CN113467110A - 电光器件 - Google Patents

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王进武
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Abstract

本发明涉及一种电光器件。电光器件具有光波导以及配置于光波导上的上部电极，光波导在平面上折返而形成，上部电极通过光波导的折返而具有相邻的相邻部，在相邻部间的相较于上部电极更上位的上位层具有金属层。或者，电光器件具有多个马赫曾德尔光波导，马赫曾德尔光波导具有第一光波导以及第二光波导，在第一光波导上配置有第一上部电极，在第二光波导上配置有第二上部电极，在第一上部电极和第二上部电极之间的相较于上部电极更上位的上位层具有金属层。根据本发明，能够提供一种能够抑制元件间的电气串扰并且能够谋求宽频带化的电光器件。

Description

电光器件
技术领域
本发明涉及一种在光通信和光学测量领域中使用的电光器件。
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。
作为光调制器，使用了由铌酸锂(LiNbO3，以下，称为“LN”)形成的光波导的光调制器具有高速、低损失、控制光波形的畸变少等的优点，在专利文献1中，公开了通过在铌酸锂单晶(块状LN)基板的表面扩散Li而形成有光波导的马赫曾德尔型光调制器。
然而，在专利文献1所公开的光调制器中，具有被折返的2个信号电极，信号电极间由于折返而接近，因此，在元件之间产生电气串扰，由此产生使频带变窄的不良状况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4485218号公报
发明内容
本发明是有鉴于上述的问题而悉心研究的结果，其目的在于，提供一种能够抑制元件间的电气串扰并且能够谋求宽频带化的电光器件。
为了达成上述目的，本发明的一个方面所涉及的电光器件，其特征在于，具有光波导以及配置于所述光波导上的上部电极，所述光波导在平面上折返而形成，所述上部电极通过所述光波导的折返而具有相邻的相邻部，在所述相邻部间的相较于所述上部电极更上位的上位层具有金属层。这样，通过在相邻部间的相较于上部电极更上位的上位层具有金属层，从而能够利用该金属层屏蔽相邻的元件间的电气串扰，由此能够抑制元件间的电气串扰并且能够谋求宽频带化。
另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的电光器件中，优选，在所述相邻部间配置有接地导体，所述金属层与所述接地导体连接。
另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的电光器件中，优选，所述光波导是具有第一光波导以及第二光波导的马赫曾德尔光波导，所述第一光波导和所述第二光波导相互排列并且在平面上折返。
另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的电光器件中，优选，在所述相邻部间具有绝缘层。
另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的电光器件中，优选，遍及所述相邻部间的、至少所述上部电极的侧面具有绝缘层。
另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的电光器件中，优选，遍及所述相邻部间的、至少所述上部电极的侧面以及上表面而具有绝缘层。
另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的电光器件中，优选，在所述相邻部间填充有绝缘层。
另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的电光器件中，所述绝缘层优选由无机物构成，更优选由无机氧化物构成。另外，所述绝缘层可以是多晶态，也可以是非晶态。
