JP2011048010A - 波長変換素子の製造方法及び波長変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】櫛歯電極による分極反転領域が平行になるようにする。
【解決手段】分極反転用の櫛歯電極枝部の先端を櫛歯電極根元部より細くし、櫛歯電極枝部による分極反転領域が平行になるようにする。
【選択図】図５

Description

本発明は波長変換素子の製造方法及び波長変換素子に関するものである。

強誘電体の分極を強制的に反転させる分極反転現象を利用すると、強誘電体の内部に周期的な分極反転領域（分極反転構造）を形成することができる。このようにして形成された分極反転領域は、表面弾性波を利用した光周波数変調器や、非線形分極の分極反転を利用した光波長変換素子などに利用されることが開示されている。（特許文献１）

図１は、特許文献１で開示された波長変換素子（４つが集合形成されている）の斜視図であり、図２はその一部を示す拡大斜視図である。その開示によると、上部絶縁層７の上には櫛歯電極８Ａ、８Ｂが形成されている。電圧印加用電極８Ａは、矩形状の本体部８Ａ_１と、本体部８Ａ_１から−Ｘ方向に沿って延びた複数の枝部８Ａ_２を備えている。電圧印加用電極８Ｂは、本体部８Ｂ_１から＋Ｘ方向に沿って延びた複数の枝部８Ｂ_２を備えており、双方の枝部８Ａ_２、８Ｂ_２が噛み合うように配置され、枝部８Ａ_２、８Ｂ_２はＺ軸方向に沿って交互に並んでいる。一方の各枝部８Ｂ_２からは基板表面上をほぼ−Ｚ方向（Ｘ軸に垂直で基板表面に沿った方向）に沿って延びた複数の細枝部８Ｂ_３を備えている。

電圧Ｖ_１，Ｖ_２の印加によって、分極反転を行うため、電圧Ｖ_１は直流電圧５００Ｖとし、Ｖ_２はパルス電圧とするが２００Ｖ〜８００Ｖとする。オフ角θによって分極反転に必要な電圧は異なり、θ＝５度の場合、Ｖ_２＝Ｖ_１＝５００Ｖである。この波長変換素子の中間体は、分極反転後にダイシング（チップ加工）される。ダイシングラインは、本体部８Ａ_１，８Ｂ_１の内側であってＸ軸に垂直に設定する。

接着層４に起因する光の吸収損失を低減するため、導波路を形成するアンダークラッド層として、強誘電体単結晶基板６の下面にＳｉＯ_２からなる下部絶縁層５が設けられている。下部絶縁膜５の屈折率は、強誘電体単結晶基板６の屈折率の９０％以下であり、下部絶縁膜５の厚みＤ_５は０．５μｍ〜１．０μｍである。本例では、強誘電体単結晶基板６の接着面に予めＳｉＯ_２からなる下部絶縁膜５を形成しておき、これをベース基板２に接着層４を介して貼り付けることとしてある。

分極反転を行うための電極として、ベース基板２の被接着面に予め金属膜３が形成されている。金属膜３の材料は、ベース基板２との付着力及び安定性のためには、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕ／Ｃｒなど望ましいが、例えば、Ａｕ（２００ｎｍ）／Ｃｒ（５０ｎｍ）用いることができる。

ベース基板２と強誘電体単結晶基板６を接着する時の変形を出来るだけ小さくするため、その熱膨張係数は強誘電体単結晶基板６との差は５％以下としてある。すなわち、強誘電体単結晶基板６の水平面各方向における熱膨張係数の値は、ベース基板２の水平面各方向における熱膨張係数の９５％〜１０５％の範囲内の値である。これらの熱膨張係数は略一致しているため、熱膨張係数差に起因する基板剥離や伝送損失の増加が抑制される。なお、強誘電体単結晶基板６を構成する材料は、酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム単結晶であることが好ましい。この基板は、光損傷に強いことが知られているため、高強度の光に対する波長変換を行うことができる。

すなわち、ノンドープのＬＮ基板からなるベース基板２の厚さＤ_２は０．５ｍｍであるが、０．１ｍｍ以上であることが好ましく、平行度（面の段差）は０．２μｍであるが、０．３μｍ以下であることが好ましい。また、ＭｇＯ添加の強誘電体単結晶基板６の厚さＤ_６も０．５ｍｍであるが、０．１ｍｍ以上、平行度は０．２μｍであるが、０．３μｍ以下であることが好ましい。なお、素子強度及び研磨の時の平坦性を保つため、厚さＤ_２，Ｄ_６は０．２ｍｍ以上が更に好ましい。

