JP7295467B2

JP7295467B2 - 光学素子及びその製造方法

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Inventors: 毅伺梅木; 拓志風間; 貴大柏崎; 晃次圓佛; 修忠永; 飛鳥井上; 亮一笠原
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Description

本発明は、光通信システム、光計測システム等に用いられる非線形光学効果又は電気光学効果（ＥＯ効果）を利用した光学素子及びその製造方法に関する。

従来、光通信システム、及び光計測システム等の光信号の波長変換、光変調、光計測、光加工、医療、及び生物工学等で用いる光学素子は、紫外域－可視域－赤外域－テラヘルツ域に及ぶコヒーレント光の発生又は変調が可能である。このような光学素子として、非線形光学デバイス、及び電気光学デバイス等の開発が進められている。そして、非線形光学媒質、及び電気光学媒質等についても、種々の材料が研究開発されている。

例えば、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ_３（以下、ＬＮとする）等の酸化物系化合物基板は、２次非線形光学定数、及び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周期分極ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）が知られている。また、ＰＰＬＮによる第二高調波発生（以下、ＳＨＧと表記する）、差周波発生（以下、ＤＦＧと表記する）、及び和周波発生（以下、ＳＦＧと表記する）等を利用した波長変換素子が知られている。

一例として、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等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とを用いることが可能なＤＦＧを適用した光源が有望と考えられている。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し難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、及びＳＦＧ等により、緑色光等の可視光の発生を行うことが可能な波長変換技術が有望視されている。更に、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。

上述した特徴を利用し、波長変換素子により波長分割多重方式の光ルーティング、及び光ルーティングにおける波長の衝突回避等に適用させることが可能となる。このため、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では、変換光が信号光に対して位相共役光になることを利用し、信号歪補償を行うことができる。波長変換素子により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、及びファイバ中の非線形光学効果によって生じる信号歪み等を、変換後の伝送路で打消し合うように伝搬させることができる。従って、波長変換素子は、分散、及び非線形信号歪み等を低減することができるキーデバイスともなっている。

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、励起光と信号光と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、将来的な活用が期待されている。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し、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ためである。こうした事情により、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。

近年では、Ｔｉ拡散型導波路、及びプロトン交換導波路と呼ばれる拡散型導波路を用いる検討がなされている。しかしながら、これらの拡散型導波路は、作製において結晶内に不純物を拡散することにより、光損傷耐性、及び長期信頼性等の観点で課題がある。即ち、拡散型導波路では、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るという課題である。

そこで、最近では、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、及びデバイス設計の容易性等の特徴を有するリッジ型導波路について研究開発がなされている。リッジ型導波路は、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、薄厚化処理した後にリッジ加工を施すことにより、リッジ構造の光導波路を形成して作製される。また、例えば非特許文献１で開示されているように、２枚の基板を接着剤により接着し、一方の基板に対して薄厚化処理した後にリッジ加工を施すことにより、リッジ構造の導波路を作製する手法も知られている。

ところが、基板同士を接着剤により張合わせる方法は、接着剤と基板とにおける熱膨張係数が異なるため、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る。また、係る手法は、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、動作中に導波路の損失が増加し、波長変換の効率が劣化してしまうという問題もある。更に、係る手法は、接着層の不均一性のため、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てしまうという問題もある。

こうした問題を回避できる技術として、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、直接接合法が知られている。この直接接合法は、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手法である。尚、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のが一般的である。

接着剤を用いずに基板同士を強固に接合できる直接接合法は、高光損傷耐性、長期信頼性、及びデバイス設計の容易性等の特徴を有する。その他にも、係る手法は、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、接着剤等の吸収等を回避できる点からも有望視されている。また、直接接合法は、非線形光学デバイスに留まらず、ハイパワー光用の光変調器への応用にも期待されている。ＬＮ等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、ＥＯ効果を用いた光変調器としても広く使われている。即ち、従来のＴｉ拡散導波路を用いた商用化された拡散型導波路であれば、１００ｍＷ以上のハイパワー光の光入力が困難であったが、直接接合法を用いると、ワット級の光入力も可能になる。これにより、直接接合法を適用して得られた光学素子は、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。

