光学器件及光学器件的制造方法.pdf

提供一种光学器件，具备能够高效率地检测在光波导中传播的光的一部分的光波导分支结构，光学介质的端面中位于光波导中的光传播方向前方的端面与光波导表面大致垂直。在光波导中传播的光的一部分从该前方端面向与光波导大致垂直的方向分支而射出。由于射出方向与光波导大致垂直，因此能够通过在光波导元件上设置的光检测器高效地获取该分支光。

1.  一种光学器件，其特征在于，包括：
光波导元件，其在基板上形成有光波导；以及
光学介质，其以覆盖所述光波导的至少一部分的方式设置在所述基板的表面上，并且该光学介质的在所述光波导中的光传播方向上朝向前方的端面与所述光波导表面大致垂直。

2.  根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，
通过薄膜形成工序及图案形成工序形成所述光学介质。

3.  根据权利要求1或2所述的光学器件，其特征在于，
在通过薄膜形成工序或者通过薄膜形成工序和图案形成工序形成所述光学介质之后，对该光学介质的朝向光传播方向的前方的端面进行加工，调整其平滑度和相对于所述光波导表面的角度中的至少一方。

4.  根据权利要求2或3所述的光学器件，其特征在于，
所述光学介质是半导体薄膜或者电介质薄膜。

5.  根据权利要求1～4中任一项所述的光学器件，其特征在于，
所述光学介质与所述光波导表面接触而设置。

6.  根据权利要求1～5中任一项所述的光学器件，其特征在于，
所述光学介质对在所述光波导中传播的光的波长的折射率高于所述基板对该波长的折射率。

7.  根据权利要求1～6中任一项所述的光学器件，其特征在于，
由所述光学介质的朝向光传播方向的前方的端面和所述光波导表面所形成的交线，相对于所述光波导中的光传播方向具有预定的倾角。

8.  根据权利要求1～7中任一项所述的光学器件，其特征在于，
沿着所述光的传播方向设置有多个所述光学介质。

9.  根据权利要求1～8中任一项所述的光学器件，其特征在于，
在所述光学介质的上部具备光检测装置，
通过所述光检测装置，对由所述光学介质取出而向与所述光波导表面大致垂直的方向射出的、在所述光波导中传播的光的一部分进行检测。

10.  根据权利要求9所述的光学器件，其特征在于，
所述光学介质由半导体形成，并且接地。

11.  一种光学器件的制造方法，该光学器件包括：光波导元件，在基板上形成有光波导；和薄膜状的光学介质，以覆盖所述光波导表面的至少一部分的方式设置，所述光学器件的制造方法的特征在于，包括：
薄膜形成工序，在所述基板上将预定材质的光学介质形成为薄膜状；
图案形成工序，用于使该光学介质形成为覆盖所述光波导的至少一部分，并且在所述光波导中的光传播方向上朝向前方的侧面与所述光波导表面大致垂直；以及
加工工序，进一步调整在所述光波导中的光传播方向上朝向前方的端面的平滑度和该朝向前方的端面与所述光波导表面所成的角度中的至少一方。

