JP2005070682A - 光学デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子と基板が金属酸化膜を介して強固に接合し、かつ小型化が可能で組み立てが容易な、良好な挿入損失、消光比を有し、信頼性の高い光学デバイスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】光学素子の少なくとも一面が基板と接合されて成る光学デバイスにおいて、光学素子が基板に接合して成り、光学素子または基板上の接合面に金属酸化膜が形成されていることを特徴とする光学デバイスおよびその製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に配列した複数の光学素子を有する光学デバイスにおいて、該光学素子と該基板が金属酸化膜を介して接合して成る光学デバイスおよびその製造方法に関するものである。

近年、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ、波長分割多重）の多波長化により、光通信システムの高集積化が進み、そこに使用する光学デバイスの小型化に対する要求も強くなってきている。

光学デバイスは多くの場合、固定部材に光学素子を接合し、これらを組み合わせることにより構成されているが、この方法では、固定部材が邪魔になり光学デバイスの小型化の妨げとなっているため、固定部材を排除して、光学素子同士を接着する方法が検討されている。

光学デバイスの小型化には、光学素子の透光面同士を接合すると効果的であり、このような光学素子同士の接合において最も簡単な方法は、有機接着剤を使用して接合を行うことである。

しかしながら、有機接着剤は、アウトガスがレーザーダイオードに悪影響を及ぼす上に、高出力レーザーの照射や高温高湿雰囲気下での暴露に弱く、デバイスの信頼性に欠けるといった欠点を有する。

そこで、有機接着剤を使用することなく、光学素子同士を接合する方法が望まれ、種々検討されており、例えば無機接合材として低融点ガラスや半田が挙げられる。

図３に示す従来の光学デバイス２０は、光学素子２６が偏光ガラス２２、検光子２３とビスマス置換鉄ガーネット製のファラデー回転子２１を接合材２５で基板２４上に接合している構成が示されている。

接合材２５として例えば低融点ガラスは、ＰｂＯ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＴｅＯ_２等の低融点材料を主成分としたものであるが、接合時に軟化点よりも高温に加熱する必要があるため、軟化の際に光学素子２６に施した反射防止膜と低融点ガラス２５が反応してしまい、反射防止機能が損なわれるといった問題があったため、透光面同士の接合に低融点ガラスを使用するのは困難とされている。

一方、接合材２５として例えば半田を使用する場合、透光性が全く無いため透光面に直接配置することができないので、透光面の外枠に選択的メタライズを施し、メタライズ部のみに半田が介在するような接合方法が採られているが、複雑なメタライズ工程を必要とし、歩留りの低下およびコスト上昇が避け難いとされている。

上記に鑑みて、近年では接合材２５を一切使用しないで光学素子２６同士を直接接合する方法がある（特許文献１，２参照）。

この方法は、光学素子２６の表面を親水化処理した後に、親水化面同士を貼り合せるもので、半導体ではＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエーハの製造工程で実用化されている。

図４（ａ）にて、ファラデー回転子１の両面に金属酸化膜５を形成し、偏光ガラス２、３の片面に金属酸化膜５を形成した後、図４（ｂ）に示すように偏光ガラス２、３の接合面６とファラデー回転子１の両表面の接合面６が金属酸化膜５を介して接合され、光学素子３０として一体化した構成を示している。

この直接接合方法は、被接合物の形状および物性に大きく依存し、例えば、反りに関しては、曲率半径で数百ｍ以上あることが望ましく、また、被接合物の算術平均表面粗さは、Ｒａ＝０．３ｎｍ以下であることが望ましいと言われており、さらに、被接合物間の線膨張係数の差にも大きく影響する。
特開平７−２２０９２３号公報。 特開２０００−５６２６５号公報。

