JP5087043B2 - ELECTRO-OPTICAL ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF - Google Patents
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Description
本発明は電気光学素子及びその製造方法に関し、詳細には電気光学材料を用いて電気光学素子を製造する方法に関する。 The present invention relates to an electro-optical element and a manufacturing method thereof, and more particularly to a method of manufacturing an electro-optical element using an electro-optical material.
物質に電界を印加することによってその屈折率が変化する効果は電気光学効果と呼ばれる。光通信で用いられる強度変調器や、レーザ発振のパルス動作を得るためのQスイッチ素子、また光の進行方向を制御する光ビームスキャナなどに用いられている。電気光学効果による屈折率変化Δnは、1次のポッケルス効果の場合次式で与えられる。 The effect of changing the refractive index by applying an electric field to a substance is called an electro-optic effect. It is used for intensity modulators used in optical communications, Q-switch elements for obtaining laser oscillation pulse operations, and light beam scanners for controlling the traveling direction of light. The refractive index change Δn due to the electro-optic effect is given by the following equation in the case of the first-order Pockels effect.
Δn∝rij×V/d ・・・(1) Δn∝rij × V / d (1)
ここで、rijは電気光学定数(ポッケルス定数)、Vは印加電圧、dは電圧を印加する電極の間隔である。 Here, rij is an electro-optic constant (Pockels constant), V is an applied voltage, and d is an interval between electrodes to which a voltage is applied.
このような電気光学素子の実用においては、低電圧でかつ幅広い周波数帯域で応答することが求められる。そのためには、上記式(1)において電極間隔dを小さくすることによって電界強度を高めればよい。電極間隔を小さくすることに伴って素子は光導波路構造を取ることが多い。 In practical use of such an electro-optic element, it is required to respond at a low voltage and in a wide frequency band. For this purpose, the electric field strength may be increased by reducing the electrode distance d in the above formula (1). As the electrode interval is reduced, the element often takes an optical waveguide structure.
従来の導波路型電気光学素子の代表的なものとしては、光通信における強度変調器がある。強度変調器では、ニオブ酸リチウム結晶にチタンを局所的に拡散することによりその部分だけ屈折率を上昇させ、光導波路構造が製作される。このような不純物拡散による光導波路形成の方法は、チタン拡散の他に亜鉛拡散やプロトン拡散による方法が挙げられる。このような拡散導波路は非線形光学効果を利用する光波長変換素子にも利用されている。 A typical example of a conventional waveguide type electro-optic element is an intensity modulator in optical communication. In the intensity modulator, an optical waveguide structure is manufactured by locally diffusing titanium into a lithium niobate crystal to increase the refractive index of only that portion. Examples of the method of forming an optical waveguide by such impurity diffusion include methods by zinc diffusion and proton diffusion in addition to titanium diffusion. Such a diffusion waveguide is also used for an optical wavelength conversion element using a nonlinear optical effect.
その他の導波路の製作方法として、電気光学材料や非線形光学材料を別の材料に直接接合または接着剤によって接着し、研磨により薄膜化することで光導波路構造を製作する方法が用いられている。 As another waveguide manufacturing method, a method of manufacturing an optical waveguide structure by bonding an electro-optic material or a nonlinear optical material to another material directly or by bonding with an adhesive and thinning it by polishing is used.
この接合・研磨または接着・研磨による方法は、光波長変換素子の製作方法として従来用いられている。この方法は、電気光学素子の製作にも適用可能な方法である。この方法によれば、電気光学材料や非線形光学材料が有する本来の性能を保ったまま導波路構造を製作することができるので、電気光学素子の低電圧動作のための有効な製作方法であることが既に知られている。 This method of bonding / polishing or bonding / polishing is conventionally used as a method of manufacturing an optical wavelength conversion element. This method is also applicable to the manufacture of electro-optic elements. According to this method, since the waveguide structure can be manufactured while maintaining the original performance of the electro-optic material and the nonlinear optical material, it is an effective production method for low-voltage operation of the electro-optic element. Is already known.
