马赫-曾德尔波导型光调制器的制作方法

专利名称：马赫-曾德尔波导型光调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种马赫-曾德尔波导型光调制器，尤其涉及一种包含由具有电光效 应的材料形成且厚度在20 i! m以下的薄板的马赫_曾德尔波导型光调制器。
背景技术：
在光学通信领域或光学计量领域中多用光调制器。特别是随着多媒体的发展，信 息传递量有增加的趋势，要求实现光调制器的调制频率的宽频带化。作为实现上述宽频带 化的方法的一种，如在铌酸锂(LN)等具有电光效应的基板上形成有光波导及调制电极的 波导型光调制器那样，利用外部调制方式，其多样化正在发展。要实现外部调制方式的宽频 带，需要实现作为调制信号的微波与光波的速度匹配及驱动电压的降低。因此，一直以来尝试着通过弄薄具有电光效应的基板的厚度来满足微波和光波速 度的速度匹配条件，并且同时实现驱动电压的降低。在以下的专利文献1或2中，进行如下操作在具有30 y m以下厚度的薄基板上组 合光波导及调制电极，将比该基板的介电常数低的加强板接合于该基板，降低对微波的有 效折射率，从而实现微波和光波的速度匹配，并且提高基板的机械强度。专利文献1 日本特开昭64-018121号公报专利文献2 日本特开2003-215519号公报但对宽频带光调制器尤其对与40GHZ对应的光调制器等，为长距离传送而加大输 入于光调制器的光输入功率时，产生消光比劣化，光损失增大，偏置点变动等问题。尤其是 光输入功率成为10mW以上时，该问题变得明显。本发明人们进行深入研究的结果，得知尤 其最大的原因在于，向光调制器输入激光的输入部及光调制器内的光波导等所产生的杂散 光与在光波导内导波的信号光相互干涉，产生光折变现象，且在光波导部形成光栅。像这种 形成于光波导部的光栅使在光波导内行进的信号光向行进方向的反方向返回或使之向光 波导外反射，从而引起信号光的消光比劣化。而且，杂散光与在光波导中传播的信号光耦 合，也产生消光比的劣化。光折变现象是指光的照射使物质的折射率发生变化的现象，具体而言，由于光引 起物质中的电荷移动的特性，通过光干涉等空间上产生光的强度分布，此时根据该光的强 度分布引起电荷的再分布，且由于该电荷的偏置而使内部电场产生局部变化。内部电场使 物质的折射率发生变化，结果形成与光的强度分布对应的物质的折射率分布。而且，由于光折变现象具有如下特性，即对物质持续照射光时折射率逐渐产生变 化，散射随着时间变强，因此在长时间驱动光调制器时，消光比的劣化及光损失的增大等光 调制器特性的恶化尤其变得明显。在以下专利文献3中，作为解决这些问题的方法，在基板的表面设置杂散光去除 单元，抑制光波导的光折变现象引起的消光比的劣化及光损失的增大等。专利文献3 日本特开2004-093905号公报另一方面，与基板的厚度为0.5 1mm左右的现有类型的光波导型调制相比，如引用文献1、2，将基板的厚度设为30 y m以下，甚至20 y m以下时，被锁入到基板内的杂散光 的密度升高，仅用记载于引用文献3中的杂散光去除单元，无法充分抑制消光比的劣化及 光损失的增大等光调制器特性的恶化。而且，在马赫-曾德尔波导时，将光波导分支而成的 分支波导引导至平行状态为止的区间(输入侧分支部)或接合平行的分支波导为止的区间 (输出侧合波部)缓慢地弯曲(最小曲率半径150mm左右)，以免光波从光波导泄漏，所以 接触杂散光的机会多且受较多光折变现象引起的不良影响。而且，即使在光波导中的由调 制电极形成的电场起作用的部分(作用部)的长度变长时，光折变现象对光波导带来更大 的影响。因此，在马赫-曾德尔波导型光调制器中，缓和光折变现象的影响成为尤为重要的 问题。另外，若在薄板上形成马赫-曾德尔波导，则在分支波导中传播的光波与薄板的 光通过锁入作用扁平化。因此，为了回避分支波导之间的串扰，需要使分支波导之间距离进 一步远离，其结果上述输入侧分支部或输出侧合波部的长度变得更长。这意味着受更强的 光折变现象的影响。

