JP7286225B2 - 光導波路デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高調波発生素子などの光導波路デバイスの製造方法に関するものである。

強誘電体非線型光学材料に周期状の分極反転構造を形成する手法としては、いわゆる電圧印加法が知られている。この方法では、強誘電性結晶基板の一方の主面に櫛形電極を形成し、他方の主面に一様電極を形成し、両者の間にパルス電圧を印加する。
また、強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を形成した後、強誘電性結晶基板の表面にレーザーアブレーションや研削加工によって少なくとも一対のリッジ溝を形成し、リッジ溝の間にリッジ型光導波路を設けることが知られている（特許文献１）。こうした高調波発生素子を製造するには、光導波路基板内に周期分極反転構造を形成し、次いで光導波路基板の主面に光導波路および実装用電極を設ける。

特許5695590

ところが、本発明者が実際に従来法によって高調波発生素子を作製してみると、以下の問題が生ずることがわかった。
すなわち、光導波路基板内に周期分極反転構造を形成した後、光導波路基板の主面に光導波路を形成し，次いで光導波路の両側に実装用電極を設けてみた。

ところが、実装用電極を設けた後に光導波路の光伝搬性能に変化が見られることがあった。このため、例えば二次高調波発生素子の場合には、実装用電極を設ける前の位相整合波長と実装用電極を設けた後の位相整合波長との間で０．５ｎｍの変化が観察された。

本発明の課題は、光導波路基板、光導波路基板の主面に設けられた光導波路および実装用電極を備える光導波路デバイスを製造するのに際して、容易な工程で実装用電極の形成前後における光導波路の光伝搬特性の変化を抑制することである。

本発明は、光導波路基板、
この光導波路基板の主面に設けられた光導波路、および
前記光導波路基板の前記主面上に設けられた実装用電極
を備える光導波路デバイスを製造する方法であって、
前記光導波路基板の前記主面上にバッファ層を形成する工程、
次いで前記光導波路基板のうち電極形成領域において前記バッファ層を除去して前記主面を露出させ、かつ前記光導波路上の前記バッファ層を残留させる工程、
次いで前記光導波路基板の電極形成領域の主面上および前記光導波路上の前記バッファ層上に金属層を設ける工程
次いで少なくとも電極形成領域において前記金属層上にレジストを形成する工程、
次いで前記光導波路上の前記バッファ層および前記金属層を除去することで前記実装用電極を形成する工程、および
次いで前記電極形成領域において前記レジストを除去することによって、前記実装用電極を露出させる工程
を有することを特徴とする。

本発明者は、光導波路基板、光導波路基板の主面に設けられた光導波路および実装用電極を備える光導波路デバイスを製造するのに際して、実装用電極の形成前後における光導波路の光伝搬特性が変化する原因を検討した。この場合、従来法では、光導波路基板に光導波路を形成した後、光導波路基板の主面上に金属層を形成し、次いで金属層のうち光導波路を被覆する部分を除去し、電極形成領域上の金属層を残留させることで、電極形成領域に実装用電極を設けていた。しかし、光導波路上に金属層を形成した時点で、微量の金属材料が光導波路内に内拡散し、金属酸化物に変化し、光導波路の特性、光導波路の屈折率を僅かに変化させることが判明した。

本発明者は、こうした発見にもとづき、実装用電極の形成プロセスを変更してみた。すなわち、光導波路基板の主面上にまずバッファ層を設け、バッファ層によって光導波路を被覆するとともに、電極形成領域では主面を露出させた。次いで、電極形成領域上およびバッファ層上に金属層を形成し、電極形成領域上の金属層をレジストで保護した。次いで、光導波路上の金属層およびバッファ層を除去し、実装用電極を形成した後、実装用電極上のレジストを除去することで、光導波路および実装用電極を露出させた。

この結果、光導波路基板がバッファ層によって被覆されているので、光導波路が金属層と直接接触することがない。これによって、金属層を構成する金属が光導波路に内拡散して光導波路の特性を変化させることがなく、ゆえに実装用電極の形成前後において光導波路の光伝搬特性が変化することを抑制できる。

