CN116324596A - 光调制器 - Google Patents

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CN116324596A CN202180066533.8A CN202180066533A CN116324596A CN 116324596 A CN116324596 A CN 116324596A CN 202180066533 A CN202180066533 A CN 202180066533A CN 116324596 A CN116324596 A CN 116324596A
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Abstract

本发明提供一种光调制器，其具备：基板；形成于基板上的多个电光材料层；以及形成于电光材料层上的电极，电光材料层具有施加调制信号并图形化的RF部波导和施加直流偏压信号并图形化的DC部波导，在垂直于光的传播方向的截面上，DC部波导的截面积大于RF部波导的截面积。根据本发明的光调制器，能够抑制直流漂移。

Description

光调制器
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调制器。
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。40Gb/s以上的高速的光调制器被商用化。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。
当在一对电极之间施加电压时，可以对光波导施加足够的电场，并且可以降低半波电压Vπ。半波电压Vπ是使光输出最大的电压V1与使光输出最小的电压V2之差V1-V2，驱动电压与半波电压Vπ成比例。因此，降低半波电压Vπ意味着低驱动电压。
但是，在对这样的光波导施加直流偏置的情况下，由于直流漂移(drift)大，因此存在光调制元件的寿命短的问题。直流漂移是光输出工作点随时间的变化。专利文献1中公开了以下技术，通过将DC电压所施加的波导上的至少一部分被去除，从而能够阻止可动离子的移动，实现直流漂移抑制效果。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：WO2019/069815号公报
发明内容
但是，专利文献1的光调制器中的波导形状对于直流漂移的抑制效果还不充分，期望一种能够更加抑制DC漂移的波导形状。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种光调制器，其特征在于，具备：基板；形成于所述基板上的多个电光材料层；以及形成于所述电光材料层上的电极，所述电光材料层具有施加调制信号并图形化的RF部波导和施加直流偏压信号并图形化的DC部波导，在垂直于光的传播方向的截面上，所述DC部波导的截面积大于所述RF部波导的截面积。
另外，本发明的光调制器中，优选地，所述DC部波导具备：形成于所述基板上的第一层状部、在所述第一层状部上隆起而形成的第一中间隆起部、以及在所述第一中间隆起部上隆起而形成的第一最上隆起部，所述RF部波导具备：形成于所述基板上的第二层状部、在所述第二层状部上隆起而形成的第二中间隆起部、以及在所述第二中间隆起部上隆起而形成的第二最上隆起部，所述第一中间隆起部的最上端的高度高于所述第二中间隆起部的最上端的高度。
另外，本发明的光调制器中，优选地，所述DC部波导中，从所述截面观察时，所述第一最上隆起部从所述第一中间隆起部的中心偏离。
另外，本发明的光调制器中，优选地，所述DC部波导在所述基板上作为波导形成有多条，从所述截面观察各个时，所述第一最上隆起部以靠向相邻DC部波导侧的方式定位。
另外，本发明的光调制器中，优选地，所述DC部波导在所述基板上作为波导形成有多条，相邻的DC部波导间形成有在所述基板上形成的第三层状部，位于相邻的DC部波导间的所述第三层状部的高度高于位于所述相邻的DC部波导的互相相反侧的所述第一层状部的高度。
另外，本发明的光调制器中，优选地，所述多条波导为一对或多对马赫-曾德尔型的波导。
发明的效果
根据本发明的光调制器，能够有效地抑制光调制器的直流漂移。
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10的整体。
图2是沿图1(a)和图1(b)的X1-X1'线和X2-X2'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调制器200的波导的示意性截面图。
图4是本发明的另一个实施方式的光调制器300的波导的示意性截面图。
图5是比较例的光调制器400的波导的示意性截面图。
