JP5087043B2 - 電気光学素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は電気光学素子及びその製造方法に関し、詳細には電気光学材料を用いて電気光学素子を製造する方法に関する。

物質に電界を印加することによってその屈折率が変化する効果は電気光学効果と呼ばれる。光通信で用いられる強度変調器や、レーザ発振のパルス動作を得るためのＱスイッチ素子、また光の進行方向を制御する光ビームスキャナなどに用いられている。電気光学効果による屈折率変化Δｎは、１次のポッケルス効果の場合次式で与えられる。

Δｎ∝ｒｉｊ×Ｖ／ｄ ・・・（１）

ここで、ｒｉｊは電気光学定数（ポッケルス定数）、Ｖは印加電圧、ｄは電圧を印加する電極の間隔である。

このような電気光学素子の実用においては、低電圧でかつ幅広い周波数帯域で応答することが求められる。そのためには、上記式（１）において電極間隔ｄを小さくすることによって電界強度を高めればよい。電極間隔を小さくすることに伴って素子は光導波路構造を取ることが多い。

従来の導波路型電気光学素子の代表的なものとしては、光通信における強度変調器がある。強度変調器では、ニオブ酸リチウム結晶にチタンを局所的に拡散することによりその部分だけ屈折率を上昇させ、光導波路構造が製作される。このような不純物拡散による光導波路形成の方法は、チタン拡散の他に亜鉛拡散やプロトン拡散による方法が挙げられる。このような拡散導波路は非線形光学効果を利用する光波長変換素子にも利用されている。

その他の導波路の製作方法として、電気光学材料や非線形光学材料を別の材料に直接接合または接着剤によって接着し、研磨により薄膜化することで光導波路構造を製作する方法が用いられている。

この接合・研磨または接着・研磨による方法は、光波長変換素子の製作方法として従来用いられている。この方法は、電気光学素子の製作にも適用可能な方法である。この方法によれば、電気光学材料や非線形光学材料が有する本来の性能を保ったまま導波路構造を製作することができるので、電気光学素子の低電圧動作のための有効な製作方法であることが既に知られている。

従来の接着研磨による工程について以下に概説すると、台座となる基板と導波路のコアとなる基板を接着剤により接着する。次にコアとなる基板を研磨して、光を閉じ込めることができる厚さまで薄膜化する。導波路型の素子においてはコア層の厚さを均一にすることが重要である。これは、コア層の厚さが変わると導波路の実効屈折率が変化し、光波長変換素子においては変換効率の低下、電気光学素子においては波面の歪みといった光ビームの品質の低下という問題が生じるためである。コア層の厚さの均一度は、研磨工程における研磨量の面内均一度、接着層の厚さの面内均一度を反映したものとなる。接着層の厚さの面内均一度を向上するためには、接着層を薄くすることによって不均一度を相対的に小さくする方法がある。しかし、このように接着剤を薄くすることによって接着層の厚さの均一度を高める方法では、接着層厚さの現象に伴い、接着強度が減少するので素子の機械強度が低下するという問題があった。また、接着層厚さを均一にするためには、粘度が小さい接着剤を用いることが好ましいが、このような接着剤が素子の性能を保証する上で最適なものを選択する上で、選択の自由度が狭まるという問題もあった。そこで、これらの問題点を解決するために、特許文献１には、接着剤が接着・硬化して形成された接着層厚さの分布を均一にする目的のために、接着剤の粘度は小さい方が好ましく、具体的には１００ｃｐ以下の粘度であることが好ましいと提案されている。また、特許文献１には、接着層の厚さが１０μｍを超えて大きくなると、接着層自体の厚さ精度が低下し、変動幅が大きくなるため、後の強誘電体単結晶基板に対する薄板化工程が困難になり、最終的な薄板化された強誘電体単結晶基板の厚さの変動幅を所定の範囲内に収めることができなくなるとも開示されている。

