JP4851122B2

JP4851122B2 - 光学素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP4851122B2
Application number: JP2005173011A
Authority: JP
Inventors: 太山本; 孝神力; 雅之市岡; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2005-06-13
Filing date: 2005-06-13
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2025-06-13
Also published as: JP2006349778A

Description

本発明は、光学素子及びその製造方法に関し、特に、電気光学効果を有する材料で形成された基板と、該基板に形成された光導波路と、該基板に接合される他の基板とを含む光学素子及びその製造方法に関する。

従来、光通信分野や光測定分野において、電気光学効果を有する基板上に光導波路や変調電極を形成した導波路型光変調器などの光学素子が多用されている。
光変調周波数の広帯域化を実現するためには、変調信号であるマイクロ波と光波との速度整合を図ることが重要であり、これまでに、様々な方法が考案されている。具体例を挙げれば、バッファ層の厚膜化、電極の高アスペクト化やリッジ構造などがこれにあたる。

また、以下の特許文献１又は２においては、３０μｍ以下の厚みを有する極めて薄い基板（以下、「第１基板」という。）に、光導波路並びに変調電極を組み込み、第１基板より誘電率の低い他の基板を接合し、マイクロ波に対する実効屈折率を下げ、マイクロ波と光波との速度整合を図ることが行われている。
特開昭６４−１８１２１号公報特開２００３−２１５５１９号公報

これらのように、薄板化された第１基板を用いることで、変調器の設計自由度が飛躍的に高まり、例えばバッファ層を用いずとも、広帯域かつ低駆動電圧の光変調器が作製可能となる。またさらに、マイクロ波の伝搬損失低減の観点からは、誘電率の低い材料を基板に用いることと同義に、第１基板を具体的には１５０μｍ以下とすることで、特に２６ＧＨｚ以上の領域においてマイクロ波の誘電体に対する放射損失を低減できることが以下の非特許文献１により公開され、変調器の広帯域化に適用されている。
山根他、「サンドブラスト法によるLN基板加工」,住友大阪セメントテクニカルレポート2003年版, pp49-54 (2003)

他方、従来、光導波路が形成された第１基板と他の基板（以下、「第２基板」という）を接合する際には、直接接合法や接着剤を用いた接合方法が利用されている。特に、以下の特許文献３においては、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン樹脂などの有機樹脂や酸化珪素を主成分とする低融点ガラスなど非晶質材料からなる接着層が、接着剤として使用する例が開示されている。
特開２００２−２５０９４９号公報

基板接着後の製造プロセスでは、光導波路などを形成する際のＴｉ熱拡散などで高温状態を必要とするにも拘らず、これらの接着剤を使用した場合には、熱処理温度に制限が生ずるという問題がある。また、これら熱処理によって、特許文献３のように非晶質材料からなる接着層を形成しても、熱履歴により接着層の再結晶化が進行し、当初の性能を維持することが出来ない場合もある。更に、６００℃以下で融解するよう設計されている低融点ガラスは、一般的に鉛、あるいは低融点化を実現するために様々な元素が添加されることが多く、これら元素が変調器の特性、あるいは長期信頼性に悪影響を与える可能性もある。

