JP2000180645A

JP2000180645A - 光導波路素子の光接続端面の形成方法

Info

Publication number: JP2000180645A
Application number: JP35086098A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kanbe; 俊之神戸
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2000-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】ニオブ酸リチウム等の難加工性基板に形成さ
れた光導波路素子に、短時間加工可能で、光接続面に十
分な加工精度を確保できる光接続端面を形成する方法を
提供する。【解決手段】本方法は、難加工性の基板に形成された
光導波路素子を光ファイバに接続するための光接続端面
を基板に形成する方法であって、加工用高エネルギー源
としてエキシマレーザーを用いて基板に溝加工を施し、
光導波路と光ファイバとの光接続端面を溝壁に形成する
方法である。本方法は、光導波路を形成した基板の全面
に、反射率８０％以上で基板より熱伝導率が高い反射膜
を成膜する工程と、溝加工を施す領域から反射膜を除去
して露出させる工程と、露出した溝加工領域に高エネル
ギー源から放射される放射光を照射して溝加工を施す工
程とを備え、露出した溝加工領域を選択的に溝加工す
る。高エネルギービームによる加工であるため、短時間
加工可能であり、かつ、光接続端面では、部分的な結晶
の変質が起こらずに、光接続端面として低損失な加工が
可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路素子の光
接続端面の形成方法に関し、特に、ニオブ酸リチウム結
晶からなる基板等の難加工性基板に形成した光導波路素
子の光接続端面の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信技術の発展に伴って、大容量通信
が可能で多機能の高度光システムが、求められている。
光システムのキーデバイスと考えられる光制御デバイス
では、低挿入損失、高機能、高信頼性、経済性等で優れ
たものが求められている。特に、ニオブ酸リチウム（Ｌ
ｉＮｂＯ₃）結晶等の強誘電体材料を用いたものは、光
吸収が小さく、光損失が低く、電界によって屈折率が変
化する電気光学効果が大きいので、高効率である等の利
点を有する。そこで、従来から、強誘電体材料を用い
た、導波路型の光変調器、光スイッチ、光波長フィルタ
等の方式の光制御デバイスが、開発されている。

【０００３】このような導波路型の光制御デバイスを光
システムに適用するためには、光ファイバとの光接続が
不可欠である。接続部での光学的損失が生じないため
に、光導波路が形成された基板の接続面を高精度で欠け
のないように加工し、しかも光ファイバの中心軸を光導
波路の光伝搬方向と高精度に位置合わせすることが必要
である。

【０００４】一般に、光導波路と光ファイバの光接続面
は、お互いに高精度に加工し、位置合わせをした後に接
着材で固定される。この光接続では、光導波路、光ファ
イバの光強度分布の広がりは、１０μm以下であること
が多い。このため、低損失な光接続には、１μm以下の
精度で位置制御する。

【０００５】また、ニオブ酸リチウム結晶基板は、難加
工材料であり、欠けやクラックが加工表面に発生しやす
い。このため、接続端面を切断加工するだけでは、クラ
ックが多く、光接続に不適切である。そこで、従来、切
断後に接続端面を砥石で研磨する工程を重ねて、平滑な
面を得ている。しかし、この研磨工程時には、切削され
た基板材料などの除去等を考慮するため、長時間の研磨
が必要であって、このように光学的に平滑な面を短時間
に加工することがこれまでは困難であった。

【０００６】加工時間の短縮のために、砥石を用いない
光制御デバイスの光接続面の加工方法が提案されてい
る。例えば、高エネルギービームで光学的に溝形状に加
工し、光導波路表面に照射する方法が、特開平２−１６
８２１０号公報に示されている。ここで、図８を参照し
て、前掲公報に開示されている方法を説明する。この従
来方法では、図８に示すように、加工装置は、高エネル
ギービーム発生部６とビームを溝形状に加工する光変換
部２０とから構成されている。高エネルギー発生源の例
として、波長２８４ｎｍのクリプトンフロライド（Ｋｒ
Ｆ）のエキシマレーザーを用いる。このレーザーの光子
エネルギーが５．４９ｅＶであり、ニオブ酸リチウム結
晶の光学吸収端のしきい値が３．７５ｅＶ以上であるこ
とから、クリプトンフロライドのエキシマレーザーが用
いられている。なお、エキシマレーザー以外の光源で
も、３．７５ｅＶ以上の光子エネルギーの発生源であれ
ば、同様に用いることができる。

