JP2000089052A

JP2000089052A - 光導波路素子の製造方法

Info

Publication number: JP2000089052A
Application number: JP25473098A
Authority: JP
Inventors: Jungo Kondo; 順悟近藤; Tatsuo Kawaguchi; 竜生川口; Minoru Imaeda; 美能留今枝
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1998-09-09
Filing date: 1998-09-09
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】基板の少なくとも電極が位置する部分の厚さが
小さい薄肉部分を具えた、高速変調可能な光導波路素子
の製造方法において、基板の割れやクラックの発生など
を伴わない新たな製造方法を提供する。【解決手段】相対抗する一対の主面１Ａ及び１Ｂを有
し、電気光学効果を具えた基板１の主面１Ａ側に光導波
路２及び電極３を形成するとともに、主面１Ｂにおいて
プロトン交換処理を施してプロトン交換層６を形成し、
このプロトン交換層６を選択的に除去することによって
基板１の主面１Ｂに凹部４を形成し、これによって光導
波路素子１０を構成する基板１の、少なくとも電極３が
位置する部分に薄肉部分５を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路素子の製
造方法に関し、特に、高速変調が可能な進行波型光導波
路デバイスとして好適に使用することのできる光導波路
素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高速・大容量の光ファイバ通信シ
ステムの進歩に伴う外部変調器として光導波路デバイス
が用いられている。このような外部変調器は高速スイッ
チの条件下において使用されるため、前記のような外部
変調器に使用する光導波路デバイスには高速変調特性が
要求される。このため、光導波路デバイスを構成する光
導波路素子の変調信号印加用の電極の形状を特殊な形状
としたり、前記電極と光導波路素子を構成する基板との
間に二酸化ケイ素などのバッファ層を形成したりする試
みがなされていた。

【０００３】しかしながら、前記電極の作製工程の複雑
さに伴うコスト高や、バッファ層を形成した際の電極の
位置合わせ精度が劣化するという理由から、本出願人は
特願平９−８５５７９号において、光導波路素子を構成
する基板の少なくとも電極が形成されている部分の厚さ
を相対的に小さくすることによって、上記のような問題
を伴わない高速変調が可能な光導波路素子が発明された
ことに基づき、この光導波路素子について出願を行って
いる。この光導波路素子の厚さが相対的に小さい、いわ
ゆる薄肉部分は、前記光導波路素子を構成する基板の光
導波路及び電極が形成された主面と反対側の主面に、機
械加工やレーザアブレーションによって所定の凹部を形
成することによって実施していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、機械加
工によって基板に凹部を形成する場合、単一の工程で基
板に凹部を形成すると、機械加工に伴って発生する巨大
な応力によって前記基板に割れが発生する。このため、
例えば、ダイシングなどの多数の同一工程を経て基板に
凹部を形成する方法が採られていたが、凹部の深さが比
較的大きくなって前記工程数が多くなると、各工程にお
いて発生するバリが原因となって、前記基板の凹部周辺
にクラックを発生させてしまう場合があった。

【０００５】また、レーザアブレーションによって基板
に凹部を形成する場合においても、基板に形成する凹部
の深さを大きくするため、使用するエキシマレーザなど
のレーザパワーを大きくすると、前記レーザのパルス発
振に起因したアブレーション時の前記基板上でのレーザ
スポットの振動によって、前記基板に形成した凹部のエ
ッジ部分に微小なクラックが発生し、この微小なクラッ
クを核として基板全体にクラックが広がってしまうとい
う問題があった。

【０００６】本発明は、基板の少なくとも電極が位置す
る部分の厚さが小さい薄肉部分を具えた、高速変調可能
な光導波路素子の製造方法において、上記問題のない新
たな製造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、相対向する一
対の主面を具え、電気光学効果を有する基板と、この基
板の一方の主面に形成された光導波路と、この光導波路
を導波する光波に変調信号を印加するための電極と、前
記基板の少なくとも前記電極が位置する部分に形成され
た、相対的に厚さが小さい薄肉部分とを具えた光導波路
素子の製造方法であって、前記薄肉部分は、プロトン交
換処理によって前記基板の前記光導波路及び前記電極が
形成された主面と反対側の主面にプロトン交換層を形成
した後、このプロトン交換層を選択的に除去して形成す
ることを特徴とする、光導波路素子の製造方法である。

