JP2004341045A - Optical waveguide element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路素子およびその作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、光波長変換素子や光変調素子などを構成するためのニオブ酸リチウム(LiNbO3)光導波路素子の作製方法として、プロトン交換を用いる例が種々報告されている(例えば、非特許文献1および2参照)。この方法は、例えば、ニオブ酸リチウム基板上に、光導波路作製領域を規定する開口を有するマスクを形成し、該マスクを介してニオブ酸リチウム結晶の表面部分のLi+を酸中のH+(プロトン)と交換する方法であり、この方法では、プロトン濃度により深さ方向と幅方向の屈折率段差が制御される。この方法によれば、屈折率分布を半導体プロセスにより比較的容易に得ることが可能である。
【0003】
また、その他の光導波路素子作製方法として、リッジを形成する方法を挙げることができる。この方法は、基板上にニオブ酸リチウム結晶を接着剤等により貼り付け、ニオブ酸リチウム結晶の表面を研磨して薄くした後、結晶表面にダイシング等により溝加工を行って、チャンネル状のリッジ構造からなる光導波部を形成するものである(例えば特許文献1、非特許文献3参照)。この方法によれば、ステップ型の屈折率分布が得られるため、光の閉じ込めが強い光導波路素子を得ることができる。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−250949号公報
【0005】
【非特許文献1】
Journal of Applied Physics(ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス) 54 (11) 1983年 11月 p.6218
【0006】
【非特許文献2】
Journal of Applied Physics(ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス)66 (11) 1989年 12月 p.5161
【0007】
【非特許文献3】
レーザー研究 2000年 9月号 p.600
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述のプロトン交換をはじめとしたイオン拡散方式を適用して光導波路素子を作製する場合は、屈折率分布がグレーデッドになるため光の閉じ込めが不十分となるだけでなく、特に該素子を光波長変換デバイスとして用いた場合には、基本波と波長変換波との重なりが悪くて、モードマッチング効率が低くなるという問題を招く。
【0009】
一方、リッジを形成して光導波路素子を作製する場合は、導波方向に垂直な面内において、基板表面と平行な方向(リッジ構造の幅方向)についてはステップ型屈折率分布を得ることができるが、基板厚さ方向にステップ型屈折率分布を得るためには、前述の特許文献1や非特許文献3に示されるような高精度の表面研磨制御技術が必要となって、生産性に難が認められる。
【0010】
本発明は上記事情に鑑みて、光の閉じ込めが強く、また生産性にも優れた光導波路素子を提供することを目的とする。
【0011】
また本発明は、上述のような光導波路素子を生産性良く作製することができる方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の光導波路素子は、LiNbO3基板にチャンネル状に延びるリッジ構造が形成され、このリッジ構造においてリッジの両側端間を延びる、基板材料よりも高屈折率のイオン拡散層からなる光導波部が形成されてなることを特徴とするものである。
【0013】
なお上記のイオン拡散層は、例えばプロトン交換やあるいはTi拡散によって形成することができる。
【0014】
また上記イオン拡散層の上には、該光導波部よりも低屈折率のクラッド部が形成されていることが望ましい。そのようなクラッド部は、基板と屈折率が略等しいものであることが望ましく、例えば上記イオン拡散層にLi拡散を行って形成することもできるし、あるいは該イオン拡散層の上に基板とは別の部材を接合して形成することもできる。
【0015】
他方、上述した構成の光導波路素子を得るための本発明による第1の光導波路素子の作製方法は、LiNbO3基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さで該基板をエッチングして、前記リッジ構造を形成することを特徴とするものである。
【0016】
また、本発明による第2の光導波路素子の作製方法は、LiNbO3基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さの溝を機械加工により形成して、前記リッジ構造を形成することを特徴とするものである。
【0017】
なお上記の機械加工としては、ダイシングソーによる切削加工を好適に用いることができる。その場合は、前記イオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層の上に基板とは別の部材を接合し、該別の部材が接合された状態のままダイシングソーによる切削加工を行うことが望ましい。上記別の部材は、切削加工後に基板から取り外してもよいし、あるいは、基板に接合したままの状態としておいてもよい。
【0018】
上記別部材は、常温直接接合によってイオン拡散層の上に接合するのが望ましい。この常温直接接合は、接合界面を原子レベルで洗浄し、密着させて接合する技術である。イオンビーム照射等による洗浄、メカニカルプレス等による密着は共に真空チャンバー内で行われる。接合は原子力によるもので、異種部材同士の接合も可能である。
【0019】
【発明の効果】
本発明の光導波路素子においては、LiNbO3基板にチャンネル状に延びるリッジ構造が形成され、このリッジ構造においてリッジの両側端間を延びる、基板材料よりも高屈折率のイオン拡散層からなる光導波部が形成されているので、基板厚さ方向の屈折率分布は基本的にグレーデッド型となるが、この方向の屈折率分布はイオン拡散濃度を制御することにより容易に制御可能である。よってこの光導波路素子は、基板厚さ方向に屈折率段差を持たせるために高精度の表面研磨を必要とする従来の光導波路素子と比較すれば、生産性良く作製され得るものとなる。その一方、リッジ構造の幅方向(基板表面に平行な方向)の屈折率分布はステップ型となるので、本発明の光導波路素子は光の閉じ込めが強いものとなり得る。
【0020】
したがって、本発明の光導波路素子から光波長変換素子を構成した場合は、基本波と波長変換波との重なりが大きくなってモードマッチング効率が向上し、それにより高い波長変換効率を得ることができる。
【0021】
なお上記イオン拡散層がプロトン交換によって形成される場合は、プロトン交換条件を最適化することにより、基板厚さ方向について、光閉じ込めの良い屈折率段差を実現することができる。
【0022】
また、本発明の光導波路素子において、基板厚さ方向の屈折率分布は上述の通り基本的にグレーデッド型となるが、上記イオン拡散層の上(つまりこの層に対して、イオン拡散がなされずに元の基板材料そのままとなっている部分と反対側)に、該光導波部よりも低屈折率のクラッド部を形成して、このイオン拡散層からなる光導波部を埋込み導波路化すれば、基板厚さ方向の屈折率分布に対称性を出すことができ、上記モードマッチング効率をさらに高めることが可能である。特にそのクラッド部が、基板と屈折率が同じあるいは近いものである場合には、上記屈折率分布の対称性がより良好なものとなる。
【0023】
他方、本発明による第1の光導波路素子の作製方法は、LiNbO3基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さで該基板をエッチングして、前記リッジ構造を形成するようにしたので、上述の光導波路素子を生産性良く作製可能となる。
【0024】
また本発明による第2の光導波路素子の作製方法も、LiNbO3基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さの溝を機械加工により形成して、前記リッジ構造を形成するようにしたので、上述の光導波路素子を生産性良く作製可能となる。
【0025】
ここで、上記第2の方法における機械加工として、特にダイシングソーによる切削加工を適用する場合、イオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層の上に基板とは別の部材を接合し、該別の部材が接合された状態のままダイシングソーによる切削加工を行うようにすると、この別の部材によりイオン拡散層が保護される形になって、該イオン拡散層のエッジ部にチッピング(欠け)が生じることを防止できる。
【0026】
また、上記別部材の接合に前述の常温直接接合を適用した場合は、以下の効果を奏することができる。
【0027】
(1)チッピング(欠け)が発生し易いエッジ部全面を、別部材で強固に補強することが可能である。
【0028】
(2)常温直接接合では、接合力をコントロールできるため、切削加工後に別部材を外すことも、また別部材を密着した状態のまま光導波路素子を製品化することも可能である。
