光调制器的制作方法

专利名称：光调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种^f吏用了所谓马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)型光波导的光 调制器。
技术背景使用了马赫-曾德尔型光波导的行波(travellingwave)型高速光调制器， 因为波长频带宽而能得到低频扰(lowchirp)特性而受到关注。在该类型的光 调制器中，使一对分支型光波导分别传播光，并使来自各分支光波导的输出在 合波部合流。可是在一对分支型光波导之间，由于温度差等原因有时会产生工 作点偏移(shift),还有时会产生所谓DC漂移(drift)。 一般，马赫-曾德尔 (MZ)型LN光调制器，由于温度漂移、DC漂移、以及应力等的经时变化使 工作点偏移。这导致消光系数恶化，在使调制器工作方面是重要的课题。提出了几个对这样的工作点偏移及DC漂移进行控制的方法。其中有代表 性的是，在特开平3- 145623号公报记载的方法中，着眼于从一对分支型光波 导的合波部向J41内部放射的基板放射模式的光。即，在接通模式(onmode) 的情况下在波导内传播入射到光波导的光，并从波导的端面射出。关断模式 (offmode)的光，作为基板放射模式的光从光波导向基板内部进行放射。在 基板的端面上安装光纤，来接收基板放射模式的光，并通过光检测器来检测来 自该光纤的出射光。利用来自光检测器的输出信号，变更从调制用电极向光波 导施加的电压的直流偏压，调节光调制器的工作点。可是此时，因为在出射端面放射光向基板内部扩散，所以放射光的光强小， 另外，通过光纤来调整(alignment)放射光是非常困难的。因此，稳定地进行 光调制器的工作点控制成为了i果题。为了解决此问题，在申请号为9-32489的文献中，具有对从光波导放射 或者泄漏的光进行导向的导光部，使从导光部出射的光与从光波导泄漏的信号 光干涉来生成干涉光，通过监控该干涉光控制直流偏压。
另外，本申请人开发了薄板构造的光调制器，在本构造中，作为高效地进行漂移的工作点控制的方法公开了专利2002-328683。减薄为20pm以下的基 板，作为具有有限横幅(基板横方向的宽度)的平板波导(通常在器件构造设 计上，将横幅作为无限大来对待)来工作，所以在Y分支合波部中产生的横 方向1次模式光为平板才莫式，以低损耗在薄板基板中传播。该平板模式光与现 有调制器不同，因为集中在薄板基板中(平板波导)，所以就可以得到足够的 放射光强。我们发现在薄板型调制器的情况下，在Y分支的合波部发生的放射光 作为光波导的1次模式光来进行传播，并试着利用该1次模式光来进行监控， 并控制直流偏压。可是l次模式光，对于信号光峰值间距离为lOpm至lOO(im 以下，因此将1次模式光作为监控光与信号光分离并取出是困难的。 发明内容本发明的课题是在将1次模式光作为监控光利用并在光检测单元中取 出，并根据该光信号进行偏置电压的反馈控制时，可从信号光中高效地分离l 次模式光，减少1次模式光的损失来进行良好的控制。本发明是一种光调制器，其用于对在三维光波导中传播的光施加电压来调 制该光，其特征在于，具有由强电介质性材料构成的基板；三维光波导，其 含有至少一对分支光波导、分支光波导的合波部以及该合波部下游侧的出射 部；调制用电极，其用于施加对在三维光波导中传播的光进行调制的信号电压； 以及1次模式光导向波导，其对来自合波部的1次模式光进行导向，至少在调 制用电极下基板的厚度是20pm以下，根据来自导向波导的光输出，使施加到 调制用电极的直流偏压变化，由此可控制光调制器的工作点。