本发明的另一个方面所涉及的电光器件，其特征在于，是具有多个马赫曾德尔光波导的电光器件，所述马赫曾德尔光波导具有第一光波导以及第二光波导，在所述第一光波导上配置有第一上部电极，在所述第二光波导上配置有第二上部电极，在所述第一上部电极和所述第二上部电极之间的相较于所述第一上部电极和所述第二上部电极更上位的上位层具有金属层。这样，通过在第一上部电极和第二上部电极之间的相较于第一上部电极和第二上部电极更上位的上位层具有金属层，从而能够利用该金属层屏蔽相邻的元件间的电气串扰，由此能够抑制元件间的电气串扰并且能够谋求宽频带化。
另外，在上述的本发明的另一个方面所涉及的电光器件中，优选，在所述多个马赫曾德尔光波导之间具有接地导体，所述金属层与所述接地导体连接。
另外，在上述的本发明的另一个方面所涉及的电光器件中，优选，在所述第一上部电极和所述第二上部电极之间具有绝缘层。
另外，在上述的本发明的另一个方面所涉及的电光器件中，优选，遍及所述第一上部电极和所述第二上部电极之间的、所述第一上部电极和所述第二上部电极中的任一方的侧面具有绝缘层。
另外，在上述的本发明的另一个方面所涉及的电光器件中，优选，遍及所述第一上部电极和所述第二上部电极之间的、所述第一上部电极和所述第二上部电极中的任一方的侧面和上表面而具有绝缘层。
另外，在上述的本发明的另一个方面所涉及的电光器件中，优选，在所述第一上部电极和所述第二上部电极之间填充有绝缘层。
另外，在上述的本发明的另一个方面所涉及的电光器件中，所述绝缘层优选由无机物构成，更优选由无机氧化物构成。另外，所述绝缘层可以是多晶态，也可以是非晶态。
根据本发明的一个方面，提供了一种能够抑制元件间的电气串扰并且能够谋求宽频带化的电光器件。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式所涉及的光调制器100的俯视图。
图2是沿图1中的A-A’线的光调制器的截面图。
图3是本发明的第二实施方式所涉及的光调制器的截面图。
图4是本发明的第二实施方式的第一变形例所涉及的光调制器的截面图。
图5是本发明的第二实施方式的第二变形例所涉及的光调制器的截面图。
图6是本发明的第二实施方式的第三变形例所涉及的光调制器的截面图。
图7是本发明的第三实施方式所涉及的光调制器200的俯视图。
图8是沿图7中的A-A’线的光调制器的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行详细的说明。在此，在附图的说明中，对相同或者相当的要素标记相同的符号，省略重复的说明。
(第一实施方式)
图1是本发明的第一实施方式所涉及的光调制器100的俯视图。图2是沿图1中的A-A’线的光调制器的截面图。
如图1和图2所示，作为本实施方式所涉及的电光器件的光调制器100具备光波导10以及配置于光波导10上的上部电极7。
光波导10在平面上折返而形成。例如，在本实施方式中，光波导10在平面上折返2次而形成，从而包含互相平行地配置的第一至第三线直线部10e1、10e2、10e3、连接第一直线部10e1和第二直线部10e2的第一弯曲部10f1、以及连接第二直线部10e2和第三直线部10e3的第二弯曲部10f1。但是，并不限于此，光波导10也可以在平面上折返3次以上而形成。
另外，光波导10是具有形成于基板1上并且互相平行地设置的第一和第二光波导10a、10b的马赫曾德尔光波导。
第一光波导10a在平面上折返而形成，第二光波导10b在平面上折返而形成。在光调制器中，元件长度长是实用上的大的技术问题，但是，如图1所示，通过将光波导折返来构成，可以大幅地缩短元件长度，并且可以得到显著的效果。特别地，由铌酸锂膜形成的光波导具有即使将曲率半径减小至例如50μm左右，损耗也小的特征，适用于本实施方式。
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。具有从一根输入光波导10i被分波部10c分支的第一和第二光波导10a、10b，第一和第二光波导10a、10b经由合波部10d而汇集于一根输出光波导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从输出光波导10o输出。具体来说，输入光Si被输入至第一直线部10e1的一端，从第一直线部10e1的一端向另一端行进，在第一弯曲部10f1处折返并从第二直线部10e2的一端向另一端以与第一直线部10e1相反的方向行进，进一步在第二弯曲部10f2处折返并从第三直线部10e3的一端向另一端以与第一直线部10e1相同的方向行进。