发明内容
本发明要解决的课题在于，解决上述问题并提供一种马赫_曾德尔波导型光调制 器，即使使用具有20 y m以下的厚度的基板，也能够抑制光折变现象的影响及杂散光与信 号光的耦合，并且能够改善光损失的增加及消光比的劣化。为了解决上述课题，本发明人们反复进行深入研究的结果，反过来利用随着基板 厚度变薄而光的锁入变强的特性，缩短光波导的预定方向的长度，由此抑制光折变现象的 影响及杂散光与信号光的耦合。技术方案1所涉及的发明中，一种马赫_曾德尔波导型光调制器，包括薄板，由 具有电光效应的材料形成且厚度在20 pm以下；光波导，形成于该薄板的表面或背面；以及 调制电极，用于调制在该光波导内通过的光，上述马赫-曾德尔波导型光调制器的特征在 于，该光波导由输入光波导、分支光波导及输出光波导构成，该分支光波导具有输入侧分 支部，从该输入光波导分支为多个光波导；输出侧合波部，对连接于输出光波导的多个光波 导进行合波；以及平行部，形成于输入侧分支部与输出侧合波部之间，输入侧分支部或输出 侧合波部中至少一个的沿分支光波导的对称轴的长度1与该平行部中的光波导间隔d的比 率1/d为33 100。本发明所涉及的“马赫_曾德尔波导型光调制器”，是指在形成于光调制器内的光 波导的至少一部分形成有马赫-曾德尔波导的光调制器，例如不限于光调制器内形成有1 个马赫_曾德尔波导，也包括所谓嵌套式波导等，即在1个马赫_曾德尔波导(主MZ波导) 的2个分支波导，嵌入式插入其他马赫_曾德尔波导(副MZ波导)。技术方案2所涉及的发明，其特征在于，在技术方案1所述的马赫-曾德尔波导型 光调制器中，该输入侧分支部或该输出侧合波部中至少一个的光波导的弯曲部的最小曲率 半径R为0. 2 100mm。技术方案3所涉及的发明，其特征在于，在技术方案1或2所述的马赫-曾德尔波 导型光调制器中，该平行部的至少一部分具有弯曲部，该弯曲部的最小曲率半径R为0. 2 100mmo
4
技术方案4所涉及的发明，其特征在于，在技术方案1至3中任一项所述的马 赫_曾德尔波导型光调制器中，该光波导的一部分具有脊形结构。技术方案5所涉及的发明，其特征在于，在技术方案4所述的马赫-曾德尔波导型 光调制器中，该脊形结构至少形成于具有最小曲率半径的光波导部分。发明效果根据技术方案1所涉及的发明，一种马赫_曾德尔波导型光调制器，包括薄板，由 具有电光效应的材料形成且厚度在20 pm以下；光波导，形成于该薄板的表面或背面；以及 调制电极，用于调制在该光波导内通过的光，该光波导由输入光波导、分支光波导及输出光 波导构成，该分支光波导具有输入侧分支部，从该输入光波导分支为多个光波导；输出侧 合波部，对连接于输出光波导的多个光波导进行合波；以及平行部，形成于输入侧分支部与 输出侧合波部之间，输入侧分支部或输出侧合波部中至少一个的沿分支光波导的对称轴的 长度1与该平行部中的光波导间隔d的比率1/d为33 100，因此例如形成光波导间隔d 为30 y m的马赫-曾德尔波导时，输入侧分支部或输出侧合波部的沿分支光波导的对称轴 的长度1在以往为光波导间隔d的大约120倍以上即4mm，但在本发明中能够缩短至1mm， 通过该缩短能够进一步减少受到光折变现象的影响及杂散光与信号光耦合的光波导部分。 