JP2006284962A - Optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学素子に関し、特に、電気光学効果を有する材料で形成された薄板と、該薄板に接着された補強板とを含む光学素子に関する。 The present invention relates to an optical element, and more particularly to an optical element including a thin plate formed of a material having an electro-optic effect and a reinforcing plate bonded to the thin plate.
従来、光通信分野や光測定分野において、電気光学効果を有する基板上に光導波路や変調電極を形成した導波路型光変調器などの光学素子が多用されている。
光変調周波数の広帯域化を実現するためには、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合を図ることが重要であり、これまでに、様々な方法が考案されている。具体例を挙げれば、バッファ層の厚膜化、電極の高アスペクト化やリッジ構造などがこれにあたる。
Conventionally, in an optical communication field and an optical measurement field, an optical element such as a waveguide type optical modulator in which an optical waveguide or a modulation electrode is formed on a substrate having an electro-optic effect has been widely used.
In order to realize a wider optical modulation frequency, it is important to match the speed of the modulation signal microwave and the light wave, and various methods have been devised so far. Specific examples include thicker buffer layers, higher aspect ratios of electrodes, and ridge structures.
また、以下の特許文献1又は2においては、30μm以下の厚みを有する極めて薄い基板(以下、「第1基板」という。)に、光導波路並びに変調電極を組み込み、第1基板より誘電率の低い他の基板を接合し、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図ることが行われている。
これらのように、薄板化された第1基板を用いることで、変調器の設計自由度が飛躍的に高まり、例えばバッファ層を用いずとも、広帯域かつ低駆動電圧の光変調器が作製可能となる。またさらに、マイクロ波の伝搬損失低減の観点からは、誘電率の低い材料を基板に用いることと同義に、第1基板を具体的には150μm以下とすることで、特に26GHz以上の領域においてマイクロ波の誘電体に対する放射損失を低減できることが以下の非特許文献1により公開され、変調器の広帯域化に適用されている。
従来、導波路型光変調器などの光学素子に光導波路を形成する際には、Tiなどの金属を基板中に高温で熱拡散することにより、拡散部分の屈折率を他の部分より高くし、光の閉じ込めを行っている。この基板を研磨により薄板化することによって、上述のように広帯域かつ低駆動電圧の光変調器を設計・作製すること可能となる。しかし、光導波路を形成した基板を薄板化することにより、基板の機械的強度が低下するため、薄板に補強基板を接合する必要がある。 Conventionally, when an optical waveguide is formed in an optical element such as a waveguide type optical modulator, a refractive index of the diffusion portion is made higher than that of other portions by thermally diffusing a metal such as Ti into the substrate at a high temperature. The light is confined. By thinning the substrate by polishing, it becomes possible to design and manufacture an optical modulator having a wide band and a low driving voltage as described above. However, since the mechanical strength of the substrate is reduced by thinning the substrate on which the optical waveguide is formed, it is necessary to join a reinforcing substrate to the thin plate.
また、補強基板を、薄板として使用する材料より低屈折率とすれば光導波路のアンダークラッドとして機能し、光波の閉じ込めを大きくとることができる。強閉じ込め導波路はクロストーク抑制や光の急峻な曲げを可能とし、変調器への適用の際には、導波路と電極間隔を縮小可能なことによる電界効率の向上も図れるため、小型集積化が期待できる。しかし、この補強基板に異種材料を用いると線膨張係数の違いにより、温度変化に伴って応力が誘起され、ピエゾ効果による意図しない屈折率変化が生じることから、変調器として使用する際には、温度ドリフトやDCドリフトが発生することとなり、長期的な信頼性に劣ることとなる。 Further, if the reinforcing substrate has a lower refractive index than the material used as a thin plate, it functions as an underclad of the optical waveguide, and the light wave can be largely confined. Strongly confined waveguides can suppress crosstalk and sharply bend light, and when applied to a modulator, the distance between the waveguide and electrode can be reduced, improving the electric field efficiency. Can be expected. However, when a different material is used for this reinforcing substrate, stress is induced with a change in temperature due to the difference in linear expansion coefficient, and an unintended refractive index change due to the piezo effect occurs, so when used as a modulator, Temperature drift and DC drift will occur, resulting in poor long-term reliability.
