CN117501170A - 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
本发明的目的在于提供一种能够简化电极的配线并确保作用电极部的长度更长的光波导元件。本发明的光波导元件具有：基板(1)，形成有光波导(10)；以及电极，配置于该基板上，并对该光波导施加电场，所述光波导元件的特征在于，该电极具备：作用电极部(BE1、BE10等)，配置于光波导的附近；供电部(BT1、BT10等)，向该电极供电；以及配线部(BW1、BW10等)，连结该作用电极部和该供电部，该光波导元件具有配置于该基板上的不同位置的多个该作用电极部，该配线部的至少一部分配置成隔着绝缘层(IN)与该作用电极部或其他的该配线部的至少一部分之间重叠。
Description
技术领域
本发明涉及光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置，特别涉及具有形成于基板的光波导和配置于该基板上且对该光波导施加电场的电极的光波导元件。
背景技术
在光测量技术领域、光通信技术领域中，多使用光调制器等光波导元件。在光波导元件中，在形成有光波导的基板上配置电极，利用该电极对光波导施加电场，使在光波导中传输的光波的相位变化。以下，将对光波导施加电场的电极部分称为“作用电极部”。
近年来，为了削减光调制器件的安装面积，需要使光波导元件自身小型化。因此，如专利文献1或2所示，将光波导折返地配置。图1是示出具有折返光波导的光波导元件的一例的俯视图。图1是并列配置四个马赫-曾德尔型光波导并且使光波导整体大幅弯曲180度的状态。
光波导的虚线A的区域是通过未图示的电极对光波导施加与调制信号对应的电场并进行调制动作的调制区域。与该调制区域不同，如图1所示，在光波导的一部分配置有偏置电极(BE1、BE10等)，构成为调整通过各马赫-曾德尔型光波导等的光波的相位。
在如图1那样并列配置多个光波导并在各光波导设置偏压电极的情况下，根据向靠近光波导配置的作用电极部供电的配线的关系，沿着光波导的作用电极部的长度变短。因此，施加于偏压电极的DC偏置电压变高，容易产生DC漂移现象。
另外，为了进行与外部的电连接，引线键合用的焊盘部设置于芯片的端部。在利用图1那样的折返光波导的情况下，向各偏压电极供电的焊盘部集中配置于芯片的一侧边，因此配线更集中，作用电极部的长度变短。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2019-095698号公报
专利文献2：日本特开2019-109442号公报
发明内容
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，提供一种能够简化电极的配线并确保作用电极部的电极的长度更长的光波导元件。另外，提供一种使用该光波导元件的光调制器件和光发送装置。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的光波导元件、使用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，形成有光波导；以及电极，配置于该基板上，并对该光波导施加电场，所述光波导元件的特征在于，该电极具备：作用电极部，配置于光波导的附近；供电部，向该电极供电；以及配线部，连结该作用电极部和该供电部，该光波导元件具有配置于该基板上的不同位置的多个该作用电极部，该配线部的至少一部分配置成隔着绝缘层与该作用电极部或其他的该配线部的至少一部分之间重叠。
(2)在上述(1)所述的光波导元件中，其特征在于，将第一电极层、绝缘层以及第二电极层以重叠于该基板上的方式配置于该基板上，该作用电极部形成于该第一电极层，所述配线部的至少一部分形成于该第二电极层。
(3)在上述(1)或(2)所述的光波导元件中，其特征在于，所述光波导元件具有短路配线部，该短路配线部将不同的该作用电极部电连接，该短路配线部配置成隔着绝缘层与其他的该作用电极部的至少一部分之间重叠。
(4)在上述(1)或(2)所述的光波导元件中，其特征在于，该绝缘层是覆盖该光波导且具有比该光波导的折射率低的折射率的膜体。
(5)在上述(2)所述的光波导元件中，其特征在于，在该基板与该第一电极层之间形成有缓冲层。