なお、ベース基板２と強誘電体単結晶基板６の結晶方位は同一である。

接着層４に起因する光の吸収損失を低減するため、導波路の上部クラッドを構成するオーバーコート層として、強誘電体単結晶基板６の上面にＳｉＯ_２からなる上部絶縁膜７が設けられている。上部絶縁膜７の屈折率は、強誘電体単結晶基板６の屈折率の９０％以下であり、上部絶縁膜７の厚みＤ_７は０．２μｍ〜０．５μｍである。

上部絶縁膜７上に形成される電極の細枝部８Ｂ_３の中心間の間隔（周期）Ｘ_２及び幅Ｘ_１は、それぞれ分極反転領域ＰＲのＸ方向に沿った中心間の間隔及び幅に等しく、６．６２μｍ及び０．５μｍである。このとき、１．０６４μｍの赤外レーザー光の波長に対して、ＳＨＧ素子として機能する。なお、基板表面の電極の枝部８Ａ_２、８Ｂ_２間のＺ方向離隔距離Ｗ_３は１５０μｍに設定する。これらの電極は、金属のスッバタと、その後のフォトリソグラフィによって作製する。電圧印加用電極８Ａ，８Ｂの材料としては、例えば、Ａｕ（２００ｎｍ）／Ｃｒ（５０ｎｍ）を用いる。

分極反転を行う時の電圧印加方法を示している。強誘電体単結晶基板６の自発分極は結晶のＺ軸方向に揃っているため、分極反転の方向はその逆方向であり、従って、電極８Ａがプラス、電極８Ｂ及び金属膜３がマイナスになるように電圧Ｖ_１，Ｖ_２を印加する。これにより、電極８Ａと電極８Ｂ、電極８Ａと金属膜３の間の材料内部に、それぞれ電界Ｅ_ＺとＥ_Ｙが発生する。一Ｚ方向の合成電界Ｅ_Ｓが強誘電体単結晶の抗電界値より大きい時に、分極反転が生じる。

要するに、上部絶縁層７上には、一対の電圧印加用電極８Ａ，８Ｂが形成されているが、強誘電体単結晶基板６のＺ軸は基板の面方向に対して角度θを有しており、この角度θは、双方の電圧印加用電極８Ａ，８Ｂ間、及び金属膜３と一方の電圧印加用電極８Ａとの間に電圧Ｖ_１，Ｖ_２を印加することで強誘電体単結晶基板６内に形成される電界Ｅ_Ｓの向きに、Ｚ軸が一致するように設定されている。電圧Ｖ_１，Ｖ_２を印加した場合には、強誘電体単結晶基板６のＺ軸に沿って分極反転が進行するため、合成電界Ｅ_Ｓの向きをＺ軸に一致させることで、分極反転に必要な電圧値を低下させることができる。

上記強誘電体単結晶の抗電界値は約４〜５ｋＶ／ｍｍである。分極反転が発生するためには、材料内部にこの値より大きな電界を印加する必要がある。なお、従来の分極反転プロセスは、厚さ０．５ｍｍ〜１ｍｍのバルク結晶ウェハに対して電圧印加を行うため、Ｖ_１とＶ_２が共に数ｋＶから数十ｋＶの電圧を要していた。

本実施形態では、強誘電体単結晶基板６を、ベース基板２に貼り付けた後、薄く研磨処理してから、電圧印加を実行する。したがって、水平方向の内部電界Ｅ_Ｚは大きくは変化しないが、垂直方向の内部電界Ｅ_Ｙは従来の１００倍以上に大きくなる、このため、垂直方向の内部電界Ｅ_Ｙは分極反転方向の電界Ｅ_Ｓへの寄与分が大きくなり、結果的に両方向の電圧を共に小さくにすることができる。本例では、強誘電体単結晶基板６を厚さＤ_６＝５μｍまで研磨してから、分極反転を行った。

電圧印加を行って、複数の分極反転領域ＰＲからなる周期状分極反転構造ＰＰＳを形成し、続いて、ウェットエッチング等を用いて、Ｘ軸方向に延びる２本の溝ＧＲ１，ＧＲ２を、複数の分極反転領域ＰＲを横切るように形成する。所謂リッジ型導波路のコアを形成する。
等々と記載されている。