ところで、直接接合法では、４００℃程度の高温での熱処理を必要とするため、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ＬｉＴａＯ_３（以下、ＬＴとする）等の同種材料基板による直接接合か、或いはＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎ、及び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の形成が検討されている。尚、ここでの直接接合法とは別に、接合プロセスを常温で行うことを可能にした表面活性化常温接合法も知られている。例えば、非特許文献２には、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構成が開示されている。

図１は、直接接合法で作製された従来のリッジ型導波路１０の基本構造を示した端面と平行な方向での断面図である。図１を参照すれば、リッジ型導波路１０は、ベース基板１のアンダークラッド層の上面に導波路パターンに応じて形成されたコア２を備える。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。このリッジ型導波路１０は、コア２の上面及び側面が屈折率＝１の空気層であっても動作し、ステップ型の屈折率分布を有する。

しかしながら、コア２の上面及び側面が空気層である場合のリッジ型導波路１０は、実用上の問題点として、コア２を剥き出しにしているため、空気中に浮遊するゴミや埃の付着等により、素子特性の経時変化が懸念される。また、導波路の端面に反射防止膜（ＡＲコート）等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、更にコア２を覆うように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又はＬＴの結晶を用いた場合、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－ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）が最適材料である。そこで、ＬＰＥ（液相エピタキシャル成長）法により最適材料をエピタキシャル成長させることが望ましい。

ところが、ＬＰＥ法を適用すると、コア２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、素子特性を劣化させるという問題がある。このため、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及びアンダークラッド層との材料的相性、並びに光学的特性の適性が問題となる。材料的相性に関しては、コア２及びアンダークラッド層と化学的に反応して不純物が混入しないこと、及び機械的脆弱化を起こさないことが重要である。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、及び適当な屈折率を有することでコア２中の導波光モードが制御できること等の必要性が挙げられる。

異種材料のオーバークラッド層は、一般的にＳｉＯ_２に代表される酸化物材料を、ＥＢ（電子ビーム）蒸着法、スパッタリング法、及びプラズマＣＤＶ（化学気相堆積）法等により形成することができる。コア２であるＬＮと屈折率の近い酸化物としては、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、及び窒化シリコンＳｉＮ_ｘ等を用いることができる。

しかしながら、周知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を想定すると、幾つかの問題がある。第１の問題は、基板材料であるＬＮと、ＳｉＯ_２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という点である。ＬＮの熱膨張係数は、１５．４×１０^－６であるのに対し、ＳｉＯ_２は０．５～０．６×１０^－６であり、大きく異なる。

図２は、図１に示したリッジ型導波路１０のベース基板１のアンダークラッド層３の上面でコア２を覆うオーバークラッド層４をＳｉＯ_２により形成した構成を例示した局所の断面図である。図２（ａ）はオーバークラッド層４に圧縮応力が生じた様子を示す局所の断面図、図２（ｂ）はオーバークラッド層４に引張応力が生じた様子を示す局所の断面図である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照すれば、ここではベース基板１のアンダークラッド層３の上面に対し、コア２を覆うように厚膜のオーバークラッド層４を形成している。係る構成では、ベース基板１及びコア２との熱膨張係数の違いにより、オーバークラッド層４において、図２（ａ）に示すような圧縮応力、或いは図２（ｂ）に示すような引張応力が生じることがある。こうした応力が生じると、コア２の光の伝搬性に影響する導波路における反り、破壊、及び屈折率のズレ等が生じる要因となっ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１０は、ベース基板１の表面がリッジ構造により凸凹になっているため、更にその上面に電極装荷等を行うためには、平坦化を行う必要がある。ＳｉＯ_２に代表される酸化物材料を蒸着する際、合わせて平坦化を行うためには、オーバークラッド層４の材料をリッジ構造の導波路であるコア２の高さよりも十分高く堆積させる必要がある。そして、リッジ構造を反映したオーバークラッド層４の材料の凹凸を、研磨等により平坦化処理する手順が必要となる。

第２の問題は、上述した熱望膨張係数の差により、リッジ型導波路１０の全体を覆う程、オーバークラッド層４を堆積させられないため、係る手法では、ベース基板１の表面の平坦化が困難であるという点である。

更に、異種材料を用いたオーバークラッド層４では、用いる材料が決まると、コア２との間の実効屈折率差が決まってしまう。このため、第３の問題は、オーバークラッド層４の屈折率を制御し、任意の実効屈折率差を設定することが極めて困難であるという点である。