(6)在上述(1)至(5)中任一项所述的光波导元件中，其特征在于，该光波导具有并列配置有多个马赫-曾德尔型光波导的结构部分，所述配线部的至少一部分配置成隔着绝缘层与该马赫-曾德尔型光波导的至少一部分之间重叠。
(7)如上述(1)至(6)中任一项所述的光波导元件，其特征在于，所述配线部的至少一部分具有与该基板或配置于该基板上的缓冲层接触的部分。
(8)在上述(1)至(7)中任一项所述的光波导元件中，其特征在于，具有所述配线部的至少一部分的电极是施加偏置电压的电极。
(9)一种光调制器件，其特征在于，将上述(1)至(8)中任一项所述的光波导元件收纳于壳体内，并具备光纤，该光纤相对于该光波导输入或输出光波。
(10)在上述(9)所述的光调制器件中，其特征在于，该光波导元件具备调制电极，该调制电极用于对在该光波导中传输的光波进行调制，所述光调制器件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，所述光发送装置具有：上述(9)或(10)所述的光调制器件；以及电子电路，输出使该光调制器件进行调制动作的调制信号。
发明效果
本发明的光波导元件具有：基板，形成有光波导；以及电极，配置于该基板上，并对该光波导施加电场，其中，该电极具备：作用电极部，配置于光波导的附近；供电部，向该电极供电；以及配线部，连结该作用电极部和该供电部，该光波导元件具有配置于该基板上的不同位置的多个该作用电极部，该配线部的至少一部分配置成隔着绝缘层与该作用电极部或其他的该配线部的至少一部分之间重叠，因此，能够以配线部跨过作用电极部或其他的配线部的方式配置，能够实现配线的简化。由此，也能够将偏压电极等电极的长度设定得更长。
附图说明
图1是示出现有的光波导元件的俯视图。
图2是示出本发明的光波导元件的第一实施例的俯视图。
图3是示出图2的一部分的截面的状态的图。
图4是示出图2的一部分的截面的状态而说明应用例的图。
图5是示出图2的一部分的截面的状态而说明其他的应用例的图。
图6是示出本发明的光波导元件的第二实施例的俯视图。
图7是示出本发明的光波导元件的第三实施例的俯视图。
图8是示出本发明的光波导元件的第四实施例的俯视图。
图9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，使用优选例详细说明本发明的光波导元件。
如图2至图8所示，本发明的光波导元件具有：基板1，形成有光波导10；以及电极，配置于该基板上，并对该光波导施加电场，该光波导元件的特征在于，该电极具备：作用电极部(BE1、BE10等)，配置于光波导的附近；供电部(BT1、BT10等)，向该电极供电；以及配线部(BW1、BW10等)，连结该作用电极部和该供电部，该光波导元件具有配置于该基板上的不同位置的多个该作用电极部，该配线部的至少一部分配置成隔着绝缘层(IN)与该作用电极部或其他的该配线部的至少一部分之间重叠。
作为用于本发明的光波导元件的基板，作为具有电光效应的材料，能够使用利用铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、PLZT(锆钛酸铅镧)等的基板、在这些基板材料中掺杂镁而成的基材。另外，也可以利用基于这些材料的气相生长膜等。此外，也可以使用半导体基板材料。另外，在使用LN等电介质基板的情况下，如图2等那样，适当选择以夹着光波导的方式配置电极的X切型基板、在光波导之上配置电极的Z切型基板。
也可以将形成光波导的基板1的厚度设定为10μm以下，更优选为5μm以下，进一步优选为1μm以下。这样的薄基板为了提高机械强度，也可以在基板1的下侧直接接合或经由树脂等的粘接层粘接固定加强基板。作为直接接合的加强基板，优选利用折射率比光波导、形成有光波导的基板低且与光波导等热膨胀系数接近的材料、例如包含石英、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的复合基板、在LN基板上形成有氧化硅层的复合基板。
本发明的“形成有光波导的基板”不仅是构成光波导部分的基板，还将与加强基板成为一体的基板合起来称为“基板”。