【０００８】図１（ａ）は本発明の光導波路素子の製造
方法によって製造された光導波路素子の概略を示す斜視
図であり、図１（ｂ）は図１に示す光導波路素子の部分
断面図である。また、図２は本発明の光導波路素子の製
造方法の一例を示す工程図である。

【０００９】図１に示す光導波路素子１０は、電気光学
効果を有する基板１の主面１Ａにマッハツエンダー型の
光導波路２と、この光導波路２中を導波する光波に変調
信号を印加するための電極３とが形成されている。さら
に、光導波路２及び電極３が形成された基板１の主面１
Ａと反対側の主面１Ｂに、前記電極３が位置する部分に
おいて凹部４が形成され、基板１の薄肉部分５を構成し
ている。この薄肉部分５は図２（ａ）に示すように、基
板１の主面１Ｂ側にフォトレジストやタンタルマスク、
及びポリイミドなどの所定のマスクを用いてプロトン交
換層６を形成した後、図２（ｂ）に示すように、プロト
ン交換層６を選択的に除去して凹部４を形成することに
よって作製する。

【００１０】このようにプロトン交換処理によって光導
波路素子の薄肉部分を形成することにより、上述した機
械加工の場合のような巨大な応力や、バリの発生が防止
される。また、レーザのパルス振動に伴うスポット振動
が発生するということもなくなるため、極めて簡易に、
基板の割れやクラックの発生などのない平滑な薄肉部分
を形成することができる。

【００１１】図３は、本発明の光導波路素子の製造方法
の他の例を示す工程図である。図３（ａ）に示すよう
に、基板１の主面１Ｂに機械加工又はレーザアブレーシ
ョンにより比較的大きな溝７を形成すると、上述したよ
うに、基板１の溝７の周囲にクラックが生じるが、図３
（ｂ）に示すように、基板１の主面１Ｂ及び溝７の内部
にプロトン交換処理を施してプロトン交換層９及溝７の
内部のプロトン交換層８を形成した後、このプロトン交
換層８及び９を選択的に除去して、図３（ｃ）に示すよ
うな凹部４を形成することにより、前記のようなクラッ
クを除去することができるとともに、プロント交換の温
度、時間により溝深さを微調整でき、溝深さを均一にで
きる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光導波路素子の製
造方法を、図面と関連させながら発明の実施の形態に基
づいて詳細に説明する。図２は、上述したように、本発
明の光導波路素子の製造方法の一例を示す工程図であ
る。本発明の製造方法においては、光導波路素子の薄肉
部分５を、図２（ａ）に示すように、プロトン交換処理
によってプロトン交換層６を形成した後、図２（ｂ）に
示すように、このプロトン交換層６を選択的に除去する
ことによって形成するが、具体的には以下のようにして
行う。

【００１３】基板１にＴｉ拡散法などによって光導波路
２を形成し、蒸着及びメッキ法を併用することによって
Ａｕなどからなる電極３を形成した後、前記基板１を３
００μｍ程度まで薄形化した後、厚さ０．４〜１μｍの
タンタルマスク、又はポリイミドなどから成る所定のマ
スクを施す。

【００１４】次いで、好ましくは１５０〜３００℃、さ
らに好ましくは２５０〜２８０℃に加熱したプロトン源
に、前記マスクの施された基板１を好ましくは１００〜
１００００時間、さらに好ましくは９００〜１１００時
間浸漬させることによって、図２（ａ）に示すようなプ
ロトン交換層６を形成する。

【００１５】次いで、前記マスクの施された基板１を好
ましくは４０〜７０℃、さらに好ましくは５０〜６０℃
に加熱されたフッ酸又は硝酸、あるいはこれらの混合溶
液に、好ましくは０．１〜１００時間、さらに好ましく
は１〜１０時間浸漬させることによって、図２（ｂ）に
示すように、プロトン交換層６を選択的に除去するとと
もに、前記マスクを除去する。以上のような方法によ
り、クラックなどのない極めて平滑な光導波路素子１０
の薄肉部分５を形成することができる。

