JP2005221894A - 波長変換素子用薄膜基板の製造方法および波長変換素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大面積にわたって均一な組成と、膜厚を有する波長変換素子用薄膜基板を製造する。
【解決手段】 二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する第１基板２１と、第２基板２２とを熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第１工程と、第１基板２１を、光導波路を形成するための所定の厚さに研磨する第２工程と、第１基板２１と第３基板２３とを熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第３工程とを備えた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、波長変換素子用薄膜基板の製造方法および波長変換素子の製造方法に関し、より詳細には、非線形光学媒質中で生じる差周波発生効果を用いて信号光の波長を異なる波長に変換する波長変換素子およびその波長変換素子用薄膜基板の製造方法に関する。

近年、光通信システムの通信容量の増大を図るために、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）通信システムが積極的に導入されている。このようなＷＤＭ通信システムにおいては、限られた波長数を有効に利用するために、信号波長を任意の信号波長に変換する波長変換素子の実用化が求められている。

従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子等が知られている。しかしながら、これら波長変換素子は、システムにおいて求められる、高効率、高速、広帯域、低ノイズ、偏波無依存などの条件を満足させることができなかった。

一方、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子の応用が期待されている。図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。波長変換素子は、比較的小さな光強度を有する信号光Ａと、比較的大きな光強度を有する制御光Ｂとを合波する合波器１１と、分極反転構造を有する非線形光学結晶からなる導波路１２と、差周波光Ｃと制御光Ｂとを分離するに分波器１３とから構成されている。信号光Ａは、導波路１２において、別の波長を有する差周波光Ｃへと変換され、制御光Ｂと共に出射される。例えば、制御光Ｂの波長λ１＝０．７７μｍとした場合、波長λ２＝１．５５μｍの信号光Ａは、波長λ３＝１．５３μｍの差周波光Ｃに変換される。

このような、擬似位相整合を利用した波長変換素子を作製する方法は、ニオブ酸リチウムなどの非線形光学結晶基板に周期分極反転構造を作製した後、プロトン交換導波路を作製することによって波長変換素子を作製していた。

これに対して、導波路中への光閉じ込めを改善し、バルクもしくはバルクに近い非線形効果を利用した高効率な波長変換を実現するために、リッジ型の光導波路構造を有する波長変換素子が提案されている。リッジ型の光導波路を有する波長変換素子は、液相エピタキシャル法によって成長されたニオブ酸リチウムなどの単結晶膜に、通常のフォトリソグラフィによってエッチングマスクを作製し、それに続くドライエッチングプロセスにおいて、マスク以外の単結晶膜を除去することによって作製される。

一方、リッジ型の光導波路を作製する別の方法として、Ｍｇ添加ニオブ酸リチウム基板に周期分極反転構造を作製した後に、別に用意したニオブ酸リチウム基板に接着剤を用いて接着し、Ｍｇ添加ニオブ酸リチウム基板の基板厚さを平面研削加工によって薄くした後に、ダイシングソーを用いて超精密研削加工によりリッジ型光導波路を作製することが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

レーザ研究、第２８巻第９号、ｐ．６０１〜６０３

しかしながら、プロトン交換導波路は、拡散型の屈折率分布をもち、基板の深さ方向における導波モードが非対称であること、および、プロトン交換処理によって基板表面に高濃度のＨイオンが存在し、結晶構造が異なることにより、導波路部分の非線形光学効果が劣化するという問題があった。

また、液相エピタキシャル法による単結晶膜の作製は、作製面積を大きくすることが難しい。例えば、３インチウエハの全面にわたって均一な組成または膜厚を有する単結晶膜の作製は困難であった。