しかしながら、上記特許文献１，２ような接合方法では、次に述べるような問題点があり、実用化が困難な状況である。

例えば、光学デバイスで一般的に使用する光学素子の一つである鉄系ガーネット等は、厚さ方向に応力分布を有するため大きな反りを伴うことが多いという問題があった。

また、偏光ガラス２，３は、ガラスに銀や銅等の金属微粒子を分散させた構造であるため算術平均表面粗さを制御することが困難であり、このような光学素子２６同士を直接接合した場合、接合面６での剥離が発生しやすく密着性、耐久性は低いという問題があった。

さらに、これら光学素子２６の線膨張係数は、材料によって大きく異なる場合が多く、被接合物間の線膨張係数には大きな差が生じ、このような線膨張係数の異なる材料を直接接合した場合、異種材料間に熱応力が発生し、それが接合部６に集中することによって光学歪が生じやすくなり、消光比等の光学特性を低下するという問題があった。

上記に鑑みて本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、基板上に配列した複数の光学素子を有する光学デバイスにおいて、前記光学素子と該基板が金属酸化膜を介して接合して成ることを特徴とするものである。

また、前記金属酸化膜がＡｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２から選択する１種以上であることを特徴とするものである。

さらに、前記金属酸化膜の厚みが１ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることを特徴とするものである。

また、前記光学素子が偏光ガラスおよび/またはビスマス置換鉄ガーネット製ファラデー回転子であり、前記基板がガラス製であることを特徴とするものである。

さらに、光学デバイスにおける光学素子または基板の接合面の少なくとも一方に金属酸化膜を形成した後に接合することを特徴とするものである。

また、前記金属酸化膜を親水化処理、洗浄、乾燥する第一工程と、前記光学素子と基板を直接または水を介して接合して熱処理する第二工程からなることを特徴とするものである。

さらに、前記熱処理は８０℃以上３００℃以下の温度範囲で行なうことを特徴とするものである。

以上のように本発明によれば、光学素子と基板の接合が容易でかつ強固な接合強度が得られるとともに、アウトガスの発生や接合面の劣化がなく、小型で高信頼性の光デバイスを安価に提供することが可能となる。

また、光学素子を基板上に仮固定できるため精度良い光学調整が可能となり、光学デバイスを組み立てが容易に出来る。

さらに、半田等を使用する場合のように高温処理する必要がないので基板の反りの心配がないため基板を薄くすることができ、また、光軸方向の長さも短くできる。

本発明者等は、小型で信頼性の高い光学デバイスを安価に提供することを種々検討した結果、該光学素子と該基板が金属酸化膜を介して接合して成ることとすれば、光学素子と基板との接合強度も十分強固で確実なものとなり、また小型化にも有利であることを見出し、接合に関する諸条件を精査して本発明を完成させた。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の接合による光学素子と基板の接合として完成した光デバイスを示す斜視断面図である。

図１に示した光学デバイス１０は、光学素子１５同士との間にそれぞれ空隙部ｔ、ｔ’を設け、基板４上にほぼ平行に配列したものであり、光学素子１５と基板４が金属酸化膜５を介して接合されている。

光学素子１５はファラデー回転子１、偏光ガラス２、３からなり、光学素子１５または基板４上の接合面６の少なくとも一方に金属酸化膜５を形成した後に接合されている。

好ましくは光学素子１５が相対する基板４、４’の接合面６の少なくとも一方に金属酸化膜５、５’をＡｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２から選択する１種以上で形成したこととし、該金属酸化膜５、５’を単層または多層に積層することで親水化処理後の接合力を高めることができる。

基板４、４’の接合面６、６’に形成する金属酸化膜５、５’は、通常の電子ビーム蒸着法で行なうことができ、光学素子１５または基板４、４’の接合面６、６’の少なくとも一方に金属酸化膜５、５’を形成した後に接合するができる。

金属酸化膜層５、５’の膜厚は、単層膜または多層膜となる厚さが１ｎｍ以上２５０ｎｍ以下まで蒸着するのが好ましく、１ｎｍ未満では接合力が少なくなり、２５０ｎｍより大きいと反りが大きくなるため密着させるのが困難になる。