従来の接着研磨による工程について以下に概説すると、台座となる基板と導波路のコアとなる基板を接着剤により接着する。次にコアとなる基板を研磨して、光を閉じ込めることができる厚さまで薄膜化する。導波路型の素子においてはコア層の厚さを均一にすることが重要である。これは、コア層の厚さが変わると導波路の実効屈折率が変化し、光波長変換素子においては変換効率の低下、電気光学素子においては波面の歪みといった光ビームの品質の低下という問題が生じるためである。コア層の厚さの均一度は、研磨工程における研磨量の面内均一度、接着層の厚さの面内均一度を反映したものとなる。接着層の厚さの面内均一度を向上するためには、接着層を薄くすることによって不均一度を相対的に小さくする方法がある。しかし、このように接着剤を薄くすることによって接着層の厚さの均一度を高める方法では、接着層厚さの現象に伴い、接着強度が減少するので素子の機械強度が低下するという問題があった。また、接着層厚さを均一にするためには、粘度が小さい接着剤を用いることが好ましいが、このような接着剤が素子の性能を保証する上で最適なものを選択する上で、選択の自由度が狭まるという問題もあった。そこで、これらの問題点を解決するために、特許文献1には、接着剤が接着・硬化して形成された接着層厚さの分布を均一にする目的のために、接着剤の粘度は小さい方が好ましく、具体的には100cp以下の粘度であることが好ましいと提案されている。また、特許文献1には、接着層の厚さが10μmを超えて大きくなると、接着層自体の厚さ精度が低下し、変動幅が大きくなるため、後の強誘電体単結晶基板に対する薄板化工程が困難になり、最終的な薄板化された強誘電体単結晶基板の厚さの変動幅を所定の範囲内に収めることができなくなるとも開示されている。 An outline of the conventional bonding polishing process will be described below. A substrate serving as a base and a substrate serving as a core of a waveguide are bonded together with an adhesive. Next, the substrate serving as the core is polished and thinned to a thickness that can confine light. In the waveguide type element, it is important to make the thickness of the core layer uniform. This is because the effective refractive index of the waveguide changes as the thickness of the core layer changes, and there is a problem that the optical beam quality such as the conversion efficiency decreases in the optical wavelength conversion element and the wavefront distortion decreases in the electro-optical element. This is because it occurs. The uniformity of the thickness of the core layer reflects the in-plane uniformity of the polishing amount and the in-plane uniformity of the thickness of the adhesive layer in the polishing process. In order to improve the in-plane uniformity of the thickness of the adhesive layer, there is a method of relatively reducing the non-uniformity by thinning the adhesive layer. However, the method of increasing the uniformity of the thickness of the adhesive layer by thinning the adhesive as described above has a problem that the mechanical strength of the element is lowered because the adhesive strength is reduced due to the phenomenon of the thickness of the adhesive layer. there were. In order to make the thickness of the adhesive layer uniform, it is preferable to use an adhesive having a low viscosity. However, such an adhesive should be selected in order to select the optimum one for guaranteeing the performance of the element. There was also a problem that the degree of freedom of. Therefore, in order to solve these problems, in Patent Document 1, the viscosity of the adhesive is small for the purpose of uniforming the distribution of the thickness of the adhesive layer formed by bonding and curing the adhesive. It has been proposed that a viscosity of 100 cp or less is preferable. Further, in Patent Document 1, when the thickness of the adhesive layer exceeds 10 μm, the thickness accuracy of the adhesive layer itself decreases and the fluctuation range increases, so that the thickness of the subsequent ferroelectric single crystal substrate is reduced. It is also disclosed that the process becomes difficult and the thickness fluctuation range of the final thinned ferroelectric single crystal substrate cannot be within a predetermined range.
