JP2004341045A - Optical waveguide element and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical waveguide element which is strong in light confinement and is excellent also in productivity, and to provide a method of manufacturing such an optical waveguide element with sufficient productivity. <P>SOLUTION: This optical waveguide element is characterized in that a ridge structure 14 extended like a channel is formed on a LiNbO<SB>3</SB>substrate 11, forming an optical waveguide part consisting of ion diffusion layers 12 which are extended at both side ends of the ridge in the ridge structure 14 and whose refractive index is higher than that of the material of the substrate. To manufacture the optical waveguide element, for example, a method of forming two grooves 13 extending in one direction by machining, etc. after forming a proton diffusion layer 12 on the LiNbO<SB>3</SB>substrate 11, so as to allow a part between the grooves 13 to have the ridge structure 14, is used. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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(LiNbO)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、LiNbO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、LiNbO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、LiNbO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、LiNbO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、LiNbO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、LiNbO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LiNbO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CF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HNO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LiNbO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(TaNbO)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LiNbO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LiNbOあるいはTaNbO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 proton diffusion layer 12 having a refractive index higher than that of the substrate material is formed on a substrate (hereinafter referred to as an MgO-LN substrate) 11.
[0034]
In this example, the MgO-LN substrate 11 is formed with a periodic domain inversion structure (not shown) in which domain inversion portions are repeated at a predetermined period in a direction perpendicular to the drawing sheet. 11, a so-called quasi phase matching type optical wavelength conversion element is manufactured. The MgO-LN substrate 11 is prepared, for example, as a 3-inch wafer, and is processed in the state of this wafer until the cutting process described later. However, in order to avoid complication, the entire substrate 11 is not shown in the drawing. Only the portion constituting one element is shown (the same applies hereinafter).
[0035]
In the present embodiment, the proton diffusion layer 12 is formed as follows. First, the surface of the MgO-LN substrate 11 is washed with an organic solvent. Next, the cleaned substrate 11 is immersed in an acid solution to perform proton exchange. At this time, pyrophosphoric acid is used as the acid, the temperature is 200 ° C., and the immersion time is 5 hours. The atmosphere is an air atmosphere. Next, this MgO-LN substrate 11 is annealed to diffuse protons. The heat treatment conditions are 350 ° C. and 20 hours in the atmosphere.
[0036]
Next, as shown in FIG. 2B, the MgO-LN substrate 11 is linearly formed in one direction (in the direction perpendicular to the drawing sheet in the X axis direction) from the surface side where the proton diffusion layer 12 is formed. Two extending grooves 13 are formed to form a ridge structure 14 extending in a channel shape in the X-axis direction. In the present embodiment, the groove processing is performed using a dicing saw. Resin-bonded diamond abrasives are used for the blade, the conditions are a rotational speed of 30000 rpm, a feed rate of 1 mm / s (seconds), a groove interval of 10 μm, and a groove depth of MgO-LN below the proton diffusion layer 12. The depth reaching the substrate 11 is, for example, 0.1 mm.
[0037]
Next, the wafer-like MgO-LN substrate 11 is cut outside each of the two grooves 13 so that only one ridge structure 14 is included, and the ridge structure 14 is cut to a predetermined length. Then, by polishing both end faces in this length direction (surfaces that become the light incident surface and the output end surface, the X surface), the optical waveguide type optical wavelength conversion element 10 shown in FIG.
[0038]
As is clear from the above, in this optical wavelength conversion element 10, a ridge structure 14 extending in a channel shape is formed on the MgO-LN substrate 11, and the refractive index higher than that of the substrate material extending between both ends of the ridge in the ridge structure 14 is obtained. An optical waveguide portion made of the proton diffusion layer 12 is formed.
[0039]
In the optical wavelength conversion element 10 having the above configuration, the refractive index distribution in the substrate thickness direction is basically a graded type. The refractive index distribution in this direction is controlled by changing the proton exchange condition and controlling the proton diffusion concentration. It can be easily controlled. Therefore, the optical wavelength conversion element 10 can be manufactured with high productivity as compared with a conventional product that requires high-precision surface polishing in order to have 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 14 is a step type, the optical wavelength conversion element 10 can have a strong light confinement.