光学器件及光学器件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种具备对在光波导中传播的光进行分支的结构的光学器件。
本申请基于2006年9月29日申请的日本特愿2006-268493号申请，并主张其优先权，援用其内容。
背景技术
在由光承载信号而通过光纤来传输的光通信系统中，使用对光实施光传输所需的各种各样处理的各种功能元件。这些功能元件通过监测其输出光，并根据该监测结果对元件的动作进行反馈控制，能够高精度地得到所需的特性。
例如，利用光强度调制器作为对光信号进行强度调制的功能元件，所述光强度调制器在铌酸锂(LiNbO₃，以下称为LN)等基板上形成有马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)型的光波导、调制电极以及偏置电极。在该光强度调制器中，需要以在马赫-曾德尔光波导的合波点进行合波的2个光波的相位差成为0及π的状态为基准进行调制(需要进行调制动作点的偏置調整)。为了得到成为该基准的相位状态，监测调制后的信号光，调整来自偏置电极的施加电压。
以往，作为实现这种光监测器的装置，公知有专利文献1所记载的带监测器的光波导型元件。图10表示该带监测器的光波导型元件的剖面的概要。在该图中，在基板101上形成光波导102，在其上部设置有比光波导102折射率高的渐逝(evanescent)成分导入层50。光检测器40隔着渐逝成分导入层50设置在光波导102的上部。另外，以往人们判断，渐逝成分导入层的特征在于结构，更具体而言在于渐逝成分导入层50的膜厚和长度，而没有重视输出侧方向的端面形状。在图10中，为了方便起见，将渐逝成分导入层50的端面示意地描绘成垂直于基板101，但在实际的元件中，渐逝成分导入层50这样的薄膜由于是使用溅射法或蒸镀法进行成膜，因此其厚度朝着输出侧一端逐渐变薄，上述端面相对于基板101不垂直。
在图10的带监测器的光波导型元件中，在光波导102中向图中P方向传播的光，在其一部分作为渐逝成分渗出至光波导102之外的状态下进行传播。并且，该渐逝成分通过渐逝成分导入层50渗入至光检测器40内部，其极少的一部分到达光检测器40的感光面401。这样，通过检测渐逝成分的一部分，监测传播光。
专利文献1：日本特开2001-215371号公报
发明内容
但是，在上述带监测器的光波导型元件中，由于渐逝成分进入光检测器40的进入角度相对于传播方向P倾斜5度左右(推测值)，因此渗入的光的大部分分散到光检测器40之外，只有极少的一部分能够到达感光面401。结果，存在光检测器40的监测效率(感光灵敏度)极低而不能够获得实用性能的问题。
本发明是鉴于上述问题点而做出的，其目的在于提供一种光学器件及该光学器件的制造方法，该光学器件具备对在光波导中传播的光的一部分高效率地进行检测的光波导分支结构。
本发明用于解决上述课题，提供一种光学器件，包括：光波导元件，其在基板上形成有光波导；以及光学介质，其以覆盖所述光波导的至少一部分的方式设置在所述基板的表面上，并且该光学介质的在所述光波导中的光传播方向上朝向前方的侧面与所述光波导表面大致垂直。
另外，在本发明中，“端面与光波导表面大致垂直”意思是指“端面相对于光波导表面倾斜45度以上且135度以下”。
在光波导中传播的光的一部分渗出到上述光学介质内。在本发明的光学器件中，在所述光波导中的光传播方向上朝向前方的光学介质的端面(以下简称为“前方端面”)与所述光波导表面大致垂直，因此该渗出的光从该前方端面向与光波导表面大致垂直的方向射出。即，本发明的光学器件能够将在光波导中传播的光的一部分向与光波导大致垂直的方向进行分支。此外，由于分支方向是与光波导大致垂直的方向，因此只要在光波导上设置光检测器，上述射出的分支光就能够大致垂直地入射至该光检测器，分支光没有浪费地被光检测器接收。因此，能够将上述分支光作为监测光，高效率地监测在光波导中传播的光。
在上述光学器件中，优选的是，通过薄膜形成工序及图案形成工序来形成所述光学介质。
在上述光学器件中，优选的是，在通过薄膜形成工序或者通过薄膜形成工序和图案形成工序形成所述光学介质之后，加工该光学介质的所述前方端面，调整其平滑度和相对于所述光波导表面的角度中的至少一方。