【0029】
(3)常温で接合されるため、別部材と被加工物の熱膨張率を合わせる必要がない。
【0030】
(4)適当な別部材を選択することで、被加工物(光学部品)の界面に所望の屈折率段差を付与できる。
【0031】
なお、本発明による光導波路素子は、リッジ構造の両側部にレジスト樹脂等の保護材を埋め込んで強度を高めた上で、運搬等を行うことで、リッジ加工部の破損を回避することができる。そのような保護樹脂は、使用等には有機溶剤等で溶解して除去することができる。さらには、適当な屈折率の樹脂等を選ぶことで、除去せずにそのまま光導波路としての作用を果たすことも可能である。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【0033】
図1は、本発明の第1の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示すものである。本実施形態の光導波路素子は、一例として導波路型の光波長変換素子である。まず同図(a)に示すように、MgOが5mol%ドープされた厚さ0.4mm、ZカットLiNbO3基板(以下、MgO−LN基板という)11に、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層12を形成する。
【0034】
なお本例において、MgO−LN基板11には、ドメイン反転部が図の紙面に垂直な方向に所定周期で繰り返してなる周期ドメイン反転構造(図示せず)が形成されており、このような基板11により、いわゆる疑似位相整合タイプの光波長変換素子が作製される。またMgO−LN基板11は、例えば3インチウェハとして用意され、後述する切断工程まではこのウェハの状態のまま加工を受けるが、図では煩雑さを避けるために、該基板11の全体は示さず、一素子を構成する部分だけを示してある(以下、同様)。
【0035】
本実施形態において、上記プロトン拡散層12は次の通りにして形成される。まずMgO−LN基板11の表面を有機溶剤で洗浄する。次に、洗浄した基板11を酸溶液中に浸漬し、プロトン交換を行う。このとき、酸にはピロリン酸を用い、温度を200℃とし、浸漬時間は5時間とする。また雰囲気は大気雰囲気とする。次にこのMgO−LN基板11をアニールし、プロトンを拡散させる。熱処理条件は大気中で350℃、20時間とする。
【0036】
次に同図(b)に示すように、MgO−LN基板11のプロトン拡散層12が形成された表面側から、一方向(図の紙面に垂直な方向で、X軸方向)に直線状に延びる2本の溝13、13を形成して、X軸方向にチャンネル状に延びるリッジ構造14を形成する。本実施形態では、ダイシングソーを用いて溝加工をする。ブレードにはレジンボンドのダイヤモンド砥粒を使用し、回転数30000rpm、送り速度1mm/s(秒)の条件とし、溝間隔は10μm、溝深さはプロトン拡散層12よりも下側のMgO−LN基板11に達する深さで、例えば0.1mmとする。
【0037】
次いでウェハ状のMgO−LN基板11を、リッジ構造14を1つだけ含む状態となるように、2本の溝13の各々の外側で切断するとともに、リッジ構造14が所定長さとなるように切断し、この長さ方向の両端面(光入射面、出射端面となる面で、X面)を研磨することにより、同図(c)に示す光導波路型の光波長変換素子10が得られる。
【0038】
以上から明らかな通りこの光波長変換素子10は、MgO−LN基板11にチャンネル状に延びるリッジ構造14が形成され、このリッジ構造14においてリッジの両側端間を延びる、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層12からなる光導波部が形成されてなるものである。
【0039】
上記構成の光波長変換素子10において、基板厚さ方向の屈折率分布は基本的にグレーデッド型となるが、この方向の屈折率分布はプロトン交換条件を変えてプロトン拡散濃度を制御することにより容易に制御可能である。よってこの光波長変換素子10は、基板厚さ方向に屈折率段差を持たせるために高精度の表面研磨を必要とする従来品と比較すれば、生産性良く作製され得るものとなる。その一方、リッジ構造14の幅方向(基板表面に平行な方向)の屈折率分布はステップ型となるので、この光波長変換素子10は光の閉じ込めが強いものとなり得る。
【0040】
したがってこの光波長変換素子10は、基本波と波長変換波との重なりが大きくなってモードマッチング効率が向上し、それにより高い波長変換効率を得ることができる。また、前記プロトン交換の条件を最適化することにより、基板厚さ方向について、光閉じ込めの良い屈折率段差を実現することができる。
【0041】
また本実施形態では、MgO−LN基板11の表面部分にプロトン拡散層12を形成した後、このプロトン拡散層12からその下の基板部分の一部までに亘る深さの溝13を機械加工により形成して、リッジ構造14を形成するようにしたので、光波長変換素子10を生産性良く作製可能となっている。
【0042】
以下、本実施形態による光波長変換素子10の導波性能を評価した結果を説明する。図2はこの評価のための装置を示すものであり、図示の通り発振波長15301600nmのチューナブルレーザーダイオード20から発せられたレーザービームを偏波保存ファイバ21に入力し、エルビウムドープファイバからなる光増幅器22で増幅して10dBmの光出力とした。さらにこのレーザービームをシングルモード光ファイバ23に入力し、偏波コントローラ24により偏光方向を制御した上で偏波保存ファイバ21に入力し、該偏波保存ファイバ21に直接結合(バット・カップル)させた光波長変換素子10の光導波部(リッジ構造14におけるプロトン拡散層12)に入射させた。そして、この光導波部からの出射光をレンズ26で集光してビジコンからなる撮像管に導き、該出射光の近視野像(Near Field Pattern)を観察した。これにより、上記光導波部での導波光のモードフィールドが観察され、光の導波が確認された。
【0043】
なお、リッジ構造14の両側の溝13、13にレジスト樹脂等の保護材を埋め込んで強度を高めた上で、運搬等を行うことで、リッジ加工部の破損を回避することができる。そのような保護樹脂は、光波長変換素子10の使用等には有機溶剤等で溶解して除去することができる。さらには、適当な屈折率の樹脂等を選ぶことで、除去せずにそのまま光導波路としての作用を果たすことも可能である。その点は、以下に説明する各実施形態においても同様である。
【0044】
次に、本発明の別の実施形態について説明する。図3は、本発明の第2の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示すものである。本実施形態の光導波路素子も、一例として導波路型の光波長変換素子である。まず同図(a)に示すように、MgOが5mol%ドープされた厚さ0.4mm、ZカットのMgO−LN基板11に、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層12を形成する。
【0045】
本実施形態において、上記プロトン拡散層12は次の通りにして形成される。まずMgO−LN基板11の表面を有機溶剤で洗浄する。次に、洗浄した基板11を酸溶液中に浸漬し、プロトン交換を行う。このとき、酸にはピロリン酸を用い、温度を200℃とし、浸漬時間は5時間とする。また雰囲気は大気雰囲気とする。次にこのMgO−LN基板11をアニールし、プロトンを拡散させる。熱処理条件は大気中で350℃、20時間とする。
【0046】
次に同図(b)に示すように、リソグラフィおよびリフトオフプロセスによりプロトン拡散層12の上に、Au蒸着膜31およびNiメッキ層32からなるエッチングマスクを形成する。このエッチングマスクは、MgO−LN基板11の一方向(図の紙面に垂直な方向で、X軸方向)に直線状に延びる形状で、その幅は10μm、Au蒸着膜31の厚さは50nm、Niメッキ層32の厚さは1.5μmである。
【0047】
次に同図(c)に示すように、エッチングガス33にCF4を用いたECR(electron cyclotron resonance)ドライエッチングを行う。このときのエッチグレートは例えば800nm/hとする。それにより同図(d)に示すように、上記エッチングマスクに覆われたストライプ状の部分を残してプロトン拡散層12がエッチングされる。
【0048】
次にHNO3に浸漬することにより、エッチングマスクとして作用したNiメッキ層32およびAu蒸着膜31を除去する。それにより同図(e)に示すように、MgO−LN基板11の上に、プロトン拡散層12からなりX軸方向に延びるリッジ構造34が形成された状態となる。次にウェハ状のMgO−LN基板11を、上記リッジ構造34を1つだけ含む状態となるように切断するとともに、該リッジ構造34が所定長さとなるように切断し、この長さ方向の両端面(光入射面、出射端面となる面で、X面)を研磨することにより、周期ドメイン反転構造を有する光導波路型の光波長変換素子30が得られる。
【0049】
以上から明らかな通りこの光波長変換素子30は、MgO−LN基板11にチャンネル状に延びるプロトン拡散層12からなるリッジ構造34が形成され、このリッジ構造全体が基板材料よりも高屈折率の光導波部として機能するものである。
