JP2008032950A - 波長変換素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の波長変換素子の製造方法では、ホットプレス法を用い、高温高圧を水晶基板に加える装置が必要となり、その装置は非常に巨大な装置と成ってしまう。又、その作業効率も悪く、品質も安定しない。
【解決手段】結晶形成室内の所定の位置に、形成される水晶板のＸ軸が水晶板形成面と平行となるように水晶板形成面に露出する結晶方向を配向させた複数個の単結晶片を、水晶板形成面上に形成される水晶板のＸ軸が隣り合う単結晶片間で逆方向を向く形態で配列集合させ接合した単結晶片集合基板を配置する工程と、単結晶片集合基板上に、この単結晶片集合基板を構成する各単結晶片の水晶板形成面の結晶配向に沿ったＸ軸方向を有する水晶板を所望の厚みにまで形成する工程と、水晶板を形成した単結晶片集合基板を取り出し、水晶板を波長変換素子として所望する外形サイズに切断し波長変換素子を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、波長変換素子の製造方法に関し、特に素子を構成する材料として水晶を用いた波長変換素子の製造方法に関する。

光通信関連の分野では、物質と光との高次の相互作用により、入射光とは異なった波長の光を射出光として得る波長変換技術が用いられている。このような波長変換技術において、波長変換後の光を材料内部から外部に効率よく取り出す方法として、結晶材料の複屈折を利用し、特定の角度に光を伝播させることによって変換前後の波長の位相整合をとる方法や、周期分極反転領域を光の伝播経路上に形成して、変換前後の波長の位相の差を擬似的に無くす擬似位相整合と呼ばれる方法等ある。

このうち、後者の擬似位相整合は、動作波長や入射角度の許容幅が広く、また波長変換前後の光が異なる方向に出射されるウォークオフと呼ばれる現象が生じないなど、実用化に際して多くの利点を持つと考えられおり、擬似位相整合技術を利用した波長変換素子における分極反転領域の形成は、例えば、基板材料として水晶を使用し、水晶基板中に複数の分極反転領域を周期的に形成し、この水晶基板の一端から入射した光を、前記複数の分極反転領域中を通過させることによって波長変換を行う波長変換素子が考案されている。（下記特許文献１を参照。）

また、このような水晶を使用した波長変換素子の製造方法としては、例えば、ホットプレス法がある。この方法は、水晶基板の片面の表面上に周期的な段差構造を作製し、その水晶基板を上下方向からヒータブロックで挟み込み、水晶基板の温度を昇温して所望の温度に到達した時点で、高圧力を印加するものである。このとき、段差構造のうち凸部にあたる部分にのみ応力が作用するので、この部分でのみ結晶軸成分が反転する。この結晶軸反転部分が結晶内部まで成長して結晶内部まで伝播し、深さ方向に大きく入った周期的な双晶（極性反転）の格子を作製する方法である。（下記特許文献２を参照。）

前述のような波長変換素子及びその製造方法については、以下のような文献が開示されている。
特開２００４−１０９９１５公報 特開２００４−１０７１８７公報

尚、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

しかしながら、前記の波長変換素子の製造方法では、双晶を水晶基板内に周期的作製するために高温（３００℃〜４００℃）、高圧（約数ｋＮ）を水晶基板に加える装置が必要となり、その装置は非常に巨大で且つ複雑な装置と成ってしまう。又、高温高圧条件を波長変換素子形成現場に製造の都度発生させる必要があるため、その製造効率も著しく悪い。更に、高温高圧条件及びこれら環境条件が水晶基板に及ぼす影響を常に一定に保つことか難しく、同一品質の波長変換素子を安定的に生産することが難しいという課題がある。

更に、従来の方法により水晶基板内に双晶を作製するためには、水晶基板に周期的な複数個の凸部を形成する必要があるが、この凸部は波長変換素子としては不要なものであり、製造工程中で切断や研磨により破棄されるものであるため、水晶材を無駄に消耗してしまい、且つ凸部破棄のための工程が別途必要となる問題がある。又、この凸部には、上述したように非常に高い圧力が印加されるので、硬脆材である水晶を基板素材とした場合、高圧に耐えるために凸部に一定以上の大きさが必要となる。そのため上述したような方法で形成される波長変換素子では、小型化に対応することが困難であるという課題もある。

