JP4899948B2 - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は強誘電体基板に周期的な分極反転領域を形成し、その領域とオーバラップするような光導波路を有する光学素子の製造方法に関するものである。

近年、ＤＶＤなどの光記録媒体用のレーザ光発生手段としては、レーザダイオードなどの発光デバイスが用いられるが、さらなる高密度化の要求のために小型短波長のコヒーレント光源として、光第２高調波発生素子（以下、光第２高調波発生素子をＳＨＧ素子と略記する）を用いたレーザ光が注目されている。

このＳＨＧ素子は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの無機酸化物からなり、いずれも大きな非線形光学定数を有している。このＳＨＧ素子に入射させる光の入力波と出力波との波数を擬似的に整合させることにより、出てくる光の出力を増幅させる手法として、周期分極反転構造を利用する方法が提案されている。

この周期分極反転構造を作製する方法として、櫛型電極に高電圧を印加する方法などが知られている。

しかし、この方法で高電圧を櫛型電極などの微細パターンに印加する場合、電極先端より分極反転領域が成長するため、分極反転領域と光導波路を形成する位置を正確に合わせる必要がある。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００３−２７０６８９号公報

分極反転領域の位置を特定するために、櫛型電極の周囲をオーバーエッチングして櫛型電極の形を強誘電体基板に転写する、あるいは分極反転を行った後にウェットエッチングにより強誘電体基板に凹凸配列を形成するというようなことが行われてきた。しかしながらこのようにして分極反転領域を形成した強誘電体基板を支持基板に貼り合わせようとすると、強誘電体基板の凹凸により貼り合わせがうまくできない、凹凸面で光が乱反射し光導波路として光の透過性が悪くなるという課題があった。

本発明の光学素子の製造方法は、単一分極化された強誘電体基板の第１面に櫛型電極を含む第１の電極を形成するとともに第１面の裏面に第２の電極を形成する第１の工程と、第１の電極と第２の電極との間に電界を印加することにより強誘電体基板に分極反転領域を形成する第２の工程と、第２の工程の後で、第１面に所定のレジストパターンを形成し、このレジスト開口部をドライエッチングすることで第１面にギャップ層を形成する第３の工程と、レジストパターン及び第１の電極、第２の電極を除去する第４の工程と、第４の工程の後で、強誘電体基板の第１面を支持基板に貼り合わせる第５の工程と、第５の工程の後で、強誘電体基板の第１面とは反対側の面を研磨及びトレンチ加工することにより光導波路を形成する第６の工程とを備え、第３の工程において、少なくとも第１の電極の櫛型電極先端部を含むレジスト開口部をエッチングしたものであり、第３の工程でレジスト開口部における電極パターン及び強誘電体基板表面をドライエッチングすることによりギャップ層を形成し、電極パターンを除去したあとも、このギャップ層で分極反転領域の位置を決めることができるとともに、結晶破壊した領域が第１の基板内に残らないようにすることができ、光の透過性劣化を抑制することができる。

本発明によると、分極反転領域と光導波路との位置関係を正確に合わせることができ、また第３の工程でエッチングした面を凹凸がないように形成できるため、変換効率の良い光学素子を得ることができるとともに、結晶破壊した領域が第１の基板内に残らないようにすることができ、光の透過性劣化を抑制することができる。

（実施の形態１）
ここでは、本発明の光学素子の製造方法の一例を図１（Ａ）〜（Ｇ）を用いて説明する。

図１（Ａ）において用いた第１の基板１０１は強誘電体基板でありＭｇを５ｍｏｌ％ドープしたＬｉＮｂＯ₃基板である。この例では、矢印ｄで示す方向に単分域化されており、結晶の切り出し方向はＸオフカットである。オフカット基板はＸカット基板に対して数度ずれた方向に分極軸をずらした基板であるが、特に光導波路型の光波長変換素子において効率の高い波長変換を行うためには、光導波路の断面において導波光の電界分布と周期的分極反転領域が重複することが重要であった。ＬｉＮｂＯ₃の場合は非線形光学定数ｄ３３を用いる場合第二高調波の変換効率が有効的に利用できる、分極反転の深さを確保するためにはオフカット角度が大きいほど分極反転の深さを確保しやすい。一方、半導体レーザの電界分布と導波路の電界分布を一致させる必要があり、半導体レーザの電界分布はＴＥ（Transverse Electric）モードであるため、オフカット角はゼロに近いほうが望ましい。そこで、Ｘオフカット基板は通常３度から１０度程度の角度を用いるのが一般的である。

支持基板としての第２の基板１０２は、第１の基板と直接接合によって歪みのない耐環境性能に優れた光学部品を製作するために第１の基板と結晶軸がほぼ等しい材料を選択することが望ましく、ここではＸカットＬｉＮｂＯ₃基板を用いている。しかし、屈折率差を確保して第１の基板に導波光を閉じ込めるためにギャップ層１０８が必要になる。

図１（Ａ）に示すように、まず第１の基板１０１の主面１０１Ｓに最終的に得る分極反転構造のピッチ、幅に相当するパターンに形成された櫛型電極を有する第１の電極１０３をフォトリソグラフィーによってアルミニウムで形成する。次に第１の基板１０１の裏面１０１Ｒに第２の電極１０４を形成する。電極１０３と電極１０４の間に電源１０５を使用してパルス電界を印加する。このように周期的分極反転領域を形成する際に分極の方向と印加する電界の方向が一致しない場合、電極先端に結晶破壊する確率が高い。すなわち、第１の基板１０１には分極反転領域１０６が形成されると同時に櫛型電極１０３の先端には電界集中が発生し場合によっては結晶破壊１０７が発生する。