[0040]
Therefore, in this optical wavelength conversion element 10, the overlap between the fundamental wave and the wavelength conversion wave is increased, and the mode matching efficiency is improved, whereby high wavelength conversion efficiency can be obtained. Further, by optimizing the proton exchange conditions, it is possible to realize a refractive index step having good optical confinement in the substrate thickness direction.
[0041]
In this embodiment, after forming the proton diffusion layer 12 on the surface portion of the MgO-LN substrate 11, a groove 13 having a depth extending from the proton diffusion layer 12 to a part of the substrate portion below it is machined. Since the ridge structure 14 is formed, the optical wavelength conversion element 10 can be manufactured with high productivity.
[0042]
Hereinafter, the result of evaluating the waveguide performance of the optical wavelength conversion element 10 according to the present embodiment will be described. FIG. 2 shows an apparatus for this evaluation. As shown in the drawing, a laser beam emitted from a tunable laser diode 20 having an oscillation wavelength of 15301600 nm is input to the polarization maintaining fiber 21, and an optical amplifier comprising an erbium-doped fiber. Amplified at 22 to obtain an optical output of 10 dBm. Further, the laser beam is input to the single mode optical fiber 23, the polarization direction is controlled by the polarization controller 24, and then input to the polarization maintaining fiber 21, and directly coupled (butt-coupled) to the polarization maintaining fiber 21. The light was made incident on the optical waveguide portion (proton diffusion layer 12 in the ridge structure 14) of the optical wavelength conversion element 10. Then, the emitted light from the optical waveguide portion was condensed by the lens 26 and led to an imaging tube made of vidicon, and a near-field image (Near Field Pattern) of the emitted light was observed. Thereby, the mode field of the guided light in the optical waveguide unit was observed, and the light was guided.
[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 grooves 13 and 13 on both sides of the ridge structure 14 to increase the strength. Such a protective resin can be removed by dissolving with an organic solvent or the like when the light wavelength conversion element 10 is used. Furthermore, by selecting a resin having an appropriate refractive index, it is possible to perform the function as an optical waveguide without being removed. The same applies to each embodiment described below.
[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 proton diffusion layer 12 having a higher refractive index than that of the substrate material is formed on a 0.4 mm thick, Z-cut MgO-LN substrate 11 doped with 5 mol% of MgO.
[0045]
In the present embodiment, the proton diffusion layer 12 is formed as follows. First, the surface of the MgO-LN substrate 11 is washed with an organic solvent. Next, the cleaned substrate 11 is immersed in an acid solution to perform proton exchange. At this time, pyrophosphoric acid is used as the acid, the temperature is 200 ° C., and the immersion time is 5 hours. The atmosphere is an air atmosphere. Next, this MgO-LN substrate 11 is annealed to diffuse protons. The heat treatment conditions are 350 ° C. and 20 hours in the atmosphere.
[0046]
Next, as shown in FIG. 2B, an etching mask composed of an Au vapor deposition film 31 and a Ni plating layer 32 is formed on the proton diffusion layer 12 by lithography and a lift-off process. This etching mask has a shape extending linearly in one direction of the MgO-LN substrate 11 (a direction perpendicular to the drawing sheet in the X-axis direction), its width is 10 μm, and the thickness of the Au vapor deposition film 31 is 50 nm. The thickness of the Ni plating layer 32 is 1.5 μm.
[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 proton diffusion layer 12 is etched leaving a striped portion covered with the etching mask.
[0048]
Next, HNO 3 Then, the Ni plating layer 32 and the Au vapor deposition film 31 that acted as an etching mask are removed. As a result, as shown in FIG. 5E, a ridge structure 34 made of the proton diffusion layer 12 and extending in the X-axis direction is formed on the MgO-LN substrate 11. Next, the wafer-like MgO-LN substrate 11 is cut so as to include only one ridge structure 34, and is cut so that the ridge structure 34 has a predetermined length. An optical waveguide type optical wavelength conversion element 30 having a periodic domain inversion structure is obtained by polishing the surface (the light incident surface, the surface serving as the emission end surface, and the X surface).
