专利名称：光波导器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及光波导器件。
背景技术：
为了使光调制器的调制区域宽区域化，提出了通过使光波导基板变薄来得到微波和光波的速度匹配的结构的方案。在使光波导基板变薄的结构中，为了满足速度匹配条件，需要使光波导部周边的基板厚度为例如10μm左右，为了防止光模场图的扁平化，抑制因基板薄型以及槽加工导致的表面粗糙、损伤的影响而产生的光传播损失，在专利文献1-特开2002-109133号公报中提出了2段背面槽结构。
在专利文献2-特开9-211402号公报记载的器件中，通过在加强基板上设置空气层而成为满足速度匹配条件的结构。另外，在专利文献3-特开2004-341147号公报记载的器件中，记载了在加强基板上接合厚度30μm或其以下的平板状的光波导基板而使之一体化的结构。
另外，在专利文献4-特开4-355714号公报中，记载了具有2根光波导交叉的交叉部分的行波形光调制器。在这种光调制器中，通过在基板的一端折回光波导来减小增加强度调制所需要的基板长度。
为了光波导器件的小型化，希望以更小的曲率半径弯曲光波导。然而，弯曲光波导的话，由于光辐射损失在光波导的弯曲部分增大，而难以将光波导的弯曲部分的曲率半径变小。
而且，在设置2根光波导交叉的交叉部分的场合，通过使该光波导的交叉部分的交叉全角变小，可以使宽度方向相对于光波导基板的交叉角小型化。由此能够实现更小的光学器件。但是，如果使交叉全角变小，则由于在交叉部分的插入损失和串扰增大，而难以使交叉全角变小。
发明内容
本发明的课题是，在光波导器件中，使光波导的弯曲部分的曲率半径能够变小，而且抑制弯曲部分的光辐射损失。
此外，本发明的课题是，在具有光波导交叉部分的光调制器中，使交叉部分的交叉角度能够变小，而且抑制交叉部分的插入损失和串扰。
第一发明的光波导器件，具备强介电性的光波导基板以及形成于该光波导基板上的光波导，其特征在于，至少光波导区域的光波导基板的厚度为30μm或其以下，光波导包含曲率半径30mm或其以下的弯曲部分。
第二发明的光波导器件，具备强介电性的光波导基板以及形成于该光波导基板上的光波导，其特征在于，至少光波导区域的光波导基板的厚度为30μm或其以下，光波导包含交叉部分。
根据第一发明，至少光波导区域的光波导基板的厚度为30μm或其以下，光波导包含曲率半径30mm或其以下的弯曲部分。即，将光波导基板减薄到30μm或其以下，在含有空气的低介电常数介质上设置光波导基板的话，则对光波导内的光的封闭增强，能够显著降低弯曲部分的辐射损失。由此可知，抑制辐射损失的同时，能够实现器件的小型化。
这里，通过使光波导形成区域的光波导基板的厚度为30μm或其以下，能够显著降低弯曲部分的辐射损失。该厚度较好是10μm或其以下，更好是8μm或其以下。光波导形成区域的基板厚度的下限值没有特别限定，但从强度方面考虑最好是2μm或其以上。弯曲部分的曲率半径的最大值没有特别限定，但该曲率半径超过30mm的话，则由于基板变厚，某种程度上辐射损失降低，根据本发明的观点，使弯曲部分的半径为30mm或其以下。
在第一发明中，能够在弯曲部分的外侧形成凹部。更好是能够在弯曲部分的内侧还形成凹部。这些凹部的方式没有特别限定，但最好是槽状。另外，凹部的深度没有特别限定，但从增强对弯曲部分的光的封闭的观点出发，较好是为0.2μm或其以上，更好是为0.5μm或其以上。但是，基板厚度较薄的场合，形成相对浅的槽，能够得到充分好的效果。凹部的深度小于基板的厚度。凹部过深的话，基板的强度降低，因此凹部的深度最好比基板的厚度浅1μm或其以上。
