CN115145061A - 光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光调制器。光调制器具有基板、形成于基板的规定的区域上的电光材料层、以覆盖电光材料层的方式形成于基板上的缓冲层、和形成于缓冲层上的电极，电光材料层具有被施加调制信号并被图案化的RF部光波导和被施加直流电压并被图案化的DC部光波导，电极具有形成于RF部光波导所位于的缓冲层上的RF部电极和形成于DC部光波导所位于的缓冲层上的DC部电极，DC部电极的膜厚比RF部电极的膜厚薄。根据本发明，能够提供一种能够抑制由DC部电极中所产生的噪声信号引起的电气串扰，并且在RF部电极中传播的高频信号中能够改善高频特性并能够谋求光频带的宽频带化的光调制器。
Description
技术领域
本发明涉及一种在光通信或光学测量领域中使用的光调制器，特别是涉及一种马赫曾德尔型光调制器的电极结构。
背景技术
随着互联网的普及，通信量急剧增加，光纤通信的重要性变得非常高。光纤通信将电信号转换为光信号并通过光纤传输光信号，具有宽频带、低损耗、抗噪声等的特征。
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器的直接调制方式和使用了光调制器的外部调制方式。直接调制不需要光调制器且成本低，但是对高速调制有极限，在高速且长距离的应用中，使用外部调制方式。
作为光调制器，在铌酸锂单晶基板的表面附近通过Ti(钛)扩散形成了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)。马赫曾德尔型光调制器是使用了具有将从一个光源发出的光分成两束，使其通过不同的路径之后，再次使其叠加以引起干涉的马赫曾德尔干涉仪的构造的光波导(马赫曾德尔光波导)的光调制器，40Gb/s以上的高速的光调制器被商用化，但是其全长长达10cm左右成为大的缺点。
相对于此，在专利文献2中公开了一种使用了c轴取向的铌酸锂膜的马赫曾德尔型光调制器。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，能够大幅地小型化以及低驱动电压化。
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2019-74595号公报
发明内容
本发明人们对专利文献1和2所公开的光调制器的电极结构进行了深入研究，结果发现了本领域技术人员迄今为止未考虑到的如下的技术问题：在专利文献1和2所公开的那样的具有多个电极的光调制器中，由于电极间相互靠近，因此，相邻的DC部电极中的噪声信号会给RF部电极带来影响，导致产生了电气串扰，并且在RF部电极中传播的高频信号中无法改善高频特性而产生了使频带变窄这样的不良状况。
本发明有鉴于上述的技术问题而完成，其目的在于，提供一种能够抑制由DC部电极中所产生的噪声信号引起的电气串扰，并且在RF部电极中传播的高频信号中能够改善高频特性并能够谋求光频带的宽频带化的光调制器。
为了达成上述目的，本发明的一个方面所涉及的光调制器，其特征在于，具有：基板；电光材料层，其形成于所述基板的规定的区域上；缓冲层，其以覆盖所述电光材料层的方式形成于所述基板上；和电极，其形成于所述缓冲层上，所述电光材料层具有被施加调制信号并被图案化的RF部光波导和被施加直流电压并被图案化的DC部光波导，所述电极具有形成于所述RF部光波导所位于的所述缓冲层上的RF部电极和形成于所述DC部光波导所位于的所述缓冲层上的DC部电极，所述DC部电极的膜厚比所述RF部电极的膜厚薄。
在上述的具有RF部电极和DC部电极的光调制器中，通过使DC部电极的膜厚相对于RF部电极的膜厚变薄，从而能够充分地发挥串扰减小效果，能够有效地抑制由DC部电极中所产生的噪声信号引起的电气串扰，并且在RF部电极中传播的高频信号中能够改善高频特性并能够谋求光频带的宽频带化。此外，在上述的光调制器中，通过使用薄的DC部电极，从而还能够降低电极所使用的材料而谋求光调制器的低成本化。