【０００７】本方法では、ＫｒＦエキシマレーザーの出
力部６から、エネルギー密度３Ｊ／cm²、パルス周波数
１００Ｈｚ、１２００パルス程度のエネルギーを照射
し、光学レンズで収束させ、光導波路が形成された結晶
基板に高エネルギーを照射する。照射された領域では、
基板が、照射エネルギーを吸収し、吸収した照射エネル
ギーが熱に変換され、沸点を越えた領域が昇華する。光
学レンズを移動させるか、結晶基板を移動させて、溝形
状を制御する。

【０００８】このような高エネルギービームを光導波路
基板に照射する方法には、いくつか問題がある。それ
は、位置制御に高い精度を要することと溝加工時に基板
損傷が発生することである。光学レンズで収束する位置
精度には、１０μm以下の制御が必要な上に、基板毎に
異なる加工を施すには、その都度、照射びーむの収束条
件と照射ビームの位置制御方法を変更しなければならな
い。また、基板加工時の熱伝導率が低いため、照射領域
の近傍で照射されていない領域に熱エネルギーが拡散
し、拡散された領域の結晶表面が部分的に損傷をうけ
る。損傷を受けた光導波路では、光伝搬損失が増加す
る。

【０００９】この基板損傷を回避するための加工方法
が、特開平３−２３３４１２号公報に示されている。こ
の発明では、損傷を受けた光導波路面を砥石で研磨して
いる。しかし、砥石で研磨することによって、ニオブ酸
リチウム結晶表面にクラック、欠けが発生し、長時間の
研磨工程が必要になる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】これまでに述べたよう
に、難加工材料のニオブ酸リチウム基板に形成された導
波路の光接続端面の形成方法は、砥石による研磨方法
と、高エネルギー照射による加工方法がある。前者の方
法では、加工に時間がかかるため、加工コストが加算で
光制御デバイスが高価になり、後者の方法では、光接続
面に十分な加工精度が確保できないという問題が生じて
いた。

【００１１】そこで、本発明の目的は、難加工性の基板
上に形成された光導波路素子に、短時間で加工でき、か
つ、光接続端面として十分な低損失の光接続端面を形成
する方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る光導波路素子の光接続端面の形成方法
は、難加工性の基板に形成された光導波路素子を光ファ
イバに接続するための光接続端面を基板に形成するに当
たり、加工用高エネルギー源としてエキシマレーザーを
用いて基板に溝加工を施し、光導波路と光ファイバとの
光接続端面を溝壁に形成するようにした、光導波路素子
の光接続端面の形成方法であって、光導波路を形成した
基板の全面に反射膜を成膜する工程と、溝加工を施す領
域から反射膜を除去して露出させる工程と、露出した溝
加工領域に高エネルギー源から放射される放射光を照射
して溝加工を施す工程とを備え、露出した溝加工領域を
選択的に溝加工することを特徴としている。

【００１３】本発明方法は、難加工性の基板の加工に適
用できる。例えば難加工性であるニオブ酸リチウム結晶
からなる基板の加工に最適である。また、光導波路が形
成できる結晶であれば、ニオブ酸リチウム結晶以外に
も、タンタル酸リチウム結晶等の誘電体材料だけでな
く、シリコン、インジウムリン、ガリウム砒素など半導
体材料、有機系材料を用いた場合にも、適用できる。

【００１４】反射膜の成膜工程では、反射膜として、反
射率が８０％以上で、かつ基板より熱伝導率の高い反射
膜を成膜する。反射膜として、アルミニウム、銀、金、
及びマグネシウムのいずれかの金属の膜を成膜する。

