JP2010197908A

JP2010197908A - Ｓｈｇ素子の製造方法

Info

Publication number: JP2010197908A
Application number: JP2009045141A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kurotake; 弘至黒竹
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-09-09

Abstract

【課題】従来のＳＨＧ素子では導波路の場所によって分極反転領域の長さが異なってしまうため、ＳＨＧ変換効率が悪くなっていた。
【解決手段】強誘電体基板１１の第１面に第１の分極反転領域２５を形成する第１の分極反転領域形成工程と、強誘電体基板の第１面を支持基板１２に貼り合せる接合工程と、強誘電体基板の第２面を研磨する研磨工程と、研磨工程で研磨した面に櫛型電極を含む第３の電極２０および前記第３の電極に対向する第４の電極２１を形成し、第３の電極と前記第４の電極の間に電圧を印加することにより第２の分極反転領域２６を形成する第２の分極反転領域形成工程を備えたもので、これにより導波路内で分極反転領域の長さを均一にすることができ、ＳＨＧ素子の変換効率を向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は強誘電体基板に周期的な分極反転領域を形成し、その領域とオーバーラップするような光導波路を有するＳＨＧ素子に関するものである。

近年、ＤＶＤなどの光記録媒体用のレーザ光発生手段としては、レーザーダイオードなどの発光デバイスが用いられるが、さらなる高密度化の要求のために小型短波長のコヒーレント光源として、ＳＨＧ素子（光第２高調波発生素子）を用いたレーザ光が注目されている。

このＳＨＧ素子は、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの無機酸化物からなり、いずれも大きな非線形光学定数を有している。このＳＨＧ素子に入射させる光の入力波と出力波との波数を擬似的に整合させることにより、出てくる光の出力を増幅させる手法として、周期分極反転構造を利用する方法が提案されている。

この周期分極反転構造を作製する方法として、オフカット強誘電体基板の表面に櫛型電極を形成し、この櫛型電極に高電圧を印加することにより、オフカット角度に沿って分極反転領域を形成する方法などが知られている。

しかし、この方法では、櫛型電極の先端部から伸びる分極反転領域と先端部から離れた部分から伸びる分極反転領域とでは、先端部から伸びる分極反転領域の方が分極反転領域の幅が大きくなってしまい、この領域に導波路を形成した場合導波路の場所によって分極反転領域の長さが異なってしまうため、ＳＨＧ変換効率が悪くなる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。
特開２００５−２５８３４８号公報

本発明は上記課題を解決するものであり、導波路内の分極反転領域の長さを均一にすることにより、変換効率の大きなＳＨＧ素子を得ることを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、単一分極化された強誘電体基板の第１面に櫛型電極を含む第１の電極を形成し、強誘電体基板の第２面に第２の電極を形成し、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加することにより強誘電体基板に分極反転領域を形成する第１の分極反転領域形成工程と、強誘電体基板の第１面を支持基板に貼り合せる接合工程と、強誘電体基板の第２面を研磨する研磨工程と、研磨工程で研磨した面に櫛型電極を含む第３の電極および前記第３の電極に対向する第４の電極を形成し、第３の電極と前記第４の電極の間に電圧を印加する第２の分極反転領域形成工程とを備えたものであり、このようにすることにより、分極反転領域を直線状に伸ばすことができ、導波路内の分極反転領域の長さを均一にすることができ、変換効率の大きなＳＨＧ素子を得ることができる。

本発明によると、導波路内の分極反転領域の長さを均一にすることができるため、変換効率の良いＳＨＧ素子を得ることができる。

（実施の形態１）
図１（Ａ）は、本発明の一実施形態におけるＳＨＧ素子の導波路方向に対して垂直な面での断面図である。また図１（Ｂ）は図１（Ａ）のａ−ａの場所を水平に切った場合の上方から見た断面図である。図１（Ａ）において強誘電体基板１１はＭｇを５ｍｏｌ％ドープしたＬｉＮｂＯ₃基板を用い、結晶の切り出し方向はＹオフカットである。オフカット基板はＹカット基板に対して数度ずれた方向に分極軸をずらした基板であり本実施形態では、５°オフカットしたものを用いている。すなわち分極方向は、図１（Ａ）において水平方向に対して５°傾いたものとなっている。また波長約１μｍの光を入射して波長約０．５μｍの光を出射するように、導波路方向に約５μｍの周期で分極方向が１８０°反転するように、第１の分極反転領域２５および第２の分極反転領域２６が設けられている。支持基板１２は、強誘電体基板１１の厚さが薄いため、機械的強度を保つために強誘電体基板１１に貼り合わされているものであり、ＬｉＮｂＯ₃基板を用い、直接接合により接合されている。