根据第二发明，至少光波导区域的光波导基板的厚度为30μm或其以下，由此，能够减小在交叉部分的交叉全角，从而能够抑制在交叉部分的插入损失和串扰。
这里，通过使光波导形成区域的光波导基板的厚度为30μm或其以下，能够显著降低交叉部分的串扰和插入损失。该厚度较好是10μm或其以下，更好是8μm或其以下。光波导形成区域的基板厚度的下限值没有特别限定，但从强度方面考虑最好是2μm或其以上。另外，交叉全角没有特别限定。但是，如果交叉全角的最大值超过40°的话，基板变厚，插入损失也会有某种程度降低，串扰变小，所以，根据本发明的观点，交叉全角较好是在40°或其以下，并且，根据该观点，交叉全角在20°或其以下更好，10°或其以下最好。另外，如果交叉全角变小，光波导器件难以小型化，所以，根据光波导器件小型化的观点，交叉全角在10°或其以上较好，更好是在15°或其以上。
图1是概略地表示可以适用本发明的光调制器的一例的俯视图。
图2是图1的光调制器2的横剖面图。
图3是表示第一发明的光波导图案的俯视图。
图4是表示在光波导的外侧形成槽20的光波导图案的俯视图。
图5是表示在光波导的两侧形成槽20、21的光波导图案的俯视图。
图6是概略地表示可以适用第一以及第二发明的折返型马赫-曾德光调制器的俯视图。
图7是表示弯曲部每5度的辐射损失的曲线图。
图8是变更了钛宽度Wti时的弯曲部每5度的辐射损失的曲线图。
图9是用于表示光波导器件的各部分的尺寸的模式图。
图10是表示在形成了槽20、21的场合弯曲部每5度的辐射损失的曲线图。
图11是表示在形成了槽20的场合弯曲部每5度的辐射损失的曲线图。
图12是模式地表示能够适用第二发明的光开关21的俯视图。
图中2、11-光调制器，3、12-光波导基板，4A、4B、4C、14、15、16-调制用电极，5、17-光波导，5A、5B、17d、17j-调制部，5a、17a-入射部，5b、5e、17b、17m-分支部，5、5c、5d、17c、17e、17h、17k-弯曲部分，19-交叉部分，20-弯曲部分的外周侧的凹部，30-粘接层(低介电常数层)，21-弯曲部分的内周侧的凹部，31-保持基体，R-弯曲部分的曲率半径，W、W1、W2-凹部的宽度，θ-交叉全角。
具体实施例方式
以下，参照附图，对本实施例进行说明。
在第一、第二发明中，光波导基板的表面侧、背面侧最好为空气层或低介电常数材料层，这样，本发明的效果更显著。该低介电常数层最好是后述的粘接层。但是，在将保持基体相对光波导基板直接粘合或一体化的场合，能够使保持基体的材质为低介电常数材料。
图1是表示光调制器2的俯视图，图2是图1的光调制器2的横剖面图。
光调制器2具备光波导基板3和保持基体31。基板3、基体31均为平板状。基板3(光波导形成区域)的厚度为30μm或其以下。在基板3的主面上形成有预定的电极4A、4B、4C。
在本例中，采用的是所谓共面波导管型(Coplanar WaveguideCPW电极)的电极配置，但电极的配置方式没有特别限定。共面波导管型是在一对接地电极之间夹入一列信号电极。但是，本发明能够应用于例如ACPS式的行波形光调制器。在该场合，设有一列接地电极和一列信号电极。另外，也可应用于所谓独立调制型的行波形光调制器。
在本例中，光波导5俯视时构成了所谓马赫-曾德型光波导。即，入射到光波导5的入射部5a的光，在分支部5b分为2个，经由各弯曲部分5c入射到各调制部5A、5B。然后，分别经由弯曲部分5c进入各分支部5e合波并从射出部5f射出。对一对调制部5A、5B在大致水平方向施加信号电压。厚度大致一定的粘接层30介于基板3的下面和保持基体31之间，将基板3和保持基体31粘接起来。
