CN117295999A - 光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光波导元件，其即使在通过多个电极层形成控制电极的情况下，也能抑制各电极层的位置偏离引起的速度匹配、特性阻抗匹配、光损失等特性的劣化。一种光波导元件，具有：基板(1)，由具有电光效应的材料构成；光波导(2)，形成于该基板(1)；及控制电极(E1、E2)，为了向该光波导(2)施加电场而夹着该光波导地配置在该基板上，所述光波导元件的特征在于，该控制电极由在该基板上以第一电极层(E1)和第二电极层(E2)的顺序配置的至少两个以上的电极层构成，配置有绝缘层(IL)，该绝缘层(IL)将夹着该光波导的该第一电极层之间覆盖并延伸至该第一电极层的上表面的至少一部分，该第二电极层(E2)的至少一部分形成于该绝缘层(IL)的上表面。
Description
技术领域
本发明涉及光波导元件、使用该光波导元件的光调制器件及光发送装置，特别是涉及向形成于基板的光波导施加电场的控制电极由多个电极层形成的光波导元件。
背景技术
在光测量技术领域、光通信技术领域中，使用具有电光效应的基板的光调制器等光波导元件被广泛使用。特别是伴随着近年来的信息通信量的增大，在长距离的都市间、数据中心间使用的光通信希望高速化、大容量化。而且，也存在基站的空间的限制，光调制器需要高速化、小型化。
在专利文献1中，如图1所示，公开了将电极通过两级(E1、E2)形成而实现电极的特性阻抗的匹配、微波与传送光的速度匹配、驱动电压特性、电极损失全部满足那样的设计的技术。而且，将为了速度匹配而需要形成得厚的电极通过多级构成，由此能够将形成各电极层时的抗蚀剂膜的厚度形成得薄，因此图形化的精度也提高。
近年来，如高带宽相干驱动器调制器(HB-CDM)那样要求调制器芯片进一步小型化。在小型化的光调制器中，向光波导施加基于调制信号的电场的作用部分的长度(作用长度L)缩短，因此作用长度L与驱动电压Vπ之积即VπL下降。因此，需要极端地缩窄信号电极与接地电极之间的间隔而提高驱动电压，与以往相比要求以更高精度形成电极。在HB-CDM等中，如肋型波导、并用了Si那样的高折射率材料的混合波导等那样，使用光波导的宽度窄而光限制强的光波导。
在图1的光波导元件中，为了进行更高精度的工艺，需要使第一级的电极层E1更薄，由此，第二级以后的电极层E2需要进一步缩窄电极层(E2)间的间隔，或使其较厚。
图2的坐标图表示将微波的有效折射率设为恒定时的电极间隔与电极的厚度的关系。越扩宽电极间隔，电极厚相对于电极间隔的比越大，即，越需要将光致抗蚀剂形成得纵长，因此抗蚀剂膜躺倒等而容易变形，图形化精度、成品率恶化。需要说明的是，在图2中，方形记号的线表示各电极(E2)之间的间隔发生了变化时所需的电极层(E2)的厚度(左纵轴)，圆形记号的线表示将该电极层(E2)的厚度除以电极间隔而得到的值(比率、右纵轴)。
因此，在可能的范围内，第二级以后的电极(E2)间隔优选设定得小，但是如果电极的制造误差大，则如图3所示，电极层(E2)的边界偏离至第一级电极层(E1)的电极间的可能性升高。在该情况下，电极间隔G变窄，除了速度匹配、特性阻抗匹配以外，对于传送光的损失等各种特性也会造成大的影响。图4是表示电极层(E2)的图形的位置偏离量(图形偏移量)与光损失的关系的坐标图，随着偏离量的增大，光损失也增大。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-145816号公报
专利文献2：日本特愿2021-050409号(申请日：2021年3月24日)
发明内容
发明的概要
发明要解决的课题
本发明要解决的课题在于解决上述那样的问题，提供一种光波导元件，其即使在通过多个电极层形成控制电极的情况下，也能抑制各电极层的位置偏离引起的速度匹配、特性阻抗匹配、光损失等特性的劣化。而且，提供一种使用该光波导元件的光调制器件和光发送装置。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明的光波导元件、使用该光波导元件的光调制器件及光发送装置具有以下的技术特征。