強誘電体基板１１の支持基板１２とは反対側の面にトレンチ１４が設けられ、トレンチ１４の間がリッジ１５となり、この下が導波領域となる。ここでリッジの幅を約５μｍとしている。

このように構成することにより、入射され導波方向に進む光は分極方向が互いに１８０°反転した領域を交互に進むことになり、この間に波長が半分のＳＨＧ波に変換されていく。分極方向が互いに１８０°反転した領域は導波路内のどの領域でも導波方向に同じ長さであることが望ましいが、例えば櫛型電極を用いて電極印加により分極反転領域を形成する場合、櫛型電極の先端部と先端部から離れた部分とでは電界の集中度合いが異なるため、先端部から伸びる分極反転領域の幅が大きくなってしまい、導波路内で均一にすることが難しく、このためＳＨＧ波への変換効率が十分に大きなものが得られなかった。

次に、本発明のＳＨＧ素子の製造方法の一例を図２（Ａ）〜（Ｊ）を用いて説明する。

図２（Ａ）において用いた強誘電体基板１１はＭｇを５ｍｏｌ％ドープしたＬｉＮｂＯ₃基板である。この例では、矢印ｄで示す方向に単分域化されており、結晶の切り出し方向はＹオフカットであり、オフカット基板はＹカット基板に対して５°ずれた方向に分極軸をずらした基板であり、板厚約０．５ｍｍのものを用いている。

図２（Ａ）において、まず強誘電体基板１１の主面１１Ｓに最終的に得る分極反転構造のピッチに相当するピッチ約５μｍ、長さ約１００μｍに形成された櫛型電極を有する第１の電極１６をフォトリソグラフィーによってアルミニウムで形成する。次に強誘電体基板１１の裏面１１Ｒに第２の電極１７を形成する。第１の電極１６と第２の電極１７との間に電源１８を使用してピーク電圧約５ｋＶのパルス電界を印加する。このようにすることにより第１の電極１６の櫛型電極からＺ軸すなわち主面１１Ｓに対して５°傾いた方向に第１の分極反転領域２５が伸びて形成される。但しこのようにした場合櫛型電極の先端部と先端部から離れた部分とでは電界の集中度合いが異なるため、図１（Ｂ）の第１の分極反転領域２５のように、水平方向に切った場合先端部から伸びる分極反転領域の幅よりも、先端部から離れた部分から伸びる分極反転領域の幅の方が狭くなってしまう。

次に図２（Ｂ）において、強誘電体基板１１の主面１１Ｓに第１の電極１６の櫛型電極先端部を含む領域に開口部を有するレジストパターン１９を形成する。次に強誘電体基板１１をドライエッチング装置に入れ、最初に塩素を含むガスにより開口部に露出している第１の電極１６をエッチングしたのち、フッ化炭素系のガスにより強誘電体基板１１の主面１１Ｓを深さ約０．５μｍエッチングする。このようにすることで凹形状のクラッド層１３を形成する。

次にレジストパターン１９を剥離した後、レジストパターン１９の下に存在していた電極パターンをウェットエッチングにより除去し、図２（Ｃ）を得る。このあと強誘電体基板１１の主面１１Ｓ側を研磨することにより平坦化することが望ましい。

次に図２（Ｄ）に示す支持基板１２の主面１２Ｓと、図２（Ｃ）の強誘電体基板１１の主面１１Ｓを親水性処理し、図２（Ｅ）に示すように強誘電体基板１１の主面１１Ｓと支持基板１２の主面１２Ｓの結晶軸を合わせる。その後、約５００℃で熱処理することで図２（Ｆ）に示す直接接合基板を形成することができる。