直接接合法は、第１基板に第２基板が直接に接合するため、線膨張係数の差から生じる熱応力の問題を解決するために、第１基板と第２基板に同種の材料を用いた場合には第１基板と第２基板との屈折率差が少なく、第２基板が第１基板のアンダークラッド層として機能することが難しいという問題がある。また、第２基板を第１基板のアンダークラッド層として機能させるために第１基板と第２基板に異なる材料を用いた直接接合法では、第２基板と第１基板との線膨張係数の差により、第２基板の熱膨張による応力が第１基板に付加されることとなるため、第１基板に形成された光導波路を含む光学素子の特性が、熱により変化し易いという問題も生ずる。第１基板と第２基板の間に接合層を設けた直接接合法においても、接合層の厚さが薄いときには接合層の熱膨張による応力が第１基板に与える影響は小さいが、接合層が第１基板のアンダークラッド層として機能せず、接合層の厚さが厚いときには接合層が第１基板のアンダークラッド層として機能するが、接合層の熱膨張による応力が第１基板に与える影響が大きくなるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光導波路を形成した第１基板と他の基板である第２基板とを接合した光学素子において、接合処理後の熱処理温度の制限を緩和し、第１基板の光閉じ込めを良好とすると共に、第２基板からの熱応力の影響も緩和することが可能な光学素子及びその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板である第１基板と、該第１基板に形成された光導波路と、該第１基板に接合される第２基板とを有する光学素子において、該第１基板と該第２基板とには、互いに接合される側の各表面に接合層が形成され、各接合層の密度分布は、基板の表面に近い領域では疎となると共に、基板の表面から離れるに従い密となるよう構成され、該第１基板の接合層と、該第２基板の接合層とを接合することで、該第１基板と該第２基板とが接合されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光学素子において、該接合層の材料は、ＳｉＯ_２，ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３の少なくとも１つを含むことを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光学素子において、該接合層は厚さが０．５μｍ以上であることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項１に記載の光学素子の製造方法において、第１基板及び第２基板の各表面に密度分布が疎から密となる領域を形成し、その後両者の密となる面を直接接合することにより、第１基板と第２基板とを接合することを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項４に記載の光学素子の製造方法において、該接合層は、真空蒸着法により各基板表面に密度分布が疎となる領域を形成し、その後イオンプレーティング法を併用することにより密となる領域を連続的に形成することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板である第１基板と、該第１基板に形成された光導波路と、該第１基板に接合される第２基板とを有する光学素子において、該第１基板と該第２基板とには、互いに接合される側の各表面に接合層が形成され、各接合層の密度分布は、基板の表面に近い領域では疎となると共に、基板の表面から離れるに従い密となるよう構成され、該第１基板の接合層と、該第２基板の接合層とを接合することで、該第１基板と該第２基板とが接合されているため、各基板における熱応力が他の基板に伝達され難く、特に第２基板による熱応力が第２基板側又は第１基板側に形成された密度分布が疎となる領域において吸収されるため、第１基板に第２基板の熱応力が伝達されることを効果的に抑制することが可能となる。

しかも、第１基板は、厚さ２０μｍ以下の薄板であるため、薄板に形成された光導波路のアンダークラッド層として接合層が寄与し、特に、第１基板側の接合層の密度分布が疎となるため、より低い屈折率を実現することが可能となる。

請求項２に係る発明により、接合層の材料は、ＳｉＯ_２，ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３の少なくとも１つを含むため、接合層の耐熱性が高く、接合処理後の製造プロセスにおける熱処理温度の上昇を可能とする。

請求項３に係る発明により、接合層は厚さ０．５μｍ以上であるため、第１基板に形成された光導波路のアンダークラッド層として接合層が寄与し、特に、第１基板側の接合層の密度分布が疎となるため、より低い屈折率を実現することが可能となる。また、第１基板が薄板であるため、より第２基板の熱応力の影響を受けやすくなるが、本発明により、接合層における熱応力の吸収を達成するため、極めて熱的に安定した光学特性を有する光学素子を提供することが可能となる。

請求項４に係る発明により、請求項１に記載の光学素子の製造方法において、第１基板及び第２基板の各表面に密度分布が疎から密となる領域を形成し、その後両者の密となる面を直接接合することにより、第１基板と第２基板とを接合するため、接合面の接合強度を高くすることができる。また、この構成により、接合後の製造プロセスにおける基板の取扱いも容易にすることが可能となる。

請求項５に係る発明により、該接合層は、真空蒸着法により各基板表面に密度分布が疎となる領域を形成し、その後イオンプレーティング法を併用することにより密となる領域を形成するため、接合層の疎となる領域から密となる領域まで連続的に変化させることができ、しかも、接合層の形成において、製造方法を複雑化させること無く製造することが可能となる

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板である第１基板と、該第１基板に形成された光導波路と、該第１基板に接合される第２基板とを有する光学素子において、該第１基板と該第２基板とには、互いに接合される側の各表面に接合層が形成され、各接合層の密度分布は、基板の表面に近い領域では疎となると共に、基板の表面から離れるに従い密となるよう構成され、該第１基板の接合層と、該第２基板の接合層とを接合することで、該第１基板と該第２基板とが接合されていることを特徴とする。

