JP2005292245A - 光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の光導波路素子では、屈折率のほぼ等しい基板を貼り合わせて形成する場合、中間層を設ける必要があり、このために高価になっていた。
【解決手段】光学研磨された第１の基板１と光学研磨された第２の基板２とを直接接合してなる光学素子において、第１の基板１内に光導波路５を備え、少なくとも光導波路５の下の直接接合面４に微小な空孔３を備えた光学素子であり、これにより中間層が不要となり、低価格化および接合強度の向上が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は直接接合された基板に形成される光学素子とその製造方法に関するものである。

従来直接接合技術は接着剤等を用いずに基板を強固に接合する技術として知られ、ガラス、半導体、強誘電体、圧電セラミックスなど様々な材料を高精度に接合することができる。このような直接接合された基板は、例えば直接接合基板（二枚一組の基板）の一方を薄板化した後、例えばリッジ加工して光導波路として利用することができる等、光学素子への応用が期待されている。これまでに、誘電体基板、半導体基板、ガラス基板等の直接接合基板における光学素子の一例として光導波路型素子が提案されている。特に上述した強誘電体結晶基板であるニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムを同種基板あるいはガラス基板と直接接合し光導波路を形成する方法は特許文献１において薄膜を介した直接接合基板が提案されている。図３は前記上記特許文献１に示されている薄膜を介した直接接合基板の断面図を示すものである。図３に示すように、保持基板２１と、ガラス基板２２と、光導波路部２３と、薄膜層ＳｉＯ₂やＳｉＮ２４とから構成されている。
特開平６−２２２２２９号公報

しかしながら、従来構成では、屈折率の等しい同種基板の直接接合基板に光導波路を形成することは困難であった。また、ニオブ酸リチウム基板とＭｇドープニオブ酸リチウム基板の直接接合のように、屈折率の異なる２種類の基板を直接接合した場合においても、屈折率の小さい方の基板に光導波路を形成することは不可能であった。特開平６−２２２２２９号においては薄膜層の表面粗さ制御が難しく、例えばＳｉＯ₂膜の成膜にはスパッタ膜や蒸着膜では膜表面粗さが大きく直接接合には不適当であるため、例えばＣＶＤ（Ｃhemical Ｖapor Ｄeposition：化学気相蒸着）装置など高価で大がかりな装置が必要であるという課題があった。また、薄膜の形状条件などにより薄膜と基板との密着性や接合強度が不均一な分布を持ち、機械加工に対する強度が十分得られないという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、直接接合基板に光導波路を形成することを可能とし、これにより中間層が不要となり、低価格化および接合強度を有した光学素子を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、光学研磨された第１の基板と光学研磨された第２の基板を直接接合してなる光学素子において、前記第１の基板内に光導波路を備え、少なくとも前記光導波路の下の直接接合面に微小な空孔を備えるものである。

本発明は、屈折率によらず直接接合基板に光導波路を形成することができ、低価格、および接合強度を有した光学素子を得ることができる。

（実施の形態１）
以下に本発明の実施の形態１における光学素子について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態１における光学素子の断面図である。

図１において、屈折率２．１９（波長０．６３３μｍの場合）のＭｇドープニオブ酸リチウムからなる第１の基板１と、屈折率２．２０（波長０．６３３μｍの場合）のニオブ酸リチウムからなる第２の基板２とを、直接接合面４で直接接合させたもので、第１の基板１を加工してリッジ型に形成された光導波路５の下の直接接合面に微小な空孔３を設けたものである。ここで、空孔３の高さを約０．５μｍ、直径約０．３μｍ、体積密度を約０．５とする。また、光導波路５については、高さ（空孔３からリッジ頂点までの高さ）を約４μｍ、リッジ頂部の幅を約５μｍ、リッジ高さ（リッジ部周辺からリッジ頂部までの高さ）を約１．５μｍとし、リッジ側面にリッジ部周辺よりも深くノッジ部６を深さ約０．１μｍで形成する。