次に図２（Ｇ）に示すように接合基板に光導波路を形成するために、強誘電体基板１１の裏面１１Ｒから研磨を行い、厚みが約４μｍになるように鏡面研磨する。次に図２（Ｈ）に示すように分極反転された部分に重なるように櫛型電極を含む第３の電極２０、およびこの櫛型電極に対向する第４の電極２１を形成する。第３の電極２０の櫛型電極部分のピッチは分極反転領域と同じく約５μｍであり、その長さを約５０μｍとしている。第４の電極２１は、第３の電極２０の櫛型電極部分に対向する櫛型電極を有するものであり、ピッチは第３の電極２０の櫛型電極のピッチと同じであり、長さを約４０μｍとし、第３の電極２０の櫛型電極の先頭部分と第４の電極２１の櫛型電極の先頭部分との距離を約４０μｍとしている。電源２２を使用して第３の電極２０と第４の電極２１との間にピーク電圧約４００Ｖのパルス電界を印加する。このようにすることにより、第１の電極１６と第２の電極１７との間にパルス電界を加えた時に、第１の電極の櫛型電極の先端部から離れた部分から伸びる第１の分極反転領域２５の幅の方が狭くなっていた領域に対して第２の分極反転領域２６を伸ばすことができ、導波路内で分極反転領域の長さを均一にすることができ、これによりＳＨＧ素子としての変換効率を向上させることができる。

なお、第１の電極１６と第２の電極１７との間にパルス電界を加えて形成した第１の分極反転領域２５と第３の電極２０の櫛型電極の位置を合わせることが非常に重要となるが、本実施の形態１においては、クラッド層１３をドライエッチングにより形成しており、これを強誘電体基板１１の主面１１Ｓ側の研磨した面から認識することができるため、クラッド層１３あるいは別の場所にこれと同時に形成した認識用パターンにより位置あわせすることができる。

次に図２（Ｉ）に示すようにその後光導波路を形成する部分に第２のレジストパターン２３を形成し、ドライエッチング装置に入れ、最初に塩素を含むガスにより開口部に露出している第３の電極２０をエッチングしたのち、フッ化炭素系のガスにより、深さ約２μｍのトレンチ１４ａ、１４ｂを形成し、その間をリッジ１５とし、この幅を約５μｍにする。次に図２（Ｊ）に示すようにリッジ１５とクラッド層１３との間を光導波路としたＳＨＧ素子を得ることができる。

なお、図２は導波路単位で表記しているが、実際はウエハ形態で処理したあと、個片に分割することにより、個々のＳＨＧ素子を得るものである。

（実施の形態２）
図３（Ａ）〜（Ｊ）は、本発明の実施の形態２におけるＳＨＧ素子の製造方法を示す図である。実施の形態１と実施の形態２の違いは、実施の形態１では第１の電極１６を除去したあとで支持基板１２と接合しているが、実施の形態２では第１の電極１６を残したまま支持基板１２と接合したものである。

まず図３（Ａ）において、実施の形態１と同様に強誘電体基板１１の主面１１Ｓに櫛型電極を有する第１の電極１６をフォトリソグラフィーによってアルミニウムで形成する。次に強誘電体基板１１の裏面１１Ｒに第２の電極１７を形成する。第１の電極１６と第２の電極１７との間に電源１８を使用してパルス電界を印加する。このようにすることにより第１の電極１６の櫛型電極からＺ軸すなわち主面１１Ｓに対して５°傾いた方向に第１の分極反転領域２５が伸びて形成される。次に強誘電体基板１１の主面１１Ｓの所定の位置を深さ約０．５μｍドライエッチングすることにより凹形状のクラッド層１３を形成する。

