CN112558374A

CN112558374A - 光调制器

Info

Publication number: CN112558374A
Application number: CN202011022277.6A
Authority: CN
Inventors: 梅本周作
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2021-03-26
Also published as: JP2021051269A; US11460751B2; US20210096441A1

Abstract

本发明提供一种具有低折射率且高介电常数的缓冲层的光调制器。本发明的光调制器(100)具备：光波导(10a、10b)；与光波导(10a、10b)相对地设置的电极(7、8)；以及设置于光波导(10a、10b)与电极(7、8)之间的缓冲层(4)。缓冲层(4)的主材料是氟化镧。

Description

光调制器

技术领域

本发明涉及一种在光通信和光测量领域中使用的光调制器，特别是涉及一种覆盖光波导的缓冲层的材料。

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，并且具有宽频带、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。

光调制器作为代表性的电光装置之一，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。马赫曾德尔型光调制器是使用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，但是全长长达10cm左右成为大的缺点。

相对于此，在专利文献1、2中公开了一种使用了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。

另外，在专利文献3中记载了一种光调制器，具备：相对介电常数为17以下的单晶基板；形成于单晶基板上的光学折射率为nc、膜厚为2μm以下、且主成分组成为LiNbO₃的电光膜；用于对电光膜施加电压的行波电极；以及设置于电光膜和行波电极之间，且相对介电常数为εb、光学折射率为nb的缓冲层，并且满足(nc-nb)εb>3.5。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2017/183484号小册子

专利文献2：国际公开第2016/158650号小册子

专利文献3：日本专利第5853880号公报

发明内容

在光调制器中，已知存在于光波导与RF信号电极之间的缓冲层，其折射率越低，光损耗越降低，且介电常数越高，越能够降低半波长电压Vπ，并且Vπ特性提高。

然而，低折射率与高介电常数处于权衡的关系，由于折射率低的材料的介电常数也低，反之介电常数高的材料的折射率也高，因此，从氧化物材料中选择低折射率且高介电常数的材料的余地几乎没有。树脂材料是低折射率，并且由于能够通过旋涂进行涂布，因此量产性高。然而，由于树脂材料的介电常数低，因此不适合作为缓冲层的材料。

因此，本发明的目的在于，提供一种具有低折射率且高介电常数的缓冲层的光调制器。

为了解决上述技术问题，本发明的光调制器，其特征在于，具备：光波导；与所述光波导相对地设置的电极；以及设置于所述光波导与所述电极之间的缓冲层，所述缓冲层的主材料是氟化镧。

根据本发明，可以形成折射率低且介电常数高的缓冲层，并且可以实现在氧化物材料中不能实现的低折射率和高介电常数的兼得。此外，“缓冲层的主材料是氟化镧”是指，只要缓冲层的主成分组成是LaF₃即可，可以含有一些杂质或添加物。

在本发明中，所述缓冲层的厚度优选为0.3μm以上3μm以下。当以氟化镧为主材料的缓冲层的厚度为0.3μm以上3μm以下时，可以兼得低光吸收损耗和低驱动电压。

在本发明中，所述光波导优选由铌酸锂构成。特别地，通过使用由加工成脊形状的铌酸锂膜构成的光波导，即使在10GHz以上的高频下，也可以获得保持良好的电光特性的光波导。

在本发明中，所述光波导优选包含马赫曾德尔光波导。由此，可以实现调制特性良好的马赫曾德尔光调制器。

根据本发明，可以提供一种具有低折射率且高介电常数的缓冲层的光调制器。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的光调制器的结构的俯视图，图1(a)仅图示光波导，图1(b)图示包含行波电极的光调制器的整体。

图2是沿图1(a)和图1(b)的A-A’线的光调制器的大致截面图。

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。

如图1(a)和图1(b)所示，该光调制器100具备：马赫曾德尔光波导10，其具有形成于基板1上，并且互相平行地设置的第一和第二光波导10a、10b；信号电极7，其沿着第一光波导10a设置；第一接地电极8，其沿着第二光波导10b设置；以及第二接地电极9，其从信号电极7观察，设置于与第一接地电极8相反侧。

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。从一根输入波导10i被分波部10c分支的第一和第二光波导10a、10b经由合波部10d而再次汇集于一根输出波导10o。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，作为调制光So从输出波导10o输出。