さらに、導波路型の光変調器などのように、シングルモードでの伝搬を必要とする光素子においては、薄板とアンダークラッド層の屈折率を厳密に考慮した設計が要求される。
この要求は、ドライエッチングや切削加工を利用して形成されるリッジ型の導波路の場合にはさらに厳密なものとなり、その設計許容値も小さい。
Furthermore, an optical element that requires propagation in a single mode, such as a waveguide-type optical modulator, requires a design that strictly considers the refractive indexes of the thin plate and the underclad layer.
This requirement becomes more strict in the case of a ridge type waveguide formed by using dry etching or cutting, and its design tolerance is small.
アンダークラッド層としては、従来、MgやZnをドープしたLN融液から結晶を引き上げることにより得られるMg:LN,Zn:LN、または定比組成ニオブ酸リチウム(SLN)、さらにはタンタル酸リチウム(LT)や定比組成タンタル酸リチウム(SLT)などが利用されている。 As an undercladding layer, conventionally, Mg: LN, Zn: LN, or stoichiometric lithium niobate (SLN) obtained by pulling a crystal from an LN melt doped with Mg or Zn, or lithium tantalate ( LT), a stoichiometric composition lithium tantalate (SLT), and the like are used.
しかしながら、これらの材料は、一致溶融組成ニオブ酸リチウム(CLN)と比較し、高価である上、組成のバラツキが大きいという問題を生じている。結晶育成においてMgやZnの偏析係数は1よりも大きい(LN結晶に入りやすい)ため、結晶のトップとボトムでは濃度が異なる。Mg,Znの濃度と屈折率値には相関が強いため、前述のようにアンダークラッドとして使用する際には、使用結晶の部位(スライス位置)によって最適設計を行う必要が生じる。 However, these materials have a problem that they are expensive and have a large variation in composition as compared with the conformal melt composition lithium niobate (CLN). In the crystal growth, the segregation coefficient of Mg or Zn is larger than 1 (it is easy to enter the LN crystal), so the concentration is different between the top and the bottom of the crystal. Since the Mg and Zn concentrations and the refractive index values have a strong correlation, when used as an underclad as described above, it is necessary to perform an optimum design depending on the portion of the crystal used (slice position).
一方、CLNは、融液と固相が平衡で同一組成で存在する一致融液より結晶が引き上げられるため、原理的に組成のズレも少なく、結晶のボトムからトップまで組成は一致し、育成中の温度変化に対しても組成ずれがおきにくく、さらには結晶ブール間は勿論のこと、結晶供給メーカー間でも組成のずれはほとんど生じることはなく、現在の市場においても安価に提供されている。 On the other hand, in CLN, the crystal is pulled up from the matching melt in which the melt and solid phase are in equilibrium and exist in the same composition, so there is little compositional deviation in principle, and the composition matches from the bottom to the top of the crystal and is growing. The composition does not easily deviate even with respect to the temperature change. Further, there is almost no composition deviation among crystal boules as well as between crystal boules, and it is provided at a low cost in the current market.
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光導波路を形成した薄板を利用し、該薄板に接着された補強板とを含む光学素子において、補強板がアンダークラッド層の機能を兼ね備えた、安価で性能のバラツキが少ない光学素子を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to solve the above-described problems, in an optical element using a thin plate on which an optical waveguide is formed, and including a reinforcing plate bonded to the thin plate, the reinforcing plate is an underclad layer. It is an object of the present invention to provide an optical element that has the above functions and that is inexpensive and has little variation in performance.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明では、電気光学効果を有する単結晶材料で形成され、研磨加工又はイオンビーム加工により得られた厚さ20μm以下の薄板と、該薄板に形成されたリッジ型の光導波路と、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極と、該薄板に接着された補強板とを含む光学素子において、
該補強板は、薄板と同じ材料を使用し、少なくとも補強板の接合面の屈折率が、薄板の屈折率より低減され、該薄板と該補強板とは、直接接合法により接合されていることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, in the invention according to
The reinforcing plate is made of the same material as the thin plate, at least the refractive index of the joint surface of the reinforcing plate is lower than the refractive index of the thin plate, and the thin plate and the reinforcing plate are joined by a direct joining method. It is characterized by.