以上に説明したように、周知の従来手法では、リッジ型導波路１０において、材料的相性が良く、光学的特性が適切なオーバークラッド層４を備えることが難しいという問題がある。

また、別の問題として、従来の周期分極反転導波路の作製工程の手順に起因した課題もある。周期分極反転導波路の作製工程は、コア基板に分極反転構造を形成した後、プロトンの拡散又はコア基板よりも屈折率の低いクラッド層への貼り付けにより、コア基板との屈折率差を設けている。そして、リッジ加工等により、光導波路の形成を行う手順とするのが一般的である。

しかしながら、分極反転構造が形成された状態でドライエッチング等により導波路加工を行うと、分極反転構造に起因した若干のエッチングレート差等により導波路構造に不均一性が生じてしまうという問題がある。こうした場合、導波路の伝搬損失が増加してしまう等の不具合を起こすことになる。そこで、導波路加工後において、分極反転構造を適確に付加できる導波路構造及びその作製手法の実現が望まれている。

ＳｕｎａｏＫｕｒｉｍｕｒａ，ＹｕｊｉＫａｔｏ，ＭａｓａｙｕｋｉＭａｒｕｙａｍａ，ＹｕｓｕｋｅＵｓｕｉ，ａｎｄＨｉｒｏｃｈｉｋａＮａｋａｊｉｍａ，"Ｑｕａｓｉ－ｐｈａｓｅ－ｍａｔｃｈｅｄａｄｈｅｒｅｄｒｉｄｇｅｗａｖｅｇｕｉｄｅｉｎＬｉＮｂＯ３，"Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８９（１９），１９１１２３（２００６）ＹｏｓｈｉｋａｊｕＺｉｋｕｈａｒａ，ＥｉｊｉＨｉｇｕｒａｓｈｉ，ＮｏｂｏｒｕＴａｍｕｒａ，ＴａｄａｔｏｍｏＳｕｇａ，"ＳｅｑｕｅｎｔｉａｌａｃｔｉｖａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｏｘｙｇｅｎＲＩＥａｎｄｎｉｔｒｏｇｅｎｒａｄｉｃａｌｆｏｒＬｉＴａＯ３ａｎｄＳｉｗａｆｅｒｂｏｎｄｉｎｇ，"ＥＣＳＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，３（６）９１－９８（２００６）

本発明は、上述したような問題点及び課題を解決するためになされたものである。本発明に係る実施形態の目的は、分極反転構造の周期に応じた導波路揺らぎが生じず、伝搬損失が小さく、光学的特性及び材料的相性が良好な高効率の光学素子及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の態様は、水晶からなる単結晶の第１の基板と、非線形光学媒質又は電気光学媒質による第２の基板と、が接合された光学素子の製造方法であって、前記第２の基板に光の伝搬方向に沿ってリッジ構造を形成するリッジ構造形成工程と、前記リッジ構造を加工して周期分極反転構造を形成する周期分極反転構造形成工程と、前記第１の基板の表面と前記第２の基板の前記周期分極反転構造の表面とを、熱拡散による直接接合法を実施して接合する接合工程と、前記接合工程で接合された前記第２の基板における前記周期分極反転構造の上部側の表面を研磨により所望の厚さに加工する研磨工程と、前記第２の基板における前記周期分極反転構造の上部側の研磨面に薄膜層を形成する薄膜層形成工程と、前記研磨工程の後の前記第２の基板の研磨面における前記薄膜層の一部に該当する箇所に予めマスクパターンを形成した後、前記研磨面の表面をエッチングして厚み制御のための溝構造を形成する溝構造形成工程と、
を有する。

上記構成又はプロセスを採用することにより、分極反転構造の周期に応じた導波路揺らぎが生じず、伝搬損失が小さく、光学的特性及び材料的相性が良好な高効率の光学素子が得られる。導波路形成で導波路揺らぎが生じない理由は、リッジ構造の形成後にリッジ構造を加工して周期分極反転構造を精度良く精巧に形成できるためである。また、同種材料基板を熱拡散による直接接合法で接合しているため、高光損傷耐性、長期信頼性が高くなることにより、高出力の光パワーを入力することができる。

