1.本发明涉及光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置，特别是涉及具备光波导和模斑转换部的光波导元件，该光波导形成于基板，该模斑转换部在该光波导的至少一端使在该光波导中传播的光波的模场直径变化。
背景技术：
2.在光计测技术领域、光通信技术领域中，使用具有电光效应的基板的光调制器等的光波导元件被广泛使用。特别是伴随着近年来的信息通信量的增大，希望长距离的城市间、数据中心间使用的光通信的高速化、大容量化。而且，也存在基站的空间的限制，需要光调制器的高速化和小型化。
3.为了光调制器的小型化而实施将光波导的宽度缩窄的微细化，从而能够增大光的限制效果，结果是，能够减小光波导的弯曲半径，实现小型化。例如，具有电光效应的铌酸锂(ln)在将电气信号转换成光信号时，应变少，光损失少，因此被用作面向长距离的光调制器。在ln光调制器的以往的光波导中，模场直径(mfd)为10μm左右，光波导的弯曲半径大到几十mm，因此难以小型化。
4.近年来，基板的研磨技术、基板的贴合技术提高，ln基板能够薄板化，光波导的mfd也研究开发出3μm以下，1μm左右。随着mfd减小，光的限制效果也增大，因此光波导的弯曲半径也能够进一步减小。
5.随着光波导的宽度、高度减小，光波导的表面的粗糙度会对在光波导中传播的光波的光损失造成较大的影响。例如，在形成凸状的光波导(称为肋型光波导)的情况下，由于蚀刻速度、蚀刻温度而会在凸部的侧面产生由微小的凹凸引起的表面皲裂。
6.在专利文献1中，为了消除这样的不良情况，提出了设置将光波导覆盖的电介质层(绝缘层)的方案。
7.另一方面，在使用具有比光纤的mfd即小的mfd的微细光波导的情况下，如果将设置于光波导元件的光波导的端部(元件端面)与光纤直接接合，则会产生大的插入损失。
8.为了消除这样的不良情况，在专利文献2中，在光波导的端部配置有模斑转换部(模斑转换器、ssc)。作为ssc的一例，提出通过将光波导覆盖的块体(绝缘层)构成ssc的方案。
9.图1是将多个马赫-曾德尔型光波导集成而得到的光波导元件的一例，将光波导元件也在高带宽相干驱动器调制器(hb-cdm)等中利用。在图1的光波导元件配置专利文献1的介电常数层(绝缘层)，而且，配置有专利文献2的ssc的块体(绝缘层)的情况下，会产生没有绝缘层的边界区域ba。如果产生这样的绝缘层的不连续部分，则在边界区域ba及其前后，光波导2的周边的折射率差增大，绝缘层的存在自身使在光波导中传播的光波散射，成为光损失增大的原因。需要说明的是，lin表示入射光，lout表示出射光。
10.在先技术文献
11.专利文献
12.专利文献1：日本特愿2021-050409号(申请日：令和3年3月24日)
13.专利文献2：日本特愿2020-165004号(申请日：令和2年9月30日)
技术实现要素：
14.发明要解决的课题
15.本发明要解决的课题在于解决上述那样的问题，并提供一种光波导元件，该光波导元件具备光波导和与该光波导连接的模斑转换部，在该光波导元件中，即使在配置有覆盖光波导的绝缘层的情况下，也进一步抑制了传播损失。此外，提供一种使用该光波导元件的光调制器件和光发送装置。
16.用于解决课题的方案
17.为了解决上述课题，本发明的光波导元件、使用光波导元件的光调制器件及光发送装置具有以下的技术特征。
18.(1)一种光波导元件，具备光波导和模斑转换部，该光波导形成于基板，该模斑转换部在该光波导的至少一端使在该光波导中传播的光波的模场直径变化，所述光波导元件的特征在于，所述光波导元件具备绝缘层，该绝缘层将该光波导的至少上表面覆盖，该绝缘层沿着该光波导连续地配置至该模斑转换部。
19.(2)根据上述(1)所述的光波导元件，其特征在于，该光波导具有调制部，该调制部被施加电场而对在该光波导中传播的光波的相位进行调制，该绝缘层覆盖该调制部，并从该调制部沿着该光波导连续地配置至该模斑转换部。