しかしながら、このように接着層を薄くすることによって接着層の厚さの均一度を高める方法では、接着層の厚さの減少に伴って接着強度も減少することなり、素子の機械強度が低下するという問題があった。また、接着層厚さを均一にするためには、粘度が小さい接着剤を用いることが好ましいが、このような接着剤が素子の性能を保証する上で最適なものを選択する上で選択の自由度が狭くなるという問題もあった。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、接着層の厚さにかかわらず一定の厚さの均一度を得られ、電気光学素子の機械強度と光ビームの品質を両立させ、厚さにかかわらず素子の性能を保証する上で最適な接着剤の選択の自由度を確保可能な、電気光学素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明の電気光学素子は電気光学材料で形成されている第１、第２の基板を接着剤で接着して構成し、接着剤には第１の基板と第２の基板のギャップを規定するギャップ部材が混合されていることに特徴がある。よって、接着剤の層の厚さにかかわらず一定の厚さの均一度を得られるようにすることによって、素子の機械強度と光ビームの品質を両立させることができ、厚さにかかわらず素子の性能を保証する上で最適な接着剤の選択の自由度を確保できる。

また、研磨によって薄膜化される第１、第２の基板のいずれかの基板の片面にクラッド層を有することにより、例えば当該基板が導波路のコアとなる基板であるような光学素子においてギャップ材によって発生する散乱を抑制することができる。

更に、研磨によって薄膜化される第１、第２の基板のいずれかの基板の両面にクラッド層を有することにより、例えば当該基板が導波路のコアとなる基板であるような光学素子においてギャップ材によって発生する散乱をより一層抑制することができる。

また、研磨によって薄膜化される第１、第２の基板のいずれかの基板の両面にクラッド層及び電極層を有することが好ましい。

更に、研磨によって薄膜化される第１、第２の基板のいずれかの基板の一部が分極反転されており、当該基板の両面にクラッド層及び電極層を有することが好ましい。

また、別の発明として、電気光学材料で形成されている第１、第２の基板を接着剤で接着して構成する電気光学素子の製造方法において、第１の基板と第２の基板のギャップを規定するギャップ部材が混合されている接着剤を用いて第１の基板と第２の基板を接着することに特徴がある。よって、研磨によって製作するコア層の厚さが均一になり、これによって素子の機械強度と光ビームの品質を両立させることができる電気光学素子の製造方法を提供することができる。

本発明によれば、電気光学材料で形成されている第１、第２の基板のギャップを規定するギャップ部材が混合されている接着剤を用いて第１の基板と第２の基板を接着して構成することにより、研磨によって製作するコア層の厚さが均一となって素子の機械強度と光ビームの品質を両立させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る電気光学素子の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電気光学素子の構成を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る電気光学素子の別の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る電気光学素子の構成を示す断面図である。 第３の実施の形態に係る電気光学素子の別の構成を示す断面図である。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る電気光学素子の構成を示す断面図である。同図の（ａ）に示す本実施の形態の電気光学素子１０によれば、台座基板１１とコア層となる基板１２は、接着剤１３によって接着される。このとき、接着剤１３の層にサイズの均一度が高い部材であるギャップ材１４を混合する。なお、このギャップ材１４としては、シリカや樹脂からなるビーズが挙げられる。また、混合の方法としては、予め接着剤１３に混合する方法がある。あるいは、ギャップ材１４を予め台座基板１１上に散布しておき、そこに接着剤１３を塗布するという方法も可能である。更には、ギャップ材１４の形状は球形である必要はなく、台座基板１１とコア層となる基板１２の間隔を一定に保てるものであればどのような形状でも可能である。例としては、円柱、角柱などが挙げられる。また、フォトレジストをスピンコーティングした上で、フォトリソグラフィーにより柱状に形成したフォトレジストであってもよい。更に、ギャップ材１４は台座基板１１の接着の際に台座基板間の間隔、すなわち接着剤の層の厚さを一定にするものであるので、接着の際に台座基板の全体に均等に分散されていればよい。したがって、台座基板をダイシングなどで分割した後に得られる個別の素子にギャップ材が含まれることは、必ずしも必要ではない。実際の製作では、コア層となる基板１２と台座基板１１の両方に直径３インチ、厚さ３００マイクロメートルのニオブ酸リチウムを用い、ギャップ材１４として直径１０マイクロメートルのシリカからなる真絲球（日揮触媒化成製）、接着剤１３にはＵＶ硬化樹脂接着剤を用いた。接着後に厚さを測定したところ３インチの面内での厚さの均一度は５００ナノメートル以下という高い均一度が得られた。その後、コア層となる基板１２を研磨により薄膜化することによって、図１の（ｂ）に示すように導波路を形成した。このとき接着剤１３の層が１０マイクロメートルという厚さを有し接着強度が十分であったので、研磨中にコア層となる基板１２が剥離するというような問題は生じなかった。研磨後にコア層１５の厚さを測定したところ３インチの面内で１０±０．５マイクロメートルと高い厚さの均一度を得た。このように本発明の構造を採用することによって、接着剤の層を厚くすることで機械的な強度を保ちつつ、コア層の厚さを均一にできるので、素子の機械強度と光ビームの品質を両立させることができる。