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1的整体。
如图1(a)和图1(b)所示，该光调制器1具备：马赫-曾德尔光波导2，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2a,2b、沿第1光波导2a设置的第1信号电极4a、沿第2光波导2b设置的第2信号电极4b、沿第1光波导2a设置的第1偏置电极5a、沿第2光波导2b设置的第2偏置电极5b。第1信号电极4a及第2信号电极4b与第1光波导2a及第2光波导2b一起构成马赫-曾德尔光调制器的RF相互作用部3ir。第1偏置电极5a及第2偏置电极5b与第1光波导2a及第2光波导2b一起构成马赫-曾德尔光调制器的DC相互作用部3id。
马赫-曾德尔光波导2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2i通过分波部2c分支的第1和第2光波导2a,2b，第1和第2光波导2a,2b经由合波部2d而合到一个输出光波导2o。输入光Si通过分波部2c分波并分别行进于第1和第2光波导2a,2b，然后，在合波部2d合波，作为调制光So从输出光波导2输出。
第一和第二信号电极4a,4b是在俯视图中与第一和第二波导2a,2b重叠的线状电极图案，并且其两端延伸到基板10的端面附近设置的电极垫。即，将第一信号电极4a和第二信号电极4b的一端4a1，4b1引出至基板10的端面附近设置的电极垫以形成信号输入端口，并且驱动电路9a连接至信号输入端口。此外，第一信号电极4a和第二信号电极4b的另一端4a2，4b2被引出到基板10的端面附近设置的电极垫，并且经由终端电阻器9彼此连接。由此，第一和第二信号电极4a和4b作为差分共面行波电极而起作用。
第一和第二偏置电极5a和5b独立于第一和第二信号电极4a和4b，以便将DC电压(DC偏置)施加到第一和第二波导2a和2b。将第一偏置电极5a和第二偏置电极5b的一端5a1和5b1引出至基板10的端面附近设置的电极垫以形成DC偏置输入端口，并且偏置电路9c连接至DC偏置端口。在本实施方式中，第一偏置电极5a和第二偏置电极5b的形成区域设置成比第一信号电极4a和第二信号电极4b的形成区域更靠近马赫-曾德尔光波导2的输出端侧。但是，也可以将其设置在输入端侧。
如上所述，第一和第二信号电极4a和4b构成将RF信号施加到第一和第二波导2a和2b的RF部3a，并且第一和第二偏置电极5a和5b构成将DC偏压施加到第一波导2a和第二波导2b的DC部3b。在RF部3a和DC部3b之间的中间部分3c中没有设置信号电极或偏置电极。
具有相同的绝对值但是正负不同的差分信号(调制信号)被输入到第一和第二信号电极4a和4b的一端。由于第一波导2a和第二波导2b由诸如铌酸锂之类的具有电光效应的材料制成，因此根据施加到第一波导2a和第二波导2b的电场，第一波导2a和第二波导2b的折射率分别如+Δn和-Δn那样变化，并且一对光波导之间的相位差变化。通过该相位差的变化调制的信号光从输出光波导2o输出。
图2是沿图1(a)和图1(b)的X1-X1'线和X2-X2'线的光调制器1的示意性截面图。
如图2所示，本实施方式的光调制器1具有基板10、波导层20、缓冲层30以及电极层40按此顺序层叠而成的多层结构。基板10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20。此处，波导层20对应于图1中的第1和第2光波导2a,2b。更具体而言，图1中的第1光波导2a的RF部3a对应于图2中位于电极部4a之下的波导层20a1～3，图1中的第2光波导2b的RF部3a对应于图2中位于电极部4b之下的波导层20a1～3。图1中的第1光波导2a的DC部3b对应于图2中位于电极部5a之下的波导层20b1～3，图1中的第2光波导2b的DC部3b对应于图2中位于电极部5b之下的波导层20b1～3。为了防止在第1和第2光波导2a,2b中传播的光被电极部4a,4b,5a,5b吸收，缓冲层30至少形成在第1和第2光波导2a,2b和电极部4a,4b,5a,5b之间。因此，缓冲层30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30，可以使用折射率小于波导层20的折射率的材料，例如Al2O3、SiO2、LaAlO3、LaYO3、ZnO、HfO2、MgO、Y2O3等。
在电极层4，设置有第一和第二信号电极4a和4b，第一和第二偏置电极5a和5b。在RF部3a，第一和第二信号电极4a和4b经由缓冲层3而与第1和第2光波导2a,2b相对，以调制在第1和第2光波导2a,2b内行进的光。在DC部3b，第一和第二偏置电极5a和5b经由缓冲层3而与第1和第2光波导2a,2b相对，以对在第1和第2光波导2a,2b内行进的光提供直流偏压。