根据本发明的光学器件，上述前方端面的平滑性得以改善，并且能够将该前方端面与光波导表面所成角度设为所需角度(例如90度)，由此能够使在光波导中传播的光的一部分高效地从上述前方端面分支。
在上述光学器件中，优选的是，所述光学介质是半导体薄膜或电介质薄膜。
由于构成上述光学介质的半导体或电介质对在光波导中传播的光透明，因此被分支的光在该光学介质内不会发生无谓的衰减，能够高效率地取出分支光。此外，由于半导体材料或电介质材料能够通过一般的半导体制造工艺技术容易地形成为薄膜状，因此能够简单且廉价地制造光学器件。
在上述光学器件中，优选的是，将所述光学介质与所述光波导表面接触而设置。
与在光学介质和光波导之间例如设置有由其他材料构成的缓冲层的光学器件相比，由于上述光学介质直接设置在光波导上，因此向光学介质内的渗出光量变多，不会产生减少被分支的光的情况。
在上述光学器件中，优选的是，所述光学介质对在所述光波导中传播的光的波长的折射率高于所述基板对该波长的折射率。
在光波导中传播的光的模态分布偏向于折射率高的上述光学介质一侧，结果向光学介质内的渗出光量变多。因此，能够将更多的光量作为分支光而取出。
在上述光学器件中，由所述光学介质的所述前方端面和所述光波导表面形成的交线，相对于所述光波导中的光的传播方向具有预定的倾角。另外，上述预定的倾角意思是指不垂直的角度。
由于光学介质被配置成上述交线与光的前进方向不垂直而倾斜，因此在光波导中传播的光或者渗出至光学介质中进行传播的光不被该前方端面反射。因此，反射光不会结合到光波导的传播模态中，能够抑制返回光的产生。
在上述光学器件中，优选的是，沿着所述光波导设置有多个所述光学介质。
沿着所述光波导设置的多个光学介质各自分别从光波导取出传播光的一部分，并作为分支光向与基板大致垂直的方向射出。因此，能够根据光学介质的数量容易地调节分支光的总量。
此外，在上述光学器件中，优选的是，在所述光学介质的上部还具备光检测机构，通过所述光检测机构对由所述光学介质取出而向与所述光波导表面大致垂直的方向射出的、在所述光波导中传播的光的一部分进行检测，由此监测在光波导中传播的光。
通过光检测机构对上述射出的分支光进行检测，由此能够监测在光波导中传播的光。
进而，在上述光学器件中，优选的是，由半导体形成所述光学介质，并且该光学介质接地。
在上述光学介质由半导体材料构成且接地的情况下，基板内带电的电荷从上述接地部分向外部放电。因此，即使例如使用光电二极管作为光检测机构，并将该光电二极管与光学介质接触地设置在光学介质上，也能够防止电荷向光电二极管放电而使光电二极管损坏。
本发明还提供一种光学器件的制造方法，所述光学器件包括：光波导元件，在基板上形成有光波导；和薄膜状的光学介质，其至少一部分设置在所述光波导的表面，所述光学器件的制造方法的特征在于，包括：薄膜形成工序，在所述基板上将预定材质的光学介质形成为薄膜状；图案形成工序，用于使该光学介质形成为覆盖所述光波导的至少一部分，并且在光波导中的光传播方向上朝向前方的侧面与所述光波导表面大致垂直；以及加工工序，调整所述前方端面的平滑度和该前方端面与所述光波导表面所成角度中的至少一方。
根据本发明的制造方法，能够制造具有上述优良效果的光学器件。
根据本发明，能够将在光波导中传播的光的一部分高效率地向与光波导表面大致垂直的方向分支。另外，能够高效率地检测所分支的光，从而高效率地监测在光波导中传播的光。
附图说明
图1是沿着光波导的传播方向的光学器件的剖面概略图。
图2A是表示光学器件的整体的概略图。
图2B是表示为了观察到光学介质20而除去粘合层和光检测器之后的光学器件的概略图。
图3是表示光学介质的长度L与向基板垂直方向射出的光的强度之间的关系的实验结果。
图4是表示本发明的光学器件的第1实施例的图。
图5是表示本发明的光学器件的第2实施例的图。
图6是表示本发明的光学器件的第3实施例的图。
图7是表示本发明的光学器件的第4实施例的图。
图8是表示本发明的光学器件的第5实施例的图。
图9是表示本发明的光学器件的第6实施例的图。
图10是现有的带监测器的光波导型元件的剖面概略图。
标号说明
10...光波导元件
11...监测部
20...光学介质
30...粘合层
40...光检测器