光導波路デバイス１を模式的に示す斜視図である。 光導波路デバイス１と実装基板７との結合体を示す。 （ａ）は、光導波路基板３にリッジ型光導波路１０を形成した状態を示し、（ｂ）は、光導波路基板３の主面にバッファ層１１を形成した状態を示し、（ｃ）は、電極形成領域Ｅにおいてバッファ層１１を除去した状態を示す。 （ａ）は、電極形成領域上およびバッファ層上に金属層１２を設けた状態を示し、（ｂ）は、電極形成領域において金属層１２上にレジスト１３を設けた状態を示す。 （ａ）は、光導波路１０上の金属層１２およびバッファ層１１を除去した状態を示し、（ｂ）は、電極形成領域において実装用電極６Ａ、６Ｂを露出させた状態を示す。 比較例において、金属層から光導波路基板の主面近傍への拡散を示すグラフである。

以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図１は光導波路デバイス１を模式的に示す斜視図である。
光導波路基板３の主面３ａ側にはリッジ型光導波路１０が形成されている。光導波路１０は、一対の溝５Ａ、５Ｂと、これら溝によって形成されたリッジ部４からなる。また、光導波路１０の両側にはそれぞれ実装用電極６Ａ、６Ｂが設けられている。光導波路基板３の他方の主面は別体の支持基板２に対して接合され、一体化されている。なお、Ｅは電極形成領域であり、Ｗは光導波路形成領域である。

図２は、光導波路デバイス１と実装基板７との接合体を模式的に示す図である。
実装基板７の表面には実装用の金属パターン８が設けられている。金属パターン８は、光導波路デバイス１の実装用電極６Ａ、６Ｂに対して、接合体９を通して接合される。本例では、光導波路の直下において実装基板７に空隙７ａが形成されている。これによって、光導波路のリッジ部からの漏れ光が実装基板７に染み出すことが少なくなるので、実装後の素子で安定した特性が得られる。本例では、実装基板７の空隙７ａを形成したものを示したが、接合体９を厚み１ｕｍ以上として実装できる場合は、空隙７ａが無い状態でも、漏れ光の実装基板への染み出しが少なく、安定した特性が得られる。

以下、本発明の製法について順次述べる。
図３（ａ）に示すように，光導波路基板３の主面３ａ側には光導波路１０が形成されており、光導波路基板３の他方の主面３ｂは支持基板２に接合されている。なお、支持基板２は必須ではない。本例では、光導波路１０がリッジ型光導波路であり、一対の溝５Ａ、５Ｂとリッジ部４を有する。

次いで、図３（ｂ）に示すように、光導波路基板３の主面３ａ上にバッファ層１１を形成する。これによって、光導波路形成領域Ｗおよび電極形成領域Ｅの全体をバッファ層１１によって被覆する。

次いで、図３（ｃ）に示すように、光導波路基板３のうち電極形成領域Ｅにおいてバッファ層１１を除去して光導波路基板３の主面３ａを露出させる。これとともに、光導波路１０上のバッファ層１１を残留させる。なお、本例では、電極形成領域Ｅと光導波路形成領域Ｗとの間隙Ｓにおいてもバッファ層１１を残留させた。

次いで、図４（ａ）に示すように、光導波路基板３の電極形成領域Ｅの主面上および光導波路１０上のバッファ層１１上に金属層１２を設ける。
次いで、少なくとも電極形成領域Ｅにおいて金属層１２上にレジスト１３を形成する（図４（ｂ））。この際、光導波路１０上の金属層１２上にはレジスト１３を設けないようにし、金属層１２を露出させる。

次いで、図５（ａ）に示すように、光導波路１０上の金属層１２およびバッファ層１１を除去し、光導波路１０を露出させる。なお、間隙Ｓにおいても金属層１２およびバッファ層１１を除去し、光導波路基板主面を露出させる。一方、電極形成領域Ｅにおいては、金属層が光導波路形成領域においてエッチングされることで、結果的に実装用電極６Ａ、６Ｂが形成される。
次いで、図５（ｂ）に示すように、電極形成領域Ｅにおいてレジスト１３を除去することによって、実装用電極６Ａ、６Ｂを露出させることで、光導波路デバイス１を得る。

好適な実施形態においては、光導波路基板３と支持基板２とを接合する。ここで、光導波路基板３と支持基板２との接合方法は特に限定されないが、接合層を介して接合してもよく、直接接合しても良い。

また、光導波路基板３内には周期分極反転構造を形成してよい。光導波路基板３に周期分極反転構造を形成する方法は限定されないが、いわゆる電圧印加法が好ましい。
また、光導波路基板の材質は、強誘電性結晶であることが好ましく、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４を例示できる。強誘電性結晶は単結晶であることが特に好ましい。