本発明に係る光学素子とは、単に、導波路型光変調器を意味するだけでなく、光スイッチなどの電気光学効果を有する単結晶材料で形成された基板上に、光導波路を形成する光学素子も含むものである。
また、リッジ型の光導波路とは、光導波路以外の基板表面より光導波路の部分が盛り上った、いわゆる「リッジ」が形成されたものを意味するだけでなく、光導波路の両側に溝を形成し、光の閉じ込め領域を構成する光導波路も含むものである。
The optical element according to the present invention means not only a waveguide type optical modulator but also an optical element that forms an optical waveguide on a substrate made of a single crystal material having an electrooptic effect such as an optical switch. It also includes elements.
The ridge-type optical waveguide means not only a so-called “ridge” in which the portion of the optical waveguide is raised from the substrate surface other than the optical waveguide, but also grooves on both sides of the optical waveguide. It also includes an optical waveguide that is formed and constitutes a light confinement region.
請求項2に係る発明では、請求項1に記載の光学素子において、該補強板には真空成膜装置を用いて不純物層を形成し、該不純物が拡散され屈折率が低減されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the optical element according to the first aspect, an impurity layer is formed on the reinforcing plate using a vacuum film forming apparatus, and the impurities are diffused to reduce the refractive index. Features.
請求項3に係る発明では、請求項1又は2に記載の光学素子において、該薄板は、一致溶融組成を有するLN結晶基板あるいはLT結晶基板からなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the optical element according to the first or second aspect, the thin plate is made of an LN crystal substrate or an LT crystal substrate having a coincident melt composition.
請求項1に係る発明により、薄板は電気光学効果を有する単結晶材料で形成され、研磨加工又はイオンビーム加工により得られるため、単一配向性、結晶相均一性、化学組成均一性などに優れ、作製再現性も高い。また、薄板の厚さが20μm以下であり、補強板には、薄板と同じ材料を使用し、少なくとも補強板の屈折率が、薄板の屈折率より低減され、かつ、該薄板と該補強板とは、直接接合法により接合されているため、アンダークラッド層の機能を補強板に持たせるとともに、薄板と補強板との線膨張係数の差が無く、熱膨張応力の発生が抑制されるため、光学素子作製プロセスの自由度を向上させることができ、高信頼度の光学素子が得られる。
According to the invention of
請求項2に係る発明により、該補強板には真空成膜装置を用いて不純物層を形成するため、不純物量を再現性よく高精度に制御することが可能である。このため、薄板と同じ基板を補強板として使用しながら屈折率を厳密に制御した補強板を容易に得ることが可能となる。
According to the invention of
請求項3に係る発明により、薄板は、一致溶融組成を有するLN結晶基板あるいはLT結晶基板からなるため、請求項1に係る発明により、補強板にも同様の一致溶融組成を有する結晶基板を使用することとなり、安価で特性のバラツキが少ない補強板を得ることが可能となる。なお、補強板として使用するには、該基板表面に不純物を拡散させる必要があることは言うまでもない。
According to the invention of
なお、単結晶の強誘電体薄膜を形成する方法、ならびに基板材料に不純物を拡散することは既に以下の特許文献3及び4により開示されている。
特許文献3及び4に係る構成は、一見すると本発明と構成が類似しているように見えるが、特許文献らの構成は光導波路部を作製する薄板部にエピタキシャル膜を配しているのに対して、本発明は上述のように、原理的に組成ずれをほとんど有さず、結晶性が非常に良好なCLN単結晶基板を出発材として、これをCMP研磨により薄板化して用いていることが決定的に異なる。強誘電体薄板の光導波路素子への応用には、単一配向性や結晶相均一性などの結晶性はもちろんのこと、化学組成均一性、低光伝搬損失特性などが要求される。エピタキシャル膜は液相原料の調合により広い範囲において原理的に屈折率を制御することは可能であるが、一般に作製再現性は低く、また、本法による薄膜の結晶性は、チョコラルスキー法を用いた一致融液組成から引き上げられるCLN結晶に及ばないばかりか、不純物の含有の問題もあり、変調器とした際には長期信頼性が確保できない。これは、現在商用変調器にエピタキシャル膜により得られた結晶基板が用いられていないことからも容易に推定される。また、基板材料には同一素材を用いておらず、不純物量を厳密に制御する手法についても開示されていないため、本発明のように屈折率を厳密に制御した補強板を安価かつ容易に得るには至っていない。
