CN215067594U - 光波导元件 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种光波导元件，其能够适当地转换在光波导中传播的光波的光斑尺寸，并能够将光学模块等光学部件适当地接合于基板端面。光波导元件具备由具有电光效应的材料形成的脊型光波导(2)和支承该脊型光波导的加强基板(1)，其特征在于，该脊型光波导(2)的一端构成楔形部分(20)，所述光波导元件具备以夹着该楔形部分的方式从该楔形部分分离配置并配置在该加强基板(1)上的结构体(4)，在由上部基板和该结构体夹着的空间配置有粘结层，所述上部基板配置于该楔形部分和该结构体的上侧。

Description

光波导元件
技术领域
本实用新型涉及光波导元件，特别是涉及具备脊型光波导和支承该脊型光波导的加强基板的光波导元件。
背景技术
在光计量技术领域、光通信技术领域中，多采用使用了具有电光效应的基板的光调制器等光波导元件。特别是伴随着近年来的信息通信量的增大，希望长距离的都市间或数据中心间使用的光通信的高速化、大容量化。而且，也存在基站的空间的限制，需要光调制器的高速化和小型化。
在光调制器的小型化中，通过实施缩窄光波导的宽度的微细化，能够增大光的闭入效应，结果是，能减小光波导的弯曲半径，从而能够实现小型化。例如，具有电光效应的铌酸锂(LN)由于在将电信号向光信号转换时畸变少，光损失少，因此被使用作为面向长距离的光调制器。在LN光调制器的以往的光波导中，模场直径(MFD)为10μmφ左右，光波导的弯曲半径较大，为几十mm，因此难以小型化。
近年来，基板的研磨技术、基板的贴合技术提高，LN基板能够薄板化，光波导的MFD也研究开发到1μmφ左右。随着MFD的减小，光的闭入效应也增大，因此光波导的弯曲半径也能够进一步减小。
另一方面，在使用具有比光纤的MFD即10μmφ小的MFD的微细光波导的情况下，如果将设置于光波导元件的光波导的端部(元件端面)与光纤直接接合，则产生大的***损失。
为了消除这样的不良情况，可考虑在光波导的端部配置光斑尺寸转换构件(光斑尺寸转换器，SSC)。一般的SSC设有二维或三维地扩大光波导的楔形形状的光波导部分。作为参考，专利文献1或2示出楔形波导的例子。
伴随着光波导的芯部的扩大而光斑尺寸扩大的楔形波导由于适合于光斑尺寸的芯部和包层部的折射率调整的难度高，容易产生多模，因此作为光波导元件的SSC，能够使用的设计受到限制。而且，为了转换成所需的光斑尺寸而需要比较长地形成楔形部分，存在光波导元件难以小型化的课题。
此外，如专利文献1的图5至7所示，在使用具有向基板表面突出的部分的楔形波导的情况下，会导致制作工艺的复杂化，并且在基板的表面也粘贴有加强板时，楔形波导的突出部分的存在使得将该加强板平行地贴合于基板表面的情况变得困难。这样的加强板在基板端面直接接合光纤的情况下，或者直接接合偏振镜、光学反射镜、透镜等光学模块的情况下，发挥如下的极其重要的作用：增加粘结面积并提高接合强度，或者抑制粘结剂向光波导基板侧流入等。
根据以上的情况，要避免采用朝向基板的端面扩大光波导的宽度(包括厚度)的楔形波导作为光波导元件的SSC的情况。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2006-284961号公报
【专利文献2】日本特开2007-264487号公报
实用新型内容
【实用新型的概要】
【实用新型要解决的课题】
本实用新型要解决的课题在于解决上述那样的问题，而提供一种光波导元件，其能够适当地转换在光波导中传播的光波的光斑尺寸，从而能够将光学模块等光学部件适当地接合于基板端面。
【用于解决课题的方案】
为了解决上述课题，本实用新型的光波导元件具有以下的技术特征。
(1)一种光波导元件，具备由具有电光效应的材料形成的脊型光波导和支承该脊型光波导的加强基板，其特征在于，该脊型光波导的一端构成楔形部分，所述光波导元件具备结构体，该结构体以夹着该楔形部分的方式从该楔形部分分离配置并配置在该加强基板上，在由上部基板和该结构体夹着的空间配置有粘结层，所述上部基板配置于该楔形部分和该结构体的上侧。