さらに、基板同士を接着剤により貼合せる方法は、接着剤と基板の熱膨張係数が異なるために、温度が変化した時に薄膜に割れが生じるという問題があった。加えて、導波路中で発生するＳＨＧ光によって接着剤が劣化するために、動作中に導波路損失が増加し、波長変換素子の効率が劣化するという問題もあった。さらにまた、接着層の不均一性のために単結晶膜の膜厚が不均一となり、波長変換素子の位相整合波長がずれるという問題もあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ウエハの全面にわたって均一な組成または膜厚を有し、波長変換素子の製造に好適な薄膜基板の製造方法、およびこの薄膜基板を用いて、分極反転構造を有する光導波路を含む高効率の波長変換素子の製造方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する第１基板と、第２基板とを熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第１工程と、前記第１基板を、光導波路を形成するための所定の厚さに研磨する第２工程と、前記第１基板と第３基板とを熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第３工程とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記第２基板および前記第３基板の熱膨張係数は、前記第１基板の熱膨張係数にほぼ一致することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記第２基板および前記第３基板において、前記第１基板と接合する表面層の使用波長領域における屈折率は、前記第１基板の屈折率よりも小さいことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記第１基板は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ｋ_（ｙ）Ｌｉ_{（１−ｙ）}Ｎｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＫＮｂＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の前記第２工程における前記所定の厚さは、２０μｍ以下であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の前記第１工程における熱処理は、前記１基板のキュリー温度より低い温度で行うことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する第１基板と、第２基板とを熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第１工程と、前記第１基板を、光導波路を形成するための所定の厚さに研磨する第２工程と、前記第１基板と第３基板とを熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第３工程と、前記第３基板を切削してコアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第４工程とを備えたことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の前記第４工程は、前記第３基板と前記第１基板とを切削してコアを形成することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の前記第４工程は、前記第３基板、前記第１基板および前記第２基板の一部を切削してコアを形成することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、大面積にわたって均一な組成と、膜厚を有する波長変換素子用薄膜基板を製造することができ、この波長変換素子用薄膜基板を用いて、長尺で変換効率の高い波長変換素子を製造することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。擬似位相整合を利用した波長変換素子の効率を改善するためには、変換効率が原理的に相互作用長、すなわち周期的な分極反転構造を有する導波路長の２乗に比例することから、素子の長さを長くすることが必要である。従って、波長変換素子を作製するための非線形光学結晶基板を大面積化することが必要である。さらに、基板上に作製された光導波路における信号光と制御光との光電界の重なりを良くすることが重要である。

このとき、入射された制御光と信号光とは、光導波路の基底モードを励振することが望ましい。さらに、高いパワー密度を光導波路中で得るようにするためには、光導波層すなわち非線形光学結晶膜の厚さがおよそ２０μｍ以下であることが望ましい。光導波層の厚さが２０μｍ以上であると、信号光と制御光とが多モード状態となって、光電界の重なりを良くすることが難しい。

そこで、厚さ２０μｍ以下で長尺の波長変換素子を作製するために、以下のような手順で薄膜基板を製造する。最初に、非線形光学結晶からなる第１基板と第２基板とを、拡散による直接接合により貼り合わせる（第１工程）。第１基板は、非線形定数を周期的に変調した周期分極反転構造を有する。第２基板は、第１基板と熱膨張係数がおよそ一致する非線形光学結晶基板または非晶質光学基板とする。非線形光学結晶基板は、第１基板と同種の非線形光学結晶であってもよいし、異種の非線形光学結晶であってもよい。第２基板の屈折率は、第１基板の屈折率よりも小さい。

第１工程においては、第２基板にマイクロパーティクルが極力存在しないような清浄雰囲気中で直接重ね合わせ、電気炉中で熱処理することによって拡散接合する。基板を熱処理する温度は、第１基板のキュリー温度より低いことが望ましい。キュリー温度以上の温度で熱処理すると、変調してある非線形定数が乱れることになるので好ましくない。特に、非線形光学結晶基板としてＬｉＴａＯ_３を用いた場合には、キュリー温度が６５０℃であるので、６５０℃を越える温度で熱処理することは好ましくない。

第１基板と第２基板とを貼り合わせた後に、第１基板を研削、研磨またはエッチングなどの方法により、２０μｍ以下の膜厚になるよう調整する（第２工程）。次に、非線形定数を有する第１基板側に新たに第３基板を、第１工程と同様に拡散接合する（第３工程）。第３基板は、第１基板と熱膨張係数がおよそ一致する非線形光学結晶基板または非晶質光学基板とする。第３基板の屈折率は、第１基板の屈折率よりも小さい。このようにして、波長変換素子の光導波路に好適な非線形単結晶薄膜基板を製造する。