20.(3)根据上述(2)所述的光波导元件，其特征在于，该绝缘层在该调制部作为该光波导的包层部发挥功能，并在该模斑转换部作为芯部发挥功能。
21.(4)根据上述(2)或(3)所述的光波导元件，其特征在于，覆盖该调制部的该绝缘层的上表面与该模斑转换部的该绝缘层的上表面形成同一平面。
22.(5)根据上述(1)至(4)中任一项所述的光波导元件，其特征在于，该光波导是肋型光波导，该绝缘层还覆盖该光波导的侧面。
23.(6)一种光调制器件，其特征在于，将上述(1)至(5)中任一项所述的光波导元件收容在壳体内，所述光调制器件具备光纤，该光纤相对于该光波导输入或输出光波。
24.(7)根据上述(6)所述的光调制器件，其特征在于，该光波导元件具备调制电极，该调制电极用于对在该光波导中传播的光波进行调制，在该壳体的内部具有电子电路，该电子电路将向该光波导元件的调制电极输入的调制信号放大。
25.(8)一种光发送装置，其特征在于，具有：上述(6)或(7)所述的光调制器件；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。
26.发明效果
27.本发明能够提供一种光波导元件，该光波导元件具备光波导和模斑转换部，该光波导形成于基板，该模斑转换部在该光波导的至少一端使在该光波导中传播的光波的模场直径变化，其中，该光波导元件具备绝缘层，该绝缘层将该肋型的光波导的至少上表面覆盖，该绝缘层沿着该光波导连续地配置至该模斑转换部，因此，能够抑制在覆盖光波导的绝缘层与模斑转换部之间不连续地配置绝缘层的情况，进一步抑制了在光波导中传播的光波
的传播损失。此外，也能够提供使用这样的抑制了传播损失的光波导元件的光调制器件和光发送装置。
附图说明
28.图1是表示在光波导元件中应用了专利文献1的绝缘层和专利文献2的模斑转换部的例子的俯视图。
29.图2是表示本发明的光波导元件的一例的俯视图。
30.图3是表示光波导元件的一例的俯视图，是表示光波导的结构不同的区域的图。
31.图4是表示在图3的区域a中使用的光波导的结构的剖视图。
32.图5是表示在图3的区域b中使用的光波导的结构的剖视图。
33.图6是表示处于图3的区域c的ssc的一例的俯视图。
34.图7是表示图6的点线22处的光波导的结构的剖视图。
35.图8是表示图6的点线23处的光波导的结构的剖视图。
36.图9是表示图6的点线24处的光波导的结构的剖视图。
37.图10是表示折射率差δn与传播损失之间的关系的坐标图。
38.图11是说明本发明的光调制器件及光发送装置的俯视图。
具体实施方式
39.以下，关于本发明的光波导元件，使用优选例进行详细说明。
40.如图2所示，本发明的光波导元件具备光波导2和模斑转换部ssc，该光波导2形成于基板1，该模斑转换部ssc在该光波导2的至少一端使在该光波导中传播的光波的模场直径变化，该光波导元件的特征在于，具备绝缘层il，该绝缘层il将该光波导的至少上表面覆盖，该绝缘层il沿着该光波导连续地配置至该模斑转换部ssc。
41.本发明的光波导元件使用的具有电光效应的材料1可以使用铌酸锂(ln)、钽酸锂(lt)、plzt(锆钛酸铅镧)等的基板、向这些基板材料掺杂了镁的基材。而且，也可以利用基于这些材料的气相生长膜等。
42.另外，半导体材料、有机材料等各种材料也可以作为光波导利用。
43.作为光波导2的形成方法，可以对光波导以外的基板1进行蚀刻而在光波导的两侧形成槽等，利用在基板中将与光波导对应的部分设为凸状而得到的肋型的光波导。此外，也可以对应于肋型的光波导，通过热扩散法、质子交换法等使ti等向基板表面扩散，从而进一步提高折射率。而且，也可以在基板1形成将ti等进行了热扩散的高折射率区域来形成光波导，但是在1μm左右的宽度、高度的微细的光波导中为了提高光限制，更优选肋型光波导。