つぎに図１（Ｂ）において、第１の基板１０１の主面１０１Ｓに第１の電極１０３の櫛型電極先端部を含む領域に開口部を有するレジストパターン１１１を形成する。次に第１の基板１０１をドライエッチング装置に入れ、最初に塩素を含むガスにより開口部に露出している第１の電極をエッチングしたのち、フッ化炭素系のガスにより第１の基板１０１の主面１０１Ｓをエッチングする。このようにすることで凹形状のギャップ層１０８を形成する。凹形状のギャップ層１０８は分極反転に用いた櫛型電極の先端を含む領域において、深さ約０．５μｍになるようにする。

次にレジストパターン１１１を剥離した後、レジストパターン１１１の下に存在していた電極パターンをウェットエッチングにより除去し、図１（Ｃ）を得る。

次に図１（Ｄ）に示す第２の基板１０２の主面１０２Ｓと、図１（Ｃ）の第１の基板１０１の主面１０１Ｓを親水性処理し、図１（Ｅ）に示すように第１の基板１０１の主面１０１Ｓと第２の基板１０２の主面１０２Ｓの結晶軸を合わせる。その後、約５００℃で熱処理することで図１（Ｆ）に示す直接接合基板を形成することができる。

次に図１（Ｇ）に示すように接合基板に光導波路を形成するために、第１の基板１０１の裏面１０１Ｒから研磨を実施する。例として第１の基板１０１の厚みを約４．５μｍに鏡面研磨する。その後光導波路を形成する部分に第２のレジストパターンを形成し、ドライエッチングを用いて、第１の基板１０１に幅約１０μｍで約１．５μｍのトレンチ１１０を加工することによってリッジ光導波路１０９を幅約５μｍに仕上げる。このリッジ光導波路１０９を形成する部分に第２のレジストパターンを形成する際に、ギャップ層１０８を用いて位置合わせを行う。ＬｉＮｂＯ₃基板は透明であり、研磨面が鏡面となっているため、ギャップ層１０８裏側からでも形状を容易に認識することができ、分極反転領域１０６とリッジ光導波路１０９との位置関係を正確に合わせることができるため光学素子の変換効率を向上させることができる。

またギャップ層１０８は、リッジ光導波路１０９の底部を構成することになるが、ウェットエッチングを用いてエッチングした場合分極反転した部分でエッチングレートが異なり、凹凸が発生し光の伝播レートが劣化するが、本発明のようにドライエッチングを用い、イオン性エッチングを強くしてエッチングすることにより、ギャップ層１０８を凹凸なく形成することができ、光の透過性に優れた光導波路を得ることができる。

また、周期的分極反転領域を形成する際に第１の電極１０３の櫛型電極先端部に結晶破壊１０７が発生し、光導波路の近くに存在すると、その付近で光の散乱が発生し、光の透過性を劣化させる原因となる。本発明では、第１の電極１０３の櫛型電極先端部を含む領域に開口部を有するレジストパターンを形成し、ドライエッチングにより開口部の電極材料及び第１の基板表面を除去するため、結晶破壊した領域が第１の基板内に残らないようにすることができ、光の透過性劣化を抑制することができる。通常ＬｉＮｂＯ₃基板に分極反転領域を形成する電極をかけた場合、０．１μｍ程度の深さまで結晶破壊が発生することが多く、ギャップ層を形成しながら結晶破壊を除去するためには、０．２μｍ以上の深さでギャップ層を形成することが望ましい。

本発明の光学素子の製造方法は、分極反転領域と光導波路との位置関係を正確に合わせることができ、ＳＨＧ素子等の光導波路を有する光学素子の性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における光学素子の製造方法と構造を示す図

符号の説明

１０１ 第１の基板
１０１Ｓ 第１の基板の主面
１０１Ｒ 第１の基板の裏面
１０２ 第２の基板
１０２Ｓ 第２の基板の主面
１０２Ｒ 第２の基板の裏面
１０３ 第１の電極
１０４ 第２の電極
１０５ 電源
１０６ 分極反転領域
１０７ 結晶破壊部
１０８ ギャップ層
１０９ リッジ光導波路
１１０ トレンチ
１１１ レジストパターン

Claims (1)

1. 単一分極化された強誘電体基板の第１面に櫛型電極を含む第１の電極を形成するとともに前記第１面の裏面に第２の電極を形成する第１の工程と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に電界を印加することにより前記強誘電体基板に分極反転領域を形成する第２の工程と、
   前記第２の工程の後で、前記第１面に所定のレジストパターンを形成し、このレジスト開口部をドライエッチングすることで前記第１面にギャップ層を形成する第３の工程と、
   前記レジストパターン及び前記第１の電極、前記第２の電極を除去する第４の工程と、
   前記第４の工程の後で、前記強誘電体基板の第１面を支持基板に貼り合わせる第５の工程と、
   前記第５の工程の後で、前記強誘電体基板の前記第１面とは反対側の面を研磨及びトレンチ加工することにより光導波路を形成する第６の工程とを備え、
   前記第３の工程において、少なくとも前記第１の電極の櫛型電極先端部を含む前記レジスト開口部をエッチングする光学素子の製造方法。

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