【００１６】プロトン交換処理に使用することのできる
プロトン源としては、安息香酸、ピロリン酸、オクタン
酸、ステアリン酸、及びパルミチン酸など、プロトン源
として公知の酸を用いることができる。

【００１７】また、図２に示すような基板１の厚さ方向
に深くなった凹部４を形成して、幅ａが比較的小さい光
導波路素子１０の薄肉部分５を容易に形成するために
は、前記酸中に前記酸のリチウム塩を含有させることが
好ましい。これによって光導波路素子の比較的小さい部
分において、薄肉部分を容易に形成することができる。
酸中にリチウム塩を含有させる場合、前記凹部４を良好
な制御性の下に形成するためには、前記酸中におけるリ
チウム塩の含有量が０．１〜３重量％であることが好ま
しく、さらには０．２〜０．５重量％であることが好ま
しい。

【００１８】このように本発明の製造方法によって製造
される光導波路素子１０の薄肉部分５の幅ａは５〜１０
０μｍである。したがって、これより大きい幅の薄肉部
分を形成するためには、上記のようなプロトン交換処理
を基板の主面の幅方向に連続して行うことにより形成す
る。薄肉部分の厚さｂは、マイクロ波屈折率を下げ、さ
らにハンドリングできる程度に機械的強度を持たせるた
め、好ましくは５〜５０μｍ、さらに好ましくは５〜２
０μｍとなるように形成する。

【００１９】図３は、本発明の光導波路素子の製造方法
の他の例を示す工程図である。図２においては、基板１
の主面１Ｂに直接プロトン交換処理を施して薄肉部分５
を形成する場合について説明したが、本例では、以下に
示すように予め基板１の主面１Ｂ上に機械加工又はレー
ザアブレーションによって所定の溝を形成し、この溝及
び前記主面１Ｂにプロトン交換処理を施して薄肉部分を
形成する。

【００２０】具体的には、上記同様にして基板１の主面
１Ａに光導波路２及び電極３を形成した後、図３（ａ）
に示すように、基板１の主面１Ｂに機械加工又はレーザ
アブレーションによって溝７を形成する。この溝７の深
さｃは、クラックの発生を防止するために、基板の厚さ
を代表的な値である１ｍｍとした場合、３０〜１００μ
ｍであることが好ましく、さらには４０〜７０μｍであ
ることが好ましい。

【００２１】次いで、タンタルマスクやポリイミドなど
から成る所定のマスクを基板１の主面１Ａに施すととも
に、上記図２と同様の温度に保持したプロトン源に、前
記基板１を好ましくは１０〜５００時間、さらに好まし
くは１８０〜２００時間浸漬させることによって、図３
（ｂ）に示すように基板１の主面１Ｂにプロトン交換層
９を形成するとともに、溝７の内部にプロトン交換層８
を形成する。

【００２２】次いで、上記同様に加熱したフッ酸などの
溶液に好ましくは０．１〜１００時間、さらに好ましく
は１〜１０時間浸漬させることによって、図３（ｃ）に
示すように、プロトン交換層９及び溝７の内部のプロト
ン交換層８を選択的に除去して凹部４を形成するととも
に、前記マスクを除去する。このような方法によって薄
肉部分５を形成すると、機械加工又はレーザアブレーシ
ョンによって基板１の溝７周辺に一旦生じたクラックを
除去することができるとともに、溝深さの微調整が可能
となり、溝深さを均一にできる。

【００２３】機械加工としては、ダイシングなどの方法
を用いて行うことができる。ダイシングを用いる場合、
ダイシング加工機に幅０．１〜０．２ｍｍ、メッシュ数
＃２００〜３０００の砥石を設置し、回転数１００００
〜５００００ｒｐｍ、送り速度５０〜３００ｍｍ／ｍｉ
ｎの運転条件で溝７を形成する。

【００２４】レーザアブレーションによって溝７を形成
する場合は、発振レーザの単位面積当たりの強度が高い
ＡｒＦ及びＫｒＦなどのエキシマレーザを使用すること
が好ましい。エキシマレーザを用いて前記溝７を形成す
る場合、単位面積当たり５〜１０Ｊ／ｃｍ²の高い強度
のレーザを直接照射して、残り厚み１００μｍ程度まで
粗加工し、１〜４Ｊ／ｃｍ²の比較的低い強度のレーザ
を１０〜３０回スキャンさせて前記溝７を形成する。