作为光波导10的形成方法，如图3至图5所示，能够利用对基板1进行蚀刻或者在光波导的两侧形成槽等使与光波导对应的部分为凸状的肋型的光波导。在使用上述薄板的基板的情况下，肋型光波导的高度设定为4μm以下，更优选设定为3μm以下，进一步优选设定为1μm以下或0.4μm以下。另外，也可以在加强基板之上形成气相生长膜，将该膜加工为光波导的形状。特别是在使用折返光波导的情况下，使用具有1μm以下的高度和宽度的光波导。
作为其他的光波导，也可以通过在基板热扩散Ti等的方法或质子交换法等在基板表面形成高折射率部分。另外，也能够在肋型的光波导中热扩散Ti等而进一步增强光封闭。
接着，对各种缓冲层(保护膜)进行说明。为了抑制肋型光波导的表面的粗糙度引起的传输损失，能够设置覆盖光波导的树脂膜。树脂膜由永久抗蚀剂膜等构成。另外，为了抑制在光波导中传输的光波被电极吸收，也能够在光波导上形成SiO2膜。树脂膜或SiO2膜是折射率低于光波导的材料。进而，为了抑制基板的热电效应，也有在基板上形成Si或SiN等的膜体的情况。
后述的第一电极层可以直接配置于基板上，也可以配置于上述的缓冲层之上。
在本发明中，也可以将树脂膜、SiO2膜等用作后述的绝缘层(IN)。在第一电极层与第二电极层之间配置绝缘层，起到将两者电分离的作用。但是，这些膜体可以与形成光波导元件的以往的工艺同时形成，也可以附加其他的工艺来配置。
在基板1上形成电极。电极有由信号电极和接地电极构成的调制电极、施加偏置电压的偏置电极等。作为电极材料，利用Au、Cu等导电性高的金属。电极的形成方法可以采用镀敷法、蒸镀法、溅射法各种方法。在电极与基板1之间、或者基板与配置于基板上的Si膜、SiO2膜之间设置有Ti、Nb等基底层，也能够提高电极与基板之间的粘接强度。
本发明的特征在于，如图2至图8所示，电极具备配置于光波导的附近的作用电极部(参照以BE开始的标号)、从光波导元件的外部向该电极供电的供电部(参照以BT开始的标号)以及连结该作用电极部与该供电部的配线部(参照以BW开始的标号)。供电部也是供作为供电线的引线进行键合的供电用的焊盘部。
并且，在本发明中，该配线部的至少一部分配置成隔着绝缘层(IN)与其他的作用电极部、其他的配线部的至少一部分之间重叠，并构成为跨越这些作用电极部、配线部。
为了实现配线部跨越作用电极部或其他的配线部的结构，第一电极层(LY1)、绝缘层(IN)以及第二电极层(LY2)以重叠于该基板1上的方式配置于基板1上，该作用电极部形成于该第一电极层，所述配线部的至少一部分形成于该第二电极层。当然，不限于两个电极层和夹在其间的一个绝缘层的结构，也可以构成为设置三个以上的电极层并在重叠的电极层间配置绝缘层。
图2是说明将本发明应用于与图1同样地形成有折返光波导10的基板1的情形的俯视图。虚线A的区域表示形成调制电极的部分。在偏压电极中应用本发明的结构，在第一电极层(LY1)形成由虚线表示的作用电极部(BE1、BE10等)，在第二电极层(LY2)形成供电部(BT1、BT10等)、配线部(BW1、BW10等)。而且，在两个电极层之间配置有未图示的绝缘层(IN)。
配线部(BW1等)和作用电极部(BE1等)通过贯通绝缘层的导电部分(通孔)TH连接。在髓腔2中，形成通孔的位置用黑色圆点表示。
关于图2的配线部(BW1)，在图3中示出与附图垂直的剖视图。在图3中，以夹着光波导10的方式配置有作用电极部(BE1和BE10、或者BE1和BE10’)。在作用电极部的上侧隔着绝缘层IN配置有配线部(BW1)，配线部(BW1)与作用电极部(BE1)经由通孔TH电连接。其他的配线部也同样地隔着绝缘层IN配置于作用电极部、光波导的上侧，在特定的作用电极部之上通过通孔TH进行电连接。
比较图1和图2可知，在本发明中，由于不会因电极的配线部的处理而限制作用电极部的配置位置，因此能够充分确保沿着光波导的作用电极部的长度。而且，即使在将基于芯片的小型化的安装面积抑制为最小限度的情况下，也能够将作用电极部的长度确保为以往以上。
在以跨越光波导的方式配置配线部的情况下，在覆盖光波导的绝缘层中，能够使用具有比光波导的折射率低的折射率的材料、例如树脂、SiO2。由此，还能够抑制配线部吸收在光波导中传输的光波而产生传输损耗的不良情况。特别是在光波导具有并列配置多个马赫-曾德尔型光波导而成的结构部分的情况下，马赫-曾德尔型光波导的传输损耗对光波导元件的调制性能产生较大影响，因此绝缘层的作用是重要的。
图4及图5示出图2的配线部(BW2)的剖视图。