このように、特許文献3及び4の発明は、本発明とは大きく異なるものである。
Although the configurations according to
As described above, the inventions of
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、電気光学効果を有する単結晶材料で形成され、研磨加工又はイオンビーム加工により得られた厚さ20μm以下の薄板と、該薄板に形成されたリッジ型の光導波路と、該光導波路内を通過する光を変調するための変調電極と、該薄板に接着された補強板とを含む光学素子において、該補強板は、薄板と同じ材料を使用し、少なくとも補強板の接合面の屈折率が、薄板の屈折率より低減され、該薄板と該補強板とは、直接接合法により接合されていることを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail using preferred examples.
The present invention relates to a thin plate having a thickness of 20 μm or less formed of a single crystal material having an electro-optic effect and obtained by polishing or ion beam processing, a ridge type optical waveguide formed on the thin plate, and the optical waveguide In an optical element including a modulation electrode for modulating light passing therethrough and a reinforcing plate bonded to the thin plate, the reinforcing plate uses the same material as the thin plate, and at least the refraction of the joint surface of the reinforcing plate The refractive index is lower than the refractive index of the thin plate, and the thin plate and the reinforcing plate are joined by a direct joining method.
図1は、本発明に係る光学素子の断面図である。電気光学効果を有する材料で形成された薄板10には、図1(a)のように薄板の表面にリッジ11が形成され、該リッジ11が光導波路の機能を有している。薄板10の表面には、光導波路内を通過する光を変調するための変調電極や、SiO2などのバッファ層が形成されているが、図1では、説明を簡便にするため、図面上では省略されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical element according to the present invention. As shown in FIG. 1A, a
光導波路としては、図1(a)のリッジ11の他に、図1(b)に示すように、光導波路14の両側に溝13を形成し、光の閉じ込め領域を構成することも可能であり、本発明でにおいては、図1(a)及び(b)の形態を含んで、「リッジ型光導波路」と称している。
As the optical waveguide, in addition to the
図1の符号12は、補強板を示し、薄板10の裏面に接合されている。
本発明においては、補強板12は、薄板10と同じ材料で構成される基板であり、補強板として使用する際には、不純物を熱拡散などによりドープし、補強板表面に、薄板の屈折率より低い屈折率を有する部分を形成し、薄板10の光導波路(11,14)のアンダークラッド層として機能するよう調整されている。
In the present invention, the reinforcing
薄板10や補強板12の材料としては、安価で特性のバラツキが少ない一致溶融組成を有するLN結晶(CLN)基板あるいはLT結晶(CLT)基板を利用する。補強板として使用する際には、上述したように、Mg、Zn,Li及びTaなどを補強板の表面から熱拡散などによりドープする。
As a material for the
次に、本発明に係る光学素子の製造方法について説明する。
図3は、光学素子の製造方法の例を示すものである。
図3(a)に示すように、CLN基板12を用意し、Mgなどの不純物を真空蒸着法などを利用して該基板上に付着させる(図3(b)の符号15参照)。真空蒸着法は、不純物の付着量を高精度に制御することが可能であるため、低屈折率の値及び領域を制御するには、好的に利用可能である。真空成膜装置は、真空蒸着装置以外にも、イオンプレーティング装置、スパッタ成膜装置、CVD装置、MOCVD装置などが使用可能である。次に基板を約1000〜1200℃で加熱し、基板表面から基板内部に向け不純物を拡散し、拡散前のCLN基板の屈折率より低屈折率となる領域を形成する。
Next, a method for manufacturing an optical element according to the present invention will be described.