本実施形態においては、基板の接合に接着剤を用いておらず、基板同士の直接接合である点が従来の方法とは異なる。また、引き続いて本発明の薄膜基板を用いて波長変換素子を作製する場合には、第３工程に続いて、ダイシングソーを用いた超精密研削加工によってリッジ型の光導波路を作製することもできるし、ドライエッチングあるいはウエットエッチング法によってリッジ型の光導波路を作製することもできる（第４工程）。

本実施形態によれば、リッジ型の光導波路のコアの上部に、第３基板からなる低屈折率層を有する波長変換素子が作製される。第３基板は、コア上部の保護膜として機能するとともに、付着物による吸収損失や屈折率変動を低減することができる。また、コアの上部を空気層より屈折率の大きい材料で覆うため、導波モードの上下方向の対称性が改善され、波長変換の効率を改善することができる。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら制限されるものではない。

図２に、本発明の一実施形態にかかる波長変換素子用薄膜基板の製造方法を示す。第１基板２１は、予め周期的に分極を反転したＺカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ_３基板であり、第２基板２２は、ＺカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ_３基板である。第３基板２３は、第２基板２２と同じＺカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ_３基板である。第１基板２１、第２基板２２および第３基板２３は、何れもＬｉＮｂＯ_３に添加物を添加した基板であり、熱膨張係数がほぼ一致している。また、添加物の種類を変えることにより、第１基板２１の屈折率は、第２基板２２および第３基板２３の屈折率よりも大きい。なお、いずれの基板も、少なくとも接合される面が光学研磨され、または鏡面を呈している。

第１工程は、第１基板２１および第２基板２２の表面を通常の酸洗浄またはアルカリ洗浄によって親水性にした後に、２つの基板をマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた２つの基板を電気炉に入れ、４００℃で１時間熱処理することにより拡散接合を行う。接着された基板は、接合面にマイクロパーティクルの付着がなく、ボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどの発生はなかった。

第２工程は、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の第１基板２１の厚さｄが２０μｍ以下になるまで研磨加工を施す。本実施例では、ｄ＝８μｍとした。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得ることができる。基板の平行度（最大高さと最小高さとの差）を光学的な平行度測定機を用いて測定し、ウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度を得る。この薄膜基板は、接着剤を用いず、第１基板２１と第２基板２２とを熱処理による拡散接合によって直接貼合せたので、ウエハの全面積にわたって均一な組成を有する。第３工程は、研磨されたで第１基板２１の上に、第３基板２３を第１工程と同様に拡散接合する。このようにして、波長変換素子用薄膜基板を製造する。

図３に、本発明の一実施形態にかかる波長変換素子の製造方法を示す。上述した波長変換素子用薄膜基板にドライエッチングプロセスを用いて光導波路を作製する（第４工程）。波長変換素子用薄膜基板表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製する。次に、ドライエッチング装置に基板をセットし、ＣＦ_４ガスをエッチングガスとして基板表面をエッチングする。なお、ドライエッチングではエッチング量を大きくすることが難しいので、予め第３工程の後に、第３基板２３の厚みを研磨で薄くしている。この場合、研磨後の第３基板２３の厚みは、光導波路としての特性の変化がほとんど無視できる４μｍとした。このようにして、高さ１０μｍ、幅８μｍのリッジ型光導波路を薄膜基板に作製することができる。

図４に、波長変換素子の製造方法の他の実施形態を示す。第４工程において、リッジ型光導波路を、以下のように様々な形状とすることかできる。図４（ａ）は、第３基板２３のみをエッチングする。いわゆる装荷型導波路であり、第３基板２３が存在する第１基板２１の部分に光を閉じ込めることができ、図中の丸印Ａがコアに相当する。図４（ｂ）は、第３基板２３と第２基板２２とをエッチングする。図４（ｃ）は、第３基板２３、第２基板２２および第１基板２１の一部をエッチングする。この光導波路は、図３、図４（ａ），（ｂ）の光導波路と比較して、導波モードの上下方向の対称性に関して、最も改善効果が大きく、変換効率を高めることができる。

図５に、波長変換素子の製造方法の第５工程を示す。リッジ型光導波路を、３インチウエハである薄膜基板に平行に複数本作製する。各々の光導波路ごとに基板を短冊状に切りだし、光導波路の両端面を光学研磨することによって、３インチウエハから長さ６０ｍｍの波長変換素子を作製する。作製した波長変換素子に波長０．７７μｍの制御光と、波長１．５５μｍの信号光とを入射したところ、波長１．５３μｍの変換光が得られ、５００％／Ｗ以上の高効率な波長変換を実現できた。