【００２５】本発明の基板１として使用することのでき
る材料は、電気光学効果を有するものであれば特に限定
されず、ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムなど
公知の強誘電体単結晶などを使用することができる。

【００２６】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。実施例１厚さ１ｍｍのニオブ酸リチウムのＸカット板を基板１と
して用い、この基板１の主面１Ａ側にＴｉ拡散法によっ
て光導波路２を形成し、さらに、蒸着法とメッキ法とを
併用することによって厚さ１０μｍのＡｕからなる電極
３を形成した。

【００２７】次いで、基板厚３００μｍに研磨した基板
１の前記光導波路２などが形成された主面１Ａにタンタ
ルを厚さ０．５μｍに蒸着し、レジストを塗布して導波
路直下を選択的にミリングし、タンタルの窓あけを行っ
た。次いで、加圧容器中で２７０℃に保持された安息香
酸溶液に前記基板１を約１０００時間浸漬させ、前記タ
ンタルをマスクとして、図２（ａ）に示すように、基板
１の主面１Ｂにプロトン交換層６を形成した。次いで、
５５℃に保持されたフッ酸溶液中に５時間前記基板１を
浸漬し、前記プロトン交換層６及び前記タンタルマスク
を除去して、図２（ｂ）に示すような凹部４を形成し
た。

【００２８】このようにして得られた光導波路素子１０
の薄肉部分５の厚さｂは５μｍであった。また、基板１
にクラックの発生は見られず、割れも生じていなかっ
た。

【００２９】実施例２実施例１と同様にして光導波路２及び電極３を形成した
後、幅０．２ｍｍ、＃４００の砥石（砥石）を用い、
回転数３００００ｒｐｍ、送り速度１２０ｍｍ／ｍｉｎ
で数回研磨を行い、さらに、幅０．１ｍｍ、＃１０００
の砥石（砥石）を用いて、回転数３００００ｒｐｍ、
送り速度１２０ｍｍ／ｍｉｎで研磨を行うことにより図
３（ａ）に示すような深さＣが０．９５ｍｍの溝９を形
成した。上記のようにして、サンプルを１０個形成した
ところ、その内の５個において溝７のエッジ部でクラッ
クが発生していた。

【００３０】次いで、基板１の前記光導波路２などが形
成された主面１Ａにタンタルマスクを厚さ０．５μｍに
蒸着し、加圧容器中で２７０℃に保持された安息香酸溶
液に前記基板１を約２００時間浸漬させ、図３（ｂ）に
示すように、基板１の主面１Ｂにプロトン交換層９を形
成するとともに、溝７の内部のプロトン交換層８を形成
した。

【００３１】次いで、５５℃に保持されたフッ酸溶液中
に５時間前記基板１を浸漬し、前記プロトン交換層８及
び９、さらにタンタルマスクを除去して、図３（ｃ）に
示すような凹部４を形成した。このようにして得られた
光導波路素子１０の薄肉部分５の厚さｂは５μｍであっ
た。また、上記のように溝７のエッジ部で発生したクラ
ックは消失し、割れも生じていなかった。

【００３２】比較例１上記実施例２と同様の砥石、並びに運転条件でダイシ
ングを行い、プロトン交換処理を行うことなく厚さｂが
５μｍの薄肉部分５を形成した。得られた光導波路素子
１０の基板１には割れは生じていなかったが、無数のク
ラックが発生していた。

【００３３】実施例３実施例１と同じ基板１を用い、さらに実施例１と同様に
して光導波路２及び電極３を形成した後、パルス周波数
２００ＨｚのＫｒＦエキシマレーザを用い、レーザ強度
が６．８Ｊ／ｃｍ²となり、走査方向のレーザスポット
サイズが０．３ｍｍ、及び幅方向のレーザスポットサイ
ズが０．３ｍｍとなるように光学系を調節し、走査速度
０．３ｍｍ／ｓｅｃの条件において、図３（ａ）に示す
ような深さ０．９ｍｍの溝を形成した後、前記ＫｒＦエ
キシマレーザのパルス周波数を１００Ｈｚにし、さらに
光学系を調節することによってレーザ強度を３．８Ｊ／
ｃｍ²に換えて同様の操作を行なうことにより、深さｃ
０．９５ｍｍの溝７を形成した。このようなサンプル
を１０個形成したところ、その内の４個において溝７の
エッジ部でクラックが発生していた。