ベース基板２と強誘電体単結晶基板６を接着する時の変形を出来るだけ小さくするため、その熱膨張係数は強誘電体単結晶基板６との差は５％以下としてある。すなわち、強誘電体単結晶基板６の水平面各方向における熱膨張係数の値は、ベース基板２の水平面各方向における熱膨張係数の９５％〜１０５％の範囲内の値である。これらの熱膨張係数は略一致しているため、熱膨張係数差に起因する基板剥離や伝送損失の増加が抑制される。なお、強誘電体単結晶基板６を構成する材料は、酸化マグネシウムを添加したニオブ酸リチウム単結晶であることが好ましい。この基板は、光損傷に強いことが知られているため、高強度の光に対する波長変換を行うことができる。本明細書では強誘電体単結晶基板はＭｇＯ添加ニオブ酸リチウムの５度オフのＹ板であり、主表面が結晶のＹ軸に対して垂直な面から−Ｚ軸方向にθ＝５度傾斜しているものとして説明するが、これに限定されるものではない。

特開２００７−１８３３１６号公報

分極反転用の櫛歯電極枝部の先端を櫛歯電極根元部より細くし、櫛歯電極枝部による分極反転領域が平行になるようにする。

図６は櫛歯電極による分極反転の説明をするための模式図で（Ａ）は櫛歯電極の初期設計形状で、理想通りに分極がされた形状を示す上面図と断面図、（Ｂ）は分極が先端から進行して広がり櫛歯電極枝部の先端と根元で分極幅が異なった形状を示す上面図と断面図、（Ｃ）は本発明による櫛歯電極枝部形状で分極がなされた形状を示す上面図と断面図、（Ｄ）、（Ｅ）は（Ｂ）の一つの櫛歯電極枝部を拡大した図で、分極反転が厚さ方向に進む状態を示す上面図とＹ−Ｙ断面図であり、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の各断面図は（Ｄ）に示すＸ−Ｘ断面と同じ断面図である。形状は説明のため誇張してある。ハッチング部が分極反転領域である。

図３は図６（Ａ）に示す模式図の詳細図であり、（Ａ）は櫛歯電極の上面図、（Ｂ）は分極反転した分極反転領域（斜線ハッチング部と櫛歯電極の下部）を示す上面図である。
櫛歯電極本体部１７と櫛歯電極枝部１７Ａ（図示では１０本）が形成されているが、櫛歯電極枝部１７Ａは先端から根元まで同じ幅Ｘ１であり、そのピッチはＸ２，長さはＹ１である。平行櫛歯電極で分極反転をした場合に、平行櫛歯電極から一様幅で広がる分極反転領域が形成されれば、分極反転領域１８の幅はＸ３となり、分極反転領域間Ｘ４と同じになる初期設計である。厚み方向でも図６（Ａ）の断面図で示すように均等幅の周期分極反転領域が形成できる。

ところが、平行櫛歯電極により分極反転すると、分極反転領域は櫛歯電極枝部の先端から発生して進行する。図４は図６（Ｂ）に示す模式図の詳細図であり、（Ａ）は櫛歯電極の上面図、（Ｂ）は分極反転した分極反転領域（斜線ハッチング部と櫛歯電極の下部）を示す上面図である。櫛歯電極は図３と同形状であるが、櫛歯電極枝部先端の分極反転領域が櫛歯電極枝部根元の分極反転領域より広くなり、分極反転領域がテーパー状になる。櫛歯電極枝部先端の分極反転領域の幅はＸ３’、分極反転領域間はＸ４’となるため、図６（Ｂ）の断面図で示すように分極反転領域幅が上面と下面で異なってしまう。そのため厚さ方向の周期分極反転領域が台形になりデューティー比が１：１でなくなってしまう。

上面と下面で分極反転領域が異なるのは、図６（Ｄ）の上面図で示す分極反転領域は、断面図（Ｅ）に示すようにθ＝５度で右方向に進み（強誘電体単結晶基板の厚さが３．５μｍの場合上下の分極反転領域先端は約４０μｍずれる）、下面では点線で示すような形状となるため、Ｘ−Ｘ断面で見ると上面は幅が広く、下面では幅が狭くなることが原因である。

少なくとも、
ベース基板上に電極膜を形成する工程と、
強誘電体単結晶基板の一方面に絶縁膜を形成する工程と、
前記ベース基板の電極膜形成面と前記強誘電体単結晶基板の絶縁膜形成面を接着する貼付工程と、
前記強誘電体単結晶基板の他方面を研磨して薄板化する研磨工程と、
薄板化された強誘電体単結晶基板上に電極膜を形成する工程と、
該電極膜を櫛歯電極及び、該櫛歯電極に対向する電極にパターニングする工程と、
前記電極膜及び前記対向する電極と前記櫛歯電極との間に電圧を印加する工程とを具備する
周期分極反転構造を形成する波長変換素子の製造方法において、
前記櫛歯電極の櫛歯を櫛歯の根元から櫛歯の先端に向かって細くし、周期分極反転領域を平行に形成する波長変換素子の製造方法とする。

