止弯曲部分的损耗，有必要进一步增强光的锁定(locked-in)，并且已经公开了形成脊形的光波导的技术。
为了通过减小光调制器的尺寸来减小光传播损耗，需要减小从脊形LN膜光波导中的光波导泄漏出的光的吸收和反射并且有效地将电场从该层上的电极施加到光波导。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4485218号公报
专利文献2：日本特开2006-195383号公报
专利文献3：日本特开2007-328257号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种光电器件，其特征在于，具备：基板；光波导，由在所述基板上以脊状形成的光电材料膜构成；缓冲层，覆盖所述光波导而设置；以及上部电极，经由所述缓冲层设置于所述光波导上，所述缓冲层在所述光波导上的所述上部电极侧具有凹陷。
另外，本发明的另一个目的在于提供一种光的传播损耗小的光电器件，具备：基板；互相相邻的第1和第2光波导，由在所述基板上以脊状形成的光电材料膜构成；缓冲层，覆盖所述第1和第2光波导并且埋入所述第1和第2光波导之间；以及第1和第2电极，在所述缓冲层的上方与所述第1和第2光波导相对设置，所述缓冲层在所述第1和第2光波导上具有凹陷。
另外，本发明的另一个目的在于提供一种光电器件，具备：基板；互相相邻的第1和第2光波导，由在所述基板上以脊状形成的光电材料膜构成；缓冲层，覆盖所述第1和第2光波导并且埋入所述第1和第2光波导之间；以及第1和第2电极，在所述缓冲层的上方与所述第1和第2光波导相对设置，从所述基板表面到所述光波导上的缓冲层的最上部的距离，小于从所述基板表面到未形成所述光波导的部分上的缓冲层的最上部的距离。
另外，本发明的光电器件中，优选地，在所述第1和第2光波导与所述第1和第2电极之间设置的缓冲层，具有在所述第1和第2光波导处朝下方突出的形状。
另外，本发明的光电器件中，优选地，在所述第1和第2光波导与所述第1和第2电极之间设置的缓冲层，在所述第1和第2光波导与所述第1和第2电极之间设置的缓冲层，具有在所述第1和第2光波导处朝下弯曲的形状。
另外，本发明的光电器件中，优选地，在所述第1和第2光波导上的所述缓冲层的凹陷量为
Figure BDA0002432605190000031
以上，更优选为
Figure BDA0002432605190000032
另外，本发明的光电器件中，优选地，所述第1和第2光波导是马赫-曾德尔光波导。
另外，本发明的光电器件中，优选地，所述基板为单晶基板，所述光电材料膜为铌酸锂膜。
发明的效果
根据本发明的光电器件，能够有效地将电场施加于光波导，从而将光锁定于该光波导内并能够抑制光的传播损耗。
附图说明
图1(a)和图1(b)是本发明的一个实施方式的光调制器100的俯视图，图1(a)仅示出光波导，图1(b)示出包括行波电极的光调制器100的光调制器100的整体。
图2是沿图1(a)和图1(b)的A-A'线的光调制器100的示意性截面图。
图3是本发明的另一个实施方式的光开关器件200的俯视图。
图4是沿图3的B-B'线的光开关器件200的示意性截面图。
图5现有技术的光调制器300的截面结构。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明用于实施本发明的方式。
图1(a)和图1(b)是本发明的一个实施方式的光调制器(光电器件)100的俯视图，图1(a)仅示出光波导，图1(b)示出包括行波电极的光调制器100的光调制器100的整体。
如图1(a)和图1(b)所示，该光调制器100具备：马赫-曾德尔光波导10，具有形成在基板1上并彼此平行设置的第1和第2光波导10a,10b；沿第1光波导10a设置的第1电极7；沿第2光波导10b设置的第2电极8。
马赫-曾德尔光波导10是具有马赫-曾德尔干涉仪的结构的光波导。具有从一个输入光波导10i通过分波部10c分支的第1和第2光波导10a,10b，第1和第2光波导10a,10b经由合波部10d而合到一个输出光波导10o。输入光Si通过分波部10c分波并分别行进于第1和第2光波导10a,10b，然后，在合波部10d合波，作为调制光So从输出光波导10输出。
第1电极7在俯视时覆盖第1光波导10a，同样第2电极8在俯视时覆盖第2光波导10b。也就是说，第1电极7经由缓冲层(将在后文描述)形成于第1光波导10a上，同样第2电极8经由缓冲层形成于第2光波导10b上。第1电极7例如与交流信号连接，可称为“跳变”电极。第2电极例如接地，可称为“接地”电极。