光導波路基板３を構成する強誘電性結晶基板としては、Ｘカット基板、オフカットＸカット基板、Ｙカット基板、オフカットＹカット基板が好ましい。これらのオフカット角度は、１０°以下が好ましく、５°以下が更に好ましい。

支持基板の具体的材質は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。

光導波路基板３の厚さを薄くする薄板化工程を設けることが好ましく、こうした工程においては、研削加工、研磨加工、化学機械的研磨加工（ＣＭＰ）などを利用できる。

光導波路基板３にリッジ溝およびリッジ部を形成するための加工方法は限定されず、機械加工、イオンミリング、ドライエッチング、レーザーアブレーションなどの方法を用いることができる。

本発明の光導波路デバイスは、高調波発生素子に対して好適に適用できる。高調波発生素子は、第二高調波、第三高調波などを発生する素子であってよい。また、高調波発生素子が発振する高調波の波長は特に限定されないが、例えば350～2000ｎｍとすることができる。
また、本発明の光導波路デバイスは、差周波発生や和周波発生素子に適用することも可能である。

実装用電極６Ａ、６Ｂは金属からなるが、こうした金属としては、銅を例示できる。但し銅は水分がある雰囲気であると腐食する可能性がある。
好適な実施形態においては、実装用電極６Ａ、６Ｂが、光導波路基板３の主面に接する下地層と、下地層上に設けられた電極層とを有する。電極層の材質が光導波路基板に対して強固に接合しにくい材質である場合には、下地層を設けることで電極層の光導波路基板に対する接合性、密着性を改善できるので有利である。

こうした電極層の材質としては、表層には腐食しにくい安定したＡｕ（金）が好ましい。また、下地層の材質としては、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）やＴｉとＰｔ（白金）を積層したものが好ましい。
この中で、パターニングが容易な下地層の材質としてＣｒ、電極層（表層）の材質としてＡｕという組み合わせが一番扱いやすい。

バッファ層は、光導波路基板内に拡散しない材質とするが、具体的にはＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３が好ましい。また、光導波路内への金属の拡散を防止するという観点からは、バッファ層の厚さは５０ｎｍ以上が好ましく、１００ ｎｍ以上が更に好ましい。一方、バッファ層の厚さの上限は特にないが、実用的には１０００ｎｍ以下が好ましい。

（実施例）
図１および図３～５を参照しつつ説明した手順に従って、光導波路デバイス１を試作した。
具体的には、厚さ３００μｍのMgOドープニオブ酸リチウム単結晶からなる強誘電性結晶基板に、電圧印加法によって周期状分極反転構造を形成した。この強誘電性結晶基板の主面にＳｉＯ_２のクラッド層を厚さ０．４μｍ成膜した。さらにクラッド層に接着剤をスピンコートにより塗布し、厚さ１ｍｍのノンドープニオブ酸リチウムからなる支持基板２に接合した。次いで、強誘電性結晶基板の主面を厚さ３．５μｍとなるまで研削、研磨で加工し、光導波路基板２を形成した。

次いで、図３（ａ）に示すように、リッジ型光導波路１０を形成した。二つのリッジ溝５Ａ、５Ｂはレーザーアブレーション加工用のマスクを用意して形成した。リッジ溝の深さ２μｍとし、リッジ溝の幅は５μｍとし、リッジ部の幅は５μｍとした。

次いで、図３（ｂ）に示すように、酸化珪素からなるバッファ層１１を厚さ２００ｎｍ成膜した。ついで、図３（ｃ）に示すように、電極形成領域Ｅ上のバッファ層１１をエッチングした。この際、光導波路１０上にバッファ１１が残留するようにパターニングするとともに、光導波路形成領域Ｗと電極形成領域Ｅとの間隙Ｓ（幅２０μｍ）にもバッファ層１１が残留するようにパターニングした。

次いで、図４（ａ）に示すように、バッファ層１１上および光導波路基板３の主面上に金属層１２を成膜した。ただし、金属層１２は、クロムからなる厚さ２０ｎｍの下地層と、金からなる厚さ２００ｎｍの電極層からなる。
次いで、電極形成領域Ｅにおいて金属層１２上にレジスト１３を成膜し、エッチングを行うことで、光導波路形成領域Ｗおよび間隙Ｓにおいて金属層１２およびバッファ層１１を除去し、主面を露出させるとともに、実装用電極６Ａ、６Ｂをパターニングした（図５（ａ）。）次いで、実装用電極上のレジスト１３を除去し、図５（ｂ）に示す光導波路デバイス１を得た。