[0049]
As is clear from the above, in the optical wavelength conversion element 30, the ridge structure 34 composed of the proton diffusion layer 12 extending in a channel shape is formed on the MgO-LN substrate 11, and the entire ridge structure has a higher refractive index than the substrate material. It functions as a wave part.
[0050]
In the optical wavelength conversion element 30 configured as described above, the refractive index distribution in the substrate thickness direction is basically a graded type. The refractive index distribution in this direction is controlled by changing the proton exchange condition and controlling the proton diffusion concentration. It can be easily controlled. Therefore, the optical wavelength conversion element 30 can be manufactured with high productivity as compared with a conventional product that requires high-precision surface polishing in order to have 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 34 is a step type, the light wavelength conversion element 30 can have a strong light confinement.
[0051]
Therefore, in this optical wavelength conversion element 30, the overlap between the fundamental wave and the wavelength conversion wave is increased, and the mode matching efficiency is improved, whereby high wavelength conversion efficiency can be obtained. Further, by optimizing the proton exchange conditions, it is possible to realize a refractive index step having good optical confinement in the substrate thickness direction.
[0052]
In the present embodiment, after the proton diffusion layer 12 is formed on the surface portion of the MgO-LN substrate 11, the proton diffusion layer 12 is etched to form the ridge structure 34. It can be manufactured with high productivity.
[0053]
The waveguide performance of this optical wavelength conversion element 30 was previously evaluated by the apparatus shown in FIG. 2. In this case as well, the mode field of the guided light is observed in the optical waveguide portion composed of the ridge structure 34, and the light guiding is performed. A wave was confirmed.
[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 proton diffusion layer 12 having a higher refractive index than that of the substrate material is formed on a 0.4 mm thick, Z-cut MgO-LN substrate 11 doped with 5 mol% of MgO. This proton diffusion layer 12 is also formed basically in the same manner as in the first embodiment.
[0056]
Next, as shown in FIG. 2B, a Li diffusion layer 41 having a lower refractive index than that of the proton diffusion layer 12 is formed on the surface of the proton diffusion layer 12. The Li diffusion layer 41 is formed by heat-treating the MgO-LN substrate 11 in a Li-rich atmosphere. The heat treatment conditions are, for example, a temperature of 330 ° C. and a treatment time of 10 hours.
[0057]
Next, as shown in FIG. 2C, two grooves 13 extending linearly in one direction (a direction perpendicular to the drawing sheet) from the surface side of the MgO-LN substrate 11 where the Li diffusion layer 41 is formed. 13 are formed to form a ridge structure 44 extending in a channel shape in the X-axis direction. Also in this embodiment, a groove process is performed using a dicing saw. Resin-bonded diamond abrasives are used for the blade, the conditions are a rotational speed of 30000 rpm, a feed rate of 1 mm / s (seconds), a groove interval of 10 μm, and a groove depth of MgO-LN below the proton diffusion layer 12. The depth reaching the substrate 11 is, for example, 0.1 mm.
[0058]
Next, the wafer-like MgO-LN substrate 11 is cut outside each of the two grooves 13 so that only one ridge structure 44 is included, and the ridge structure 44 is cut to a predetermined length. Then, by polishing both end faces in this length direction (surfaces that become a light incident surface and an output end surface, the X plane), an optical waveguide type optical wavelength conversion element 40 having a periodic domain inversion structure is obtained.
[0059]
As is clear from the above, in this optical wavelength conversion element 40, a ridge structure 44 extending in a channel shape is formed on the MgO-LN substrate 11, and the refractive index higher than that of the substrate material extending between both side ends of the ridge in this ridge structure 44. An optical waveguide portion made of the proton diffusion layer 12 is formed. In this example, in particular, the proton diffusion layer 12 is embedded in the Li diffusion layer 41 and the MgO-LN substrate 11 having a lower refractive index than that in the ridge structure 44, thereby forming an embedded waveguide. .