信号电极7在俯视时位于第一和第二接地电极8、9之间。信号电极7的一端7e是信号输入端，信号电极7的另一端7g经由终端电阻12而分别连接于第一和第二接地电极8、9。由此，信号电极7与第一和第二接地电极8、9发挥作为共面型行波电极的作用。细节在后面叙述，但信号电极7以及第一接地电极8是两层结构，以虚线表示的信号电极7的下层部7b在俯视时与第一光波导10a重叠，同样以虚线表示的第一接地电极8的下层部8b在俯视时与第二光波导10b重叠。

在信号电极7的一端7e，输入有电信号(调制信号)。由于第一和第二光波导10a、10b由以铌酸锂为代表的电光材料构成，因此，通过对第一和第二光波导10a、10b赋予电场，使第一和第二光波导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波导10o被输出。

为了施加DC偏压，也可以在俯视时与第一和第二光波导10a、10b重叠的位置，设置一对偏压电极(未图示)。一对偏压电极的一端是DC装置的输入端口。一对偏压电极的形成区域可以设置于比信号电极7的形成区域更靠光波导的输入端口侧，或者也可以设置于输出端口侧。另外，也能够省略偏压电极，并且将预先重叠有DC偏压的调制信号输入于信号电极7。

这样，由于本实施方式的光调制器100是由一个信号电极7构成的单驱动型，因此可以充分地确保第一接地电极8的面积，并且能够以高频进行动作。另外，通过隔着信号电极7而在与第一接地电极8相反侧配置第二接地电极9，从而能够降低放射损耗，并且可以得到进一步良好的高频特性。

图2是沿图1(a)和图1(b)的A-A’线的光调制器的大致截面图。

如图2所示，本实施方式的光调制器100具有基板1、波导层2、保护层3、缓冲层4、绝缘层5和电极层6按该顺序层叠的多层构造。

基板1例如是蓝宝石基板，在基板1的表面形成有由铌酸锂膜构成的波导层2。波导层2具有由脊部2r构成的第一和第二光波导10a、10b。第一和第二光波导10a、10b的宽度W₀例如可以设为1μm。作为波导层2，只要是电光材料，则没有特别限定，但是优选由铌酸锂(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的光学装置的构成材料。

保护层3形成于俯视时与第一和第二光波导10a、10b不重叠的区域。由于保护层3覆盖波导层2的上表面中未形成有脊部2r的区域的整个面，脊部2r的侧面也被保护层3覆盖，因此，可以防止由脊部2r的侧面的毛糙而引起的散射损耗。保护层3的厚度与波导层2的脊部2r的高度大致相同。保护层3的材料没有特别限定，例如可以使用氧化硅(SiO₂)。

缓冲层4为了防止在第一和第二光波导10a、10b中传播的光被信号电极7或第一接地电极8吸收，以覆盖构成第一和第二光波导10a、10b的脊部2r的上表面的方式形成。缓冲层4优选由折射率比波导层2低且透明性高的材料构成。脊部2r的正上方的缓冲层4的厚度优选为0.3μm以上3μm以下。为了降低电极的光吸收，缓冲层4的膜厚越厚越好，为了对第一和第二光波导10a、10b施加高的电场，缓冲层4的膜厚越薄越好。由于电极的光吸收与电极的施加电压处于权衡的关系，因此考虑到两者的平衡，选定介电常数高且折射率低的材料是重要的。

在本实施方式中，缓冲层4不仅覆盖第一和第二光波导10a、10b的上表面，而且覆盖包含保护层3的上表面的基底面的整个面，但是也可以是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的层。另外，也可以省略保护层3，在波导层2的上表面整体直接形成缓冲层4。

绝缘层5是为了在行波电极的下表面形成台阶差而设置的层。在绝缘层5的与第一和第二光波导10a、10b重叠的区域形成有开口(狭缝)，使缓冲层4的上表面露出。通过在该开口内埋入有电极层6的一部分，在信号电极7以及第一接地电极8的下表面形成有台阶差。绝缘层5的厚度优选为1μm以上。如果绝缘层5的厚度为1μm以上，则可以获得由在信号电极7以及第一接地电极8的下表面设置台阶差而得到的效果。

在电极层6设置有信号电极7、第一接地电极8和第二接地电极9。信号电极7为了调制在第一光波导10a内行进的光而与对应于第一光波导10a的脊部2r重叠地设置，经由缓冲层4而与第一光波导10a相对。第一接地电极8为了调制在第二光波导10b内行进的光而与对应于第二光波导10b的脊部2r重叠地设置，经由缓冲层4而与第二光波导10b相对。第二接地电极9隔着信号电极7而设置于与第一接地电极9相反侧。