しかしながら、このように接着層を薄くすることによって接着層の厚さの均一度を高める方法では、接着層の厚さの減少に伴って接着強度も減少することなり、素子の機械強度が低下するという問題があった。また、接着層厚さを均一にするためには、粘度が小さい接着剤を用いることが好ましいが、このような接着剤が素子の性能を保証する上で最適なものを選択する上で選択の自由度が狭くなるという問題もあった。 However, in the method of increasing the uniformity of the thickness of the adhesive layer by reducing the thickness of the adhesive layer in this way, the adhesive strength also decreases as the thickness of the adhesive layer decreases, and the mechanical strength of the device decreases. There was a problem. Further, in order to make the adhesive layer thickness uniform, it is preferable to use an adhesive having a small viscosity, but such an adhesive is selected in order to select the optimum one for guaranteeing the performance of the element. There was also a problem that the degree of freedom became narrow.
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、接着層の厚さにかかわらず一定の厚さの均一度を得られ、電気光学素子の機械強度と光ビームの品質を両立させ、厚さにかかわらず素子の性能を保証する上で最適な接着剤の選択の自由度を確保可能な、電気光学素子及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention is for solving these problems, can obtain a uniform thickness regardless of the thickness of the adhesive layer, and achieves both the mechanical strength of the electro-optic element and the quality of the light beam, An object of the present invention is to provide an electro-optical element and a method for manufacturing the same, which can ensure the degree of freedom in selecting an optimum adhesive for assuring the performance of the element regardless of the thickness.
前記問題点を解決するために、本発明の電気光学素子は電気光学材料で形成されている第1、第2の基板を接着剤で接着して構成し、接着剤には第1の基板と第2の基板のギャップを規定するギャップ部材が混合されていることに特徴がある。よって、接着剤の層の厚さにかかわらず一定の厚さの均一度を得られるようにすることによって、素子の機械強度と光ビームの品質を両立させることができ、厚さにかかわらず素子の性能を保証する上で最適な接着剤の選択の自由度を確保できる。 In order to solve the above problems, the electro-optical element of the present invention is configured by bonding a first and second substrate formed of an electro-optical material with an adhesive, and the adhesive includes the first substrate and the first substrate. The gap member that defines the gap of the second substrate is mixed. Therefore, it is possible to achieve both the mechanical strength of the element and the quality of the light beam by obtaining a uniform thickness uniformity regardless of the thickness of the adhesive layer. The degree of freedom in selecting the optimum adhesive can be ensured in order to guarantee the performance.
また、研磨によって薄膜化される第1、第2の基板のいずれかの基板の片面にクラッド層を有することにより、例えば当該基板が導波路のコアとなる基板であるような光学素子においてギャップ材によって発生する散乱を抑制することができる。 Further, by providing a clad layer on one surface of either the first or second substrate to be thinned by polishing, for example, in an optical element in which the substrate is a substrate serving as a waveguide core, a gap material Scattering generated by the can be suppressed.
更に、研磨によって薄膜化される第1、第2の基板のいずれかの基板の両面にクラッド層を有することにより、例えば当該基板が導波路のコアとなる基板であるような光学素子においてギャップ材によって発生する散乱をより一層抑制することができる。 Further, by providing a clad layer on both surfaces of either the first or second substrate to be thinned by polishing, for example, in an optical element in which the substrate is a substrate serving as a core of a waveguide, a gap material It is possible to further suppress the scattering generated by.
また、研磨によって薄膜化される第1、第2の基板のいずれかの基板の両面にクラッド層及び電極層を有することが好ましい。 Moreover, it is preferable to have a clad layer and an electrode layer on both surfaces of either the first or second substrate to be thinned by polishing.
更に、研磨によって薄膜化される第1、第2の基板のいずれかの基板の一部が分極反転されており、当該基板の両面にクラッド層及び電極層を有することが好ましい。 Furthermore, it is preferable that a part of one of the first and second substrates to be thinned by polishing is reversed in polarity and has a clad layer and an electrode layer on both surfaces of the substrate.
