JP2019105808A - 光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的特性が良好なオーバークラッド層を備えた光学素子を提供する。【解決手段】光学素子の一実施態様は、単結晶の第１の基板と、前記第１の基板に、熱拡散による直接接合法により接合され、リッジ型導波路のコアが形成される、非線形光学媒質または電気光学媒質からなる第２の基板と、前記リッジ型導波路の上部に、熱拡散による直接接合法により接合される、単結晶のオーバークラッド層とを備えた。【選択図】図３

Description

本発明は、光学素子およびその製造方法に関し、より詳細には、光通信システムや光計測システムにおいて用いられる、非線形光学効果または電気光学効果を利用した光学素子およびその製造方法に関する。

光通信システムにおける光信号の波長変換、光変調、および光計測、光加工、医療、生物工学などに適用される光学素子は、紫外域−可視域−赤外域−テラヘルツ域にわたるコヒーレント光を発生したり、変調することができる。このような光学素子として、非線形光学デバイスおよび電気光学デバイスの開発が進められている。

非線形光学媒質および電気光学媒質としては、種々の材料が研究開発されており、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃：ＬＮ）などの酸化物系化合物基板は、２次非線形光学定数、電気光学定数が非常に高く有望な材料として知られている。ＬＮの高い非線形性を用いた光デバイスの一例として、周期的に分極反転されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）が知られている。さらに、ＰＰＬＮによる第二高調波発生（ＳＨＧ）、差周波発生（ＤＦＧ）または和周波発生（ＳＦＧ）を利用した波長変換素子が知られている。

例えば、波長２−５μｍの中赤外光の波長域には、様々な環境ガスの基準振動などの強い吸収線が存在するため、小型の中赤外光源の開発が望まれている。このような中赤外域の光源には、技術的に成熟された１μｍ付近の励起光源と通信波長帯の信号光を用いることのできるＤＦＧを適用した光源が有望だと考えられている。また、波長０．５μｍ付近の可視光の波長域には、半導体レーザでは実現の難しい波長域が存在する。そこで、１μｍ付近の励起光源を用いて、ＳＨＧやＳＦＧにより、緑色光などの可視光の発生を行うことのできる波長変換技術が有望視されている。

さらに、ＤＦＧを用いた波長変換技術を用いると、光ファイバ通信に用いられている波長１．５５μｍ帯の光を、一括で別の波長帯に変換することができる。これを利用して、波長分割多重方式における光のルーティング、光ルーティングにおける波長の衝突回避などの適用が可能となるので、波長変換素子は、大容量光通信ネットワークを構築するキーデバイスの一つとして考えられている。

ＤＦＧを用いた波長変換技術において、変換光が信号光に対して位相共役光になることを用いて、信号歪補償を行うことができる。伝送路の中間地点で信号光を位相共役光に変換すると、変換前の伝送路で生じた分散やファイバ中の非線形光学効果によって生じる信号歪みを、変換後の伝送路において打消しあうように伝搬させることができる。波長変換素子は、分散や非線形信号歪みを低減することができるキーデバイスともなる。

高い波長変換効率を有する波長変換素子を用いると、励起光パワーから信号光へのエネルギーの移行により、光パラメトリック増幅と呼ばれる、信号光の増幅器を構成することができる。特に、励起光と信号光の位相関係に応じた増幅特性を有する位相感応増幅器は、低雑音な光増幅が可能な技術として期待されている。

ＰＰＬＮを用いた波長変換素子を高効率化するためには、光導波路型のデバイスが有効である。これは、波長変換効率が非線形媒質を伝搬する光のパワー密度に比例するためであり、導波路構造を形成することにより、限られた領域に光を閉じ込めることができるからである。このため非線形媒質を用いた種々の導波路について研究開発がなされている。

従来、Ｔｉ拡散導波路、プロトン交換導波路と呼ばれる、拡散型の導波路を用いて検討がなされてきた。しかしながら、これらの導波路は作製において結晶内に不純物を拡散することから、光損傷耐性、長期信頼性の観点から課題があった。拡散型の導波路では、高強度の光を導波路に入射すると、フォトリフラクティブ効果による結晶の損傷が発生してしまうため、導波路に入力できる光パワーに制限があった。