直接接合法で作製された従来のリッジ型導波路の基本構造を示した端面と平行な方向での断面図である。図１に示したリッジ型導波路のベース基板のアンダークラッド層の上面でコアを覆うオーバークラッド層をＳｉＯ_２により形成した構成を例示した局所の断面図である。図２（ａ）は、オーバークラッド層に圧縮応力が生じた様子を示す局所の断面図である。図２（ｂ）は、オーバークラッド層に引張応力が生じた様子を示す局所の断面図である。熱拡散による直接接合法で作製された本発明の実施形態１に係るリッジ型導波路の基本構造を示した端面と平行な方向での断面図である。図１に示すリッジ型導波路を有する波長変換素子の製造工程の要部を段階別に示した斜視図である。（ａ）は、第２の基板であるコア基板の基材であるウエハを示す斜視図である。（ｂ）は、コア基板のウエハにリッジ構造を形成するリッジ構造形成工程に係る斜視図である。（ｃ）は、コア基板のウエハのリッジ構造を加工して周期分極反転構造を形成する周期分極反転構造形成工程に係る斜視図である。（ｄ）は、周期分極反転構造が形成されたコア基板のウエハと第１の基板であるベース基板の基材であるウエハとを接合する接合工程の接合前に係る斜視図である。（ｅ）は、接合工程の後にコア基板のウエハを研磨する研磨工程に係る斜視図である。図４（ｅ）に示す研磨工程の後のウエハに薄膜層を形成してから切り出して波長変換素子のチップを作製するまでを段階別に示した斜視図である。（ａ）は、図４（ｅ）に示す研磨工程の後のウエハの周期分極反転構造の上部側の表面に薄膜層を形成する薄膜層形成工程に係る斜視図である。（ｂ）は、薄膜層形成工程の後のウエハから波長変換素子のチップを切り出すチップ工程に係る斜視図である。熱拡散による直接接合法で作製された本発明の実施形態２に係るリッジ型導波路の基本構造を示した端面と平行な方向での断面図である。熱拡散による直接接合法で作製された本発明の実施形態３に係るリッジ型導波路の基本構造を示した端面と平行な方向での断面図である。

以下、本発明の幾つかの実施の形態に係る光学素子及びその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図３は、熱拡散による直接接合法で作製された本発明の実施形態１に係るリッジ型導波路１０Ａの基本構造を示した端面と平行な方向での断面図である。

図３を参照すれば、リッジ型導波路１０Ａは、単結晶の第１の基板であるＺカットＬＴによるベース基板１１と、非線形光学媒質のＺカットＺｎ添加ＬＮによるコア基板１２と、が直接接合されている。このリッジ型導波路１０Ａでは、更に、コア基板１２の周期分極反転構造（後述する）の上部側の表面に形成された薄膜層２２を有して構成される。ベース基板１１及びコア基板１２の接合には、熱拡散による直接接合法が適用されている。

このリッジ型導波路１０Ａの場合も、接合状態でベース基板１１のアンダークラッド層の上面に導波路パターンに応じて形成されたコア２０を備える。コア２０は、非接合状態でコア基板１２のコア層を掘り込んで形成されるもので、接合状態でベース基板１１と薄膜層２２とに接していない２つの側面が空気層２１に接している。但し、ベース基板１１のアンダークラッド層及びコア基板１２のコア層には、同種材料（同種単結晶材料）が用いられている。このリッジ型導波路１０Ａの場合も、コア２０の側面が屈折率＝１の空気層２１であっても動作し、ステップ型の屈折率分布を有する。

また、リッジ型導波路１０Ａにおいて、コア基板１２は、ドライエッチングプロセスにより光の伝搬方向に沿って形成されたリッジ構造を有すると共に、リッジ構造を加工して形成した周期分極反転構造を有している。熱拡散による直接接合法では、ベース基板１１の表面とコア基板１２の周期分極反転構造の表面とが接合される。コア２０の断面形状は、下辺５μｍ、上辺６μｍ、高さ４μｍの台形形状であって、薄膜層２２は、厚み１μｍの平坦板から成る実効的なオーバークラッド層として形成される場合を例示できる。このリッジ型導波路１０Ａは、コア基板１２のリッジ構造に対する分極反転周期を変え、特定の周波数帯域の光を発生する周期分極反転構造を形成すれば、波長変換素子（光学素子）となる。尚、コア基板１２は、非線形光学媒質を電気光学媒質に代替させても良い。