FIG. 3 shows an example of a method for manufacturing an optical element.
As shown in FIG. 3A, a
なお、図3(b)及び(c)では、基板12の表面全体に渡り不純物を蒸着・拡散しているが、このような低屈折率となる領域16は、薄板の光導波路が形成された領域に対応する補強板の表面部分にあれば良く、必要に応じて光導波路に対応した形状に不純物を付着(蒸着)し、熱拡散させることも可能である。
In FIGS. 3B and 3C, impurities are evaporated and diffused over the entire surface of the
また、このような低屈折率の領域は、補強板であるCLN基板の底面側から表面側に向かう光(迷光)が光導波路内に侵入することを防止する機能も果たすため、より特性の改善された光学素子を提供することが可能となる。 In addition, such a low refractive index region also functions to prevent light (stray light) from the bottom surface side to the surface side of the CLN substrate, which is a reinforcing plate, from entering the optical waveguide. It is possible to provide an optical element.
次に、図3(d)に示すように、補強板12上に、薄板となる他のCLN基板10を接合する。接合方法としては、日立化成製T−2000、日清紡製カルボジライトフィルムなどの接着剤を使用することも可能であるが、接着剤の耐熱温度が変調器作製プロセスで経験する熱履歴に制限をかけることとなり、また、汚染源としての影響も懸念されるため、直接接合法を用いることが特に好ましい。
Next, as shown in FIG. 3D, another
接合したCLN基板10は、ラップ盤研磨機などを使用し、20μm以下の厚みになるよう研磨される(図3(e)参照)。この研磨の際には、補強板12は、薄板10を支持する支持部材としても機能する。薄板を形成する方法として研磨に替わり、非特許文献2に示すようなイオンビームを用いて基板をスライスする方法であるイオンビーム加工を用いることも可能である。
次に、薄板10に、サンドブラストなどの機械的切削や化学的なエッチングにより、光導波路11となるリッジを形成する。リッジ等を形成する際に、補強板12は、薄板に加わる機械的衝撃や又は熱応力などにより薄板が破損するの防止する役割も有している。リッジ形成はドライエッチング・ケミカルエッチング・マイクロサンドブラスト法、ダイサを用いたブレードによる機械加工などが好適に利用できる。
Next, a ridge to be the
最後に、図示されていないが薄板10上にバッファ層や電極を形成し、光学素子が完成する。
また、上記リッジの形成の際には、図2(b)に示すように、光導波路となる部分の両側に機械的切削やエッチングなどで、溝を形成し、光導波路を形成することも可能である。
Finally, although not shown, a buffer layer and electrodes are formed on the
Further, when forming the ridge, as shown in FIG. 2B, it is possible to form grooves by mechanical cutting or etching on both sides of the portion to become the optical waveguide to form the optical waveguide. It is.
図4は、光学素子の他の製造方法を示す図である。
図4(a)乃至(c)は、図3と同様であり説明を省略する。次に、図4(d)のように、補強板と同じ素材であるCLN基板10を使用し、該基板の表面に上述した機械的切削やエッチングによりリッジを形成し、光導波路11を形成する(図4(e)参照)。さらに、光学素子に必要なバッファ層や変調電極なども併せて作成する。
FIG. 4 is a diagram showing another method for manufacturing an optical element.
