JP3054281B2

JP3054281B2 - 光導波路基板の製造方法

Info

Publication number: JP3054281B2
Application number: JP4346667A
Authority: JP
Inventors: 竜生川口; 美能留今枝
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 2000-06-19
Anticipated expiration: 2015-06-19
Also published as: JPH06194535A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ニオブ酸リチウム等の
電気光学結晶からなる基板に、いわゆるプロトン交換法
によって光導波路を形成し、光導波路基板を製造する方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ニオブ酸リチウム（LiNbO₃) 単結晶が、
オプトエレクトロニクス材料として期待されている。ニ
オブ酸リチウム単結晶からなる基板材料に光導波路を形
成する方法としては、現在、チタン拡散法とプロトン交
換法とが実用的である。

【０００３】こうしたプロトン交換法の代表例では、安
息香酸（C₆H₅COOH) の溶融液に上記基板材料を入れるこ
とで、Ｈ⁺とLi⁺とのイオン交換を起こさせ、この基板
表面にH _xLi_1-xNbO₃からなる高屈折率層を形成する。
次いで、この基板を高温でアニールし、プロトンの結晶
内への拡散を促進する。こうして得た光導波路基板は、
各種の光部品への応用が期待されている。

【０００４】ここで安息香酸の融点は 121℃であり、沸
点は大気圧で 250℃である。そして、具体的には、安息
香酸の結晶をガラス容器中で溶融させ、ニオブ酸リチウ
ムからなる基板材料を溶融液中に浸漬し、例えば 195℃
程度でプロトン交換する。この段階では、ステップ状の
屈折率分布を有する光導波路が形成される。次いで、基
板をアニールし、プロトンの結晶内拡散を促進する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のプロト
ン交換法の欠点として、プロトン交換源である安息香酸
の蒸発量が多く、光導波路を形成する際に工程の制御が
非常に難しい。特に、三次元光導波路を形成した場合、
光の挿入損失に相当バラツキがあり、一定した品質の光
導波路を安定して製造することができなかった。また、
例えば略Ｙ字形に分岐した光導波路においては、光の分
岐比に大きなバラツキがあり、歩留が非常に低くなって
いた。

【０００６】本発明の課題は、光導波路の光伝播特性、
特に挿入損失のバラツキをなくし、一定した品質の光導
波路を安定して製造できるようにすることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気光学結晶
からなる基板材料を含む被処理材を用意し、常温で固体
である酸の溶融液中に前記被処理材を浸漬し、プロトン
交換によって前記基板材料に光導波路を形成する、光導
波路基板の製造方法であって、前記溶融液から前記被処
理材を引き上げた後、この被処理材の表面に付着した前
記溶融液が固化する前にこの溶融液を前記被処理材から
除去する除去処理を行うことを特徴とする、光導波路基
板の製造方法に係るものである。

【０００８】

【作用】本発明者は、光導波路の挿入損失や分岐比に大
きなバラツキが生ずる原因について、製造工程の全般に
亘って詳しく検討した。この結果、基板の洗浄工程に原
因があることを突き止めた。

【０００９】具体的には、以下の現象が見られた。即
ち、まず、ニオブ酸リチウムからなる基板材料を含む被
処理材を安息香酸の溶融液中に浸漬し、所定時間プロト
ン交換を行った。次いで、この被処理材を溶融液から引
上げ、熱処理用の容器内から取り出した。ここで、被処
理材の特にマスキング層の表面で安息香酸が固化し、曇
りが生じていた。この後、アセトン、イソプロピルアル
コール、エタノールで安息香酸の固化被膜を洗浄し、次
いで基板を電気炉内に入れ、アニール処理していた。

【００１０】本発明者は、この洗浄工程に着目し、種々
の有機溶媒を用いて基板を超音波洗浄してみた。しか
し、光導波路の特性のバラツキは改善されなかった。そ
こで、安息香酸の溶融液が被処理材の表面で固化する前
に、この溶融液を除去してみると、光導波路の挿入損失
や分岐比などの光伝播特性のバラツキが顕著に減少する
ことが判明した。

【００１１】この理由は明らかでないが、おそらく、安
息香酸が一旦固化すると、有機溶媒を用いた超音波洗浄
後であってもマスキング層のエッジなどに僅かに残留
し、次のアニール処理の間に、残留分が基板内に拡散す
るものと推測できる。