【0050】
上記構成の光波長変換素子30において、基板厚さ方向の屈折率分布は基本的にグレーデッド型となるが、この方向の屈折率分布はプロトン交換条件を変えてプロトン拡散濃度を制御することにより容易に制御可能である。よってこの光波長変換素子30は、基板厚さ方向に屈折率段差を持たせるために高精度の表面研磨を必要とする従来品と比較すれば、生産性良く作製され得るものとなる。その一方、リッジ構造34の幅方向(基板表面に平行な方向)の屈折率分布はステップ型となるので、この光波長変換素子30は光の閉じ込めが強いものとなり得る。
【0051】
したがってこの光波長変換素子30は、基本波と波長変換波との重なりが大きくなってモードマッチング効率が向上し、それにより高い波長変換効率を得ることができる。また、前記プロトン交換の条件を最適化することにより、基板厚さ方向について、光閉じ込めの良い屈折率段差を実現することができる。
【0052】
また本実施形態では、MgO−LN基板11の表面部分にプロトン拡散層12を形成した後、このプロトン拡散層12をエッチングしてリッジ構造34を形成するようにしたので、光波長変換素子30を生産性良く作製可能となっている。
【0053】
この光波長変換素子30について、先に図2に示した装置により導波性能を評価したが、この場合も上記リッジ構造34からなる光導波部で導波光のモードフィールドが観察され、光の導波が確認された。
【0054】
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図4は、本発明の第3の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示すものである。本実施形態の光導波路素子も、一例として導波路型の光波長変換素子である。なお、本第3の実施形態は、図1に作製工程を示した第1の実施形態と比べると、光導波路が埋込み導波路化されている点が異なるものであり、その他の点は基本的に同様である。
【0055】
まず同図(a)に示すように、MgOが5mol%ドープされた厚さ0.4mm、ZカットのMgO−LN基板11に、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層12を形成する。このプロトン拡散層12も、基本的に第1の実施形態と同様にして形成される。
【0056】
次に同図(b)に示すように、このプロトン拡散層12の表面部分に、該プロトン拡散層12よりも低屈折率のLi拡散層41を形成する。このLi拡散層41は、MgO−LN基板11をLiリッチの雰囲気中に配して熱処理することにより形成される。その熱処理の条件は、一例として温度330℃、処理時間10時間とされる。
【0057】
次いで同図(c)に示すように、MgO−LN基板11のLi拡散層41が形成された表面側から、一方向(図の紙面に垂直な方向)に直線状に延びる2本の溝13、13を形成して、X軸方向にチャンネル状に延びるリッジ構造44を形成する。本実施形態でも、ダイシングソーを用いて溝加工をする。ブレードにはレジンボンドのダイヤモンド砥粒を使用し、回転数30000rpm、送り速度1mm/s(秒)の条件とし、溝間隔は10μm、溝深さはプロトン拡散層12よりも下側のMgO−LN基板11に達する深さで、例えば0.1mmとする。
【0058】
次いでウェハ状のMgO−LN基板11を、リッジ構造44を1つだけ含む状態となるように、2本の溝13の各々の外側で切断するとともに、リッジ構造44が所定長さとなるように切断し、この長さ方向の両端面(光入射面、出射端面となる面で、X面)を研磨することにより、周期ドメイン反転構造を有する光導波路型の光波長変換素子40が得られる。
【0059】
以上から明らかな通りこの光波長変換素子40は、MgO−LN基板11にチャンネル状に延びるリッジ構造44が形成され、このリッジ構造44においてリッジの両側端間を延びる、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層12からなる光導波部が形成されてなるものである。また本例では特に、リッジ構造44内においてプロトン拡散層12が、それよりも低屈折率のLi拡散層41およびMgO−LN基板11内に埋め込まれた形となり、埋込み導波路が構成されている。
【0060】
本実施形態においても、基本的に第1の実施形態におけるのと同様の効果を奏することができる。それに加えて本実施形態の光波長変換素子40では、上述のように埋込み導波路化していることにより、基板厚さ方向の屈折率分布に対称性が生じ、基本波と波長変換波との重なりがより大きくなってモードマッチング効率がさらに向上する。
【0061】
この光波長変換素子40について、先に図2に示した装置により導波性能を評価したが、この場合も上記リッジ構造44からなる光導波部で導波光のモードフィールドが観察され、光の導波が確認された。
【0062】
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図5は、本発明の第4の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示すものである。本実施形態の光導波路素子も、一例として導波路型の光波長変換素子である。なお、本第4の実施形態は、図1に作製工程を示した第1の実施形態と比べると、溝13、13を加工する際にプロトン拡散層12の上に別部材を接合しておくようにした点が異なるものであり、その他の点は基本的に同様である。
【0063】
まず同図(a)に示すように、MgOが5mol%ドープされた厚さ0.4mmのMgO−LN基板11に、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層12を形成する。本実施形態において、上記プロトン拡散層12は次の通りにして形成される。最初にMgO−LN基板11の表面を有機溶剤で洗浄する。次に、洗浄した基板11を酸溶液中に浸漬し、プロトン交換を行う。このとき、酸にはピロリン酸を用い、温度を200℃とし、浸漬時間は5時間とする。また雰囲気は大気雰囲気とする。次にこのMgO−LN基板11をアニールし、プロトンを拡散させる。熱処理条件は大気中で350℃、20時間とする。
【0064】
次に同図(b)に示すように、MgO−LN基板11のプロトン拡散層12の上に一例として厚さ0.2mmのSi(シリコン)基板51を接合する。本実施形態では、この接合に前述の常温直接接合を適用する。この常温直接接合は、以下の通りにしてなされる。
【0065】
MgO−LN基板11とSi基板51は、共にウェハ状で供給される。まず、フッ硝酸のような強酸を用いた表面エッチングや有機洗浄を施したそれらのウェハを、洗浄装置の真空チャンバの前室に装着する。チャンバを真空(10−1Pa以下が好ましい)にした後、それらのウェハはAr高速原子ビーム照射エリアに自動移載される。そしてAr高速原子ビームにより、該ウェハの接着界面の酸化皮膜等の汚れを原子レベルで取り除く。
【0066】
こうして洗浄されたMgO−LN基板11とSi基板51は、同一チャンバ内にあるメカニカルプレス装置に自動搬送される。プレス装置により、両ウェハは洗浄された界面同士が密着する方向に加圧され、接合が完了する。接合済みの両ウェハは、後室に自動移載される。そして、後室部分のみを常圧に戻し、接合済みウェハを取り出す。
【0067】
なおプレス圧力は、材料およびその結晶構造、あるいは材料の厚みにより最適値が存在する。ロールプレスの場合は、1〜100kPa・m程度の値となる場合が多い。また常温接合強度は、ウェハの表面粗さ、および平坦度に大きな影響を受ける。必要とされる精度は材料および寸法に依存するが、直径4インチのMgO−LN基板11の場合、表面粗さRy:10nm以下(特に望ましくは1nm以下)、平坦度:1μm以下が好ましい。
【0068】
その後同図(c)に示すように、接合したSi基板51を厚さ数十μmにまで表面研削し、後の溝加工時のブレードへの負担を低減させる。この場合、遊離砥粒加工を行うことで、表面粗さをより小さくすることができる。
【0069】
次に同図(d)に示すように、表面研削したSi基板51側から、一方向(図の紙面に垂直な方向で、X軸方向)に直線状に延びる2本の溝13、13を形成して、X軸方向にチャンネル状に延びるリッジ構造54を形成する。本実施形態では、ダイシングソーを用いて溝加工をする。ブレードにはレジンボンドのダイヤモンド砥粒を使用し、回転数30000rpm、送り速度1〜5mm/s(秒)の条件とし、溝間隔は4〜16μm、溝深さはSi基板51の厚さ+20μm、溝長さは約50mmとする。
【0070】
次に同図(e)に示すように、フッ硝酸やTMAH等のSiエッチャントを用いてSi基板51を除去する。そして、溝加工部が直接触れないように洗浄治具に配置して、洗浄および有機溶剤による超音波洗浄を行う。このプロセス後、光導波路表面のチッピングを顕微鏡およびSEM(走査型電子顕微鏡)により観察したところ、Si基板51を接合しない場合に比べて、リッジ構造54の上角部(図5に破線円Aで示す部分)に生じるチッピングが大幅に低減していることが確認された。なお、前述したウェハの表面粗さRyが大きいと、両ウェハの接合強度にバラツキが生じ、チッピングの発生を抑制し切れないことがある。