FIGS. 4A to 4C are the same as FIG. Next, as shown in FIG. 4D, a
リッジを形成したCLN基板10の表面に、熱可塑性樹脂などの接着剤17を塗布し、研磨用ジグ18に基板を貼り付け固定する(図4(f)参照)。基板10は、ラップ盤研磨機などを使用し、20μm以下の厚みになるよう研磨される(図4(g)参照)。上述したように、薄板を形成する方法として研磨に替わり、イオンビーム加工を用いることも可能である。
An adhesive 17 such as a thermoplastic resin is applied to the surface of the
薄板10を研磨用ジグ18から取外し、図4(i)に示すように、補強板12と薄板10とを直接接合法などで、接合し、光学素子を完成させる。
このように、リッジやバッファ層又は変調電極などを形成する際には、機械的衝撃や熱応力などが加わるため、薄板へ加工する前にこれらの各種部材を組み込むよう設定することも可能であるが、薄板に補強板を貼り付けた後に、これらの処理を行うことも可能である。
The
As described above, when forming a ridge, a buffer layer, a modulation electrode, or the like, a mechanical shock, thermal stress, or the like is applied. Therefore, it is possible to incorporate these various members before processing into a thin plate. However, these treatments can be performed after the reinforcing plate is attached to the thin plate.
次に、本発明の光学素子に係る具体的な実施例及びその試験について説明する。
(実施例1)
図3に示す製造方法を利用して、光学素子を作成した。
補強板12として、厚み500μmのZカット型CLN(CTI社製 光学グレード)を使用し、該基板表面に、電子線ビーム源を備えた真空蒸着装置を使用して、Mgをそれぞれ厚さ35,50,65,100nmで蒸着(付着)させた。次に、この補強板12を電気炉内において1000℃で5時間加熱し、Mgを基板内に熱拡散させた。
Next, specific examples and tests related to the optical element of the present invention will be described.
Example 1
An optical element was created using the manufacturing method shown in FIG.
As the reinforcing
薄板に加工する基板として、補強板と同じ材料を使用し、該薄板用基板と補強板とを、結晶方位を合わせて直接接合法により接合した。
直接接合は、まずそれぞれの基板を界面活性剤、有機溶剤を用い、超音波を付与して洗浄した後、電子工業用グレートのアンモニア水と過酸化水素水の混合薬液中にて5分間浸漬し、表面を活性化処理した。次に、超純水を用いてリンスを行った後、乾燥窒素にて表面をブローし、互いの結晶方位をそろえ、その後、付着力をより強固とするため、300℃で1時間に渡り電気炉にて熱処理を行い、薄板と補強板とを張り合わせた。
The same material as the reinforcing plate was used as the substrate to be processed into a thin plate, and the thin plate substrate and the reinforcing plate were joined by a direct joining method with the crystal orientation aligned.
In direct bonding, each substrate is first cleaned using a surfactant and an organic solvent by applying ultrasonic waves, and then immersed for 5 minutes in a mixed chemical solution of ammonia water and hydrogen peroxide solution of Great for Electronic Industries. The surface was activated. Next, after rinsing with ultrapure water, the surface was blown with dry nitrogen to align each other's crystal orientation, and then the electric power was maintained at 300 ° C. for 1 hour in order to strengthen the adhesion. Heat treatment was performed in a furnace, and the thin plate and the reinforcing plate were bonded together.
次に、薄板側の基板10を、ラップ盤研磨機(キャリア:ガラス繊維入エポキシ樹脂、ラップ剤:GC#1200 20wt%aq)にて、速度35min−1、ラップ圧12.75〜9.81kPaの条件下において基板の厚さがおよそ50μm、あるいは、仕上がり厚みからおよそ20μm厚い状態となるまで粗研磨する。この後、パット材質に不織布、加工液にはコロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシング(CMP)により設定厚まで精密鏡面研磨を行う。なお、ここでの設定厚は6μmとした。
Next, the
次に、ノボラック樹脂を主体としたポジ型のフォトレジストによりパターニングを行い、同時にこれをドライエッチング時のマスク材料として、Arプラズマを主体としたECR−RIE(アネルバ製 ECR310E)ドライエッチング法により、薄板の表面にリッジを形成した。作製したリッジの幅はおよそ10μmであり、リッジの深さは3μm設定とした。その後、バッファ層及び変調電極を形成して光学素子を得た。なお、バッファ層は高純度SiO2ターゲットを用いて、アルゴンガスと酸素ガスを混合導入しながらRFマグネトロンスパッタ法で形成し、変調用電極は、電解メッキ法で形成した。 Next, patterning is performed with a positive photoresist mainly composed of novolak resin, and at the same time, this is used as a mask material at the time of dry etching, using an ECR-RIE (ECR310E manufactured by Anelva) mainly composed of Ar plasma as a thin plate. A ridge was formed on the surface. The width of the manufactured ridge was about 10 μm, and the depth of the ridge was set to 3 μm. Thereafter, a buffer layer and a modulation electrode were formed to obtain an optical element. The buffer layer was formed by RF magnetron sputtering using a high-purity SiO 2 target while mixing and introducing argon gas and oxygen gas, and the modulation electrode was formed by electrolytic plating.