本発明の光学デバイス１０を構成するファラデー回転子１をビスマス置換鉄ガーネット製、偏光ガラス２，３や基板４をガラス製とすれば、金属酸化膜５との密着性がよくなるため、信頼性が向上し、光学特性に影響を及ぼすことなく有効に機能するものとなる。

次に本願の光デバイスの製造方法について説明する。

図２は本発明の光学デバイスの光学素子と基板が、金属酸化膜を介して接合するまでの製造方法の実施形態を示す断面斜視図である。

図２（ａ）に示すように、２枚の基板４、４’間に配列した複数の光学素子１５が互いに空隙寸法ｔ、ｔ’、ｓで配置され、光学素子１５と２枚の基板４、４’が金属酸化膜５を介して接合する構造を有している。

光学素子１５または基板４、４’の接合面６、６’との接合は、親水化処理、洗浄、乾燥する第一工程を施した後、該光学素子１５と該基板４、４’を直接または水を介して接合し、その後熱処理をする第二工程を施すことによって行なわれる。

前処理工程として鏡面研磨を行ない、光学素子１５または基板４、４’の接合面６、６’を好ましい算術平均表面粗さ（Ｒａ（ｎｍ））、反り（曲率半径（ｍ））の目標値とし、例えば対偏光ガラス２、３はＲａ＝４ｎｍ以下、反り＝７０ｎｍ以上、ファラデー回転子４、４’は、Ｒａ＝３ｎｍ以下、反り＝４０ｎｍ以上となるように通常の湿式鏡面研磨を行ない、次に通常の湿式洗浄、さらに短波長紫外線処理（ＵＶ処理）やプラズマ処理を併用するとより効果的である。

第一工程として、光学素子１５または基板４、４’の接合面６、６’に親水化処理を行う（ファラデー回転子１については接合面６、６’に金属酸化膜５、５’を形成した後に、洗浄、親水化処理を行なう）。

親水化処理には、半導体ＳＯＩウエーハプロセスで一般的に利用されているアンモニア過水（アンモニア水、過酸化水素水、純水の混合液）や硝酸、塩酸の希釈液もしくはこれら希釈液に過酸化水素水を添加した水溶液が有効である。

そして純水による洗浄を行い親水化処理液を除去し、スピンドライヤ等でむらなく乾燥することが望ましい。

このようにして得られた前処理済み光学素子１５または基板４、４’上の接合面６、６’の少なくとも一方に金属酸化膜５、５’を形成した後にそれぞれを密着させ、図２（ｂ）に示すように光学素子１５または基板４、４’上の接合面６、６’の少なくとも一方に金属酸化膜５、５’を形成した後に接合する。

この場合特に水を介して接合するのが好ましく、より容易に接合することができる。

接合はレーザ光を光学素子１５に対して垂直に透過させ、その消光比が最大になる角度で固定させるのがよい。

次に第二工程として、上記の手順で接合した光学素子１５と基板４、４’を数時間熱処理することで必要十分な接合力が得られ、８０℃以上３００℃以下程度の温度とすることが好ましい。

ここで８０℃未満だと接合強度が強まる効果を得ることができず、３００℃を超えると光学素子１５の反りが発生してくるため互いに密着が困難になる。

この時、熱処理工程における昇温速度が速や過ぎると、昇温中に接合面６で剥離が発生する恐れがあり、２０℃／ｈ以下の昇温速度に設定することが望ましい。

また、熱処理時の雰囲気は、大気中であっても問題はないが、減圧雰囲気もしくは水素を含む雰囲気であるとより望ましい。

以上の工程を経て光学素子１５と基板４、４’が金属酸化膜５、５’を介して接合を完結し、光学デバイス１０を完成することができる。

この光学デバイス１０は、図２（ｃ）に示すように、基板４、４’に配列した複数の光学素子１５が空隙寸法ｔ、ｔ’、ｓをもって配置されており、ブロック状に切断して多数個切り出すこともできる（図中点線は切断部を示す）。