另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述DC部电极的膜厚为所述RF部电极的膜厚的1/2以下。这样，通过使DC部电极的膜厚相对于RF部电极的膜厚变薄至1/2以下，从而能够更加有效地抑制由DC部电极中所产生的噪声信号引起的电气串扰，并且在RF部电极中传播的高频信号中能够更加改善高频特性并能够谋求光频带的进一步的宽频带化。
另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述DC部电极的膜厚为0.1～3.2μm，所述RF部电极的膜厚为1～8μm。
另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述DC部光波导和所述RF部光波导中的至少任一方折返地形成，所述DC部电极和所述RF部电极分别沿着所述DC部光波导和所述RF部光波导折返地形成，所述DC部电极和所述RF部电极通过该折返而相邻。在此，本发明人们对专利文献1所公开的光调制器的电极结构进行了进一步的深入研究，结果新发现了：在专利文献1所公开的那样的具有折返的2个电极的光调制器中，电极间更加容易相互靠近，因此，本发明的上述作用效果在DC部光波导和RF部光波导中的至少任一方折返地形成，DC部电极和RF部电极分别沿着DC部光波导和RF部光波导折返地形成，DC部电极和RF部电极通过该折返而相邻的结构中变得更加显著。
根据本发明的一个方面，能够提供一种能够抑制由DC部电极中所产生的噪声信号引起的电气串扰，并且在RF部电极中传播的高频信号中能够改善高频特性并能够谋求光频带的宽频带化的光调制器。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的光调制器的俯视图。
图2是本发明的实施方式所涉及的光调制器的图1的A-A’线截面图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。在此，在附图的说明中，对相同或者相当的要素标记相同的符号，省略重复的说明。
(第一实施方式)
图1是本发明的实施方式所涉及的光调制器的俯视图。图2是本发明的实施方式所涉及的光调制器的图1的A-A’线截面图。如图1所示，本实施方式所涉及的光调制器100具有形成于基板1上的4个光波导10。但是，光波导10的数量没有特别的限定，也可以具有1～3个或5个以上的光波导10。
光波导10在平面上折返而形成。例如，在本实施方式中，光波导10在平面上折返2次而形成，从而包含互相平行地配置的第一至第三线直线部10e1、10e2、10e3、连接第一直线部10e1和第二直线部10e2的第一弯曲部10f1、以及连接第二直线部10e2和第三直线部10e3的第二弯曲部10f2。但是，并不限于此，光波导10也可以在平面上折返3次以上而形成。
在光调制器中，元件长度长是实用上的大的技术问题，但是，如图1所示，通过将光波导折返来构成，可以大幅地缩短元件长度，并且可以得到显著的效果。特别地，由铌酸锂膜形成的光波导具有即使将曲率半径减小至例如50μm左右，损耗也小的特征，适用于本实施方式。
光波导10是具有第一光波导10a以及第二光波导10b的马赫曾德尔光波导。马赫曾德尔光波导10是具有马赫曾德尔干涉仪的构造的光波导。具有从一根输入光波导10i被分波部10c分支的第一和第二光波导10a、10b，第一和第二光波导10a、10b经由合波部10d而具有多根输出光波导10o1、10o2、10o3、10o4。输入光Si在分波部10c被分波且分别在第一和第二光波导10a、10b行进之后，在合波部10d被合波，调制光So从多根输出光波导10o1、10o2、10o3、10o4输出。具体来说，输入光Si被输入至第一直线部10e1的一端，从第一直线部10e1的一端向另一端行进，在第一弯曲部10f1处折返并从第二直线部10e2的一端向另一端以与第一直线部10e1相反的方向行进，进一步在第二弯曲部10f2处折返并从第三直线部10e3的一端向另一端以与第一直线部10e1相同的方向行进。
如图2所示，光调制器100具有基板1、作为电光材料层的波导层2、缓冲层3和电极层4按该顺序层叠而成的多层构造。基板1例如是蓝宝石基板。在基板1的表面上形成有由以铌酸锂(LiNbO3，以下，称为“LN”)为代表的电光材料构成的波导层2。波导层2具有由脊部2r构成的第一和第二光波导10a、10b。