(比較例1)
補強板にMgの蒸着及び拡散を行わない以外は、上記実施例と同様にして光学素子を得た。
(Comparative Example 1)
An optical element was obtained in the same manner as in the above example except that Mg was not deposited and diffused on the reinforcing plate.
(比較例2)
補強板として、厚み500μmのMg添加一致融液組成ニオブ酸リチウム(Mg:CLN、Mg添加量 5mol%、基板屈折率2.1924〜2.1935@633nm TM)基板を用い、上述したMgの蒸着及び拡散を行わない以外は、上記実施例と同様にして光学素子を得た。
(Comparative Example 2)
As a reinforcing plate, a Mg-added coincident melt composition lithium niobate (Mg: CLN, Mg addition amount 5 mol%, substrate refractive index 2.1924 to 2.1935@633 nm TM) substrate having a thickness of 500 μm was used, and the above-described Mg deposition In addition, an optical element was obtained in the same manner as in the above example except that no diffusion was performed.
(試験方法及び結果)
(評価結果1)
実施例1により得られた補強基板の表面屈折率測定結果ならびにEPMAにより測定したMg濃度を表1に示す。
屈折率の測定はプリズムカプラー(メトリコン社製)を用い、測定波長はそれぞれ633nm、1550nmとした。EPMAによる半定量分析測定にはZAF法を用いた。
(Test method and results)
(Evaluation result 1)
Table 1 shows the surface refractive index measurement results of the reinforcing substrate obtained in Example 1 and the Mg concentration measured by EPMA.
The refractive index was measured using a prism coupler (manufactured by Metricon), and the measurement wavelengths were 633 nm and 1550 nm, respectively. The ZAF method was used for semi-quantitative analysis measurement by EPMA.
Mg蒸着厚は水晶振動子モニタにより制御を行うことで、設定値±2nm程度での制御が可能である。また、表1より理解できるように、Mg蒸着厚と熱拡散後の表面屈折率の変化量、Mg濃度はリニアな関係があるため、最終的な屈折率を±2×10−4程度で制御可能であることが分かる。 The Mg deposition thickness can be controlled at a set value of about ± 2 nm by controlling with a crystal resonator monitor. Further, as can be understood from Table 1, since the Mg deposition thickness, the amount of change in the surface refractive index after thermal diffusion, and the Mg concentration have a linear relationship, the final refractive index is controlled at about ± 2 × 10 −4. It turns out that it is possible.
(評価結果2)
実施例1d及び比較例1,比較例2の光学特性を測定するため、ニアフィールド像(NFP)を観察した。
比較例1では、上部薄板と補強板との屈折率差がないため光波の閉じ込めがなされず、モード径を測定することができなかったのに対し、実施例1dでは比較例2とともに良好な光波の閉じ込めを確認した。実施例1d、及び比較例2の結果を図5、図6に示す
(Evaluation result 2)
In order to measure the optical characteristics of Example 1d and Comparative Examples 1 and 2, a near field image (NFP) was observed.
In Comparative Example 1, since there was no difference in refractive index between the upper thin plate and the reinforcing plate, the light wave was not confined and the mode diameter could not be measured. In Example 1d, a good light wave was obtained together with Comparative Example 2. Confirmed the confinement. The results of Example 1d and Comparative Example 2 are shown in FIGS.