44.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2的基板(薄板)1的厚度设定为10μm以下，更优选为5μm以下，进一步优选为1μm以下。而且，肋型光波导的高度设定为4μm以下，更优选为3μm以下，进一步优选为1μm以下或0.4μm以下。而且，也可以在加强基板之上形成气相生长膜，将该膜加工成光波导的形状。
45.为了提高机械强度，形成有光波导的基板如图4等所示，直接接合或者经由树脂等的粘接层而粘接固定于加强基板rs。作为直接接合的加强基板rs，优选利用包含折射率比光波导、形成有光波导的基板低且热膨胀率与光波导等接近的材料，例如水晶、玻璃等的氧
化物层的基板。也可以利用在简称为soi、lnoi的硅基板上形成有氧化硅层或者在ln基板上形成有氧化硅层的复合基板。
46.与图1同样地，图2的光波导2被专利文献1所示的电介质层(绝缘层)il覆盖。在光波导在基板1上通过热扩散等形成高折射率区域的情况下，该光波导的上表面被绝缘层il覆盖，在肋型光波导的情况下，该光波导的上表面及侧面被绝缘层il覆盖。
47.作为绝缘层il，优选折射率比1大的电介质，并设定为光波导2的折射率的0.5倍以上且0.75倍以下。绝缘层il的厚度没有特别限定，但是可以形成至10μm左右的厚度。在包含调制部mp的光波导部分(除了ssc之外)，光波导2作为芯部发挥功能，绝缘层作为包层部发挥功能，该调制部mp向光波导2施加调制信号而对光波进行调制。
48.绝缘层il可以使用sio2等无机材料通过溅射法或cvd法形成，但是可以使用树脂等有机材料。在树脂中，可以利用包含耦联剂(交联剂)的光致抗蚀剂，可以利用因热而进行交联反应并固化的所谓光敏性绝缘膜(永久抗蚀剂)。需要说明的是，作为树脂，也可以使用聚酰胺类树脂、密胺类树脂、酚醛类树脂、氨基类树脂、环氧类树脂等其他的材料。
49.本发明的光波导元件的特征在于，如图2所示，在包含调制部mp的光波导2与模斑转换部ssc之间未形成图1那样的没有绝缘层il的边界区域ba。
50.本发明中的“绝缘层沿着光波导连续地配置至模斑转换部”不仅仅意味着未形成图1所示的没有绝缘层的边界区域ba的情况。也包括如后所述，将覆盖光波导2的绝缘层il与构成模斑转换部的绝缘层之间的连接部分的折射率差设定为规定值以下的情况。例如，该规定值优选设定为0.5以下。当然，可以通过不同的材料构成光覆盖波导2的绝缘层与在模斑转换部中使用的绝缘层。更优选的是，覆盖光波导的绝缘膜il从光波导的调制部侧作为构成模斑转换部的绝缘层的一部分而连续地进入模斑转换部之中。进一步优选的是，调制部侧的光波导的绝缘层与构成模斑转换部的绝缘层的一部分以相同制造工序同时形成。
51.图3是表示在hb-cdm等中能够利用的光波导元件的一例的俯视图，为了便于理解附图，仅示出光波导2的图案。标号pd是接收在光波导中传播的光波的一部分的光接收元件。
52.在图4中示出图3的区域a中的光波导2剖视图。基板1接合于加强基板rs。对基板1的一部分进行蚀刻，由凸部10形成光波导2。标号11表示进行蚀刻而变薄的基板部分。
53.以覆盖光波导2(10)的方式配置绝缘层il，进而在其上配置电极层el。图4的电极层el是从图3的左侧向光波导的调制部(点线b的区域)延伸的调制电极(在图3中未图示)，构成信号电极或接地电极。
54.在图3的调制部(区域b)中，成为图5所示的光波导结构，光波导2(10)的上表面及两侧配置有绝缘层il，但是与光波导2(10)接近地形成电极层el，左右的一方为信号电极，另一方为接地电极。而且，在图5中，以覆盖绝缘层il的上表面的一部分的方式配置电极层el，但是并不局限于此，也可以如专利文献1所示地，以不覆盖绝缘层il的上表面的方式配置电极层el。
55.绝缘层il可以是将凸状的光波导10的两侧面、上表面局部性地覆盖的结构，但是也可以如图5所示，绝缘层il与凸部的基板面(光波导10的下表面)以外的面相接，从而能够进一步提高绝缘性。
56.图6是表示在图3的区域c形成的模斑转换部ssc的一例的俯视图。需要说明的是，