少なくとも、
ベース基板上に電極膜を形成する工程と、
強誘電体単結晶基板の一方面に絶縁膜を形成する工程と、
前記ベース基板の電極膜形成面と前記強誘電体単結晶基板の絶縁膜形成面を接着する貼付工程と、
前記強誘電体単結晶基板の他方面を研磨して薄板化する研磨工程と、
薄板化された強誘電体単結晶基板上に電極膜を形成する工程と、
該電極膜を櫛歯電極及び、該櫛歯電極に対向する電極にパターニングする工程と、
前記櫛歯電極と前記対向する電極の間に電圧を印加する工程とを具備する
周期分極反転構造を形成する波長変換素子の製造方法において、
前記櫛歯電極の櫛歯を櫛歯の根元から櫛歯の先端に向かって細くし、周期分極反転領域を平行に形成する波長変換素子の製造方法とする。

前記製造方法により製造された波長変換素子とする。

櫛歯電極枝部の先端と根元での分極反転幅が同一にでき、厚さ方向でも垂直な分極反転領域が形成できる。

図１は、従来技術による波長変換素子（４つが集合形成されている）の斜視図 図１の一部を示す拡大斜視図 図６（Ａ）に示す模式図の詳細図 図６（Ｂ）に示す模式図の詳細図 櫛歯電極形状の上面図（Ａ）と分極反転領域を示す上面図（Ｂ） 櫛歯電極による分極反転の説明をするための模式図 分極反転の電圧印加の状態図とその等価回路図 本発明に係る波長変換素子製造工程を示すブロック図 波長変換素子の斜視図

図８は本発明に係る波長変換素子製造工程を示すブロック図であり、図５は櫛歯電極形状の上面図（Ａ）と分極反転領域を示す上面図（Ｂ）である。図７は分極反転の電圧印加の状態図とその等価回路図、図９は波長変換素子の斜視図である。

図８は本発明に係る波長変換素子の製造方法を説明するための図で側面図である。（Ａ）は厚さ０．５ｍｍの強誘電体単結晶基板１１（ＭｇＯをドープしたＬｉＮｂＯ_３の５度オフＹ板）であり、（Ｂ）は表面に絶縁膜として１３を形成したものである。絶縁膜１３としては例えばＳｉＯ_２を０．１〜１．０μｍ好ましくは０．５μｍ蒸着する。

（Ｃ）はベース基板１２であり強誘電体単結晶基板１１と熱膨張係数が近いものから選出（例えばＬｉＮｂＯ_３のＹ板）し、厚さは１ｍｍとする。（Ｄ）は表面に電極膜１４を形成したものである。電極膜１４は従来技術と同様である。

（Ｅ）は前記強誘電体単結晶基板１１とベース基板１２をそれぞれに形成された絶縁膜１３と電極膜１４を相対向させて接着層１５を介して接着した状態である。接着層１５は例えばポリイミド系の接着剤であり、接着層１５の厚さは例えば、０．２〜１．０μｍ好ましくは０．５μｍとする。

次に、ベース基板１２を研磨用基板（不図示）に接着し、強誘電体単結晶基板１１を研削、研磨する。薄板化された強誘電体単結晶基板１１’は例えば２．５〜５．０μｍであり、厚さは用途により適宜決定する。

（Ｇ）は薄板化した強誘電体単結晶基板１１’の表面に分極反転用の櫛歯電極１６を形成する。例えば、強誘電体単結晶基板１１’の表面に一様にＴａを０．０１〜２．０μｍ好ましくは０．１μｍ蒸着し、マスク用の膜を形成し、所望の分極反転用の櫛歯電極１６が形成できるようマスクを形成してエッチングする。

（Ｈ）は櫛歯電極形成工程である。図５は櫛歯電極の平面図（Ａ）と分極反転後の分極反転領域を示す平面図（Ｂ）である。櫛歯電極本体部１７には複数の櫛歯電極枝部１７Ａが形成されている。櫛歯電極枝部幅Ｘ５、櫛歯電極枝部幅Ｘ６の寸法は分極反転条件により適宜決定される。分極反転領域（櫛歯電極枝部下面と斜線ハッチング部）１８の幅Ｘ７は櫛歯電極枝部幅Ｘ５、Ｘ６より広くなるが、分極反転領域の幅Ｘ７と分極反転領域間幅Ｘ８が同一になるよう分極反転の条件出しをする。

