JP2890781B2 - 光導波路の作製方法 - Google Patents

光導波路の作製方法

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光導波路の作製方法、特に例えば第2高調
波発生素子に用いる非線形光学材料に対する光導波路の
作製方法に係わる。
〔発明の概要〕
本発明は、基板にプロトン交換によって光導波路を形
成する光導波路の作製方法において、この基板表面に絶
縁層を被着し、この絶縁層を介してプロトン交換を行う
ことにより、工程数の低減化をはかり、また絶縁層剥離
作業における光導波路及び基板の特性の劣化を抑制し
て、光導波路の特性の向上をはかる。
〔従来の技術〕
イオン交換により基板表面近くに高屈折率層を形成し
て基板上に光導波路を作製する方法としてプロトン交換
法がある。このプロトン交換は、例えばLiNbO3(以下LN
と記す)基板を安息香酸溶液中に浸すか或いはピロ燐酸
を塗布した後、一定時間の加熱処理を行って、基板表面
に高屈折率とされた光導波路を形成する方法である。
一方、近年特に第2高調波発生素子(以下SHG素子と
いう)等の光デバイス装置において、その表面に周期ド
メイン反転構造を形成して光出力等の特性の向上をはか
ることが提案されている。
例えばSHG素子は、周波数ωの光を導入すると、2ω
の周波数の第2高調波の光を発生するもので、このSHG
素子によって単一波長光の波長範囲の拡大化がはから
れ、これに伴いレーザの利用範囲の拡大化と各技術分野
でのレーザ光利用の最適化をはかることができる。例え
ばレーザ光の短波長化によってレーザ光を用いた光記録
再生、光磁気記録再生等において、その記録密度の向上
をはかることができる。
このようなSHG素子としては、例えばKNbO3用いたいわ
ゆるバルク型のSHG素子や、より大なる非線形光学定数
を利用して位相整合を行う導波路型のSHG素子、例えばL
N等の非線形光学材料より成る単結晶基板の上に線形導
波路を形成して、これに近赤外光の基本波を入力して第
2高調波の例えば緑、青色光を放射モードとして基板側
からとりだすチェレンコフ放射型のSHG素子等がある。
変換効率の高い光デバイス装置の実現のためには、基
本波と第2高調波の位相伝搬速度を等しくしなくてはな
らない。これを擬似的に行う方法として非線形光学定数
の+−を周期的に配列する方法が提案されており、(J.
A.Armstrong,N.Bloembergen,他Phys.Rev.,127,1918(19
62))これを実現する方法として結晶(例えば結晶軸)
の方向を周期的に反転させ、例えば具体的な方法として
は、例えば結晶を薄く切断して貼り合わせる方法(岡
田、滝沢、家入、NHK技術研究、29(1),24(1977))
や、また結晶引上げ時に例えば印加する電流の極性を制
御して周期的な分域(ドメイン)を形成して周期ドメイ
ン反転構造を形成する方法(D.Feng,N.B.Ming,J.F.Hon
g,他、Appl.Phys.Lett.37,607(1980),K.Nassau,H.J.L
evinstein,G.H.Loiacano Appl.Phys.Lett.6,228(196
5),A.Feisst,P.Koidl Appl.Phys.Lett.47,1125(198
5))がある。これらの方法は結晶材料の全厚さに渡っ
て周期構造を形成することを目的としている。しかしな
がら、上述した方法による場合は大規模な装置が必要と
なるのみならず、ドメイン制御が難しいという問題点が
ある。
これに対して結晶材料の表面近傍に上述の周期ドメイ
ン反転構造を形成する方法として、例えばTiを結晶表面
から拡散させて周期ドメイン反転構造を得る方法が本出
願人等による特開平2−93624号公報開公報、又は伊藤
弘昌、張英海及び稲場文男等による第49回応用理学会議
講演会予稿集919(1988)に提案されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
更に本出願人は、先に特願平1−8271号特許出願、特
願平1−184362号特許出願及び特願平1−344270号特許
出願において、シングルドメイン化即ち単分域とされた
非線形光学材料を挟んでその相対向する両主面に対向電
極を配置または絶縁体を介して配置し、両電極間にパル
ス電圧または直流電圧を印加することによって局部的に
ドメイン反転部を形成して周期ドメイン反転構造を得る
方法を提案した。
この方法による場合、第2図Aに示すように、例えば
+c軸方向にシングルドメイン化された非線形光学単結