近年、結晶のバルクの特性をそのまま利用できることから、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計が容易などの特徴を有するリッジ型の光導波路について研究開発がなされている。２枚の基板を接合して形成された光学素子の一方の基板に対して、薄膜化処理した後にリッジ加工を施すことにより、リッジ型の光導波路を形成することができる。また、２枚の基板を接着剤を用いて接着し、一方の基板に対して薄膜化処理した後にリッジ加工を施すことにより、リッジ型導波路を作製することも知られている（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながら、基板同士を接着剤により張合わせる方法は、接着材と基板の熱膨張係数が異なるために、温度が変化したときに薄膜に割れが生じるという問題があった。加えて、導波路中で発生する第二高調波光によって接着剤が劣化するために、動作中に導波路損失が増加し、波長変換の効率が劣化するという問題もあった。さらにまた、接着層の不均一性のために単結晶膜の膜厚が不均一となり、波長変換素子の位相整合波長がずれるという問題もあった。

一方、接着剤を用いずに、基板同士を強固に接合する技術として、直接接合技術が知られている。直接接合法は、初めに化学薬品を用いて基板の表面処理を行った後、基板同士を重ね合わせることにより、表面間引力により接合する方法である。接合は常温で行われるが、このときの接合強度は小さいため、その後に高温での熱処理を行って、接合強度を向上させる。接着剤等を用いずに基板同士を強固に接合することのできる直接接合の技術は、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性などの特徴を有する。他にも、上述したＤＦＧによる中赤外域の光発生において、不純物の混入や接着剤等の吸収を回避できる点からも有望視されている。

さらに、直接接合法は、非線形光学デバイスに留まらず、ハイパワーの光変調器応用にも期待されている。ＬＮなどの酸化物系化合物基板は、２次非線形光学定数に加え、電気光学定数も大きく、電気光学効果（ＥＯ効果）を用いた光変調器としても広く使われている。しかしながら、従来、Ｔｉ拡散導波路を用いたものが商用されてきたが、１００mW以上のハイパワーの光入力が困難であった。これに対して、直接接合法を用いると、ワット級の光入力も可能になることから、高光強度の光変調信号の生成、レーザ加工技術等への応用が期待できる。

直接接合法においては４００℃程度の高温での熱処理を必要とする。このため、接合する基板は、表面の平坦性が良いことに加え、それぞれの熱膨張率が近いことも要求される。このため、ＬＮ、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃：ＬＴ）、およびＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｆｅ等の添加物を付与したＬＮ同士の同種材料基板による直接接合形成が検討されてきた。

図１に、従来のリッジ型導波路の構造を示す。リッジ型導波路は、ベース基板１（アンダークラッド層）上に導波路パターンに応じて形成されたコア２を有しており、ステップ型の屈折率分布を有する。コア２は、ベース基板１に接していない３つの側面が空気層に接している。リッジ型光導波路は、コア２の上面および側面が空気層（屈折率＝１）であっても、動作することができる。しかしながら、実用上の問題点として、コアを剥き出しにしていると、空気中に浮遊するゴミやほこりの付着等による特性の経時変化が懸念される。また、光導波路の端面にＡＲコートなどの膜を形成するためには、必要な耐機械的強度を得るために、保護膜を兼ねたオーバークラッド層を形成する必要がある。

例えば、ベース基板１とコア２とにＬＮまたはＬＴ結晶を用いた場合、オーバークラッド層の材料としては、同一組成から成るＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０＜ｘ＜１）が最適材料であり、ＬＰＥ（液相エピタキシャル成長）法によりエピタキシャル成長させることが望ましい。 しかしながら 、ＬＰＥ法では、コア層の液相結晶成長に用いるフラックス中に含まれるＶ族元素が、光損傷を起こして素子特性を劣化させるという問題があり、ＬＰＥ法によるオーバークラッド層の形成は実用化に至っていない。

一方、異種材料をオーバークラッド層として用いる方法もある。異種材料をオーバークラッド層として形成する場合には、オーバークラッド層の材料とコアおよびアンダークラッド層との材料的相性および光学的特性の適性が問題となる。すなわち、材料的相性に関しては、コアおよびアンダークラッド層と化学的に反応して不純物混入、機械的脆弱化を起こさないことが必要である。また、光学的特性に関しては、オーバークラッド層に漏れて導波する光の吸収、散乱が生じないこと、適当な屈折率を有することにより、コア中の導波光モードが制御できることなどが挙げられる。異種材料のオーバークラッド層は、一般的にＳｉＯ₂に代表される酸化物材料を、ＥＢ（電子ビーム）蒸着法、スパッタ法、プラズマＣＤＶ（化学気相堆積）法により形成することができる。コアであるＬＮと屈折率の近い酸化物としては、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＮ_xなどを用いることもできる。