401...光检测器的感光面
50...渐逝成分导入层
101...LN基板
102...光波导
103...主马赫-曾德尔光波导
104a、104b...副马赫-曾德尔光波导
P...光的传播方向
具体实施方式
以下参照附图详细说明本发明的实施方式。
图1和图2是表示本发明的一个实施方式的光学器件的图，图1是沿着光波导的传播方向(相当于图2的P方向)的光学器件的剖视图，图2是光学器件的外观图(俯视图)。本实施方式的光学器件具备光波导元件10、与光波导元件10表面接触而设置的光学介质20、设置在光学介质20上部的光检测器40以及将该光检测器40粘合在光学介质20上的粘合层30。
另外，图2A是表示光学器件的整体的图，光学介质20被粘合层30和光检测器40遮挡而观察不到。图2B是为了观察到光学介质20而除去粘合层30和光检测器40之后的概略图。
光波导元件10具有LN基板101和通过钛(Ti)的热扩散在LN基板101上形成的光波导102。为了说明的简单化，在本申请说明书中，如图2所示，将光波导102的波导图案设为直线，但也能够设定为其他图案的光波导。例如，通过将光波导102设定为马赫-曾德尔型，能够将光学器件适用于光强度调制器。
优选光学介质20由对光波导102中传播的光的波长而言吸收损失少而透明、并且折射率高于LN基板101的材质来形成。
在本实施方式中，设定传播光的波长为λ＝1.55μm。在该波长下LN基板101的折射率为2.2左右，因此光学介质20使用折射率为3.5左右的硅(Si)。另外，只要是满足上述条件(光学特性)的材质即可，也可以是除了硅之外的材质，作为这样的材质的例子，有锗(Ge，折射率4.1)等半导体或者氧化钽(Ta₂O₅，折射率2.3)等电介质。
如图2所示，从LN基板101的上方观察的光学介质20的形状是沿着传播方向P的长度为L、与传播方向P正交的方向的宽度为W的长方形。此外，设光学介质20的厚度为T。光学介质20的端面(侧面)中位于光波导102之上的面，即在光波导中的光的传播方向上朝向前方的前方端面(图1及图2中的面a)以及朝向后方的端面(图1及图2中的面c，简称为“后方端面”)，形成为与光波导102的表面成大致垂直的角度的平面。
该平面部分的横向大小(光学介质20的宽度W)是在光波导102中传播的光的模态直径(几～10μm)的至少几倍左右，例如为20μm。另外，上述宽度W不存在上限值，但是在宽度W充分大于传播光的模态直径的情况下，也可在光波导102的上部附近，就上述例子而言仅将20μm的部分作为大致垂直于光波导表面的平面。也就是说，不需要使前方端面及后方端面(面a或面c)整体为平面，而只要使光波导102上部附近局部地成为平面状就足够了，也可以是前方端面及后方端面(面a或面c)整体在宽度W方向上弯曲。
光学介质20的前方端面及后方端面(面a及面c)与光波导102的表面形成大致垂直的角度，由此在光波导102中传播的光的一部分在上述前方端面(面a)上向与光波导102的表面大致垂直方向射出，从光波导102分支。
上述前方端面(面a)与光波导102的表面所成的角度在本发明中如上所述为大致垂直，也就是在45度以上135度以下，其中优选80度～100度。
此外，在光波导中的光传播方向上朝向后方的后方端面(面c)即使不形成为与光波导102大致垂直的平面，也能够得到上述本发明的效果。也就是说，后方端面(面c)即使不形成为与光波导102表面大致垂直的平面，也不会给从前方端面(面a)向大致垂直于光波导102表面的方向射出的分支光带来影响。
在由硅形成上述光学介质20的情况下，能够通过一般的半导体制造工艺形成光学介质20。即，首先，在LN基板101上形成光波导102之后，利用溅射法或蒸镀法等，在LN基板101表面的整个面上形成预定膜厚(厚度T)的硅(薄膜形成工序)。然后，利用剥离法或干式蚀刻法形成图案，使得光学介质20的形状成为长方形(图案形成工序)。例如，可以使用CF+CHF作为干式蚀刻的反应气体，控制蚀刻端面的角度(面a～d与光波导102表面所成角度)，形成上述光学介质20。
此外，为了使蚀刻端面进一步成为所希望的角度，可以增加在蚀刻后的端面上进一步照射激光的加工工序。通过这种激光修整，能够改善端面的平滑性。