另外，上部电极7具有配置于第一光波导10a上的第一上部电极7a以及配置于第二光波导10b上的第二上部电极7b。在本实施方式中，上部电极7通过光波导10的折返而具有第一相邻部7a1以及第二相邻部7a2，第二上部电极7b通过第二光波导10b的折返而具有隔着第一相邻部7a1以及第二相邻部7a2而间接地相邻的第三相邻部7b1以及第四相邻部7b2。在此，将由第一相邻部7a1以及第三相邻部7b1构成的组、以及由第二相邻部7a2以及第四相邻部7b2构成的组分别简称为相邻部。
如图2所示，本实施方式所涉及的光调制器100具有依次层叠有基板1、波导层2、保护层3、缓冲层4和电极层5的多层构造。基板1例如是蓝宝石基板，在基板1的表面形成有由以铌酸锂为代表的电光材料构成的波导层2。波导层2具有由脊部2r构成的第一和第二光波导10a、10b。
保护层3形成于在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的上表面中的未形成脊部2r的区域的整个面，并且脊部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。对保护层3的材料没有特别限定，例如可以使用氧化硅(SiO2)。
缓冲层4是为了防止在第一和第二光波导10a、10b中传播的光被上部电极7a、7b吸收，而形成于波导层2的脊部2r的上表面的层。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，并且其厚度可以为大约0.2～1.2μm左右。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的上表面直接形成缓冲层4。
为了减小电极的光吸收，缓冲层4的膜厚越厚越好，并且为了对光波导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是权衡(Trade-off)的关系，因此有必要根据目的来设定适当的膜厚。缓冲层4的介电常数越高，则越可以减小VπL(表示电场效率的指标)，因而优选，缓冲层4的折射率越低，则可以使缓冲层4越薄，因而优选。通常，因为介电常数高的材料的折射率也高，考虑到两者的平衡，重要的是选定介电常数高且折射率比较低的材料。作为一例，Al2O3的相对介电常数约为9、且折射率约为1.6，是优选的材料。LaAlO3的相对介电常数约为13、且折射率约为1.7，另外，LaYO3的相对介电常数约为17、且折射率约为1.7，是特别优选的材料。
在电极层5设置有第一上部电极7a和第二上部电极7b。第一上部电极7a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。第二上部电极7b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。
另外，如图2所示，在相邻部间的相较于上部电极7更上位的上位层具有金属层6。具体来说，在第三相邻部7b1和第四相邻部7b2之间的相较于上部电极7更上位的上位层具有金属层6。这样，通过在相邻部间的相较于上部电极更上位的上位层具有金属层，从而能够利用该金属层屏蔽相邻的元件间的电气串扰，由此能够抑制元件间的电气串扰并且能够谋求宽频带化。
另外，如图2所示，由缓冲层4、电极层5和金属层6包围的空间SP可以是空洞，也可以填充有树脂或者无机氧化物。
波导层2只要是电光材料，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常数，适合作为光调制器等光学器件的构成材料。以下，对将波导层2作为铌酸锂膜的情况下的本实施方式的结构进行详细地说明。
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(即，基板1的厚度方向)设为Z轴时，晶体沿X轴、Y轴和Z轴方向均一致地取向。
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，铌酸锂膜中的光的限制变弱，光会泄漏至基板1或缓冲层4。即使对铌酸锂膜施加电场，光波导10a、10b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。