S. Kurimura, Y. Kato, M. Maruyama, Y. Usui, and H. Nakajima, "Quassi-Phase-Matched adhered ridge waveguide in LiNbO3," Appl. Phys. Lett. 89(19), 191123(2006) Y. Zikuhara, E. Higurashi, N. tamura, T. Suga, "Sequential activation process of oxygen RIE and nitrogen radical for LiNbO3 and Si wafer bonding," ECS Trnsactions, 3(6) 91-98 (2006)

しかしながら、従来の異種材料を用いたオーバークラッド層は、アモルファス材料であり、オーバークラッド層として用いる場合は、いくつかの問題があった。

第１に、基板材料であるＬＮと、ＳｉＯ₂に代表される酸化物材料とでは、熱膨張係数が大きく異なることである。ＬＮの熱膨張係数は、１５．４×１０^-6であるのに対し、ＳｉＯ₂は０．５−０．６×１０^-6であり大きく異なる。

図２に、従来のＳｉＯ₂からなるオーバークラッド層を備えたリッジ型導波路を示す。厚膜のオーバークラッド層３を形成した場合に、ベース基板１およびコア２との熱膨張係数の違いにより、オーバークラッド層３に圧縮応力が生じたり（図２（ａ））、オーバークラッド層３に引張応力が生じる（図２（ｂ））。この応力によって、導波路の反り、破壊、屈折率のズレが生じてしまうことがある。

直接接合法を用いたリッジ型導波路は、基板表面がリッジ構造により凸凹になっているので、さらにその上に電極装荷等を行うためには、平坦化を行う必要がある。ＳｉＯ₂に代表される酸化物材料を蒸着する際に、合わせて平坦化を行うためには、オーバークラッド材料をリッジ導波路の高さよりも十分高く堆積させ、リッジ構造を反映したオーバークラッド材料の凹凸を、研磨などにより平坦化処理する手順が必要となる。第２に、上述したように、熱望膨張係数の差から、リッジ型導波路全体を覆うほどのオーバークラッド層を堆積させることができないため、この手法では基板表面の平坦化は困難であった。

また、ＥＯ効果を用いたＬＮ変調器を作成するためには、導波路コア上に変調用の電極を装荷する必要がある。金属は光電界を吸収するため、電極は導波路に直接装荷することはできず、バッファ層と呼ばれるＳｉＯ₂に代表される酸化物オーバークラッド層を介して装荷する。Ｔｉ拡散導波路を用いたＬＮ変調器では、バッファ層にはＳｉＯ₂を用いているが、このアモルファス層がＤＣドリフト（一定のＤＣバイアス電圧を加えていても、変調器の動作点が時間とともに変動する現象）の要因の一つになっていることが知られている。第３に、直接接合法を用いたリッジ型導波路においても、オーバークラッド層にアモルファスＳｉＯ₂を用いるとＤＣドリフトが増大してしまう。

第４に、光学的特性の観点では、ＳｉＯ₂に代表される酸化物材料は、中赤外の波長領域の光に対して透明ではなく、吸収による導波路の損失が懸念される。このため、中赤外光を発生させるための波長変換素子のリッジ導波路には、アモルファスＳｉＯ₂のオーバークラッド層を適用することができない。中赤外光だけでなく、可視光や、紫外領域の光を発生させるための波長変換素子においても、アモルファスＳｉＯ₂は、同様の光学特性上の問題を有し、オーバークラッド層として適しているとは必ずしも言えなかった。

第５に、異種材料を用いたオーバークラッド層では、用いる材料が決まると、コアとの間の実効屈折率差が決まってしまう。オーバークラッド層の屈折率を制御して、任意の実効屈折率差を設定することは、極めて困難であった。

以上述べたように、従来手法では、材料的相性がよく、光学的特性が適切なオーバークラッド層を実現することが難しいという問題があった。

本発明の目的は、光学的特性が良好なオーバークラッド層を備えた光学素子およびその製造方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、光学素子の一実施態様は、単結晶の第１の基板と、前記第１の基板に、熱拡散による直接接合法により接合され、リッジ型導波路のコアが形成される、非線形光学媒質または電気光学媒質からなる第２の基板と、前記リッジ型導波路の上部に、熱拡散による直接接合法により接合される、単結晶のオーバークラッド層とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、導波路を構成する第１および第２の基板と熱膨張係数の値が近似する単結晶のオーバークラッド層を備えたので、オーバークラッド層の形成に伴う応力歪みがなく、導波モードの形状の対称性が向上するとともに、中赤外光、可視光、紫外光の広い波長範囲にわたって光吸収による損失が抑えられる。また、同種の単結晶材料が、熱拡散による直接接合法により接合されているので、高光損傷耐性、長期信頼性の高く、高出力の光パワーを入力することができる。