作为波导层20，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20是铌酸锂膜的情况下的本发明的结构。
作为基板10，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，如图2所示，在垂直于光的传播方向的截面上，DC部3b的波导层20的截面积大于RF部3a的波导层20的截面积。通过将DC部3b的波导层20的截面积设置得较大，能够减小直流漂移。
通过增加DC部3b的波导层20的截面积，能够减小直流漂移的原理尚不明确，可以推测为：由于从DC部3b的偏置电极5a和5b至接地电极(未图示)为止的波导层20的阻抗增加，即使在较长的工作时间经过后，该阻抗的变化也很小，起因于波导层20的内部阻抗变化的直流漂移相应地减少。
另外，如图2所示，DC部3b的波导层20具备：形成于基板10上的第一层状部20b1、在第一层状部20b1上隆起而形成的第一中间隆起部20b2、以及在第一中间隆起部20b2上隆起而形成的第一最上隆起部20b3。此处，第一层状部20b1较薄地形成于基板10上，例如可形成为平板状，不限于此，也可以为略有倾斜的层。第一中间隆起部20b2在第一层状部20b1上隆起，例如可以自第一层状部20b1起以锥状向上隆起一定高度之后，进一步以柱状向上隆起。但是，第一中间隆起部20b2的形状不限于此，也可以仅以锥状或柱状隆起，也可以进一步分多个阶段隆起。第一最上隆起部20b3为最上段的隆起，例如可以以锥状或柱状隆起。此处以锥状或柱状隆起进行了说明，但是锥状或柱状并不限于圆锥或圆柱状，隆起也可以是从水平方向看截面形状恒定为梯形、三角形、或长方形那样的形状，隆起也可以是锥台状等的形状。在以下的说明中也同样。
RF部3a的波导层20具备：形成于基板10上的第二层状部20a1、在第二层状部20a1上隆起而形成的第二中间隆起部20a2、以及在第二中间隆起部20a2上隆起而形成的第二最上隆起部20a3。此处，第二层状部20a1较薄地形成于基板10上，例如可形成为平板状，不限于此，也可以为略有倾斜的层。第二中间隆起部20a2在第二层状部20a1上隆起，例如可以自第一层状部20b1起以锥状向上隆起，第二中间隆起部20a2的倾斜角度可以比第一中间隆起部20b2的倾斜角度小。也就是说，第二中间隆起部20a2以比第一中间隆起部20b2缓和的方式向上隆起。但是，第二中间隆起部20a2的形状不限于此，其倾斜的侧边也可以曲线状构成。第二最上隆起部20a3为最上段的隆起，例如可以以锥状或柱状隆起。
如图2所示，DC部3b的第一中间隆起部20b2的最上端的高度L1高于RF部3a的第二中间隆起部20a2的最上端的高度L2。即，第一最上隆起部20b3的最下端位于第二最上隆起部20a3的最下端之上。由此，可以使第一中间隆起部20b2的截面积大于第二中间隆起部20a2的截面积，由此，能够增加DC部3b的波导层20的截面积，从而减小直流漂移。
图3是本发明的另一个实施方式的光调制器200的波导的示意性截面图。光调制器200的RF部3a的截面形状与光调制器100的RF部3a的截面形状完全相同，在这里省略图示。
如图3所示，光调制器200的DC部3b的波导层20中，在垂直于光的传播方向的截面上，第一最上隆起部20b3从第一中间隆起部20a3的中心偏离。在图3的例子中，DC部3b的一对偏置电极5a和5b之下的一对第一最上隆起部20b3均设置为从中心偏移，但也可将DC部3b的一对偏置电极5a和5b之下的一对第一最上隆起部20b3中的任一个设置为从中心偏移。此外，两个第一最上隆起部20b3例如可以共同地向DC部3b的一对偏置电极5a和5b的内侧或外侧偏移。
另外，从增加偏置电极5a、5b到接地电极(未图示，例如位于偏置电极5a、5b的外侧)的波导层20的阻抗的角度出发，优选第一最上隆起部20b3以靠向相邻DC部波导侧的方式定位，即。两个第一最上隆起部20b3共同地向DC部3b的一对偏置电极5a和5b的内侧偏移。
根据本发明的另一个实施方式的光调制器200，自DC部3b的一对偏置电极5a、5b到接地电极(未图示)的波导层20的阻抗增大，从而能够抑制该部分波导层20的阻抗的变化，由此减小直流漂移。
图4是本发明的另一个实施方式的光调制器300的波导的示意性截面图。光调制器300的RF部3a的截面形状与光调制器100、200的RF部3a的截面形状完全相同，在这里省略图示。
如图4所示，光调制器300与光调制器200的区别在于：相邻的DC部3b的波导间形成有在基板10上形成的第三层状部20c1，位于相邻的DC部3b的波导间的第三层状部20c1的高度高于位于相邻的DC部3b的波导的互相相反侧的第一层状部20b1的高度。
