JP4354100B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば擬似位相整合方式の第二高調波発生デバイスに適した光導波路素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光情報処理技術において、高密度光記録を実現するためには、波長４００−４３０ｎｍ程度の青色光を，３０ｍＷ以上の出力で安定的に発振する青色光レーザーが要望されており、開発競争が行われている。青色光光源としては、赤色光を基本波として発振するレーザーと、疑似位相整合方式の第二高調波発生素子とを組み合わせた光導波路型の波長変換素子が期待されている。
【０００３】
例えば、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２４ｔｈ Ａｐｒｉｌ，１９９７年．Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．９」の８０６−８０７頁の記載によれば、ＭｇＯをドープしたニオブ酸リチウム基板に周期分極反転構造を形成し、この構造に対して直交する方向へと向かってプロトン交換光導波路を形成することによって、光導波路型の第二高調波発生装置を実現している。
【０００４】
また、信学技報「ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＲＥＰＯＲＴ ＯＦ ＩＥＩＣＥ ＵＳ９５−２４：ＥＭＤ９５−２０：ＣＰＭ９５−３２（１９９５−０７）第３１−３８頁の記載によれば、ニオブ酸リチウム基板をタンタル酸リチウム基板に直接接合し、次いでニオブ酸リチウム基板を薄片化し、光導波路構造を試作している。この方法では、ニオブ酸リチウム基板の表面とタンタル酸リチウム基板の表面とを平坦化および清浄化し、各表面を親水化処理し、水酸基を各表面に吸着させ、この状態で熱処理することによって、接合界面から次第に水酸基や水素を離脱させ、基板同士の接合力を強化していく。そして、光導波路内に光を閉じ込めることには成功している。更に、光損傷に強い光導波路デバイスやＳＨＧ効果の大きい基板を用いたデバイス、光集積回路について適用可能性があるのではないかと示唆している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記信学技法に記載の光導波路デバイスでは、基板と光導波路との間での熱膨張差によって、ｄ定数（電気光学定数）が劣化し易い。このため、光導波路内に周期分極反転構造を形成し、第二高調波発生素子を製造しようとすると、第二高調波への変換効率が低くなる。特に、基板と光導波路と直接接合する段階では、両者を接触させた状態で１００−１０００℃、特には３００℃以上での熱処理が必要である。しかし、熱処理によって基板と光導波路とを接合した後の温度降下段階において両者の間の熱収縮差から光導波路に歪みが発生し、ｄ定数が劣化したり、極端な場合にはモードが変化するという問題点があるので、実用的な光デバイスとして使用する目処が立たない。
【０００６】
本発明の課題は、基板とバルク状の光導波路とを直接接合して得られる光導波路素子において、バルク状の光導波路の低い光損傷を享受しつつ、ｄ定数の劣化を防止できるようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、タンタル酸リチウム単結晶またはニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶（ニオブとタンタルとの原子数の合計に対するニオブの原子数の百分率比が１０％以下である）からなる基板と、この基板の接合面に直接接合されているバルク状のニオブ酸リチウム単結晶からなる光導波路とを備えている光導波路素子であって、
前記基板のｃ軸から角度θ傾斜した方位と、前記光導波路のｃ軸とを合わせて形成してあり、
更に、前記光導波路のｃ軸が前記接合面と平行であって、前記基板の前記角度θが前記接合面に対して１７−３７°傾斜していると共に、
前記基板及び前記光導波路のそれぞれが有している２つのａ軸のうちで、その１つが前記光導波路の長手方向に沿って互いに平行とされている、ことを特徴とする。
【０００８】
このように、いわゆるオフセットされた基板と、ニオブ酸リチウム単結晶からなる光導波路と、基板と光導波路との直接接合との三要素を組み合わせることによって、バルク状の光導波路の良好な結晶性、即ち低い光伝搬損失を得ることができ、同時に、基板と光導波路との熱膨張を接合面の全体にわたって二次元的に整合させることができる。これによって、光損傷が低い上に、ｄ定数の劣化がない光導波路素子を提供できるようになった。
【０００９】
特に、こうした光導波路素子を利用して高調波発生素子を作製することによって、光導波路の低い光損傷と、安定したｄ定数とを利用して、実用的な高い高調波発生効率を有する素子を提供できるので、本発明の産業上の利用性は大きい。
【００１０】