また、別の発明として、電気光学材料で形成されている第1、第2の基板を接着剤で接着して構成する電気光学素子の製造方法において、第1の基板と第2の基板のギャップを規定するギャップ部材が混合されている接着剤を用いて第1の基板と第2の基板を接着することに特徴がある。よって、研磨によって製作するコア層の厚さが均一になり、これによって素子の機械強度と光ビームの品質を両立させることができる電気光学素子の製造方法を提供することができる。 As another invention, in a method of manufacturing an electro-optic element in which first and second substrates formed of an electro-optic material are bonded with an adhesive, a gap between the first substrate and the second substrate is provided. The first substrate and the second substrate are adhered to each other using an adhesive mixed with a gap member that defines Accordingly, it is possible to provide a method for manufacturing an electro-optical element that makes the core layer manufactured by polishing uniform in thickness, thereby making it possible to achieve both the mechanical strength of the element and the quality of the light beam.
本発明によれば、電気光学材料で形成されている第1、第2の基板のギャップを規定するギャップ部材が混合されている接着剤を用いて第1の基板と第2の基板を接着して構成することにより、研磨によって製作するコア層の厚さが均一となって素子の機械強度と光ビームの品質を両立させることができる。 According to the present invention, the first substrate and the second substrate are bonded using the adhesive in which the gap member that defines the gap between the first and second substrates formed of the electro-optic material is mixed. Thus, the thickness of the core layer manufactured by polishing becomes uniform, and both the mechanical strength of the element and the quality of the light beam can be achieved.
図1は本発明の第1の実施の形態に係る電気光学素子の構成を示す断面図である。同図の(a)に示す本実施の形態の電気光学素子10によれば、台座基板11とコア層となる基板12は、接着剤13によって接着される。このとき、接着剤13の層にサイズの均一度が高い部材であるギャップ材14を混合する。なお、このギャップ材14としては、シリカや樹脂からなるビーズが挙げられる。また、混合の方法としては、予め接着剤13に混合する方法がある。あるいは、ギャップ材14を予め台座基板11上に散布しておき、そこに接着剤13を塗布するという方法も可能である。更には、ギャップ材14の形状は球形である必要はなく、台座基板11とコア層となる基板12の間隔を一定に保てるものであればどのような形状でも可能である。例としては、円柱、角柱などが挙げられる。また、フォトレジストをスピンコーティングした上で、フォトリソグラフィーにより柱状に形成したフォトレジストであってもよい。更に、ギャップ材14は台座基板11の接着の際に台座基板間の間隔、すなわち接着剤の層の厚さを一定にするものであるので、接着の際に台座基板の全体に均等に分散されていればよい。したがって、台座基板をダイシングなどで分割した後に得られる個別の素子にギャップ材が含まれることは、必ずしも必要ではない。実際の製作では、コア層となる基板12と台座基板11の両方に直径3インチ、厚さ300マイクロメートルのニオブ酸リチウムを用い、ギャップ材14として直径10マイクロメートルのシリカからなる真絲球(日揮触媒化成製)、接着剤13にはUV硬化樹脂接着剤を用いた。接着後に厚さを測定したところ3インチの面内での厚さの均一度は500ナノメートル以下という高い均一度が得られた。その後、コア層となる基板12を研磨により薄膜化することによって、図1の(b)に示すように導波路を形成した。このとき接着剤13の層が10マイクロメートルという厚さを有し接着強度が十分であったので、研磨中にコア層となる基板12が剥離するというような問題は生じなかった。研磨後にコア層15の厚さを測定したところ3インチの面内で10±0.5マイクロメートルと高い厚さの均一度を得た。このように本発明の構造を採用することによって、接着剤の層を厚くすることで機械的な強度を保ちつつ、コア層の厚さを均一にできるので、素子の機械強度と光ビームの品質を両立させることができる。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the electro-optic element according to the first embodiment of the present invention. According to the electro-