[0060]
Also in this embodiment, the same effects as in the first embodiment can be basically obtained. In addition to this, in the optical wavelength conversion element 40 of the present embodiment, since it is formed as a buried waveguide as described above, symmetry occurs in the refractive index distribution in the substrate thickness direction, and the fundamental wave and the wavelength conversion wave overlap. Becomes larger and the mode matching efficiency is further improved.
[0061]
With respect to the optical wavelength conversion element 40, the waveguide performance was previously evaluated by the apparatus shown in FIG. A wave was confirmed.
[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 proton diffusion layer 12 when the grooves 13 and 13 are processed as compared with the first embodiment shown in FIG. The points described above are different, and the other points are basically the same.
[0063]
First, as shown in FIG. 3A, a proton diffusion layer 12 having a higher refractive index than that of the substrate material is formed on a MgO-LN substrate 11 having a thickness of 0.4 mm doped with 5 mol% of MgO. In the present embodiment, the proton diffusion layer 12 is formed as follows. First, the surface of the MgO-LN substrate 11 is washed with an organic solvent. Next, the cleaned substrate 11 is immersed in an acid solution to perform proton exchange. At this time, pyrophosphoric acid is used as the acid, the temperature is 200 ° C., and the immersion time is 5 hours. The atmosphere is an air atmosphere. Next, this MgO-LN substrate 11 is annealed to diffuse protons. The heat treatment conditions are 350 ° C. and 20 hours in the atmosphere.
[0064]
Next, as shown in FIG. 4B, a Si (silicon) substrate 51 having a thickness of 0.2 mm is bonded onto the proton diffusion layer 12 of the MgO-LN substrate 11 as an example. In the present embodiment, the aforementioned room temperature direct bonding is applied to this bonding. This room temperature direct joining is performed as follows.
[0065]
Both the MgO-LN substrate 11 and the Si substrate 51 are supplied in wafer form. First, those wafers subjected to surface etching or organic cleaning using a strong acid such as hydrofluoric acid are mounted in the front chamber of the vacuum chamber of the cleaning apparatus. Vacuum the chamber (10 -1 The wafers are automatically transferred to the Ar fast atom beam irradiation area. Then, dirt such as an oxide film on the bonding interface of the wafer is removed at an atomic level by an Ar fast atom beam.
[0066]
The MgO-LN substrate 11 and the Si substrate 51 thus cleaned are automatically transferred to a mechanical press apparatus in the same chamber. The two wafers are pressed by the pressing device in a direction in which the cleaned interfaces come into close contact with each other, and the bonding is completed. Both bonded wafers are automatically transferred to the rear chamber. Then, only the rear chamber portion is returned to normal pressure, and the bonded wafer is taken out.
[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-LN substrate 11 having a diameter of 4 inches, the surface roughness Ry is preferably 10 nm or less (particularly desirably 1 nm or less) and the flatness is 1 μm or less.
[0068]
Thereafter, as shown in FIG. 2C, the bonded Si substrate 51 is surface-ground to a thickness of several tens of μm to reduce the burden on the blade during subsequent groove processing. In this case, the surface roughness can be further reduced by performing loose abrasive processing.
[0069]
Next, as shown in FIG. 4D, two grooves 13 and 13 extending linearly in one direction (in the direction perpendicular to the drawing sheet in the X-axis direction) from the surface-ground Si substrate 51 side are formed. Then, a ridge structure 54 extending in a channel shape in the X-axis direction is formed. In the present embodiment, the groove processing is performed using a dicing saw. Resin bond diamond abrasive grains are used for the blade, the rotation speed is 30000 rpm, the feed speed is 1 to 5 mm / s (seconds), the groove interval is 4 to 16 μm, the groove depth is the thickness of the Si substrate 51 +20 μm, The groove length is about 50 mm.