(1)一种光波导元件，具有：基板，由具有电光效应的材料构成；光波导，形成于该基板；及控制电极，为了向该光波导施加电场而夹着该光波导地配置在该基板上，所述光波导元件的特征在于，该控制电极由在该基板上以第一电极层和第二电极层的顺序配置的至少两个以上的电极层构成，配置有绝缘层，该绝缘层将夹着该光波导的该第一电极层之间覆盖并延伸至该第一电极层的上表面的至少一部分，该第二电极层的至少一部分形成于该绝缘层的上表面。
(2)在上述(1)记载的光波导元件中，其特征在于，该光波导是肋型光波导。
(3)在上述(1)或(2)记载的光波导元件中，其特征在于，夹着该光波导的该第一电极层之间的间隔小于10μm。
(4)在上述(1)至(3)的任一记载的光波导元件中，其特征在于，夹着该光波导的该第一电极层之间的间隔和夹着该光波导的该第二电极层之间的间隔这两者之差小于10μm。
(5)在上述(1)至(4)的任一记载的光波导元件中，其特征在于，绝缘层的与该第二电气层的下表面接触的该角部的形状成为曲面。
(6)在上述(1)至(5)的任一记载的光波导元件中，其特征在于，在该绝缘层与该第二电极层重合的部分的至少一部分形成有间隙。
(7)在上述(1)至(6)的任一记载的光波导元件中，其特征在于，在该光波导的上表面的至少一部分未形成该绝缘层，所述光波导元件具有在该光波导的上侧配置的其他控制电极。
(8)在上述(1)至(7)的任一记载的光波导元件中，其特征在于，该控制电极是用于施加调制信号的调制电极。
(9)一种光调制器件，其特征在于，将上述(1)至(8)任一记载的光波导元件收容在壳体内，所述光调制器件具备光纤，该光纤相对于该光波导输入或输出光波。
(10)在上述(9)记载的光调制器件中，其特征在于，该光波导元件具备调制电极，该调制电极用于调制在该光波导中传播的光波，在该壳体的内部具有电子电路，该电子电路将向该光波导元件的调制电极输入的调制信号放大。
(11)一种光发送装置，其特征在于，具有：上述(9)或(10)记载的光调制器件；及电子电路，输出使该光调制器件进行调制动作的调制信号。
发明效果
本发明涉及一种光波导元件，具有：基板，由具有电光效应的材料构成；光波导，形成于该基板；及控制电极，为了向该光波导施加电场而夹着该光波导地配置在该基板上，其中，该控制电极由在该基板上以第一电极层和第二电极层的顺序配置的至少两个以上的电极层构成，配置有绝缘层，该绝缘层将夹着该光波导的该第一电极层之间覆盖并延伸至该第一电极层的上表面的至少一部分，该第二电极层的至少一部分形成于该绝缘层的上表面，因此，能够提供一种光波导元件，其即使在第一电极层与第二电极层之间发生位置偏离，第一电极层的高度上的控制电极之间的间隔、第二电极层的高度上的控制电极之间的间隔也不会变化，因此速度匹配、特性阻抗匹配的状态不变化，而且，第二电极层不接近光波导，因此也能抑制光损失。此外，也能够提供一种使用这样的能抑制特性的劣化的光波导元件的光调制器件和光发送装置。
附图说明
图1是表示专利文献1记载的以往的光波导元件的例子的剖视图。
图2是表示电极之间的间隔与电极的厚度的关系的坐标图。
图3是表示通过图1那样的多个电极层构成控制电极时的不良情况的剖视图。
图4是表示电极层的位置偏离量(图形偏移量)与光损失的关系的坐标图。
图5是表示本发明的光波导元件的一例的剖视图。
图6是表示在图5的光波导元件中发生了电极层的位置偏离时的情形的剖视图。
图7是表示在图5的光波导元件中进一步缩窄了第二电极层之间的间隔时的情形的剖视图。
图8是表示在本发明的光波导元件中减小了第一电极的形成面积的情形的图。
图9是表示在本发明的光波导元件中将构成控制电极的电极层的数量设定为3个的情形的图。
图10是图5的点线区域A的放大图，是表示在绝缘层的角部配置了曲面的情形的图。
图11是图5的点线区域A的放大图，是表示在绝缘层与第二电极层之间形成有间隙的情形的图。
图12是表示在本发明的光波导元件中在光波导之上配置有控制电极的情形的图。
图13是说明本发明的光调制器件及光发送装置的俯视图。
具体实施方式
以下，关于本发明的光波导元件，使用优选例进行详细说明。