缓冲层3是为了防止在第一和第二光波导10a、10b中传播的光被电极4a、4b吸收，而以覆盖波导层2的上表面中的未形成脊部的区域的整个面、以及脊部2r的侧面和上表面的方式形成于基板1上的层。缓冲层3只要能够起到作为光波导与电极之间的中间层的作用即可，并且缓冲层3的材料只要是非金属，可以广泛地选择。例如，缓冲层3可以使用由金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物等的绝缘材料构成的陶瓷层。缓冲层3的材料可以是结晶性的材料也可以是非晶质的材料。缓冲层3优选由折射率比波导层2低且透明性高的材料构成，例如，可以使用Al2O3、SiO2、LaAlO3、LaYO3、ZnO、HfO2、MgO、Y2O3等。形成于光波导上的缓冲层3的厚度可以为0.2～1.2μm左右。在本实施方式中，缓冲层3不仅覆盖第一和第二光波导10a、10b的上表面，而且覆盖波导层2的上表面中的未形成脊部2r的区域的整个面、以及脊部2r的侧面，但是，只要是缓冲层3至少形成于波导层2的脊部2r的上表面即可，缓冲层3也可以以选择性地仅覆盖第一和第二光波导10a、10b的上表面附近的方式被图案化。
为了减小电极的光吸收，缓冲层3的膜厚越厚越好，并且为了对第一和第二光波导10a、10b施加高的电场，缓冲层3的膜厚越薄越好。由于电极的光吸收与电极的施加电压是权衡(Trade-off)的关系，因此有必要根据目的来设定适当的膜厚。缓冲层3的介电常数越高，则越可以减小VπL(表示电场效率的指标)，因而优选，缓冲层3的折射率越低，则可以使缓冲层3越薄，因而优选。优选根据用途适当选择介电常数及折射率。在光调制器用途中，优选考虑相对介电常数来设计。在本实施方式中，为了VπL的减小，相对介电常数优选为6～18。此时，能够优选使用的材料可列举LaAlO3、LaYO3等的材料。当然不限于记载的组成，更优选为相对介电常数比较高的材料。
电极层4设置于缓冲层3上。在电极层4设置有RF部电极4a和DC部电极4b。RF部电极4a与对应于第一和第二光波导10a、10b的脊部2r重叠地设置，经由缓冲层3而与第一和第二光波导10a、10b相对。DC部电极4b与对应于第一和第二光波导10a、10b的脊部2r重叠地设置，经由缓冲层3而与第一和第二光波导10a、10b相对。
尽管没有图示，但也能够用介电常数比较低的材料覆盖电极4的周围。没有特别的限定，但能够用SiN、SiO2、Al2O3、树脂(聚酰亚胺、聚酰胺、环氧、丙烯酸)来覆盖。
在对RF部电极4a输入调制信号(交流信号)的情况下，由于第一和第二光波导10a、10b由铌酸锂等的具有电光效应的材料构成，因此，根据赋予第一和第二光波导10a、10b的电场，第一和第二光波导10a、10b的折射率分别如+Δn、-Δn那样变化，一对光波导10a、10b之间的相位差改变。由该相位差的变化调制的信号光从输出光波导被输出。
在对DC部电极4b输入直流偏压(DC偏压)的情况下，DC部电极4b的形成区域设置成靠近马赫曾德尔光波导10的输出端侧，但是也可以设置成靠近输入端侧。如图1所示，优选DC部电极相较于RF部电极配置于外侧。再有，更优选为RF部电极以被多个DC部电极夹持的方式配置的方式。
波导层2只要是由电光材料构成的电光材料层，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常数，适合作为光调制器等光学设备的构成材料。以下，对将波导层2设为铌酸锂膜的情况下的本实施方式的结构进行详细的说明。
作为基板1，只要是折射率比铌酸锂膜低的基板，就没有特别限定，但优选为可以将铌酸锂膜作为外延膜而形成的基板，优选蓝宝石单晶基板或硅单晶基板。单晶基板的晶体方位没有特别限定。铌酸锂膜相对于各种晶体方位的单晶基板，具有容易作为c轴取向的外延膜而形成等的性质。由于c轴取向的铌酸锂薄膜具有三重对称性，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c面，在硅单晶基板的情况下，优选(111)面的基板。
在此，外延膜是指，相对于基底的基板或基底膜的晶体方位一致地取向的膜。当将膜面内设为X-Y面且将膜厚方向设为Z轴时，晶体沿X轴、Y轴和Z轴方向均一致地取向。例如，可以通过进行：第一，利用2θ-θX射线衍射的取向位置处的峰强度的确认；第二，极点的确认，来证明外延膜。