第１の基板１に空孔３を設けることにより、空孔３を含む領域の屈折率を小さくすることができ、これにより、光導波路５の中に光を閉じこめることができる。

なお、本実施の形態１では、第１の基板１に空孔３を設けているが、第２の基板２の方に設けても構わない。但し、本実施の形態１のように、第１の基板１の屈折率が、第２の基板２の屈折率より小さい場合、第１の基板１の方に設ける方が、第１の基板１の屈折率との差を大きくしやすいため望ましい。

また、第１の基板１の屈折率が、第２の基板２の屈折率より大きい場合であっても、その差が小さい場合は閉じ込めが不十分になるため、本発明の効果が得られる。

また、空孔３は光導波路５の下に設けていれば、本発明の効果を得ることができるが、その周辺、あるいは直接接合面４全体に設けていても構わない。この場合、光導波路５と空孔３の位置合わせが容易になるという効果がある。

次に空孔の形状について述べる。光導波路の下部に微細な空孔を形成して屈折率の異なる部分を形成することが可能となり光の閉じ込めが実現できる。しかしながら、微細構造の大きさが光導波路を伝搬する光に対して十分小さい構造をとる必要がある。微細構造の形状が大きな場合には、導波路を伝搬する光が微細構造により散乱され導波路の損失が増大する。構造としては、微細構造の微小限界は加工精度によって決定されるが、空孔の直径が導波路を伝搬する光の波長の１／２以下望ましくは１／１０以下が望ましい。光の波長に対して十分小さな構造である場合、空孔により実質的な屈折率を制御できる。微細な空孔を形成した場合に、これらの分布が光導波路に与える影響を考慮する必要がある。規則正しく空孔を形成した場合、光導波路を伝搬する光に周期的な摂動を与えることになり、光の回折が生じる。これによって、光導波路の伝搬損失が増大する可能性がある。これを避けるために、空孔の配置はランダムな配置とし、規則性を持たせない構造が望ましい。

また、空孔の体積密度をＶ、基板の屈折率をｎとする空孔を形成した部分の屈折率は近似的にｎ＊（１−Ｖ）＋Ｖで表され、空孔の密度により実効的な屈折率を制御できる。これによって光導波路の閉じ込めを制御できる。例えば空孔の密度を部分的に変化させることで、光導波路のクラッド部分の屈折率を制御できる。さらに空孔の深さを変えることでクラッドの厚みを制御できるため、導波路の形状を自由に制御できる。この構造を用いることで、導波路の形状を３次元的に制御できるという利点を有する。テーパ構造や導波モードの形状を変化させるモード変換器等への応用が可能となる。

なお、空孔の高さは導波路を伝搬する光の波長の１／５以上が好ましい。空孔が形成されている部分は屈折率が異なるクラッド層として作用する。このクラッド層が十分厚くないと、光導波路を伝搬する光の電界分布が基板側に漏れて光導波路の伝搬損失増大の原因となる。クラッド層の厚みは空孔の面積密度により条件が変わるが、最低でも導波路を伝搬する光の波長の１／５以上必要である。より好ましくは導波路を伝搬する光の波長の１／２以上が必要である。導波路を伝搬する光の波長の１／５未満では導波損失が大幅に増大し、導波路を伝搬する光の波長の１／２より大きくなると低損失の光導波路が実現できる。また、高さが高くなると凸部または孔のアスペクト比が大きくなり加工の難易度が上がる、高さの限界は加工精度によって決定される。

次に空孔の配置について述べる。空孔の配置については２とおりの方法があり、空孔の形状とも関係する。第１の基板１に空孔を設けて、導波層を囲むクラッド層として利用する場合、クラッド層を実効的に導波層に比べて屈折率が小さい状態にする必要がある。この場合、クラッド層の空孔は導波層を伝搬する光が空孔を実質的な凹凸と感じない程度、即ち導波する光の波長の１／２以下の大きさにする必要があり、かつ空孔の配置をランダムにする必要がある。周期性が有る場合は回折による導波光の散乱が増大するからである。