【００１５】本発明では、高エネルギービーム照射によ
り溝加工を施すので、短時間で加工することができる。
また、光接続端面以外の基板表面領域に反射膜を設けて
いるので、反射膜のない領域のみが選択的に加工され
る。加工のための高エネルギー源としては、基板の材料
がニオブ酸リチウムでは、エネルギーが３．７５ｅＶ以
上の光源が望ましい。例えば、フッ素エキシマレーザー
（７．９ｅＶ）、アルゴンフロライドエキシマレーザー
（６．４ｅＶ）、クリプトンフロライドエキシマレーザ
ー（５．０ｅＶ）、キセノンクロライドエキシマレーザ
ー（４．０ｅＶ）などを用いることができる。

【００１６】また、反射膜は、熱伝導率が光導波路基板
結晶より高い材料を用いいて、反射膜に覆われた基板表
面は熱の伝導率が高いので、照射された領域より放熱効
率が高く、照射領域からの熱の伝導が抑圧される。高エ
ネルギー照射領域と反射領域の境界となる光接続端面で
は、部分的な結晶の変質が起こらずに、光接続端面とし
て低損失な加工が可能である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照して、実
施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。実施形態例１本実施形態例は、本発明に係る光素子の光接続端面の形
成方法の実施形態の一例であって、図１から図４は、本
実施形態例に従って光素子の光接続端面を加工する際の
各工程を説明する基板の斜視図である。図１はニオブ酸
リチウム結晶基板の表面に高屈折率領域を形成し、光導
波路２を形成した基板を示す斜視図である。図２は反射
面を形成した基板表面を示す斜視図である。図３は反射
膜を形成後に、高エネルギー源の照射を行い、溝加工さ
れた基板表面を示す斜視図である。図４は溝加工された
基板表面の光導波路断面に光ファイバを結合する方法を
示す基板の斜視図である。

【００１８】先ず、図１に示すように、ニオブ酸リチウ
ム結晶基板１の表面に高屈折率領域を形成し、光導波路
２を形成する。この工程では、高屈折率領域を形成する
方法として、遷移金属を熱拡散させる方法、プロトン交
換による方法、液相エピタクシャル成長方法等の方法を
使用する。

【００１９】次いで、図２に示すように、光導波路２を
形成した基板の全面に反射膜３を成膜する。反射膜の形
成方法は、真空蒸着法、スパッタ法、電子線蒸着法、分
子線エピタキシー法、イオン化蒸着法、ＣＶＤ（Chemic
al Vaper Deposion）法、回転塗布法等を用いる。続い
て、同じく図２に示すように、表面加工する領域から反
射膜を除去する。この工程では、先に形成した光導波路
２との相対位置を確認しつつエッチング加工を行う。相
対位置を確認するためには、光導波路２と反射膜の相対
位置関係が視覚的に確認可能なパターン構造を、予め光
導波路２形成時に作製しておけば、そのパターン構造と
反射膜エッチング時のパターンをフォトリソグラフィ時
に画像認識等によって比較することにより、容易に実現
できる。

【００２０】次に、反射膜３を形成した後に、図３に示
すように、高エネルギー源６の照射を行い、基板表面に
溝加工を施す。反射膜に覆われていない表面領域５のみ
が高エネルギー照射によって溝加工される。また、反射
膜３に覆われていない基板表面は、熱伝導率が表面領域
５より高いので、熱による基板の損傷は、僅かである。
同様に、光導波路と光ファイバとの光接合端面４におい
ても、熱の伝導が僅かであるため、導波路構造が変化せ
ず、光接合時の損失はわずかである。このように、低損
失な光結合端面を短時間に形成できる。

【００２１】図３では、高エネルギー源６を直接に基板
表面に照射しているが、高エネルギー源のエネルギー密
度が低く、加工に必要なしきい値を確保出来ない場合
は、レンズ等を用いてエネルギー密度を調整してもよ
い。また、反射膜３は溝加工後は不要なので、除去して
も良い。