【００１２】

【実施例】被処理材の表面に付着した上記溶融液が固化
する前にこの溶融液を被処理材から除去するには、具体
的には次の方法がある。被処理材を溶融液から引き上げ
た直後に回転させ、遠心力によって溶融液を飛散させる
ことが好ましい。この方法であれば、被処理材を回転さ
せる機構を設けるだけで実施できるので、手間がかから
ず、かつスピンドライ法に類似の作用があり、溶融液を
効率的に除去できるからである。

【００１３】被処理材を回転させて、これに付着した溶
融液を飛散させるには、被処理材自体を回転させること
もできるが、貫通孔が多数設けられた容器に被処理材を
収容し、この容器を回転させることが好ましい。また、
加熱したアルコール中に被処理材を浸漬し、被処理材の
表面の溶融液を、固化する前にアルコール中に溶かし出
すこともできる。

【００１４】本発明において、プロトン交換処理を行う
被処理材は、電気光学結晶からなる基板材料を含む。こ
の際、スラブ光導波路を形成する場合には、被処理材と
して基板材料を酸中に浸漬する。三次元光導波路を形成
する場合には、基板材料の表面に光導波路パターンに沿
った開口を有するマスキング層を設け、これを被処理材
とする。被処理材の形態は、適宜選択できる。

【００１５】一つの方法としては、平面的にみて略長方
形状のチップ状の基板材料を、本発明に従って処理でき
る。また、ウエハー形状の基板材料を、本発明に従って
処理することができる。いずれも、スラブ光導波路を形
成する場合には、各基板材料を酸中に浸漬する。

【００１６】上記したウエハー形状の基板材料に三次元
光導波路を形成する場合には、次のようにする。まず、
基板材料の表面にマスキング層を設け、マスキング層の
表面にフォトレジスト層を設け、光導波路に対応する平
面的パターンの開口をフォトレジスト層に設ける。この
際には、例えばマッハツエンダー型のパターンを多数形
成する。

【００１７】次いで、マスキング層をエッチングし、フ
ォトレジスト層を除去して、被処理材を得る。次いで、
基板材料の露出部分を酸に接触させることで、基板材料
に三次元光導波路を形成する。こうして得たウエハーか
ら、多数のチップ状の光導波路基板を切り出す。例え
ば、光ファイバージャイロスコープチップ用途において
は、上記のマッハツエンダー型のパターンの光導波路を
二分し、Ｙ分岐型の光導波路を得る。

【００１８】上記したチップ状の基板材料に三次元光導
波路を形成する場合も、まず基板材料の表面にマスキン
グ層を設け、マスキング層の表面にフォトレジスト層を
設け、例えば略Ｙ字状、略Ｉ字状などのパターンの開口
をフォトレジスト層に設ける。この後は、ほぼ上記のよ
うに処理する。

【００１９】以下、更に具体的な実験結果について述べ
る。Ｘ面カットした厚さ１mmの、ニオブ酸リチウム単結
晶からなるウエハー状の基板材料に、抵抗加熱及び真空
蒸着によってアルミニウム膜を形成した。アルミニウム
膜の表面にフォトレジスト層を設け、露光によってフォ
トレジスト層に開口を設け、アルミニウム膜をエッチン
グし、フォトレジスト層を除去した。この状態で、基板
材料の表面には、多数のマッハツェンダー型のパターン
がアルミニウム膜によって形成されている。

【００２０】こうして得た被処理材２１を用い、図１に
模式的に示す装置を用いてプロトン交換を行った。丸底
のガラス製容器１０を反応容器として用いた。本例で
は、ガラス製容器１０の寸法を、直径１２０mm、高さ１
３０mmの有底円筒形状とした。ガラス製容器１０の上に
ガラス製の蓋８をかぶせ、容器１０の内側を密閉した。
蓋８には、筒状の突起８ａ、８ｂ、８ｃが設けられる。
突起８ｂにはコンデンサー９が取り付けられ、突起８ｃ
の開口は、シリコン栓で密封されている。

【００２１】テフロン等の耐蝕性材料からなるシャフト
７が、突起８ａの開口を通して容器１０内に挿入され、
シャフト７の上端がモーター６の回転軸に連結されてい
る。シャフト７と突起８ａの開口との間は、テフロン等
からなるシール部材によってシールされている。

【００２２】容器１３中に油１４が収容され、加熱装置
１５の投げ込みヒーター１５ａが油１４中に投入されて
いる。容器１０の下部が油１４中に浸漬されている。

【００２３】シャフト７の下端には枠２４が取り付けら
れ、枠２４の下端に受け皿２０が取り付けられている。
図２（ａ）はこの受け皿２０を示す平面図であり、図２
（ｂ）は受け皿２０の正面図である。