信号电极7是两层结构，具有形成于电极层6的上层部7a和埋入于贯通绝缘层5的开口(第一开口)内的下层部7b。信号电极7的下层部7b设置于信号电极7的上层部7a的靠近第一接地电极8的端部。因此，信号电极7的下层部7b的下表面设置于比上层部7a的下表面更靠近第一接地电极8。通过这样的结构，信号电极7的下层部7b的下表面在第一光波导10a的上方与缓冲层4的上表面相接，并且经由缓冲层4而覆盖第一光波导10a。信号电极7的上层部7a的下表面位于下层部7b的下表面的上方，不与缓冲层4相接。

第一接地电极8也是两层结构，具有形成于电极层6的上层部8a和埋入于贯通绝缘层5的开口(第二开口)内的下层部8b。第一接地电极8的下层部8b设置于第一接地电极8的上层部8a的靠近信号电极7的端部。因此，第一接地电极8的上层部8a的下表面设置于比下层部8b的下表面更靠近信号电极7。通过这样的结构，第一接地电极8的下层部8b的下表面在第二光波导10b的上方与缓冲层4的上表面相接，并且经由缓冲层4而覆盖第二光波导10b。第一接地电极8的上层部8a的下表面位于下层部8b的下表面的上方，不与缓冲层4相接。

第二接地电极9隔着信号电极7而设置于与第一接地电极8相反侧。第二接地电极9是仅由设置于电极层6的导体构成的单层结构，但是也可以与信号电极7或第一接地电极8相同，是两层结构。

接下来，对将波导层2作为铌酸锂膜的情况下的光调制器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是三方晶系的晶体构造，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，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Li_xNbA_yO_z。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，铌酸锂膜中的光的关入变弱，光会泄漏至基板1或缓冲层4。另外，在施加电场时的光波导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。

电场施加区域中的铌酸锂膜的膜厚优选为1μm以上，特别优选为1.4μm以上。这是因为，在光的波长λ为光通信***中使用的1550nm的情况下，如果铌酸锂膜的膜厚小于1μm，则半波长电压Vπ急剧上升，并且难以将半波长电压Vπ设为实用的电压值、即3V以下。这是因为，当膜厚薄时，对铌酸锂膜的光的关入变弱，且电光效应实效地变小。另一方面，如果膜厚为1.5μm以上，则光的关入变得足够强，因而即使将膜厚进一步增加，Vπ也几乎不变。如上所述，在将铌酸锂膜的膜厚设为1μm以上的情况下，可以降低驱动电压和传播损耗。

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。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(未图示)而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并且适于外延生长的材料。例如，当使用Y₂O₃作为包覆层(未图示)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地研磨的方法或切片的方法。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。

接下来，对缓冲层4进行详细的说明。

缓冲层4优选折射率越低，越能够增强光的关入，并且优选介电常数越高，越能够降低VπL(表示电场效率的指标)。到目前为止，优选将Al₂O₃、LaAlO₃、LaYO₃等的氧化物材料用于缓冲层4。例如，Al₂O₃的相对介电常数约为9、折射率约为1.6，是优选用于缓冲层4的材料。LaAlO₃的相对介电常数约为13、折射率约为1.7，是比Al₂O₃更优选的材料。LaYO₃的相对介电常数约为17、折射率约为1.7，是比LaAlO₃更进一步优选的材料。然而，通常，折射率低的材料其介电常数也低，反之，介电常数高的材料其折射率也高，由于低折射率与高介电常数处于权衡的关系，因此只要使用氧化物材料，就无法摆脱该权衡。

因此，在本实施方式中，使用氟化镧(LaF₃)作为缓冲层4的材料。通过将氟化镧用于缓冲层4，可以实现低折射率且高介电常数的缓冲层4。通过降低缓冲层4的折射率，可以抑制光波导中的光的电场的扩散，并且可以实现高性能的缓冲层4。另外，通过增加缓冲层4的介电常数，即使不使缓冲层4变薄也可以对光波导施加强的电场，并且可以降低相位控制所需的电压。

缓冲层4的主成分组成可以是LaF₃，也可以包含一些杂质或添加物。因此，缓冲层4中也可以包含InF₃、ZrF₄、BaF₃、AlF₃、NdF₃等的杂质。LaF₃膜可以例如通过蒸镀法形成。