本发明人发现了当基板厚度变薄时，因为在厚度方向存在低电介质常数 层或者空气层，所以对基板内的封闭变强，这样可以最大限度地降低光波导的 弯曲损失。例如，图6是在波长1.55pm、波导的曲率半径5mm时的对于LN 基板厚度的1次模式光的光损失的计算结果。由此结果可知，即使使光波导弯 曲，在基板厚度为20pm以下时光损失为10dB以下，在实际动作上也会达到 不造成问题的水平。显然，通过将光波导的曲率半径变大可进一步实现低损失 化，再者，即使在曲率半径为lmm的情况下，在基板厚度为10)im时可将光 损失做到10dB以下。本发明人，考虑到根据这样的发现，在传播信号光的三维光波导的合波 部附近设置用于传播1次模式光的导向波导，使之与信号光分离地传播1次模 式光。并且，发现l次模式光的光接收点，根据上述理由离信号光的光接收 点加大，可容易地控制光调制器的工作点，达到了本发明的目的。


图l是表示本发明一实施方式的光调制器l的平面图。图2 (a)是图1的na-na线截面图，图2 (b)是图1的ITb-ITb线截面图。图3是示意地表示图1的光调制器的反馈机构的图。 图4是表示本发明其它实施方式的光调制器1A的平面图。 图5是表示各导向(guide)波导的边缘(edge)与合波部5e的结合部分 的平面图。图6是表示基板厚与光损失的关系的曲线图。图7是表示与导向波导的信号光出射部的距离和光损失的关系的曲线图。 图8是表示信号光出射部的宽度与光损失以及串扰(crosstalk)的关系的 曲线图。图9是表示信号光出射部的宽度与光损失以及串扰的关系的曲线图。 图IO是表示光调制器1的信号光出射部5f与导向波导的平面位置关系的图。图11是表示光调制器1A的信号光出射部5f与导向波导的平面位置关系 的图。
具体实施方式
以下， 一边适当地参照例式附图一边对本发明进行更加详细的说明。 图l是本发明一实施方式的光调制器l的平面图，图2 (a)是图l的na一na线截面图，图2 (b)是图i的nb —nb线截面图。在此实施方式的光调制器件8中，在支撑基板7的表面上经由未图示的粘 着剂层或者直接粘着光调制器1的基板2的底面。在光调制器1的表面侧形成 马赫-曾德尔型三维光波导5和调制用电极3A、 3B、 4。光波导5具有入 射部5a、 一对分支光波导5c、 5d以及出射部5f。 5b是分支点，5e是合波部。 因为传播光波导5的光的控制方法及调制用电极的结构是公知的，所以省略说 明。信号光从三维光波导的出射部5f的端面出射。例如图3所示，通过在光 调制器1的出射侧端面安装光纤阵列9，利用光纤IO来传输信号光。另一方面，1次模式光从合波部5e附近射出。这里，使一对1次模式光 导向波导6A、 6B的边缘位于合波部5e的附近。在本例中，在合波部5f的两 侧分别配置1次模式光导向波导6A、 6B。各导向波导是通道光波导。各导向波导6A、 6B具有在合波部5e附近存在边參彖的导入部6a、弯曲 部分6b、 6c以及射出部6d。各导向波导的各射出部6d在光调制器的端面露 出， 一方的导向波导的射出部6d与光传输部件11连接。作为这样做成的光传 输部件，最理想的是光纤。在本例中，通过设置弯曲部分6b、 6c可以使导入 部6a位于合波部5e的附近，并且可使光接收用的射出部6d形成在与信号光 出射部5f充分离开的位置。在本例中，可将导向波导的出射部6d和信号光出射部5f做成大致平行。 此外，导向波导的出射部与信号光用出射部5f的间隔L,从在光接收时提高 监控光和信号光的SN这样的观点来看，理想的是120pm以上，更理想的是 240拜以上。光传输部件11与光接收元件连接，光接收元件将接收到的光转换为电信 号，向自动偏压控制电路12传输。在自动偏压控制电路12中，根据1次模式 光的信息计算适当的直流偏压值，向直流偏置设备(bias tee)电路13如箭头 A所示地传输控制信号，并根据需要变更直流偏压值。