而且，能够抑制这些部分中的杂散光引起的光损失、消光比的劣化。另外，通过利用本发明能够将马赫_曾德尔波导型光调制器整体小型化。根据技术方案2所涉及的发明，输入侧分支部或输出侧合波部中至少一个的光波 导的弯曲部的最小曲率半径R为0.2 100mm，因此能够将输入侧分支部或输出侧合波部的 沿分支光波导的对称轴的长度1缩短至比以往短的长度。尤其在扩宽构成马赫_曾德尔波 导的2个分支波导的间隔来防止串扰等时，可以更有效地缩短上述长度1。根据技术方案3所涉及的发明，平行部的至少一部分具有弯曲部，该弯曲部的最 小曲率半径R为0. 2 100mm，因此不仅能够缩短输入侧分支部或输出侧合波部的长度，而 且能够缩短平行部长度(平行部的起点与终点的距离)，能够抑制光折变现象的影响及杂 散光与信号光耦合，还可以将光调制器本身小型化。根据技术方案4所涉及的发明，因光波导的一部分具有脊形结构，所以能够进一 步加大光波导与其周围的折射率差，可以进一步改善弯曲部中的光的锁入。因此，能够抑制 光波导的弯曲部中的泄漏，并能够充分满足上述比率1/d的关系及最小曲率半径R的条件等。根据技术方案5所涉及的发明，脊形结构形成于至少具有最小曲率半径的光波导 光部分，因此能够更加有效地抑制具有最小曲率半径的部分中的光的泄漏等。因此不仅能 够紧凑地构成光波导，能够抑制光折变现象的影响及杂散光与信号光的耦合，而且还能够 减少引起上述问题的原因即杂散光本身的产生。


图1是说明具有单一的马赫_曾德尔波导的光调制器的俯视简要图。图2是说明马赫_曾德尔波导的输入侧分支部中的光波导形状的图。图3是图1 (b)的点划线X-X’中的光调制器的剖视图。图4是说明具有嵌套式波导的马赫_曾德尔波导型光调制器的俯视简要图。
图5是说明马赫_曾德尔波导的平行部成蜿蜒状的光调制器的图。标号说明1-基板2-光波导
4-粘结层
5-加强板
6-缓冲层
7-信号电极
8-接地电极
21-输入光波导
22._分支点
23 28-分支波导
29_合波点
30_输出光波导。
具体实施例方式以下利用最佳例子详细说明本发明。图1表示本发明所应用的马赫-曾德尔波导型光调制器的一例。图1(a)与(b) 是相同的图，图1(a)是说明构成光波导的各构成部分的图，图1(b)是说明在本发明中载明 的构成光波导的各构成区域的图。本发明的一种马赫_曾德尔波导型光调制器，包括薄板1，由具有电光效应的材 料形成且厚度在20 pm以下；光波导2，形成于该薄板的表面或背面；以及调制电极(未图 示)，用于调制在该光波导内通过的光，上述马赫-曾德尔波导型光调制器的特征在于，该 光波导由输入光波导(21，区域A)、分支光波导(23 28，区域B D)、输出光波导(30，区 域E)构成，该分支光波导具有输入侧分支部(区域B)，从该输入光波导分支为多个光波 导；输出侧合波部(区域D)，对连接于输出光波导的多个光波导进行合波；以及平行部(区 域C)，形成于输入侧分支部与输出侧合波部之间，输入侧分支部或输出侧合波部中至少一 个的沿分支光波导的对称轴的长度1与该平行部中的光波导间隔d的比率1/d为33 100， 更优选为35 70。本发明中的“分支光波导的对称轴”是指，例如在图1中分支波导23和24的对称 轴为输入光波导21的延长线。而且，在图1中也可以将连接分支点22与合波点29的直 线看作该对称轴。因此，图1时，输入侧分支部的沿分支光波导的对称轴的长度相当于图 1(b)的区域B所示的长度1，而且，输出侧合波部的沿分支光波导的对称轴的长度1相当于 图1(b)的区域D所示的长度1。作为具有电光效应的基板的材料，例如可以利用铌酸锂、钽酸锂材料及它们的组 合。尤其是适宜利用电光效应高的铌酸锂(LN)晶体。作为在基板上形成光波导的方法，有利用热扩散法或质子交换法等使Ti等扩散 在基板表面或背面的方法，但也可以如图3所示，不利用这些热扩散法或质子交换法，而在 基板1上设置脊形部，并将该脊形部作为波导光的光波导23、24使用。此外也可以并用Ti
