CN115903134A - 光学器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学器件，具备：基板；形成于所述基板上的具有不同厚度的平板部的多个光波导路径。根据本发明的光学器件，能够抑制各个光波导路径中的传播损耗。

Description

光学器件
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学器件。
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。
图7为现有技术的光学器件700的截面示意图。光学器件700具有基板710、光波导路径721,722,723、和缓冲层730。光波导路径721,722,723中分别传播三种不同波长的光。但是，图7中的光学器件700中，多个波长的光入射时，各个光波导路径的传播损耗会有恶化的担忧。
专利文献1公开了具有不同厚度的光波导路径的光学器件。但是，在多个波长的光入射时，期待更低的传播损耗。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2013-44805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学器件，其特征在于，具备：基板；形成于所述基板上的具有不同厚度的平板部的多个光波导路径。由此，对应于传输光的波长使各个光波导路径的厚度不同，能够抑制各个光波导路径的传播损耗。并且，通过在基板上形成多个光波导路径，能够容易地与光纤连接，降低结合损耗。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述光波导路径进一步具有脊部，所述多个光波导路径中，所述脊部的厚度不同。由此，能够进一步抑制各个光波导路径的传播损耗。
另外，本发明的光学器件中，优选地，形成有覆盖所述多个光波导路径的氧化物层。由此，能够抑制光波导路径中传播的光被吸收，进一步抑制各个光波导路径的传播损耗。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述平板部的厚度比全部的多个不同的所述脊部的厚度薄。由此，能够进一步抑制各个光波导路径的传播损耗。此外，通过在薄的平板部上连接，能够容易地光波导路径施加电压，从而使信号调制变得容易，能够进行色彩的微调。另外，由于可以共用接地电极，能够使光学器件小型化。
另外，本发明的光学器件中，优选地，在对应的脊部透过的光的波长越长，所述平板部的厚度相对于所述脊部的厚度的比例越低。由此，能够抑制不要模式的光传播，进一步抑制各个光波导路径的传播损耗。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述脊部上的所述氧化层的厚度相同。
另外，本发明的光学器件中，优选地，在所述氧化物层上具备电极，所述电极形成于所述氧化物层的一侧面上。
另外，本发明的光学器件中，优选地，所述光波导路径由包含锂的氧化物形成。
另外，本发明的光学器件中，优选地，包含所述锂的氧化物为外延生长的铌酸锂或钽酸锂。
发明的效果
根据本发明的光学器件，能够在一个器件(芯片)中实现多条光路传播，并抑制各个光波导路径的传播损耗。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的光学器件100的俯视图。
图2是沿图1的A-A'线的光学器件100的示意性截面图。
图3是沿图1的A-A'线的光学器件100的变形例100A的示意性截面图。
图4是本发明的第二实施方式的光学器件200的俯视图，图4A仅示出光波导，图4B示出包括行波电极的光学器件200的整体。
图5是沿图4B的B-B'线的光学器件200的示意性截面图。
图6是沿图4B的B-B'线的光学器件200的变形例200A的示意性截面图。
图7是有现有技术的光学器件700的示意图。
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。
[第一实施方式]