【0071】
その後、ウェハ状のMgO−LN基板11を、リッジ構造54を1つだけ含む状態となるように、2本の溝13の各々の外側で切断するとともに、リッジ構造54が所定長さとなるように切断し、この長さ方向の両端面(光入射面、出射端面となる面で、X面)を研磨することにより、光導波路型の光波長変換素子50が得られる。
【0072】
この光波長変換素子50について、先に図2に示した装置により導波性能を評価したが、この場合も上記リッジ構造54からなる光導波部で導波光のモードフィールドが観察され、光の導波が確認された。またこの光波長変換素子50においては、前記Si基板51を接合しないで溝加工したものと比べて、伝搬損が2dB以上低減していることが確認された。
【0073】
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図6は、本発明の第5の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示すものである。本実施形態の光導波路素子も、一例として導波路型の光波長変換素子である。なお、本第5の実施形態は、図1に作製工程を示した第1の実施形態と比べると、溝13、13を形成する際にプロトン拡散層12の上に別部材を接合しておき、そしてその別部材をクラッド部として使用するようにした点が異なるものであり、その他の点は基本的に同様である。
【0074】
まず同図(a)に示すように、MgOが5mol%ドープされた厚さ0.4mmのMgO−LN基板11に、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層12を形成する。本実施形態において、上記プロトン拡散層12は次の通りにして形成される。最初にMgO−LN基板11の表面を有機溶剤で洗浄する。次に、洗浄した基板11を酸溶液中に浸漬し、プロトン交換を行う。このとき、酸にはピロリン酸を用い、温度を200℃とし、浸漬時間は5時間とする。また雰囲気は大気雰囲気とする。次にこのMgO−LN基板11をアニールし、プロトンを拡散させる。熱処理条件は大気中で350℃、20時間とする。
【0075】
次に同図(b)に示すように、MgO−LN基板11のプロトン拡散層12の上に一例として厚さ0.2mmのLiNbO3基板(以下、LN基板という)61を接合する。このLN基板61は、MgOはドープされず、またプロトン交換もされず、MgO−LN基板11上のプロトン拡散層12より屈折率が低いものである。本実施形態では、この接合に前述の常温直接接合を適用する。この常温直接接合は、以下の通りにしてなされる。
【0076】
MgO−LN基板11とLN基板61は、共にウェハ状で供給される。まず、フッ硝酸のような強酸を用いた表面エッチングや有機洗浄を施したそれらのウェハを、洗浄装置の真空チャンバの前室に装着する。チャンバを真空(10−1Pa以下が好ましい)にした後、それらのウェハはAr高速原子ビーム照射エリアに自動移載される。そしてAr高速原子ビームにより、該ウェハの接着界面の酸化皮膜等の汚れを原子レベルで取り除く。
【0077】
こうして洗浄されたMgO−LN基板11とLN基板61は、同一チャンバ内にあるメカニカルプレス装置に自動搬送される。プレス装置により、両ウェハは洗浄された界面同士が密着する方向に加圧され、接合が完了する。接合済みの両ウェハは、後室に自動移載される。そして、後室部分のみを常圧に戻し、接合済みウェハを取り出す。
【0078】
なおプレス圧力は、材料およびその結晶構造、あるいは材料の厚みにより最適値が存在する。ロールプレスの場合は、1〜100kPa・m程度の値となる場合が多い。また常温接合強度は、ウェハの表面粗さ、および平坦度に大きな影響を受ける。必要とされる精度は材料および寸法に依存するが、直径4インチのMgO−LN基板11の場合、表面粗さRy:1nm以下、平坦度:1μm以下が好ましい。
【0079】
その後同図(c)に示すように、接合したLN基板61を厚さ数十μmにまで表面研削し、後の溝加工時のブレードへの負担を低減させる。この場合、遊離砥粒加工を行うことで、表面粗さをより小さくすることができる。
【0080】
次に同図(d)に示すように、表面研削したLN基板61側から、一方向(図の紙面に垂直な方向で、X軸方向)に直線状に延びる2本の溝13、13を形成して、X軸方向にチャンネル状に延びるリッジ構造64を形成する。本実施形態では、ダイシングソーを用いて溝加工をする。ブレードにはレジンボンドのダイヤモンド砥粒を使用し、回転数30000rpm、送り速度1〜5mm/s(秒)の条件とし、溝間隔は4〜16μm、溝深さはLN基板61の厚さ+20μm、溝長さは約50mmとする。
【0081】
次に、溝加工部が直接触れないように洗浄治具に配置して、洗浄および有機溶剤による超音波洗浄を行う。このプロセス後、光導波路表面のチッピングを顕微鏡およびSEM(走査型電子顕微鏡)により観察したところ、LN基板61を接合しない場合に比べて大幅なチッピング低減が確認された。
【0082】
その後、ウェハ状のMgO−LN基板11を、リッジ構造64を1つだけ含む状態となるように、2本の溝13の各々の外側で切断するとともに、リッジ構造64が所定長さとなるように切断し、この長さ方向の両端面(光入射面、出射端面となる面で、X面)を研磨することにより、光導波路型の光波長変換素子60が得られる。なお、プロトン拡散層12よりも低屈折率のLN基板61はそのまま残されて、クラッド部とされる。
【0083】
この光波長変換素子60について、先に図2に示した装置により導波性能を評価したが、この場合も上記リッジ構造64からなる光導波部で導波光のモードフィールドが観察され、光の導波が確認された。またこの光波長変換素子60においては、前記LN基板61を接合しないで溝加工したものと比べて、伝搬損が2dB以上低減していることが確認された。
【0084】
なお、上述のようにプロトン拡散層12の上に残す別部材としてのLN基板61に代えて、イオン拡散していないタンタル酸リチウム(TaNbO3)基板等を用いることもできる。また、イオン拡散して光導波路を形成する方の基板としてコングルエント(一致溶融)のLiNbO3基板等を用いる一方、上述のような別部材としてストイキオメトリ(化学量論組成)のLiNbO3あるいはTaNbO3を用いるようにしてもよい。
【0085】
また、以上説明した第4および第5の実施形態においては、MgO−LN基板11と別部材とをプレス手段によって接合しているが、それらを別の手段で接合することも可能である。例えば図7に示すように、プロトン拡散層12が形成されたMgO−LN基板11を、磁性を有するベースプレート70の上に載置し、プロトン拡散層12の上に鉄系材料からなる別部材71を配し、この別部材71とベースプレート70との間に作用する磁力によって該別部材71をプロトン拡散層12に強く接合させつつ、ダイシングソー72によって溝13、13を加工することが可能である。この方法には、溝13、13を加工した後、別部材71を容易にMgO−LN基板11から取り外すことができるという利点がある。
【0086】
さらに、ネジ等を利用した機械的なクランプ手段を適用して、別部材をMgO−LN基板11上のプロトン拡散層12に接合させることも可能である。
【0087】
また、リッジ構造の上角部にチッピングが生じることを防止するには、上述のようにMgO−LN基板11に別部材を接合した状態で切削加工を行うのが効果的であるが、その他の手法を採用することもできる。例えば図8に示すように、プロトン拡散層12が形成されたMgO−LN基板11の溝加工部位にレーザ光73を照射し、このレーザ光73による加熱/収縮によるMgO−LN基板11のストレスに沿ってダイシングするようにしても効果的である。こうすることにより、溝加工時のMgO−LN基板11の応力を緩和し、レーザ光照射領域以外の部分のチッピング発生を抑えることができる。
【0088】
また図9(a)に示すように、MgO−LN基板11にプロトン拡散層12を形成した後、同図(b)に示すようにダイシングによって溝13、13を切削加工する方法において、エッジ部が弧状に面取りされたダイシングソー72を用いることも効果的である。すなわち、そうすることにより、同図(c)に示すように溝13、13のエッジ部が丸みを帯びた鈍角形状になり、チッピングの発生を抑えることができる。
【0089】
さらには、以上説明のようにチッピングの発生を抑制だけでなく、発生してしまったチッピングを除去することもできる。つまり、例えば図10(a)に示すようにMgO−LN基板11にプロトン拡散層12を形成した後、同図(b)に示すようにダイシングによって溝13、13を切削加工する方法において、同図(c)に示すようにMgO−LN基板11と屈折率の異なるペースト状の充填材74を溝13、13内に充填させた後に固化させ、次に同図(d)に示すようにこの充填材74の表面を研削あるいは研磨すれば、発生していたチッピングが研削あるいは研磨により除去される。なお上記ペースト状の充填材74としては、保護レジスト等を用いることができる。この場合、溝13、13内に充填材74が残った状態のまま光導波路素子を使用することもできるし、あるいは、同図(e)に示すようにこの充填材74を除去して光導波路素子を使用することもできる。