【００２２】次に、図４に示すように、溝加工された基
板表面の光導波路断面４に光ファイバ７を結合する。図
４に示したように、光ファイバ７の形状に合わせて、基
板加工部５の溝深さを調整しておくと、光接続時に位置
調整が容易になる。光ファイバ７と光結合端面４は、紫
外線硬化型接着材、有機系接着材等によって固定する。
あるいは、光接続端面４に近い光ファイバ７部に光学レ
ンズ等で収束した高エネルギービームを照射し、光ファ
イバ７を融解して、固定してもよい。

【００２３】実施形態例２本実施形態例は、本発明に係る光素子の光接続端面の形
成方法の実施形態の別の例であって、図５は本実施形態
例の加工方法を説明するための基板斜視図である。本実
施形態例は、図５に示すように、複数箇所で同時に溝加
工を施す例である。この例では、光導波路２が複数の入
出力光導波路８、９、１０を持っている。それぞれの光
導波路８、９、１０に対応して、異なる位置に溝加工す
る本実施形態例では、あらかじめ反射膜３のパターン構
造を変更するだけで、実施形態例１と同様の工程で対応
できる。

【００２４】実施形態例３本実施形態例は、本発明に係る光素子の光接続端面の形
成方法の実施形態の更に別の例であって、図６は本実施
形態例の加工方法を説明するための基板斜視図である。
本実施形態例では、光接続端面を光導波路の伝搬方向と
異なる角度に溝加工する例である。本実施形態例では、
Ｙ軸に沿って形成されている光導波路２に対して、光導
波路２に任意の角度θで光接続端面４に溝加工すること
ができる。本実施形態例の溝加工は、反射膜３のパター
ン構造を変更することにより、容易に行うことができ
る。このように、光導波路２と任意の角度θで光接続端
面４を形成することにより、光接続端面４における光の
反射量を制御することができる。

【００２５】実施形態例４本実施形態例は、本発明に係る光素子の光接続端面の形
成方法の実施形態の更に別の例であって、図７は本実施
形態例の加工方法を説明するための基板斜視図である。
本実施形態例では、溝加工後の光接続端面に金属膜を付
加する例である。本実施形態例では、光導波路２の導波
光の一部を導波路１５に結合させている。このために
は、本実施形態例では、方向性結合器１４を光導波路２
と光導波路１５で構成している。方向性結合器１４は、
光の波長程度の近接した光導波路を２本の光導波路であ
り、２本の導波路に光を分割することができる。光導波
路２の一部の光を光導波路１５に導波させ、光接続端面
１７を溝加工によって形成する。

【００２６】さらに、本実施形態例では、光接続端面１
７に光学反射膜１８を成膜している。このような光学反
射面によって、光導波路１５からの、導波光を光導波路
１６に光路切り替えできる。光学反射面の形成は、溝加
工の後に、金属膜等を光接続端面に形成すればよい。こ
のような、光学反射面の形成によって、任意の角度で、
光路切り替えが可能になり、光導波路デバイスを小型化
できる。

【００２７】実施例次に、図１から図４を参照し、具体的な実施例を挙げて
実施形態例を更に詳しく説明する。本実施例では、基板
１として、ニオブ酸リチウム結晶を用い、基板１表面に
チタン、マグネシウム、酸化マクネシウム、バナジウ
ム、亜鉛等のいずれかの金属の金属膜を成膜する。金属
膜厚は、１０〜２００ｎｍ程度で、成膜方法は、スパッ
タ法、蒸着法等を用いる。次に、フォトリソグラフィ等
で光導波路形状に金属膜をエッチングする。

【００２８】次いで、フォトリソグラフィで使ったフォ
トレジスト膜を除去し、３０〜９０％の水蒸気雰囲気中
で、９００℃以上１１００℃以下の温度範囲で、３時間
以上２０時間以下の範囲の時間、金属膜を熱処理し、金
属膜の金属を基板１中に拡散させる。このようにする
と、金属が拡散した領域の屈折率が増加し、光導波路２
として用いることができる。