（Ｉ）は周期分極反転処理工程である。図７は周期分極反転の電圧印加の模式図（Ａ）、（Ｃ）とその等価回路図（Ｂ）、（Ｄ）である。１９は櫛歯電極であり、１６は対向印加電極、１４は電極膜である。（Ａ）では対向印加電極１６と電極膜１４に直流２５０〜６００Ｖのマイナス側が接続され、櫛歯電極１９に直流のプラス側が接続されている。そしてパルス電圧１００〜５００Ｖがそれぞれに印加されている。（Ｃ）では対向印加電極１６に直流２５０〜６００Ｖのマイナス側が接続され、櫛歯電極１９に直流のプラス側が接続されている。そしてパルス電圧１００〜５００Ｖがそれぞれに印加されている。電極膜１４には電圧が印加されていない。
（Ａ）または（Ｃ）の状態で電圧を印加することにより周期分極反転構造が得られる。

（Ｊ）は印加用の櫛歯電極１９と対向印加電極１６を除去する工程である。

（Ｋ）はリッジ形成工程であり、図２に示す溝ＧＲ_１、ＧＲ_２をドライエッチングまたはレーザーで形成する工程である。図９は、完成した波長変換素子の斜視図であるが、図に示すような溝ＧＲ_１、ＧＲ_２が形成される。

（Ｌ）は端面研磨工程であり、図１に示すような４個取りのチップの櫛歯電極本体部を切断して除去し、レーザー光が入射する端面と出射する端面を研磨する工程である。

（Ｍ）は単個分割工程であり、４個取りのチップを図９に示す単個に分割する工程である。

２ ベース基板
３ 金属膜
４ 接着層
５ 下部絶縁膜
６ 強誘電体単結晶基板
７ 上部絶縁膜
８Ａ 櫛歯電極
８Ａ_１ 本体部
８Ａ_２ 枝部
８Ｂ 櫛歯電極
８Ｂ_１ 本体部
８Ｂ_２ 枝部
８Ｂ_３ 細枝部
１１ 強誘電体単結晶基板
１１’ 薄板化した強誘電体単結晶基板
１１’Ａ リッジ
１２ ベース基板
１３ 絶縁膜
１４ 電極膜
１５ 接着層
１６ 対向印加電極
１７ 櫛歯電極本体部
１７Ａ 櫛歯電極枝部
１８ 分極反転領域
１９ 櫛歯電極
ＰＲ 分極反転領域
Ｅ_Ｓ −Ｚ方向の合成電界
Ｅ_Ｙ 垂直方向の内部電界
Ｅ_Ｚ 水平方向の内部電界
ＰＰＳ 周期状分極反転構造
ＧＲ_１ 溝
ＧＲ_２ 溝

Claims (3)

1. 少なくとも、
   ベース基板上に電極膜を形成する工程と、
   強誘電体単結晶基板の一方面に絶縁膜を形成する工程と、
   前記ベース基板の電極膜形成面と前記強誘電体単結晶基板の絶縁膜形成面を接着する貼付工程と、
   前記強誘電体単結晶基板の他方面を研磨して薄板化する研磨工程と、
   薄板化された強誘電体単結晶基板上に電極膜を形成する工程と、
   該電極膜を櫛歯電極及び、該櫛歯電極に対向する電極にパターニングする工程と、
   前記電極膜及び前記対向する電極と前記櫛歯電極との間に電圧を印加する工程とを具備する
   周期分極反転構造を形成する波長変換素子の製造方法において、
   前記櫛歯電極の櫛歯を櫛歯の根元から櫛歯の先端に向かって細くし、周期分極反転領域を平行に形成することを特徴とする波長変換素子の製造方法。
2. 少なくとも、
   ベース基板上に電極膜を形成する工程と、
   強誘電体単結晶基板の一方面に絶縁膜を形成する工程と、
   前記ベース基板の電極膜形成面と前記強誘電体単結晶基板の絶縁膜形成面を接着する貼付工程と、
   前記強誘電体単結晶基板の他方面を研磨して薄板化する研磨工程と、
   薄板化された強誘電体単結晶基板上に電極膜を形成する工程と、
   該電極膜を櫛歯電極及び、該櫛歯電極に対向する電極にパターニングする工程と、
   前記櫛歯電極と前記対向する電極の間に電圧を印加する工程とを具備する
   周期分極反転構造を形成する波長変換素子の製造方法において、
   前記櫛歯電極の櫛歯を櫛歯の根元から櫛歯の先端に向かって細くし、周期分極反転領域を平行に形成することを特徴とする波長変換素子の製造方法。
3. 請求項１または２記載の製造方法により製造されたことを特徴とする波長変換素子。

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