【0090】
また、以上はイオン拡散層としてプロトン拡散層12を備えた光導波路素子について説明したが、本発明はプロトン拡散層に限らず、その他例えばTi(チタン)拡散層等のイオン拡散層によって光導波部を構成する光導波路素子に対しても同様に適用可能であって、その場合も同様の効果を奏するものである。
【0091】
ここで、本発明におけるリッジ構造の導入により、SHG(第2高調波発生)光波長変換素子においてどの程度の光変換効率向上が見込まれるかをシミュレーションにより見積もった結果を説明する。この見積もりにおいては、スラブ状プロトン拡散をシミュレーションした後、リッジ加工で除去される部分を空気(屈折率=1)に置き換えたものを計算モデルとした。そして、基本波と第2高調波に対する導波モードを計算し、モードマッチングの効率を導いた。モードマッチング効率の定義には、以下に示すパラメータSを適用した。SHGの変換効率は、Sの2乗に比例する。
【0092】
S=∬FM×FM×SH×d(x,y)dxdy
ここでFM(x,y)およびSH(x,y)は基本波および第2高調波のモード空間分布、d(x,y)は面内の規格化したd定数の分布で、バルクのd定数を1とする。
【0093】
なお、前提として光ファイバ(ビーム径10μm)と光導波路との直接結合を想定しており、ファイバとの結合効率も検証した。また、リッジ形状として図11に示すような垂直リッジ形状(幅10μm、加工深さ無限、側壁垂直)と、図12に示すようなテーパ形状(上端幅8μm、加工深さt=1,2,4,6,10,18μm、側壁75°テーパ形状)の2種を想定した。なお図12の(a)〜(f)には、それぞれ、加工深さtが上記6つの値とされたリッジ形状を概略的に示してある。
【0094】
図13に、リッジ加工深さに対するモードマッチング効率を、各光導波路形状毎に示す。従来のプロトン交換光導波路(リッジ構造無し:加工深さt=0μm)のモードマッチング効率は相対値で約4であるのに対して、プロトン交換リッジ光導波路では明らかに効率向上が確認され、溝形状が深くなるほど高効率化の可能性が高いことが示されている。
【0095】
さらに、ファイバとの結合効率の計算結果からは、リッジの加工深さが1〜2μm程度であっても十分導波可能であるものの、横方向への光閉じ込めが弱いため横長の導波モード形状となり、高結合効率は期待できないことが確認された。リッジの加工深さが4μm以上程度であれば、導波モード形状が円形に近くなり、現実的な結合効率が期待できる余地がある。
【0096】
以上のシミュレーション結果から、10μm幅のプロトン交換リッジ光導波路の溝深さは、4μm以上が妥当であると言える。すなわち、リッジ加工深さが光導波路幅の40%以上であると、モードマッチング効率を高めて波長変換効率を向上させる効果が大きいことが判った。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示す概略図
【図2】上記光導波路素子の性能を評価する装置を示す側面図
【図3】本発明の第2の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示す概略図
【図4】本発明の第3の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示す概略図
【図5】本発明の第4の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示す概略図
【図6】本発明の第5の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示す概略図
【図7】本発明における溝の切削加工方法の一例を示す概略図
【図8】本発明における溝の切削加工方法の別の例を示す概略図
【図9】本発明における溝の切削加工方法のさらに別の例を示す概略図
【図10】本発明に適用され得る基板欠けの修復方法を説明する図
【図11】本発明による光導波路素子の性能をシミュレーションするためのモデルを説明する図
【図12】本発明による光導波路素子の性能をシミュレーションするためのモデルを説明する図
【図13】上記シミュレーションの結果を示すグラフ
【符号の説明】
10、30、40、50、60 光波長変換素子
11 MgO−LN基板
12 プロトン拡散層
13 溝
14、34、44、54、64 リッジ構造
70 ベースプレート
71 別部材
72 ダイシングソー
73 レーザ光
74 充填材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, lithium niobate (LiNbO) for forming an optical wavelength conversion element, an optical modulation element, etc. 3 ) Various examples using proton exchange have been reported as methods for producing optical waveguide elements (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2). In this method, for example, a mask having an opening that defines an optical waveguide fabrication region is formed on a lithium niobate substrate, and the Li portion of the surface portion of the lithium niobate crystal is formed through the mask. + H in acid + In this method, the difference in refractive index between the depth direction and the width direction is controlled by the proton concentration. According to this method, the refractive index distribution can be obtained relatively easily by a semiconductor process.
[0003]
Further, as another method for manufacturing an optical waveguide element, a method for forming a ridge can be mentioned. In this method, a lithium niobate crystal is pasted on a substrate with an adhesive or the like, the surface of the lithium niobate crystal is polished and thinned, and then groove processing is performed on the crystal surface by dicing or the like to form a channel-shaped ridge structure. The optical waveguide part which consists of this is formed (for example, refer patent document 1, nonpatent literature 3). According to this method, since a step-type refractive index distribution is obtained, an optical waveguide element with strong light confinement can be obtained.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-250949 A
[0005]
[Non-Patent Document 1]
Journal of Applied Physics (Journal of Applied Physics) 54 (11) November 1983 p. 6218
[0006]
[Non-Patent Document 2]
Journal of Applied Physics 66 (11) December 1989 p. 5161
[0007]
[Non-Patent Document 3]
Laser Research September 2000 p. 600
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