如图4所示，绝缘层(IN)能够在配线部(BW2)的下侧仅设置于所需的位置。通常，在绝缘层之上配置电极层的情况下，绝缘层与电极层之间的粘接强度低，因此存在电极层剥离的危险性。因此，在不需要绝缘层的部位，也可以不配置绝缘层，而使第一电极层与第二电极层一体化，或者在形成于绝缘层的一部分的贯通孔形成设置有导电部分的通孔(THA)，使第二电极层与基板1(或者形成于基板1的缓冲层)接合，防止第二电极层的剥离。
另外，如图5所示，通过将绝缘层(IN)扩大地配置于必要的部位以外的区域，也能够抑制由覆盖光波导的绝缘层的有无引起的传输光的散射、由电极间的绝缘层的有无引起的介电常数变化引起的传输损失等不良情况。
图6示出不是仅利用从供电部延伸的配线部进行向作用电极部的供电，还利用将不同的作用电极部电连接的短路配线部的情况。具体而言，作用电极部(BE10)与从供电部延伸的配线部(BW101)电连接，但关于作用电极部(BE10’)，通过短路配线部(BP1)将作用电极部(BE10)与作用电极部(BE10’)电连接。
短路配线部(BP1)为了不与作用电极部(BE1)电连接，而构成为在短路配线部与作用电极部(BE1)的至少一部分之间配置绝缘层(未图示)，两者不直接连接。
通过该短路配线部的结构，电极的配线的自由度增加，能够实现更紧凑的配线。另外，通过在图2的电极的配线的基础上追加设置短路配线部，能够更可靠地进行不同的作用电极部之间的电连接。另外，通过在多个部位电连接作用电极部，也能够抑制作用电极部对于噪声而作为天线发挥功能。
在图6中，短路配线部(BP1)形成于第二电极层(LY2)，但也可以设置于第一电极层，例如以绕过作用电极部(BE1)的方式配置，将作用电极部BE10与BE10’电连接。另外，也可以在第一电极层设置将作用电极部BE10’与BE20电连接的短路配线部。
以相同电位连接的作用电极部的数量越多，短路配线部越有助于简化配线结构。
在图7中，关于供电部和与该供电部连接的配线部(BW102、BW 302)，与其他的供电部、配线部不同，也能够形成于第一电极层。此外，在该情况下，为了进行引线键合等供电线的连接，需要在形成于第一电极层的供电部的上侧不配置绝缘层。
图8示出在折返的光波导的前后对相同的光波导施加相同的电场的情况，仅通过调整将配线部(BW7、BW70)和作用电极部(BE7～BE80’)电连接的通孔TH的位置，就能够简单地进行配线。
关于本发明中使用的各电极层、绝缘层的厚度，为了各层的图案因层叠部分的台阶而断开、或者确保电极层间的充分的耐电压，各层的厚度优选为第一电极层＜绝缘层＜第二电极层的关系。
由于第一电极层形成靠近光波导配置的电极、基于高频信号的调制电极，因此设想使用制作精度高的制造工艺。在这样的工艺中，难以将用于图案形成的光致抗蚀剂等形成得厚。因此，优选为2μm以下。
为了能够补偿耐电压，另外，也为了防止第二电极层对光的吸收，绝缘层的厚度优选为2μm以上。
进一步，为了防止绝缘层的蚀刻部(台阶部)处的断路，第二电极层优选比绝缘层厚1μm以上。
如上所述，作为应用本发明的电极，与传输高频信号的调制电极相比，优选偏置电极。另外，在用于调制电极的情况下，与信号电极相比，优选将本发明的结构应用于接地电极的配线。
此外，在以上的说明中，以由相同的基板形成光波导的输入输出部、光波导的作用部(具有作用电极部的区域)的结构为中心进行了说明，但本发明并不限定于此。例如，也可以构成为在图1中在具有作用电极部的部位使用LN等基板，从输入输出端部到马赫-曾德尔型光波导的分支波导部(比作用电极部BE10靠左侧)、折返光波导形成于Si基板、石英基板等其他的基板，将它们相互连接。另外，也可以将具有作用电极部的基板彼此分割地构成并相互连接。进而，也可以在该基板上连接光源等而构成。
接着，说明将本发明的光波导元件应用于光调制器件、光发送装置的例子。在图9中，示出了具有将一个马赫-曾德尔型光波导折弯而成的光波导10的光波导元件，但不限于此，也能够使用图2等具有更多的马赫-曾德尔型光波导的光波导元件。另外，当然能够应用于传感器用途的器件、高带宽相干驱动调制器(HB-CDM：High Bandwidth-Coherent DriverModulator)。