6等的热扩散法或质子交换法与脊形结构。作为利用脊形结构的光波导不仅有如图3(a)所示仅在光波导部分23、24形成凸 部，并将其他部分形成为比光波导低的方法，而且还有如下方法如图3(b)所示，在相当于 光波导23、24的区域的两侧形成槽而设置光波导。其中，图3是图1(b)中的点划线X-X’ 中的光调制器的剖视图。在任何情况中，在光波导上或其周边的基板上都形成有信号电极7或接地电极8 等调制电极，这些调制电极可以通过形成Ti ^Au的电极图案、镀金方法来形成。另外光波 导也可以形成在基板1的背面，将调制电极同样形成在背面或与光波导相反侧的表面侧。而且，为了防止在光波导23、24等中传播的光波被电极7、8吸收或散射，根据需要 也可以在光波导(或基板)与电极之间设置电介质3102等缓冲层6。在本发明中，因为由具有电光效应的材料形成的基板1是厚度在20 ym以下的薄 板，所以机械强度不足。为了补充该缺点，通过粘结层4将加强板5接合于基板1。作为使用于加强板的材料，可以利用各种材料，例如除了使用与薄板相同的材料 以外，也可以使用如石英、玻璃、铝等比薄板介电常数低的材料，或使用具有与薄板不同的 晶格取向的材料。其中，选定线膨胀系数与薄板相同的材料，其在温度变化时使光调制器的 调制特性稳定方面优选。假如难以选定线膨胀系数相同的材料时，如专利文献2，接合薄板 与加强板的粘结剂选定具有与薄板相同线膨胀系数的材料。接合薄板1与加强板5时，作为粘结层4，能够使用环氧类粘结剂、热固化型粘结 剂、紫外线固化性粘结剂、焊接玻璃、以及热固化性、光固化性或光敏粘性的树脂粘结剂片 等各种粘结材料。而且，也可以通过直接接合法而不使用粘结剂直接贴合薄板和加强板。构成光调制器的薄板的制作方法有如下方法在具有数百P m厚度的基板上制作 光波导及调制电极，研磨基板的背面，例如加工成20iim以下的厚度。另外，光波导及调制 电极的制作也可以在作成薄板后进行，但由于还有由形成光波导时的热冲击或各种处理时 的薄膜处理引起的机械冲击而使薄板破损的危险性，所以优选制作光波导及调制电极之后 研磨基板的背面。本发明所涉及的马赫-曾德尔波导型光调制器的特征为如图1(b)所示，输入侧 分支部或输出侧合波部中至少一个的沿分支光波导的对称轴的长度1与平行部中的光波 导间隔d的比率1/d为33 100，更优选为35 70。其中平行部的间隔d若过于狭窄，则 在形成平行部的光波导之间产生光的串扰，成为产生光损失或消光比劣化的原因。因此， 平行部的间隔d需要设定成在分支波导传播的光波不产生串扰的程度的距离。例如利用 20 um以下厚度的基板时，距离d需要设定为25 ii m以上。当比1/d小于33时，输入侧分支部(区域B)或输出侧合波部(区域D)中的光波 导(23、24或27、28)急剧弯曲，因此产生从光波导漏出的光波，不仅产生光折变现象，而且 由于漏光而引起光损失及消光比劣化。另一方面，当比率1/d大于100时，抑制光折变现象的影响及杂散光与信号光耦合 的效果不充分，无法充分改善光损失的降低或消光比的劣化。如果放大输入侧分支部(区域B)或输出侧合波部(区域D)中的光波导(例如23、 24)的形状，则如图2所示，由多个弯曲部(曲率半径Rl、R2)集合而形成。在这种弯曲部 中，若曲率半径过小，则成为光波从光波导漏出的原因，所以设定最小曲率半径。