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CN110780380A - 光波导元件 - Google Patents

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CN110780380A CN201910660494.9A CN201910660494A CN110780380A CN 110780380 A CN110780380 A CN 110780380A CN 201910660494 A CN201910660494 A CN 201910660494A CN 110780380 A CN110780380 A CN 110780380A
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Abstract

本发明提供一种光波导元件，能够抑制以配置在基板上的对象物的热收缩为起因的传送特性的劣化。本发明的光波导元件具有形成有光波导(20)的基板(10)和配置在该基板上的对象物(31、32)，其中，该光波导包括对在该光波导中传播的光波的模式进行转换并将光波分支的模式转换分支部(23)，在俯视观察该基板时，以覆盖该模式转换分支部的一部分或全部的方式、或者以完全不覆盖该模式转换分支部的方式配置该对象物。在以覆盖该模式转换分支部的一部分的方式配置该对象物的情况下，以在光波的行进方向上不连续地覆盖规定值以上的长度的区间的方式配置该对象物。

Description

光波导元件
技术领域
本发明涉及具有基板和对象物的光波导元件，该基板形成有光波导，该对象物配置在该基板上。
背景技术
在光通信领域中，利用对输入的光波实施与发送数据等相应的光调制而输出的光调制器。图1示出以往的光调制器中内置的光波导元件的结构。图1的上段是光波导元件的一部(光波输入侧的部分)的俯视图，下段是其剖视图。
光波导元件在具有电光效应的基板10的表面侧形成包含用于进行光调制的马赫-曾德尔型波导的光波导20而构成。光波导20可以设为将多个马赫-曾德尔型波导呈嵌套状地装入的嵌套式波导。在图1中，作为基板10而使用非常薄的基板(即，薄板)，成为利用粘接剂11将加强基板12粘接于基板而加强的多层结构。需要说明的是，光波导元件并不局限于这样的多层结构，也可以使用具有充分的厚度的基板而设为单层结构。
光波导20为了将多个马赫-曾德尔型波导并列配置而具有将在光波导中传播的光波分配成均等的功率比的多个Y分支波导部21。而且，在各Y分支波导部21的光波行进方向的上游侧配置有用于在将光波进行分支之前转换光波模式的模式转换部22。模式转换部22例如为了使1条光波导分支成2条而将光波导宽度逐渐扩宽的结构(楔形结构)。
在基板10连接有光输入用的光纤(未图示)，基板10的与光纤连接的连接部分在基板10的表面配置加强构件31而被加强。而且，在基板10的表面也配置有用于控制在光波导20中传播的光波的控制电极32。作为控制电极32，存在被施加高频信号(调制信号)的调制电极或将其包围的接地电极、被施加DC电压(偏压)的偏压控制电极等。
基板10使用的LN(铌酸锂)等材料具有优异的压电效应，因此当基板10受到外力或者在基板10内产生应力时，该部分的折射率变化。在基板10的表面配置的加强构件31或控制电极32等对象物(配置物)由于温度变动而产生热收缩，但是线膨胀系数或杨氏模量各不相同，因此热收缩的程度也不同。因此，在各对象物产生与热收缩差相伴的应力，其结果是，由于各对象物的应力而基板10的折射率变化。特别是在对象物的配置区域的端部(边界部分)，应力变化容易增大，成为在基板10产生折射率分布的原因。需要说明的是，各对象物的热应力可以通过下述(式1)算出。
热应力E[Pa]＝线膨胀系数[/K]×温度变化[K]×杨氏模量[Pa]…(式1)