一方、空孔による回折を利用して光を閉じ込める方法がある。フォトニッククリスタルと呼ばれている回折効果を利用した方法で、２次元的なブラッグ反射を利用して光を回折させる方法であるが、この場合の空孔の配置は回折を利用するため空孔の配置は周期的な配置が好ましい。導波層の底面に周期的な空孔を形成することで、光の回折を利用した深さ方向の閉じ込めが可能となる。

また、空孔の形状は２次元的な構造を示したが、１次元のストライプ構造も可能である。

次にリッジ部の形状について説明する。光導波路５の幅が導波路を伝搬する光の波長の２倍未満になると、導波路の伝搬損失が大幅に増大する。また導波路幅が導波路を伝搬する光の波長の１０倍より大きくなると、導波路を伝搬する光がシングルモード伝搬できなくなるため、光導波路５の幅は伝搬する光の波長の２倍から１０倍が好ましい。

また、光導波路５の高さについては、光導波路の高さとリッジの形状で導波モードのシングルモード性が決まり、光導波路の高さは導波路を伝搬する光の波長の２倍から５倍で低損失なシングルモード導波路が構成できる。光導波路の高さが導波路を伝搬する光の波長の２倍未満になると伝搬損失が増大する。また導波路の層の厚みが導波路を伝搬する光の波長の５倍より大きくなると導波路をシングルモードに設計するのが難しくなり、光導波路の高さは光導波路を伝搬する光の波長の２倍から５倍が好ましい。

次に、ノッジ形状について説明する。ノッジ部の形成による光導波路の横方向の閉じ込め効果は、特に光導波路を波長変換素子に適用する場合に有効となる。波長変換素子において、光導波路内で基本波が高調波に変換される。この場合の変換効率は、導波路内での基本波と高調波の電界分布の重なりにより決定される。光導波路がステップ上の屈折率分布をもつ閉じ込めの強い光導波路においては、理論的に基本波と高調波の電界分布はほぼ一致するため、高効率化が可能となる。

しかしながら、従来のノッジ形状を有さない光導波路においては、側面へ導波光の漏れが大きく、基本波と高調波の電荷分布の重なりが低下していた。これに対し、ノッジ部を形成することで、横方向の導波光の閉じ込めが飛躍的に向上し、さらに、導波路のパワー密度の向上もあわせて実現することができ、変換効率を従来の１．５倍に高めることが可能となる。ノッジ部を形成した光導波路により閉じ込めの強い光導波路構造が実現できる。

ノッジ部を形成した光導波路構造は、波長変換素子以外にも、電気光学効果を利用した光スイッチ等の素子にも有効である。導波光の横方向閉じ込めが強くなることで、導波路伝搬モードであるＴＥモードとＴＭモードの伝搬定数の差をほとんど同じに設計できる。研磨による光導波路の特徴は、プロトン交換導波路と異なり金属拡散導波路と同様に、ＴＥ，ＴＭの両モードの導波が可能となる点にある。両モードの伝搬が可能となれば、光通信分野への応用に必要不可欠な無偏光の導波路デバイスが実現できる。しかしながら、無偏光の特性を利用するためには、光導波路を伝搬するＴＥ，ＴＭモードの伝搬定数の制御が必要となる。従来の光導波路では、横方向の閉じ込めが弱いため、両モードの伝搬定数を一致させるのが難しかった、これに対して、ノッジ部を形成することで、光導波路の横方向の閉じ込めが強化され、ＴＥ（Ｔransverse Ｅlectric），ＴＭ（Ｔransverse Ｍagnetic）モードの伝搬定数の一致が可能となる。さらに、微細な空孔によりクラッド層の屈折率が制御できるため、モード間の伝搬定数の制御はより容易となる。