図２は本発明の第２の実施の形態に係る電気光学素子の構成を示す断面図である。図２において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。図１の第１の実施の形態は接着剤の層が導波路のクラッド層として機能する例であるが、ギャップ材１４によって導波光が散乱することがある。そこで、図２に示す第２の実施の形態では、この散乱を防止するために、コア層となる基板１２と接着剤１３の層の間にクラッド層１６を形成する。なお、クラッド層１６の形成方法としては、コア層となる基板１２に予めスパッタや蒸着などの方法が挙げられる。更には、図３に示すように、研磨によってコア層１５を製作した後に、コア層１５の上部にクラッド層１７を形成してもよい。

図４は本発明の第３の実施の形態に係る電気光学素子の構成を示す断面図である。同図において、図３と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施の形態では、図４の（ａ）に示すように、接着に先立ってコア層となる基板１２にクラッド層１６及び電極層１８を形成した上で、台座基板１１との接着を行う。その後、図４の（ｂ）に示すように、研磨によりコア層１５を形成し、コア層１５の上部にクラッド層１７及び電極層１９を形成する。なお、クラッド層及び電極層の形成方法としては、コア層となる基板に予めスパッタや蒸着などの方法が挙げられる。また、上部及び下部の電極層による電極は一様電極であっても、任意のパターンがあってもよい。更に、上部と下部の電極層による電極の形状が異なっていてもよい。パターンの例としては、図４の（ｃ）に示すようなプリズム形状や図４の（ｄ）に示すようなレンズ形状の電極が挙げられる。更には、図５に示すように、コア層となる基板１２にクラッド層１６及び電極層１８を形成する前に、コア層となる基板１２の分極制御を行う。なお、分極制御は、直接電界印加法による分極反転により行う。また、この電気光学素子においては、上部の電極、下部の電極ともに一様電極であっても、任意のパターンがあってもよい。これらの電極間に電圧を印加すると、図５の（ｃ）に示すようなプリズム形状の分極反転を施した電気光学素子においては導波層を伝搬する光ビームが偏向される。また、図５の（ｄ）に示すようなレンズ形状の分極反転を施した電気光学素子においては、導波層を伝搬する光ビームが集光される。

なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換、応用が可能である。

１０；電気光学素子、１１；台座基板、１２；コア層となる基板、
１３；接着剤、１４；ギャップ材、１５；コア層、
１６，１７；クラッド層、１８，１９；電極層。

特開２００３−１０７５４５号公報

Claims (6)

1. 電気光学材料で形成されている第１、第２の基板を接着剤で接着して構成する電気光学素子において、
   前記接着剤には前記第１の基板と前記第２の基板のギャップを規定するギャップ部材が混合されていることを特徴とする電気光学素子。
2. 研磨によって薄膜化される前記第１、第２の基板のいずれかの基板の片面にクラッド層を有することを特徴とする請求項１記載の電気光学素子。
3. 研磨によって薄膜化される前記第１、第２の基板のいずれかの基板の両面にクラッド層を有することを特徴とする請求項１記載の電気光学素子。
4. 研磨によって薄膜化される前記第１、第２の基板のいずれかの基板の両面にクラッド層及び電極層を有することを特徴とする請求項１記載の電気光学素子。
5. 研磨によって薄膜化される前記第１、第２の基板のいずれかの基板の一部が分極反転されており、当該基板の両面にクラッド層及び電極層を有することを特徴とする請求項１記載の電気光学素子。
6. 電気光学材料で形成されている第１、第２の基板を接着剤で接着して構成する電気光学素子の製造方法において、
   前記第１の基板と前記第２の基板のギャップを規定するギャップ部材が混合されている前記接着剤を用いて前記第１の基板と前記第２の基板を接着することを特徴とする電気光学素子の製造方法。

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