在图4的光调制器1A中，使一对1次模式光导向波导6C、 6D的边缘位 于合波部5e的附近。在本例中，在合波部5f的两侧分别配置1次模式光导向 波导。各导向波导是通道光波导。各导向波导6C、 6D具有在合波部5e附近存在边缘的导入部6e、向外 侧弯曲的各弯曲部分6f以及射出部6g。各导向波导的各射出部6g在光调制器 的侧面露出，一方的导向波导的射出部6g与设置在侧面的光接收元件14相对。 在本例中，通过设置弯曲部分6f可以使导入部6e位于合波部5e的附近，并
且使光接收用的射出部6g位于基板的侧面。光接收元件14,将接收到的光转换为电信号，通过电线向自动偏压控制 电路12传输。在自动偏压控制电路12中，根据1次模式光的信息计算适当的 直流偏压值，向直流偏置电路13如箭头A所示地传输控制信号，并根据需要 变更直流偏压值。在光检测器中，最理想的是测定光强度，但是还可以测定光的相位及波长。 另外，不限定光检测器的种类。例如，在用10Gb/s的电信号进行光的调制时， 为了检测使用具有充分的频带宽度的、应答速度快的InGaAs系列的光检测器 等。不限定合波部的形态。各分支光波导可以在合波部中相交，也可以空间上 地分离。但是，在合波部中需要能汇合在各分支光波导中传播的光能量。另外，分支光波导需要一对，不过也可以存在多对。也可以是所谓级联 (cascade)型的光波导。三维光波导、导向波导可以用质子交换法、钛内溅射法、金属离子溅射法 来形成，或者利用机械加工及激光切除加工去除基板的表面，由此可以形成山 脊型的三维光波导。在最佳的实施方式中，三维光波导、导向波导，是从基板2突出的山脊型 光波导路。这样的三维光波导可以用上述方法形成。或者，在平板型光波导的 表面，利用例如化学气相成长法、物理气相成长法、有机金属化学气相成长法、 真空技术法、液相外延法来形成高折射率膜，并对该高折射率膜进行机械加工 及激光切除加工，由此可以形成山脊型的三维光波导。构成光调制器的基板的材料可以是强电介质性单晶体、玻璃、光学树脂等 可透过光的材料。其中，最理想的是强电介质性单晶体，例如，可以举出铌 酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、铌酸锂钾、钽酸锂钟、铌酸锂钾-钽 酸锂钾固溶体、KTP。在最佳实施方式中，具有粘着支撑基板和光调制器的粘着剂层。作为构成 支撑基板的材料可以恰当地使用如前所述的强电介质性单晶体、玻璃、树脂。 作为粘着剂最理想的是玻璃及树脂。作为上述玻璃，最理想的是低电介质常数且粘着温度(作业温度)为约600。C以下。另外，最理想的是在加工时能得到充分的粘着强度。具体来说， 最理想的是组合多个氧化硅、氧化铅、氧化硼等组成的所谓焊接用玻璃(solder glass )。作为上述树脂，最理想的是室温硬化、加热硬化、紫外线硬化型树脂， 理想的是低电介质常数的树脂。实际上，环氧系列、丙烯系列、氨基曱酸乙酯 系列的树脂最理想。图5是扩大表示1次模式光导向波导和合波部5e的连接部分的示意图。 这里，所谓on光是信号光，所谓off光是用于反馈控制的1次模式光。从出 射部5f的中心轴X到导向波导6C (或者6A、 6B、 6D)的距离Sx，只要是 可移动光能量就没有特别地限定，但是从抑制光能量移动时的损失这样的观点 来看，理想的是100pm以下，更理想的是50pm以下。另外，为了防止信号 光和1次模式光的串扰及消光系数的恶化，理想的是10pm以上，更理想的是 15jxm以上。1次模式用的光波导，理想的是配置为其中心位置与一次模式光的中心位 置相一致，根据这个观点理想的是将Sx做成10|im~ 100pm，更理想的是做成 10(xm ~ 50|im。