晶例えばLNのz基板より成る基板(1)を用意し、この
基板(1)の+c面より成る主面(1A)上にAl2O3等よ
り成る絶縁層(2)を被着形成する。
次に第2図Bに示すように、この主面(1A)上の絶縁
層(2)上に、例えばTiより成る金属層(3)を、得よ
うとする周期ドメイン反転構造の周期A例えば1〜500
μmの周期の平行ストライプ状パターンとしてスパッタ
リング等により被着形成する。
そして第2図Cに示すように各電極層(3)に電源
(4)を接続して、所要の雰囲気中で、また必要に応じ
て基板(1)の抗電界を下げるために150〜1200℃例え
ば1040℃の加熱下で、基板(1)の+c面をプラス側と
して数十〜数百V/cm例えば300V/cmの直流電圧を1時間
印加するか、又は150℃〜1200℃例えば600℃の加熱下で
数百V/cm〜数千kV/cm例えば40kV/cmのパルス電圧を数μ
秒から数分例えば0.1秒、1回〜数回例えば2回印加す
る。
このようにすると、+c軸とは逆向きの反転ドメイン
が、金属層(3)のストライプパターンのピッチΛに対
応して形成されて成る周期ドメイン反転構造部(5)を
得ることができる。
次に第2図Dを示すように、基板(1)上の各電極層
(3)、絶縁層(2)を除去する。この除去方法は、例
えば王水(HNO3:HCl=1:3)によるウェットエッチング
によって電源層(3)を除去した後、化学処理及び鏡面
研磨によって各絶縁層(2)を剥離する。
この後、例えばピロ燐酸を塗布した後熱拡散を行った
り、又は例えばホット燐酸に浸したりする等の周知のプ
ロトン交換法によって、第2図Eに示すように、屈折率
が基板(1)に比して大とされた光導波路(6)を形成
することができる。
しかしながら、このような従来方法による場合上述の
絶縁層(2)を剥離する工程において、化学処理だけで
は絶縁層(2)を完全に除去することができず、更に鏡
面研磨を行って絶縁層(2)を除去するようにしていた
ため、この鏡面研磨の際に基板(1)の表面を粗面化し
てしまい、導波光の伝搬損失が大となってしまう場合が
あり、特性の劣化を招来する恐れがあった。
本発明は、このような絶縁層剥離の工程における非線
形光学結晶の光学特性的劣化を回避して、光導波路の作
製工程における歩留りの向上をはかり、光導波路装置の
特性の向上をはかる。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、基板(1)にプロトン交換によって光導波
路を形成する光導波路の作製方法において、第1図Aに
その一製造工程を示すように、基板(1)表面に絶縁層
(2)を被着し、この絶縁層(2)を介してプロトン交
換を行う。
〔作用〕 上述したように、本発明による光導波路の作製方法に
よれば、基板(1)上に絶縁層(2)を被着した状態で
プロトン交換法により光導波路を作製するものである
が、このように絶縁層を被着した状態においてもプロト
ン交換法によって光導波路を形成し得ることを本出願人
等の考案により確認した。
従って、本発明光導波路の作製方法によれば、絶縁層
(2)を除去せずに光導波路を作製するため鏡面研磨等
によって非線形光学結晶の表面を粗面化する等の不都合
を回避することができる。従って、特性の良好な光導波
路装置を得ることができ、歩留りの向上と、工程数の低
減下により生産性の向上をはかることができる。
〔実施例〕
以下、第1図A〜Eの製造工程図を参照して、本発明
による光導波路の作製方法の一例として、周期ドメイン
反転構造部を有するチェレンコフ放射型SHG素子を得る
場合について詳細に説明する。
実施例1 この例では、非線形光学定数の大きいLN結晶の厚さ方
向に+c軸を有するいわゆるz基板より成り、例えば主
面(1A)側を+c面として、厚さ方向にc軸(z軸)を
有するシングルドメイン化された非線形強誘電体光学材
料より成る基板(1)を用意する。この基板(1)のシ
ングルドメイン化は、例えばそのキュリー温度以下の例
えば1200℃程度まで昇温して、その厚さ方向に外部直流
電圧を全面的に印加することによって行うことができ
る。
そして、第1図Aに示すように、この基板(1)の主
面(1A)上にCVD(化学的気相成長法)、EB(電子ビー
ム)蒸着法またはスパッタリング等によってSiO2等の絶
縁層(2)を10Å〜数μm、例えば1000Åの厚さに被着
形成する。
次に第1図Bに示すように、この絶縁層(2)上にP
t、W等の高融点金属材料の全面蒸着及びフォトリソグ
ラフィの適用により、フォトレジストの塗布、パターン
露光、現像、フォトレジストパターンをマスクとして異