When an optical waveguide device is manufactured by applying the ion diffusion method including the proton exchange described above, the refractive index distribution becomes graded, so that not only light confinement becomes insufficient, but also the device is made light-sensitive. When used as a wavelength conversion device, the overlap between the fundamental wave and the wavelength conversion wave is poor, causing a problem that mode matching efficiency is lowered.
[0009]
On the other hand, when an optical waveguide device is manufactured by forming a ridge, a step-type refractive index distribution can be obtained in a direction parallel to the substrate surface (width direction of the ridge structure) in a plane perpendicular to the waveguide direction. However, in order to obtain a step-type refractive index distribution in the substrate thickness direction, a high-precision surface polishing control technique as shown in Patent Document 1 or Non-Patent Document 3 described above is required, which increases productivity. Difficulties are recognized.
[0010]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide an optical waveguide device that is strong in light confinement and excellent in productivity.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a method capable of producing the above-described optical waveguide device with high productivity.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The optical waveguide device of the present invention is LiNbO. 3 A ridge structure extending in a channel shape is formed on a substrate, and an optical waveguide portion formed of an ion diffusion layer having a higher refractive index than that of the substrate material is formed between the both ends of the ridge in the ridge structure. Is.
[0013]
The ion diffusion layer can be formed by, for example, proton exchange or Ti diffusion.
[0014]
Further, it is desirable that a clad portion having a refractive index lower than that of the optical waveguide portion is formed on the ion diffusion layer. It is desirable that such a clad portion has a refractive index substantially equal to that of the substrate. For example, the clad portion can be formed by performing Li diffusion on the ion diffusion layer, or the substrate is formed on the ion diffusion layer. Another member can be formed by bonding.
[0015]
On the other hand, the first method for producing an optical waveguide device according to the present invention for obtaining the optical waveguide device having the above-described structure is LiNbO. 3 After forming an ion diffusion layer on the surface portion of the substrate, the substrate is etched to a depth extending from the ion diffusion layer to at least a part of the substrate portion below the ion diffusion layer, thereby forming the ridge structure. To do.
[0016]
In addition, the second method for producing an optical waveguide device according to the present invention is LiNbO. 3 After forming an ion diffusion layer on the surface portion of the substrate, a groove having a depth extending from the ion diffusion layer to at least a part of the substrate portion below is formed by machining to form the ridge structure. It is a feature.
[0017]
In addition, as said machining, the cutting process by a dicing saw can be used suitably. In that case, after forming the ion diffusion layer, a member different from the substrate is bonded onto the ion diffusion layer, and cutting with a dicing saw is performed while the other member is bonded. desirable. The other member may be removed from the substrate after the cutting process, or may be left in a state of being bonded to the substrate.
[0018]
The separate member is desirably bonded onto the ion diffusion layer by direct bonding at room temperature. This room temperature direct bonding is a technique in which the bonding interface is cleaned at the atomic level and bonded together. Both cleaning by ion beam irradiation and the like and adhesion by a mechanical press or the like are performed in a vacuum chamber. Joining is by nuclear power, and different types of members can be joined together.