【００３４】次いで、安息香酸溶液への浸漬時間を２０
０時間とし、フッ酸溶液中への浸漬時間を５時間とした
以外は、実施例１と同様にしてプロトン交換処理、及び
プロトン交換層の選択除去を行い、厚さｂが５μｍであ
る薄肉部分５を有する光導波路素子１０を形成した。こ
のとき、基板１の溝７のエッジ部に発生していたクラッ
クは消失し、割れの発生も見られなかった。

【００３５】比較例２実施例３と同じエキシマレーザを用い、実施例３と同様
の条件において、厚さｂが５μｍである実施例２と同じ
薄肉部分５を有する光導波路素子１０を形成した。この
ときの基板１には割れは見られなかったが、無数のクラ
ックが発生していた。

【００３６】以上、実施例及び比較例から明らかなよう
に、本発明の光導波路素子の製造方法によれば、基板の
割れやクラックを生じることなく薄肉部分を有する光導
波路素子を形成できることが分かる。

【００３７】以上、本発明の実施の形態においては、実
施例及び図１〜３に示す具体例に基づいて本発明の光導
波路素子の製造方法について説明したが、本発明の範疇
を脱しない範囲において如何なる変形及び変更を行うこ
とができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光導波路
素子の製造方法によれば、基板の少なくとも電極が位置
する部分に薄肉部分が形成された高速変調が可能な光導
波路素子を、クラックなどを発生させることなく簡易に
形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の光導波路素子の製造方法によ
って製造された光導波路素子の一例を示す斜視図であ
り、（ｂ）は（ａ）に示す光導波路素子の部分断面図で
ある。

【図２】本発明の光導波路素子の製造方法の一例を示す
工程図である。

【図３】本発明の光導波路素子の製造方法の他の例を示
す工程図である。

【符号の説明】

１基板、２光導波路、３電極、４凹部、５薄
肉部分、６，９プロトン交換層、７溝、８溝の内
部のプロトン交換層、ａ薄肉部分の幅、ｂ薄肉部分の
厚さ、ｃ溝の深さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今枝美能留愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 DD02 EE01 EE12 EE13 EE21 EE24 GG03 GG07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対向する一対の主面を具え、電気光学効
果を有する基板と、この基板の一方の主面に形成された
光導波路と、この光導波路を導波する光波に変調信号を
印加するための電極と、前記基板の少なくとも前記電極
が位置する部分に形成された、相対的に厚さが小さい薄
肉部分とを具えた光導波路素子の製造方法であって、前
記薄肉部分は、プロトン交換処理によって前記基板の前
記光導波路及び前記電極が形成された主面と反対側の主
面にプロトン交換層を形成した後、このプロトン交換層
を選択的に除去して形成することを特徴とする、光導波
路素子の製造方法。
【請求項２】前記薄肉部分は、機械加工によって前記基
板の光導波路及び電極が形成された主面と反対側の主面
に溝を形成した後、この溝が形成された前記主面及び前
記溝の内部にプロトン交換処理を施してプロトン交換層
を形成し、このプロトン交換層を選択的に除去して形成
することを特徴とする、請求項１に記載の光導波路素子
の製造方法。
【請求項３】前記機械加工の代わりにレーザアブレーシ
ョンによって前記溝を形成することを特徴とする、請求
項２に記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項４】前記溝の深さは、５〜５０μｍであること
を特徴とする、請求項２又は３に記載の光導波路素子の
製造方法。
【請求項５】前記プロトン交換処理は、リチウム塩を含
有した酸からなるプロトン源を用いて行うことを特徴と
する、請求項１〜４のいずれか一に記載の光導波路素子
の製造方法。
【請求項６】前記酸中のリチウム塩の含有量が、０．１
〜３重量％であることを特徴とする、請求項１〜５のい
ずれか一に記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか一に記載の光導波
路素子の製造方法によって製造されたことを特徴とす
る、光導波路素子。