如图3所示，本发明的光波导元件具有：基板1，由具有电光效应的材料构成；光波导2(基板1的凸状部10)，形成于该基板1；及控制电极(E1、E2)，为了向该光波导2施加电场而夹着该光波导地配置在该基板上，所述光波导元件的特征在于，该控制电极由在该基板上以第一电极层E1和第二电极层E2的顺序配置的至少两个以上的电极层构成，配置绝缘层IL，该绝缘层IL将夹着该光波导的该第一电极层之间覆盖并延伸至该第一电极层的上表面的至少一部分，该第二电极层E2的至少一部分形成于该绝缘层IL的上表面。
本发明的光波导元件使用的具有电光效应的基板1能够利用铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、PLZT(锆钛酸铅镧)等的基板、由这些材料构成的气相生长膜等。
另外，半导体材料、有机材料等各种材料也可以作为光波导利用。
作为光波导2的形成方法，可以利用对光波导以外的基板1进行蚀刻或者在光波导的两侧形成槽等将基板上的与光波导对应的部分设为凸状的肋型的光波导10。此外，对应于肋型的光波导，通过热扩散法、质子交换法等使Ti等向基板表面扩散，由此也能够进一步提高折射率。而且，也可以在基板1形成使Ti等进行了热扩散的高折射率区域来形成光波导，但是在1μm左右的宽度、高度的微细的光波导中，在提高光限制方面，更优选肋型光波导10。
形成有光波导2的基板(薄板)1的厚度为了实现调制信号的微波与光波的速度匹配，设定为10μm以下，更优选为5μm以下，进一步优选为1μm以下。而且，肋型光波导的高度设为4μm以下，更优选为3μm以下，进一步优选为1μm以下、0.4μm以下。而且，也可以在加强基板之上形成气相生长膜，将该膜加工成光波导的形状。
形成有光波导的基板为了提高机械强度，如图4等所示，直接接合或者经由树脂等粘结层而粘结固定于加强基板3。作为进行直接接合的加强基板3，优选利用包含折射率比光波导、形成有光波导的基板低且热膨胀率与光波导等接近的材料，例如水晶、玻璃等氧化物层的基板。也可以利用在简称为SOI、LNOI的硅基板上形成有氧化硅层、在LN基板上形成有氧化硅层的复合基板。
在本发明的光波导元件中，在控制电极之间配置有绝缘层。这是因为，随着光波导的宽度、高度的减小，光波导的表面的粗糙度会对在光波导中传播的光波的光损失造成大的影响。例如，在光波导形成凸状的光波导(称为肋型光波导)的情况下，根据蚀刻速度、蚀刻温度，在凸部的侧面会产生微小的凹凸引起的表面粗糙。本申请人在专利文献2中提出了为了消除这样的不良情况而设置将光波导覆盖的电介质层(绝缘层)的方案。
图3所示的肋型光波导2(10)的情况下，光波导2的上表面及侧面由绝缘层IL覆盖。如后所述，在光波导之上形成其他控制电极的情况下，光波导的仅侧面或者侧面和上表面的一部分由绝缘层覆盖。而且，光波导通过热扩散等在基板1形成高折射率区域的情况下，该光波导的上表面由绝缘层IL覆盖。
作为绝缘层IL，优选折射率比1大的电介质，设定为光波导2的折射率的0.5倍以上且0.75倍以下。绝缘层IL的厚度没有特别限定，可以形成至10μm左右的厚度。需要说明的是，关于绝缘层的厚度等，也在后文进行详细叙述。在包含向光波导2施加调制信号来调制光波的调制部的光波导部分，光波导2作为芯部，绝缘层作为包层部发挥功能。
绝缘层IL可以将SiO2等无机材料通过溅射法、CVD法形成，但是也可以使用树脂等有机材料。在树脂中，可以利用包含耦联剂(交联剂)的光致抗蚀剂，可以利用因热量而交联反应进展并固化的所谓光敏性永久膜(永久抗蚀剂)。需要说明的是，作为树脂，也可以使用聚酰胺系树脂、密胺系树脂、酚醛系树脂、氨基系树脂、环氧系树脂等其他的材料。
作为控制电极，在基板1之上设置基底电极(Au、Ni、Ti)，通过金属镀敷法、蒸镀法等将Au等金属膜层叠来形成控制电极。在进行金属镀敷法时，可以使用具有与电极图形对应的开口的抗蚀剂膜。
控制电极中，存在施加调制信号即微波(RF波)的调制电极和施加DC偏压的偏压电极。本发明的控制电极主要对调制电极有效。本发明的结构有助于改善调制信号与传送光的速度匹配、调制信号涉及的特性阻抗匹配、及调制信号的电极损失等。