在电极部分的基板厚度为20pm以下，不过根据降低导向波导弯曲部分的 损失的观点，更理想的是15拜以下，最理想的是10nm以下。另外，与此相 同，当在光波导中存在弯曲部分的情况下，弯曲部分的基板厚度理想的是20pm 以下，更理想的是15pm以下，最理想的是10拜以下。另外，理想的是在用于传播信号光的射出部5f的两侧设有1次模式光导 向波导。由此可以使1次模式光完全远离信号光的旁边，除去此前OFF光耦 合到了出射侧地光纤的不需要成分，可飞跃性地改善消光系数。在最佳实施方式中，导向波导具有弯曲部分。通过将光调制器基板的厚度 设为20^im以下，可以显著降低弯曲部分的损失，由此，为了使l次模式光的 出射部分和信号光的出射部分充分离开，可进行使导向波导弯曲的设计这里，根据抑制导向波导的光损失这样的观点，理想的是将弯曲部分的曲 率半径R设为lmm以上，更理想的是设为2mm以上。另一方面，根据使导 向波导尽量大地弯曲、将1次^t式光的出射部与信号光的出射部的间隔变大这 样的观点，理想的是将弯曲部分的曲率半径R设为30mm以下，更理想的是
"没为15mm以下。 实施例 (实施例1 )根据参照图1、 2、 3说明过的方法，制成图1的光调制器1进行了试验。 具体来说，使用由X切割过(cut)的3英寸晶晶圆(LiNb03单晶体)构成的 基板，通过钬'减射工序和照相平版法来在晶圆表面形成马赫-曾德尔型的光波 导5。接着，利用电镀工序形成CPW电极。将中心电极4与接地电极3A、 3C 的间隙(gap)做成25nm，电极厚度做成20pm，电极长做成32mm。然后为 了薄型研磨在研磨定盘上贴付研磨伪(dummy)基板，在该基板上用热可塑性 树脂电极面朝下地贴付调制器基板。此外，用横型研磨以及抛光(polishing)(CMP)将基板主体薄型加工到8^m厚度。之后，将平板状的支撑基体7固 定粘着在基板主体上，对光纤的连接部进行端面研磨，用刻模来切断芯片(chip )。连接固定用的树脂使用了树脂厚50|im的环氧树脂。在输入侧将保持 了 1.55pm频带panda光纤的单芯光纤阵列与行波型光调制器芯片耦合，对光 纤和光波导进行调芯，并通过紫外线硬化型树脂进行粘结。光纤阵列9中的行距(pitch)间隔设为在通常的光纤阵列中使用的250pm。 希望Wti-m(参照图5)做成与光纤的心线直径相同。例如，GI光纤的情况， 心线直径是50pm左右，Wti-m做成为50拜。另外，为了实现S字曲线，将 弯曲部分6b、 6c中的各曲率半径r做成5mm。在图10中表示各导向波导和出 射部5f的位置关系。在此状态下如上所述，可以控制工作点的直流偏置电压。 (实施例2)对参照图4、图5进行了说明的光调制器进行了研究。 具体来说，光调制器的材质及光波导的形成方法与实施例l相同。在光接 收面积50pm的光电二极管中，考虑到扩展Wti-m做成30nm。另外，在导 向波导弯曲部分的曲率半径r做成为5mm。 X为1.55pm,光调制器的基板厚 度如图6所示地进行变更。图11表示导向波导与出射部5f地平面位置关系。 各导向波导的边缘与出射部中心轴的距离Sx为20pm。在此状态下变更基板厚度Tsub，测定了 off光(1次模式光)的光损失， 得到了图6所示的结果。即，如果基板厚度是20pm以下，则在导向波导弯曲 部分的曲率半径小到5mm时，判明了光损失显著地净皮抑制在10dB以下。由 此可以将导向波导的出射部从信号光的出射部5f较大地相离。 (实施例3 )与实施例2相同，进行了在导向波导中传播的l次模式光的光损失试验。 其中，在本例中，将X设为1.55pm，将光调制器基板厚度Tsub设为8pm，将 钛厚度Tti设为600埃，将信号光的出射宽度Wti设为5pm，将导向波导的宽 度Wti-m设为30^m。