光调制器的制作方法

1.本发明涉及一种在光通信和光学测量领域中使用的光调制器。


背景技术：

2.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。光纤通信是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、抗噪声等的特征的技术。
3.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。
4.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，但是，与半导体光学器件相比，具有驱动电压大、尺寸大等的缺点。
5.为了克服上述缺点，已知有通过利用了在蓝宝石基板上应用薄膜技术而形成的ln膜的光波导，从而与现有相比，能够实现大幅的小型化以及低驱动电压化的光学器件(参见专利文献1、2)。
6.在这样的光学器件中，在刚对电极施加电压后和经过了充分长的时间后，施加于光波导的电压发生变化，由此可以看到来自光调制器的出射光也发生变化的现象。施加于光波导的电压的变化被称为dc漂移，在光调制器中期望尽可能抑制dc漂移。作为具有能够减小dc漂移且能够长期地进行稳定的控制的器件结构的光调制器，提出了专利文献3的光调制器。
7.但是，在上述的利用薄膜技术的光学器件中，存在制造工序长、因工艺上的热处理引起温度变化、及为了单片化而暴露于水等的情况。因此，在这样的光学器件中，存在可靠性低这样的问题。例如，如表示现有的光调制器的大致结构的图1所示，在基板1、波导层2和缓冲层4层叠而成的结构体中，缓冲层4包括不同材料的第一缓冲层41和第二缓冲层42，第一缓冲层41和第二缓冲层42以第一缓冲层41的端面和第二缓冲层42的端面彼此接触的方式沿着平行于基板1的主面的方向排列而配置，因此，存在由于应力等而使第一缓冲层41与第二缓冲层42的边界部容易发生剥离或裂纹这样的问题。
8.因此，特别是在上述的利用薄膜技术的光学器件中，要求能够承受这样的工艺上的应力的高可靠性的光学器件。
9.现有技术文献
10.专利文献
11.专利文献1：jp 2006-195383a
12.专利文献2：jp 2014-6348a
13.专利文献3：wo2019/069815a