在Y分支波导部21或其正前方的模式转换部22的范围内如果折射率变化而产生折射率分布，则Y分支波导部21中的传播光的分支比(功率比)不会均等。如图1所示，以往，成为加强构件31或控制电极32这样的对象物的配置区域的端部位于包含Y分支波导部21及模式转换部22在内的模式转换分支部23的范围内的配置。
如果为这样的配置，则在模式转换分支部23的范围内产生应力变化引起的折射率分布，因此Y分支波导部21的传播光的分支比产生差异。其结果是，产生各马赫-曾德尔型波导的On/Off消光比的劣化或分支波导部(马赫-曾德尔型波导的支路部)间的损失差，存在导致传送特性的劣化这样的问题。此外，在具有优异的压电效应的LN基板等中，当受到外力时，与压力成比例的分极也同时产生，受到压力的部分的折射率更显著地变化。
上述的问题在将线膨胀系数或杨氏模量相差较大的异种材料的基板贴合的多层结构的情况下，特别是通过加强基板对LN薄板等进行了加强的结构的情况下，更容易明显化。这是由于热收缩产生的应力在具有光波导的薄板中容易产生的缘故。而且，上述的问题在使用了具有充分的厚度的基板的单层结构的情况下也会产生，因此期待采取其对策而实现传送特性的进一步改善。
需要说明的是，关于用于实现Y分支结构中的分支比的稳定化的结构，到目前为止也进行了各种研讨。例如，专利文献1公开了在Y分支结构的前段配置3分支结构或片状波导的结构。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2016-191820号公报
发明内容
【发明的概要】
【发明要解决的课题】
本发明要解决的课题在于解决上述那样的问题，提供一种能够抑制以配置在基板上的对象物的热收缩为起因的传送特性的劣化的光波导元件。
【用于解决课题的方案】
为了解决上述课题，本发明的光波导元件具备以下的技术特征。
(1)一种光波导元件，具有：形成有光波导的基板；及配置在该基板上的对象物，其特征在于，该光波导包括对在该光波导中传播的光波的模式进行转换并将光波分支的模式转换分支部，在俯视观察该基板时，以覆盖该模式转换分支部的一部分或全部的方式、或者以完全不覆盖该模式转换分支部的方式配置该对象物，在以覆盖该模式转换分支部的一部分的方式配置该对象物的情况下，以在光波的行进方向上不连续覆盖规定值以上的长度的区间的方式配置该对象物。
(2)在上述(1)记载的光波导元件中，其特征在于，所述规定值为40μm，在以覆盖不连续的多个区间的方式配置该对象物的情况下，在各区间之间设置20μm以上的间隔。
(3)在上述(1)或(2)记载的光波导元件中，其特征在于，该对象物是用于控制在该光波导中传播的光波的电极、或者用于对向该光波导输入光波的光纤与该基板的连接进行加强的加强构件。
(4)在上述(1)至(3)中任一项记载的光波导元件中，其特征在于，该基板是20μm以下的厚度的薄板，粘接加强基板而被加强。
【发明效果】
在本发明中，以覆盖模式转换分支部的一部分或全部的方式、或者以完全不覆盖模式转换分支部的方式配置基板上的对象物，因此能够抑制以基板上的对象物的热收缩为起因的传送特性的劣化。
附图说明
图1是表示在以往的光调制器中内置的光波导元件的结构的图。
图2是表示本发明的第一实施例的光波导元件的结构的图。
图3是表示本发明的第二实施例的光波导元件的结构的图。
图4是表示本发明的第三实施例的光波导元件的结构的图。
图5是表示本发明的第四实施例的光波导元件的结构的图。
图6是表示以覆盖模式转换分支部的一部分的方式配置电极的例子的图。
图7是表示模式转换分支部的结构的例子的图。
【标记说明】
10 基板
11 粘接剂
12 加强构件
20 光波导
21 Y分支波导部
22 模式转换部
23、24、50 模式转换分支部
31 加强构件
32、51、52 控制电极
具体实施方式
关于本发明的光波导元件，使用优选例进行详细说明。需要说明的是，没有通过以下所示的例子来限定本发明。