本発明の素子を高調波発生装置、特に第二高調波発生装置として使用した場合には、高調波の波長は３３０−５５０ｎｍが好ましく、４００−４３０ｎｍが特に好ましい。
【００１１】
図面を参照しつつ、本発明を更に説明する。図１（ａ）は、ニオブ酸リチウム単結晶からなる素材１を示す断面図である。この素材１は、ニオブ酸リチウム単結晶のＸ板３と、このＸ板３の主面上に形成されている周期分極反転構造２とからなる。周期分極反転構造２は、この時点では光導波路としては機能しない。Ｘ板とは、基板を構成するニオブ酸リチウム単結晶のａ軸（Ｘ軸）が、その基板の主面に対して略垂直な板のことである。ニオブ酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、タンタル酸リチウム単結晶は、２つの直交するａ軸と、各ａ軸に直交するｃ軸とを有している。周期分極反転構造の作製方法は限定されないが、例えば電圧印加法による。
【００１２】
ニオブ酸リチウム単結晶中には、他の金属元素をドープすることができる。光導波路の耐光損傷性を更に向上させるためには、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。
【００１３】
こうした他の金属元素の添加量は、ニオブ酸リチウム単結晶の性質を保持する上から１０ｍｏｌ％以下が好ましく、５ｍｏｌ％以下が更に好ましい。また、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるという観点からは、１ｍｏｌ％以上とすることが好ましい。
【００１４】
図１（ｂ）は、基板４を示す断面図である。基板４はニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなる。この単結晶のｃ軸は、基板４の主面（接合面）４ａに対して角度θ傾斜している。
【００１５】
次いで、素材１と基板４とを、図２（ａ）に示すように積層し、直接接合する。本発明で言う直接接合とは、基板４と光導波路（この段階では素材１）との間に、他の接着層や接合層を介することなく、基板４と光導波路とを直接に接触させた状態で両者を接合することを言う。そして、この結果、基板４と光導波路との界面において発生した接合力によって、基板４と光導波路とを接合する。
【００１６】
こうした直接接合技術それ自体については、前述した信学技法の文献に記載されているが、好適な条件は以下のとおりである。
【００１７】
即ち、基板４の接合面および光導波路２の接合面を精密研磨加工することによって、両接合面を平坦化する。この際の各接合面のＲａは５オングストローム以下とすることが好ましく、各接合面のうねりＷａは１μｍ以下とすることが好ましい。次いで、各接合面を清浄化し、次いで親水化処理する。親水化処理の際には、水蒸気を使用することが好ましい。次いで両接合面を重ね合わせ、好ましくは０．５−１０ｋｇｆ／ｃｍ² の荷重を加えた状態で４００−６００℃に加熱する。
【００１８】
素材１と基板４との接合を確認した後、基板３側から加工を進めることにより、図３（ａ）−図４（ｂ）に示すような素子６を成形する。ただし、図３（ａ）は、素子６を概略的に示す斜視図であり、図３（ｂ）は素子６の正面図であり、図４（ａ）は素子６の側面図であり、図４（ｂ）は素子６の平面図である。
【００１９】
素子６においては、素材１の基板３の全体が除去されており、かつ周期分極反転構造２の一部と基板４の一部とが除去されている。このような加工は、例えば機械加工（例えばダイシング加工）、レーザー加工によって可能である。
【００２０】
素子６は、基板７と、基板７上に成形された光導波路とを備えている。基板７は主面７ａを備えており、その中央付近に細長いリッジ部分７ｂを備えている。７ｃは、リッジ部分７ｂの両側の側面であり、７ｄはリッジ部分７ｂの上面（接合面）である。なお、図３、図４では、７ａと７ｃとは略垂直に描かれているが、７ａと７ｃとの角度が略垂直からずれていても差し支えない。
【００２１】
リッジ部分７ｂの接合面７ｄに対して接触するように、細長い三次元光導波路８が形成されている。光導波路８を構成するニオブ酸リチウム単結晶の二つのａ軸のうちの一つは基板の主面７ａに対して略垂直であり、二つめのａ軸は光導波路８の長手方向に伸びている。基板７を構成する単結晶の２つのａ軸のうちの一つは、図４（ｂ）に示すように光導波路８の長手方向に伸びている。基板７を構成する単結晶のｃ軸は、基板７の接合面７ｄおよび主面７ａに対してθの角度をもって傾斜しており、この単結晶の２つめのａ軸は、接合面７ｄと垂直な軸に対してθの角度をもって傾斜している。
【００２２】
この状態では、基板７と光導波路８との接合面において、基板７を構成する単結晶の熱膨張と、光導波路８を構成する単結晶の熱膨張とが、広い温度範囲にわたって二次元的にほぼ整合する。
【００２３】
即ち、図５、図６のグラフは、室温における長さを１としたときの各単結晶の各軸方向の熱膨張量（規格化膨張量）の温度変化を示す。タンタル酸リチウムのｃ軸は負の傾きを有しており、タンタル酸リチウムのａ軸は大きな正の傾きを有している。また、酸化マグネシウム５ｍｏｌ％ドープしたニオブ酸リチウム単結晶のｃ軸の傾きは正であるが、その傾きは小さい。従って、タンタル酸リチウムのａ軸またはｃ軸とニオブ酸リチウムのｃ軸とが同じ接合面内に存在していると、基板と光導波路との接合界面に沿って顕著な熱膨張差が発生する。
