JP2015075568A - 光学部品 - Google Patents

Abstract

【課題】光学材料基板を、支持基板上の電極に対して樹脂接着層で接着する構造の光学部品において、電極の抵抗を低く抑えつつ、かつ光学材料基板の支持基板からの剥離を防止できるようにする。【解決手段】光学部品２０Ａは、支持基板１、光学材料基板２、支持基板１上に設けられている電極７、および電極７と光学材料基板２とを接着する樹脂接着層４を備える。電極７が、樹脂接着層４に接するクロム膜７ｃ、およびクロム膜７ｃと支持基板１との間に設けられている金膜７ｂを含む。【選択図】 図１

Description

本発明は、支持基板上に光学材料基板を接着するタイプの光学部品に関するものである。

クラウドコンピューティンクの進展に伴い、光通信網の高速化、高周波化が一層進展しており、光変調効率の向上が要望されている。光変調素子においては、マイクロ波と光波との速度整合を図るために、ニオブ酸リチウムなどの非線形光学材料からなる光導波路基板の厚さを非常に薄くし、別体の支持基板に対して接着することが知られている。この場合、支持基板上に導電膜を形成し、この支持基板を導電膜を介して光導波路基板に接着することにより、支持基板の共振現象に起因するマイクロ波透過特性のリップルを抑制することが提案されている（特許文献１：特開２００３−１５６７２３）。こうした導電膜としては、低抵抗の金、銀、銅が挙げられている。

一般には、配線抵抗を下げるために、電気伝導率の高い金電極（Au）を使用する場合が多い。クロム膜などによって電極を形成すると、電極の抵抗値を必要な値にまで低下させることが難しく、必要な抵抗値を得るためには電極設計が困難である。

また、特許文献２（特開２００２−０４０３８１）記載の進行波型光変調器においては、ニオブ酸リチウム基板上にクロムからなる下地膜を形成し、その上に金メッキを設けることで、光導波路を伝搬する光を変調する変調用電極を形成することを提案した。

特開２００３−１５６７２３ 特開２００２−０４０３８１

しかし、支持基板上に金膜を形成し、これを薄い光導波路基板に対して樹脂で接合した場合、テープ強度試験で剥離することがあった。このような素子は、長時間使用することができず、信頼性が低下するので、歩留り低下の原因となる。こうした現象が生ずる原因は未知であった。

本発明の課題は、光学材料基板を、支持基板上の電極に対して樹脂接着層で接着する構造の光学部品において、電極の抵抗を低く抑えつつ、かつ光学材料基板の支持基板からの剥離を防止できるようにすることである。

本発明に係る光学部品は、
支持基板、
光学材料基板、
支持基板上に設けられている電極、および
電極と光学材料基板とを接着する樹脂接着層を備えており、
電極が、樹脂接着層に接するクロム膜、およびクロム膜と支持基板との間に設けられている金膜を含むことを特徴とする。

本発明者は、支持基板上に金膜を形成し、その上に光学材料基板を樹脂接着層を介して接着したときに、光学材料基板の支持基板からの剥離が生ずる原因について検討した。この結果、樹脂接着前の金膜の表面状態に問題があり、接着後の剥離を生じさせていたことを発見した。

すなわち、支持基板上に電極を形成した後、表面洗浄することによって、電極表面に付着した異物を除去することが必要である。このためには、通常、有機系の超音波洗浄のみならず、固着した異物を除去するためにスクラブ洗浄が有効である。支持基板の表面がクロム金属膜である場合には、スクラブ洗浄が有効であり、支持基板の反りが小さければ気泡をほとんど発生させることなく接合することが可能である。