将导向波导的边缘与出射部中心轴的距离Sx、以及导 向波导弯曲部分的曲率半径r如图7所示地进行了变更。其结果，在R-20mjti以下，光损失被抑制在10dB以下。另外，即使在 l(Him至100^m之间将Sx进行各种变更，导向波导中的光损失也不太增加。 (实施例4 )与实施例3相同，进行了在导向波导中进行传播的1次模式光的光损失试 验。其中在本例中，将X设为了 1.55〖mi，将光调制器基板厚度Tsub设为了 8,, 将钛厚度Tti设为了 600埃，将导向波导的宽度Wti-m设为了 30拜。将导向 波导的边缘与出射部中心轴的距离Sx设为了 20|im(图8)或者15pm(图9)。 将导向波导弯曲部分的曲率半径r设为了 3mm。将信号光的出射部宽度Wti 如图8、图9所示地进行了变更。图8、图9表示波导的线宽度Wti为4jam、 5pm、 6|im的监控波导的调制 器，在off时的损失和on时的损失、以及MZ波导在on时的向监控波导的串 扰率。显然，即使在Sx为15pm以及20Mm中，在全部的Wti宽度中监控波 导在off时损失小、on时没有串扰，这样on时的MZ波导的损失也可忽略。 可见，在Sx-15ijm时，随着Wti变大，监控波导在off时损失进一步减小、 在on时没有串扰，这样on时的MZ波导的损失也可忽略。这就保证了 MZ波 导的封闭变强，所以难以与监控波导耦合。此效果在Sx-20iam时更加显著。
权利要求
1.一种光调制器，其对在三维光波导中传播的光施加电压来调制该光，其特征在于，具有由强电介质性材料构成的基板；三维光波导，其含有至少一对分支光波导、所述分支光波导的合波部以及该合波部下游侧的出射部；调制用电极，其用于施加对在所述三维光波导中传播的光进行调制的信号电压；以及1次模式光导向波导，其对来自所述合波部的1次模式光进行导向，至少在所述调制用电极下所述基板的厚度是20μm以下，根据来自所述导向波导的光输出，使施加到所述调制用电极的直流偏压变化，由此可控制所述光调制器的工作点。
2. 根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于， 从所述合波部的中心轴到所述导向波导的距离是lO^im以上。
3. 根据权利要求1或者2所述的光调制器，其特征在于， 所述导向波导具有弯曲部分。
4. 根据权利要求3所述的光调制器，其特征在于， 所述弯曲部分的曲率半径是30mm以下。
5. 根据权利要求1~4中任意一项所述的光调制器，其特征在于， 来自所述导向波导的所述1次模式光从所述光调制器的侧面射出。
6. 根据权利要求1 ~5中任意一项所述的光调制器，其特征在于， 在所述波导部的一侧形成所述1次^f莫式光导向波导，在所述波导部的另一侧形成其它的1次模式光导向波导。
全文摘要
本发明提供一种对在三维光波导(5)中传播的光施加电压来调制该光的光调制器。光调制器具有三维光波导(5)，其含有至少一对分支光波导(5c)、(5d)，分支光波导的合波部(5e)以及该合波部下游侧的出射部(5f)；调制用电极(3A、3B、4)，其用于施加对在三维光波导(5)中传播的光进行调制的信号电压；以及1次模式光导向波导(6A、6B)，其对来自合波部的1次模式光进行导向。至少在调制用电极下基板的厚度是20μm以下，根据来自导向波导的光输出，使施加到调制用电极的直流偏压变化，由此可控制光调制器的工作点。
文档编号G02F1/035GK101128768SQ200680005708
公开日2008年2月20日 申请日期2006年2月20日 优先权日2005年2月22日
发明者三富修, 岩田雄一, 江尻哲也, 近藤顺悟, 青木谦治 申请人:日本碍子株式会社