以氟化镧为主材料的缓冲层4的厚度优选为0.3μm以上3μm以下。这是因为，在缓冲层4的厚度比3μm厚的情况下，难以对光波导施加高的电场，另外，在缓冲层4的厚度比0.3μm薄的情况下，在光波导传播的光容易被电极吸收，从而光吸收损耗增加。当缓冲层4的厚度为0.3μm以上3μm以下时，可以兼得低光吸收损耗和低驱动电压化。

[表1]

表1示出了用于缓冲层4的电介质材料的RF性能指数K、折射率n以及介电常数ε。RF性能指数K＝(2.14-n)×ε是表示缓冲层的性能的指标，RF性能指数K如果变高，则越高，越是低折射率且高介电常数，从而表示作为缓冲层优异。

如表1所示，例如，在代表性的氧化物系材料、即Al₂O₃的情况下，折射率n＝1.62(@0.63μm)、介电常数ε＝9.1(@1MHz)、RF性能指数K＝4.732。另外，在LaAlO₃的情况下，折射率n＝1.71(@0.63μm)、介电常数ε＝13(@1MHz)、RF性能指数K＝5.590。在LaYO₃的情况下，折射率n＝1.73(@0.63μm)、介电常数ε＝17(@1MHz)、RF性能指数K＝6.970。

相对于此，在LaF₃的情况下，折射率n＝1.55(@0.63μm)、介电常数ε＝14(@10MHz)、RF性能指数K＝8.260，可以实现比LaYO₃更高的RF性能指数。CaF₂和BaF₂等其它的氟化物系材料的RF性能指数K为5.5以下，可以看出LaF₃的RF性能指数K特别优异。

如以上说明的那样，本实施方式的光调制器100具备：第一和第二光波导10a、10b；在缓冲层4的上方与第一和第二光波导10a、10b相对地设置的信号电极7以及第一接地电极8；以及设置于第一光波导10a与信号电极7之间和第二光波导10b与第一接地电极8之间的缓冲层4，缓冲层4由氟化镧构成，因此可以实现具有低折射率且高介电常数的缓冲层4的光调制器。

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，列举了使用单一信号电极7驱动在第一光波导10a内传播的光的单驱动型的光调制器为例，但是在本发明中，光调制器的具体的结构不限于此。因此，例如，对于将差动信号(调制信号)输入于与第一和第二光波导10a、10b相对应的一对信号电极并驱动在第一光波导10a内传播的光与在第二光波导10b内传播的光的两者的双驱动型的光调制器来说，也能够应用本发明。

另外，在上述实施方式中，设置有信号电极7的光调制器的RF部的缓冲层4由氟化镧构成，对设置有偏压电极的光调制器的DC部的缓冲层4没有特别地说明，但是不用说，DC部的缓冲层的材料也可以与RF部同样地设为氟化镧。或者，可以使光调制器的DC部的缓冲层的材料与RF部不同，例如也可以对RF部的缓冲层的材料使用氟化镧，对DC部的缓冲层使用氧化物系材料或氟化镧以外的氟化物系材料。

另外，在上述实施方式中，列举了使用由铌酸锂膜构成的光波导的光调制器为例，但是本发明也能够适用于在铌酸锂单晶基板中通过Ti扩散而形成了光波导的光调制器。即，只要光波导的适合的材料是铌酸锂，则没有特别限定，可以是加工成脊状的铌酸锂膜，也可以在铌酸锂单晶的块状基板中扩散有Ti。

符号的说明

1 基板

2 波导层

2r 脊部

3 保护层

4 缓冲层

5 绝缘层

6 电极层

7 信号电极

7a 信号电极的上层部

7b 信号电极的下层部

7e 信号电极的一端

7g 信号电极的另一端

8 第一接地电极

8a 第一接地电极的上层部

8b 第一接地电极的下层部

9 第二接地电极

10 马赫曾德尔光波导

10a 第一光波导

10b 第二光波导

10c 分波部

10d 合波部

10i 输入波导

10o 输出波导

12 终端电阻

100 光调制器

Si 输入光

So 调制光。

Claims

1.一种光调制器，其特征在于，

具备：

光波导；

与所述光波导相对地设置的电极；以及

设置于所述光波导与所述电极之间的缓冲层，

所述缓冲层的主材料是氟化镧。

2.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，

所述缓冲层的厚度为0.3μm以上3μm以下。

3.根据权利要求1或2所述的光调制器，其特征在于，

所述光波导由铌酸锂构成。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的光调制器，其特征在于，

所述光波导包含马赫曾德尔光波导。