另外，对于将光学介质20的端面形成为大致垂直于光波导102表面的工序而言，可以只利用上述图案形成工序，此外，可以在形成薄膜后就直接仅利用上述激光的加工工序。
在光学介质20的上部设有粘合层30，通过该粘合层30将光检测器40粘合在光波导102及LN基板101上。在光波导102与设置在其上部的光检测器40靠近的情况下，存在传播光被光检测器40过分地吸收而导致传播光的损失增大的可能性。但是，在本实施方式中，通过设置粘合层30使光检测器40和光波导102相隔一定程度的距离而配置，因此还有能够防止上述不良状况的效果。
出于这样的目的，粘合层30的材质选用在传播光的波长下为透明且折射率低于光波导102及光学介质20的材质。
进而，在图1及图2中，在光学介质20的侧面也设置了粘合层30，但也可以只在光学介质20的上部设置粘合层30，而光学介质20的侧面(面a～d)与空气接触。
在如上所述构成的本实施方式的光学器件中，使在光波导102中传播的光的一部分从光学介质20的前方端面(面a)向与光波导102的表面大致垂直的方向分支而射出。由于射出方向与光波导102大致垂直，因此能够通过设置在光波导102上部的光检测器40高效率地获取该分支光。
以上，参照图面详细说明了本发明的一个实施方式，但具体结构并不限于上述结构，能够在不脱离本发明主旨的范围内进行各种各样的设计变更。
例如，光学介质20的平面形状不限于长方形，前方端面(面a)只要按上述条件形成，则平面形状可以任意。
此外，前方端面(面a)和光波导102表面形成的交线与光波导102中的光传播方向所成角度可以不是直角，可以从直角倾斜几度至45度左右。其中优选倾角为2～7度。例如，也可以通过前方端面及后方端面(面a及面c)倾斜而使光学介质20的平面形状成为平行四边形(参照后述的实施例2(图5))。通过这样设置，能够防止前方端面及后方端面(面a及面c)的反射光再次与光波导102的传播模态结合而产生返回光。
此外，也可以是，光学介质20不直接形成在LN基板101之上，在光学介质20和LN基板101之间设有由其他材质构成的薄膜。
此外，光学介质20不限于通过如上所述的半导体制造工艺所形成的薄膜状的部件，也可以是块状的部件。
此外，也可以是不设置粘合层30、而使光学介质20和光检测器40接触的结构。但是，在光学介质20由半导体构成的情况下，优选使光学介质20接地，使得LN基板101内带电的电荷不向光检测器40放电(参照后述的实施例4(图7))。
此外，作为光检测器40能够使用光电二极管，但不限于此。例如，也可以是使用反射镜或透镜接受大致垂直于基板射出的分支光，并将分支光向光电二极管引导。
此外，在将本光学器件用于光强度调制器的情况下，光波导元件10还具备：电极，其用于向光波导102施加调制电场；以及缓冲层，其设置在该电极的下部，用于防止在光波导102中传播的光被电极吸收而损失。该缓冲层例如含有氧化硅(SiO₂)。于是，也可以代替图1及图2的粘合层30，以配置在光学介质20和光检测器40之间的方式，将缓冲层设置在基板整个面上。也可以是设置缓冲层和设于其上的粘合层30而并用两者的结构。另外，上述电极形成在缓冲层的上部且光波导102附近的预定位置，在施加了来自电极的调制电场的光波导102中诱发基于电光效应的折射率变化，对通过该部分的光波赋予相位变化。通过马赫-曾德尔型光波导而分支的光波分别被相位调制，使合波后的光被强度调制。
此外，光波导元件10的基板材质不限于LN，能够使用硅基板或石英基板等、其他各种各样的半导体或者电介质基板。
实施例1
图3是将通过实验求得的光学介质20的长度L和向与基板即光波导表面垂直的方向射出的光的强度之间的关系表示在图表中的图。在实验中使用波长λ＝1.55μm的传播光。光学介质20是在使用了LN基板101(折射率n＝2.2)的光波导元件10上形成的硅(Si)薄膜(折射率n＝3.5)，其平面形状如图2所示为长方形(宽度W＝60μm、厚度T＝0.2μm)。此外，面a的端面角度形成为90度。在图3中，横轴表示光学介质20的长度L(单位为μm)，纵轴表示将向与基板垂直的方向射出的光的强度以其最大值标准化后的值(单位为dB)。