光波导既可以是直接形成于基板的一方主面上的脊型光波导，也可以是借助其它层形成于基板的一个主面上的脊型光波导，另外，也可以是利用内扩散法或离子交换法形成于基板内部的光波导、例如钛或锌扩散光波导、质子交换光波导。具体地说，光波导也可以是从基板表面突出的脊型光波导。脊型光波导可以通过激光加工、机械加工来形成。或者，在基板上形成高折射率膜，通过对该高折射膜进行机械加工、激光沉积加工，能够形成脊型的三维光波导。高折射率膜例如通过化学气相成长法、物理气相成长法、有机金属化学气相成长法、溅射法、液相外延法形成。
在本例中，电极设在基板的表面，既可以直接形成于基板的表面，也可以形成于低介电常数层或缓冲层上。低介电常数层可使用氧化硅、氟化镁、氮化硅以及氧化铝等公知的材料。这里所说的低介电常数层是指由具有比构成基板主体的材料的介电常数更低的介电常数的材料构成的层。
粘接层30的厚度较好是在1000μm或其以下，更好是在300μm或其以下，最好是在100μm或其以下。另外，粘接层30的厚度没有特别限定，根据减小微波有效折射率的观点，可以是10μm或其以上。
构成光波导基板3、保持基体31的材料由介电性的光电材料、最好是单晶构成。这种晶体，只要可进行光的调制并没有特别限定，可例示出铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、铌酸钾锂、KTP及水晶等。
保持基体31的材质除了上述的介电性的光电材料之外，还有石英玻璃等玻璃也可以。
粘接剂的具体例子，只要满足所述条件没有特别限定，可例示出环氧系粘接剂、热硬化性粘接剂、紫外线硬化性粘接剂、具有与具有铌酸锂等的光电效果的材料比较接近的热膨胀系数的アロンセラミツクス C(商品名，东亚合成社制)(热膨胀系数13×10-6/K)。
另外，可在粘接层内设置空洞而成为空气层。或者，通过在粘接层30的上侧表面(与光波导基板相面对的表面)设置凹部，可利用该凹部作为空气层。这些场合，粘接层及空气层二者作为低介电常数材料发挥作用。
这里，根据第一发明，如图3所示，使弯曲部分5c的曲率半径R为30mm或其以下。另外，同样，在弯曲部分5d也使曲率半径R为30mm或其以下。并且，也使在向与弯曲部分5c、5d相反方向弯曲的弯曲部分5e、5f的各曲率半径为30mm或其以下。特别好是在光波导5的全长范围内使各弯曲部分的曲率半径R为30mm或其以下。
此外，在图4所示的例中，光波导5的分支部5b、弯曲部分5c以及调制部5A的末端外侧(外周侧)形成有细长的凹部20。并且，弯曲部分5c的曲率半径R在30mm或其以下。而且，与之同样地，在弯曲部分5d，也在弯曲部分5d的外侧设置细长凹部20，并使弯曲部分5d的曲率半径R在30mm或其以下。在弯曲部分5c、5d内侧不形成凹部。与此同时，在从弯曲部分5e、5f的曲率中心所见的外侧形成细长凹部2035，在从弯曲部分5e、5f的曲率中心所见的内侧不形成凹部。弯曲部分5e、5f的曲率半径R为30mm或其以下。特别好是在光波导5的全长范围内使各弯曲部分的曲率半径为30mm或其以下。
再有，在图5所示的例中，光波导5的分支部5b、弯曲部分5c以及调制部5A的末端外侧(外周侧)形成有细长的凹部20A。与此同时，分支部5b、弯曲部分5c以及调制部5A的末端内侧(内周侧)形成有细长凹部21。并且，弯曲部分5c的曲率半径R在30mm或其以下。而且，与之同样地，在弯曲部分5d，也在弯曲部分5d的外侧设置细长凹部20A，在弯曲部分5d的内侧设置细长凹部21，并使弯曲部分5d的曲率半径R在30mm或其以下。与此同时，在从弯曲部分5e、5f的曲率中心所见的外侧形成细长凹部20A，在从弯曲部分5e、5f的曲率中心所见的内侧也形成细长凹部21。弯曲部分5e、5f的曲率半径R为30mm或其以下。特别好是在光波导5的全长范围内使各弯曲部分的曲率半径为30mm或其以下。