本発明の光学デバイスの実施例とし図１の光学デバイス１０の試作を行った。

複数の光学素子１５を互いに空隙寸法ｔ、ｔ’、ｓをもって、基板４、４’に接合した。

光学素子１５は、偏光ガラス２，３が１５ｍｍ×２．０５ｍｍ×ｔ０．１９５ｍｍで屈折率が１．４７、ファラデー回転子１が１５ｍｍ×２．０５ｍｍ×ｔ０．４２０ｍｍで屈折率が２．３５、基板４、４’が１５ｍｍ×１５ｍｍ×ｔ０．５ｍｍで屈折率が１．５である。

各光学素子１５の空隙寸法ｔ、ｔ’が０．０１ｍｍであり、空隙寸法ｓが０．０３ｍｍである。

各光学素子１５の接合面６、６’を十分に研磨した後、各光学素子１５と基板４、４’の接合面６、６’の表面上に金属酸化膜５、５’をＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２にて屈折率１．５の多層積層膜（１５０ｎｍ）を形成した。

また、レーザ光が各光学素子１５の接合面６以外（不図示）の面を透過し、透過面は光軸に対して垂直であり、透過面側にＳｉＯ_２を１２０ｎｍだけ成膜している。

尚、ＳｉＯ_２の屈折率は１．４５で、反射防止膜は波長１．５５μｍで最適化した。

次に各光学素子１５を低圧水銀灯によるＵＶ（紫外線）処理後、純水による超音波洗浄を行なった。

次に第一工程として、親水化処理としてアンモニア水：過酸化水素水：純水＝１：１：４のアンモニア過水に浸漬し、純水による超音波洗浄にてアンモニア過水を洗い流し、ＩＰＡ蒸気乾燥により乾燥を行なった。

次に第二工程として、複数の偏光ガラス２、３の間に複数のファラデー回転子１を挟み、それぞれの接合面６、６’に水を介して、複数の偏光ガラス２、３と複数のファラデー回転子１を互いに空隙ｔ、ｔ’、ｓをもって基板４、４’に配置した。

この時複数の偏光ガラス２，３の偏波方向が互いに４５°になるように角度調整を行い、基板４、４’に静置し、１２０℃、１２時間、０．４気圧の水素雰囲気中で真空乾燥を行い、各光学素子１５と基板４、４’との接合面６、６’からの脱水を行ない、この時昇温速度は４℃／ｈとした。

上記手順で光学デバイス１０を構成し、複数の光学素子１５と基板４、４’をダイシングによって０．８５×１×ｔ１．５ｍｍのチップ状に切断し、更に小さな光学デバイス１０を完成させたこの光学デバイス１０の光透過方向の長さは０．８５ｍｍとすることができた。

一方、比較例として図３のように用いた光学素子２６は、これらの各光学素子２６の側面の一辺には金の蒸着層を設け、接合材２５として半田による固定が可能になるようにし、また、基板２４にはステンレス（ＳＵＳ３０４）製平板１．０５ｍｍ×３．２ｍｍ×ｔ０．５ｍｍを用い、表面に金メッキを行い半田付けが可能になるようにした。

上記基板２４上の各部材が固定する場所に金−錫系の高温半田箔（融点：２８０℃）を載せ、その上に偏光ガラス２２、検光子２３、ファラデー回転子２１を配置した。

このとき偏光ガラス２２、検光子２３、ファラデー回転子２１の空隙寸法はｔ２、ｔ３を０．０５ｍｍ間隔で配置して基板２４と高周波加熱で３５０℃に加熱し、接合材２５として半田接合して光学デバイス２０を完成させた。

この光学デバイス２０の光透過方向の長さは１．０５ｍｍであったが、これは半田が光学素子２６間の空隙に表面張力で充填されてしまうのを防ぐため設けられた最低限の寸法ｔ２、ｔ３の和に依存するものである。