方性エッチングを行って、例えば最終的に得る周期ドメ
イン反転構造部のパターンに対応するパターンをもって
金属層(3)を被着形成する。このパターンは、例えば
最終的に形成する周期ドメイン反転構造部(5)のピッ
チとドメイン反転幅に対応するピッチと幅をもった平行
配列パターン即ち例えば平行ストライプ状パターンとす
る。
このような状態で、第1図Cに示すように、各電極層
(3)に電源(4)を接続して、所要の雰囲気中で、ま
た必要に応じて基板(1)の抗電界を下げるために150
〜1200℃例えば1040℃の加熱下で、基板(1)の+c面
をプラス側として数十〜数百V/cm例えば300V/cmの直流
電圧を1時間印加するか、又は150℃〜1200℃例えば600
℃の加熱下で数百V/cm〜数千kV/cm例えば40kV/cmのパル
ス電圧を数μ秒から数分例えば0.1秒、1回〜数回例え
ば2回印加する。
このようにすると、+c軸とは逆向きの反転ドメイン
が、金属層(3)のストライプパターンのピッチΛに対
応して形成されて成る周期ドメイン反転構造部(5)を
得ることができる。
その後、第1図Dに示すように、王水等を用いて金属
層(3)のみを化学的ウェットエッチングにより除去し
て、絶縁層(2)を被着した状態で安息香酸、燐酸又は
ピロ燐酸等を用いてプロトン交換を行う。
即ち、絶縁層(2)上に例えばピロ燐酸を300rpm(回
転/分)で40秒間スピンコートし、加熱炉の中で数分〜
数時間例えば1〜8時間熱処理を施し、その後基板
(1)を加熱炉から取り出して水洗いを行って、第1図
Eに示すように、光導波路(6)を有するSHC素子(1
0)を得ることができる。
尚、上述の例ではLN基板(1)の+c面を主面(1A)
とした場合であるが、その他−c面上に周期ドメイン反
転構造部(5)を形成した後光導波路(6)を形成する
場合でも良い。
実施例1ではLN基板上に周期ドメイン反転構造部
(5)を形成した場合を示したが、次に周期ドメイン反
転構造部(5)を形成しない例について説明する。
実施例2 この例では、LN単結晶基板を用いて、これにSiO2をEB
蒸着装置により1000Å蒸着した試料を用いてプロトン交
換を行った。
このプロトン交換は、先ず純水で基板に洗浄した後エ
タノール、クロロセン、エタノール、アセトンの順で超
音波洗浄を行い、この基板をガラス基板上に載置した状
態でピロ燐酸を塗布し、加熱温度を200℃±5℃、加熱
時間を1、2、4及び8時間と変化させて行った。
プロトン交換後の基板を、He−Neレーザを用いたプリ
ズムカップリング法により光入力及び光導出を行って光
導波路の存在を確認した結果、加熱時間1時間〜8時間
のとき絶縁層を蒸着した場合においても、光導波路を得
ることができることがわかった。
従って、絶縁層を剥離する工程の簡略化により生産性
の向上をはかり、かつ剥離工程における基板の特性劣化
を回避して歩留りの向上をはかることができる。
なお、上述の例においてはLN基板を用いてSHG素子を
得る場合について述べたが、その他種々の光導波路を有
する光デバイス装置を作製する場合に、本発明を適用す
ることができる。
〔発明の効果〕
上述したように、本発明光導波路の作製方法によれ
ば、絶縁層(2)を鏡面研磨等によって除去することが
ないため、光導波路を形成する基板の粗面化等の損傷を
回避することができ、これによって光伝搬損失等の特性
の劣化を抑制して、歩留りの向上をはかることができ
る。
また実用上工程数の低減化によって生産性の向上をは
かることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図A〜Eは本発明による光導波路の作製方法の一例
を示す製造工程図、第2図A〜Eは従来の光導波路の作
製方法の一例を示す製造工程図である。 (1)は基板、(2)は絶縁層、(3)は電極層、
(4)は電源、(5)は周期ドメイン反転構造部、
(6)は光導波路である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02B 6/13 G02B 6/134 G02F 1/37

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板にプロトン交換によって光導波路を形
    成する光導波路の作製方法において、 上記基板表面に絶縁層を被着し、この絶縁層を介してプ
    ロトン交換を行う ことを特徴とする光導波路の作製方法。
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