【００２４】
これに対して、本発明では、タンタル酸リチウムのｃ軸から角度θ傾斜した方位ｆ（図３（ｂ）参照）を、ニオブ酸リチウムのｃ軸と合わせている。図５から分かるように、この傾斜角度θが２７°近辺のときに両者の熱膨張差はほぼ消失する。また、ニオブ酸リチウムのａ軸とタンタル酸リチウムのａ軸とは、図６に示すように共に正の値をとり、両者の熱膨張差は小さい。この結果、基板と光導波路との接合界面において、基板を構成する単結晶と光導波路を構成する単結晶との間で二次元的に熱膨張の整合が実現される。
【００２５】
本発明の効果を奏する上で、θは１７−３７°であることが好ましく、２０−３０°であることが更に好ましく、２６−２８°であることが一層好ましい。
【００２６】
また、基板を構成する材質は、タンタル酸リチウム単結晶であることが最も好ましいが、この中に１０ｍｏｌ％以下（好ましくは５ｍｏｌ％以下）のニオブ酸リチウムが固溶している場合にも本発明の効果を奏することは可能である。
【００２７】
なお、光導波路を構成する単結晶中には、他の金属元素をドープすることができ、特にマグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができる。
【００２９】
光導波路は二次元光導波路であっても良いが、三次元光導波路であることが、周期分極反転構造との光のオーバーラップが効率的にとれる点で好ましい。三次元光導波路の場合には、コアの断面形状、即ち寸法を高精度で制御する必要がある。このコアの断面形状は、コアの屈折率やクラッドの屈折率に大きく依存し、クラッドの屈折率が変化すれば、同等の光導波路の光モードを得るためにクラッドの寸法を変更する必要がある。
【００３０】
タンタル酸リチウムを基板として光導波路と直接接合する場合には、タンタル酸リチウムの接合角度に影響を受けずに、同一のコア形状を利用することができる。即ち、タンタル酸リチウムの複屈折性はニオブ酸リチウムの複屈折性に比較してはるかに小さいために、タンタル酸リチウムの結晶方位を回転させても、屈折率の変化がほとんどないためである。
【００３１】
本発明の光導波路素子は、導波路構造を有する通信用の超高速光変調器や光スイッチ等にも適用できる。図７（ａ）は、超高速光変調器を模式的に示す平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の断面図である。
【００３２】
基板１０の接合面１０ａ上には、例えば三列の変調用電極１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが形成されている。また、基板１０の一方の端面から他方の端面へと向かって、いわゆるマッハツェンダー型の光導波路１２が形成されている。光導波路１２は、入り口部分１２ｃ、一対の分岐部分１２ａ、１２ｂ、出口部分１２ｄを備えている。光導波路１２の全体は、前述の光導波路８と同様にして形成されたものであり、光導波路８と同様の結晶方位を有している。基板１０は、前述の基板７と同様の結晶方位を有している。光導波路１２と基板１０とは直接接合されている。
【００３３】
【実施例】
図１、図２を参照しつつ説明した方法に従って、図３、図４に示す素子６を作製した。具体的には、ＭｇＯを５ｍｏｌ％ドープしたニオブ酸リチウム単結晶からなる、縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ１ｍｍの３度オフカット基板３（８７°Ｚカット）を準備した。この基板３に、電圧印加法によって、周期３．２μｍ、分極反転深さ２μｍの周期分極反転構造２を形成した。反転パターンは、基板の分極方向に沿って延びる。そして、基板３は３度オフカットされているので、反転パターンは、基板の主面から基板の内部へと向かって、主面に対して３度傾斜する方向へと延びる。
【００３４】
また、タンタル酸リチウム単結晶からなる、縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ１ｍｍの基板４を準備した。θは２７°である。
【００３５】
次いで、素材１の接合面と、基板４の接合面とをそれぞれ有機溶剤によって洗浄し、酸処理し、更に酸素プラズマによって処理することで清浄化処理した。
【００３６】
次いで、図２の状態で２ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力を加え、水蒸気を含ませた酸素雰囲気の炉内で５００℃で１時間加熱し、室温に冷却した。次いで接合体を治具５から取り外し、接合体をダイシング加工して図３の素子を成形した。
【００３７】
