CN113467112B - 光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置 - Google Patents

光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置

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Abstract

本发明提供一种光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置。光波导元件能够将具有电光效应的基板的长度构成得短并能够充分确保光接收元件的配置所需的空间。一种光波导元件，具有：基板(1)，具有电光效应；光波导(2)，形成于该基板；以及光接收元件(PD)，配置于该基板上，并监视在该光波导中传播的光波或从该光波导放射的光波，其特征在于，具备从该光波导延伸至该光接收元件的监视用光波导(22)，该监视用光波导相对于该光波导的出射方向具有折返部分(23)，该光接收元件配置于该监视用光波导的所述折返部分之后的一部分(24)。

Description

光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置
技术领域
本发明涉及光波导元件及使用该光波导元件的光调制器件及光发送装置，特别是涉及具有基板、光波导、光接收元件的光波导元件，该基板具有电光效应，该光波导形成于该基板，该光接收元件配置于该基板上，并监视在该光波导中传播的光波或从该光波导放射的光波。
背景技术
在光通信领域、光学测量领域中，多使用在铌酸锂(LN)等的具有电光效应的基板上形成有光波导的光调制器等光波导元件。而且，在光调制器等中，为了控制基于马赫-曾德型光波导的光调制中的偏压而监视从马赫-曾德型光波导的合波部射出的输出光、放射光。
如专利文献1那样进行将PD等光接收元件配置于基板上的设计。如图1那样，形成于基板1的马赫-曾德型光波导2的合波部中的干涉光通过输出波导21作为输出光向基板1的外部导出。而且，由于合波部处的干涉而产生的具有互补的光强度的光被监视用光波导22用作监视光而向光接收元件PD引导。
这样的光接收元件的配置在相干通信使用的多个马赫-曾德型光波导并联配置的双偏波型的光调制器中，不存在相对于输出光的损失而能得到充分的监视灵敏度，而且通过在基板上配置多个光接收元件而能够实现小型的光调制器，因此被广泛使用。
通过将光接收元件配置于基板上，能够在一定程度上减小光波导元件的尺寸，但是近年来，对于进一步的小型化的需求在不断增加。特别是要求进一步缩短图1所示的形成有马赫-曾德型光波导2的基板1的长度L。因此，需要缩短从马赫-曾德型光波导的合波部至光波导的输出端的距离，从而使确保光接收元件PD的配置位置变得困难。
此外，如专利文献2那样，在基板上的一部分配置加强构件。如图1所示，在入射光(Lin)进入光波导的输入端和出射光(Lout)射出的输出端，沿着基板1的边将加强构件3配置于基板的上侧。这是为了在对光波导的输入端或输出端的端面进行研磨时防止波导缺欠，或者为了在与输入端、输出端相对地粘接固定光纤、透镜等光学部件时确保粘接面积。
光接收元件PD与基板1的接合、加强构件3与基板1的接合使用粘接剂。在光接收元件或加强构件3的接合时，粘接剂有可能会从光接收元件、加强构件溢出，从而妨碍另一方的接合。因此，为了避免各构件使用的粘接剂相互接触，需要增宽光接收元件PD与加强构件3的间隔。这使得更难以缩短图1的基板1的长度L。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-211504号公报
专利文献2：日本特开2017-187522号公报
发明内容
本发明要解决的课题在于解决上述那样的问题，提供一种能够缩短具有电光效应的基板的长度并充分确保光接收元件的配置所需的空间的光波导元件、利用该光波导元件的光调制器件以及光发送装置。
为了解决上述课题，本发明的光波导元件、光调制器件及光发送装置具有以下那样的技术特征。
(1)一种光波导元件，具有：基板，具有电光效应；光波导，形成于该基板；以及光接收元件，配置于该基板上，并监视在该光波导中传播的光波或从该光波导放射的光波，其特征在于，所述光波导元件具备从该光波导延伸至该光接收元件的监视用光波导，该监视用光波导相对于该光波导的出射方向具有折返部分，该光接收元件配置于该监视用光波导的所述折返部分之后的一部分。
(2)在上述(1)所述的光波导元件中，其特征在于，在该基板的上侧，将加强构件沿着该基板的配置该光波导的输出端的一边接合于该基板，所述折返部分形成于该基板与该加强构件之间。
(3)在上述(1)或(2)所述的光波导元件中，其特征在于，该光波导的输入端与输出端沿着该基板的同一边配置。
(4)在上述(3)所述的光波导元件中，其特征在于，将该光接收元件配置在从该输入端向该基板泄漏的泄漏光的扩散角的范围外。
(5)在上述(2)所述的光波导元件中，其特征在于，在该加强构件的面向该光接收元件的侧面或该光接收元件的面向该加强构件的侧面形成有遮光部。
(6)在上述(1)至(5)中任一项所述的光波导元件中，其特征在于，该监视用光波导为脊型光波导。