具体而言，DC部3b的一对第一中间隆起部20b2之间形成有第三层状部20c1，并且第三层状部20c1的高度高于位于一对第一中间隆起部20b2两侧的第一层状部20b1。以差动形式对一对偏置电极5a和5b施加偏压时，由于位于一对偏置电极5a和5b之下的波导层20之间的电光材料层增厚，导致该部位的阻抗增加，从而即使在长时间工作之后，该部位的阻抗较初始时变化较小，从而可以减小直流漂移。
[实施例]
对于比较例和实施例进行了光调制器的直流漂移的加速试验。在加速试验中，在100℃的高温下持续施加直流偏压，当直流偏移量到达50％时记录该持续时间。
图5是比较例的光调制器400的波导的示意性截面图。光调制器400的波导层20的截面形状，其具有层状部20d1上形成有突起状部20d2的形状。比较例1A、1B的光调制器为具有图5所示的截面构造的光调制器。
实施例1A、1B的光调制器为具有图2所示的截面构造的光调制器。实施例2A、2B的光调制器为具有图3所示的截面构造的光调制器。实施例3A、3B的光调制器为具有图4所示的截面构造的光调制器。各实施例以及比较例的各部所使用的材料均相同。
表1示出了各实施例与比较例的直流漂移的评价结果。
[表1]
试样 直流漂移+50％
比较例A 49.8
比较例B 44.9
实施例1A 89
实施例1B 96
实施例2A 118
实施例2B 119
实施例3A 168
实施例3B 168
从表1中可以得出，比较例A、B在经过四十多个小时后，直流漂移量达到50％(直流漂移量与直流偏压的比值)。而将DC部波导层截面积增大的实施例1A、1B中，在经过90小时左右之后，直流漂移量才达到50％。进而，在将最上层隆起部从中心偏离的实施例2A、2B中，在经过120小时左右之后，直流漂移量才达到50％，相较于实施例1A、1B，直流漂移被进一步抑制。更进一步，在一对DC部波导之间具有第三(中间)层状部的实施例3A、3B中，在经过169小时左右之后，直流漂移量才达到50％，直流漂移被进一步抑制。
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100～300的说明中，以一对马赫-曾德尔光波导的截面形状为例进行了说明。但不限于此，也可以是具有上述截面形状的一个或一个以上的光波导。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
100,200,300,400…光调制器；10…基板；20…波导层；30…缓冲层；40…电极层；2a…第1光波导；2b…第2光波导；2c…分波部；2d…合波部；2i…输入光波导；2o…输出光波导；RF部…3a；DC部…3b；第一信号电极…4a；第二信号电极…4b；第一偏置电极…5a；第二偏置电极…5b；第一层状部…20b1；第一中间隆起部…20b2；第一最上隆起部…20b3；第二层状部…20a1；第二中间隆起部…20a2；第二最上隆起部…20a3；第三层状部…20c1。

Claims (6)

1.一种光调制器，其特征在于，
具备：
基板；
形成于所述基板上的多个电光材料层；以及
形成于所述电光材料层上的电极，
所述电光材料层具有施加调制信号并图形化的RF部波导和施加直流偏压信号并图形化的DC部波导，
在垂直于光的传播方向的截面上，所述DC部波导的截面积大于所述RF部波导的截面积。
2.如权利要求1所述的光调制器，其特征在于，
所述DC部波导具备：形成于所述基板上的第一层状部、在所述第一层状部上隆起而形成的第一中间隆起部、以及在所述第一中间隆起部上隆起而形成的第一最上隆起部，
所述RF部波导具备：形成于所述基板上的第二层状部、在所述第二层状部上隆起而形成的第二中间隆起部、以及在所述第二中间隆起部上隆起而形成的第二最上隆起部，
所述第一中间隆起部的最上端的高度高于所述第二中间隆起部的最上端的高度。
3.如权利要求2所述的光调制器，其特征在于，
所述DC部波导中，从所述截面观察时，所述第一最上隆起部从所述第一中间隆起部的中心偏离。
4.如权利要求2或3所述的光调制器，其特征在于，
所述DC部波导在所述基板上作为波导形成有多条，从所述截面观察各个时，所述第一最上隆起部以靠向相邻DC部波导侧的方式定位。
5.如权利要求2～4中任一项所述的光调制器，其特征在于，
所述DC部波导在所述基板上作为波导形成有多条，
相邻的DC部波导间形成有在所述基板上形成的第三层状部，
位于相邻的DC部波导间的所述第三层状部的高度高于位于所述相邻的DC部波导的互相相反侧的所述第一层状部的高度。
6.如权利要求4或5所述的光调制器，其特征在于，
多条所述波导为一对或多对马赫-曾德尔型的波导。
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