(2)在上述(1)记载的光波导元件中，其特征在于，该粘结层的折射率比该加强基板及该上部基板的各自的折射率大。
(3)在上述(1)或(2)记载的光波导元件中，其特征在于，在该脊型光波导的延长线上，光纤或光学模块连接于该加强基板及该上部基板的端面。
【实用新型效果】
本实用新型涉及一种光波导元件，具备由具有电光效应的材料形成的脊型光波导和支承该脊型光波导的加强基板，其中，该脊型光波导的一端构成楔形部分，所述光波导元件具备结构体，该结构体以夹着该楔形部分的方式从该楔形部分分离配置并配置在该加强基板上，在由上部基板和该结构体夹着的空间配置有粘结层，所述上部基板配置于该楔形部分和该结构体的上侧，因此能够将从楔形部分漏出的光波向由粘结层形成的光波导平滑地使光波的MFD变化。
其结果是，也能够抑制与SSC相伴的多模的产生或光学模块等的连接不良。
附图说明
图1是本实用新型的光波导元件的侧视图。
图2是图1的一部分的剖面的从上方观察的俯视图。
图3是图2的A～C的各部位的剖视图。
图4是本实用新型的光波导元件的另一实施例的相当于图3的各部位的剖视图。
图5是本实用新型的光波导元件的模拟结果(侧视图)。
图6是本实用新型的光波导元件的模拟结果(俯视图)。
图7是本实用新型的光波导元件的模拟结果(入射侧(a)及出射侧(b)的剖视图)。
图8是本实用新型的比较例的模拟结果(侧视图)。
图9是本实用新型的比较例的模拟结果(俯视图)。
图10是本实用新型的比较例的模拟结果(入射侧(a)及出射侧(b)的剖视图)。
【标号说明】
1 加强基板
2 光波导
3 上部基板
4 结构体
5 粘结层
6 光纤(光学部件)
具体实施方式
以下，关于本实用新型的光波导元件，使用优选例进行详细说明。
如图1～图3所示，本实用新型的光波导元件具备由具有电光效应的材料形成的脊型光波导2和支承该脊型光波导的加强基板1，其特征在于，该脊型光波导2的一端构成朝向前端而宽度变细的楔形部分20，所述光波导元件具备以夹着该楔形部分的方式从该楔形部分分离配置并配置在该加强基板1上的结构体4，在由上部基板3和该结构体夹着的空间配置有粘结层5，该上部基板3配置于该楔形部分和该结构体的上侧。
本实用新型的光波导元件使用的具有电光效应的材料可以利用铌酸锂(LN)或钽酸锂(LT)、PLZT(锆钛酸铅镧)等的基板、由这些材料形成的气相生长膜等。
另外，半导体材料、有机材料等各种材料也可以利用作为光波导。
作为光波导的形成方法，可以利用对光波导以外的基板进行蚀刻或在光波导的两侧形成槽等的、在基板中将与光波导对应的部分形成为凸状的脊型光波导。此外，对应于脊型光波导，通过利用热扩散法或质子交换法等使Ti等向基板表面扩散，由此也能够进一步提高折射率。
形成有光波导的基板的厚度为了实现调制信号的微波与光波的速度匹配而设定为10μm以下，更优选为5μm以下，进一步优选为1μm以下。而且，脊型光波导的高度设定为4μm以下，更优选为2μm以下，进一步优选为0.4μm以下。而且，也可以在加强基板1之上形成气相生长膜，将该膜加工成光波导的形状。
为了提高机械强度，将形成有光波导的基板直接接合或经由树脂等粘结层而粘结固定于加强基板1。作为直接接合的加强基板1，优选利用包含折射率比光波导或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、例如水晶或玻璃等的氧化物层的基板。也可以利用简称为SOI、LNOI的在硅基板上形成有氧化硅层或在LN基板上形成有氧化硅层的复合基板。
图1至3是说明本实用新型的光波导元件的一例的图，图1是侧视图，图2是在图1的结构体4与粘结层5之间沿水平方向剖切时的俯视图。图3(a)是图2的虚线A-A’处的剖视图，图3(b)是图2的虚线B-B’处的剖视图，图3(c)是图2的虚线C-C’处的剖视图。