图1是本发明的第一实施方式的光学器件100的俯视图。图2是沿图1的A-A'线的光学器件100的示意性截面图。
图1和图2所示的光学器件100具有基板10、光波导层20、和缓冲层30。光波导层20由铌酸锂膜或钽酸锂膜构成。第一可见光(例如红色可见光)作为输入信号S1i被输入光学器件100，在光波导路径20a传播后，作为输出信号S1o被输出。第二可见光(例如绿色可见光)作为输入信号S2i被输入光学器件100，在光波导路径20b传播后，作为输出信号S2o被输出。第三可见光(例如蓝色可见光)作为输入信号S3i被输入光学器件100，在光波导路径20c传播后，作为输出信号S3o被输出。由此，第一至第三可见光能够在一个器件(芯片)中进行传输。
基板10只要是折射率比构成光波导层20的铌酸锂膜低的基板就没有特别限定，但优选为能够将铌酸锂膜或钽酸锂膜形成为外延膜的基板。以下，以铌酸锂膜为例进行说明。基板10例如可以是蓝宝石单晶基板、硅单晶基板、氧化铝(Al2O3)单晶基板等单晶基板。单晶基板的晶体取向没有特别限定。构成光波导层20的铌酸锂膜具有相对于各种晶体取向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3次对称的对称性。因此，作为基底即基板10使用的单晶基板也优选具有相同的对称性。基板10例如在蓝宝石单晶基板及氧化铝单晶基板的情况下可以是c面的基板，在硅单晶基板的情况下可以是(111)面的基板。
构成光波导层20的铌酸锂膜由包含铌酸锂的可见光透过性材料形成。可见光透过性材料只要对由激光光源11生成的可见光具有透过性即可，无需对可见光整个区域具有透过性。
形成铌酸锂膜的铌酸锂可以包含锂(Li)、铌(Nb)、氧(O)以外的元素。铌酸锂可以为下述式(I)所示的化合物。
(I)LixNbAyOz
式(I)中，A表示Li、Nb、O以外的元素。作为由A表示的元素，可以举出K、Na、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、V、Cr、Mo、W、Fe、Co、Ni、Zn、Sc、Ce等。这些元素可以单独使用1种，也可以组合使用2种以上。x表示0.5以上且1.2以下的数。x优选为0.9以上且1.05以下的数。y表示0以上0.5以下的数。z表示1.5以上4.0以下的数。z优选表示2.5以上且3.5以下的数。
光波导层20具有第一光波导路径20a、第二光波导路径20b、第三光波导路径20c。第一光波导路径20a包括第一脊部21a和第一平板部22a。第二光波导路径20b包括第二脊部21b和第二平板部22b。第三光波导路径20c包括第三脊部21c和第三平板部22c。在由脊部和平板部构成的光波导路径中，光的传播主要集中于脊部。在光学器件100中，第一脊部21a成为传播由激光光源发出的第一可见光(红光)的主要传输路径。第一脊部21a中的第一可见光的传输方向是第一可见光传播的方向。第二脊部21b成为传播由激光光源发出的第二可见光(绿光)的主要传输路径。第二脊部21b中的第二可见光的传输方向是第二可见光传播的方向。第三脊部21c成为传播由激光光源发出的第三可见光(蓝光)的主要传输路径。第三脊部21c中的第三可见光的传输方向是第三可见光传播的方向。
为了抑制各个光波导路径中的传播损耗，光波导路径的厚度可以根据传输的光的波长来设定。如图2所示，第三平板部22c的厚度T3小于第二平板部22b的厚度T2，并且第二平板部22b的厚度T2小于第一平板部22a的厚度T1。也就是说，在对应的光波导路径透过的光的波长越长，则平板部的厚度越大。另外，优选地，第三脊部21c的厚度T6小于第二脊部21b的厚度T5，并且第二脊部21b的厚度T5小于第一脊部21a的厚度T4。也就是说，在对应的光波导路径透过的光的波长越长，则脊部的厚度越大。由此，对应于传输光的波长使各个光波导路径20a、20b、20c的厚度不同，能够抑制各个光波导路径20a、20b、20c的传播损耗。并且，通过在基板10上形成多个光波导路径20a、20b、20c，能够容易地与光纤连接，降低结合损耗。