また、NFP像により得られた光強度分布において、光強度が最大値の1/e2となる範囲を光波のモード径として定め、その値を表2に記した。X,Yとはそれぞれ横方向成分、縦方向成分を表している。 Further, in the light intensity distribution obtained from the NFP image, a range in which the light intensity is 1 / e 2 of the maximum value is determined as the mode diameter of the light wave, and the value is shown in Table 2. X and Y represent a horizontal component and a vertical component, respectively.
(評価結果3)
実施例1d、比較例2により得られたチャネル型光導波路の伝搬損失をカットバック法により測定したところ、波長1550nm、TMモードにおける伝搬損失はそれぞれ0.5±0.1dB/cmであり両者に差は確認されない。なお、液相エピタキシャル成長により得られた薄板を用いたほぼ同構造のチャネル型光導波路の伝搬損失は以下の非特許文献3により1.2dB/cmと報告されており、薄板材料の結晶性の違いを反映したものと推定される。
When the propagation loss of the channel type optical waveguide obtained in Example 1d and Comparative Example 2 was measured by the cutback method, the propagation loss in the wavelength 1550 nm and TM mode was 0.5 ± 0.1 dB / cm, respectively. The difference is not confirmed. The propagation loss of a channel optical waveguide having substantially the same structure using a thin plate obtained by liquid phase epitaxial growth is reported as 1.2 dB / cm by the following
以上より、実施例が比較例2のものとも比較しても、同等以上の優れたアンダークラッドとしての特性を有することを示しており、実施例のものは、市販の安価なCLN基板を利用しても、十分な光学性能を有する光学素子であることが理解される。
また、不純物種としてZn,Li及びTaを熱拡散したところ、Li、TaについてはMgと同様に蒸着膜厚に比例して基板表面の屈折率が低下することを確認した。Ni、Znについては濃度が希薄な領域では負の屈折率変化をもつが、ある濃度を超えると屈折率変化が正に転じ、アンダークラッドとして機能することを確認した。
From the above, it is shown that the example has the same or better characteristics as the underclad even when compared with the comparative example 2, and the example uses a commercially available low-cost CLN substrate. However, it is understood that the optical element has sufficient optical performance.
Further, when Zn, Li, and Ta were thermally diffused as impurity species, it was confirmed that the refractive index of the substrate surface was decreased in proportion to the deposited film thickness for Li and Ta as in the case of Mg. Ni and Zn have a negative refractive index change in a region where the concentration is dilute, but it has been confirmed that when the concentration exceeds a certain concentration, the refractive index change turns positive and functions as an underclad.
本発明に係る光学素子よれば、光導波路を形成した薄板を利用し、該薄板の裏面に接着された補強板とを含む光学素子において、補強板がアンダークラッド層の機能を兼ね備えた、安価で性能のバラツキが少ない光学素子を提供することが可能となる。 According to the optical element according to the present invention, an optical element that uses a thin plate on which an optical waveguide is formed and includes a reinforcing plate bonded to the back surface of the thin plate, the reinforcing plate has a function of an under cladding layer, and is inexpensive. It is possible to provide an optical element with little variation in performance.
1,10 薄板
2,11,14 光導波路
3 接着層
4,12 補強板
13 溝
15 不純物
16 不純物の拡散領域
17 接着層
18 固定用ジグ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
該補強板は、薄板と同じ材料を使用し、少なくとも補強板の接合面の屈折率が、薄板の屈折率より低減され、該薄板と該補強板とは、直接接合法により接合されていることを特徴とする光学素子。 A thin plate having a thickness of 20 μm or less obtained by polishing or ion beam processing, a ridge-type optical waveguide formed on the thin plate, and a light source that passes through the optical waveguide. In an optical element including a modulation electrode for modulating light and a reinforcing plate bonded to the thin plate,
The reinforcing plate is made of the same material as the thin plate, at least the refractive index of the joint surface of the reinforcing plate is lower than the refractive index of the thin plate, and the thin plate and the reinforcing plate are joined by a direct joining method. An optical element characterized by the above.
3. The optical element according to claim 1, wherein the thin plate is made of an LN crystal substrate or an LT crystal substrate having a coincident melt composition.
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