従来のリッジ型導波路の構造を示す断面図である。 従来のＳｉＯ₂からなるオーバークラッド層を備えたリッジ型導波路を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかるリッジ型導波路の構造を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる波長変換素子の作製方法を示す図である。 第１の実施形態にかかるオーバークラッド層の作製方法を示す図である。 第１の実施形態にかかる波長変換素子の切り出し方法を示す図である。 コアとベース基板との屈折率差に対する０次および１次モードの実効屈折率を示す図である。 第２の実施形態にかかる波長変換素子の０次および１次モードの実効屈折率を示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる光位相変調器の構造を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図３に、本発明の第１の実施形態にかかるリッジ型導波路の構造を示す。リッジ型導波路は、ベース基板１１（アンダークラッド層）上にコア層１２を形成し、導波路パターンに応じて形成されたコア１２ａを有しており、ステップ型の屈折率分布を有する。ＬｉＴａＯ₃からなるベース基板１１と、周期分極反転構造を施したＺカットＺｎ添加ＬＮ基板からなるコア層１２とを、熱拡散による直接接合法により貼り合わせ、コア層１２を、ドライエッチングプロセスにより加工してリッジ型導波路を形成する。コア１２ａの断面形状は、５×５μｍ²の方形である。コア１２ａとコア層１２の上には、ベース基板１１の材料と同じＬｉＴａＯ₃単結晶薄膜をオーバークラッド層１３として接合されている。

このようなリッジ型導波路を有する波長変換素子を作製する工程を説明する。

図４に、本発明の第１の実施形態にかかる波長変換素子の作製方法を示す。ベース基板となるＺカットＬｉＴａＯ₃基板（第１の基板）２１と、非線形光学媒質であり、周期分極反転構造を施したＺカットＺｎ添加ＬＮ基板（第２の基板）２２とを用意する。第１および第２の基板は、両面が光学研磨されてある３インチウエハである。第１の基板２１の厚さは５００μｍ、第２の基板２２の厚さは３００μｍである。なお、非線形光学媒質として、ＬＮの他に、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有した材料を用いることができる。

第２の基板２２の周期分極反転構造は、波長１．５μｍ帯で位相整合条件が満たされるように作製されている。ＬＮ結晶等に周期分極反転構造を作製する技術については多くの研究がなされ、いくつかの方法が開発されている。このうち、良好な結果が再現性よく得られる電界印加法により周期分極反転構造を作製する。この方法は、ＬＮ結晶の表面上にリソグラフィにより周期的なレジストパターンを形成し、金属薄膜電極、液体電極等を利用して、電圧パルスを印加することにより、レジストパターンが形成されていない部分の分極を反転させて、周期的な分極反転構造を作製する。

第２の基板２２の面内方向の熱膨張係数は１５．４×１０^-6であり、第１の基板２１の面内方向の熱膨張係数は１６．０×１０^-6であり、非常に近い値となっている。また、第２の基板２２の屈折率よりも第１の基板２１の屈折率の方が小さい。

第１および第２の基板の表面を洗浄した後、これら２つの基板をマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた第１および第２の基板を電気炉に入れ、４００℃で熱処理することにより拡散接合を行う（第一の工程）。接合された基板は、接合面にマイクロパーティクル等の挟み込みがなく、ボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しない。

次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の第２の基板２２の厚さが５μｍになるまで研磨加工を施す（第二の工程）。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより、鏡面の研磨表面を得ることができる。基板の平行度（最大高さと最小高さとの差）を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周辺部分を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、薄膜基板を作製することができる。この薄膜基板（第２の基板）は、図３におけるコア層１２となる。熱処理による拡散接合によって、第１および第２の基板を直接貼り合わせているので、３インチウエハの全面積にわたって均一な組成、膜厚を有する。