另外，优选地，第一平板部22a的厚度T1小于第三脊部21c的厚度T6。也即是说，第一平板部22a、第二平板部22b、第三平板部22c中厚度最大者的厚度也小于第一脊部21a、第二脊部21b、第二脊部21c中厚度最小者的厚度。由此，能够进一步抑制各个光波导路径20a、20b、20c的传播损耗。
另外，优选地，在对应的脊部透过的光的波长越长，则平板部的厚度相对于脊部的厚度的比例越低。具体而言，传播红光的第一平板部22a的厚度相对于第一脊部21a的比例(T1/T4)小于等于传播绿光的第二平板部22b的厚度相对于第二脊部21b的比例(T2/T5)，并且，传播绿光的第二平板部22b的厚度相对于第二脊部21b的比例(T2/T5)小于等于传播蓝光的第三平板部22c的厚度相对于第三脊部21c的比例(T3/T6)。由此，能够抑制不要模式的光传播，进一步抑制各个光波导路径20a、20b、20c的传播损耗。
光波导层20的平板部22a～22b的厚度优选处于1nm以上200nm以下的范围内。另外，光波导层20也可以不具有平板部22a、22b、22c而仅由脊部21a、21b、21c构成。
构成光波导层20的铌酸锂膜可以是外延膜。在此，外延膜是指通过在基板10上生长而使晶体取向一致的单晶的膜。即，所谓外延膜，是在膜厚方向和膜面内方向具有单一的晶体取向的膜，在将膜面内设为X-Y面、将膜厚方向设为Z轴时，晶体在X轴、Y轴和Z轴方向均一致地取向。是否为外延膜例如能够通过进行2θ-θX射线衍射中的取向位置处的峰强度和极点的确认来证明。
作为铌酸锂膜的形成方法，例如能够利用溅射法、CVD法、溶胶-凝胶法等薄膜形成方法。铌酸锂膜的c轴相对于基板10的主面垂直地取向，通过与c轴平行地施加电场，光学折射率与电场成比例地变化。在使用蓝宝石单晶基板作为基板10的情况下，也可以在蓝宝石单晶基板上直接使铌酸锂膜外延生长。在使用硅单晶基板作为基板10的情况下，也可以隔着包覆层通过外延生长形成铌酸锂膜。作为包覆层，使用折射率比铌酸锂膜低、适于外延生长的包覆层。例如，若使用Y2O3作为包覆层，则能够形成高品质的铌酸锂膜。由脊部构成的光波导路径21能够通过使用光刻法等方法将铌酸锂膜图案形成为期望的形状的方法来形成。
通过使铌酸锂膜为外延膜，铌酸锂膜的可见光透过性提高。
为了防止在光波导路径21中传播的可见光被吸收，缓冲层(氧化物层)30形成于光波导层20上。缓冲层30优选折射率小于光波导层20。缓冲层30优选为电介质。作为缓冲层30的材料，能够使用氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化镧(La2O3)或这些氧化物的复合物等。作为复合物，例如可以使用SiAlLaOx。作为缓冲层的形成方法，例如能够利用溅射法、CVD法、溶胶-凝胶法等薄膜形成方法。
优选地，位于第一脊部21a、第二脊部21b、第三脊部21c上的缓冲层的厚度优选为相等。具体而言，如图2所示，第一脊部21a上的缓冲层30的厚度T7、第二脊部21b上的缓冲层30的厚度T8、第三脊部21c上的缓冲层30的厚度T9优选为互相相等。
根据第一实施方式的光学器件100，在一个芯片中形成三种光波导路径，能够抑制各个光波导路径20a、20b、20c的传播损耗。
图3是沿图1的A-A'线的光学器件100的变形例100A的示意性截面图。如图3所示，缓冲层30的上表面被构成为相同高度，根据变形例的光学器件100A，同样能够抑制各个光波导路径20a、20b、20c的传播损耗。
[第二实施方式]
图4是本发明的第二实施方式的光学器件200的俯视图，图4A仅示出光波导，图4B示出包括行波电极的光学器件200的整体。图5是沿图4B的B-B'线的光学器件200的示意性截面图。光学器件200例如是光调制器。第二实施方式的光学器件200与第一实施方式的光学器件100的区别在于，第一光波导路径20a、第二光波导路径20b、第三光波导路径20c分别具有两个分支光学路径；此外，还具备对应于各光波导路径施加调制信号的信号电极、以及接地电极。以下，主要针对不同点进行说明。