コア基板１２の材料となる非線形光学媒質又は電気光学媒質は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、及びＬｉＮｂ_ｘＴａ_１－ｘＯ_３（但し、０≦ｘ≦１とする）のうちの何れか一つであれば良い。或いは、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、及びＩｎの群から選ばれた少なくとも一種以上を添加物として含有した材料であっても良い。

以下は、リッジ型導波路１０Ａを有する波長変換素子の製造工程（作製工程）を段階別に説明する。図４は、リッジ型導波路１０Ａを有する波長変換素子の製造工程の要部を段階別に示した斜視図である。

但し、図４（ａ）は、コア基板１２の基材であるウエハ１２０を示す斜視図である。図４（ｂ）は、コア基板１２のウエハ１２０にリッジ構造を形成するリッジ構造形成工程に係る斜視図である。図４（ｃ）は、コア基板１２のウエハ１２０のリッジ構造を加工して周期分極反転構造を形成する周期分極反転構造形成工程に係る斜視図である。図４（ｄ）は、周期分極反転構造が形成されたコア基板１２のウエハ１２０とベース基板１１の基材であるウエハ１１０とを接合する接合工程の接合前に係る斜視図である。図４（ｅ）は、接合工程の後にコア基板１２のウエハ１２０を研磨する研磨工程に係る斜視図である。

波長変換素子の作製の前に、予めＺカットＬＴによるベース基板１１のウエハ１１０と、非線形光学媒質のＺカットＺｎ添加ＬＮによるコア基板１２のウエハ１２０と、を用意しておく。これらのウエハ１１０、１２０は、両面が光学研磨されてある３インチウエハである。ベース基板１１のウエハ１１０の厚さは５００μｍ、コア基板１２のウエハ１２０の厚さは加工を行う面に形成されたコア層を含めて３００μｍである。尚、ベース基板１１のアンダークラッド層及びコア基板１２のコア層には、同種材料（同種単結晶材料）を用いるものとする。また、コア基板１２の材料は、ＬＮの他に、非線形光学媒質又は電気光学媒質として、ＬｉＴａＯ_３、及びＬｉＮｂ_ｘＴａ_１－ｘＯ_３（但し、０≦ｘ≦１とする）のうちの何れか一つを用いることができる。或いは、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、及びＩｎの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も可能である点は、上述した通りである。

波長変換素子の作製では、まず図４（ａ）に示されるコア基板１２の基材であるウエハ１２０の表面のコア層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。この後、ドライエッチング装置を用いて、コア基板１２のウエハ１２０の表面をドライエッチング加工することにより、図４（ｂ）に示されるリッジ構造形成工程を実施する。リッジ構造形成工程では、光の伝搬方向に沿ってリッジ構造を形成する。このとき、ドライエッチング加工により、４μｍの深さまでウエハ１２０のコア層を掘り込んだ。このようにして、高さ４μｍの台形形状のコア２０が得られる。尚、コア２０を作製するための手段としては、ドライエッチング加工の他に、ダイシング等の機械加工の技術を適用することが可能である。

次に、図４（ｃ）に示される周期分極反転構造形成工程を実施する。周期分極反転構造形成工程では、ウエハ１２０のリッジ構造を加工し、波長１．５μｍ帯で位相整合条件が満たされるように周期分極反転構造を形成する。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ており、幾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良く得られるのは、電界印加法により周期分極反転構造を作製する手法である。この手法は、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。これにより、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、周期的な分極反転構造（周期分極反転構造）を作製するものである。

尚、コア基板１２のウエハ１２０の面内方向の熱膨張係数は、１５．４×１０^－６であり、ベース基板１１のウエハ１１０の面内方向の熱膨張係数は、１６．０×１０^－６である。即ち、ウエハ１１０、１２０の面内方向の熱膨張係数は、非常に近い値となっている。また、コア基板１２のウエハ１２０の屈折率よりも、ベース基板１１のウエハ１１０の屈折率の方が小さくなっている。

更に、図４（ｄ）に示される接合工程を実施する。接合工程では、コア基板１２のウエハ１２０及びベース基板１１のウエハ１１０の表面を洗浄した後、ウエハ１２０の周期分極反転構造を有する表面側をウエハ１１０の表面側と接合されるように重ね合わせる。この重ね合わせは、２つのウエハ１１０、１２０に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行う。そして、重ね合わせたウエハ１１０、１２０を電気炉に入れ、４００℃の熱処理で拡散による直接接合法を実施し、２つのウエハ１１０、１２０を接合する。この結果、接合されて貼り合わせられたウエハ１１０、１２０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、室温に戻してもクラック等が発生しない。