具体地，在进行：第一，利用2θ-θX射线衍射的测定时，作为目标的面之外的所有的峰强度需要为作为目标的面的最大峰强度的10％以下，优选为5％以下。例如，在铌酸锂的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)是将(001)或(002)等的等价的面总称的表示。
第二，在极点测定中，需要能够看到极点。在上述的第一取向位置处的峰强度的确认的条件中，仅示出了一个方向上的取向性，即使取得了上述的第一条件，在面内晶体取向不一致的情况下，在特定角度位置处X射线的强度不会增加，并且看不到极点。由于LiNbO3是三角晶系的晶体构造，所以单晶中的LiNbO3(014)的极点为3个。在铌酸锂膜的情况下，已知有以c轴为中心旋转180°的晶体对称地耦合的、所谓以孪晶的状态进行外延生长。在这种情况下，由于3个极点是对称地两个耦合的状态，因此极点为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，由于基板是四重对称的，因此观察到4×3＝12个极点。此外，在本发明中，以孪晶的状态进行外延生长的铌酸锂膜也包含于外延膜。
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，也可以是两种以上的组合。
铌酸锂膜的膜厚优选为2μm以下。这是因为，如果膜厚比2μm厚，则难以形成高品质的膜。另一方面，在铌酸锂膜的膜厚过薄的情况下，铌酸锂膜中的光的限制变弱，光会泄漏至基板1或缓冲层3。即使对铌酸锂膜施加电场，第一和第二光波导10a、10b的有效折射率的变化也有变小的担忧。因此，铌酸锂膜优选为所使用的光的波长的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-凝胶法的膜形成方法。铌酸锂的c轴垂直于基板1的主面地取向，通过平行于c轴地施加电场，使光学折射率与电场成比例地变化。在使用蓝宝石作为单晶基板的情况下，可以在蓝宝石单晶基板上直接地使铌酸锂膜外延生长。在使用硅作为单晶基板的情况下，经由包覆层(未在图中示出)而通过外延生长形成铌酸锂膜。作为包覆层(未在图中示出)，使用折射率比铌酸锂膜低并且适于外延生长的材料。例如，当使用Y2O3作为包覆层(未在图中示出)时，可以形成高品质的铌酸锂膜。
此外，作为铌酸锂膜的形成方法，还已知有将铌酸锂单晶基板薄抛光或切片的方法。该方法具有能够获得与单晶相同的特性等的优点，并且可以适用于本发明。
在本实施方式中，波导层2形成于基板1的规定的区域上，具有被施加调制信号并被图案化的RF部光波导2a和被施加直流电压并被图案化的DC部光波导2b。在图2中，图示了RF部光波导2a包含4个脊部2r，DC部光波导2b包含2个脊部2r。
电极具有形成于RF部光波导2a所位于的缓冲层3上的RF部电极4a和形成于DC部光波导2b所位于的缓冲层3上的DC部电极4b。DC部电极4b的膜厚t1比RF部电极4a的膜厚t2薄。
在上述的具有RF部电极和DC部电极的光调制器中，通过使DC部电极的膜厚相对于RF部电极的膜厚变薄，从而能够充分地发挥串扰减小效果，能够有效地抑制由DC部电极中所产生的噪声信号引起的电气串扰，并且在RF部电极中传播的高频信号中能够改善高频特性并能够谋求光频带的宽频带化。此外，在上述的光调制器中，通过使用薄的DC部电极，从而还能够降低电极所使用的材料而谋求光调制器的低成本化。
另外，在本实施方式中，DC部电极4b的膜厚t1优选为RF部电极4a的膜厚t2的1/2以下。这样，通过使DC部电极的膜厚相对于RF部电极的膜厚变薄至1/2以下，从而能够更加有效地抑制由DC部电极中所产生的噪声信号引起的电气串扰，并且在RF部电极中传播的高频信号中能够更加改善高频特性并能够谋求光频带的进一步的宽频带化。
另外，在本实施方式中，DC部电极4b的膜厚t1优选为0.1～3.2μm，RF部电极4a的膜厚t2优选为1～8μm。
另外，在图2中，也能够将4个排列的RF部电极4a的外侧的电极作为接地电极来使用，从而能够得到更高的串扰减小效果。
(实施例)
分别按照下述的表1制作实施例1～7以及比较例1的光调制器并测定它们的电气串扰，并将结果表示于表1中。