図１は、本発明の光学素子に係る第１基板１と第２基板４との接合の様子を図示したものである。第１基板は、電気光学効果を有する材料で形成されている。電気光学効果を有する材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料及びこれらの組み合わせが利用可能である。特に、電気光学効果の高いニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が好適に利用される。

第２基板は、第１基板に対する補強板として機能するものであり、第1基板と同様な材料を使用し、第１基板と第２基板との線膨張係数を等しくし、第２基板から第１基板へ働く熱応力の影響を抑制することが可能である。ただし、本発明においては、第１基板と第２基板との接合層に熱応力緩和機能を付加するため、第２基板に石英、ガラス、アルミナなどＬＮより低誘電率の材料が使用することも可能である。

第１基板と第２基板には、図１に示すように、接合層２，３が各々に形成され、２つの接合層を直接接合法により接合させることにより、接合層２及び３の接合を介して、第１基板と第２基板とを強固に接合することが可能となる。

図２は、第１基板１に形成された接合層２の様子を図示したものである。第１基板１に関する接合層２の構成は、第２基板４における接合層３にも同様に適用される。
接合層２は、第１基板の表面近傍の領域ではポーラス状の膜体となっているため、接合層の密度分布が疎となり、基板表面から離れるに従い緻密な膜体が形成され、接合層の密度分布が密となっている。

図２のような接合層の構成を採用することにより、第１基板を光導波路を含む薄板に形成した際に、接合層は光導波路に対するアンダークラッド層として良好に機能する。つまり、接合層の密度分布が疎の領域が光導波路に近接して配置されるため、光導波路の近傍には、より低屈折率な領域が配置されることとなる。

しかも、このような密度分布が疎となる領域は、第２基板からの熱応力を第１基板に伝達することを抑制し、温度特性の安定した光学素子を提供することに寄与する。

他方、接合層の密度分布が密となる領域においては、第１基板の接合層２と第２基板の接合層３との接合強度を高くすることに寄与し、両者を接合した後、第１基板を研磨して薄板化する工程や、薄板化した第１基板にＴｉなどを熱拡散し、光導波路などを形成する工程や、さらにはリブ加工により光導波路を形成した際の加工歪みを緩和するための加熱工程などにおいても、第１基板と第２基板との接合を安定に保持する機能を付与する。

接合層を構成する材料としては、ＳｉＯ_２，ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３などが利用可能であり、少なくともこれらの材料の１つを含むよう構成することにより、接合層の耐熱性が向上され、接合処理後の製造プロセスにおける熱処理温度の上昇も可能となる。

次に、接合層の形成方法について説明する。接合層の密度分布が疎である領域は、真空蒸着法により形成し、その後イオンプレーティング法（プラズマの発生には、直流励起型、高周波励起型のほか、蒸発機構にホローカソード、イオンビームを用いることが可能）を併用することにより密となる領域を形成する。真空蒸着法は、比較的低エネルギ-粒子が膜形成に関与する手法であるため、ポーラス状の膜体を形成することに適している。イオンプレーティング法は、ガスプラズマを利用して、蒸発粒子の一部をイオンもしくは励起粒子とし、活性化して蒸着する技術であり、高エネルギー粒子が膜形成に関与する手法であるため、緻密な膜体を成膜することに適している。また、真空蒸着法は、水晶振動子モニタ、あるいは光学式膜厚計を備えることで膜体の厚みを正確にコントロールでき、第１基板のアンダークラッド層の厚み調整などには、好適に使用できる。また、イオンプレーティング法は、膜体表面を平滑面とすることが可能であり、接合層２及び３を接合する際に、接合強度を向上させることが可能である。

接合層に係る接合強度を高めるためには、密度分布の変化が疎から密へ、又は密から疎へ、連続的に変化することが好ましい。このため、図３に示すように、真空装置１０内に、第１基板１（又は第２基板）を設置し、受け皿１１に蒸着源１２を配置し、接合層の成膜開始時には、真空蒸着法により、電子ビームＥＢを蒸着源１２に照射し、第１基板１へ蒸着源を付着させている。次に、真空蒸着法に加え、プラズマ発生器１４にＲＦマイクロ波を導入し、気化した蒸着源１３をプラズマ化し、イオンプレーティング法を併用して、第１基板により緻密な膜体を形成する。