その後、第２の基板２２の表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製する。ドライエッチング装置を用いて、第２の基板２２の表面をエッチングすることにより、図３に示したように、光の導波方向に周期分極反転構造を有するコア１２ａを形成し、アンダークラッド層であるベース基板１１とともにリッジ型導波路を構成する（第三の工程）。コア１２ａの両脇の第２の基板の材料が完全に取り除かれるので、コア１２ａは、ベース基板１１（第１の基板２１）との接合面が極めて細くなる。第１の実施形態においては、直接接合法を用いるので、接合面が極めて細い構造においても剥離などが起きず、十分な接合強度を保つことができる。

このようにして、断面形状が５×５μｍ²の方形のコア１２ａを形成する。図３に示したコア１２ａの両脇のエッチングにより除去した空隙は、モードフィールドの観点では、０．５μｍ程度あればよい。しかしながら、ＬＮ材料は加工が難しいため、リッジ導波路の作製精度を確保するためには、コアのサイズと同等のかそれ以上の空隙を設けるのが好適である。第１の実施形態では、５μｍ以上の空隙を形成し、その他のコア層１２を残しておくことにより、以下に説明するオーバークラッド層１３の接合強度を増すことができる。

後に図６において示すように、３インチウエハ上に、波長変換素子となるリッジ型導波路が複数形成された第１および第２の基板を作製する。

なお、光導波路コアの作製手段としては、ドライエッチングプロセスの他に、ダイシングなどの機械加工の技術を用いてもよい。

図５に、第１の実施形態にかかるオーバークラッド層の作製方法を示す。アンダークラッド層となるベース基板１１と同じ材料のＬｉＴａＯ₃基板を用意する。ＬｉＴａＯ₃基板の一方の面に、ドーズ量３×１０¹⁶のＨｅを２００ｋｅＶで全面に注入したオーバークラッド基板を作製する。

図４の作製方法によりリッジ型導波路が形成された第２の基板の表面と、オーバークラッド基板１４のＨｅを打ち込んだ面とは反対側の面とを、前述した直接接合法により貼り合わせる（図５（ａ）、第四の工程）。その後、熱処理を２回に分けて行う。１回目の熱処理は、１５０℃程度の恒温槽で１時間加熱することにより、Ｈｅが注入された層を剥離する（図５（ｂ）、第一の熱処理工程）。これにより、リッジ型導波路の上面に、剥離された後に残こるオーバークラッド基板が、厚さ０．７μｍのアンダークラッド層と同じ単結晶のＬｉＴａＯ₃からなるオーバークラッド層１３となる。２回目の熱処理は、上述した第１および第２の基板の直接接合と同じ温度および時間によりアニールして、コア１２ａおよびコア層１２とオーバークラッド層１３とを強固に接合する（第二の熱処理工程）。

オーバークラッド層を装荷した状態で、基板全体の反りを測定したところ、３インチウエハ全体で１０μｍ程度の反り量であった。この反り量は、ベアのＬｉＴａＯ₃およびＬｉＮｂＯ₃基板と同程度である。第１の実施形態によれば、アンダークラッド層と同じ熱膨張係数の基板をオーバークラッド層として用いることができるため、オーバークラッド層の装荷に伴う応力歪はきわめて少ないことが分かる。

図６に、第１の実施形態にかかる波長変換素子の切り出し方法を示す。上述したように、リッジ型導波路が複数形成された第１および第２の基板上に、オーバークラッド層が装荷された３インチウエハ作製される（図６（ａ））。ダイシングにより、所望の本数のリッジ型導波路を所望の長さで短冊状に切り出し、両端面を光学研磨することにより、波長変換素子が完成する（図６（ｂ））。

第１の実施形態によれば、光導波路の上下方向の屈折率差の分布が、対称となることにより、入力光と変換光との間のモードの重なり量が改善し、波長変換効率として数％程度の改善がみられる。第１の実施形態の方法を用いて、リッジ型導波路の分極反転周期を変え、中赤外光、可視光、紫外光を発生させるための波長変換素子を作製したところ、オーバークラッド層とアンダークラッド層とが同じ単結晶材料であることから、光吸収による損失増加は見られず良好な波長変換を行うことができた。

