CN114326251A - 电光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电光器件，其具备：基板、形成于基板上的光波导、以及形成于光波导上的上部电极，电光器件还具备形成于基板和上部电极之间的缓冲层，光波导和缓冲层的边界部形成与光波导和缓冲层不同组成的氧化物层。根据本发明的电光器件，能够抑制光的传播损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于光通信和光学测量领域的电光器件。
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。
作为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。
在专利文献1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(LN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9示出了专利文献1中记载的现有的光调制器800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。
在专利文献1中，LN膜和缓冲层23直接接触，缓冲层23的边界处的铌酸锂膜容易产生氧缺陷，由此会导致传波损耗恶化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-195383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能够向缓冲层边界处的LN膜的提供氧，从而抑制LN膜的氧缺陷的电光器件，具备：基板、形成于所述基板上的光波导、以及形成于所述光波导上的上部电极，所述电光器件还具备形成于所述基板和所述上部电极之间的缓冲层，所述光波导和所述缓冲层的边界部形成与所述光波导和所述缓冲层不同组成的氧化物层。
另外，本发明的电光器件中，优选地，所述光波导具有形成于所述基板上的平板部、在所述平板部上隆起的脊部，所述氧化物层至少形成于所述脊部的顶面。
另外，本发明的电光器件中，优选地，所述氧化物层还形成于所述脊部的侧面。
另外，本发明的电光器件中，优选地，所述氧化物层还形成于所述平板部的顶面。
另外，本发明的电光器件中，优选地，所述氧化物层为单一元素的氧化物，并且为非晶质。
另外，本发明的电光器件中，优选地，所述氧化物层的氧的mol比率为60％以上。
另外，本发明的电光器件中，优选地，所述氧化物层为Cr、Al、Si、Ti、Mn、Ta中任意一种的氧化物。
另外，本发明的电光器件中，优选地，所述缓冲层为M-Si-O类，其中，M为Al、Zr、Hf、La、Ba、Bai、Ti、Ca、Mo、In中的至少一种以上。
另外，本发明的电光器件中，可选地，所述氧化物层仅形成于所述脊部的侧面和所述平板部的顶面。
另外，本发明的电光器件中，可选地，所述氧化物层仅形成于所述脊部的侧面。
另外，本发明的电光器件中，可选地，所述氧化物层仅形成于所述平板部的顶面。
发明的效果
根据本发明的电光器件，能够抑制缓冲层边界处的LN膜的氧缺陷，从而减小光传输损耗。
附图说明
图1(a)和图1(b)是本发明的第1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是本发明的另一实施方式的光调制器200的示意性截面图。
图4是本发明的另一实施方式的光调制器300的示意性截面图。
图5是本发明的另一实施方式的光调制器400的示意性截面图。
图6是本发明的另一实施方式的光调制器500的示意性截面图。
图7是本发明的另一实施方式的光调制器600的示意性截面图。
图8是本发明的另一实施方式的光调制器700的示意性截面图。
图9是现有技术的光调制器800的示意性截面图。
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至少具有基板1、波导层2、第1缓冲层31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具有由平板部2s和在平板部2s上隆起的脊部2r构成的第1和第2光波导10a,10b。