本实用新型的光波导元件的特征在于，如图2所示，光波导的一端形成朝向前端而宽度变细的楔形部分20。而且，具备以夹着该楔形部分20的方式从楔形部分20分离配置的结构体4。该结构体4可以利用具有与加强基板1相同程度的折射率的紫外线(UV)固化树脂，结构体4的折射率比粘结层5的折射率低。结构体4的高度与光波导2相同或比光波导2高，结构体4的间隔也设定为光波导2的宽度的两倍以上。结构体4是热塑性树脂或热固性树脂等树脂，作为一例，包括聚酰胺系树脂、密胺系树脂、酚醛系树脂、氨基系树脂、环氧系树脂等，作为低折射率材料，也可以包含橡胶材料、氧化硅化合物。而且，结构体4例如是永久抗蚀剂，是以热固型的树脂为材料的光致抗蚀剂。在光波导元件的制造工序中，通过旋涂法来涂布结构体4，在通过通常的一般的光刻工艺进行了图形化之后使其热固化，由此能够配置结构体4。基于光刻工艺的图形化与以往的溅射成膜相比能够高精度地形成微细的图案形状，在本实用新型的实施方式中优选。
在光波导的楔形部分20和结构体4的上侧配置上部基板3。对上部基板利用具有与加强基板1相同的程度的折射率或线膨胀系数的材料。如果线膨胀系数一致，则能够减少上部基板因热应力而脱落等不良情况，得到耐热性优异的波导元件。在上部基板3与加强基板1之间以包围楔形部分20的方式填充UV固化树脂，通过硬化而得到粘结层5。粘结层5可以使用通常使用的丙烯酸系或环氧系等的粘结剂。
粘结层5的折射率与结构体4、加强基板1、上部基板3相比成为0.001以上的高折射率。由此，能够形成以被结构体4夹着的粘结层5为芯部并以加强基板1、结构体4及上部基板3为包层部的光波导。
如图3(a)所示，在光波导2中传播的光波沿着脊型光波导2以单模传播。虚线L是将传播的光波的扩展进行了图像化的线。
如图3(b)所示，当光波导2的宽度进入楔形部分20而缩窄时，从光波导2泄漏的光波L增多，光波的MFD扩展成光波导2的宽度以上。
如图3(c)所示，示出在脊型光波导2消失的区域中，形成以粘结层5为芯的光波导，在该芯部中传播的光波的MFD也扩展成芯部的宽度程度的形状。
如图3(c)所示，能够对应于光波的MFD的扩展而适当地调整芯部(粘结层5)与包层部(结构体4、加强基板1、上部基板3)的折射率差。而且，与上述折射率差调整一起，通过设定适当的结构体4的间隔和粘结层5的厚度而能够以单模传播。关于用于得到所希望的MFD的各设计值，在使用的材料等中可以适时设计，例如，将芯部(粘结层5)的折射率设为1.54～1.56，将包层部(结构体4、加强基板1、上部基板3)的折射率设为1.45～1.53，将结构体4的间隔和粘结层5的厚度设为3～4μm左右时，光波的MFD能够以3μm左右进行单模传播。
如图3(a)～(c)所示，通过将光波导变细成锥状而光波L的MFD依次平滑地扩展，因此能抑制在中途产生多模的情况。如图3(c)那样MFD扩展的光波如图1及图2所示向光纤6入射。在本实用新型的光波导元件中，元件内的脊型光波导2的MFD与光纤的MFD相比大幅减小。然而，在光波导的楔形部分20以后，MFD被转换得更大，因此最终能够使向光纤入射的MFD接近光纤的MFD，能够减少光波的***损失。另外，SSC相对于扩大前的MFD，止于约3倍的扩大后的MFD，由此被报告能够减小其转换损失的情况。根据需要将SSC串列连接成两段的方式或粘贴具有光学透镜的光学模块的方式也能够以低连接损失与光纤进行光耦合。
而且，与光纤6或光学模块直接接触的光波导元件的端面是以粘结层5为芯部的光波导，粘结层5的折射率具有与光纤的包层部、光学模块等同的折射率，不需要为了抑制将结晶与结晶连接时的光波的反射而设定为满足斯涅耳定律的入射角。该入射角与光波的MFD处于反比例关系，在使用脊型波导的本结构中成为更小的MFD，因此需要比通常大的入射角。因此，能够与加强基板1的长度方向垂直地切断光波导元件的端面，能够在该长度方向的延长线上配置光纤或光学模块，因此能够实现省空间化并削减工艺的工序数。而且，在本实用新型中，光波导元件的端面的切断是图2的虚线C-C’的区域，但是根据所需的光波的光斑尺寸，也可以进行图2的虚线B-B’的区域、或图2的虚线B-B’与图2的虚线C-C’之间的区域的切断。而且，光波导元件的端面与光纤6或光学模块的连接可以使用与粘结层5相同的折射率的粘结剂。由此，即使光波导元件的切断面存在某种程度的粗糙度，通过利用同一折射率的粘结剂也能够大幅减少以切断面的凹凸为起因的光散射的影响。由此，能够省略为了修整切断面而通常进行的光学研磨或缩短其时间，从而削减光波导元件的制造工序数。