[0070]
Next, as shown in FIG. 5E, the Si substrate 51 is removed using a Si etchant such as fluorinated nitric acid or TMAH. And 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 an SEM (scanning electron microscope). As a result, the upper corner of the ridge structure 54 (as indicated by a broken-line circle A in FIG. It was confirmed that the chipping generated in the portion (shown) was greatly reduced. If the surface roughness Ry of the wafer is large, the bonding strength between the two wafers may vary, and the occurrence of chipping may not be completely suppressed.
[0071]
Thereafter, the wafer-like MgO-LN substrate 11 is cut outside each of the two grooves 13 so that only one ridge structure 54 is included, and the ridge structure 54 has a predetermined length. The optical waveguide type optical wavelength conversion element 50 is obtained by cutting and polishing both end faces in the length direction (surfaces that become the light incident surface and the output end surface, the X surface).
[0072]
With respect to this optical wavelength conversion element 50, the waveguide performance was previously evaluated by the apparatus shown in FIG. 2. In this case as well, the mode field of the guided light is observed in the optical waveguide portion composed of the ridge structure 54, and the light guiding is performed. A wave was confirmed. Further, in this optical wavelength conversion element 50, it was confirmed that the propagation loss was reduced by 2 dB or more compared to the case where the Si substrate 51 was not grooved and grooved.
[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 proton diffusion layer 12 when the grooves 13 and 13 are formed. The other member is used as a clad portion, and the other points are basically the same.
[0074]
First, as shown in FIG. 3A, a proton diffusion layer 12 having a higher refractive index than that of the substrate material is formed on a MgO-LN substrate 11 having a thickness of 0.4 mm doped with 5 mol% of MgO. In the present embodiment, the proton diffusion layer 12 is formed as follows. First, the surface of the MgO-LN substrate 11 is washed with an organic solvent. Next, the cleaned substrate 11 is immersed in an acid solution to perform proton exchange. At this time, pyrophosphoric acid is used as the acid, the temperature is 200 ° C., and the immersion time is 5 hours. The atmosphere is an air atmosphere. Next, this MgO-LN substrate 11 is annealed to diffuse protons. The heat treatment conditions are 350 ° C. and 20 hours in the atmosphere.
[0075]
Next, as shown in FIG. 2B, as an example, a 0.2 mm thick LiNbO film is formed on the proton diffusion layer 12 of the MgO-LN substrate 11. 3 A substrate (hereinafter referred to as an LN substrate) 61 is bonded. The LN substrate 61 is not doped with MgO and is not subjected to proton exchange, and has a lower refractive index than the proton diffusion layer 12 on the MgO-LN substrate 11. In the present embodiment, the aforementioned room temperature direct bonding is applied to this bonding. This room temperature direct joining is performed as follows.
[0076]
Both the MgO-LN substrate 11 and the LN substrate 61 are supplied in wafer form. First, those wafers subjected to surface etching or organic cleaning using a strong acid such as hydrofluoric acid are mounted in the front chamber of the vacuum chamber of the cleaning apparatus. Vacuum the chamber (10 -1 The wafers are automatically transferred to the Ar fast atom beam irradiation area. Then, dirt such as an oxide film on the bonding interface of the wafer is removed at an atomic level by an Ar fast atom beam.
[0077]
The MgO-LN substrate 11 and the LN substrate 61 thus cleaned are automatically transferred to a mechanical press apparatus in the same chamber. The two wafers are pressed by the pressing device in a direction in which the cleaned interfaces come into close contact with each other, and the bonding is completed. Both bonded wafers are automatically transferred to the rear chamber. Then, only the rear chamber portion is returned to normal pressure, and the bonded wafer is taken out.
[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-LN substrate 11 having a diameter of 4 inches, the surface roughness Ry is 1 nm or less and the flatness is 1 μm or less.
[0079]
Thereafter, as shown in FIG. 3C, the bonded LN substrate 61 is surface ground to a thickness of several tens of μm to reduce the burden on the blade during subsequent groove processing. In this case, the surface roughness can be further reduced by performing loose abrasive processing.