本発明は前述した問題点を解決する目的ために成されたものであり、
水晶板中に相転移結晶を周期的に形成し、この水晶板の一端から入射した光を、水晶板中の相転移結晶部分を交互に通過させ、水晶板の他端から射出することによって、入射した光の波長の変換を行う波長変換素子の製造方法において、
気相成長法で基板上に水晶板をエピタキシャル成長させる製造装置を用い、
この製造装置を構成する結晶形成室内の所定の位置に、基板として、水晶板形成面上に形成される水晶板の結晶方位軸のうちのＸ軸がこの水晶板形成面と平行となるように、水晶板形成面結晶を配向させた、少なくとも水晶板形成面を一側面とする四角柱形状の複数個の単結晶片を、各単結晶片の水晶板形成面が結晶形成室内の一方向に露出し、且つ水晶板形成面上に形成される水晶板のＸ軸が、隣り合う単結晶片間で逆方向を向く形態で配列集合させ、一体となるよう隣り合う各単結晶片の側面を接合してなる単結晶片集合基板を配置する工程と、
結晶形成室内に配置した単結晶片集合基板上に、この単結晶片集合基板を構成する各単結晶片の水晶板形成面の結晶配向に沿ったＸ軸方向をそれぞれ有する一体の水晶板を所望の厚みにまで形成する工程と、
水晶板を形成した単結晶片集合基板を結晶形成室から取り出し、その後、水晶板を波長変換素子として所望する機能を有する外形サイズに切断し、複数個の波長変換素子を同時に形成する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である。

又、上記水晶板を形成した単結晶片集合基板を結晶形成室から取り出した後、単結晶片集合基板ごと水晶板を波長変換素子として所望する機能を有する外形サイズに切断し、複数個の波長変換素子を同時に形成する工程とを備えたことを特徴とする段落（０００９）記載の波長変換素子の製造方法でもある。

更に、単結晶片集合基板と水晶板との間にバッファ層を形成し、この水晶板を結晶形成面上に形成した単結晶片集合基板を結晶形成室から取り出した後、このバッファ層が付着した水晶板と単結晶片集合基板とを分離し、バッファ層が付着した水晶板を波長変換素子として所望する機能を有する外形サイズに切断し、複数個の波長変換素子を同時に形成する工程とを備えたことを特徴とする段落（０００９）記載の波長変換素子の製造方法でもある。

本発明開示の波長変換素子の製造方法を用いることにより、所望の形状の波長変換素子を形成するために、従来のホットプレス法のような巨大な装置を必要とすること無く、比較的小型で構造が簡単な製造装置で波長変換素子を製造することができる。又、従来技術のように高温高圧条件を形成現場に発生させ、且つそれが水晶基板に及ぼす影響を常に一定に保つ必要がないため、その条件にするための時間を短縮することができ作業効率も著しく良好となり、更に同一品質の波長変換素子を安定的に生産することが可能となる。

又、本発明により製造した相転移結晶の集合体である水晶板から所望の波長変換素子を得るための切断加工では、最小限の切断範囲及び工数であるため、加工時に生じていた水晶加工屑の発生を著しく減少させることができ生産効率が著しく高まる。又、本発明では波長変換素子の集合体である水晶板を、直接単結晶片集合基板上に直接形成する手段を用いているので、形成した水晶板から波長変換素子を得る際に小型化を阻害する要因が無く、簡易に波長変換素子の小型化に対応することが可能となる。

因って、本発明は製造装置が小型であり、又生産効率が高く且つ品質が安定した水晶を使用した波長変換素子を提供できる効果を奏する。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳しく説明する。
図１は、本発明に使用する気相結晶成長装置を示した説明図である。図２は、図１に記載の気相結晶成長装置を用いた波長変換素子の製造方法の一部分を部分断面図及び部分斜視図を用いて示した概略工程図である。図３は、本発明により製造される波長変換素子を示したものであり、（ａ）は波長変換素子の一実施形態を示した外観斜視図であり、（ｂ）は波長変換素子の他の実施形態を示した外観斜視図である。尚、各図では、同じ符号は同じ部品を示し、又説明を明りょうにするため構造体の一部は図示していない。更に図示した寸法も一部誇張して示している。