ところが、支持基板の表面に金膜が露出している場合、例えばスクラブ洗浄を実施すると、金膜の表面にスクラブ痕が付いてしまい、その部分では微小な気泡が発生していた。このため、樹脂接合を行っても光学材料基板の剥離が生じた。このため、支持基板表面の金膜をスクラブ洗浄せず、超音波洗浄のみ実施して樹脂接着剤で接着してみた。しかし、この結果、金膜表面に貼りついた異物は取りきれておらず、付着した異物の領域で気泡が発生することがわかった。さらに、接着された光学材料基板を薄板化加工していくと、気泡部で剥がれ、また光学材料基板の周縁部分からも薄板化した基板が剥がれはじめた。基板周縁の剥がれ箇所でテープ剥離試験を行うと、金膜表面と樹脂接着剤との界面間で剥がれが進展した。

本発明者は、この知見に基づき、金膜上に更にクロム膜を形成し、このクロム膜を光学材料基板に対して樹脂接着することによって、上記の問題を解決することを想到した。すなわち、抵抗値の低い金膜によって電極として必要な導電性を得るとともに、金膜表面にクロム膜を更に形成することで、樹脂接着後における光学材料基板の支持基板からの剥離、特に光学材料基板の薄板化加工時の剥離を防止できる。

本発明の一実施形態にかかる光学部品２０Ａを示す模式図である。 本発明の他の実施形態にかかる光学部品２０Ｂを示す模式図である。 （ａ）は、光学部品２０Ａの横断面を模式的に示す図であり、（ｂ）は、光学部品２０Ｂの横断面を模式的に示す図である。 光学部品２０Ａを模式的に示す斜視図である。 光学部品２０Ｂを模式的に示す斜視図である。 比較例の光学部品１０を示す模式図である。 比較例の光学部品１０Ａを示す模式図である。 本発明実施例における接合状態を示す写真である。 比較例において、超音波洗浄後の金膜表面の気泡を示す写真である。 比較例において、接着体の気泡部分および周縁部において剥離が生じている状態を示す写真である。 図１０における接着体の周縁部の拡大写真である。

以下、本発明について、図面を適宜参照しつつ述べる。
図１、図３（ａ）および図４は、本発明の一実施形態にかかる光学部品２０Ａを示すものである。

本例では、支持基板１の表面１ａ上に、電極７、樹脂接着層４、バッファ層３を介して光学材料基板２の主面２ｂが接合されている。本例では、光学材料基板２の支持基板１とは反対側の主面２ａ上に上側電極１５が形成されている。また、本例では、光学材料基板２内にチャンネル型光導波路１３が形成されている。

本例では、電極７は三層構造となっている。すなわち、支持基板１上に金属下地膜７ａが設けられており、金属下地膜７ａ上に金膜７ｂが設けられており、金膜７ｂ上にクロム膜７ｃが形成されている。クロム膜７ｃは樹脂接着層４と接している。

本例では、抵抗値の低い金膜７ｂによって電極７として必要な導電性を得るとともに、金膜７ｂ上にクロム膜７ｃを更に形成することで、樹脂接着後における光学材料基板２の支持基板１からの剥離、特に光学材料基板の薄板化加工時の剥離を防止できる。

図２、図３（ｂ）および図５は、本発明の他の実施形態にかかる光学部品２０Ｂを示すものである。

本例では、支持基板１の表面１ａ上に、電極７Ａ、樹脂接着層４、バッファ層３を介して光学材料基板２の主面２ｂが接合されている。本例では、光学材料基板２の支持基板１とは反対側の主面２ａ上に上側電極１５が形成されている。光学材料基板２内にチャンネル型光導波路１３が形成されている。

本例では、電極７Ａは四層構造となっている。すなわち、支持基板１上に金属下地膜７ａが設けられており、金属下地膜７ａ上に中間膜７ｄが設けられており、中間膜７ｄ上に金膜７ｂが設けられており、金膜７ｂ上にクロム膜７ｃが形成されている。クロム膜７ｃは樹脂接着層４と接している。