[0080]
Next, as shown in FIG. 6D, the two grooves 13 and 13 extending linearly in one direction (in the direction perpendicular to the drawing sheet in the X axis direction) from the surface-ground LN substrate 61 side are formed. Then, a ridge structure 64 extending in a channel shape in the X-axis direction is formed. In the present embodiment, the groove processing is performed using a dicing saw. Resin bond diamond abrasive grains are used for the blade, the rotation speed is 30000 rpm, the feed speed is 1 to 5 mm / s (seconds), the groove interval is 4 to 16 μm, the groove depth is the thickness of the LN substrate 61 +20 μm, The groove length is about 50 mm.
[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 LN substrate 61 was not joined.
[0082]
Thereafter, the wafer-like MgO-LN substrate 11 is cut outside each of the two grooves 13 so that only one ridge structure 64 is included, and the ridge structure 64 has a predetermined length. The optical waveguide type optical wavelength conversion element 60 is obtained by cutting and polishing both end surfaces in this length direction (surfaces that become the light incident surface and the output end surface, the X surface). Note that the LN substrate 61 having a refractive index lower than that of the proton diffusion layer 12 is left as it is to form a cladding portion.
[0083]
With respect to this optical wavelength conversion element 60, the waveguide performance was previously evaluated by the apparatus shown in FIG. 2. In this case as well, the mode field of the guided light is observed in the optical waveguide portion composed of the ridge structure 64, and the light guide A wave was confirmed. Further, in this optical wavelength conversion element 60, it was confirmed that the propagation loss was reduced by 2 dB or more as compared with the case where the LN substrate 61 was not grooved and grooved.
[0084]
Instead of the LN substrate 61 as another member remaining on the proton diffusion layer 12 as described above, lithium tantalate (TaNbO) that is not ion-diffused is used. 3 ) A substrate or the like can also be used. Also, congruent (coincidence melting) LiNbO is used as a substrate for ion diffusion to form an optical waveguide. 3 While using a substrate, etc., stoichiometry (stoichiometric composition) LiNbO as another member as described above 3 Or TaNbO 3 May be used.
[0085]
In the fourth and fifth embodiments described above, the MgO-LN substrate 11 and the separate member are joined by the press means, but they can be joined by another means. For example, as shown in FIG. 7, the MgO-LN substrate 11 on which the proton diffusion layer 12 is formed is placed on a magnetic base plate 70, and another member 71 made of an iron-based material is formed on the proton diffusion layer 12. It is possible to process the grooves 13 and 13 with the dicing saw 72 while strongly joining the separate member 71 to the proton diffusion layer 12 by the magnetic force acting between the separate member 71 and the base plate 70. . This method has an advantage that the separate member 71 can be easily detached from the MgO-LN substrate 11 after the grooves 13 and 13 are processed.
[0086]
Furthermore, it is possible to join another member to the proton diffusion layer 12 on the MgO-LN substrate 11 by applying a mechanical clamping means using a screw or the like.
[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-LN substrate 11 as described above. Techniques can also be adopted. For example, as shown in FIG. 8, the groove processing portion of the MgO-LN substrate 11 on which the proton diffusion layer 12 is formed is irradiated with laser light 73, and stress on the MgO-LN substrate 11 due to heating / shrinkage by the laser light 73 is applied. It is effective to dice along. By doing so, the stress of the MgO-LN substrate 11 at the time of groove processing can be relaxed, and the occurrence of chipping in portions other than the laser light irradiation region can be suppressed.
[0088]
Also, as shown in FIG. 9 (a), after forming the proton diffusion layer 12 on the MgO-LN substrate 11, in the method of cutting the grooves 13 and 13 by dicing as shown in FIG. It is also effective to use a dicing saw 72 whose arc is chamfered. That is, by doing so, the edge portions of the grooves 13 and 13 become rounded obtuse as shown in FIG. 5C, and the occurrence of chipping can be suppressed.