在本发明中，基板1的厚度在20 iim以下时，最小曲率半径R可以实现0.2 100mm的范围。此夕卜， 图2中的包含分支点22的圆点是明确表示输入光波导(21、区域A)与输入侧分支部(分支 波导23、24及区域B)的连接点、输入侧分支部与平行部(区域C)的连接点的点、与光波导 的形状无关。曲率半径R小于0. 2mm时，即使基板1的厚度在20 y m以下，也成为光波从光波导 漏出的原因。而且，曲率半径R大于100mm时，上述的长度1无法缩短化，光波导大型化，光 折变现象的影响及杂散光与信号光的耦合增大，产生光损失或消光比劣化，并且光调制器 本身的小型化也变得困难。要缩小曲率半径R，优选将光波导周围的折射率设定成比光波导本身低，因此如图 3所示，优选形成具有脊形结构的光波导。尽管也与脊形结构的凸状部分的高度有关，但利用凸状部分的高度约为2i!m的 脊形结构形成光波导时，最小曲率半径R成为0. 2mm。而通过Ti等的热扩散法形成光波导时，在基板的厚度为20 ym的情况下最小曲率 半径R成为30mm。另外，如图5所示，也可以设为利用该最小曲率半径R使平行部(区域C)蜿蜒的 光波导。在图5中，平行部如下构成保持分支波导的间隔d，并且组合多个弯曲部(曲率 半径R3、R4等)。当然，平行部中的最小曲率半径R被设定在0.2 100mm区域内。而且， 如上述也可以选择性地采用脊形结构。而且，本发明的光调制器所具备的马赫_曾德尔波导不限于如图1等例示的具备 单一的马赫_曾德尔波导的结构，如图4所示，也包括嵌套式波导等，即在1个马赫_曾德 尔波导(主MZ波导)的2个分支波导中，以嵌入式组合其他马赫_曾德尔波导(副MZ波 导)。在图4的主MZ波导40中，包括输入光波导(区域A1)、输入侧分支部(区域B1)、 平行部(区域C1中除副MZ波导的区域B2 D2的部分)、输出侧合波部(区域D1)及输出 光波导(区域E1)。而且，副MZ波导41、42由上述区域C1进一步细分化而成，并包括输入光波导(区 域A2)、输入侧分支部(区域B2)、平行部(区域C2)、输出侧合波部(区域D2)及输出光波 导(区域E2)。而且，作为本发明的特征，平行部中的分支波导间隔d与输入侧分支部或输出侧 合波部中沿分支波导的对称轴的长度1的比率1/d在主MZ波导或副MZ波导中任一个满足 即可。因此，可实现应用本发明的部位中的光波导的紧凑化，抑制光折变现象的影响及杂散 光与信号光的耦合，而且还有助于光调制器整体的小型化。实施例接着，对本发明的马赫_曾德尔波导型光调制器所涉及的具体实施例及其试验进 行说明。(实施例1)实施例1的光调制器，基板使用厚度为500 y m的X切式LN基板，且通过Ti扩散工 艺在基板表面形成光波导。作为光波导的形状，形成如图1的马赫-曾德尔型光波导。输 入光波导21及输出光波导30的长度分别约为5mm，输入侧分支部(区域B)及输出侧合波
8部(区域D)的沿对称轴的长度1分别为3mm，平行部(区域C)的长度为30mm，该平行部的 分支波导间隔d为30 ii m。而且，区域B及D的最小曲率半径R设为100mm。接着将基板的背面用研磨机研磨至基板的厚度为10 u m,且将紫外线固化性粘结 剂作为粘结层粘贴于加强板。另外，在基板表面用过电镀工艺形成调制电极。(实施例2 4)如表1所示，实施例2 4除了变更实施例1的长度1、分支波导间隔d、最小曲率 半径R以外，与实施例1相同地形成马赫-曾德尔波导型光调制器。(实施例5) 实施例5的光调制器，基板使用厚度为500 y m的Z切式LN基板，且通过Ti扩散工 艺等在基板表面形成光波导。