また、同種の単結晶材料を、熱拡散による直接接合法により接合しているので、高光損傷耐性、長期信頼性の高く、高出力の光パワーを入力することができる波長変換素子を実現することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態にかかる波長変換素子のリッジ型導波路の構造は、第１の実施形態に同じである（図３）。第２の実施形態では、Ｚカット水晶基板からなるベース基板１１と、周期分極反転構造を施したＺカットＺｎ添加ＬＮ基板からなるコア層１２とを、熱拡散を用いた直接接合法により貼り合わせ、コア層１２を、ドライエッチングプロセスにより加工してリッジ型導波路を形成する。コア１２ａの断面形状は、４×４μｍ²の方形である。コア１２ａとコア層１２の上には、ＺカットＭｇドープＬＮからなるオーバークラッド層１３が接合されている。第２の実施形態では、オーバークラッド層の厚さにより、導波路の実効屈折率が制御できる例を示す。

第１の実施形態では、ベース基板とコア層とは同種の材料を用いた。しかしながら、同種の材料基板を接合した場合、基板間の屈折率差を大きくとることができない。このため光の閉じ込めが弱く、光導波路の小型化が制限されてしまい、高効率な波長変換デバイスの実現が困難となる。従来、熱拡散による直接接合型の導波路は、コア層とクラッド層の屈折率差が０．５〜０．７％程度であり、導波路の小型化を図ってもコアの断面形状は５×５μｍ²程度が実現できるにすぎない。コア層とクラッド層との屈折率差が少なくとも１％以上なければ、これ以上の導波路の小型化は困難である。

直接接合法による導波路の作製方法であって、屈折率差を大きくとることが可能な方法として以下の２つの方法が知られている。表面活性化常温接合法による異種基板同士を接合させる方法と、ガラス等の非晶質材料を接合層としてコア層とベース基板との間に形成し、アンダークラッド層として機能させる方法である。

表面活性化常温接合法は、接合プロセスを常温で行うことを可能にする。接合面を真空中で表面処理することにより、表面の原子を化学結合を形成しやすい活性な状態にする。このような表面処理を用いることにより、室温での接合またはその後の熱処理温度を大幅に下げることができる。表面活性化常温接合法により、シリコン（Ｓｉ）基板とＬＴ基板とを接合し、屈折率差の大きい接合基板を形成したことが報告されている（非特許文献２参照）。

しかしながら、ＬＮ及びＬＴの結晶基板は、ドライエッチング等の導波路作製プロセスを経ることにより、結晶中の酸素の抜けが発生し、欠陥が生じる。このような欠陥がある場合、光導波路の伝搬損失が増加し光損傷耐性も劣化してしまう。このため、導波路作製プロセスを経た後に、結晶から抜けた酸素を補完するためにアニール処理が必要となる。しかしながら、表面活性化常温接合法によるＳｉ基板とＬＴ基板との接合は、両者の熱膨張率の差が大きいため、このアニール処理の際に接合基板が破損されてしまうという問題がある。

一方、非晶質材料を接合層として用いる方法は、コア層とベース基板よりも屈折率の小さな非晶質材料をアンダークラッド層として機能させることにより、導波路の実効的な屈折率差を大きくとることができる。通常の直接接合法と同様に熱拡散を用いて接合をするため、上述したようなアニール処理時に基板が破損する問題は発生しない。

しかしながら、接合層として非晶質材料を用いる場合、接合層の膜厚の不均一性のために、コア層の膜厚が不均一となる場合がある。これにより、波長変換素子の位相整合波長も素子長全体にわたって不均一になってしまうという問題がある。さらに非晶質材料自体の屈折率の制御も困難であることから、位相整合波長の平均値自体も設計値からずれてしまうという問題もある。また、非晶質材料を用いると、接合面の表面分子の配列がランダムであり、結晶同士の直接接合に比べて実効的な結合手の単位面積当たりの数が少なくなる。このために、接合強度が弱く、長期的な信頼性に欠けるといった問題もある。加えて、接合層を形成するためにプロセス工程が増えることから、プロセス毎の特性バラつきが多くなってしまう。以上のことから、直接接合法による波長変換素子の導波路の作製は、熱処理が可能で、光学的特性が安定である結晶同士の接合が適しているといえる。

そこで、コア層にＬＮを用いたとき、直接接合法及び熱処理が可能な基板として利用できる結晶として水晶が考えられる。水晶は、加工技術が確立されており、表面の平坦性の良いウエハが入手可能である。加えて、面内方向の熱膨張係数は１３．２×１０^-6であり、ＬＮの面内方向の熱膨張係数１５．４×１０^-6と比べて非常に近い値をとる。このことから、ＬＮとの直接接合及び熱処理が十分可能な結晶である。