[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 grooves 13 and 13 by dicing as shown in FIG. 10B after forming the proton diffusion layer 12 on the MgO-LN substrate 11 as shown in FIG. As shown in FIG. 3C, the paste-like filler 74 having a refractive index different from that of the MgO-LN substrate 11 is filled in the grooves 13 and 13 and then solidified. Next, as shown in FIG. If the surface of the filler 74 is ground or polished, the generated chipping is removed by grinding or polishing. As the paste-like filler 74, a protective resist or the like can be used. In this case, the optical waveguide element can be used with the filler 74 remaining in the grooves 13, 13, or the filler 74 is removed as shown in FIG. Elements can also be used.
[0090]
Further, the optical waveguide element having the proton diffusion layer 12 as the ion diffusion layer has been described above. However, the present invention is not limited to the proton diffusion layer, and the optical waveguide unit is not limited to the proton diffusion layer but may be an ion diffusion layer such as a Ti (titanium) diffusion layer. Similarly, the present invention can be applied to the optical waveguide element constituting the same, and in this case, the same effect can be obtained.
[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 (beam diameter 10 μm) and an optical waveguide is assumed, and the coupling efficiency with the fiber was also verified. Further, as the ridge shape, a vertical ridge shape (width 10 μm, processing depth infinite, side wall vertical) as shown in FIG. 11 and a taper shape (upper end width 8 μm, processing depth t = 1, 2, as shown in FIG. 12). (4, 6, 10, 18 μm, side wall 75 ° taper shape). 12A to 12F schematically show ridge shapes in which the machining depth t is the above six values.
[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)

LiNbO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光導波路素子。An optical waveguide element in which a ridge structure extending in a channel shape is formed on a LiNbO 3 substrate, and an optical waveguide portion made of an ion diffusion layer having a higher refractive index than that of the substrate material is formed extending between both ends of the ridge in the ridge structure. . 前記イオン拡散層が、プロトン交換層からなることを特徴とする請求項1記載の光導波路素子。2. The optical waveguide element according to claim 1, wherein the ion diffusion layer comprises a proton exchange layer. 前記イオン拡散層の上に、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を特徴とする請求項1または2記載の光導波路素子。3. The optical waveguide device according to claim 1, wherein a cladding portion having a refractive index lower than that of the optical waveguide portion is formed on the ion diffusion layer. 前記クラッド部の屈折率が基板材料の屈折率と略等しいことを特徴とする請求項3記載の光導波路素子。4. The optical waveguide device according to claim 3, wherein a refractive index of the cladding portion is substantially equal to a refractive index of the substrate material. 前記クラッド部が、前記イオン拡散層にLi拡散を行って形成されたものであることを特徴とする請求項3または4記載の光導波路素子。5. The optical waveguide element according to claim 3, wherein the clad portion is formed by performing Li diffusion on the ion diffusion layer. 前記クラッド部が、前記イオン拡散層の上に、基板とは別の部材を接合して形成されたものであることを特徴とする請求項3または4記載の光導波路素子。5. The optical waveguide element according to claim 3, wherein the clad portion is formed on the ion diffusion layer by bonding a member different from the substrate. 請求項1から6いずれか1項記載の光導波路素子を作製する方法であって、
LiNbO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.
請求項1から6いずれか1項記載の光導波路素子を作製する方法であって、
LiNbO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.
前記機械加工が、ダイシングソーによる切削加工であることを特徴とする請求項8記載の光導波路素子の作製方法。9. The method of manufacturing an optical waveguide element according to claim 8, wherein the machining is a cutting process using a dicing saw. 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.
前記切削加工後に、前記別の部材を基板から取り外すことを特徴とする請求項10記載の光導波路素子の作製方法。The method of manufacturing an optical waveguide element according to claim 10, wherein the another member is removed from the substrate after the cutting process. 前記切削加工後に、前記別の部材を基板に接合したままの状態としておくことを特徴とする請求項10記載の光導波路素子の作製方法。The method of manufacturing an optical waveguide element according to claim 10, wherein after the cutting process, the another member is kept bonded to the substrate.
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