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，第一缓冲层31至少形成在波导层2的脊部2r的上表面。因此，第一缓冲层31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，并且第一缓冲层31的材料只要是非金属，可以广泛地选择。例如，第一缓冲层31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，作为第一缓冲层31，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。
在电极层4，设置有第1电极7、第2电极8。第1电极7至少经由第一缓冲层31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至少经由第一缓冲层31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。
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。
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，波导层2和第一缓冲层31的边界部形成与波导层2和第一缓冲层31不同组成的氧化物层32。具体而言，如图2所示，氧化物层32形成于第一缓冲层31之下，覆盖脊部2r的上表面。此外，在脊部2r之间且在平板部2s之上还形成有第二缓冲层33。通过氧化物层32形成于脊部2r的上表面，氧化物层32中的氧能够被提供到LN膜，从而抑制LN膜中的氧缺陷。
在俯视时，第二缓冲层33形成于与第1和第2光波导10a，10b不重叠的位置。第二缓冲层33覆盖波导层2的上表面中未形成脊部2r的区域的整体，脊部2r的侧面也被第二缓冲层33覆盖，能够防止脊部2r的侧面的粗糙产生的散射损失。第二缓冲层33的厚度与波导层2的脊部2r的高度大致相同。第二缓冲层33的材料没有特别的限定，例如可以使用氧化硅(SiO2)。此处，第二缓冲层33与氧化物层32是不同工序中形成的膜层。此外，第二缓冲层33的材料可以与第一缓冲层31相同，也可以与第一缓冲层31不同。
氧化物层32优选为单一元素的氧化物，并且为非晶质。在氧化物层32为非晶质的情况下，与结晶化的情况相比，更容易从氧化物层32向LN膜提供氧。
氧化物层32的氧的mol比率优选为60％以上。在氧的mol比率高的情况下，在退火时能够向LN膜填充氧。氧化物层32可以为Cr、Al、Si、Ti、Mn、Ta中任意一种的氧化物。第一缓冲层31可以为M-Si-O类，其中，M为Al、Zr、Hf、La、Ba、Bai、Ti、Ca、Mo、In中的至少一种以上。
此外，氧化物层32的膜密度越高，能够使氧化物层32的氧构成比提高。氧化物层32例如通过CVD成膜、溅射成膜等形成。在氧化物层32形成之后，再进行退火工序。
在光调制器100中，通过将氧化物层32形成于波导层2的脊部2r与第一缓冲层31之间，能够抑制缓冲层边界处的LN膜的氧缺陷所引起的传播损耗。
图3是本发明的另一实施方式的光调制器200的示意性截面图。如图3所示，氧化物层32形成于第一缓冲层31之下，覆盖脊部2r和平板部2s的上表面。此外，在脊部2r之间也形成有氧化物层32。即，脊部2r的侧面也被氧化物层32覆盖。
在光调制器200中，通过将氧化物层32形成于波导层2与第一缓冲层31之间，能够抑制缓冲层边界处的LN膜的氧缺陷所引起的传播损耗。
图4是本发明的另一实施方式的光调制器300的示意性截面图。如图4所示，氧化物层32以沿着波导层2的外表面的方式延伸设置。即，氧化物层32覆盖脊部2r的上表面和侧面、以及平板部2s的上表面。第二缓冲层33覆盖氧化物层32，第二缓冲层33的厚度与氧化物层32的最上表面的高度大致相同。第一缓冲层31以覆盖氧化物层32、第二缓冲层33的方式形成。此处，第一缓冲层31和第二缓冲层33也可以由同一缓冲层构成。
在光调制器300中，通过将氧化物层32沿LN膜的边界设置，能够抑制缓冲层边界处的LN膜的氧缺陷所引起的传播损耗。
图5是本发明的另一实施方式的光调制器400的示意性截面图。如图5所示，氧化物层32仅覆盖脊部2r的上表面。第二缓冲层33形成于与第1和第2光波导10a，10b不重叠的位置。第二缓冲层33覆盖波导层2的上表面中未形成脊部2r的区域的整体，脊部2r的侧面也被第二缓冲层33覆盖，能够防止脊部2r的侧面的粗糙产生的散射损失。第二缓冲层33的厚度与氧化物层32的上表面的高度大致相同。第一缓冲层31以覆盖氧化物层32、第二缓冲层33的方式形成。此处，第一缓冲层31和第二缓冲层33也可以由同一缓冲层构成。