即ち、気相成長法で基板上に水晶板をエピタキシャル成長させる気相結晶成長装置１０は、大略的に、後述する単結晶片集合基板１１と、その単結晶片集合基板１１を室内の所定の位置で支持する支持台１２とを内部に設けた結晶形成室１３と、その結晶形成室１３内を加熱するためのヒータ１４と、結晶形成室１３内に図１記載の各種結晶原料ガスを流入させる結晶原料ガス供給手段と、不用な結晶形成室１３内のガスを排気する排気手段から構成されており、結晶形成室１３内に単結晶片集合基板１１を所定の位置に配置した後、各結晶原料ガス供給手段から、各種結晶原料ガスを結晶形成室内に所定の流量で供給しつつヒータ１４にて結晶形成室内を加熱することで、単結晶片集合板１１の結晶形成室１３内露出側主面上に、所望の形態の水晶板２２を所望の厚さまで成長させる。

次に図２の各図を用いて本発明における波長変換素子の製造方法を説明する。
図２（ａ）において、まず、素材がサファイヤであり、且つ後工程で水晶板２２を成長形成する面（水晶板形成面）をサファイヤ結晶のＣ面とした、少なくともこの水晶板形成面を一側面とする四角柱形状の複数個の単結晶片１１ａを、各単結晶片１１ａの水晶板形成面が結晶形成室１３内の一方向に露出し、且つ各単結晶片１１ａの水晶板形成面上に形成される水晶板２２の結晶方位軸のＸ軸が、隣り合う単結晶片１１ａ間で逆方向を向くように水晶板形成面結晶の配向を互い違いに配列集合させ、且つ一体となるよう隣り合う各単結晶片１１ａの側面を接合した単結晶片集合基板１１を用意する。尚、各単結晶片１１ａの水晶板形成面の幅は、波長変換素子における入射光に対する射出光の波長変換率により決まり、例えば数μｍ〜数十μｍの幅で形成されている。又、隣り合う各単結晶片１１ａの側面同士の接合は、直接接合法を用いて接合されている。

次に図２（ｂ）において、図２（ａ）で用意した単結晶片集合基板１１を気相結晶成長装置を構成する結晶形成室（図２には不図示）内の支持台１２上に配置し、気相結晶成長装置を稼働させ、単結晶片集合基板１１の水晶板形成面上にバッファ層２１を形成する。バッファ層２１としては、後述する水晶板４２の結晶成長時とは異なる加熱温度で成長させることで水晶板とは異なる性質又は非晶質の水晶層を形成使用し、その厚みは数十ｎｍ〜数百ｎｍで形成する。

次に図２（ｃ）に示すように、気相結晶成長装置を構成する各種結晶原料ガス供給手段より、図１に記載したような結晶原料ガスを結晶形成室内に所定の流量で供給しつつ、ヒータ（図４には不図示）にて結晶形成室内を加熱することで、バッファ層２１上に水晶板２２を、所望する波長変換素子の厚みとなるまでエピタキシャル成長させ形成する。このとき形成される水晶板２２の形態は、単結晶片集合基板１１を構成する各単結晶片１１ａ上に形成された各単結晶片１１ａの幅と同じ幅寸法の各水晶片部２２ａにおいて、各単結晶片１１ａのサファイヤＣ面の結晶配向により、水晶結晶方位軸のうちＸ軸が水晶板形成面と平行であり、且つ単結晶片集合基板１１中で隣り合う各単結晶片１１ａ間でこのＸ軸方向が互い違いに逆方向を向いた水晶結晶により形成されており、この各水晶片部２２ａが一体となり水晶板１１を構成している。

次に 図２（ｄ）において、所望する厚みにまで成長させた水晶板２２を水晶板形成面上に形成した単結晶片集合基板１１を、結晶成長室内から取り出す。その後、バッファ層２１と単結晶片集合基板１１の水晶板形成面との間の接合部を加熱又は冷却することで、この接合部で接合している素材の熱膨張率の違いや膨張方向の違い等の熱特性の違いにより接合部分に熱ストレスが生じさせ、水晶板２２を上部に形成したバッファ層２１と水晶板形成面との間の接合部分を分離させる。その後、バッファ層２１が付着した水晶板２２を、波長変換素子として所望する波長変換率で機能するような外形サイズに切断し、複数個の波長変換素子２３を同時に得る。図３（ａ）には、上記製造方法にて形成した場合の波長変換素子２３を図示する。