如图4所示，第一光波导路径20a、第二光波导路径20b、第三光波导路径20c具有相同的结构。以下，以第一光波导路径20a为例进行说明。第一光波导路径20a例如是具有马赫-曾德尔干涉仪的结构的光波导路径，具有从一个输入光波导路径2i通过分波部2c分支的第1分支光波导路径20a1和第2分支光波导路径20a2，第1和第2分支光波导路径20a1，20a2经由合波部2d而合到一个输出光波导路径2o。输入光S1i通过分波部2c分波并分别行进于第1和第2分支光波导路径20a1，20a2，然后，在合波部2d合波，作为调制光S1o从第一光波导路径20a输出。
同样地，第二光波导路径20b具备第3分支光波导路径20b1和第4分支光波导路径20b2。第三光波导路径20c具备第5分支光波导路径20c1和第6分支光波导路径20c2。
与第一实施方式类似地，第一可见光(例如红色可见光)作为输入信号S1i被输入光学器件100，在光波导路径20a传播后，作为输出信号S1o被输出。第二可见光(例如绿色可见光)作为输入信号S2i被输入光学器件100，在光波导路径20b传播后，作为输出信号S2o被输出。蓝色可见光作为输入信号S3i被输入光学器件100，在光波导路径20b传播后，作为输出信号S3o被输出。由此，第一至第三可见光能够在一个器件(芯片)中进行传输。
如图5所示，第1分支光波导路径20a1和第2分支光波导路径20a2由第1分支脊部21a1、第2分支脊部21a2和第一平板部22a构成。第3分支光波导路径20b1和第4分支光波导路径20b2由第3分支脊部21b1、第4分支脊部21b2和第二平板部22b构成。第5分支光波导路径20c1和第6分支光波导路径20c2由第5分支脊部21c1、第6分支脊部21c2和第三平板部22c构成。
第1分支光波导路径20a1和第2分支光波导路径20a2的厚度相同，均为T4。第3分支光波导路径20b1和第4分支光波导路径20b2的厚度相同，均为T5。第5分支光波导路径20c1和第6分支光波导路径20c2的厚度相同，均为T6。此外，第一平板部22a、第二平板部22b、第三平板部22c的厚度T1～T3以及第1和第2分支光波导路径20a1，20a2、第3和第4分支光波导路径20b1，20b2、第5和第6分支光波导路径20c1，20c2的厚度T4～T6的关系与第一实施方式的光学器件100相同，这里不再赘述。
与第一实施方式的光学器件100类似地，第二实施方式的光学器件200中，第一平板部22a的厚度T1小于第三脊部21c的厚度T6。也即是说，第一平板部22a、第二平板部22b、第三平板部22c中厚度最大者的厚度也小于第1分支脊部21a1、第2分支脊部21a2、第3分支脊部21b1、第4分支脊部21b2、第5分支脊部21c1、第6分支脊部21c2中厚度最小者的厚度。由此，能够进一步抑制各个光波导路径20a、20b、20c的传播损耗。此外，通过在薄的平板部上连接，能够容易地对光波导路径施加电压，从而使信号调制变得容易，能够进行色彩的微调。另外，由于可以共用接地电极，能够使光学器件小型化。
如图5所示，光学器件200还具备电极层40。电极层40具有多个信号电极和多个接地电极。作为电极层40的材料，例如能够使用金、银、铜、铂、钌、钴、钨、钼等金属，或者这些金属的化合物。
电极层40的形成方法例如能够使用如下方法：利用蒸镀法、溅射法、CVD法、溶胶-凝胶法等薄膜形成方法形成金属薄膜，接着，使用光刻法等方法图案形成为期望的形状。另外，在通过蒸镀、溅射法等形成金属薄膜时，也可以通过介有期望的形状的掩模来形成图案。
如图5所示，第1信号电极41a1为了调制在第1分支光波导路径20a1内行进的可见光，隔着缓冲层30与第1分支脊部21a1相对。第2信号电极41a2为了对在第2分支光波导路径20a2内行进的可见光进行调制，隔着缓冲层30与第2分支脊部21a2相对。第3信号电极41b1为了调制在第3分支光波导路径20b1内行进的可见光，隔着缓冲层30与第3分支脊部21b1相对。第4信号电极41b2为了调制在第4分支光波导路径20b2内行进的可见光，隔着缓冲层30与第4分支脊部21b2相对。第5信号电极41c1为了调制在第5分支光波导路径20c1内行进的可见光，隔着缓冲层30与第5分支脊部21c1相对。第6信号电极41c2为了调制在第6分支光波导路径20c2内行进的可见光，隔着缓冲层30与第6分支脊部21c2相对。