电信号(调制信号)输入到第1电极7。由于第1和第2光波导10a,10b由铌酸锂等具有电光效应的材料构成，因此通过施加到第1和第2光波导10a,10b的电场，第1和第2光波导10a,10b的折射率分别如+Δn、-Δn那样变化，一对光波导之间的相位差发生变化。通过该相位差的变化调制的信号光从输出光波导10o输出。
图2是沿图1(a)和图1(b)的A-A'线的光调制器100的示意性截面图。
如图2所示，本实施方式的光调制器100具有基板1、波导层2、缓冲层3以及电极层4按此顺序层叠而成的多层结构。基板1例如是蓝宝石基板，在基板1的表面上形成有由铌酸锂膜构成的波导层2。波导层2具有由脊部2r构成的第1和第2光波导10a,10b。第1和第2光波导10a,10b的宽度可以是例如1μm。
为了防止在第1和第2光波导10a,10b中传播的光被第1电极7或第2电极8吸收，缓冲层3至少形成在波导层2的脊部2r的上表面。因此，缓冲层3只要能够作为光波导与信号电极之间的中间层而起作用即可，并且缓冲层的材料只要是非金属，可以广泛地选择。例如，缓冲层可以使用由金属氧化物，金属氮化物和金属碳化物等的绝缘材料制成的陶瓷层。缓冲层材料可以是结晶性的材料或无定形的材料。作为更优选的实施方式，作为缓冲层3，可以使用折射率小于波导层2的折射率的材料，例如Al2O3、SiO2、LaAlO3、LaYO3、ZnO、HfO2、MgO、Y2O3等。形成于光波导上的缓冲层的厚度可以为0.2～1.2μm左右。在本实施方式中，缓冲层3不仅覆盖第1和第2光波导10a,10b的上表面，并且埋入所述第1和第2光波导10a,10b之间。换言之，缓冲层3也形成于俯视时不与第1和第2光波导10a,10b重叠的区域中。缓冲层3覆盖波导层2的上表面中的未形成脊部2r的区域的整个面，脊部2r的侧面也被缓冲层3覆盖，因此可以防止由脊部2r的侧面的粗糙产生的散射损失。
在电极层4，设置有第1电极7、第2电极8。第1电极7经由缓冲层3而与第1光波导10a相对，设置成与对应于第1光波导10a的脊部2r重叠，以调制在第1光波导10a内行进的光。第2电极8经由缓冲层3而与第2光波导10b相对，设置成与对应于第2光波导10b的脊部2r重叠，以调制在第2光波导10b内行进的光。
作为波导层2，只要是电光材料的话就没有特别限定，但优选由铌酸锂(LiNbO3)构成。这是因为铌酸锂具有大的电光学常数并且适合作为光调制器等的光学器件的构成材料。以下，详细说明在波导层2是铌酸锂膜的情况下的本发明的结构。
作为基板1，只要是折射率低于铌酸锂膜的基板就没有特别地限定，优选为能够使铌酸锂膜形成为外延膜的基板，优选为蓝宝石单晶基板或硅单晶基板。单晶基板的结晶取向没有特别地限定。铌酸锂膜具有相对于各种结晶方位的单晶基板容易形成为c轴取向的外延膜的性质。c轴取向的铌酸锂膜具有三次对称的对称性，因此，优选基底的单晶基板也具有相同的对称性，在蓝宝石单晶基板的情况下，优选为c面的基板；在硅单晶基板的情况下，优选为(111)面的基板。
在此，外延膜是相对于基底的基板或基底膜的结晶方位一致地取向的膜。在将膜面内设定为X-Y面，将膜厚方向设定为Z轴时，结晶随着X轴、Y轴和Z轴方向一致地取向。例如，通过首先进行利用2θ-θX射线衍射的取向位置上的峰强度的确认，其次进行极点的确认，从而可以证明外延膜。
具体来说，首先进行利用2θ-θX射线衍射的测定时，目标的面以外的全部的峰强度需要为目标的面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。例如，铌酸锂的c轴取向外延膜中，(00L)面以外的峰强度为(00L)面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。(00L)是对(001)或(002)等的等价的面进行总称的表示。
其次，在极点测定中需要看到极点。在上述的第1取向位置上的峰强度的确认的条件下，仅表示一个方向上的取向性，即使得到了上述的第1条件，在面内结晶取向不一致的情况下，特定角度位置上X射线的强度也不高，看不到极点。由于LiNbO3是三方晶系的结晶结构，因此，单晶中的LiNbO3(014)的极点为3个。在铌酸锂膜的情况下，已知在以c轴为中心旋转180°后的结晶对称地结合的、所谓双晶的状态下进行外延生长。在该情况下，成为3个极点对称地2个结合的状态，因此，极点成为6个。另外，在(100)面的硅单晶基板上形成了铌酸锂膜的情况下，由于基板成为四次对称，因此，观测到4×3＝12个极点。另外，在本发明中，以双晶的状态外延生长的铌酸锂膜也包含于外延膜中。