(7)一种光调制器件，其特征在于，具有：上述(1)至(6)中任一项所述的光波导元件；壳体，收容该光波导元件；以及光纤，将光波从该壳体的外部输入到该光波导，或将光波从该光波导输出到该壳体的外部。
(8)在上述(7)所述的光调制器件中，其特征在于，该光调制器件在该壳体的内部具有将输入到该光波导元件的调制信号放大的电子电路。
(9)一种光发送装置，其特征在于，具有：上述(7)或(8)所述的光调制器件；电子电路，输出使该光调制器件进行调制动作的调制信号。
发明效果
根据本发明，由于光波导元件具有：基板，具有电光效应；光波导，形成于该基板；以及光接收元件，配置于该基板上，并监视在该光波导中传播的光波或从该光波导放射的光波，所述光波导元件具备从该光波导延伸至该光接收元件的监视用光波导，该监视用光波导相对于该光波导的出射方向具有折返部分，该光接收元件配置于该监视用光波导的所述折返部分之后的一部分，因此能够提供一种能够缩短具有电光效应的基板的长度并充分确保光接收元件的配置所需的空间的光波导元件、利用该光波导元件的光调制器件以及光发送装置。
附图说明
图1是表示现有的光波导元件的俯视图。
图2是表示本发明的光波导元件的第一实施例的(a)俯视图、(b)侧视图，(c)和(d)是(a)的虚线S处的剖视图。
图3是表示本发明的光控制元件的第二实施例的(a)俯视图及(b)剖视图。
图4是表示本发明的光控制元件的第三实施例的俯视图。
图5是表示本发明的光控制元件的第四实施例的(a)俯视图及(b)侧视图。
图6是表示本发明的光控制元件的第五实施例的(a)俯视图及(b)侧视图。
标号说明
1 基板
2 光波导
3 加强构件
22 监视用光波导
23 折返部分
PD 光接收元件
具体实施方式
以下，使用优选例而详细说明本发明。
本发明如图2所示，光波导元件具有：基板1，具有电光效应；光波导2，形成于该基板；以及光接收元件(PD)，配置于该基板上，并监视在该光波导中传播的光波或从该光波导放射的光波，其特征在于，具备从该光波导延伸至该光接收元件的监视用光波导22，该监视用光波导相对于该光波导的出射方向而具有折返部分23，该光接收元件配置于该监视用光波导的所述折返部分之后的一部分(24)。图2的(a)是俯视图，图2的(b)是侧视图。
作为具有电光效应的基板1，可以利用铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、PLZT(锆钛酸铅镧)等的基板、以及将基于这些材料的气相生长膜、这些材料贴合于不同种的基板而得到的复合基板等。
另外，半导体材料、有机材料等各种材料也可以用作光波导。
作为光波导的形成方法，可以利用对光波导以外的基板表面进行蚀刻或在光波导的两侧形成槽等使基板的与光波导对应的部分成为凸状的脊型光波导。而且，也可以通过将Ti等利用热扩散法、质子交换法等在基板表面形成高折射率部分而形成光波导。也可以将高折射率材料向脊型光波导部分进行扩散等来形成复合的光波导。特别是监视用光波导的折返部分由于曲率半径减小，因此优选采用光的封闭增强的脊型光波导结构。
为了实现调制信号的微波与光波的速度匹配，形成有光波导的基板的厚度设定为10μm以下，更优选为5μm以下。而且，脊型光波导的高度h(从脊型光波导的两侧的槽的底边至脊型光波导凸部的顶边为止)与脊型光波导部的基板厚度t(从基板的底面至脊型光波导凸部的顶边为止)之比h/t设定为0.8以下。特别是在基板厚度t为1μm以下时，h/t优选设定为0.6～0.8的范围。而且，也可以在加强基板1上形成气相生长膜，并将该膜加工成上述那样的光波导的形状。
为了提高机械强度，形成有光波导的基板直接接合或经由树脂等粘接层而粘接固定于加强基板。作为直接接合的加强基板，优选利用折射率比光波导、形成有光波导的基板低且热膨張率与光波导等接近的材料，例如石英等。除此之外，也可以使用折射率等于或高于形成有光波导的基板的加强基板。在该情况下，在加强基板与光波导基板之间形成低折射率的层。
另外，在经由粘接层而接合于加强基板时，也可以利用LN基板等作为加强基板。
在使用光波导元件作为光调制器件的情况下，为了调制在光波导中传播的光波而沿着光波导，特别是马赫-曾德型光波导的分支波导形成调制电极。而且，为了控制光调制器件的DC偏压，也可以与调制电极独立地配置偏压电极。
本发明的光波导元件的特征如图2那样在从光波导2向光接收元件PD连结的监视用光波导22的中途设置折返部分23，缩短基板1的长度L。而且，将折返部分23配置于沿着基板1的端面配置的加强构件3与基板1之间，换言之在俯视观察时如图2的(a)那样加强构件3与折返部分23的至少一部分重叠配置。由此能够进一步缩短基板1的长度L。
另外，能够将折返部分23形成于也包含加强构件3的下侧在内的宽的部分，因此能够增大曲率半径以抑制折返部分处的弯曲引起的光的传播损失。
位于加强构件3的下侧的光波导(折返部分、输入输出波导)可以使用如图2的(c)所示将脊型光波导以外的部分切除的结构(槽)、如图2的(d)那样在光波导的两侧形成有恒定宽度的槽的脊型光波导。槽的宽度优选设定为脊型光波导宽度的1～10倍左右。图2的(c)及图2的(d)是图2的(a)的虚线S处的剖视图，示出在基板1形成的光波导的形状。
由此，折返部分、输入输出波导能够在维持作为光波的封闭效果大的脊型光波导的功能的同时，确保加强构件3与基板1的充分的粘接面积。而且，在接合时，也没有加强构件3相对于基板1的接合面倾斜的担心。此外，由此，无论波导的截面、图案形状如何都能够确保稳定的粘接层厚度，能够减少粘接强度的变动，控制粘接剂从加强构件的溢出。