本例では、抵抗値の低い金膜７ｂによって電極７として必要な導電性を得るとともに、金膜７ｂ上にクロム膜７ｃを更に形成することで、樹脂接着後における光学材料基板２の支持基板１からの剥離、特に光学材料基板の薄板化加工時の剥離を防止できる。

図６は、比較例に係る光学部品１０を示すものである。
本例では、支持基板１の表面１ａ上に、電極５、樹脂接着層４、バッファ層３を介して光学材料基板２の主面２ｂが接合されている。光学材料基板２の支持基板１とは反対側の主面２ａ上に上側電極１５が形成されている。光学材料基板２内にチャンネル型光導波路１３が形成されている。

本例では、電極５は二層構造となっている。すなわち、支持基板１上に金属下地膜５ａが設けられており、金属下地膜５ａ上に金膜５ｂが設けられている。金膜５ｂは樹脂接着層４と接している。

この実施形態では、金膜５ｂを形成しているので、電極５の抵抗値を低下させることはできる。しかし、金膜５ｂと樹脂接着層４との接着が安定せず、金膜５ｂ表面の洗浄後に気泡が残り、光学材料基板の薄板化加工時などに剥離進展の起点となる。

図７は、他の比較例に係る光学部品１０Ａを示すものである。
本例では、支持基板１の表面１ａ上に、電極６、樹脂接着層４、バッファ層３を介して光学材料基板２の主面２ｂが接合されている。光学材料基板２の支持基板１とは反対側の主面２ａ上に上側電極１５が形成されている。光学材料基板２内にチャンネル型光導波路１３が形成されている。

本例では、電極６は単層構造となっており、クロム膜からなる。電極６は樹脂接着層４と接している。この実施形態では、電極６の抵抗値を必要な程度に低下させることが難しい。電極６の抵抗値を十分に下げるためには電極６の厚さを十分に大きくする必要があるが、電極６を厚くすると支持基板１が反り、電極表面に気泡が残留して接着体の剥離を生ずるおそれがある。

以下、本発明の各構成要素について更に述べる。
光学部品の種類は特に限定されず、光学的機能を果たせばよい。具体的には、波長変換素子、光変調素子、光スイッチング素子などを例示できる。光変調素子は、光の特性に変調を加えるものであれば限定されず、光強度変調器、光位相変調器であってよい。光強度変調器は、マッハツェンダー型光導波路を利用した光振幅変調器であってよい。光位相変調器とは、入射光に対して位相変調を加え、出射光から位相変調信号を取り出すものを意味する。また、光学材料基板中に周期分極反転構造を形成することもできる。

支持基板の材質は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸リチウムカリウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。

光学材料基板を構成する光学材料は、特に限定されないが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、ＫＴＰ、ＧａＡｓ及び水晶、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４などを例示することができる。また、光学材料は、コングルエント組成であってよく、ストイキオメトリ組成であってよい。

光学材料中には、光導波路の耐光損傷性を更に向上させるために、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）及びインジウム（Ｉｎ）からなる群より選ばれる１種以上の金属元素を含有させることができ、マグネシウムが特に好ましい。光学材料中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。この希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。

好適な実施形態においては、光学材料基板は、相対向する一対の主面、相対向する一対の側面および光学研磨された端面を有している。主面とは、他の面よりも相対的に面積の大きい表面である。

光学材料基板の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば光変調器においては、基板内での光エネルギーの閉じ込め性を上げて、変調効率を高めるという観点からは、１０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下が更に好ましい。また、光学材料基板の厚さは、基板の取り扱い易さという観点からは、０．５μｍ以上が好ましい。前述したような樹脂接着層と電極との界面を起点とする剥離は、光学材料基板の薄板化加工の際に生じやすいことから、本発明は光学材料基板が薄い場合に特に好適である。

光学材料基板に形成される光導波路の種類は限定されず、スラブ導波路、チャンネル導波路を含む。また、導波路の種類は、チタン拡散法などの内拡散型光導波路や、リッジ型光導波路であってよい。

