CN101535887B

CN101535887B - 光波导基板的制造方法

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Publication number: CN101535887B
Application number: CN2007800415703A
Authority: CN
Inventors: 吉野隆史
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: US7931831B2; JPWO2008056829A1; CN101535887A; JP5297197B2; WO2008056829A1; US20090212449A1; KR20090083387A; KR101363782B1

Abstract

通过在单畴化的铁电体单晶基板的一个主面上所设置的梳形电极和另一个主面上所设的均匀电极之间施加电压，从而形成周期极化反转构造(9)，去除梳形电极。接着在基板(18)上形成光波导(20)。使光波导(20)的光强度中心(P1)离开梳形电极的前端位置(P0)。

Description

光波导基板的制造方法

技术领域

本发明涉及制造可用于高次谐波元件等的光波导基板的方法。

背景技术

通过周期性地形成使铁电体的极化强制性反转的极化反转构造，可实现利用了表面弹性波的光频率调制器和利用了非线性极化的极化反转的光波长度变换元件等。特别是，只要能使非线性光学的非线性极化周期性反转，就能够制造高效率的波长变换元件。如果使用它来变换固体激光等的光，则能够构成可应用于印刷、光信息处理、光应用计测控制等的领域的小型轻量的短波长光源。

作为在铁电体非线性光学材料上形成周期状的极化反转构造的方法，已知所谓的电压施加法。该方法在铁电体单晶基板的一个主面上形成梳形电极，在另一个主面上形成均匀电极，在两者之间施加脉冲电压。这种方法记载于日本特开平8-220578、日本特开2005-70195、日本特开2005-70194。

为了从铌酸锂单晶等的非线性光学材料产生二次谐波，需要在单晶上形成周期状的极化反转。并且，在铁电体单晶基板上形成周期极化反转构造后，通过机械加工或激光加工在基板表面上形成脊形、条形光波导。此时，通过使周期极化反转构造位于脊形光波导的内部，将入射到光波导的基本波调制成高次谐波。

但是，已经判明若在形成了周期极化反转构造的区域形成脊形光波导且使基本波入射，则光损失非常大，高次谐波输出变得极低。这是在将周期极化反转构造作为平面光波导使用的场合未曾发现的现象，超出了预测。

发明内容

本发明的课题是在形成具有周期极化反转构造所形成的条形光波导的光波导基板时，降低条形光波导中的光损失，使高次谐波发生效率提高。

本发明是形成光波导基板的方法，该光波导基板具有周期极化反转构造所形成的条形光波导，该方法的特征在于，具有：

通过在单畴化的铁电体单晶基板的一个主面上所设置的梳形电极上施加电压，从而形成周期极化反转构造的电压施加工序；

去除梳形电极的电极去除工序；以及，

在铁电体单晶基板上形成光波导的光波导形成工序，

使光波导的光强度中心P1的向一个主面的投影位置P2离开梳形电极的前端的向一个主面的投影位置P0。

本发明者追究了在条形光波导内形成了周期极化反转构造的场合，光波导中的损失增大、高次谐波发生率显著降低的原因。其结果，查清了在形成周期极化反转的工序中，在施加电压时，在铁电体单晶的表面区域发生了损伤。关于这种损伤和对发生该高次谐波的影响，没有发现记载过的文献。

若更加具体地研究，则梳形电极的前端边缘部分电场集中，极化反转部分从前端部分朝向顶端延伸。在梳形电极的前端部和其周边，晶体上发生了较大的损伤或晶体缺陷。其结果认为，在极化效率高的这部分形成条形光波导时，在光波导中传播的光受到了损伤的影响

本发明者基于这种发现，通过例如如图6、图7所示，使光波导20、30的光强度中心P1离开平面观察时梳形电极的前端位置P0，从而发现可显著降低光波导20、30中的光损失，使高次谐波发生率增大，由此达到本发明。

根据本发明的观点，优选投影到基板的一个主面18a上的时的光波导的光强度中心P1的投影位置P2、和梳形电极的前端的投影位置P0的间隔为5μm以上，更优选为7μm以上，进一步优选为10μm以上。

另一方面，若投影到基板的一个主面18a上的时的光波导的光强度中心P1的投影位置P2、和梳形电极的前端的投影位置P0的间隔变得过大，则极化反转的程度变小，因此高次谐波发生效率降低。因而，根据提高高次谐波发生效率的观点，优选P2和P0的间隔m为30μm以下，更优选为25μm以下，进一步优选为20μm以下。