図2は本発明の第2の実施の形態に係る電気光学素子の構成を示す断面図である。図2において、図1と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。図1の第1の実施の形態は接着剤の層が導波路のクラッド層として機能する例であるが、ギャップ材14によって導波光が散乱することがある。そこで、図2に示す第2の実施の形態では、この散乱を防止するために、コア層となる基板12と接着剤13の層の間にクラッド層16を形成する。なお、クラッド層16の形成方法としては、コア層となる基板12に予めスパッタや蒸着などの方法が挙げられる。更には、図3に示すように、研磨によってコア層15を製作した後に、コア層15の上部にクラッド層17を形成してもよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of an electro-optic element according to the second embodiment of the present invention. 2, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. The first embodiment of FIG. 1 is an example in which an adhesive layer functions as a cladding layer of a waveguide, but guided light may be scattered by the
図4は本発明の第3の実施の形態に係る電気光学素子の構成を示す断面図である。同図において、図3と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施の形態では、図4の(a)に示すように、接着に先立ってコア層となる基板12にクラッド層16及び電極層18を形成した上で、台座基板11との接着を行う。その後、図4の(b)に示すように、研磨によりコア層15を形成し、コア層15の上部にクラッド層17及び電極層19を形成する。なお、クラッド層及び電極層の形成方法としては、コア層となる基板に予めスパッタや蒸着などの方法が挙げられる。また、上部及び下部の電極層による電極は一様電極であっても、任意のパターンがあってもよい。更に、上部と下部の電極層による電極の形状が異なっていてもよい。パターンの例としては、図4の(c)に示すようなプリズム形状や図4の(d)に示すようなレンズ形状の電極が挙げられる。更には、図5に示すように、コア層となる基板12にクラッド層16及び電極層18を形成する前に、コア層となる基板12の分極制御を行う。なお、分極制御は、直接電界印加法による分極反転により行う。また、この電気光学素子においては、上部の電極、下部の電極ともに一様電極であっても、任意のパターンがあってもよい。これらの電極間に電圧を印加すると、図5の(c)に示すようなプリズム形状の分極反転を施した電気光学素子においては導波層を伝搬する光ビームが偏向される。また、図5の(d)に示すようなレンズ形状の分極反転を施した電気光学素子においては、導波層を伝搬する光ビームが集光される。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of an electro-optic element according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 3 denote the same components. In the present embodiment, as shown in FIG. 4A, the clad
なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換、応用が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications, substitutions, and applications are possible as long as they are described within the scope of the claims.
10;電気光学素子、11;台座基板、12;コア層となる基板、
13;接着剤、14;ギャップ材、15;コア層、
16,17;クラッド層、18,19;電極層。
10: Electro-optic element, 11: Base substrate, 12: Substrate serving as a core layer,
13; adhesive, 14; gap material, 15; core layer,
16, 17; Cladding layer, 18, 19; Electrode layer.
Claims (6)
前記接着剤には前記第1の基板と前記第2の基板のギャップを規定するギャップ部材が混合されていることを特徴とする電気光学素子。 In an electro-optic element configured by adhering first and second substrates formed of an electro-optic material with an adhesive,
An electro-optic element, wherein a gap member that defines a gap between the first substrate and the second substrate is mixed with the adhesive.
前記第1の基板と前記第2の基板のギャップを規定するギャップ部材が混合されている前記接着剤を用いて前記第1の基板と前記第2の基板を接着することを特徴とする電気光学素子の製造方法。 In a method for manufacturing an electro-optic element, in which the first and second substrates formed of an electro-optic material are bonded with an adhesive,
An electro-optical device characterized in that the first substrate and the second substrate are bonded using the adhesive in which a gap member defining a gap between the first substrate and the second substrate is mixed. Device manufacturing method.
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