接着将基板的背面用研磨机研磨至基板的厚度为5 u m,且将 紫外线固化性粘结剂作为粘结层粘贴于加强板。光波导的形状设为如图1所示的马赫-曾 德尔波导。输入光波导21及输出光波导30的长度分别约为4mm，输入侧分支部(区域B) 及输出侧合波部(区域D)的沿对称轴的长度1分别为0. 825mm，平行部(区域C)的长度为 35mm，该平行部的波导间隔d为25 y m，最小曲率半径R为0. 2mm。而且具有弯曲部的输入 侧分支部及输出侧合波部的各光波导设为如图3(b)所示的脊形结构(脊形高度为2 ym)。接着在包含光波导的基板上形成缓冲层，并在缓冲层上表面用电镀工艺形成调剂 电极。(比较例)比较例的光调制器，基板使用厚度为500 y m的X切式LN基板，且通过Ti扩散工艺 等在基板表面形成光波导。作为光波导的形状形成如图1所示的马赫_曾德尔型光波导。 输入光波导21及输出光波导30的长度分别约为5mm，输入侧分支部(区域B)及输出侧合 波部(区域D)的沿对称轴的长度1分别为4mm，平行部(区域C)的长度为30mm，该平行部 的波导间隔d为30 ii m，最小曲率半径R为150mm。(试验方法)实施例1至3及比较例的各光调制器上连接光纤。接着，通过光功率计测量光调 制器的消光比。将测量结果示于表1。[表 1]
权利要求
一种马赫 曾德尔波导型光调制器，包括薄板，由具有电光效应的材料形成且厚度在20μm以下；光波导，形成于该薄板的表面或背面；以及调制电极，用于调制在该光波导内通过的光，上述马赫 曾德尔波导型光调制器的特征在于，该光波导由输入光波导、分支光波导及输出光波导构成，该分支光波导具有输入侧分支部，从该输入光波导分支为多个光波导；输出侧合波部，对连接于输出光波导的多个光波导进行合波；以及平行部，形成于输入侧分支部与输出侧合波部之间，输入侧分支部或输出侧合波部中至少一个的沿分支光波导的对称轴的长度l与该平行部中的光波导间隔d的比率l/d为33～100。
2.如权利要求1所述的马赫_曾德尔波导型光调制器，其特征在于，该输入侧分支部或该输出侧合波部中至少一个的光波导的弯曲部的最小曲率半径R 为 0. 2 100mm。
3.如权利要求1或2所述的马赫_曾德尔波导型光调制器，其特征在于，该平行部的至少一部分具有弯曲部，该弯曲部的最小曲率半径R为0. 2 100mm。
4.如权利要求1至3中任一项所述的马赫_曾德尔波导型光调制器，其特征在于，该光波导的一部分具有脊形结构。
5.如权利要求4所述的马赫-曾德尔波导型光调制器，其特征在于，该脊形结构至少形成于具有最小曲率半径的光波导部分。全文摘要
本发明的目的在于抑制光折变现象的影响及杂散光与信号光的耦合。一种马赫-曾德尔波导型光调制器，包括薄板(1)，由具有电光效应的材料形成且厚度在20μm以下；光波导(2)，形成于该薄板的表面或背面；以及调制电极，用于调制在该光波导内通过的光，上述马赫-曾德尔波导型光调制器的特征在于，该光波导由输入光波导(21)、分支光波导(23～28)、输出光波导(30)构成，该分支光波导具有输入侧分支部(区域B)，从该输入光波导分支为多个光波导；输出侧合波部(区域D)，对连接于输出光波导的多个光波导进行合波；以及平行部(区域C)，形成于输入侧分支部与输出侧合波部之间，输入侧分支部或输出侧合波部中至少一个的沿分支光波导的对称轴的长度l与该平行部中的光波导间隔d的比率l/d为33～100。
文档编号G02F1/035GK101981492SQ20098011173
公开日2011年2月23日 申请日期2009年3月6日 优先权日2008年3月31日
发明者及川哲, 市冈雅之, 近藤胜利 申请人:住友大阪水泥股份有限公司