[0019]
【The invention's effect】
In the optical waveguide device of the present invention, LiNbO 3 A ridge structure extending in a channel shape is formed on the substrate, and an optical waveguide made of an ion diffusion layer having a refractive index higher than that of the substrate material is formed between the both ends of the ridge in this ridge structure. Although the refractive index distribution in the direction is basically a graded type, the refractive index distribution in this direction can be easily controlled by controlling the ion diffusion concentration. Therefore, this optical waveguide device can be manufactured with high productivity as compared with a conventional optical waveguide device that requires high-precision surface polishing in order to provide a refractive index step in the substrate thickness direction. On the other hand, since the refractive index distribution in the width direction (the direction parallel to the substrate surface) of the ridge structure is a step type, the optical waveguide device of the present invention can have a strong light confinement.
[0020]
Therefore, when the optical wavelength conversion element is configured from the optical waveguide element of the present invention, the overlap between the fundamental wave and the wavelength conversion wave is increased, so that the mode matching efficiency is improved, whereby high wavelength conversion efficiency can be obtained. .
[0021]
When the ion diffusion layer is formed by proton exchange, it is possible to realize a refractive index step with good optical confinement in the substrate thickness direction by optimizing the proton exchange conditions.
[0022]
In the optical waveguide device of the present invention, the refractive index distribution in the substrate thickness direction is basically a graded type as described above, but the ion diffusion layer is formed on the ion diffusion layer (that is, this layer is subjected to ion diffusion). The clad part having a refractive index lower than that of the optical waveguide part is formed on the opposite side of the original substrate material as it is, and the optical waveguide part made of this ion diffusion layer is embedded into a waveguide. For example, symmetry can be achieved in the refractive index distribution in the substrate thickness direction, and the mode matching efficiency can be further increased. In particular, when the clad portion has the same or close refractive index as that of the substrate, the symmetry of the refractive index distribution becomes better.
[0023]
On the other hand, the first method for producing an optical waveguide device according to the present invention is LiNbO. 3 After forming the ion diffusion layer on the surface portion of the substrate, the substrate is etched to a depth ranging from this ion diffusion layer to at least a part of the substrate portion below it to form the ridge structure. Thus, the above-described optical waveguide device can be manufactured with high productivity.
[0024]
In addition, the method for producing the second optical waveguide device according to the present invention also includes LiNbO. 3 After forming the ion diffusion layer on the surface portion of the substrate, a groove having a depth extending from the ion diffusion layer to at least a part of the substrate portion below is formed by machining to form the ridge structure. Therefore, the above-described optical waveguide device can be manufactured with high productivity.
[0025]
Here, as machining in the second method, particularly when cutting with a dicing saw is applied, after forming an ion diffusion layer, a member different from the substrate is joined on the ion diffusion layer, When cutting with a dicing saw is performed while another member is joined, the ion diffusion layer is protected by the other member, and chipping (chips) is formed at the edge of the ion diffusion layer. Can be prevented.
[0026]
Moreover, when the above-mentioned normal temperature direct joining is applied to the joining of the separate members, the following effects can be obtained.
[0027]
(1) It is possible to strongly reinforce the entire edge portion where chipping (chips) easily occurs with another member.
[0028]
(2) In direct bonding at room temperature, the bonding force can be controlled, so that it is possible to remove another member after cutting or to commercialize the optical waveguide element with the other member in close contact.
[0029]
(3) Since bonding is performed at room temperature, it is not necessary to match the thermal expansion coefficients of the separate member and the workpiece.
[0030]
(4) By selecting an appropriate separate member, a desired refractive index step can be imparted to the interface of the workpiece (optical component).
[0031]
The optical waveguide device according to the present invention can avoid damage to the ridge-processed portion by carrying a protective material such as a resist resin on both sides of the ridge structure to enhance the strength and then carrying it. . Such a protective resin can be removed by dissolving in an organic solvent or the like for use. Furthermore, by selecting a resin having an appropriate refractive index, it is possible to perform the function as an optical waveguide without being removed.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0033]
FIG. 1 shows a process of manufacturing an optical waveguide device according to the first embodiment of the present invention. The optical waveguide device of this embodiment is, for example, a waveguide type optical wavelength conversion device. First, as shown in FIG. 4A, a 0.4 mm thick, Z-cut LiNbO doped with 5 mol% of MgO. 3 A
[0034]
In this example, the MgO-
[0035]
In the present embodiment, the
[0036]
Next, as shown in FIG. 2B, the MgO-
[0037]
Next, the wafer-like MgO-
[0038]
As is clear from the above, in this optical
[0039]
In the optical
[0040]
Therefore, in this optical
[0041]
In this embodiment, after forming the
[0042]
Hereinafter, the result of evaluating the waveguide performance of the optical
[0043]
It is possible to avoid damage to the ridge-processed portion by carrying a transport or the like after embedding a protective material such as a resist resin in the
[0044]
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 shows a process of manufacturing an optical waveguide device according to the second embodiment of the present invention. The optical waveguide element of this embodiment is also a waveguide type optical wavelength conversion element as an example. First, as shown in FIG. 2A, a
[0045]
In the present embodiment, the
[0046]
Next, as shown in FIG. 2B, an etching mask composed of an Au
[0047]
Next, as shown in FIG. 4 ECR (electron cyclotron resonance) dry etching is performed. The etch rate at this time is set to 800 nm / h, for example. As a result, as shown in FIG. 4D, the
[0048]
Next, HNO 3 Then, the
[0049]
As is clear from the above, in the optical
[0050]
In the optical
[0051]
Therefore, in this optical
[0052]
In the present embodiment, after the
[0053]
The waveguide performance of this optical
[0054]
Next, still another embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 shows a process of manufacturing an optical waveguide device according to the third embodiment of the present invention. The optical waveguide element of this embodiment is also a waveguide type optical wavelength conversion element as an example. The third embodiment is different from the first embodiment in which the manufacturing process is shown in FIG. 1 in that the optical waveguide is embedded, and the other points are fundamental. The same as above.