在光调制器400中，通过将氧化物层32设置于第1和第2光波导10a，10b和缓冲层之间，能够抑制缓冲层边界处的LN膜的氧缺陷所引起的传播损耗。
图6是本发明的另一实施方式的光调制器500的示意性截面图。如图6所示的光调制器500与图4所示的光调制器300的区别仅在于，氧化物层32未覆盖脊部2r的上表面。在光调制器500中，通过将氧化物层32设置于波导层2的平板部2s的上表面和脊部2r的侧面，能够抑制缓冲层边界处的LN膜的氧缺陷所引起的传播损耗。
图7是本发明的另一实施方式的光调制器600的示意性截面图。如图7所示的光调制器600与图6所示的光调制器500的区别仅在于，氧化物层32仅覆盖脊部2r的侧面。在光调制器500中，通过将氧化物层32设置于波导层2的脊部2r的侧面，能够抑制缓冲层边界处的LN膜的氧缺陷所引起的传播损耗。
图8是本发明的另一实施方式的光调制器700的示意性截面图。如图8所示的光调制器700与图6所示的光调制器500的区别仅在于，氧化物层32仅覆盖平板部2s的上表面。在光调制器700中，通过将氧化物层32设置于波导层2的平板部2s的上表面，能够抑制缓冲层边界处的LN膜的氧缺陷所引起的传播损耗。
[实施例]
将具有图2所示的截面结构的电光器件100作为实施例，并将该器件中未形成氧化物层32的光电器件作为比较例，对实施例和比较例的光的传输衰减进行了比较。
实施例1
在实施例1中，通过CVD成膜在第二缓冲部33及脊部2r上形成50nm厚的SiO2层32，并且该SiO2层32为非晶质。而在比较例1中，其他结构均与实施例1相同，不同之处仅在于未形成SiO2层32。该实施例1的评价结果如表1所示。
[表1]
从表1中可以看出，通过在第二缓冲部33及脊部2r上形成50nm的SiO2的氧化物膜，能够降低光的传输损耗，提高成品率。
实施例2
在实施例2中，通过CVD成膜在第二缓冲部33及脊部2r上形成100nm厚的SiO2层32，并且该SiO2层32为非晶质。而在比较例2中，其他结构均与实施例2相同，不同之处仅在于未形成SiO2层32。实施例2的评价结果如表2所示。
[表2]
从表2中可以看出，通过第二缓冲部33及脊部2r上形成100nm的SiO2的氧化物膜，能够降低光的传输损耗，提高成品率。
实施例3
在实施例3中，通过CVD成膜在第二缓冲部33及脊部2r上形成50nm厚的Al2O3层32，并且该Al2O3层32为非晶质。而在比较例3中，其他结构均与实施例3相同，不同之处仅在于未形成Al2O3层32。实施例3的评价结果如表3所示。
[表3]
从表3中可以看出，通过第二缓冲部33及脊部2r上形成50nm的Al2O3的氧化物膜，能够降低光的传输损耗，提高成品率。
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
1…基板；2…波导层；31…第一缓冲层；32…氧化物层；33…第二缓冲层；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。
Claims (8)
1.一种电光器件，其特征在于，
具备：基板、形成于所述基板上的光波导、以及形成于所述光波导上的上部电极，
所述电光器件还具备形成于所述基板和所述上部电极之间的缓冲层，
所述光波导和所述缓冲层的边界部形成与所述光波导和所述缓冲层不同组成的氧化物层。
2.如权利要求1所述的电光器件，其特征在于，
所述光波导具有形成于所述基板上的平板部、在所述平板部上隆起的脊部，
所述氧化物层至少形成于所述脊部的顶面。
3.如权利要求2所述的电光器件，其特征在于，
所述氧化物层还形成于所述脊部的侧面。
4.如权利要求2或3所述的电光器件，其特征在于，
所述氧化物层还形成于所述平板部的顶面。
5.如权利要求1～4中任一项所述的电光器件，其特征在于，
所述氧化物层为单一元素的氧化物，并且为非晶质。
6.如权利要求1～5中任一项所述的电光器件，其特征在于，
所述氧化物层的氧的mol比率为60％以上。
7.如权利要求1～6中任一项所述的电光器件，其特征在于，
所述氧化物层为Cr、Al、Si、Ti、Mn、Ta中任意一种的氧化物。
8.如权利要求1～7中任一项所述的电光器件，其特征在于，
所述缓冲层为M-Si-O类，其中，M为Al、Zr、Hf、La、Ba、Bai、Ti、Ca、Mo、In中的至少一种以上。
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