如图4、5所示，在俯视时，第1接地电极42a在第1信号电极41a1的与第2信号电极41a2侧相反的一侧沿着第1信号电极41a1配置。此外，在俯视时，第2接地电极42b在第6信号电极41c2的与第5信号电极41c1侧相反的一侧沿着第6信号电极41c2配置。第1接地电极42a可以直接形成于第一平板部22a上。第2接地电极42b可以直接形成于第三平板部22c上。由此，能够使接地电极共用，改善光学器件200的高频特性，并能够使光电器件200小型化。
根据第二实施方式的光电器件200，能够在一个器件(芯片)中实现对多个光路的调制，并抑制各个光波导路径20a、20b、20c的传播损耗。
图6是沿图4B的B-B'线的光学器件200的变形例200A的示意性截面图。如图6所示，第1接地电极42a和第2接地电极42b隔着缓冲层30设置于第一平板部22a和第三平板部22c上。根据第二实施方式的变形例的光电器件200A，同样能够抑制各个光波导路径20a、20b、20c的传播损耗。
[实施例]
根据第二实施方式的光电器件200的结构制作了实施例1～6。其中，实施例1～6的脊部膜厚以及平板部膜厚的关系、以及各光波导路径的路径损耗(Path Loss)显示于表1～6。
[表1]
Figure BDA0003289917280000091
[表2]
Figure BDA0003289917280000092
Figure BDA0003289917280000101
[表3]
Figure BDA0003289917280000102
[表4]
Figure BDA0003289917280000103
[表5]
Figure BDA0003289917280000104
Figure BDA0003289917280000111
[表6]
Figure BDA0003289917280000112
从表1～表6中可以得出，在对应的脊部透过的光的波长越长，平板部的厚度相对于脊部的厚度的比例越低(表5、表6的情况)时，各波长的可见光的路径损耗在1dB/cm以下，抑制传播损耗的效果特别优异。
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。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
100,100A,200,200A,700…光学器件；10…基板；20…波导层；30…缓冲层；40…电极层；20a…第一光波导路径；20b…第二光波导路径；20c…第三光波导路径；2c…分波部；2d…合波部；2i…输入光波导；2o…输出光波导；21a…第一脊部；21b…第二脊部；21c…第三脊部；22a…第一平板部；22b…第二平板部；22c…第三平板部。

Claims (9)

1.一种光学器件，其特征在于，
具备：
基板；
形成于所述基板上的具有不同厚度的平板部的多个光波导路径。
2.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，
所述光波导路径进一步具有脊部，
所述多个光波导路径中，所述脊部的厚度不同。
3.如权利要求1所述的光学器件，其特征在于，
形成有覆盖所述多个光波导路径的氧化物层。
4.如权利要求1或2所述的光学器件，其特征在于，
所述平板部的厚度比全部的多个不同的所述脊部的厚度薄。
5.如权利要求1或2所述的光学器件，其特征在于，
在对应的脊部透过的光的波长越长，所述平板部的厚度相对于所述脊部的厚度的比例越低。
6.如权利要求1或2所述的光学器件，其特征在于，
所述脊部上的所述氧化层的厚度相同。
7.如权利要求3所述的光学器件，其特征在于，
在所述氧化物层上具备电极，所述电极形成于所述氧化物层的一侧面上。
8.如权利要求3所述的光学器件，其特征在于，
所述光波导路径由包含锂的氧化物形成。
9.如权利要求1～8中任一项所述的光学器件，其特征在于，
包含所述锂的氧化物为外延生长的铌酸锂或钽酸锂。
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