又、上述した製造方法では、単結晶片集合基板１１と水晶板２２との間にバッファ層２１を形成して、水晶板２２をバッファ層２１ごと単結晶片集合基板１１から分離した後、バッファ層２１が付着した水晶板２２を、所望する性能及び形状の波長変換素子となるように切断加工を施す形態を開示したが、他の実施形態としては、単結晶片集合基板１１と水晶板２２との間にバッファ層２１を形成せずに、直接単結晶片集合基板１１上に水晶板２２を形成し、付着した単結晶片集合基板１１ごと水晶板２２を所望する性能及び形状の波長変換素子となるように切断加工を施し、複数個の波長変換素子２４を同時に得る形態でもよく、この方法で形成した波長変換素子２４を図３（ｂ）に示す。

尚、波長変換を行う電子部品は、この波長変換素子２３に入出力の光導波路や各種端子などを形成しモジュール化して構成され使用される。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、上述した実施形態では、単結晶片集合基板を構成する各単結晶片の素材をサファイヤとした形態を開示したが、単結晶片集合基板の水晶板形成面上に形成される水晶板のＸ軸が、この水晶板形成面と平行であり、且つそのＸ軸の方向が、単結晶片集合基板を構成する各単結晶片における隣り合う単結晶片の水晶板形成面上に形成された水晶板の水晶片部内間で逆方向を向くような水晶板が形成できるのであれば、サファイヤに限定するものではなく、シリコン、またはガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の他の単結晶素材を用いた単結晶片により構成された単結晶片集合基板を使用しても構わない。

図１は、本発明の波長変換素子の製造方法に使用する気相結晶成長装置を示した説明図である。 図２は、図１に記載の気相結晶成長装置を用いた波長変換素子の製造方法の一部分を部分断面図及び部分斜視図を用いて示した概略工程図である。 図３は、本発明により製造される波長変換素子を示したものであり、（ａ）は波長変換素子の一実施形態を示した外観斜視図であり、（ｂ）は波長変換素子の他の実施形態を示した外観斜視図である。

符号の説明

１０・・・気相結晶成長装置
１１・・・単結晶片集合基板
１１ａ・・・単結晶片
１２・・・支持台
１３・・・結晶形成室
１４・・・ヒータ
２１・・・バッファ層
２２・・・水晶板
２２ａ・・・水晶片
２３，２４・・・波長変換素子

Claims (3)

1. 水晶板中に相転移結晶を周期的に形成し、該水晶板の一端から入射した光を、該水晶板中の相転移結晶を交互に通過させることによって該光の波長変換を行う波長変換素子の製造方法において、
   気相成長法で基板上に水晶板をエピタキシャル成長させる製造装置を用い、
   該製造装置を構成する結晶形成室内の所定の位置に、該基板として、水晶板形成面上に形成される水晶板の結晶方位軸のうちのＸ軸が該水晶板形成面と平行となるように、該水晶板形成面結晶を配向させた、少なくとも該水晶板形成面を一側面とする四角柱形状の複数個の単結晶片を、該水晶板形成面が該結晶形成室内に露出し、且つ該水晶板形成面上に形成される該水晶板の該Ｘ軸が、隣り合う該単結晶片間で逆方向を向く形態で配列集合させ、一体となるよう隣り合う各単結晶片の側面を接合して成る単結晶片集合基板を配置する工程と、
   該結晶形成室内に配置した該単結晶片集合基板の該水晶板形成面上に、該単結晶片集合基板を構成する該各単結晶片の該水晶板形成面の結晶配向に沿ったＸ軸方向をそれぞれ有する一体の水晶板を所望の厚みにまで形成する工程と、
   該水晶板を形成した該単結晶片集合基板を該結晶形成室から取り出し、その後、該水晶板を、波長変換素子として所望する機能を有する外形サイズに切断し、複数個の波長変換素子を同時に形成する工程と
   を備えたことを特徴とする波長変換素子の製造方法。
2. 水晶板を形成した単結晶片集合基板を結晶形成室から取り出した後、該単結晶片集合基板ごと該水晶板を波長変換素子として所望する機能を有する外形サイズに切断し、複数個の波長変換素子を同時に形成する工程とを備えたことを特徴とする請求項１記載の波長変換素子の製造方法。
3. 単結晶片集合基板と水晶板との間にバッファ層を形成し、該水晶板を結晶形成面上に形成した該単結晶片集合基板を該結晶形成室から取り出した後、該バッファ層が付着した該水晶板と該単結晶片集合基板とを分離し、該バッファ層が付着した該水晶板を波長変換素子として所望する機能を有する外形サイズに切断し、複数個の波長変換素子を同時に形成する工程とを備えたことを特徴とする請求項１記載の波長変換素子の製造方法。

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