図３のプラズマ発生器に印加するＲＦマイクロ波の入力量を徐々に増加させることにより、第１基板上に形成される接合層となる膜体は、密度分布が疎から密へと徐々に変化して形成されることとなる。また、基板の保持媒体にＤＣ、あるいはＲＦバイアスを印加することでも膜密度を制御することが可能である。
図３のような成膜装置は、連続して変化する膜体を形成することができ、本発明の光学素子に係る接合層を形成するのに好適であり、膜体の密度も極めて容易に変化させることが可能である。

図１に示すように、第１基板１と第２基板４とに、接合層２，３を形成し、両者を接合した後は、第１基板を所定の厚さとなるように切削・研磨し、第１基板上に光導波路及び該光導波路を伝搬する光波を変調するための変調電極などを、必要に応じて形成する。

本発明においては、第１基板の厚みを２０μｍ以下とし、かつ、接合層の厚さを０．５μｍ以上とすることにより、第１基板に形成された光導波路のアンダークラッド層として、接合層２を使用することが可能となる。しかも、このように薄い第１基板に対しては、相対的に厚い第２基板の熱応力が第１基板に影響を与え、光導波路内の屈折率変化など光学特性の温度変化をもたらすことが懸念される。しかしながら、本発明により接合層が熱応力を吸収するため、このような薄板には本発明を適用することが、特に好ましい。

また、第１基板の材料と接合層の材料とは異なるものであるため。両者間において屈折率が異なり、反射型の膜厚測定器を使用して、容易に第１基板の膜厚が測定できる。このことにより、極めて高精度な研磨も可能となる。

さらに、図４に示すように、基板面内（図４のＸ−Ｙ面内）に形成される接合層２０を、ストライプ状又はモザイク状などの所定のパターンで形成したり、基板面内で接合層の密度が疎の部分と密の部分を有する密度分布を形成することも可能である。また、第１基板１又は第２基板４のいずれか片方の接合層のみに、所定のパターンや密度分布を形成することも可能である。

このように、第１基板と第２基板を接合する接合層が、基板面内で所定のパターン又は密度分布を有することで、各基板における熱応力が他の基板に伝達され難く、特に第２基板による熱応力が第２基板側又は第１基板側に形成されたパターン又は密度分布において、接合層が無い又は疎となる領域において吸収されるため、第１基板に第２基板の熱応力が伝達されることを効果的に抑制することが可能となる。

以下に具体的な実施例について述べる。
（実施例）
第１基板として、厚み５００μｍのＺカット型ＬＮ基板を用い、図３に示す構造を有する成膜装置（昭和真空社製）を利用して、厚さ１μｍの接合層を形成した。蒸着材料としてはＳｉＯ_２を用い、電子ビーム（１０ＫＶ）により真空蒸着法によりまず、０．５μｍ厚の薄膜を形成後、リング状のプラズマ発生器に最終的に２５０Ｗとなるマイクロ波を徐々に増加させながら入力するイオンプレーティング法を併用して０．５μｍ厚の薄膜を連続成膜した。

次に、第２基板として、厚み５００μｍのＺカット型ＬＮ基板を用い、第１基板と同様に接合層を成膜した。
第１基板の接合層と第２基板の接合層とを、直接接合法により接合して、実施例の試験体を得た。
ここで、直接接合は、まず、それぞれの基板を界面活性剤、有機溶剤を用い、超音波を付与して洗浄した後、電子工業用グレートのアンモニア水と過酸化水素水の混合薬液中にて５ｍｉｎ浸漬し、表面を活性化処理した。次に、超純水を用いてリンスを行った後、乾燥窒素にて表面をブローし、互いの結晶方位をそろえ、薄板に加工する基板と補強基板（第１基板と第２基板）を適切な荷重下で張り合わせることにより行った。
また、より強固な接着力を得るために電気炉中で３５０℃、１時間の熱処理を行った。

薄板に加工する側の基板を、ラップ盤研磨機（キャリア：ガラス繊維入エポキシ樹脂、ラップ剤：ＧＣ＃１２００２０ｗｔ％ａｑ）にて、速度３５ｍｉｎ^−１、ラップ圧１２．７５〜９．８１ｋＰａの条件下において基板の厚さがおよそ５０μｍ、あるいは、仕上がり厚みからおよそ２０μｍ厚い状態となるまで粗研磨する。この後、パット材質に不織布、加工液にはコロイダルシリカを用いたメカノケミカルポリッシング（ＣＭＰ）により設定厚まで精密鏡面研磨を行う。なお、ここでの設定厚は６μｍとした。