根据图3的数据，光学介质20的长度L为100μm左右以下时，向与基板垂直的方向射出的光的强度随长度L而单调增变化，长度L在100μm左右以上时，射出的光的强度几乎不变。因此，在上述参数的光学介质20的情况下，通过在100μm以下的范围内适当调整长度L，能够控制向与基板即光波导表面大致垂直的方向射出的光的强度。
图4是表示根据上述图3的实验数据设计的、本发明的光学器件的第1实施例的图。在本实施例中，将光学介质20的平面形状设为长度L＝100μm、宽度W＝60μm、厚度T＝0.2μm的长方形。在该长度(L＝100μm)的情况下，向与基板垂直的方向(更具体而言为与光波导表面的垂直的方向)射出的光的强度基本最大。
图5是表示本发明的光学器件的第2实施例的图。对于本实施例的光学器件而言，向与基板大致垂直的方向射出的光的强度与上述第1实施例的情况一样，并且还能够减少来自前方端面及后方端面(面a及面c)的基于反射的返回光。即，从垂直于光波导102的面倾斜5度而形成前方端面及后方端面(面a及面c)，使光学介质20平面形状为平行四边形。由此，减少了反射光向光波导102的再结合，能够抑制返回光的产生。
图6是表示本发明的光学器件的第3实施例的图。在本实施例中，将具有长度L＝50μm、宽度W＝60μm的长方形的平面形状的厚度T＝0.2μm的光学介质20，在光波导102上以20μm间隔排列3个，从而形成光学器件。如图3所示，即使将光学介质20的长度L设为100μm以上，向与光波导表面大致垂直的方向射出的光的强度也不发生变化，但通过增加光学介质20的个数，能够容易地增加射出的光的强度。
图7是表示本发明的光学器件的第4实施例的图。本实施例的光学器件在光学介质20上设置有光电二极管(光检测器40：图中用虚线表示)。光学介质20具有光波导102上的区域(长度L＝100μm、宽度W＝60μm)和光波导102两侧的2个区域(分别为长度为2000μm、宽度为800μm)。光电二极管40的尺寸是长宽均为400μm。上述光波导102两侧的2个区域的外侧与接地电极连接。因此，在该光学器件中，虽然在光学介质20上直接接触地设置光电二极管，但由于基板内积存的电荷从接地电极放电，因此能够防止放电所引起的光电二极管损坏。
图8是表示本发明的光学器件的第5实施例的图。本实施例组合了第3实施例和第4实施例，光学介质20在光波导102上具备3个长度L＝50μm、宽度W＝60μm的区域，并且与外侧的接地电极连接。由此，向与基板大致垂直的方向射出的光的强度较大，并且防止了光电二极管因放电而损坏。
另外，在上述实施例中光学介质20的厚度为T＝0.2μm，但能够在0.05μm～0.5μm左右的范围内设计成其他值。
图9是表示本发明的光学器件的第6实施例的图，表示使用了本发明的光学器件的光SSB调制器。光SSB调制器在主马赫-曾德尔光波导103的两臂上分别设置有副马赫-曾德尔光波导104a、104b。
在上述各副马赫-曾德尔光波导104a、104b中，通过彼此的相位差为π/2的调制信号进行强度调制。同时，对各马赫-曾德尔光波导施加偏置电场进行驱动，使得各自的调制动作点在副马赫-曾德尔光波导104a、104b中为相位差π、并且在主马赫-曾德尔光波导103中为相位差π/2或-π/2。通过这样的驱动方法，进行仅输出由调制产生的边带的一方的SSB(Single Side Band：单边带)调制。
为了高精度地进行上述SSB调制，需要通过偏置控制正确地调整调制动作点。因此，在本实施例中，如图9所示，在各马赫-曾德尔光波导的输出部之后分别设置监测部11。该监测部11是图7及图8所示实施例4或实施例5中说明的光学器件。这样构成的光SSB调制器能够通过各自所对应的监测部11分别监测主马赫-曾德尔光波导及副马赫-曾德尔光波导103、104a、104b的输出，能够进行基于反馈的偏置控制，能够实现高精度的SSB调制。
另外，除了光SSB调制器之外，在仅具有1级的马赫-曾德尔光波导的光强度调制器上设置上述监测部11，也同样能够进行偏置控制。
产业实用性
根据本发明，能够将在光波导中传播的光的一部分高效率地向与光波导表面大致垂直的方向分支。此外，检测所分支的光，能够高效率地监测在光波导中传播的光。因此，能够提供一种光学器件及该光学器件的制造方法，该光学器件具备适用于高效率地检测在光波导中传播的光的一部分的光波导分支结构。