如图3所示，本发明的光波导元件的特征在于：通过多个电极层构成控制电极；绝缘层IL将夹着光波导的第一电极层E1之间覆盖并延伸至该第一电极层E1的上表面的至少一部分。当然，通过将第一电极层E1之间覆盖而绝缘层IL覆盖光波导2(10)。并且，在第一电极层之上保持电连接而配置的第二电极层E2将至少一部分形成于绝缘层IL的上表面。
本发明中的“第一电极层”是在向光波导施加电场时主要发挥功能的电极，“第二电极层”是调制信号在控制电极中传播时主要发挥功能的电极。当然，“第一电极层”不仅由一层形成，而且可以使多个薄层重合而形成。
本发明中的“第二电极层的至少一部分形成于绝缘层的上表面”不仅是指第二电极层与绝缘层在一部分始终重叠的状态，而且是指在能够精确地形成第二电极层的情况下不重叠，但是在第二电极层发生了位置偏离的情况下重叠的情况也包含于本发明。
在本发明的光波导元件中，如图6所示，即使假设第二电极层发生制造误差(位置偏离)，也能将第一电极层的电极间隔W1、第二电极层的电极间隔W2保持为恒定，因此能够将向光波导施加的电场的状态保持为恒定，特性阻抗(容量)也稳定。
另外，通过使用本发明的光波导元件的结构，也可以进行第一电极层的电极间隔W1与第二电极层的电极间隔W2相同或如图7那样电极间隔W2比W1窄的设计。这样的电极结构在虽然想要抑制传送光的损失但是想要降低微波的有效折射率的情况下有效。
本发明的光波导元件的绝缘层IL的膜厚h(参照图3)优选比从光波导2(10)的中心至第一电极层E1的电极的距离，即第一电极层E1的电极间隔W1的一半厚。由此，不取决于第二电极层的位置偏离的程度而光波导2与第二电极层E2的距离保持为一定以上，即使在第二电极层的电极制作精度低的情况下，也能够防止光损失的增加。
另外，调整绝缘层IL的容量(宽度/厚度)，也能够实现微波与传送光的速度匹配、特性阻抗匹配。但是，如果绝缘层的容量过大，则高频信号的损失增大，因此电极间隔优选更薄。
第一电极层通过如专利文献1公开那样使用薄的抗蚀剂膜而能够高精度地形成。第一电极层要求相对于光波导的高的位置精度和窄的线宽，因此基于电子线描绘等的无掩模曝光更适合。无掩模曝光与描绘面积成比例而曝光时间增大，因此进一步减少面积的情况有助于制造效率。另一方面，在比第二电极层靠上的电极层中，与第一电极层相比未要求严格的位置精度，因此在使用了光掩模的曝光中不会受到面积的制约而能够充分稳定地制作。
因此，如图8所示，第一电极层E1仅形成于电极作用部(调制部)的电极间隔窄的部分周边，其余的电极配线等由第二电极层E2形成，由此能够大幅地改善制造效率。例如，第一电极层的电极的宽度(图8的第一电极层E1的左右方向的宽度)只要具有即使在第二电极层的电极形成的精度下也充分重合的富余度即可，可以设定为20μm以下，由此与配置于第二电极层E2的电极的下部整面的情况相比能够削减约80％的描绘面积。
在图5至8所示那样的光波导元件中，第一电极层E1的电极间隔越小，则需要使电极越薄，第二电极层的电极间隔也需要越窄。因此，希望适用于第一电极层的电极间隔W1小于10μm，更优选小于7μm。
另外，存在第二电极层的电极的边界进入第一电极层的电极的边界的内侧的风险的情况下，本发明的结构特别有效。因此，希望适用于第一电极层的电极间隔与第二电极层的电极间隔之差小时，具体而言小于10μm，更优选小于7μm。
如图9所示，可以从第二电极层分多次地形成上级(E2、E3)。由此能够将控制电极整体形成得更厚，能够减少电极损失。
绝缘层IL与第二电极层E2由于线膨胀系数不同，因此在重叠配置的情况下，会产生由热膨胀等引起的内部应力。因此，在图10及11中，提供缓和内部应力引起的应变的手段。图10及11是图3的点线区域A的部分的放大图。
在图10中，将第二电极层E2与绝缘层IL的接合面的至少一部分(特别是绝缘层IL的角部)设为曲面R，由此能够缓和应力向边缘的集中，确保形状的稳定性。
在图11中，在第二电极层E2与绝缘层IL之间设置间隙GA，由此能够吸收各材料的膨胀率之差的影响，缓和作用于芯片(基板1)的应力。作为间隙GA的形成方法，可以在形成第二电极层之前配置基底金属E(在间隙GA也配置基底金属)，在第二电极层E2的形成后对基底金属进行蚀刻等来形成。