| DC部电极4b的膜厚t1 | RF部电极4a的膜厚t2 | t1/t2 | 电气串扰 | |
| 实施例1 | 0.1 | 3.0 | 0.033 | -56.0dB |
| 实施例2 | 0.3 | 4.0 | 0.075 | -58.0dB |
| 实施例3 | 2.0 | 8.0 | 0.25 | -55.0dB |
| 实施例4 | 2.0 | 4.0 | 0.5 | -56.0dB |
| 实施例5 | 3.0 | 6.0 | 0.5 | -56.2dB |
| 实施例6 | 3.2 | 4.3 | 0.744 | -47.0dB |
| 实施例7 | 0.9 | 1.0 | 0.9 | -48.0dB |
| 比较例1 | 4.0 | 4.0 | 1 | -34.0dB |
根据上述表1可知，如果比较实施例1～7和比较例1，则通过在实施例1～7中DC部电极4b的膜厚t1相对于RF部电极4a的膜厚t2变薄(即，DC部电极4b的膜厚t1与RF部电极4a的膜厚t2的比t1/t2为“t1/t2<1”)，从而能够有效地抑制由DC部电极4b中所产生的噪声信号引起的电气串扰(即，将电气串扰抑制为“-45.0dB以下”)。此外，根据上述表1可知，通过使DC部电极4b的膜厚t1为RF部电极4a的膜厚t2的1/2以下(即，DC部电极4b的膜厚t1与RF部电极4a的膜厚t2的比t1/t2为“t1/t2≦0.5”)，从而能够更加有效地抑制由DC部电极中所产生的噪声信号引起的电气串扰(即，将电气串扰抑制为“-55.0dB以下”)，此外，根据上述表1可知，作为优选的范围，DC部电极4b的膜厚t1为0.1～3.2μm的范围内，RF部电极4a的膜厚t2为1～8μm的范围内。
以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但是本发明不限于上述的实施方式，在不脱离本发明的要旨的范围内可以进行各种变更，不用说它们也包含于本发明的范围内。
例如，在上述实施方式中，列举了具有分别具有由在基板1上外延生长的铌酸锂膜形成的一对光波导10a、10b的4个光波导10的光调制器，但是，本发明不限于该结构，也可以是由钛酸钡、锆钛酸铅等的电光材料形成光波导的光调制器。另外，作为波导层2，也可以使用具有电光效应的半导体材料、高分子材料等。
另外，在上述实施方式中，列举了光波导在平面上折返而形成的例子，但是，并不限于此，光波导也可以在平面上不折返而呈直线状延伸。在该情况下，输入光可以从直线状的光波导的一端输入并在该光波导中传播后从另一端输出。
另外，RF部电极只要是相较于DC部电极更厚地形成即可，其电极形状没有特别限定。RF部电极的上部可以在金属蘑菇形体上悬挂(overhang)，也可以设为倒梯形的电极。相反的，也可以是上部小的梯形。其中，优选在观察截面时电极的上部的宽度大的电极。
另外，优选该电极通过镀敷形成。
Claims (4)
1.一种光调制器，其特征在于，
具有：
基板；
电光材料层，其形成于所述基板的规定的区域上；
缓冲层，其以覆盖所述电光材料层的方式形成于所述基板上；和
电极，其形成于所述缓冲层上，
所述电光材料层具有被施加调制信号并被图案化的RF部光波导和被施加直流电压并被图案化的DC部光波导，
所述电极具有形成于所述RF部光波导所位于的所述缓冲层上的RF部电极和形成于所述DC部光波导所位于的所述缓冲层上的DC部电极，
所述DC部电极的膜厚比所述RF部电极的膜厚薄。
2.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，
所述DC部电极的膜厚为所述RF部电极的膜厚的1/2以下。
3.如权利要求1或2所述的光调制器，其特征在于，
所述DC部电极的膜厚为0.1～3.2μm，所述RF部电极的膜厚为1～8μm。
4.如权利要求1～3中任一项所述的光调制器，其特征在于，
所述DC部光波导和所述RF部光波导中的至少任一方折返地形成，
所述DC部电极和所述RF部电极分别沿着所述DC部光波导和所述RF部光波导折返地形成，
所述DC部电极和所述RF部电极通过该折返而相邻。
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