例えば図３（ａ）、（ｂ）に示す各例の光学部品においては、光学材料基板２の上側の主面２ａ側に一対のリッジ溝１２Ａ、１２Ｂが形成されており、リッジ溝１２Ａ、１２Ｂによってリッジ型光導波路１３が形成されている。１４は光ビームである。

光学材料基板にリッジ溝１２Ａ、１２Ｂを形成するための加工方法は限定されず、機械加工、イオンミリング、ドライエッチング、レーザーアブレーションなどの方法を用いることができる。

好適な実施形態においては、光学素子の支持基板とは反対側の主面上に上側電極が設けられている。例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示す各例の光学部品においては、光学材料基板２の上側主面２ａ上に上側電極１５が設けられており、上側電極１５と下側の電極７、７Ａとの間に変調電圧を印加する。

光学材料基板と支持基板とを接着する樹脂接着層は、エポキシ系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化型接着剤を例示できる。

樹脂接着層の屈折率と光学材料基板の屈折率との差は、バッファ層の厚み、屈折率に依存するが、光の閉じ込めという観点において樹脂接着層の屈折率の１０％以上であることが好ましく、２０％以上であることが更に好ましい。また、樹脂接着層の厚みは、安定して接着させるという観点では、０．２μｍ以上が好ましく、また薄板研磨加工後の基板厚バラツキの低減という観点で、２μｍ以下が好ましい

支持基板上に設けられている電極は、樹脂接着層に接するクロム膜、およびクロム膜と支持基板との間に設けられている金膜を含む。

金膜の厚さは、導電性の向上という観点からは、０．０３μｍ以上が好ましく、０．０５μｍ以上が更に好ましい。また、金膜の厚さは、特に限定されないが、高価な材料であるため、コストの観点から０．２μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以下が更に好ましい。

樹脂接着層に接するクロム膜の厚さは、本発明の観点からは、０．０３μｍ以上が好ましく、０．０５μｍ以上が更に好ましい。また、光学部品の反りを抑制するという観点からは、０．１μｍ以下が好ましく、０．０８μｍ以下が更に好ましい。

好適な実施形態においては、クロム膜と支持基板との間に金属下地膜が設けられている。例えば、図１〜図５の実施形態においては、金膜７ｂと支持基板１の表面１ａとの間に金属下地膜７ａが設けられている。これによって金膜の支持基板への密着を更に改善することができる。このような金属下地膜の材質としては、ニッケル、チタン、タンタル、モリブデンが好ましく、クロムが特に好ましい。

金膜と金属下地膜との間に中間膜を更に設けることができる。このような中間膜の材質としては、ニッケル、チタン、白金が好ましい。

電極を構成する各膜の製法は特に限定されないが、スッパタリング、蒸着を例示できる。

また、光学材料基板の上側主面、下側主面には、それぞれ、バッファ層を形成することができる。例えば、図１〜図５の例では、光学材料基板２の下側主面２ｂ上にバッファ層３が形成されている。バッファ層は、各電極による光の吸収損失を低減し、光の光学材料基板内への閉じ込めを強くすると共に、光ファイバと同じように対称性の優れたスポット形状を有する光導波路が実現できる。

このため、光学材料基板の屈折率とバッファ層の屈折率との差は、バッファ層の材質の屈折率の１０％以上であることが好ましく、２０％以上であることが更に好ましい。また、バッファ層の厚みは、光の閉じ込めという観点で０．１μｍ以上が好ましく、半波長電圧の増加という観点で１μｍ以下が好ましい。

バッファ層の材質としては、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５が好ましい。

光学材料基板の薄板化加工時には、研削加工の後、ラッピングやポリッシングを実施できる。また、支持基板の表面を研磨加工した後の洗浄工程は、以下のように実施することが好ましい。
有機溶剤でスクラブ洗浄を行い、次いで、有機溶剤による超音波洗浄、純水による超音波洗浄、純水フロー洗浄を行う。