次いで、得られた光導波路デバイスを所定寸法の矩形チップに切断し、端面研磨した。素子の長さは８ｍｍとした。リッジ型光導波路１０の入射面には、基本光に対する反射防止膜を成膜し、出射面には基本光と第二高調波に対する反射防止膜を成膜し、第二高調波発生素子を得た。

得られた素子のリッジ型光導波路に対して基本光（波長975.8nm、出力100mW）を入射させたところ、波長変換光の波長は487.9ｎｍであった。

（比較例１）
比較し易くするため、実施例で作製した素子に隣接する距離１ｍｍ未満の位置に、リッジ型導波路１０を形成した。次いで、実施例と異なり、バッファ層１１を形成せずに、光導波路基板３の主面３ａ上に金属層１２を直接成膜した。金属層１２は、クロムからなる厚さ２０ｎｍの下地層と、金からなる厚さ２００ｎｍの電極層からなる。
次いで、電極形成領域Ｅにおいて金属層１２上にレジスト１３を成膜し、エッチングを行うことで、光導波路形成領域Ｗおよび間隙Ｓにおいて金属層１２を除去し、主面を露出させるとともに、実装用電極６Ａ、６Ｂをパターニングした。次いで、実装用電極上のレジストを除去し、光導波路デバイスを得た。

得られた光導波路デバイスについて、実施例と同じ処理を行い、第二高調波発生素子を得た。
得られた素子のリッジ型光導波路に対して基本光（波長976.4nm、出力１００mW）を入射させたところ、波長変換光の波長は488.2ｎｍであった。

（比較例２）
さらに比較例２として、バッファ層、実装用電極を形成しない素子を用意した。すなわち、実施例および比較例１の素子に近い位置で、かつ特に比較例１の素子から２ｍｍ以内の距離に、光導波路１０を形成した。次いで、バッファ層や実装用金属が表面に成膜されないように、金属マスクを表面に設置して作製した。
次いで、実施例、比較例１と同様に８ｍｍの長さの素子を用意し、反射防止膜を形成した。
得られた素子のリッジ型光導波路に対して基本光（波長975.8nm、出力100mW）を入射させたところ、波長変換光の波長は487.9ｎｍであり、実施例１と同じ波長で位相整合した。

以上のことから、金属層と光導波路との間にバッファ層を形成する工程を設けることで、位相整合波長がほとんど変化しなくなる。一方、光導波路上にバッファ層を形成せずに直接金属層を形成した場合には、位相整合波長が変化する現象が確認できた。

本発明者は、位相整合波長のズレの原因を調査してみた。このため、光導波路基板３の主面近傍における各原子の原子強度を拡散濃度を
ダイナミックSIMSによって測定した。この結果を図６に示す。
図６に示すように、光導波路基板３の主面から深さ６０ｎｍほどの領域においては、クロムが基板内部に内拡散していることが判明した。これによって光導波路１０における特性、特に屈折率が僅かに変動し、位相整合波長にズレが生じたものと考えられる。

Claims (5)

1. 光導波路基板、
   この光導波路基板の主面に設けられた光導波路、および
   前記光導波路基板の前記主面上に設けられた実装用電極
   を備える光導波路デバイスを製造する方法であって、
   前記光導波路基板の前記主面上にバッファ層を形成する工程、
   次いで前記光導波路基板のうち電極形成領域において前記バッファ層を除去して前記主面を露出させ、かつ前記光導波路上の前記バッファ層を残留させる工程、
   次いで前記光導波路基板の前記電極形成領域の主面上および前記光導波路上の前記バッファ層上に金属層を設ける工程
   次いで少なくとも前記電極形成領域において前記金属層上にレジストを形成する工程、
   次いで前記光導波路上の前記バッファ層および前記金属層を除去して前記実装用電極を形成する工程、および
   次いで前記電極形成領域において前記レジストを除去することによって、前記実装用電極を露出させる工程
   を有することを特徴とする、光導波路デバイスの製造方法。
2. 前記実装用電極が、前記光導波路基板の前記主面に接する下地層と、前記下地層上に設けられた電極層とを有することを特徴とする、請求項１記載の製造方法。
3. 前記下地層が純クロムまたはクロム合金からなることを特徴とする、請求項２記載の光導波路デバイスの製造方法。
4. 前記光導波路デバイスが高調波発生素子であ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製造方法。
5. 前記光導波路内に周期分極反転構造が形成されていることを特徴とする、請求項４記載の製造方法。
   

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