如图2～图7所示，本发明的光波导元件具有形成有光波导(20)的基板(10)和配置在该基板上的对象物(31、32)，其中，该光波导包括对在该光波导中传播的光波的模式进行转换并将光波分支的模式转换分支部(23、24)，在俯视观察该基板时，以覆盖该模式转换分支部的一部分或全部的方式，或者以完全不覆盖该模式转换分支部的方式，配置该对象物。需要说明的是，在以覆盖该模式转换分支部的一部分的方式配置该对象物的情况下，以在光波的行进方向上不连续地覆盖规定值以上的长度的区间的方式配置该对象物。
这样，以覆盖模式转换分支部的一部分或全部的方式，或者以完全不覆盖模式转换分支部的方式配置基板上的对象物(配置物)，由此在模式转换分支部的范围内，难以产生以基板上的对象物的热收缩为起因的应力变化引起的折射率分布。因此，能够抑制由于基板上的对象物的热收缩而传播光的分支比产生差别的情况。其结果是，能够减轻各马赫-曾德尔型波导中的On/Off消光比的劣化或分支波导部间的损失差的产生，因此能够抑制传送特性的劣化。本发明特别适合于使用了LN基板那样具有优异的压电效应的基板的光调制器，但是在使用了当施加压力时产生折射率变化的其他的基板(玻璃或结晶等的基板)的光调制器中，本发明也有效。
模式转换分支部包括例如对光波的模式进行转换的模式转换部(22)和对模式转换后的光波进行分支的Y分支波导部(21)。而且，紧接着Y分支波导部之后存在波导宽度变化的区间的情况下，该区间也包含于模式转换分支部。即，作为一例，本发明的模式转换分支部由Y分支波导部及其前后的光波的模式变化的区间(模式不稳定的区间)构成。当在这样的模式转换分支部产生折射率变化时，在光波导中传播的光波的分布的中心位置偏离，或者分布成为非对称，或者耦合成所希望的以外的模式，从而在光波导中传播的光波的分布变得不稳定。因此，在本发明中，通过对基板上的对象物的配置进行研究，来抑制模式转换分支部的折射率变化，实现在光波导中传播的光波的分布的不稳定化的消除。
模式转换分支部如图7示出的若干例子那样可以通过各种结构实现。
图7(a)是基于Y分支结构的模式转换分支部的例子，成为在到达分支部的过程中将宽度逐渐扩宽的形状(楔形形状)。在这样的结构的情况下，分支后的2个光波导部分的整体的宽度L2为通常的光波导的宽度L1(不是楔形形状的部分的宽度)的3倍以下(L2≤L1×3)的区间S1相当于模式转换分支部。
图7(b)是基于MMI(多模干涉计)结构的模式转换分支部的例子，成为将分支部之前的规定区间扩宽成能够进行多模导波的宽度的形状。在这样的结构的情况下，将宽度扩宽的区间S2相当于模式转换分支部。
图7(c)是基于定向耦合器的模式转换分支部的例子，使2条光波导在规定区间接近。在这样的结构的情况下，与Y分支结构的情况同样，2个光波导接近的部分的整体的宽度L2为通常的光波导的宽度L1的3倍以下(L2≤L1×3)的区间S3相当于模式转换分支部。
需要说明的是，L2≤L1×3这样的条件列举了适合于本发明的适用的条件例之一，没有限定为本条件。
以下，关于本发明的光调制器的具体的结构，列举实施例进行说明。
图2～图5分别示出第一实施例～第四实施例的光波导元件的结构。各图的上段是光波导元件的一部分(光波输入侧的部分)的俯视图，下段是其剖视图。各实施例的光调制器的基本结构与参照图1说明过的现有例同样。
[第一实施例]
如图2所示，第一实施例的光波导元件使用非常薄的基板(即，薄板)作为基板10，成为利用粘接剂11将加强基板12粘接于基板10而进行了加强的多层结构。基板10由LN(铌酸锂)等具有优异的压电效应的材料形成。基板10的厚度为20μm左右，粘接剂11的厚度为20～100μm左右，加强基板12的厚度为400～1000μm左右。