技术实现要素：

14.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，提供一种可靠性高的光调制器。
15.为了达成上述目的，本发明的一个方面所涉及的光调制器，具备基板、形成于所述基板上的光波导、经由第一缓冲层而形成于所述光波导上且对所述光波导施加调制信号的信号电极、以及经由第二缓冲层而形成于所述光波导上且对所述光波导施加dc偏压的偏压电极，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层以在所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的边界部上，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层中的任意的一方的缓冲层覆盖另一方的缓冲层的端面的方式形成。这样，通过第一缓冲层和第二缓冲层以在其边界部上任意的一方的缓冲层覆盖另一方的缓冲层的端面的方式形成，从而成为没有剥离和裂纹的发生的高可靠性的结构体，而且产品的成品率提高。
16.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层以在所述边界部上，从所述基板的厚度方向观察具有重叠的方式形成。
17.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述另一方的缓冲层的端面相对于所述基板倾斜地形成。
18.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述另一方的缓冲层的端面形成为曲面状。
19.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，在所述边界部上，所述第一缓冲层形成于所述第二缓冲层上，或者所述第二缓冲层形成于所述第一缓冲层上。
20.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述另一方的缓冲层的端面的、沿着所述基板的厚度方向投影到所述基板的长度相对于所述另一方的缓冲层的厚度为2～100倍。
21.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层由不同的组成形成。
22.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，所述第一缓冲层为m-si-o系化合物，m是选自al、zr、hf、la、ba、bi、ti、ca、mo、in的至少任一种以上。
23.另外，在上述的本发明的一个方面所涉及的光调制器中，优选，构成所述第二缓冲层的元素包含构成所述第一缓冲层的元素中的至少任一种以上。
24.根据本发明的一个方面，提供了一种可靠性高的光调制器。
附图说明
25.图1是现有的光调制器的截面图。
26.图2是本发明的第一实施方式所涉及的光调制器100的俯视图。
27.图3是包含行波电极的光调制器100的整体的俯视图。
28.图4是沿图2中的a-a’线的光调制器的截面图。
29.图5是沿图2中的b-b’线的光调制器的截面图。
30.图6是沿图2中的c-c’线的光调制器的截面图。
31.图7是本发明的第一实施方式的变形例所涉及的光调制器的截面图。
32.图8是本发明的第一实施方式的另一变形例所涉及的光调制器的截面图。
33.图9是本发明的第二实施方式所涉及的光调制器200的俯视图。
34.图10是本发明的第三实施方式所涉及的光调制器的截面图。
具体实施方式
35.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。
36.(第一实施方式)
37.图2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3是包含行波电极的光调制器100的整体的俯视图。图4是沿图2中的a-a’线的光调制器的截面图。图5是沿图2中的b-b’线的光调制器的截面图。图6是沿图2中的c-c’线的光调制器的截面图。
38.如图2和图3所示，光调制器100具备：马赫曾德尔光波导10，其形成于基板1上，并且具有互相平行地设置的第一和第二光波导10a、10b；第一信号电极7a，其与第一光波导10a重叠地设置；第二信号电极7b，其与第二光波导10b重叠地设置；第一和第二接地电极8a、8b，其以夹入第一和第二信号电极7a、7b的方式设置；第一偏压电极9a，其与第一光波导10a重叠地设置；第二偏压电极9b，其与第二光波导10b重叠地设置；第三偏压电极9c，其与第一偏压电极9a相邻地设置；以及第四偏压电极9d，其与第二偏压电极9b相邻地设置。
39.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。马赫曾德尔光波导10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。被分波的光在第一和第二光波导10a、10b行进之后，在合波部10d被合波。被合波的光作为调制光so从输出光波导10o输出。
40.第一和第二信号电极7a、7b在俯视时位于第一和第二接地电极8a、8b之间。第一和第二信号电极7a、7b的一端7a1、7b1是信号输入端，第一和第二信号电极7a、7b的另一端7a2、7b2经由终端电阻12而互相连接。或者，第一信号电极7a的另一端7a2可以经由第一终端电阻而连接于第一接地电极8a，第二信号电极7b的另一端7b2可以经由第二终端电阻而连接于第二接地电极8b。由此，第一和第二信号电极7a、7b与第一和第二接地电极8a、8b共同地发挥作为差动的共面型行波电极的作用。
41.第一和第二偏压电极9a、9b为了向第一和第二光波导10a、10b施加直流偏压(dc偏压)，与第一和第二信号电极7a、7b独立地设置。第一和第二偏压电极9a、9b的一端9a1、9b1是dc偏压的输入端。在本实施方式中，第一和第二偏压电极9a、9b的形成区域设置于比第一和第二信号电极7a、7b的形成区域更靠近马赫曾德尔光波导10的输出端侧，但是也可以设置于更靠近输入端侧。另外，可以省略第一和第二偏压电极9a、9b，并且将预先重叠了dc偏压的调制信号输入于第一和第二信号电极7a、7b。
42.在第一信号电极7a的一端7a1和第二信号电极7b的一端7b1，输入ac(交流)信号(调制信号)。由于第一和第二光波导10a、10b由铌酸锂等的具有电光效应的材料构成，因此，根据赋予第一和第二光波导10a、10b的电场，第一和第二光波导10a、10b的折射率分别如 δn、-δn那样变化，一对光波导之间的相位差改变。由该相位差的变化调制的信号光从输出光波导10o被输出。
43.如图4～图6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4a、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。
44.缓冲层4a是为了防止在第一和第二光波导10a、10b中传播的光被第一和第二信号电极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4a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4a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4a。
45.为了减小电极的光吸收，缓冲层4a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4a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4a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4a的折射率越低，则可以使缓冲层4a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。