而且，经由粘结层5连接上部基板3，在上部基板3的下表面将光波导2分离配置，因此也不用像专利文献1那样担心光波导2与上部基板3接触而上部基板3上浮。因此，能够将与光波导元件的芯片基板的端面连接的光学部件例如光纤或偏振镜、透镜等光学模块等适当地接合于基板端面。
图4是表示本实用新型的光波导元件的另一实施例的图，是说明图3的变形例的图。如图4(a)所示，光波导22在减薄了LN等基板的薄板上以脊结构形成。在图4(b)的光波导的楔形部中，也可以缩窄光波导22自身的宽度，并且还将光波导的周围的基板21的一部分切除而设置槽23。此时，切除的宽度与由结构体4制作的粘结剂填充部的宽度相比充分宽(至少使从光波L的中心至周围的基板21为止的距离S分离5μm以上)，由此需要在板坯部分避免存在传播模。
如图4(b)所示，将夹着光波导的结构体4设置于加强基板1和基板21上，在由上部基板3和结构体4夹着的空间配置粘结层5。而且，在图4(c)中，除去光波导22自身，转换成以粘结层5为芯部的光波导。
在本实用新型中，例示了沿光波导的宽度方向变化的锥部，但是在芯部与包层部的折射率差能够确保使光波进行单模传播的范围内，也可以使用截面积沿厚度方向变化的锥部、或沿宽度方向和厚度方向同时变化的锥部。此外，在本实用新型中，关于芯部和包层部的折射率调整，配置不同种类的材料，但也可以进行离子注入或热扩散等，使用氟或碱金属等各种掺杂剂进行折射率调整。
为了确认本实用新型的光波导元件的效果，如图5至10所示，进行了光波导元件涉及的模拟。
图5至7是以本实用新型的光波导元件为模型，对1μm的宽度的光波导附加楔形部分并将结构体4的间隔设定为3μm的图。另一方面，图8至10是取代粘结层5(折射率1.56)而配置与光波导22的折射率大致相等的折射率(折射率2.12)的结构体后的图。在该情况下，结构体4的间隔也设定为3μm。
图5是从图1的方向观察在光波导中传播的光波的图。图6是从图2的方向观察同样在光波导中传播的光波的图。图7(a)是从图5的光波导的左端观察到的光波的剖面，图7(b)是从图5的光波导的右端观察到的光波的剖面。图8是与图5对应的比较例的图，图9是与图6对应的比较例的图，图10是与图7对应的比较例的图。图8至10是简单地模拟了相对于图5至7通过扩宽光波导的芯部而扩宽光波的MFD的结构的图。
从这些模拟的结果也可知，在图8至10的比较例中产生多模，但是在本实用新型的光波导元件中，能有效地抑制这样的多模，容易理解到能以更短的锥长将光波的MFD扩大。
【产业上的可利用性】
如以上说明所述，根据本实用新型，能够提供一种光波导元件，其能够适当地转换在光波导中传播的光波的光斑尺寸，并能够将光学模块等光学部件适当地接合于基板端面。

Claims (3)

1.一种光波导元件，具备由具有电光效应的材料形成的脊型光波导和支承该脊型光波导的加强基板，其特征在于，
该脊型光波导的一端构成楔形部分，
所述光波导元件具备结构体，该结构体以夹着该楔形部分的方式从该楔形部分分离配置并配置在该加强基板上，
在由上部基板和该结构体夹着的空间配置有粘结层，所述上部基板配置于该楔形部分和该结构体的上侧。
2.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
该粘结层的折射率比该加强基板及该上部基板的各自的折射率大。
3.根据权利要求1或2所述的光波导元件，其特征在于，
在该脊型光波导的延长线上，光纤或光学模块连接于该加强基板及该上部基板的端面。
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