形成于基板10的光波导20包括对在光波导中传播的光波的模式进行转换并分支的模式转换分支部23、24。模式转换分支部23是处于光波行进方向的最上游的模式转换分支部，模式转换分支部24是在光波行进方向上从上游起的第二个模式转换分支部。需要说明的是，也可以是比它们靠下游处还具有模式转换分支部的结构。
在基板10的表面配置有加强构件31、控制电极32，加强构件31用于加强向光波导20输入光波的光纤(未图示)与基板10的连接，控制电极32用于控制在光波导20中传播的光波。这些对象物的热膨胀系数或杨氏模量与基板10相差较大，成为由于热收缩而使基板10产生应力并使光波导20的折射率变化的原因。
在第一实施例中，如图2的下段的剖视图所示，在比模式转换分支部23靠上游侧处配置加强构件31，并且在模式转换分支部23与模式转换分支部24之间及比模式转换分支部24靠下游侧处配置控制电极32。即，将加强构件31及控制电极32以完全不覆盖模式转换分支部23、24的方式配置。
根据这样的结构，在模式转换分支部23、24的范围内，难以产生以基板10上的对象物(加强构件31及控制电极32)的热收缩为起因的应力引起的折射率分布。因此，在对光波进行分支时，传播光的分支比稳定，能够减轻各马赫-曾德尔型波导中的On/Off消光比的劣化或分支波导部间的损失差，因此能够抑制传送特性的劣化。
需要说明的是，以完全不覆盖模式转换分支部的方式配置对象物不是要求在基板的宽度方向(与光波的传播方向正交的方向)的整个区域不存在对象物。即，即使是基板的长度方向(光波的传播方向)的位置与模式转换分支部重复的区域，只要是基板的宽度方向的位置与模式转换分支部不同的区域，就也可以存在对象物。
[第二实施例]
在第二实施例中，如图3的下段的剖视图所示，以覆盖模式转换分支部23的全部的方式配置加强构件31。而且，以覆盖模式转换分支部24的全部的方式配置控制电极32。
根据这样的结构，在模式转换分支部23、24的范围内，也难以产生以基板10上的对象物的热收缩为起因的应力引起的折射率分布。其结果是，对光波进行分支时的传播光的分支比稳定，能够抑制传送特性的劣化。
需要说明的是，以覆盖模式转换分支部的全部的方式配置对象物不是要求在基板的宽度方向的整个区域存在对象物。即，即使是基板的长度方向的位置与模式转换分支部重复的区域，只要是基板的宽度方向的位置与模式转换分支部不同的区域，就也可以不存在对象物。
[第三实施例及第四实施例]
图4所示的第三实施例是图2所示的第一实施例的变形例。而且，
图5所示的第四实施例是图3所示的第二实施例的变形例。第一实施例及第二实施例的光波导元件为多层结构，在形成得非常薄的基板10的背面粘接加强基板12进行加强，但是第三实施例及第四实施例的光波导元件为单层结构，将基板10较厚地形成为能得到充分的强度的程度。
即使在光波导元件为单层结构的情况下，也会产生以基板10上的对象物的热收缩为起因的应力引起的折射率分布。因此，如图4、图5所示，通过对基板10上的对象物的配置进行研究，使对光波进行分支时的传播光的分支比稳定，能够实现传送特性的进一步改善。
在此，在上述的各实施例中，将基板上的各对象物以覆盖模式转换分支部的全部的方式或以完全不覆盖模式转换分支部的方式配置，但也可以是以覆盖模式转换分支部的一部分的方式配置的结构。但是，需要以在光波的行进方向上不连续覆盖规定值以上的长度的区间的方式配置对象物。关于具体的条件，参照图6进行说明。在此，设想使用一般的通信频带即C-Band(1530～1565nm)或L-Band(1565～1625nm)的波长域的光波的情况。
在图6中，以覆盖模式转换分支部50的一部分的方式配置2个控制电极51、52。在该情况下，控制电极51、52的各自的宽度w1、w2都优选设为40μm以下。这样，以覆盖模式转换分支部的一部分的方式配置对象物的情况下，需要以在光波的行进方向上不连续覆盖40μm以上的区间的方式配置对象物。这是因为，当以在光波的行进方向上连续覆盖40μm以上的区间的方式配置对象物时，产生对光调制器的性能造成影响的程度的光损失差(分支比之差)的缘故。