46.缓冲层4a包括位于保护层3和波导层2(具体来说，波导层2的脊部2r)上的第一缓冲层41a和位于保护层3和波导层2(具体来说，波导层2的脊部2r)上的第二缓冲层42a。第一缓冲层41a和第二缓冲层42a以在第一缓冲层41a和第二缓冲层42a的边界部d上，第一缓冲层41a直接地覆盖第二缓冲层42a的端面42as的方式形成。这样，通过第一缓冲层和第二缓冲层以在第一缓冲层和第二缓冲层的边界部上，第一缓冲层直接地覆盖第二缓冲层的端面的方式形成，从而成为没有剥离和裂纹的发生的高可靠性的结构体，而且产品的成品率提高。
47.再有，在本实施方式中，第一缓冲层41a除了覆盖第二缓冲层42a的端面42as之外，还覆盖第二缓冲层42a的上表面的整体。但是，并不限于此，第一缓冲层41a也可以仅覆盖第二缓冲层42a的上表面的一部分。
48.具体来说，在本实施方式中，第一缓冲层41a和第二缓冲层42a以在边界部d上，从基板1的厚度方向z观察具有重叠的方式形成。即，在边界部d上，第一缓冲层41a形成于第二缓冲层42a上。
49.但是，并不限于此，也可以如图7所示缓冲层4b包括第一缓冲层41b和第二缓冲层42b，第一缓冲层41b和第二缓冲层42b以在边界部d1上，从基板1的厚度方向z观察不具有重叠的方式形成。
50.在第一缓冲层41a和第二缓冲层42a以在边界部d上，从基板1的厚度方向z观察具有重叠的方式形成的情况下，作为一个具体的例子，例如如图6所示，第二缓冲层42a的端面42as相对于基板1倾斜地形成。但是，并不限于此，也可以如图8所示缓冲层4c包括第一缓冲层41c和第二缓冲层42c，第二缓冲层42c的端面42cs形成为曲面状。
51.另外，第二缓冲层42a的端面42as的、沿着基板1的厚度方向z投影到基板1的长度l相对于第二缓冲层42a的厚度优选为2～100倍。
52.在本实施方式中，第一缓冲层41a和第二缓冲层42a可以由不同的组成形成，也可以由相同的组成形成。例如，第一缓冲层41a为m-si-o系化合物，其中，m是选自al、zr、hf、la、ba、bi、ti、ca、mo、in的至少任一种以上。另外，构成第二缓冲层42a的元素也可以包含构成第一缓冲层41a的元素中的至少任一种以上。
53.在电极层5设置有第一信号电极7a、第二信号电极7b、第一接地电极8a和第二接地电极8b。第一信号电极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，经由第一缓冲层41a而与第一光波导10a相对。第二信号电极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，经由第一缓冲层41a而与第二光波导10b相对。从第一信号电极7a观察时，第一接地电极8a设置于与第二信号电极7b相反侧，从第二信号电极7b观察时，第二接地电极8b设置于与第一信号电极7a相反侧。
54.另外，在电极层5设置有第一偏压电极9a、第二偏压电极9b、第三偏压电极9c和第四偏压电极9d。第一偏压电极9a为了向第一光波导10a施加直流偏压(dc偏压)而与对应于第一光波导10a的脊部2r重叠地设置，经由第二缓冲层42a而与第一光波导10a相对。第二偏压电极9b为了向第二光波导10b施加直流偏压(dc偏压)而与对应于第二光波导10b的脊部2r重叠地设置，经由第二缓冲层42a而与第二光波导10b相对。
55.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的说明。
56.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。
57.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。
58.铌酸锂膜的组成为li
x
nbayoz。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。
59.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和/或缓冲层4a。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。
60.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。
61.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。
62.(第二实施方式)
63.图9是本发明的第二实施方式所涉及的光调制器200的俯视图。如图9所示，本实施方式所涉及的光调制器200与第一实施方式所涉及的光调制器100的不同在于，马赫曾德尔光波导10由直线部和弯曲部的组合构成。本实施方式所涉及的光调制器200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。
64.具体而言，马赫曾德尔光波导10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。
65.于是，本实施方式中，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。
66.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。
67.(第三实施方式)
68.图10是本发明的第三实施方式所涉及的光调制器的截面图。本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，缓冲层4d包括第一缓冲层41d和第二缓冲层42d。
69.第一缓冲层41d和第二缓冲层42d以在第一缓冲层41d和第二缓冲层42d的边界部d2上，第二缓冲层42d直接地覆盖第一缓冲层41d的端面41ds的方式形成。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。
70.再有，在本实施方式中，第二缓冲层42d除了覆盖第一缓冲层41d的端面41ds之外，还覆盖第一缓冲层41d的上表面的一部分。但是，并不限于此，第二缓冲层42d也可以覆盖第一缓冲层41d的上表面的整体。
71.具体来说，在本实施方式中，第一缓冲层41d和第二缓冲层42d以在边界部d2上，从基板1的厚度方向z观察具有重叠的方式形成。即，在边界部d2上，第二缓冲层42d形成于第一缓冲层41d上。
72.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，在不脱离本发明的主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。
73.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。
74.另外，本发明表示涉及存在于同一层内的2个缓冲层(即，第一缓冲层和第二缓冲层)的界面(端部彼此的界面)上的关系的设计。因此，对于本发明的缓冲层的上下的层，没有特别的限定，可以包含其他的层，相反的，也可以不包含其它的层。
75.符号的说明
76.1 基板
77.2 波导层
78.3 保护层
79.4a 缓冲层
80.4b 缓冲层
81.4c 缓冲层
82.4d 缓冲层
83.41a 第一缓冲层
84.42a 第二缓冲层
85.41b 第一缓冲层
86.42b 第二缓冲层
87.41c 第一缓冲层
88.42c 第二缓冲层
89.41d 第一缓冲层
90.42d 第二缓冲层
91.41ds 端面
92.42as 端面
93.42cs 端面
94.5 电极层
95.7a 第一信号电极
96.7b 第二信号电极
97.9a 第一偏压电极
98.9b 第二偏压电极
99.10 光波导
100.10a 第一光波导
101.10b 第二光波导
102.100 光调制器
103.200 光调制器
104.d 边界部
105.d1 边界部
106.d2 边界部。