図１に示した従来のリッジ型導波路の構造を用いて、水晶からなるベース基板１に、周期分極反転構造を施したＺカットＺｎ添加ＬＮ基板からなるコア２を形成した場合、比屈折率差が２８％程度となり非常に大きい。このため、コアへの光閉じ込めが非常に強くコアの断面形状を５×５μｍ²以下としても多モードでの導波路となってしまう。

高効率な波長変換素子を実現するに当たっては、コア内の光のパワー密度を大きくすることに加え、原理的に光の相互作用長を長くとる必要がある。波長変換素子においては、コアに入射された光は、光導波路の基底モードのみを励振することが望ましい。多モードでの励起状態では、信号光と励起光の光電界の重なりが悪く、信号光と励起光の相互作用が減少し、非線形光学効果の効率が劣化してしまう。従って、図１に示したリッジ型導波路の波長変換素子の場合、基底モードのみを励振するためには、コアの断面形状を１×１μｍ²程度にする必要がある。しかしながら、そのような導波路サイズの素子は実際の作製精度を考慮すると現実的ではない。

このため、オーバークラッド層を用いて、オーバークラッド層とコア層との間の実効屈折率差を適切に調整する必要があるが、上述したように、異種材料を用いて任意の屈折率差を設けることは困難であった。

第２の実施形態では、オーバークラッド層に異種のアモルファス材料を用いるのではなく、同種の結晶材料を用いて、任意の実効屈折率差を設けることができる。具体的には、図５を参照して説明したように、オーバークラッド基板へのイオン注入エネルギーを調整することより、剥離した後に残るオーバークラッド層の厚さを厳密に調整する。

図７に、コアとベース基板との屈折率差に対する０次および１次のモードの実効屈折率を示す。図１に示したリッジ型導波路の波長変換素子であって、任意の屈折率を有する材料をベース基板に用いた場合、コアとベース基板との屈折率差（Δｎ）に対するモード実効屈折率を計算した結果である。Δｎが大きくなると、コアへの光の閉じ込めが強くなり、実効屈折が小さくなっていることが分かる。このように、ベース基板に任意の屈折率を有する材料を用いることができればよいが、実際には熱膨張係数が近い材料という条件と両立させることが極めて困難である。

図８に、第２の実施形態にかかる波長変換素子の０次および１次モードの実効屈折率を示す。図３，５に示したリッジ型導波路の波長変換素子であって、コアの断面形状を４×４μｍ²と仮定した。同種の結晶材料を用いると、コアとオーバークラッド層との間の屈折率差は１％以下とわずかであり、単にオーバークラッド層を接合しただけでは光電界がオーバークラッド層側にもれてしまう。第２の実施形態では、オーバークラッド層の厚さを制御することにより、オーバークラッド層への電界のもれ量を制御して、リッジ型導波路のモード実効屈折率を制御することができる。

図８において、オーバークラッド層の厚さが０．４μｍの時のモード実効屈折率と、図７において、Δｎが３．８％程度の時のモード実効屈折率とが一致する（ｎ_eff＝２．１０１０）ことが分かる。これは、オーバークラッド層の厚さを０．４μｍ程度とすると、実効的にΔｎ＝３．８％に相当する光導波路を形成できることを意味する。

同様に、オーバークラッド層の厚さが０．６μｍの時のモードの実効屈折率と、Δｎが１．９％程度の時の実効屈折率とが一致する（ｎ_eff＝２．１０３０）ことが分かる。これは、オーバークラッド層の厚さを０．６μｍ程度とすると、実効的にΔｎ＝１．９％に相当する光導波路を形成できることを意味しており、オーバークラッド層の厚さを０．４−０．６μｍの間の任意の厚さにすることにより、Δｎ＝１．９−３．８％の任意の導波路を形成することができる。さらに、オーバークラッド層の厚さを０．２μｍ程度にするとΔｎ＝６％、１．２μｍ程度にするとΔｎ＝１．７％程度の実効屈折率差を設けることができる。

このように、同種の材料の基板同士を接合した場合、オーバークラッド層を用いて、オーバークラッド層とコア層との間の実効屈折率差を適切に調整することができ、製造上、実際的なコアの大きさにおいて、光の閉じ込めが十分な光導波路であり、変換効率の高い波長変換素子を実現することができる。