在本发明中，条形光波导的光强度中心P1由从端面观察到的图像决定。即、在光波导的出射面端侧照射灯光，用CCD摄影机观察波导端面的图像。将激光(相位匹配波长的激光、例如980nm)入射到波导的相反侧的端面，在出射侧的端面用CCD摄像机同时观察波导的图案和端面图像，通过图像分析(使用光强分布测定软件)检测出强度中心位置。P0是将梳形电极的前端边缘向主面8a、18a、和向主面法线L方向投影时的投影位置。P2是将P1向主面8a、18a、和向主面8a、18a的法线L方向投影时的投影位置。

条形光波导在作为例如图6中例示的那种形态的脊形光波导20的场合，脊形光波导的光强度中心P1与几何学的中心一致。另外，条形光波导在作为例如图7中例示的那种由内扩散而产生的光波导30的场合，光波导的形态不明确，因此不能指定光波导的几何学的中心。

附图说明

图1是模式地表示通过电压施加法在铁电体单晶基板8中形成周期极化反转构造的状态的立体图。

图2(a)是表示在基板8上形成了周期极化反转构造29的状态的剖视图，图2(b)是表示从图2(a)的铁电体单晶基板去除了电极的状态的剖视图。

图3是表示对支撑基体12粘接基板8的状态的剖视图。

图4是表示对图3的基板8进行加工而形成了薄层的铁电体单晶基板18的状态的剖视图。

图5是表示形成了脊形光波导14的现有例的元件的剖视图。

图6是表示形成了脊形光波导20的本发明例的元件的剖视图。

图7是表示形成了扩散型光波导30的本发明例的元件的剖视图。

图8是表示P0和P2的间隔m与高次谐波输出的关系的图表。

具体实施方式

以下，参照适当附图对本发明进行更为详细的说明。

首先，通过电压施加法，在铁电体单晶基板上形成周期极化反转构造。例如，如图1所示，将由铁电体单晶构成的斜切基板作为基板8来使用。铁电体单晶的极化方向A相对于一个主面8a以及另一个主面8b倾斜规定角度、例如5°，因此该基板8称为斜切基板。

在基板8的一个主面8a上形成梳形电极3以及相对电极1，在另一个主面8b上形成均匀电极9。梳形电极3由周期性排列的多个细长的电极片3a和连接多个电极片3a的根部的细长的供电部2构成。相对电极1由细长的电极片构成，相对电极1以与电极片3a的前端相对的方式设置。

最初，使基板8整体沿方向A极化。并且在梳形电极3和相对电极1之间施加V1的电压，在梳形电极3和均匀电极9之间施加V2的电压。这样，如图2(a)所示，极化反转部9从各电极片3a的前端3b与方向B平行地逐渐进展。极化反转方向B与非极化反转方向A正相反。还有，在与电极部不对应的位置、即邻接的极化反转部之间残留有未极化反转的非极化反转部。这样一来，形成了极化反转部和非极化反转部交互排列的周期极化反转构造29。

这里，在梳形电极3a的正下方以及前端边缘3b的周边，发现在基板8的一个主面8a侧的表面区域生成有损伤层10。

为了在条形光波导内形成周期极化反转构造，接着去除梳形电极3，做成图2(B)所示的状态。这里P0是将梳形电极3的电极片3a的前端3b投影到主面8a上的投影位置。

梳形电极的前端的投影位置P0由预先做成的校准标记M测定。这种校准标记可由通常的光刻法得到的金属图案形成。

在该时刻，根据本发明还可在铁电体单晶基板8上形成条形光波导。但是，在优选的实施方式中，从基板去除了梳形电极后，将该基板粘接在支撑基体上，接着，对基板从另一个主面侧进行加工使其变薄。因此，能够使铁电体单晶基板变薄，强有力地封入向光波导内部的光，提高对高次谐波的变换效率，并且即使使基板变薄也能给与所需要的机械强度。

在本实施方式中，如图3所示，将铁电体单晶基板8的一个主面8a相对支撑基板12的表面12a侧进行粘接。并且通过对基板8的另一个主面8b侧进行加工而使基板变薄。

其结果，如图4所示，基板8被薄层化。18a是基板18的一个主面，18b是另一个主面。基板18通过粘接层11粘接在支撑基体12的表面12a上。在该时刻，可从背面18b侧观察校准标记M。

其次，在基板18内从另一主面侧进行加工，如图5所示，形成了脊形光波导14。该场合，通过对铁电体单晶基板18进行加工，形成一对槽17A、17B的同时，在其两侧残留延伸部15A、15B。在一对槽17A和17B之间形成有脊部14。