【００２４】受け皿２０の平面的輪郭は略円形であり、
円形の底面２０ａを囲むように、円弧状の側壁２０ｂが
設けられている。本例では、４箇所に切り欠き２２が形
成されており、切り欠き２２は底面２０ａよりも深くな
っている。底面２０ａに所定個数の円形貫通孔２３が設
けられている。本例では、底面２０ａの寸法を、例えば
直径１００mmとし、円形貫通孔２３の直径を４mmとし、
底面２０ａに被処理材２１を載せた。ただし、図２
（ａ）においては、被処理材２１を図示省略した。

【００２５】図３の断面図に示すように、シャフト７の
下端には、枠２４の平板状の基部２４ａが固定され、基
部２４ａの両端に、平板状の腕部２４ｂがそれぞれ設け
られている。相対向する一対の腕部２４ｂに、受け皿２
０が挟まれ、ボルト等によって固定されている。

【００２６】プロトン交換を行う際には、本実施例で
は、安息香酸７５０ｇを容器１０内に投入し、油１４の
温度を１９５℃まで上昇させ、安息香酸を完全に溶融さ
せる。この溶融液１８内で受け皿２０、枠２４を回転さ
せながら約２時間放置し、溶融液１８の温度を均一化す
る。この間、容器１０の全体を保温し、コンデンサー９
内で矢印Ｂのように冷却水を循環させ、安息香酸が定常
的に還流（リフラックス）するようにする。こうした装
置であれば、安息香酸の蒸発による液量の減少はほとん
どなく、常圧で長時間、プロトン交換工程を実施するこ
とができる。

【００２７】前記したようにフォトレジスト層を除去し
た後の被処理材２１を、アセトン、イソプロピルアルコ
ール、純水で超音波洗浄する。シャフト７を上昇させ、
受け皿２０が蓋８の内側に位置するようにする。容器１
０と蓋８との間にテフロン製の仕切り板を挟み、容器１
０と蓋８との内側空間を分離する。蓋８を持ち上げ、受
け皿２０の上に被処理材２１を乗せる。このとき、容器
１０には、テフロン製の仕切り板によって蓋がされてい
るので、安息香酸の蒸気は密閉されたままである。そし
て、蓋８を閉め、テフロン製の仕切り板を引き抜き、受
け皿２０を安息香酸の蒸気に触れさせる。

【００２８】次いで、受け皿２０をゆっくりと溶融液１
８中に浸漬し、１９５℃で２０分間プロトン交換を行
う。このとき、シャフト７（受け皿２０）は回転させ
る。プロトン交換が終了した後、シャフト７を上昇さ
せ、受け皿２０を溶融液１８から取り出し、空間１９に
位置させる。このとき、受け皿２０に残った溶融液は、
円形貫通孔２３から流れ落ちる。

【００２９】そして、本発明に従い、シャフト７を矢印
Ａのように回転させ、被処理材２１の表面に付着した溶
融液を、遠心力によって側壁２０ｂの方へと飛散させ、
除去した。このとき、図２に示す受け皿２０において
は、側壁２０ｂに切り欠き２２が形成され、切り欠き２
２が底面２０ａよりも深くなっている。従って、底面２
０ａ上を外方へと向かって移動してきた溶融液が、切り
欠き２２から容易に流下する。

【００３０】そして、前記したのと全く逆の手順に従
い、テフロン製の仕切り板を用いて、容器１０内からウ
エハーを取り出す。このウエハーを、エタノール、アセ
トン、イソプロピルアルコール、純水で超音波洗浄す
る。次いで通常のエッチング技術によりアルミニウム膜
を除去する。

【００３１】次いで、Ｈ⁺の単結晶内での拡散を促進
し、低損失の安定な光導波路を得るため、このウエハー
をアニールした。具体的には、ガラス製シャーレの中央
部に白金ワイヤー製の治具を設置し、この治具の上にウ
エハーを載せ、基板がガラスに触れないようにし、ガラ
ス製の蓋をする。このシャーレを電気炉内に入れ、室温
から３４０℃まで１０℃／分で昇温し、３４０℃で５時
間保持した。次いで自然放冷して１００℃以下とし、ウ
エハーを取り出した。