引き続き、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、図４（ｅ）に示される研磨工程を実施する。研磨工程では、接合されたウエハ１２０について、周期分極反転構造の上部側（接合前の下部側を示す）の表面を研磨により厚さが５μｍになるまで研磨の加工を施す。厚さ＝５μｍは一例であり、所望の厚さに変更することが可能である。研磨の後、ポリッシング加工を行えば、鏡面の研磨面を得ることができる。コア基板１２のウエハ１２０の平行度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、ほぼ全体に及んでサブミクロンの平行度が得られることが判った。尚、ウエハ１２０の平行度は、最大高さと最小高さとの差を示すものである。

この研磨工程によれば、コア基板１２のウエハ１２０を精度良く薄厚化することができる。また、接合工程において、熱処理で拡散による直接接合でウエハ１１０、１２０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及んで均一な組成、膜厚を有する構成として、作製することが可能になる。結果として、リッジ構造形成工程で４μｍの深さまでウエハ１２０を掘り込んだ場合、高さ４μｍの台形形状のコア２０の上面（接合前の底面を示す）に厚さ１μｍの平坦な平面円板状のウエハ１２０を形成することができる。

図５は、図４（ｅ）に示す研磨工程の後のウエハ１２０に薄膜層２２０を形成してから切り出して波長変換素子のチップを作製するまでを段階別に示した斜視図である。但し、図５（ａ）は、図４（ｅ）に示す研磨工程の後のウエハ１２０の周期分極反転構造の上部側の研磨面に薄膜層２２０を形成する薄膜層形成工程に係る斜視図である。図５（ｂ）は、薄膜層形成工程の後のウエハ１１０、１２０から波長変換素子のチップを切り出すチップ工程に係る斜視図である。尚、図５（ａ）では、接合状態のウエハ１１０、１２０を示すが、薄膜層２２０が形成されるのは、ウエハ１２０の周期分極反転構造の上部側（接合前の下部側を示す）の平坦な研磨面である。

図４（ｅ）に示した研磨工程の後、波長変換素子のチップを作製する。波長変換素子のチップの作製に先立って、図５（ａ）に示される薄膜層形成工程を実施する。薄膜層形成工程では、上述した研磨工程の後の接合されたウエハ１１０、１２０におけるウエハ１２０の周期分極反転構造の上部側の研磨面に薄膜層２２０を平坦状に形成する。この薄膜層２２０は、ウエハ１１０のアンダークラッド層と対比した場合、オーバークラッド層とみなせるものである。即ち、薄膜層形成工程を実施した後には、周期分極反転構造（リッジ構造）の上部側の表面にオーバークラッド層が装荷された３インチウエハが作製されることになる。

そこで、波長変換素子のチップの作製では、図５（ｂ）に示されるチップ工程を実施する。チップ工程では、ダイシングにより、周期分極反転構造とされた所望の本数のリッジ構造が所望の長さとなるように接合されたウエハ１１０、１２０を短冊状にチップとして切り出し、両端面を光学研磨する。尚、ここでの両端面は、チップの短辺方向を示すものである。このようにして、リッジ型導波路１０Ａを有する波長変換素子のチップを完成する。

実施形態１に係るリッジ型導波路１０Ａによれば、ベース基板１１及びコア基板１２の材料の相性を考慮して単結晶材料とし、リッジ構造の形成後にリッジ構造を加工して周期分極反転構造を精度良く精巧に形成している。このため、分極反転構造の周期に応じた導波路揺らぎが生じず、伝搬損失が小さく、光学的特性及び材料的相性が良好な高効率の波長変換素子（光学素子）が得られる。リッジ型導波路１０Ａを有する波長変換素子では、波長変換効率として、数十％程度の改善が認められた。また、同時に周期分極反転構造の上部側の表面（研磨面）に平坦な構造の薄膜層（オーバークラッド層）を形成できるため、熱光学効果、或いは電気光学効果を得るための電極形成が容易となった。