这里，现有技术设计成脊形光波导14的光强度中心P1位于梳形电极的前端投影位置P0上。原因是认为梳形电极的前端部分电压高，能可靠地形成极化反转构造。

但是，现实判明了若是图5那样的形态，则高次谐波的发生效率明显降低到不能说明的程度。在研究其原因的过程中，如图5所示，在梳形电极下的区域形成有损伤层10，认为是损伤层10导致了在光波导14中传输的基本波以及高次谐波的损失。

为了验证这种预测，本发明者尝试了例如、如图6所示，通过使脊形光波导20的光强度中心P1在平面观察时从梳形电极的前端位置P0离开，从而使损失层10离开脊形光波导20的光强度中心的正下方及其周边。其结果发现光波导20中的基本波的变换效率显著提高。

另外，本发明者对于如图7所示那样通过扩散层形成的光波导30，也尝试了通过使光波导30的光强度中心P1在平面观察时从梳形电极的前端位置P0离开，从而使损失层10离开脊形光波导30的光强度中心的正下方及其周边。其结果发现光波导30中的基本波的变换效率显著提高。

构成铁电体单晶基板的铁电体单晶的种类没有限定。但是，特别优选铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)、铌酸锂-钽酸锂固溶体、K₃Li₂Nb₅O₁₅的各单晶。

为了在铁电体单晶中进一步提高三维光波导的耐光损伤性，可使其含有从镁(Mg)、锌(Zn)、钪(Sc)以及铟(In)构成的组中选择的一种以上的金属元素，特别优选镁。根据明确极化反转特性(条件)的观点，特别优选在铌酸锂单晶、铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶、钽酸锂单晶中分别添加了镁的物质。另外，在铁电体单晶中，作为掺杂成分，可使其含有稀土类元素。该稀土类元素作为激光起振用的添加元素发挥作用。作为该稀土类元素特别优选Nd、Er、Tm、Ho、Dy、Pr。

作为基板，使用所谓Z切基板、斜切X板、斜切Y板特别合适。在使用斜切X板、斜切Y板的场合，斜切角度没有特别限定，特别优选斜切角度为1°以上、或20°以下。在使用X切基板、Y切基板的场合，可不在基板背面设置均匀电极，而是设置在一表面上，并在梳形电极和均匀电极之间施加电压。该场合，没有相对电极也可以，但作为浮动电极保留也可以。另外，在使用Z 切基板的场合，可在背面上设置均匀电极，并在梳形电极和均匀电极之间施加电压。该场合，虽然相对电极不一定需要，但是作为浮动电极保留也可以。

在形成周期极化反转构造时，梳形电极、相对电极、均匀电极的材质没有限定，但优选Al、Au、Ag、Cr、Cu、Ni、Ni-Cr、Pd、Ta。而且，梳形电极、相对电极、均匀电极的形成方法没有特别限定，可例示真空蒸镀法、真空溅射法。施加电压的大小优选为3kv～8kv，脉冲频率优选为1Hz～1000Hz。

与铁电体单晶基板粘接的支撑基体的材质必须绝缘性高，材质内的体积电阻率均匀、具有规定的构造强度。作为该材质，可例示硅、蓝宝石、水晶、玻璃、铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂固溶体、掺杂MgO的铌酸锂、掺杂MgO的钽酸锂、掺杂ZnO的铌酸锂、掺杂ZnO的钽酸锂。

粘接铁电体单晶基板和支撑基体的粘接剂的材质没有特别限定，但可例示丙烯系、环氧系的紫外线硬化型、热硬化型、并用型的树脂。

光波导的加工位置通过加工装置所附属的显微镜测定校准标记M和作为目的的光波导的光强度中心的推定位置的间隔来决定。此时，在脊形光波导的场合，通过由校准标记M的位置决定各槽17A、17B的位置，从而决定脊形光波导的几何学的中心和P0的间隔。另外，在金属内扩散型的光波导的场合，由校准标记M的位置决定进行扩散前的用于形成钛、锌等薄膜的掩模的位置。另外，在质子交换光波导的场合，由校准标记M的位置决定用于进行质子交换的掩模的位置。

形成条形光波导的方法没有特别限定。例如，脊形光波导可通过激光消融加工、研磨加工、干蚀刻、湿蚀刻而形成。

通过本发明而形成的周期极化反转部可适用于具有这种极化反转部的任意光学器件。这种光学器件含有例如二次谐波发生元件等的高次谐波发生元件。在作为二次谐波发生元件来使用的场合，高次谐波的波长优选为330～1600nm。