（実施例１）
図１、図３（ａ）、図４に示すような形態の光学部品２０Ａを作製した。
具体的には、厚さ５００μｍのMgO5%molドープのｚ板ニオブ酸リチウム単結晶基板の上面に、スパッタリング法にてＳｉＯ_２からなるバッファ膜３を、厚さ０．５μｍ成膜した。

また、厚さ１ｍｍのノンドープｚ板ニオブ酸リチウム単結晶基板を支持基板１とした。支持基板１の上面１ａに、スパッタリング法にて、厚さ０．０５μｍのクロム膜７ａ、厚さ０．１μｍの金膜７ｂ、厚さ０．０５μｍのクロム膜７ｃを形成した。次いで、電極の表面を有機溶剤を用いてスクラブ洗浄し、次いで有機溶剤によって超音波洗浄し、純水超音波洗浄、純水フロー洗浄を行った。

次いで、MgO5%molドープの前記ｚ板ニオブ酸リチウム単結晶基板を、バッファ層３を下にして、支持基板１に対して、樹脂接着剤によって貼り合わせた。ここで、MgOドープニオブ酸リチウム単結晶基板には、後の下部電極７の電極取り出し用に、基板の一部に直径１００μｍ程度の穴、あるいは幅１００μｍの溝が形成されていてもよい。穴加工については例えばレーザー加工法が適用でき、溝加工についてはダイシングで基板の途中まで切断するような方法が利用できる。次に、MgOドープニオブ酸リチウム基板の上側主面を厚さ３．７μｍとなるまで研削、研磨で加工した。この研削研磨により、先述の穴加工、あるいは溝加工した領域部分が除去され、下部電極７を被覆している樹脂接着層４が穴または溝から露出する。この露出した樹脂接着層４はアッシングにより除去でき、これによって電極取り出し用の下部電極７を表面に露出させることが可能である。その後、エキシマレーザ加工にてMgOドープニオブ酸リチウム基板側から加工し、深さ２．２μｍの溝１２Ａ、１２Ｂを形成し、幅５．３μｍのリッジ型光導波路１３を形成した。さらにＳｉＯ_２からなるバッファ層を厚さ０．５μｍで成膜し、その上に上側電極１５を成膜した。上側電極１５は、クロム、ニッケル、金膜の３層の膜構成とした。

次に、ダイシングソーにて幅３ｍｍ、長さ１３ｍｍにチップ切断を行い、チップ端面を光学研磨して１２ｍｍの長さとなるように加工した。また、コア径６μｍのSＩ（ステップインデックス）ファイバにより位相変調素子を光学的に紫外線硬化樹脂にて接続した。最後に両脇の側面部表面の電極部に外部回路と導通をとるためにワイヤボンドした。また、上部電極の素子の長手方向の長さを１０ｍｍとした。

得られた位相変調器に対して波長1064nmのレーザ光を入射しところ、光の損失は0.5dB/cmとなり、良好な伝播性能を得ることができた。また、半波長電圧を評価したところ、約７Ｖであった。

本実施例においては、光学材料基板を薄板化加工した後に、サンプルの端部からテープ試験を実施し、観察した写真を図８に示す。図８において、左上の矢印は光学材料基板を示し、右上の矢印は、樹脂接着層および電極を示す。テープ試験により、薄板化された光学材料基板の剥離は全く進展することなく、接合している様子が分かる。つまり、光学材料基板を薄板化加工した後にも、光学材料基板の剥離はまったく見られず、接合状態は安定していた。

（比較例１）
実施例１と同様にして、図７に示すような形態の光学部品１０Ａを作製した。ただし、実施例１とは異なり、三層からなる電極７は設けず、その代わりに、クロム膜単層からなる電極６を、スパッタリング法によって形成した。