【００３２】３４０℃で温度を保持した間は、電気炉内
の温度分布は、シャーレを収容した空間の範囲内では均
一であることを、電気炉内の各所に取り付けた熱電対で
確認した。また、３４０℃で温度を保持した間の温度変
動は±0.5 ℃となるように制御した。

【００３３】アニール後のウエハーを切断し、ウエハー
１枚当り１０個の、チップ状の光導波路基板を切り出し
た。この表面には、ＦＯＧ用の略Ｙ字形の光導波路が形
成されている。次いで光導波路の端面を高速ラップ、メ
カノケミカルポリッシングによって、光学研磨する。次
いで、端面を光学研磨した光導波路基板を通常の光学系
にセットし、光導波路の特性を評価した。

【００３４】光導波路の端面に偏波面保持光ファイバー
を光学結合し、波長８３０ｎｍのレーザー光をＴＥモー
ドで入射した。そして、導波路に入射した光は、分岐部
分で分かれ、もう一方の端面より出射する。光パワーメ
ーターで、各分岐部分からの出射光量Ｐａ、Ｐｂを測定
した。光導波路を通らないときの基準光量Ｐｏを用い
て、挿入損失および分岐比を算出した。ただし、この分
岐比の算出に際しては、一方の分岐路を選択し、この一
方の分岐路の出射光量をＰａとし、この一方の分岐路の
分岐比を測定した。

【００３５】挿入損失及び分岐比は、以下のようにして
算出した。

【数１】挿入損失（ｄＢ）＝−１０ｌｏｇ｛（Ｐａ〔ｍ
Ｗ〕＋Ｐｂ〔ｍＷ〕）／Ｐｏ〔ｍＷ〕｝。一方の分岐路の分岐比（％）＝Ｐa 〔ｍＷ〕×１００％
／（Ｐａ〔ｍＷ〕＋Ｐｂ〔ｍＷ〕）。

【００３６】上記の製法において、５枚のウエハーから
計５０個の試料を切り出し、上記の測定を行った。この
結果を表１，表２に示す。

【００３７】また、比較例として、溶融液１８から受け
皿２０を引き上げた後、受け皿２０を回転させず、容器
１０からウエハーを取り出した。このとき、ウエハーの
表面で安息香酸が固化し、アルミニウム膜が白く曇って
いた。このウエハーを、エタノール、アセトン、イソプ
ロピルアルコール、純水で超音波洗浄した。他は上記と
同様にして５０個の試料を作製し、上記の測定を行っ
た。この結果を表１，表２に示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】

【００４０】以上の結果から解るように、本発明の実施
例では挿入損失のバラツキが少ないし、かつほとんどの
試料において分岐比が５０％±２％の範囲内に入ってい
る。これに対し、比較例では、全体に挿入損失が大き
く、かつ挿入損失のバラツキも大きく、また分岐比のバ
ラツキも大きい。更に、本発明の実施例では２ｍｗの出
射光パワーにおいても、光学損傷が発生しなかった。

【００４１】なお、図１〜図３に示す装置を用い、チッ
プ状の被処理材を処理することができる。この場合に
は、突起８ｃの開口から被処理材を蓋８の内側へと挿入
し、受け皿２０の上に乗せることができる。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、挿
入損失や分岐比などの光伝播特性のバラツキが小さい、
品質の安定した光導波路基板を量産できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】プロトン交換用の装置を示す模式図である。

【図２】（ａ）は、受け皿２０を示す平面図であり、
（ｂ）は、受け皿２０を示す正面図である。

【図３】受け皿２０をシャフト７に取り付けた状態を示
す断面図である。

【符号の説明】

１８安息香酸の溶融液２０受け皿２１被処理材２２切り欠き２３貫通孔Ａシャフト７の回転方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−77003（ＪＰ，Ａ) 特開平５−142438（ＪＰ，Ａ) 特開平４−110805（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−46406（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−133406（ＪＰ，Ａ) 特開平１−261243（ＪＰ，Ａ) 特開平４−311931（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−191208（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/138

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学結晶からなる基板材料を含む被
処理材を用意し、常温で固体である酸の溶融液中に前記
被処理材を浸漬し、プロトン交換によって前記基板材料
に光導波路を形成する、光導波路基板の製造方法であっ
て、前記溶融液から前記被処理材を引き上げた後、この被処
理材の表面に付着した前記溶融液が固化する前にこの溶
融液を前記被処理材から除去する除去処理を行うことを
特徴とする、光導波路基板の製造方法。