なお、第１基板２１としてＺカットＬｉＮｂＯ_３基板を用い、第２基板２２および第３基板２３としてＺカットＬｉＴａＯ_３基板を用いた場合においても、本実施例と同様の波長変換素子用薄膜基板および波長変換素子を作製することができる。このほか、第１基板２１として、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ｋ_（ｙ）Ｌｉ_{（１−ｙ）}Ｎｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＫＮｂＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４、または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有した基板などを用いることもできる。

また、第２基板２２および第３基板２３として、熱膨張係数の値が第１基板２１の値に近く、屈折率が第１基板２１よりも小さいガラス基板、または結晶基板を用いることもできる。ここで、ガラス基板材料としては、多成分石英ガラス、リン酸ガラス、鉛ガラス、フッ化物ガラス、テルライトガラスなどの材料を用いることができる。ガラス基板材料の組成を適宜調整することによって、所望の熱膨張係数や屈折率を有するガラス基板を作製することは、ガラス基板材料を製造する当該業者が適宜なしうるものである。

結晶基板においては、水晶、ＬｉＴａＯ_３等が挙げられる。水晶のｚ軸に垂直な面内方向において、熱膨張係数は１３．６×１０^−６／Ｋであり、ＬｉＮｂＯ_３熱膨張係数に近い。ＬｉＮｂＯ_３の屈折率が２．１であるのに対して、水晶の屈折率は１．５３と小さいため、本実施形態に好適である。ＬｉＴａＯ_３についても同様である。

さらに、光導波路の作製手段として、ドライエッチング法を用いた例を示したが、ウェットエッチング法を用いても良い。また、ダイシングソーを用いた超精密研削加工によっても光導波路を作製することもできる。この場合は、溝の深さを大きくとることができるので、第３基板２３の厚さを薄くする必要はない。

本実施形態によれば、波長変換素子の製造に好適な波長変換素子用薄膜基板の製造方法を提供することができ、例えば、３インチウエハのほぼ全面積にわたって、均一な組成と膜厚を有するようなニオブ酸リチウムの薄膜基板を提供することが可能である。

従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる波長変換素子用薄膜基板の製造方法を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる波長変換素子の製造方法を示す図である。 波長変換素子の製造方法の他の実施形態を示す図である。 波長変換素子の製造方法の第５工程を示す図である。

符号の説明

１１ 合波器
１２ 非線形導波路
１３ 分波器
２１ 第１基板
２２ 第２基板
２３ 第３基板
２４ マスク

Claims (9)

1. 二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する第１基板と、第２基板とを熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第１工程と、
   前記第１基板を、光導波路を形成するための所定の厚さに研磨する第２工程と、
   前記第１基板と第３基板とを熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第３工程と
   を備えたことを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
2. 前記第２基板および前記第３基板の熱膨張係数は、前記第１基板の熱膨張係数にほぼ一致することを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
3. 前記第２基板および前記第３基板において、前記第１基板と接合する表面層の使用波長領域における屈折率は、前記第１基板の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
4. 前記第１基板は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ｋ_（ｙ）Ｌｉ_{（１−ｙ）}Ｎｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＫＮｂＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項１、２または３に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
5. 前記第２工程における前記所定の厚さは、２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
6. 前記第１工程における熱処理は、前記１基板のキュリー温度より低い温度で行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
7. 二次非線形光学効果を有する材料からなり、周期的な分極反転構造を有する第１基板と、第２基板とを熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第１工程と、
   前記第１基板を、光導波路を形成するための所定の厚さに研磨する第２工程と、
   前記第１基板と第３基板とを熱処理による拡散接合によって貼り合わせる第３工程と、
   前記第３基板を切削してコアを形成し、リッジ型の光導波路を作製する第４工程と
   を備えたことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
8. 前記第４工程は、前記第３基板と前記第１基板とを切削してコアを形成することを特徴とする請求項７に記載の波長変換素子の製造方法。
9. 前記第４工程は、前記第３基板、前記第１基板および前記第２基板の一部を切削してコアを形成することを特徴とする請求項７に記載の波長変換素子の製造方法。

Images