次に図３（Ｅ）のように、強誘電体基板１１の主面１１Ｓに第１の電極１６を残したまま接着剤２４を用いて主面１１Ｓと支持基板１２とを接合し、図３（Ｆ）を得る。

次に図３（Ｇ）に示すように接合基板に光導波路を形成するために、強誘電体基板１１の裏面１１Ｒから研磨を行い、厚みが約４μｍになるように鏡面研磨する。次に図２（Ｈ）に示すように第１の分極反転領域２５の部分に重なるように櫛型電極を含む第３の電極２０、および第１の電極１６に対向する第４の電極２１を形成する。このとき第４の電極は、第１の電極１６全体に対向する矩形状のパターンにすることが望ましい。ここで電源２２を使用して第３の電極２０と第４の電極２１との間にピーク電圧約１００Ｖのパルス電界を印加する。実施の形態１では、裏面１１Ｒに設けた第３の電極２０と第４の電極２１との間に電圧をかけた場合、電界が強誘電体基板１１の内部に回りこみ、これによって第２の分極反転領域２６を広げる。これに対して実施の形態２では、強誘電体基板１１を約４μｍと非常に薄くした状態で、第１の電極１６と第４の電極２１が対向しているため、第１の電極１６に対してコンデンサを接続した形となる。すなわち、それぞれ櫛型電極を有する第１の電極１６と第３の電極２０とが分極軸方向に対向したものに対して、第３の電極２０と第４の電極２１との間に電圧を印加することにより、第１の電極１６と第３の電極２０との間にパルス電界を印加することになり、第１の電極１６と第２の電極１７との間にパルス電界を加えた時に、第１の電極の櫛型電極の先端部から離れた部分から伸びる第１の分極反転領域２５の幅の方が狭くなっていた領域に対して第２の分極反転領域２６を伸ばすことができる。実施の形態２では、分極方向に対して電界を印加することになるので、導波路内で分極反転領域の長さを均一にするためには、より望ましい。

また実施の形態１と同様に、第１の電極１６と第２の電極１７との間にパルス電界を加えて形成した第１の分極反転領域２５と第３の電極２０の櫛型電極の位置を合わせることが非常に重要となるが、実施の形態２では第１の電極１６を残した状態で裏面１１Ｒを鏡面研磨しているため、裏面１１Ｒからのパターン認識が容易となるため、位置あわせの精度を向上させることができる。

このあと図３（Ｉ）に示すように、光導波路を形成する部分に第２のレジストパターン２３を形成し、ドライエッチング装置に入れ、最初に塩素を含むガスにより開口部に露出している第３の電極２０をエッチングしたのち、フッ化炭素系のガスにより、深さ約２μｍのトレンチ１４ａ、１４ｂを形成し、その間をリッジ１５とし、この幅を約５μｍにする。次に図３（Ｊ）に示すようにリッジ１５とクラッド層１３との間を光導波路としたＳＨＧ素子を得ることができる。

本発明のＳＨＧ素子は、櫛型電極の先端部から離れた部分から伸びる分極反転領域の幅の方が狭くなっていた領域に対して分極反転領域を伸ばすことができ、導波路内で分極反転領域の長さを均一にすることができ、これによりＳＨＧ素子としての変換効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１におけるＳＨＧ素子の断面図本発明の実施の形態１におけるＳＨＧ素子の製造方法を説明する図本発明の実施の形態２におけるＳＨＧ素子の製造方法を説明する図

１１強誘電体基板
１２支持基板
１３クラッド層
１４トレンチ
１５リッジ
１６第１の電極
１７第２の電極
１８電源
１９レジストパターン
２０第３の電極
２１第４の電極
２２電源
２３第２のレジストパターン
２４接着剤
２５第１の分極反転領域
２６第２の分極反転領域

Claims

単一分極化された強誘電体基板の第１面に櫛型電極を含む第１の電極を形成し、前記強誘電体基板の第２面に第２の電極を形成し、前記第１の電極と前記第２の電極の間に電圧を印加することにより前記強誘電体基板に分極反転領域を形成する第１の分極反転領域形成工程と、前記第１面を支持基板に貼り合せる接合工程と、前記強誘電体基板の第２面を研磨する研磨工程と、前記研磨工程で研磨した面に櫛型電極を含む第３の電極および前記第３の電極に対向する第４の電極を形成し、前記第３の電極と前記第４の電極の間に電圧を印加する第２の分極反転領域形成工程とを備えたＳＨＧ素子の製造方法。
前記第４の電極は、前記第３の電極の櫛型電極に対向する櫛型電極を含む請求項１記載のＳＨＧ素子の製造方法。