在上述的光波导元件中，仅说明了夹着光波导2的控制电极的例子，但是作为应用例，也可以如图12所示，在光波导2之上配置其他的控制电极(E1’、E2’)。在该情况下，在形成第一电极层E1时一起形成电极层E1’，而且，在形成第二电极层E2时也可以一起形成电极层E2’。
本发明的光波导元件设有调制在光波导2中传播的光波的调制电极，如图13那样收容于壳体CA内。此外，通过设置向光波导输入输出光波的光纤(F)，能够构成光调制器件MD。在图13中，光纤F使用光学透镜OL与光波导元件内的光波导进行光学耦合。并不局限于此，也可以将光纤经由贯穿壳体的侧壁的贯穿孔向壳体内导入，与光波导元件直接接合。
将输出使光调制器件MD进行调制动作的调制信号的电子电路(数字信号处理器DSP)与光调制器件MD连接，由此能够构成光发送装置OTA。向光波导元件施加的调制信号需要放大，因此使用驱动器电路DRV。驱动器电路DRV、数字信号处理器DSP也可以配置在壳体CA的外部，但是也可以配置在壳体CA内。特别是通过将驱动器电路DRV配置在壳体内，能够进一步减少来自驱动器电路的调制信号的传播损失。
产业上的可利用性
如以上说明所述，根据本发明，能够提供一种光波导元件，其即使在通过多个电极层形成控制电极的情况下，也能抑制各电极层的位置偏离引起的速度匹配、特性阻抗匹配、光损失等特性的劣化。此外，能够提供一种使用该光波导元件的光调制器件和光发送装置。
标号说明
1 具有电光效应的基板(薄板、膜体)
2 光波导
10 肋型光波导
IL 绝缘层
E1 第一电极层
E2 第二电极层
Claims (11)
1.一种光波导元件，具有：基板，由具有电光效应的材料构成；光波导，形成于该基板；及控制电极，为了向该光波导施加电场而夹着该光波导地配置在该基板上，所述光波导元件的特征在于，
该控制电极由在该基板上以第一电极层和第二电极层的顺序配置的至少两个以上的电极层构成，
配置有绝缘层，该绝缘层将夹着该光波导的该第一电极层之间覆盖并延伸至该第一电极层的上表面的至少一部分，
该第二电极层的至少一部分形成于该绝缘层的上表面。
2.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
该光波导是肋型光波导。
3.根据权利要求1或2所述的光波导元件，其特征在于，
夹着该光波导的该第一电极层之间的间隔小于10μm。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
夹着该光波导的该第一电极层之间的间隔和夹着该光波导的该第二电极层之间的间隔这两者之差小于10μm。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
该绝缘层的与该第二电气层的下表面接触的角部的形状成为曲面。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
在该绝缘层与该第二电极层重合的部分的至少一部分形成有间隙。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
在该光波导的上表面的至少一部分未形成该绝缘层，
所述光波导元件具有在该光波导的上侧配置的其他控制电极。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
该控制电极是用于施加调制信号的调制电极。
9.一种光调制器件，其特征在于，
将权利要求1～8中任一项所述的光波导元件收容在壳体内，
所述光调制器件具备光纤，该光纤相对于该光波导输入或输出光波。
10.根据权利要求9所述的光调制器件，其特征在于，
该光波导元件具备调制电极，该调制电极用于调制在该光波导中传播的光波，
在该壳体的内部具有电子电路，该电子电路将向该光波导元件的调制电极输入的调制信号放大。
11.一种光发送装置，其特征在于，具有：
权利要求9或10所述的光调制器件；及
电子电路，输出使该光调制器件进行调制动作的调制信号。
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