此外，控制电极51与控制电极52的间隔d优选设为20μm以上。这样，在以覆盖不连续的多个区间的方式配置对象物的情况下，需要在各区间之间设置20μm以上的间隔。这是因为，在模式转换分支部的范围内设置的各对象物的间隔充分宽的情况下，应力变化的影响小，但是如果间隔缩窄为20μm以下，则会连续地观察到应力变化，产生对光调制器的性能造成影响的程度的光损失差(分支比之差)的缘故。
需要说明的是，上述的条件(宽度w1、w2及间隔d)列举作为在以覆盖模式转换分支部的一部分的方式配置对象物时，形成为在光波的行进方向上不连续覆盖规定值以上的长度的区间时的优选例之一。即，上述的条件也可以缓和为能够忽视对光调制器的性能造成的影响的程度(即，实用上有效的程度)。
在到此为止的说明中，说明了以从光波行进方向的上游起的第一个和第二个模式转换分支部为对象物，设法在其范围内使基板上的对象物的热收缩引起的应力变化难以产生的情况，但是关于处于更下游的模式转换分支部也可以说是同样的。不过，从在光波导中传播的光波的功率大的上游侧的模式转换分支部依次适用本发明能得到更优异的效果，因此优选。而且，在多个模式转换分支部中适用本发明的情况下，不需要在全部的模式转换分支部中使对象物的配置相同，也可以设为某个模式转换部被对象物覆盖而其他的模式转换部未被对象物覆盖的结构。需要说明的是，在下游侧的模式转换分支部中适用本发明的情况下，通过图案化来形成或不形成控制电极，因此可以沿用现有的制造工艺。
以上，基于实施例而说明了本发明，但是本发明没有限定为上述的内容，在不脱离本发明的主旨的范围内可以适当进行设计变更。例如，在图2、3中，在作为薄板的基板上利用粘接剂来贴合加强基板进行多层结构化，但是也可以在基底基板上进行结晶生长来形成多层结构的基板。
另外，上述的说明提及了模式转换分支部中的对象物的配置，但是在光波导元件具有对在分支波导部中传播的各个光波的模式进行转换并合成的模式转换合波部的情况下，关于模式转换合波部也可以说是同样的。
即，在形成于基板的光波导包含模式转换合波部的情况下，优选在俯视观察基板时以覆盖模式转换合波部的一部分或全部的方式、或者以完全不覆盖模式转换合波部的方式配置对象物。而且，在以覆盖模式转换合波部的一部分的方式配置对象物的情况下，优选以在光波的行进方向上不连续覆盖规定值以上的长度的区间的方式配置对象物。
【产业上的可利用性】
根据本发明，能够提供一种能够抑制以配置在基板上的对象物的热收缩为起因的传送特性的劣化的光波导元件。

Claims (4)

1.一种光波导元件，具有：形成有光波导的基板；及配置在该基板上的对象物，其特征在于，
该光波导包括对在该光波导中传播的光波的模式进行转换并将光波分支的模式转换分支部，
在俯视观察该基板时，以覆盖该模式转换分支部的一部分或全部的方式、或者以完全不覆盖该模式转换分支部的方式配置该对象物，
在以覆盖该模式转换分支部的一部分的方式配置该对象物的情况下，以在光波的行进方向上不连续覆盖规定值以上的长度的区间的方式配置该对象物。
2.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
所述规定值为40μm，
在以覆盖不连续的多个区间的方式配置该对象物的情况下，在各区间之间设置20μm以上的间隔。
3.根据权利要求1或2所述的光波导元件，其特征在于，
该对象物是用于控制在该光波导中传播的光波的电极、或者用于对向该光波导输入光波的光纤与该基板的连接进行加强的加强构件。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光波导元件，其特征在于，
该基板是20μm以下的厚度的薄板，粘接加强基板而被加强。
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