凹部20、20A、21、30的形状或深度没有特别限定。凹部20、21的宽度W、W1、W2也没有特别限定，但是为了提高弯曲部分5c、5d、5e、5f的光的封闭性，较好是在0.2μm或其以上，更好是在0.5μm或其以上。而且，如果凹部和弯曲部分5c、5d、5e、5f(的光束中心)距离d、d1、d2过小，则会使在光波导传播的光因凹部而减少，或使之散乱，因此，该距离d、d1、d2较好是在1μm或其以上，更好是在2μm或其以上。另外，如果距离d、d1、d2过大，则会使弯曲部分的关闭效果低下，因此，d、d1、d2较好是在15μm或其以下，更好是在10μm或其以下。但是，凹部最佳位置根据光波导的光斑形状而变化。如果是较小的光斑直径的话，则在相对近的位置形成凹部为宜。如果是较大的光斑直径的话，则希望在相对远的位置形成凹部。
图12是示意可适用第二发明的1×2光开关21的俯视图。光开关由以下各部构成X斜切铌酸锂构成的光波导基板12；形成于光波导基板12上表面的钛扩散导波路22、23；为了对开关动作施加必要电场而在基板上配置的电极24、25。对电极24、25不施加电场的场合，光从入射口26如箭头A所示那样入射到光波导22，接着，输入的光直接进入光波导22，从输出口27如箭头B所示那样输出。另一方面，在施加电场的场合，因光电效应而使在电极间缝隙光波导基板的折射率下降，所以，入射光被全反射，在光波导23传送并从输出口28如箭头C所示那样被输出。
这里，交叉角较小，则全反射所需的折射率变化减小，所以能够使驱动电压下降。因此，为了使交叉角θ更小，根据本发明，基板12的厚度为30μm或其以下。
再有，在一个基板上具有多个光功能处理部(光开关)的光集成器件中，在2个光波导相交的地方(交叉部)可适用本发明。
图6是示意可适用第一及第二个发明的光调制器11的俯视图。光调制器11具备光波导基板12、未图示出的保持基体31以及粘接层30(参照图2)。基板12、基体31皆为平板形状。基板12(光波导形成区域)的厚度在30μm或其以下。在基板12的主面上形成有预定电极14、15、16。
在本例中，光波导17具有使马赫-曾德型光波导折返的形状。即，入射到光波导17的入射部17a的光，在分支部17b分成2个，经由各弯曲部分17c入射到一对往路调制部17d。然后，分别经由各弯曲部分17e进入各连结部17f，接着在光波导基板12端部的反射点18反射。接着，在反射点18反射的光分别在连结部17g传输，并从各弯曲部分17h进入各返路调制部17j，再次接受调制。然后，通过弯曲部分17k、各分支部17m，进行合波，从射出部17n射出。
接地电极14具备往路调制部14a、返路调制部14c及连结部14b。另外，接地电极16具备基部16a和调制部16b。信号电极15具备输入部15a、15d，调制部15b、15c。并且，通过接地电极的往路调制部14a、信号电极的往路调制部15b、接地电极16的调制部16b，对调制部17d向大致水平方向施加调制电压，对在调制部17d内传输的光进行调制。通过接地电极的返路调制部14c、信号电极的返路调制部15c、接地电极16的调制部16b，对调制部17j向大致水平方向施加调制电压，对在调制部17j内传输的光进行调制。
在这种光调制器中，必定得到一个分支部17g和另一个分支部17f在交叉部分19交叉的图案。