この際、リッジ部分７ｃの高さｍを１μｍとし、光導波路８の高さｎを２μｍとし、リッジ部分の幅ｐを３μｍとした。ダイシングブレードとしては、レジンボンドのダイヤモンド砥石「ＳＤ６０００」（外径φ約５２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ）を使用した。ブレードの回転数は３０，０００ｒｐｍとし、ブレードの送り速度を１．０ｍｍ／秒とした。リッジ構造を形成した後、基板の両端を切断し、長さ１０ｍｍの素子６を成形した。光導波路８の両端面を化学機械研磨した。得られた素子の光学顕微鏡写真を図８に示す（倍率１５００倍）。
【００３８】
この素子を使用し、チタン−サファイアレーザーを使用し、第二高調波を発生させた。位相整合波長が８５０ｎｍであり、第二高調波の波長は４２５ｎｍであった。基本波の入射が１００ｍＷのときに、３０ｍＷの第二高調波出力が得られ、第二高調波において、光損傷等による特性劣化は観測されなかった。直接接合による光導波路と基板の熱膨張差に起因する応力もなく、また第二高調波出力より、応力に起因する光導波路のｄ定数の顕著な劣化は起きていないものと判断した。
【００３９】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明によれば、基板とバルク状の光導波路とを直接接合して得られる光導波路素子において、バルク状の光導波路の良好な結晶性に伴う低い光損傷を享受しつつ、ｄ定数の劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、ニオブ酸リチウム単結晶からなる素材１を示す断面図であり、（ｂ）は、タンタル酸リチウム単結晶またはニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなる基板４を示す断面図である。
【図２】素材１と基板４とを積層および加圧し、直接接合している状態を示す模式図である。
【図３】（ａ）は、素子６を概略的に示す斜視図であり、（ｂ）は素子６の正面図である。
【図４】（ａ）は、素子６の側面図であり、（ｂ）は、素子６の平面図である。
【図５】各単結晶の結晶方位と規格化熱膨張との関係を示すグラフである。
【図６】タンタル酸リチウム単結晶のａ軸および酸化マグネシウムドープニオブ酸リチウム単結晶のａ軸と、各規格化熱膨張との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、超高速光変調器の構成を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の変調器の正面図である。
【図８】本発明の実施例で作製したリッジ型光導波路の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１ 素材 ２ 周期分極反転構造 ３ ニオブ酸リチウム単結晶からなる基板 ４、７、１０ タンタル酸リチウム単結晶またはニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなる基板
４ａ 基板４の接合面 ５ 治具 ７ａ 基板７の主面 ７ｂ 基板７のリッジ部分 ７ｄ リッジ部分７ｂの接合面 ８ 周期分極反転構造を有する光導波路 １０ａ 基板１０の接合面 １１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ 電極 １２ マッハツェンダー型の光導波路

Claims (4)

1. タンタル酸リチウム単結晶またはニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶（ニオブとタンタルとの原子数の合計に対するニオブの原子数の百分率比が１０％以下である）からなる基板と、この基板の接合面に直接接合されているバルク状のニオブ酸リチウム単結晶からなる光導波路とを備えている光導波路素子であって、
   前記基板のｃ軸から角度θ傾斜した方位と、前記光導波路のｃ軸とを合わせて形成してあり、
   更に、前記光導波路のｃ軸が前記接合面と平行であって、前記基板の前記角度θが前記接合面に対して１７−３７°傾斜していると共に、
   前記基板及び前記光導波路のそれぞれが有している２つのａ軸のうちで、その１つが前記光導波路の長手方向に沿って互いに平行とされている、ことを特徴とする、光導波路素子。
2. 前記光導波路が三次元光導波路であることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記ニオブ酸リチウム単結晶内に、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化スカンジウムおよび酸化インジウムからなる群より選ばれる１種以上の金属酸化物がドープされていることを特徴とする、請求項1又は２に記載の光導波路素子。
4. 少なくとも前記光導波路内に周期分極反転構造が形成されており、前記光導波路素子が高調波発生用素子として機能することを特徴とする、請求項１−３のいずれか一つの請求項に記載の光導波路素子。

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