铌酸锂膜的组成为LixNbAyOz。A表示Li、Nb、O以外的元素。x为0.5～1.2，优选为0.9～1.05。y为0～0.5。z为1.5～4，优选为2.5～3.5。作为A的元素，有K、Na、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、V、Cr、Mo、W、Fe、Co、Ni、Zn、Sc、Ce等，也可以是2种以上的组合。
铌酸锂膜的膜厚优选为2μm以下。这是因为当膜厚加厚至其以上时，难以形成高质量的膜。另一方面，当铌酸锂膜的膜厚过薄时，铌酸锂膜中的光的限制变弱，光泄漏到基板或缓冲层并被导波。即使对铌酸锂膜施加电场，也有可能减小光波导(1a,1b)的有效折射率的变化。因此，铌酸锂膜优选为使用的光的波长的1/10左右以上的膜厚。
作为铌酸锂膜的形成方法，优选利用溅射法、CVD法、溶胶凝胶法等的膜形成方法。如果铌酸锂的c轴垂直于基板1的主面地取向，则通过与c轴平行地施加电场，从而光学折射率与电场成比例地变化。在作为单晶基板使用蓝宝石的情况下，可以直接在蓝宝石单晶基板上外延生长铌酸锂膜。在作为单晶基板使用硅的情况下，经由包覆层(未图示)通过外延生长形成铌酸锂膜。作为包覆层(未图示)，使用折射率低于铌酸锂膜且适于外延生长的包覆层。例如，如果作为包覆层(未图示)使用Y2O3，则可以形成高品质的铌酸锂膜。
另外，作为铌酸锂膜的形成方法，还已知有将铌酸锂单晶基板薄地研磨而切片的方法。该方法具有可以得到与单晶相同的特性的优点，可以适用于本发明。
在本实施方式中，缓冲层3在第1和第2光波导10a,10b上具有凹陷。具体而言，在第1和第2光波导10a,10b与第1和第2电极7,8之间设置的缓冲层3，具有在第1和第2光波导10a,10b处朝下方突出的形状。换言之，在第1和第2光波导10a,10b与第1和第2电极7,8之间设置的缓冲层3，具有在第1和第2光波导10a,10b处朝下弯曲的形状。通过这样设置的缓冲层3，能够使光波导10a,10b上的电极7,8更接近于该光波导10a,10b，能够有效地将电场施加于光波导，从而将光锁定于该光波导10a,10b内并能够抑制光的传播损耗。
如图2所示，在第1和第2光波导10a,10b上的缓冲层3的凹陷量R为
Figure BDA0002432605190000071
以上，优选为
Figure BDA0002432605190000072
更优选为
Figure BDA0002432605190000073
此处，凹陷量R为缓冲层3的上表面的最上端至上表面的最低端(凹陷的最低端)的距离。本发明的发明人为了验证缓冲层3的凹陷量R和光的传播损耗的关系，作了以下试验。其中，试样1～3、比较例是除了脊状光波导上的缓冲层的凹陷量不同以外，其余结构完全相同的光电器件。
Figure BDA0002432605190000074
Figure BDA0002432605190000081
从表中可知，当凹陷量R为
Figure BDA0002432605190000082
以上，尤其是
Figure BDA0002432605190000083
时，光的传播损耗较低。关于传播损耗的降低，虽然并未完全探明其原因，可以推测为通过凹陷，可以使电场更有效地施加于光波导，此外，通过凹陷可以避免自光波导向上方泄漏的光反射后返回并进行相互作用的情况，因此可以避免自信号光泄漏的光进行散射和反射而对信号光造成的不良影响。当凹陷量R为
Figure BDA0002432605190000084
即没有形成凹陷时，光的传播损耗较大。这可能是由于：自光波导向上方泄漏的光反射后返回并进行相互作用的情况增加，自信号光泄漏的光进行散射和反射而对信号光造成了不良影响。此外，从容易制造的角度出发，凹陷量R优选为
Figure BDA0002432605190000085
以下。
此外，在本实施方式中，从基板1的表面(上表面)到光波导10a,10b上的缓冲层3的最上部的距离，小于从基板1的表面(上表面)到未形成光波导的部分(即光波导10a,10b之间以及光波导10a,10b之外的部分)上的缓冲层3的最上部的距离。通过这样的设置，也能够使光波导10a,10b上的电极7,8更接近于该光波导10a,10b，能够有效地有效地将电场施加于光波导，从而将光锁定于该光波导10a,10b内并能够抑制光的传播损耗。