如图9所示，光波导元件具有形成于基板1的光波导10和对在该光波导10中传输的光波进行调制的调制电极(未图示)，并收纳于壳体CA内。进而，通过在光波导设置输入输出光波的光纤(F)，能够构成光调制器件MD。在图9中，光纤F使用具备光学透镜的光学块3、透镜镜筒OL等与光波导元件内的光波导10光学耦合。不限于此，也可以将光纤经由贯通壳体的侧壁的贯通孔导入壳体内，将光学部件或基板与光纤直接接合，或者将在光纤端部具有透镜功能的光纤与光波导元件内的光波导光学耦合。
通过将输出使光调制器件MD进行调制动作的调制信号So的电子电路(数字信号处理器DSP)连接于光调制器件MD，能够构成光发送装置OTA。为了得到对光波导元件施加的调制信号S，需要放大从数字信号处理器DSP输出的调制信号So。因此，在图9中，使用驱动器电路DRV放大调制信号。驱动电路DRV、数字信号处理器DSP也可以配置于壳体CA的外部，但也可以配置于壳体CA内。特别是，通过将驱动电路DRV配置于壳体内，能够进一步降低来自驱动电路的调制信号的传输损耗。
工业实用性
如以上说明的那样，根据本发明，能够提供一种能够简化电极的配线并确保作用电极部的长度更长的光波导元件。另外，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 形成光波导的基板(薄板、膜体)
3 光学块
10 光波导
BE1、BE10、BE10’ 作用电极部
BW1、BW10 配线部
BT1、BT10 供电部(焊盘部)
BP1 短路配线部
LY1 第一电极层
LY2 第二电极层
IN 绝缘层
F 光纤
OL 透镜镜筒
CA 壳体
MD 光调制器件
DRV 驱动电路
DSP 数字信号处理器
OTA 光发送装置
Claims (11)
1.一种光波导元件，具有：基板，形成有光波导；以及电极，配置于该基板上，并对该光波导施加电场，所述光波导元件的特征在于，
该电极具备：作用电极部，配置于光波导的附近；供电部，向该电极供电；以及配线部，连结该作用电极部和该供电部，
该光波导元件具有配置于该基板上的不同位置的多个该作用电极部，
该配线部的至少一部分配置成隔着绝缘层与该作用电极部或其他的该配线部的至少一部分之间重叠。
2.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
将第一电极层、绝缘层以及第二电极层以重叠于该基板上的方式配置于该基板上，
该作用电极部形成于该第一电极层，
所述配线部的至少一部分形成于该第二电极层。
3.根据权利要求1或2所述的光波导元件，其特征在于，
所述光波导元件具有短路配线部，该短路配线部将不同的该作用电极部电连接，
该短路配线部配置成隔着绝缘层与其他的该作用电极部的至少一部分之间重叠。
4.根据权利要求1或2所述的光波导元件，其特征在于，
该绝缘层是覆盖该光波导且具有比该光波导的折射率低的折射率的膜体。
5.根据权利要求2所述的光波导元件，其特征在于，
在该基板与该第一电极层之间形成有缓冲层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
该光波导具有并列配置有多个马赫-曾德尔型光波导的结构部分，
所述配线部的至少一部分配置成隔着绝缘层与该马赫-曾德尔型光波导的至少一部分之间重叠。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
所述配线部的至少一部分具有与该基板或配置于该基板上的缓冲层接触的部分。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
具有所述配线部的至少一部分的电极是施加偏置电压的电极。
9.一种光调制器件，其特征在于，
将权利要求1至8中任一项所述的光波导元件收纳于壳体内，并具备光纤，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，该调制电极用于对在该光波导中传输的光波进行调制，所述光调制器件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，
所述光发送装置具有：权利要求9或10所述的光调制器件；以及电子电路，输出使该光调制器件进行调制动作的调制信号。
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