图6的下侧示出沿着ssc的光波的传播方向的剖视图。图6的左侧(两个箭头ssc所示的范围外)是从调制部(区域b)延伸的光波导2(10)的一部分，覆盖光波导2(10)的绝缘层il直接被用作构成ssc的绝缘层的一部分。在ssc中，形成于基板1的凸部10(光波导)的宽度随着朝向图6的右侧(光波导的一端)而呈楔状地变细，接下来，基板1的被蚀刻的基板部分(下侧部分)11的宽度也呈楔状地变细。通过该结构，被限制于光波导10的光波逐渐向绝缘层il侧扩展，右端形成以绝缘层il为芯部的光波导。
57.如图6所示，光波导10的凸部随着向附图的右方行进而逐渐变细，构成发散模式。并且，绝缘层il接受发散的光波而成为如下的光波导，从而构成ssc。因此，在调制部和ssc都使用相同的绝缘层il的情况下(绝缘层的上表面在调制部和ssc的整体为同一平面)，与调制部相比，ssc的绝缘层被更深地干刻。(参照图6的右下图(图6b))
58.ssc的绝缘层il的宽度从众数径转换、光限制的观点出发，宽度呈楔状地变细，如图6的上侧(图6a)所示，在点线20的位置处成为约5μm的宽度。另一方面，在调制部中，从紧贴性等的观点出发，绝缘层il的宽度成为10μm以上的宽度，因此，与ssc相比，调制部的绝缘层il的横向宽度变宽。
59.图7至9示出图6的点线22至24处的各剖视图，如上所述，容易理解光波导的凸部10、基板1的下侧部分11逐渐消失的情况。
60.在图6的基板(10、11)上形成的楔形部分使宽度逐渐变化，但是并不局限于此，可以使厚度逐渐变薄，也可以将两者组合。
61.另外，在图6中，将绝缘层il直接用作ssc的芯部，但是也可以通过永久抗蚀剂构成绝缘层il，在ssc部分的右侧部分(例如从点线22、23或24向右侧)在，绝缘层il之上配置折射率比绝缘层il高的另一电介质层，例如，掺杂有镓的sio2层，使光波的中心向上侧转移。此外，也可以覆盖该电介质层的上表面、侧面地配置折射率低的sio2层，从而形成包层部。
62.如图6所示，绝缘层il从调制部沿着光波导10连续地配置至模斑转换部，从而能够降低在光波导中传播的光波的传播损失。
63.而且，将调制部覆盖的绝缘层il的上表面与构成模斑转换部的一部分的绝缘层il的上表面设为同一平面，从而能够进一步降低传播损失。
64.如图10所示，在使用不同的绝缘层的情况下，在绝缘层的边界区域中，光波的传播损失(loss)与绝缘层间的折射率差δn的大小成比例地增大。因此，绝缘层的折射率差δn设定为规定值以下。具体而言，在δn为0.5以下的情况下，传播损失成为0.1db以下。而且，在δn为0.3以下的情况下，传播损失成为0.05db以下。
65.本发明的光波导元件设置有对在光波导2中传播的光波进行调制的调制电极，并如图11那样收容于壳体ca内。进一步，通过设置相对于光波导输入输出光波的光纤(f)而能够构成光调制器件md。在图11中，光纤f使用光学透镜3来与光波导元件内的光波导进行光学耦合。并不局限于此，也可以将光纤经由贯通壳体的侧壁的贯通孔向壳体内导入，并直接接合于光波导元件。
66.可以将输出使光调制器件md进行调制动作的调制信号的电子电路(数字信号处理器dsp)连接于光调制器件md，从而构成光发送装置ota。向光波导元件施加的调制信号需要放大，因此使用驱动电路drv。驱动电路drv、数字信号处理器dsp也可以配置在壳体ca的外部，但是也可以配置在壳体ca内。特别是通过将驱动电路drv配置在壳体内，能够进一步减
少来自驱动电路的调制信号的传播损失。
67.工业实用性
68.如以上说明的那样，根据本发明，能够提供一种光波导元件，该光波导元在具备光波导和与该光波导连接的模斑转换部，在该光波导元件中，即使在配置有将光波导覆盖的绝缘层的情况下，也进一步抑制了传播损失。此外，能够提供一种使用该光波导元件的光调制器件和光发送装置。
69.标号说明
70.1形成光波导的基板(薄板、膜体)
71.2光波导
72.il绝缘层
73.mp调制部
74.ssc模斑转换部