本発明実施例と比較例の光学デバイス１０、２０のサンプルをそれぞれ１１個作製し、それらについて光学特性（順方向挿入損失、逆方向挿入損失）を測定した。

光学特性の測定条件は、光波長λ_ｃを１５５０ｎｍ、レーザの光出力強度を０ｄＢｍまたは１ｍＷで行なった。

測定系には、パワーメータとしてＨｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ社のＨＰ８１５３Ａ光マルチメータ、固定レーザ光源モジュールとしてＨＰ８１５５３ＳＭシリーズ、光パワー・センサ・モジュールとしてＨＰ８１５３１Ａシリーズを使用して測定を行った。

以上の測定条件で本発明の実施例、比較例の光学デバイスの光学特性評価結果を表１に示した。

これにより、本発明の実施例の１１個の順方向挿入損失の平均は、０．１０ｄＢであり、逆方向挿入損失の平均は４５ｄＢであった。

また、比較例の１１個の順方向挿入損失の平均は、０．１３ｄＢであり、逆方向挿入損失の平均は３９ｄＢであった。

比較例よりも十分に良好な光学特性を有し、それらの値も安定していることが確認できた。

以上の結果から明らかな様に、特に偏光ガラスとファラデー回転子の角度ずれが顕著に表れる逆方向挿入損失の値は、実施例の結果よりもかなり悪くなっており、また光学デバイス個々の値もばらつきが大きかった。

これは半田時点で偏光ガラスとファラデー回転子の角度調整がずれたためだと考えられる。

また、半田を用いた光学デバイスでは大きな熱応力が生じたためにアイソレーション特性が著しく劣化した。

また、本発明による光学デバイスでは、偏光ガラスとファラデー回転子の角度調整の精度が確保されているため、光学特性は良好でありかつ安定していることが判る。

また、偏光ガラス、ファラデー回転子を基板上に密着・接合しているため、特に光透過方向での小型化が可能になった。

以上により、光学素子と基板が金属酸化膜を介して接合して成る光学デバイスの長期安定性が実現した。

本発明の光学デバイスの一実施形態を示す断面斜視図である。 (ａ)〜（ｄ）は本発明の光学デバイスの作製方法を示す断面斜視図である。 従来の光学デバイスを示す断面斜視図である。 (ａ)、（ｂ）は従来の光学デバイスを示す断面図である。

符号の説明

１、２１ ファラデー回転子
２、３、２２ 偏光ガラス
４、４’ ガラス基板
５、５’ 金属酸化膜
６、６’ 接合面
１０、２０、３０ 光学デバイス
１５、２６ 光学素子
２３ 検光子
２４ 基板
２５ 接合材
ｔ、ｔ’、ｓ、ｔ２、ｔ３ 空隙寸法

Claims (7)

1. 基板上に配列した複数の光学素子を有する光学デバイスにおいて、前記光学素子と基板が金属酸化膜を介して接合して成ることを特徴とする光学デバイス。
2. 前記金属酸化膜がＡｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２から選択する１種以上であることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記金属酸化膜の厚みが１ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学デバイス。
4. 前記光学素子が偏光ガラスおよび/またはビスマス置換鉄ガーネット製ファラデー回転子であり、前記基板がガラス製であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学デバイス。
5. 請求項１〜４記載の光学デバイスにおける光学素子または基板の接合面の少なくとも一方に金属酸化膜を形成した後に接合することを特徴とする光学デバイスの製造方法。
6. 前記金属酸化膜を親水化処理、洗浄、乾燥する第一工程と、前記光学素子と基板を直接または水を介して接合して熱処理する第二工程からなることを特徴とする請求項５に記載の光学デバイスの製造方法。
7. 前記熱処理は８０℃以上３００℃以下の温度範囲で行なうことを特徴とする請求項６に記載の光学デバイスの製造方法。

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