这里，对各弯曲部分17c、17e、17h、17k可以适用第一发明。另外，对光波导的交叉部分19可以适用第二发明。即，至少光波导区域的光波导基板的厚度在30μm或其以下。
在本例中，作为强介电性的光波导基板使用了X斜切铌酸锂，作为光波导使用了钛扩散波导。这里，弯曲部分17c、17e、17h、17k为了降低反射耗损，因此希望通过使扩散前的钛宽度扩大或使钛的厚度加厚，相对增强光波导的封闭性。在一个19的交叉部分，为了提高串扰，较好是通过使扩散前的钛宽度变窄或使钛的厚度变薄，消弱光波导的封闭性。此时，在钛的宽度或厚度不同的连接部分，其宽度或厚度形成圆锥状慢慢变化的话就可实现低损失的光波导。在本例中，在弯曲部分17c、17e、17h、17k，使扩散前的钛宽度是8微米，在交叉部分19，扩散前的钛宽度是3微米。另外，在圆锥部的长度为300μm。
本发明的光波导器件最好是光强度调制器或光位相调制器，但也能够应用于其他的光波导器件，例如高频发生元件、光开关、光信号处理器、传感器件等。
实施例(实验1)使用图1的光调制器1。基体地说，使用X斜切的3英寸的晶片(LiNbO3单晶)构成的基板，利用钛扩散方法和光刻法，在晶片的表面形成马赫-曾德型的光波导5。光波导5的尺寸例如可以是在1/e2为10μm。接着，通过电镀方法形成CPW电极。使电极信号和接地电极的间隙为40μm、电极厚度为28μm、电极长度为40mm。其次，为了研磨成薄型，将研磨空基板贴在研磨定盘上，使基板面在下、用热可塑性树脂将调制基板贴在其上。然后，用横置式研磨以及抛光法(CMP)将基板主体4薄型加工至10μm厚。然后，将平板状的保持基体31粘接固定在基板上，对光纤的连接部进行端面研磨，用方块切割切断芯片。粘接固定用树脂是用环氧树脂，树脂厚度为50μm。制作保持了1.5μm单模光纤的单芯光阵列，使其与行波光调制器芯片耦合，对光纤和光波导进行调芯，通过紫外线硬化型树脂粘接。
这里，使光波导基板3的厚度、弯曲部分5c、5d、5e、5f的曲率半径R如表1以及图7所示的那样变更，利用光束传播法，估算了弯曲角度每180°的辐射损失。其结果表示在表1中。另外，图8表示弯曲角度每5°的辐射损失。还有，使Tti(钛扩散时的钛厚度)为0.85μm、Wti(钛扩散时的钛宽度)为7μm。
表1
从该结果可以判断出，基板的厚度在30μm以下时，辐射损失在曲率半径为2mm-30mm的广泛范围内明显降低。
(实验2)与实验1同样制作光调制器并测定了各光调制器的弯曲角每5°的辐射损失。其中，使基板厚度为6μm、Tti(钛扩散时的钛厚度)为0.70μm、Wti(钛扩散时的钛宽度)为5、7、9、11μm。其结果表示在图8中。
从图8可知，通过使Wti(钛扩散时的钛宽度)增大，尤其是通过使其为7μm或其以上，弯曲角每5°的辐射损失大幅度降低。
(实验3)与实验1同样制作了图1、2、5所示那种样式的光调制器。其中，分别对没有设置槽的例子、设置了槽20、35、没有设置槽21的例子、设置了槽20及21双方的例子进行了试验。使各槽20、20A、21、35的宽度W1、W2为5μm，各槽20、21与光波导光束中心的距离d1、d2为4μm。使各槽20、20A、21、35的深度Dg为2μm。并且，使光波导基板3的厚度、弯曲部分5c-5f的曲率半径R如表2所示那样变更，利用光束传播法估算弯曲角每180°的辐射损失。其结果表示在表2中。
表2
从该结果可以判明，在设置槽20、35并使基板厚度为30μm或其以下时，辐射损失明显降低。还判明了在设置槽21、20A的场合，辐射损失进一步降低。