ただし、クロムは金に比べて抵抗率が高いため、実施例１と同等なシート抵抗を得るには、電極の膜厚を０．５μｍ以上とする必要があった。この結果、接着体が１００μｍ以上反ってしまい、一部接合ができても、ボイド（気泡）が発生する領域を小さくすることができなかった。

（比較例２）
実施例１と同様にして、図７に示すような形態の光学部品１０Ａを作製した。ただし、実施例１とは異なり、三層からなる電極７は設けず、その代わりに、クロム膜単層からなる電極６を、スパッタリング法によって形成した。

ただし、比較例１とは異なり、高抵抗となるが、クロム膜の膜厚を０．２μｍまで薄くして、樹脂接合を試みた。しかし、基板の反りは３０μｍ程度発生し、接合による気泡量を抑制することができなかった。

（比較例３）
クロム膜だけでは、抵抗が大きく、反りが大きくなってしまう。このため、実施例１と同様にして、図６に示すような形態の光学部品１０を作製した。ただし、実施例１とは異なり、三層からなる電極７は設けず、その代わりに、クロム膜からなる下地膜５ａと金膜５ｂとからなる電極５を、スパッタリング法によって形成した。クロム膜５ａの膜厚を０．０５μｍとし、金膜５ｂの膜厚を０．１μｍとした。

しかし、スクラブ洗浄を実施すると、金膜表面にスクラブ痕が付いてしまい、その部分では微小な気泡が発生した。得られた接着体を薄板化加工していくと、気泡部で剥がれ、また基板の周辺からも薄板化した基板が剥がれはじめた。基板周縁の剥がれ箇所でテープ剥離試験を行うと、金膜表面と樹脂接着剤との界面間で剥がれが進展した。このような状態となったため、後工程の素子化を断念した。

（比較例４）
実施例１と同様にして、図６に示すような形態の光学部品１０を作製した。ただし、実施例１とは異なり、三層からなる電極７は設けず、その代わりに、クロム膜からなる下地膜５ａと金膜５ｂとからなる電極５を、スパッタリング法によって形成した。クロム膜５ａの膜厚を０．０５μｍとし、金膜５ｂの膜厚を０．１μｍとした。

そして、金膜を超音波洗浄した後、スクラブ洗浄を省略した。ここで、超音波洗浄後の電極表面を観察すると、図９に示すように、電極表面に貼りついた異物が取りきれず、その領域で、矢印で示すように気泡が発生していることが判明した。

次いで、電極を光学材料基板に接着した後、光学材料基板を薄板化加工した。この結果、図１０に下側の矢印で示すように、気泡部分で剥がれが生じており、また、基板の周縁部分からも右上の矢印で示すように剥離が生じていた。図１１には、図１０における右上周縁部における剥離を拡大して示す。ここで、図１１において左上の矢印は光学材料基板を示し、右上の矢印は金膜を示し、右下の矢印は進展している剥離を示す。

基板周縁の剥がれ箇所でテープ剥離試験を行うと、金膜表面と樹脂との界面間で剥がれが進展した。このような状態となったため、後工程の素子化を断念した。

Claims (7)

1. 支持基板、
   光学材料基板、
   前記支持基板上に設けられている電極、および
   前記電極と前記光学材料基板とを接着する樹脂接着層を備えており、
   前記電極が、前記樹脂接着層に接するクロム膜、および前記クロム膜と前記支持基板との間に設けられている金膜を含むことを特徴とする、光学部品。
2. 前記金膜と前記支持基板との間に設けられた金属下地膜を有することを特徴とする、請求項１記載の光学部品。
3. 前記金属下地膜がクロムからなることを特徴とする、請求項２記載の光学部品。
4. 前記電極が、前記金膜と前記金属下地膜との間に中間膜を更に備えていることを特徴とする、請求項２または３記載の光学部品。
5. 前記光学材料基板に光導波路が形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の光学部品。
6. 光変調部品であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の光学部品。
7. 前記光学材料基板に形成された周期分極反転構造を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の光学部品。

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