【００２９】光導波路形成方法は、ここで示した埋め込
み型の熱拡散法以外にも、高屈折率領域をリッジ型に形
成する方法や、金属層や誘電体層を装荷する方法があ
る。また、高屈折率層を形成する方法は、プロトン交換
法、イオン注入法、液相法、ゾル−ゲル法などを用いる
ことができる。また、基板１としては、光導波路が形成
できる結晶であれば、ニオブ酸リチウム結晶以外にも、
タンタル酸リチウム結晶等の誘電体材料だけでなく、シ
リコン、インジウムリン、ガリウム砒素など半導体材
料、有機系材料を用いた場合にも、適用できる。

【００３０】図２に示すように、基板表面に形成された
光導波路２表面に反射面３を形成する。光導波路形成後
の基板の全面に、反射膜３を成膜する。反射膜として
は、加工に用いる高エネルギー源の反射率が８０％以上
の材料が望ましい。高エネルギー源として、アルゴンフ
ロライドエキシマレーザー、クリプトンフロライドエキ
シマレーザー等を用いる場合は、金属のアルミニウム、
銀、金、マグネシウム等が、０〜１２ｅＶの範囲で、８
０％以上の反射率のエネルギー領域があり、反射材とし
て適している。

【００３１】これら反射膜の形成方法は、真空蒸着法、
スパッタ法、電子線蒸着法、分子線エピタキシー法、イ
オン化蒸着法、ＣＶＤ法、回転塗布法等を用いる。反射
膜３の膜厚は、１０ｎｍ以上が必要である。また、反射
膜３として、異種の材料を重ね合わせて、平坦性や反射
率を向上させることもできる。

【００３２】次に、表面加工する領域の反射膜を除去す
る。この工程では、先に形成した光導波路２との相対位
置を確認しつつエッチング加工を行う。除去する面積
は、光接続される光ファイバの形状によって変化する
が、典型的なものでは、０．２mm以上の幅で、長さは５
mm以下が望ましい。

【００３３】次に、図３に示すように、反射膜３を形成
後に高エネルギー源６の照射を行い、基板表面に溝加工
を施す。高エネルギー照射によって、反射膜に覆われて
いない表面領域５のみが溝加工される。加工のための高
エネルギー源としては、基板１の材料がニオブ酸リチウ
ムでは、エネルギーが３．７５ｅＶ以上の光源が望まし
い。例えば、フッ素エキシマレーザー（７．９ｅＶ）、
アルゴンフロライドエキシマレーザー（６．４ｅＶ）、
クリプトンフロライドエキシマレーザー（５．０ｅ
Ｖ）、キセノンクロライドエキシマレーザー（４．０ｅ
Ｖ）などを用いることができる。

【００３４】基板として、ニオブ酸リチウム結晶を用い
る場合は、誘電体であるため、一般に金属膜より熱伝導
率が低い。反射膜３に覆われていない基板表面は、熱伝
導率が表面領域５より高く、熱による基板の損傷は僅か
である。同様に、光導波路と光ファイバとの光接合端面
４においても、熱の伝導が僅かであるため、導波路構造
が変化せず、光接合時の損失はわずかである。ニオブ酸
リチウム基板上に、アルゴンフロライドエキシマレーザ
ー（エネルギー密度１Ｊ／cm²、パルス周波数１００Ｈ
ｚ、パルス数５００）を照射した場合、加工溝深さとし
て、５０μm程度である。

【００３５】このように、低損失な光結合端面を短時間
に形成できる。図３では高エネルギー源６を直接に、基
板表面に照射しているが、高エネルギー源のエネルギー
密度が低く、加工に必要なしきい値を確保出来ない場合
は、レンズ等を用いてエネルギー密度を０．１〜１００
倍程度まで調整してもよい。

【００３６】次いで、図４に示すように、溝加工された
基板表面の光導波路断面４に光ファイバ７を結合する。
図４に示したように光ファイバ７の形状に合わせて、基
板加工部５の溝深さを調整しておくと、光接続時に位置
調整が容易になる。典型的な波長１．３μm伝送用の光
ファイバでは、直径０．９mm円筒形状であるので、深さ
は０．４５mm以上が必要である。光ファイバのクラッド
を直接光接続する場合は、直径１２５μmであれば、そ
の半分以上の溝深さが必要である。光ファイバ７と光結
合端面４は紫外線硬化型接着材、有機系接着材等によっ
て固定する。