(试验4)与实验3同样制作了光调制器。但分别在弯曲部分的外侧及内侧形成了细长的槽20、21。槽20、21的宽度W1、W2为5μm，槽20、21与光波导光束中心的距离d1、d2为4μm。槽20、21的深度Dg为2μm。光波导基板3的厚度Tsub为6μm。使弯曲部分5c的曲率半径R如图10所示那样变更，利用光束传播法估算弯曲角每5°的辐射损失。其结果表示在图10中。
从图10可知，使基板的厚度小至6μm时，槽的深度Dg即使浅至2μm的场合，在弯曲部分的辐射损失也能降低很多。
(试验5)与实验4同样制作了光调制器。但仅在弯曲部的外侧设置20、35，没有设置内侧的槽21。使槽20、35的宽度W1为5μm，槽20、35与光波导光束中心的距离d1为4μm，槽20的深度Dg为2.7μm。光波导基板3的厚度Tsub为8μm。使弯曲部分5c的曲率半径R如图11所示那样变更，利用光束传播法估算弯曲角每5°的辐射损失。其结果表示在图10中。
从图11可知，在仅设置单侧槽20、35时，在弯曲部分的辐射损失也能降低很多。
(试验6)与实验1同样制作了图2、图6所示那种样式的光调制器。但在本例中，使弯曲部分的曲率半径为15mm，并且，光波导基板3的厚度、交叉全角θ如表3所示那样变更，利用光束传播法估算插入损失及串扰。其结果表示在表3中。
表3
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从该结果可判明，在使基板的厚度为30μm或其以下时，在广阔的交叉角θ范围内，串扰、插入损失明显降低。
权利要求
1.一种光波导器件，具备强介电性的光波导基板以及形成于该光波导基板上的光波导，其特征在于至少所述光波导区域的所述光波导基板的厚度为30μm或其以下，所述光波导包含曲率半径为30mm或其以下的弯曲部分。
2.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于通过添加不纯物形成所述光波导。
3.根据权利要求1或2所述的光波导器件，其特征在于从所述弯曲部分的曲率中心观察，在所述弯曲部分的外侧，在所述光波导基板上形成有凹部。
4.根据权利要求3所述的光波导器件，其特征在于从所述弯曲部分的曲率中心观察，在所述弯曲部分的内侧，在所述光波导基板上形成有其他凹部。
5.根据权利要求1至4任何一项所述的光波导器件，其特征在于具备施加电压的调制用电极，该电压用于调制在所述光波导传播的光。
6.一种光波导器件，具备强介电性的光波导基板以及形成于该光波导基板上的光波导，其特征在于至少所述光波导区域的所述光波导基板的厚度为30μm或其以下，所述光波导包含交叉部分。
7.根据权利要求6所述的光波导器件，其特征在于通过添加不纯物形成所述光波导。
8.根据权利要求6或7所述的光波导器件，其特征在于具备施加电压的调制用电极，该电压用于调制在所述光波导传播的光。
全文摘要
本发明涉及光波导器件。在光调制器中，使光波导的弯曲部分的曲率半径能够变小，而且抑制弯曲部分的光辐射损失。光调制器(2)具备由具有光电效应的强介电性材料构成的光波导基板；形成于该光波导基板上的光波导(5)；以及，施加用于对在光波导(5)传播的光进行调制的电压的调制用电极(4A、4B、4C)。至少光波导(5)区域的光波导基板的厚度为30μm或其以下。光波导(5)包含曲率半径为30mm或其以下的弯曲部分(5c、5d)。
文档编号G02B6/12GK1963577SQ200610143840
公开日2007年5月16日 申请日期2006年11月9日 优先权日2005年11月10日
发明者三富修, 青木谦治, 近藤顺悟, 岩田雄一, 江尻哲也 申请人:日本碍子株式会社