图3是本发明的另一个实施方式的光开关器件200的俯视图。图4是沿图3的B-B'线的光开关器件200的示意性截面图。光开关器件200具备：形成在基板1上的第1和第2光波导310a,310b；沿第1光波导310a设置的薄膜加热器(薄膜电极34)307；用于对薄膜加热器进行通电的配线309a,309b。其中，薄膜加热器(薄膜电极34)307以俯视与第1光波导310a重叠的方式设置于第1光波导310a的正上方。如图4所示，本实施方式的光开关器件200具有基板31、波导层32、缓冲层33以及薄膜电极层34按此顺序层叠而成的多层结构。基板31例如是硅基板，在基板31的表面上形成有由铌酸锂膜构成的波导层32。波导层32具有由脊部32r构成的第1和第2光波导310a,310b。
光开关器件200使用与第1实施方式的光调制器100相同的脊状的铌酸锂膜，并且同样是光波导埋入缓冲层的构造。光开关器件200中没有电极层4，取而代之的是薄膜加热器(薄膜电极34)307。即，在光波导310a,310b的一部分(本示例中为光波导310a)的上层形成有薄膜加热器307，通过使电流流通于薄膜加热器307中，能够对光波导310a进行加热。
光开关器件200中，在薄膜加热器307开启的状态下，使通过光波导310a的光的相位偏移，通过与另一光波导310b进行合波，从而进行光的开关。在光开关器件200中，通过使缓冲层33在薄膜加热器307侧具有凹陷，同样能够降低光的传播损耗，从而得到性能优异的光开关器件200。
另外，薄膜加热器所使用的材料，可以使用诸如MnNiCo系氧化物的热敏材料，也可以使用铂加热器。
虽然以上结合附图和实施例对本发明进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本发明。例如，上述光调制器100的说明中，以第1电极为跳变电极，第2电极为接地电极进行说明。但不限于此，第1和第2电极可以为对光波导施加电场的任意电极。本领域技术人员在不偏离本发明的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本发明进行变形和变化，这些变形和变化均落入本发明的范围内。
符号说明
100…光调制器；1…基板；2…波导层；2r…脊部；3…缓冲层；4…电极层；7…第1电极；8…第2电极；10…马赫-曾德尔光波导；10a…第1光波导；10b…第2光波导；10c…分波部；10d…合波部；10i…输入光波导；10o…输出光波导；200…光开关器件；31…基板；32…波导层；32r…脊部；33…缓冲层；34…薄膜电极层；307…薄膜加热器；309a,309b…配线；310a,310b…第1和第2光波导。

Claims (9)

1.一种光电器件，其特征在于，
具备：
基板；
光波导，由在所述基板上以脊状形成的光电材料膜构成；
缓冲层，覆盖所述光波导而设置；以及
上部电极，经由所述缓冲层设置于所述光波导上，
所述缓冲层在所述光波导上的所述上部电极侧具有凹陷。
2.一种光电器件，其特征在于，
具备：
基板；
互相相邻的第1和第2光波导，由在所述基板上以脊状形成的光电材料膜构成；
缓冲层，覆盖所述第1和第2光波导并且埋入所述第1和第2光波导之间；以及
第1和第2电极，在所述缓冲层的上方与所述第1和第2光波导相对设置，
所述缓冲层在所述第1和第2光波导上具有凹陷。
3.一种光电器件，其特征在于，
具备：
基板；
互相相邻的第1和第2光波导，由在所述基板上以脊状形成的光电材料膜构成；
缓冲层，覆盖所述第1和第2光波导并且埋入所述第1和第2光波导之间；以及
第1和第2电极，在所述缓冲层的上方与所述第1和第2光波导相对设置，
从所述基板表面到所述光波导上的缓冲层的最上部的距离，小于从所述基板表面到未形成所述光波导的部分上的缓冲层的最上部的距离。
4.如权利要求2或3所述的光电器件，其特征在于，
在所述第1和第2光波导与所述第1和第2电极之间设置的缓冲层，具有在所述第1和第2光波导处朝下方突出的形状。
5.如权利要求2或3所述的光电器件，其特征在于，
在所述第1和第2光波导与所述第1和第2电极之间设置的缓冲层，具有在所述第1和第2光波导处朝下弯曲的形状。
6.如权利要求1～5所述的光电器件，其特征在于，
所述缓冲层的凹陷量为
Figure FDA0002432605180000021
以上。
7.如权利要求1～5所述的光电器件，其特征在于，
所述缓冲层的凹陷量为
Figure FDA0002432605180000022
8.如权利要求2～5所述的光电器件，其特征在于，
所述第1和第2光波导是马赫-曾德尔光波导。
9.如权利要求2～5所述的光电器件，其特征在于，
所述基板为单晶基板，
所述光电材料膜为铌酸锂膜。
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