如图2的(a)所示，光接收元件PD与加强构件3之间的距离也可以设定得比马赫-曾德型波导的合波部(生成该光接收元件检测的光波的合波部)与加强构件3之间的距离。由此，能够尽可能长地确保进行光调制等的作用部的长度，并且也能够避免加强构件3与将光接收元件PD向基板1固定的粘接剂的相互接触。
图3以缩窄马赫-曾德型光波导的输出波导20的方式设置用于监视放射光的监视用光波导(22、22’)。图3的(a)是俯视图，图3的(b)是图3的(a)的单点划线A-A’处的剖视图。
两个监视用光波导设置折返部分(23、23’)并向在光接收元件(PD1、PD2)的下侧通过的监视用光波导(24、24’)延伸。而且，也可以将光接收元件(PD1)和光接收元件(PD2)分体地构成并分别配置于各监视用光波导(24、24’)上，但是也可以将光接收元件(PD1)与光接收元件(PD2)一体化地形成于一个支承构件4内。在马赫-曾德型光波导的合波部使用了三分支结构的情况下，对两个光接收元件的输出进行合成而作为一个监视输出，由此减少监视光向输出光的混入，得到高的ON/OFF消光比，并进而能够减少监视光与输出光之间的调制曲线的偏移。
在通过支承构件4进行一体化的情况下，如图3的(b)所示，需要跨马赫-曾德型光波导的分支波导地配置支承构件4，因此优选在支承构件4的一部分形成凹部G。而且，也可以在分支波导上形成缓冲层，避免光波被光接收元件侧吸收。
为了将在监视用光波导中传播的光波的至少一部分向光接收元件(PD)引导，可以如图3的(b)那样，将光接收元件与光波导紧贴配置，由此将来自光波导的倏逝成分吸向光接收元件方向。而且，也可以在光波导的一部分形成倾斜方向的切口等，使光波向光接收元件方向反射、散射。
此外，也可以在支承构件4的侧面、上下表面或内部形成反射面，在支承构件内使光波反射，提高光接收元件的光接收灵敏度。特别是在支承构件4的内部形成有反射面的情况下，能够抑制从光接收元件(PD1)和光接收元件(PD2)中的一方向另一方的光波的入射，因此能够接收更稳定的监视光。
另外，为了使监视光的光接收量、特性稳定，而且，为了提高光接收元件的固定的可靠性，可以在光接收元件(PD)的下表面另行设置底座结构。
图4是将光接收元件PD监视的光波设为来自合波部的输出光的一部分的例子。在输出波导20的一部分配置光耦合器(虚线部分C)，将输出光的一部分向监视用光波导引导。作为光耦合器C，可以采用方向性耦合器、MMI耦合器、交叉耦合器等各种结构。
图5是沿着基板1的同一边(图的右侧)配置有光波导的输入端和输出端的图。而且，输入(Lin)的光波被分支成两个，由各嵌套型光波导调制，两个调制光被偏振合成而作为一个输出光(Lout)输出。此外，光调制使用的电信号(Sin)从输入和输出光波的基板1的边的相反侧的边输入。图5的(b)是相对于图5的(a)的俯视图的侧视图。
在光波的入射侧设置的透镜51、在出射侧设置的透镜(52、53)一体地保持于光学块5，与基板1和加强构件3的侧面接合。而且，根据需要，也可以设置将波长板54、偏振合成构件(55、56)等光学部件也一并地一体保持的光学块。此外，也可以将插入固定于毛细管等构件的光纤的端面与毛细管一起直接接合于基板1和加强构件3的侧面。
作为配置于基板1的电极，设有被输入电信号Sin的调制电极(图的粗虚线部分。仅示出信号电极，省略接地电极)、对嵌套型光波导的主马赫-曾德型光波导的偏压进行控制的偏压电极(B2)、对副马赫-曾德型光波导的偏压进行控制的偏压电极(B1)。
在光波导2的输入侧描绘的虚线LS表示从基板1的端面入射的光波的泄漏光，泄漏光的扩散角(发散角θ)根据光耦合部的射束半径w0和波长λ通过θ＝λ/πw0计算。通过将光接收元件配置在泄漏光的扩散角的范围外，能够抑制入射耦合部的非耦合光向光接收元件入射而成为光接收元件的噪声的情况。
在图5的(a)中，监视用光波导的终端的形状朝向基板1的侧面侧(图中的基板1的上下侧的边)弯曲。这是为了避免从监视用光波导的终端放出的光波(无用光)再次向光波导2入射的情况。也可以通过在基板1的表面形成的电极吸收光波，但是也可以从基板1的侧面向外部放出光波。
图6与图5同样地，以避开来自光波导的输入端的泄漏光LS的方式配置光接收元件PD。此外，可以在光接收元件PD、加强构件3的侧面形成有遮光部，抑制无用光向光接收元件入射或无用光在加强构件的侧面反射而向光波导2、光接收元件PD入射的情况。
可以将以上那样的光波导元件收容于壳体内，在光波导元件的光波导设置从该壳体的外部输入并向该壳体的外部输出光波的光纤，由此构成光调制器件。而且，在壳体内也可以内置调制器驱动用的驱动器IC等电子电路。特别是图5、图6那样的折返结构的波导的情况下，通过直接配置高频信号的接口、驱动器IC、调制元件，能够实现高频特性优异的调制器件。
此外，可以在该光调制器件具备生成向在光波导元件的基板形成的调制电极输入的电信号的数字信号处理器、驱动器IC等电子电路、激光光源、控制电路等，由此构成光发送装置。该电子电路可以配置于与光波导元件相同的壳体内，也可以配置于该壳体的外部。
工业实用性
如以上所述，根据本发明，能够提供一种能够将具有电光效应的基板的长度构成得短并能够充分确保光接收元件的配置所需的空间的光波导元件、利用该光波导元件的光调制器件以及光发送装置。