【００３７】なお、本発明は上記各実施例に限定され
ず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態例
及び実施例は適宜変更され得ることは明らかである。

【００３８】

【発明の効果】本発明の光接続端面の形成方法は、高エ
ネルギービーム照射による加工方法において、加工面以
外の領域を高エネルギービームの反射率が８０％以上で
かつ光導波路基板より熱伝導率が高い膜で被覆する。高
エネルギービームによる加工であるため、短時間加工可
能であり、かつ、光接続端面では、部分的な結晶の変質
が起こらずに、光接続端面として低損失な加工が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ニオブ酸リチウム結晶基板の表面に高屈折率領
域を形成し、光導波路２を形成した基板を示す斜視図で
ある。

【図２】反射面を形成した基板表面を示す斜視図であ
る。

【図３】反射膜を形成後に、高エネルギー源の照射を行
い、溝加工された基板表面を示す斜視図である。

【図４】溝加工された基板表面の光導波路断面４に光フ
ァイバ７を結合する方法を示す。

【図５】実施形態例２の基板の構成を示す斜視図であ
る。

【図６】実施形態例３の基板の構成を示す斜視図であ
る。

【図７】実施形態例４の基板の構成を示す斜視図であ
る。

【図８】従来の加工方法を示す斜視図である。

【符号の説明】

１基板２光導波路３反射膜４光接続端面５加工溝６高エネルギー源７光ファイバ８、９、１０光導波路１４方向性結合器１５、１６光導波路１７光接続端面１８光学反射膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】難加工性の基板に形成された光導波路素
子を光ファイバに接続するための光接続端面を基板に形
成するに当たり、加工用高エネルギー源としてエキシマ
レーザーを用いて基板に溝加工を施し、光導波路と光フ
ァイバとの光接続端面を溝壁に形成するようにした、光
導波路素子の光接続端面の形成方法であって、光導波路を形成した基板の全面に反射膜を成膜する工程
と、溝加工を施す領域から反射膜を除去して露出させる工程
と、露出した溝加工領域に高エネルギー源から放射される放
射光を照射して溝加工を施す工程とを備え、露出した溝
加工領域を選択的に溝加工することを特徴とする光導波
路素子の光接続端面の形成方法。
【請求項２】難加工性の基板が、ニオブ酸リチウム結
晶からなる基板であることを特徴とする請求項１に記載
の光導波路素子の光接続端面の形成方法。
【請求項３】反射膜の成膜工程では、反射膜として、
反射率が８０％以上で、かつ基板より熱伝導率の高い反
射膜を成膜することを特徴とする請求項１又は２に記載
の光導波路素子の光接続端面の形成方法。
【請求項４】反射膜として、アルミニウム、銀、金、
及びマグネシウムのいずれかの金属の膜を成膜すること
を特徴とする請求項３に記載の光導波路素子の光接続端
面の形成方法。
【請求項５】前記光接続端面を複数個形成することを
特徴とする請求項１から４のうちのいずれか１項に記載
の光導波路素子の光接続端面の形成方法。
【請求項６】前記光接続端面の法線が、光接続端面に
おける導波光伝搬方向と異なる方向であることを特徴と
する請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の光導
波路素子の光接続端面の形成方法。
【請求項７】前記光接続端面に金属膜を形成すること
を特徴とする請求項１から６のうちのいずれか１項に記
載の光導波路素子の光接続端面の形成方法。
【請求項８】金属膜として、チタン、マグネシウム、
酸化マクネシウム、バナジウム、及び亜鉛のいずれかの
金属膜を成膜することを特徴とする請求項７に記載の光
導波路素子の光接続端面の形成方法。
【請求項９】溝加工を施す領域から反射膜を除去して
露出させる工程では、溝加工を施す領域以外の領域を覆
うエッチングマスクを反射膜上に形成し、次いで反射膜
をエッチングすることを特徴とする請求項１から７のう
ちのいずれか１項に記載の光導波路素子の光接続端面の
形成方法。