[0055]
First, as shown in FIG. 2A, a
[0056]
Next, as shown in FIG. 2B, a
[0057]
Next, as shown in FIG. 2C, two
[0058]
Next, the wafer-like MgO-
[0059]
As is clear from the above, in this optical
[0060]
Also in this embodiment, the same effects as in the first embodiment can be basically obtained. In addition to this, in the optical
[0061]
With respect to the optical
[0062]
Next, still another embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 shows a process of manufacturing an optical waveguide device according to the fourth embodiment of the present invention. The optical waveguide element of this embodiment is also a waveguide type optical wavelength conversion element as an example. In the fourth embodiment, a different member is bonded on the
[0063]
First, as shown in FIG. 3A, a
[0064]
Next, as shown in FIG. 4B, a Si (silicon)
[0065]
Both the MgO-
[0066]
The MgO-
[0067]
The pressing pressure has an optimum value depending on the material and its crystal structure, or the thickness of the material. In the case of a roll press, the value is often about 1 to 100 kPa · m. The room temperature bonding strength is greatly affected by the surface roughness and flatness of the wafer. The required accuracy depends on the material and dimensions, but in the case of the MgO-
[0068]
Thereafter, as shown in FIG. 2C, the bonded
[0069]
Next, as shown in FIG. 4D, two
[0070]
Next, as shown in FIG. 5E, the
[0071]
Thereafter, the wafer-like MgO-
[0072]
With respect to this optical
[0073]
Next, still another embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 shows a process of manufacturing an optical waveguide device according to the fifth embodiment of the present invention. The optical waveguide element of this embodiment is also a waveguide type optical wavelength conversion element as an example. The fifth embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that a separate member is bonded on the
[0074]
First, as shown in FIG. 3A, a
[0075]
Next, as shown in FIG. 2B, as an example, a 0.2 mm thick LiNbO film is formed on the
[0076]
Both the MgO-
[0077]
The MgO-
[0078]
The pressing pressure has an optimum value depending on the material and its crystal structure, or the thickness of the material. In the case of a roll press, the value is often about 1 to 100 kPa · m. The room temperature bonding strength is greatly affected by the surface roughness and flatness of the wafer. The required accuracy depends on the material and dimensions, but in the case of the MgO-
[0079]
Thereafter, as shown in FIG. 3C, the bonded
[0080]
Next, as shown in FIG. 6D, the two
[0081]
Next, it arrange | positions to a washing | cleaning jig so that a groove process part may not touch directly, and washing | cleaning and ultrasonic cleaning with an organic solvent are performed. After this process, chipping on the surface of the optical waveguide was observed with a microscope and SEM (scanning electron microscope). As a result, a significant reduction in chipping was confirmed as compared with the case where the
[0082]
Thereafter, the wafer-like MgO-
[0083]
With respect to this optical
[0084]
Instead of the
[0085]
In the fourth and fifth embodiments described above, the MgO-
[0086]
Furthermore, it is possible to join another member to the
[0087]
In order to prevent chipping from occurring at the upper corner of the ridge structure, it is effective to perform cutting with another member joined to the MgO-
[0088]
Also, as shown in FIG. 9 (a), after forming the
[0089]
Furthermore, as described above, not only the occurrence of chipping can be suppressed, but also the chipping that has occurred can be removed. That is, for example, in the method of cutting the
[0090]
Further, the optical waveguide element having the
[0091]
Here, a description will be given of the result of estimating by simulation how much light conversion efficiency improvement is expected in the SHG (second harmonic generation) optical wavelength conversion element by introducing the ridge structure in the present invention. In this estimation, after slab-like proton diffusion was simulated, the part removed by ridge processing was replaced with air (refractive index = 1) as a calculation model. Then, the waveguide mode for the fundamental wave and the second harmonic was calculated, and the efficiency of mode matching was derived. The parameter S shown below was applied to the definition of mode matching efficiency. The conversion efficiency of SHG is proportional to the square of S.
[0092]
S = ∬FM × FM × SH × d (x, y) dxdy
Where FM (x, y) and SH (x, y) are the fundamental and second harmonic mode space distributions, d (x, y) is the in-plane normalized d-constant distribution, and the bulk d Let the constant be 1.
[0093]
As a premise, direct coupling between an optical fiber (
[0094]
FIG. 13 shows the mode matching efficiency with respect to the ridge processing depth for each optical waveguide shape. The mode matching efficiency of the conventional proton exchange optical waveguide (without the ridge structure: processing depth t = 0 μm) is about 4 in relative value, while the proton exchange ridge optical waveguide clearly shows an improvement in efficiency. It is shown that the deeper the shape, the higher the possibility of higher efficiency.
[0095]
Furthermore, from the calculation result of the coupling efficiency with the fiber, it is possible to guide sufficiently even if the processing depth of the ridge is about 1 to 2 μm, but since the optical confinement in the lateral direction is weak, the horizontally elongated waveguide mode shape Thus, it was confirmed that high coupling efficiency cannot be expected. If the processing depth of the ridge is about 4 μm or more, the waveguide mode shape becomes nearly circular, and there is room for expecting realistic coupling efficiency.
[0096]
From the above simulation results, it can be said that the groove depth of the proton exchange ridge optical waveguide having a width of 10 μm is appropriate to be 4 μm or more. That is, it has been found that when the ridge processing depth is 40% or more of the width of the optical waveguide, the effect of improving the wavelength conversion efficiency by increasing the mode matching efficiency is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a process of manufacturing an optical waveguide device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing an apparatus for evaluating the performance of the optical waveguide element.
FIG. 3 is a schematic view showing a process of manufacturing an optical waveguide device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing a process of manufacturing an optical waveguide device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing a process of manufacturing an optical waveguide device according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view showing a process of manufacturing an optical waveguide device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic view showing an example of a groove cutting method according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic view showing another example of the groove cutting method according to the present invention.
FIG. 9 is a schematic view showing still another example of the groove cutting method according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a method for repairing chipping of a substrate that can be applied to the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a model for simulating the performance of the optical waveguide device according to the present invention.
FIG. 12 is a diagram illustrating a model for simulating the performance of the optical waveguide device according to the present invention.
FIG. 13 is a graph showing the results of the simulation
[Explanation of symbols]
10, 30, 40, 50, 60 Optical wavelength conversion element
11 MgO-LN substrate
12 Proton diffusion layer
13 groove
14, 34, 44, 54, 64 Ridge structure
70 Base plate
71 Separate parts
72 dicing saw
73 Laser light
74 Filler
Claims (12)
LiNbO3基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、
このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さで該基板をエッチングして、前記リッジ構造を形成することを特徴とする光導波路素子の作製方法。A method for producing an optical waveguide device according to any one of claims 1 to 6,
After forming an ion diffusion layer on the surface portion of the LiNbO 3 substrate,
A method of manufacturing an optical waveguide device, comprising: etching the substrate to a depth extending from the ion diffusion layer to at least a part of a substrate portion thereunder to form the ridge structure.
LiNbO3基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、
このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さの溝を機械加工して、前記リッジ構造を形成することを特徴とする光導波路素子の作製方法。A method for producing an optical waveguide device according to any one of claims 1 to 6,
After forming an ion diffusion layer on the surface portion of the LiNbO 3 substrate,
A method of manufacturing an optical waveguide device, wherein a groove having a depth extending from the ion diffusion layer to at least a part of a substrate portion thereunder is machined to form the ridge structure.
このイオン拡散層の上に基板とは別の部材を接合し、
該別の部材が接合された状態のまま前記ダイシングソーによる切削加工を行うことを特徴とする請求項9記載の光導波路素子の作製方法。After forming the ion diffusion layer,
A member different from the substrate is bonded on the ion diffusion layer,
10. The method for manufacturing an optical waveguide element according to claim 9, wherein the cutting process is performed by the dicing saw while the another member is joined.
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