（第３の実施形態）
図９に、本発明の第３の実施形態にかかる光位相変調器の構造を示す。第３の実施形態にかかる光位相変調器のリッジ型導波路の構造は、第１の実施形態に同じである（図３）。第３の実施形態では、ＬｉＴａＯ₃からなるベース基板１１と、ＺカットＺｎ添加ＬＮ基板からなるコア層１２とを、熱拡散を用いた直接接合法により貼り合わせ、コア層１２を、ドライエッチングプロセスにより加工してリッジ型導波路を形成する。コア１２ａの断面形状は、５×５μｍ²の方形である。コア１２ａとコア層１２の上には、単結晶のＺカット水晶基板からなるオーバークラッド層１３が接合されている。オーバークラッド層１３は、厚さ０．７μｍとなるように形成する。

さらに、オーバークラッド層１３上に、フォトリソグラフィと金属膜蒸着により、Ａｕ電極を形成する。コア１２ａ上の電極１５ａと、両側のコア層１２上の電極１５ｂ，１５ｃとの間に、変調信号とバイアス電圧とを印加することにより、電気光学効果（ＥＯ効果）による光位相変調を行う。なお、オーバークラッド層１３となる水晶薄膜と電極となる金属膜との間には、アモルファス酸化物材料等のバッファ層を設けることなく直接金属膜を形成している。

比較のために、アモルファス材料であるＳｉＯ₂を、厚さ０．７μｍのオーバークラッド層とした光位相変調（比較例）を用意した。ＤＣドリフトの特性を評価したところ、一定時間内でのＤＣドリフト量は、第３の実施形態においては、比較例の光位相変調器の
１／５以下に低減することができる。また、コア層との比屈折率差の大きな水晶基板からなるオーバークラッド層により、光電界が金属側に漏れることがなく、ワット級のハイパワーの光入力に対しても特性劣化なく光変調を行うことができる。さらに、電極となる金属膜を形成する面が平坦になるため、表面に凹凸の残るアモルファス材料を用いたオーバークラッド層に比べ、平坦化処理する手順が不要となる。

以上述べたように、第３の実施形態においては、ＤＣドリフトが少なく、ワット級の光入力が可能な光変調器を実現することができる。なお、第３の実施形態はコアの断面形状は５×５μｍ²としたが、オーバークラッド層の厚さを適宜変更することにより任意の導波路サイズでの設計が可能である。

１，１１ ベース基板
２，１２ａ コア
３，１３ オーバークラッド層
１２ コア層
１４ オーバークラッド基板
１５ 電極

Claims (8)

1. 単結晶の第１の基板と、
   前記第１の基板に、熱拡散による直接接合法により接合され、リッジ型導波路のコアが形成される、非線形光学媒質または電気光学媒質からなる第２の基板と、
   前記リッジ型導波路の上部に、熱拡散による直接接合法により接合される、単結晶のオーバークラッド層と
   を備えたことを特徴とする光学素子。
2. 前記コアは、光の導波方向に周期分極反転構造を有し、２次非線形光学効果を用いた光導波路型の波長変換素子として機能することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１の基板は、水晶基板からなり、
   前記オーバークラッド層の厚さを調整することにより、前記リッジ型導波路のモード実効屈折率が設定されることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 前記オーバークラッド層上に形成された電極をさらに備え、電気光学効果を用いた光導波路型の光位相変調器として機能することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
5. 前記オーバークラッド層は、水晶基板からなることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
6. 前記非線形光学媒質または前記電気光学媒質は、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（０≦ｘ≦１）または、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光学素子。
7. 光学素子の製造方法であって、
   単結晶の第１の基板と、非線形光学媒質または電気光学媒質からなる第２の基板とを、熱拡散による直接接合法により接合する第一の工程と、
   前記第２の基板に研磨加工を施して、所望の厚さに加工する第二の工程と、
   前記第２の基板に、リッジ型導波路のコアが形成する第三の工程と、
   一方の面に不活性ガスが注入された単結晶のオーバークラッド基板の、前記一方の面とは反対側の面と、前記第２の基板の前記リッジ型導波路が形成された面とを、熱拡散による直接接合法により接合する第四の工程と
   を備えたことを特徴とする光学素子の製造方法。
8. 前記第四の工程は、前記オーバークラッド基板の前記不活性ガスが注入された層を剥離する第一の熱処理工程と、
   剥離された剥離された後に残こるオーバークラッド基板と、前記第２の基板との接合を強固にする第二の熱処理工程とを含むことを特徴とする請求項７に記載の光学素子の製造方法。

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