次に、ノボラック樹脂を主体としたポジ型のフォトレジストによりパターニングを行い、同時にこれをドライエッチング時のマスク材料として、Ａｒプラズマを主体としたＥＣＲ−ＲＩＥ（アネルバ製ＥＣＲ３１０Ｅ）ドライエッチング法により、薄板の表面にリッジを形成した。作製したリッジの幅はおよそ１０μｍであり、リッジの深さは３μｍ設定とした。その後、バッファ層及び変調電極を形成して光学素子を得た。なお、バッファ層は高純度ＳｉＯ_２ターゲットを用いて、アルゴンガスと酸素ガスを混合導入しながらＲＦマグネトロンスパッタ法で形成し、変調用電極は、電解メッキ法で形成した。

（比較例）
第１基板と第２基板とを、低融点ガラス（Ｄｉｅｍａｔ社製ＤＭ２７００）を使用して接合した以外は、実施例と同様の材料を使用した。

（試験方法）
各光変調器の温度安定性を評価するため、温度を０〜７０℃まで変化させ、光変調器のバイアス点の変動を計測した。２５℃における初期バイアスを基準として、各温度でのバイアス点変動量（Δバイアス。単位Ｖ）計測結果を、表１に示す。

表１の結果から、比較例と比較し、温度ドリフト特性が改善していることが理解される。また、試験中及び試験後においても、実施例には、薄板などにクラックなどの機械的損傷は発見できず、光損失特性や消光比の劣化は見られなかった。
また、比較例の接着層のガラス転移温度は２１５℃であり、これ以上の熱履歴を与えることが出来ないが、本実施例の構成においては２１５℃以上の熱処理工程を適用できることは言うまでもない。

以上より、本発明に係る実施例は、従来の接合方法と比較し、極めて優れた性能を示すことが理解される。

本発明に係る光学素子及びその製造方法によれば、光導波路を形成した第１基板と他の基板である第２基板とを接合した光学素子において、接合処理後の熱処理温度の制限を緩和し、第１基板の光閉じ込めを良好とすると共に、第２基板からの熱応力の影響も緩和することが可能な光学素子及びその製造方法を提供することが可能となる。

本発明に係る光学素子の製造工程の一部を示す図である。本発明に係る光学素子の接合層の状態を示す図である。本発明に係る光学素子の製造方法の概略を示す図である。接合層に所定のパターンを有する光学素子を示す図である。

１第１基板
２，３，２０接合層
４第２基板
１０真空装置
１１受け皿
１２蒸着源
１３気化した蒸着源
１４プラズマ発生器

Claims

電気光学効果を有する材料で形成された厚さ２０μｍ以下の薄板である第１基板と、該第１基板に形成された光導波路と、該第１基板に接合される第２基板とを有する光学素子において、
該第１基板と該第２基板とには、互いに接合される側の各表面に接合層が形成され、
各接合層の密度分布は、基板の表面に近い領域では疎となると共に、基板の表面から離れるに従い密となるよう構成され、
該第１基板の接合層と、該第２基板の接合層とを接合することで、該第１基板と該第２基板とが接合されていることを特徴とする光学素子。
請求項１に記載の光学素子において、該接合層の材料は、ＳｉＯ_２，ＭｇＯ及びＡｌ_２Ｏ_３の少なくとも１つを含むことを特徴とする光学素子。
請求項１又は２に記載の光学素子において、該接合層は厚さが０．５μｍ以上であることを特徴とする光学素子。
請求項１に記載の光学素子の製造方法において、第１基板及び第２基板の各表面に密度分布が疎から密となる領域を形成し、その後両者の密となる面を直接接合することにより、第１基板と第２基板とを接合することを特徴とする光学素子の製造方法。
請求項４に記載の光学素子の製造方法において、該接合層は、真空蒸着法により各基板表面に密度分布が疎となる領域を形成し、その後イオンプレーティング法を併用することにより密となる領域を連続的に形成することを特徴とする光学素子の製造方法。