また、リッジ部の側面に形成するノッジの効果は、リッジ部周辺の厚みを薄くする方法に比較して素子の機械的強度を向上させることができる。

以下にその製造方法を説明する。

本実施の形態の素子構造を実現するために、まず第１の基板１の直接接合面に微小な凹部を形成する。微小な凹部を形成する方法は様々あるが、本実施の形態１ではドライエッチングを用いる。まず、全面にスパッタにより金属膜を成膜し、ポジ型のフォトレジストによりマスクパターンを形成する。パターン形成には微小パターンを形成するため光源にＩ線を用いた縮小投影型の露光装置を用いさらに照明系に傾斜照明を使用した結果、約０．３μｍの微小なマスクパターン形成が可能になる。その後、ドライエッチングによりフォトレジストをマスクに金属膜をエッチングすることで金属膜による微小なマスクパターンを形成する。

次に、マスクに用いたフォトレジストを除去した後に金属膜をマスクにドライエッチングにより第１の基板１をエッチングすることで微小な凹部を形成する。微小な凹部を精度よく加工するために、高真空で高密度プラズマを発生することのできるＩＣＰ（Ｉnductively Ｃoupled Ｐlasma）方式のエッチング装置を用いる。その結果、凹部の深さバラツキを約０．５μｍに対して５％以下に抑えることができる。その後、マスクに用いた金属膜を除去する。

次に第１の基板と第２の基板の接合の主面を親水処理し、第１の基板と第２の基板の結晶軸を合せて密着状態を加圧により実現する。その後、約５００℃で熱処理することで直接接合基板を形成することができる。

このようにして得られた微小な空孔３を有する接合基板に光導波路５を形成するために、第１の基板の厚みを約４．５μｍに研磨する。その後フォトリソグラフィー、ドライエッチングを用いて、第１の基板１にリッジ光導波路５の幅約５μｍで約１．５μｍの段差を形成する。

以上のように本実施の形態では、光学研磨された第１の基板１と光学研磨された第２の基板２を直接接合してなる光学素子において、第１の基板１内に光導波路５を備え少なくとも、光導波路５の下の直接接合面４に微小な空孔３を形成することにより、機械的強度を有した屈折率の異なる光学的クラッド部を光導波路５の下に形成することができ、直接接合基板で光導波路が形成できる。

また、直接接合を実現するにはＲｍａｘ５ｎｍ以下の表面粗さが必要になるため、１μｍサイズのダストは直接接合の欠陥要因になる。本実施の形態のように約０．３μｍの微小な空孔による直接接合領域を形成した場合は製造時に問題になるダストによる接合欠陥を低減する効果もこの素子構造で実現することができる。

次に、光導波路５のノッジ部６について詳細に述べる。ポジ型のフォトレジストによりノッジ部６のパターンを形成する。その後、ドライエッチングによりフォトレジストをマスクに第１の基板１をドライエッチングすることでノッジ部６をリッジ型の光導波路５とを同時に形成する。ドライエッチングは光導波路５の側壁にフォトレジストによる有機保護膜を形成しサイドエッチングを押さえ異方性のエッチングを実現できる。また、リッジ光導波路５の側面は、この側壁保護膜の効果を制御することによって深さ方向に６０度〜８９度の傾斜壁形状が実現できる。

この傾斜壁形状の効果での傾斜壁の終端部には基板をエッチングするイオンの数が増加する。このようにして光導波路５の周辺よりも深くエッチングされたノッジ部６をリッジ光導波路５側面に形成することができる。このノッジ形状は砥石を使用した研削加工では砥石エッジの摩耗によって安定的に加工することはできない。また、エキシマレーザーを使用したレーザーによる熱加工を用いた場合もレーザースポットのエネルギーの分布は中心のエネルギーが高い分布を有しているためノッジ形状を実現することができなかった。このようにリッジ型の光導波路５側面のノッジ部６はイオン性のドライエッチングによって加工することが可能になる。この製造方法を使用したノッジ部６を有する素子構造で光閉じ込め効率を高めることが可能となる。

（実施の形態２）
以下に本発明の実施の形態２を用いて、図面を参照しながら説明する。

図２は、本発明の実施の形態２における光学素子の構成を示す断面図である。

本実施の形態２と実施の形態１とで相違する点は、実施の形態１では第１の基板にリッジ形成することによって光導波路を形成しているが、本実施の形態２では光導波路の側面に微小な凹部を形成することにより、屈折率の異なるクラッド層を形成し、光の閉じ込めを可能とした点である。