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(未在图中示出)而通过外延生长形成铌酸锂膜。作为包覆层(未在图中示出)，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(未在图中示出)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抛光或切片的方法。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。
(第二实施方式)
图3是本发明的第二实施方式所涉及的光调制器的截面图。如图3所示，第二实施方式所涉及的光调制器与第一实施方式所涉及的光调制器100的不同在于，在相邻部之间、即由第一相邻部7a1以及第三相邻部7b1构成的组、以及由第二相邻部7a2以及第四相邻部7b2构成的组之间配置有接地导体8a。具体来说，如图3所示，在第一相邻部7a1和第二相邻部7a2之间配置有接地导体8a。本实施方式所涉及的光调制器的其他的结构与第一实施方式所涉及的光调制器100相同，因此省略详细的说明。
另外，在本实施方式中，金属层6与接地导体8a连接。另外，由缓冲层4、电极层5、金属层6和接地导体8a分别包围的空间SP1、SP2可以是空洞，也可以填充有树脂或者无机氧化物。
图4是本发明的第二实施方式的第一变形例所涉及的光调制器的截面图。如图4所示，第二实施方式的第一变形例所涉及的光调制器与第二实施方式所涉及的光调制器的不同在于，在第三相邻部7b1和第四相邻部7b2之间具有绝缘层9。本变形例所涉及的光调制器的其他的结构与第一实施方式所涉及的光调制器相同，因此省略详细的说明。
另外，在本变形例中，优选，绝缘层9遍及第三相邻部7b1和第四相邻部7b2之间的第一上部电极7a的侧面而形成。
图5是本发明的第二实施方式的第二变形例所涉及的光调制器的截面图。第二实施方式的第二变形例所涉及的光调制器与第二实施方式所涉及的光调制器的不同在于，遍及第三相邻部7b1和第四相邻部7b2之间的第一上部电极7a的侧面以及上表面而具有绝缘层9A。本变形例所涉及的光调制器的其他的结构与第二实施方式所涉及的光调制器相同，因此省略详细的说明。
图6是本发明的第二实施方式的第三变形例所涉及的光调制器的截面图。第二实施方式的第三变形例所涉及的光调制器与第二实施方式所涉及的光调制器的不同在于，在第三相邻部7b1和第四相邻部7b2之间的空间内分别填充有绝缘层9B。本变形例所涉及的光调制器的其他的结构与第二实施方式所涉及的光调制器相同，因此省略详细的说明。
另外，在本第三变形例中，优选，金属层6与绝缘层9B直接相接而形成。
在上述的第二实施方式的第一变形例～第三变形例中，作为绝缘层的材料，绝缘层优选由无机物构成，更优选由无机氧化物构成。另外，绝缘层可以是多晶态，也可以是非晶态。
(第三实施方式)
图7是本发明的第三实施方式所涉及的光调制器200的俯视图。图8是沿图7中的A-A’线的光调制器的截面图。如图7和图8所示，本实施方式所涉及的光调制器200具有4个光波导10以及配置于光波导10上的第一上部电极7a和第二上部电极7b。但是，光波导10的数量没有特别的限定，也可以具有1～3个或5个以上的光波导10。
光波导10是具有第一光波导10a以及第二光波导10b的马赫曾德尔光波导。具有从一根输入光波导10i被分波部10c分支的多个第一和第二光波导10a、10b，多个第一和第二光波导10a、10b经由合波部10d而汇集于多根输出光波导10o1、10o2、10o3、10o4。
在第一光波导10a上配置有第一上部电极7a，在第二光波导10b上配置有第二上部电极7b。
在各个马赫曾德尔光波导10之间，配置有接地导体8b。在第一上部电极7a和第二上部电极7b之间的相较于第一上部电极7a和第二上部电极7b更上位的上位层具有金属层6A。这样，通过在第一上部电极和第二上部电极之间的相较于第一上部电极和第二上部电极更上位的上位层具有金属层，从而能够利用该金属层屏蔽相邻的元件间的电气串扰，由此能够抑制元件间的电气串扰并且能够谋求宽频带化。
另外，在本实施方式所涉及的光调制器200中，金属层6A与接地导体8b连接，从而构成双驱动方式(即，差动驱动方式)。