实施例

根据参照图1～图6说明的方法，制作了图5(比较例)或图6(实施例)所示的那种构造的光波导基板。

具体地说，在厚度0.5mm的掺杂5％MgO的铌酸锂5度斜切Y基板8上，通过光刻法形成了梳形电极2和相对电极1。电极片3a的周期为5.10μm。均匀电极9在基板8的底面8b跨越整面而形成。接着施加脉冲电压并形成周期极化反转构造29(图2(a))。从基板去除了电极。

其次，在厚度1mm的非掺杂铌酸锂基板12上涂敷了粘接剂11之后，与上述掺杂MgO的铌酸锂基板8贴合(图3)，从掺杂MgO的铌酸锂基板8的另一个主面8a侧进行研削、研磨直到达到厚度3.4μm(图4)。其次，通过激光消融加工法形成了条形、脊形光波导14、20(图9)。所形成的脊部14、20的宽度为4.5μm，槽17A、17B的深度为2μm。加工脊后利用溅射法使厚度0.5um的SiO2在波导表面成膜。用切块机切断基板，形成了长度12mm、宽度1.4mm的元件。对元件的两端进行了端面研磨。

对所得到的元件使用钛蓝宝石激光器测定了光学特性。将来自激光器的起振输出调整到100mW，将其基本光用透镜汇聚到波导端面，其结果，60mW可与波导耦合。改变钛蓝宝石激光器的波长而调节成相位匹配的波长，得到了二次谐波的最大输出。这里，在图6中，将P2和P0的间隔m设定成如表1所示。将各例中的最大输出表示在表1以及图8中。

表1

m(μm)	二次谐波的输出(mW)
		0.0	＜1
3.0	1.7
		5.0	6.8
7.0	8.3
		10.0	9.7
15.0	10.5
		20.0	11.2
25.0	9.8
		30.0	4.3
35.0	2.2

根据该结果可知，通过使光波导的光强度中心离开梳形电极的前端位置，高次谐波输出明显提高。这在本实施例中那种方式的光波导器件中，通过使P2和P0的间隔为5μm～30μm而变得特别明显。

虽然对本发明的特定的实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于这些特定的实施方式，不脱离技术方案的范围就可进行各种变更或改变并实施。

Claims

1.一种光波导基板的制造方法，用于形成具有形成有周期极化反转构造的条形光波导(20，30)的光波导基板，其特征在于，

具有：

通过在单畴化的铁电体单晶基板(8)的一个主面(8a)上所设置的梳形电极(3)上施加电压，从而形成周期极化反转构造的电压施加工序；

去除上述梳形电极(3)的电极去除工序；以及，

在上述铁电体单晶基板(8)形成上述光波导(20，30)的光波导形成工序，

其中，根据预先设置的校准标记M决定将梳形电极(3)的前端(3b)的向上述一个主面(8a)的投影位置P0，光波导(20，30)的加工位置通过加工装置所附属的显微镜测定校准标记M和作为目的的光波导的光强度中心P1的推定位置的间隔来决定，使上述光波导(20，30)的光强度中心P1的向上述一个主面(8a)的投影位置P2离开上述梳形电极(3)的前端(3b)的向上述一个主面(8a)的上述投影位置P0。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

使上述光波导的光强度中心P1的向上述一个主面的投影位置P2和上述梳形电极的前端的向上述一个主面的投影位置P0的间隔为5μm以上。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

使上述光波导的光强度中心P1的向上述一个主面的投影位置P2和上述梳形电极的前端的向上述一个主面的投影位置P0的间隔为30μm以下。

4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，

具有：

从上述铁电体单晶基板(8)去除上述梳形电极(3)之后，将上述铁电体单晶基板(8)相对支撑基体(12)进行粘接的粘接工序；以及，

接着对上述铁电体单晶基板(8)从另一个主面(8b)侧进行加工而使其变薄的薄板加工工序，从上述另一个主面(8b)侧观察上述校准标记M的同时从上述另一个主面(8b)侧加工上述铁电体单晶基板(8)。

5.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，

上述铁电体单晶基板由从铌酸锂单晶、钽酸锂单晶、以及铌酸锂-钽酸锂固溶体单晶构成的组中选择的单晶构成。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

7.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，

上述铁电体单晶基板为Z切基板。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

上述铁电体单晶基板为Z切基板。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

上述铁电体单晶基板为Z切基板。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

上述铁电体单晶基板为Z切基板。