光導波路５に沿って形成されるクラッド層が微細な凹部７によって形成される構成であり、周期的な微細な孔により光に対する禁止帯（フォトニクスバンド）を形成することができる効果が得られる。また、配列する凹部７の深さを光導波路５の側面部を深くした構成であり、深い凹部の効果によって効率よく光を閉じ込めるという効果が得られる。

また本実施の形態２においては、第１の基板１に凹部７を形成し、かつ光導波路５の側面部の凹部の深さを深くすることで、実施の形態１のノッジの効果を発揮し光閉じ込めを強固にするものである。

凹部７の径を約０．３μｍ、光導波路５の側面部の凹部の深さを約１．２μｍ、周辺の深さを約１μｍとすることで、実施の形態１でノッジ６を有する素子構造と同様に光閉じ込め効率を高めることが可能となる。

また、凹部による光導波路５の形成は光学素子の機械的強度を向上させる効果を高めることにも有効である。

本発明にかかる光学素子は、光学研磨された第１の基板と光学研磨された第２の基板を直接接合してなる光学素子において、第１の基板内に光導波路を備え少なくとも、光導波路の下の直接接合面に微小な空孔を備えた光学素子で、光導波路の下部に微細な空孔を形成して実効的な屈折率を制御することが可能となり、低価格化および接合強度の向上が図れ、波長変換デバイス、導波モード変換器、電気光学効果を利用した光スイッチ等の素子にも応用できる。

本発明の実施の形態１における光学素子の構造を示す断面図 本発明の実施の形態２における光学素子の構造を示す断面図 従来例における光学素子の構成を示す断面図

符号の説明

１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ 空孔
４ 直接接合部
５ 光導波路
６ ノッジ部
７ 凹部
２１ 保持基板
２２ ガラス基板
２３ 光導波路部
２４ 薄膜層ＳｉＯ₂ ＳｉＮ

Claims (14)

1. 光学研磨された第１の基板と光学研磨された第２の基板とを直接接合してなる光学素子において、前記第１の基板内に光導波路を備え、少なくとも前記光導波路の下の直接接合面に微小な空孔を備えた光学素子。
2. 第１の基板と第２の基板の屈折率がほぼ等しい、もしくは第１の基板の屈折率が、第２の基板の屈折率より小さい請求項１に記載の光学素子。
3. 光導波路がリッジ型光導波路である請求項１に記載の光学素子。
4. 光導波路のリッジ部の側面にノッジ形状を有する請求項３に記載の光学素子。
5. 光導波路の側面に形成される屈折率の異なるクラッド層が微小な凹部によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
6. 光導波路の側面に形成される屈折率の異なるクラッド層を構成する凹部の配列において、光導波路側面の凹部の深さを、光導波路外側の深さより深くした請求項５に記載の光学素子。
7. 光導波路の幅が光導波路を伝搬する光の波長の２倍から１０倍である請求項１に記載の光学素子。
8. 光導波路の層の高さが光導波路を伝搬する光の波長の２倍から５倍である請求項１に記載の光学素子。
9. 微小な空孔の幅が光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下である請求項１に記載の光学素子。
10. 微小な空孔の高さが光導波路を伝搬する光の波長の１／５以上である請求項１に記載の光学素子。
11. 微小な空孔の配列が周期的でない請求項１に記載の光学素子。
12. 微小な空孔がストライプ状であり、前記空孔の幅が光導波路を伝搬する光の波長の１／２以下である請求項１に記載の光学素子。
13. 第１の基板もしくは第２の基板の直接接合面の少なくとも一部に微小な凹部を形成した後、第１の基板と第２の基板とを直接接合することにより直接接合面に微小な空孔を形成し、前記空孔の上の前記第１の基板を加工することにより光導波路を形成する光学素子の製造方法。
14. 光導波路の形成においてフォトレジストをマスクとして用いるドライエッチングによってリッジ形成するとともに、同時にノッジ部を形成する請求項１３に記載の光学素子の製造方法。

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