另外，在本实施方式所涉及的光调制器200中，尽管没有图示，但是优选与上述的第二实施方式的第一变形例～第三变形例同样地设置有绝缘层。具体来说，可以是在第一上部电极和第二上部电极之间具有绝缘层的结构。或者，可以是遍及第一上部电极和第二上部电极之间的、第一上部电极和第二上部电极中的任一方的侧面具有绝缘层的结构。或者，可以是遍及第一上部电极和第二上部电极之间的、第一上部电极和第二上部电极中的任一方的侧面和上表面而具有绝缘层的结构。或者，也可以是在第一上部电极和第二上部电极之间填充有绝缘层的结构。还有，作为绝缘层，也可以与上述实施方式相同地，绝缘层优选由无机物构成，更优选由无机氧化物构成。另外，绝缘层可以是多晶态，也可以是非晶态。
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，列举了具有由在基板1上外延生长的铌酸锂膜形成的一对光波导10a、10b的光调制器，但是本发明不限于该结构，也可以是由钛酸钡、锆钛酸铅等的电光材料形成光波导的光调制器。另外，作为波导层2，也可以使用具有电光效应的半导体材料、高分子材料等。
另外，在上述实施方式中，列举了将本发明应用于光调制器的例子，但是，本发明也可以应用于光开关、光共振器、光分支电路、传感器元件、毫米波产生器等任意的电光器件。

Claims (19)

1.一种电光器件，其特征在于，
具有光波导以及配置于所述光波导上的上部电极，
所述光波导在平面上折返而形成，
所述上部电极通过所述光波导的折返而具有相邻的相邻部，
在所述相邻部间的相较于所述上部电极更上位的上位层具有金属层。
2.如权利要求1所述的电光器件，其特征在于，
在所述相邻部间配置有接地导体，
所述金属层与所述接地导体连接。
3.如权利要求1所述的电光器件，其特征在于，
所述光波导是具有第一光波导以及第二光波导的马赫曾德尔光波导，
所述第一光波导和所述第二光波导相互排列并且在平面上折返。
4.如权利要求1所述的电光器件，其特征在于，
在所述相邻部间具有绝缘层。
5.如权利要求1所述的电光器件，其特征在于，
遍及所述相邻部间的、至少所述上部电极的侧面具有绝缘层。
6.如权利要求1所述的电光器件，其特征在于，
遍及所述相邻部间的、至少所述上部电极的侧面以及上表面而具有绝缘层。
7.如权利要求1所述的电光器件，其特征在于，
在所述相邻部间填充有绝缘层。
8.如权利要求4～7中任一项所述的电光器件，其特征在于，
所述绝缘层由无机氧化物构成。
9.如权利要求4～7中任一项所述的电光器件，其特征在于，
所述绝缘层是多晶态。
10.如权利要求4～7中任一项所述的电光器件，其特征在于，
所述绝缘层是非晶态。
11.一种电光器件，其特征在于，
是具有多个马赫曾德尔光波导的电光器件，
所述马赫曾德尔光波导具有第一光波导以及第二光波导，
在所述第一光波导上配置有第一上部电极，在所述第二光波导上配置有第二上部电极，
在所述第一上部电极和所述第二上部电极之间的相较于所述第一上部电极和所述第二上部电极更上位的上位层具有金属层。
12.如权利要求11所述的电光器件，其特征在于，
在所述多个马赫曾德尔光波导之间具有接地导体，
所述金属层与所述接地导体连接。
13.如权利要求11所述的电光器件，其特征在于，
在所述第一上部电极和所述第二上部电极之间具有绝缘层。
14.如权利要求11所述的电光器件，其特征在于，
遍及所述第一上部电极和所述第二上部电极之间的、所述第一上部电极和所述第二上部电极中的任一方的侧面具有绝缘层。
15.如权利要求11所述的电光器件，其特征在于，
遍及所述第一上部电极和所述第二上部电极之间的、所述第一上部电极和所述第二上部电极中的任一方的侧面和上表面而具有绝缘层。
16.如权利要求11所述的电光器件，其特征在于，
在所述第一上部电极和所述第二上部电极之间填充有绝缘层。
17.如权利要求13～16中任一项所述的电光器件，其特征在于，
所述绝缘层由无机氧化物构成。
18.如权利要求13～16中任一项所述的电光器件，其特征在于，
所述绝缘层是多晶态。
19.如权利要求13～16中任一项所述的电光器件，其特征在于，
所述绝缘层是非晶态。
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