Claims (8)

1.一种光波导元件，具有：基板，具有电光效应；光波导，形成于该基板；以及光接收元件，配置于该基板上，并监视在该光波导中传播的光波或从该光波导放射的光波，其特征在于，
所述光波导元件具备从该光波导延伸至该光接收元件的监视用光波导，
该监视用光波导相对于该光波导的出射方向具有折返部分，
该光接收元件配置于该监视用光波导的所述折返部分之后的一部分，
在该基板的上侧，将加强构件沿着该基板的配置该光波导的输出端的一边接合于该基板，所述折返部分形成于该基板与该加强构件之间。
2.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
该光波导的输入端与输出端沿着该基板的同一边配置。
3.根据权利要求1或2所述的光波导元件，其特征在于，
将该光接收元件配置在从该输入端向该基板泄漏的泄漏光的扩散角的范围外。
4.根据权利要求1所述的光波导元件，其特征在于，
在该加强构件的面向该光接收元件的侧面或该光接收元件的面向该加强构件的侧面形成有遮光部。
5.根据权利要求1或2所述的光波导元件，其特征在于，
该监视用光波导为脊型光波导。
6.一种光调制器件，其特征在于，具有：
权利要求1～5中任一项所述的光波导元件；
壳体，收容该光波导元件；以及
光纤，将光波从该壳体的外部输入该光波导，或将光波从该光波导输出到该壳体的外部。
7.根据权利要求6所述的光调制器件，其特征在于，
所述光调制器件在该壳体的内部具有将输入到该光波导元件的调制信号放大的电子电路。
8.一种光发送装置，其特征在于，具有：
权利要求6或7所述的光调制器件；以及
电子电路，输出使该光调制器件进行调制动作的调制信号。
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