更に、実施形態１に係るリッジ型導波路１０Ａは、同種単結晶材料の基板を熱拡散による直接接合法で接合しているため、高光損傷耐性、長期信頼性が高くなることにより、高出力の光パワーを入力することができる。加えて、実施形態１で説明した製造方法を適用し、リッジ型導波路１０Ａのリッジ構造に対する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周期分極反転構造を有する波長変換素子を作製した。この結果、何れの波長変換素子についても、良好に波長変換できることが判った。
（実施形態２）

図６は、熱拡散による直接接合法で作製された本発明の実施形態２に係るリッジ型導波路１０Ｂの基本構造を示した端面と平行な方向での断面図である。このリッジ型導波路１０Ｂは、リッジ型導波路１０Ａと比べると、ベース基板１１´が水晶材料であり、厚さが異なる薄膜層２２´の一部に厚み制御のための溝構造２２ａが形成されている点が相違している。また、接合されたベース基板１１´とコア２０と比べてサイズが異なるコア２０´を有するコア基板１２´との間で空気層２１´が形成されている点も相違しているが、基本構造はリッジ型導波路１０Ａの場合と概ね同じになっている。尚、コア基板１２´の材料は、実施形態１の場合と同じであるとする。

この薄膜層２２´に形成された溝構造２２ａは、研磨工程での可能なサブミクロンの厚み精度を向上させ、実効屈折率を調整可能とする。これにより、コア２０´と同種材料のオーバークラッド層となる薄膜層２２´の厚みを高精度に制御でき、実効屈折率差を適切に設定できるものである。以下は、この厚み制御のための溝構造２２ａの有効性が見出されるまでの技術的な考察過程を説明する。

即ち、実施形態１に係るリッジ型導波路１０Ａでは、ベース基板１１のアンダークラッド層及びコア基板１２のコア層に同種材料（同種単結晶材料）を用いた場合を説明した。しかし、このように、同種単結晶材料の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、同種単結晶材料の基板を接合する構成では、光の閉じ込めが弱く、導波路の小型化が制限されてしまい、高効率な波長変換素子の実現に限界がある。従来、熱拡散による直接接合で形成された導波路は、コア層とオーバークラッド層との屈折率差が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５×５μｍ^２程度を実現できるに過ぎない。コア層とオーバー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において、屈折率差を大きくとることが可能な接合技術として、以下の２つの手法が知られている。一つは、表面活性化常温接合法によって、異種材料基板同士を接合させる手法である。もう一つは、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する手法である。

前者の表面活性化常温接合法については、非特許文献２で開示されているように、接合プロセスを常温で行うことを可能にし、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で形成され易い活性な状態にする。このような表面処理を用いると、室温での接合又はその後の熱処理温度を大幅に下げることができる。非特許文献２には、係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構成が開示されている。

しかしながら、実施形態１に該当するＬＮ及びＬＴの単結晶材料の基板は、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、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、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。ところが、表面活性化常温接合法によるシリコン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生じる。従って、非特許文献２で開示された表面活性化常温接合法は、実施形態１で接合対象とした同種単結晶材料の基板の接合には不適用である。

後者の非晶質材料を接合層として用いる手法は、コア基板のコア層及び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すると、導波路の実効的な屈折率差を大きくすることができる。通常の直接接合法と同様に熱拡散を用いて接合を行うため、前者の手法のようなアニール処理時に基板が破損するという問題は発生しない。

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及んで不均一になってしまうという問題がある。また、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問題もある。更に、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、接合強度が弱く、長期的な信頼性に欠けるという問題もある。加えて、接合層を形成するためにプロセス工程が増えるため、プロセス毎の特性バラつきが多くなってしまう。このような事情により、後者の手法も実施形態１で接合対象とした同種単結晶材料の基板の接合には適用し難い。

直接接合法による導波路の作製は、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言える。そこで、コア層にＬＮを用いたとき、直接接合法の熱処理が可能な基板に利用できる材料として、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を入手することが可能である。また、水晶の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である。こうした理由により、水晶は、ＬＮとの直接接合法の熱処理が十分可能な結晶であると言える。

そこで、例えば図１に示したリッジ型導波路１０の構造において、ベース基板１を水晶とし、周期分極反転構造を施したＺカットＺｎ添加ＬＮによるコア２を形成した場合を想定する。こうした場合、リッジ型導波路１０の比屈折率差が２８％程度となり、非常に大きくなることが判った。このため、コア２への光閉じ込めが非常に強く、コア２の断面形状を５×５μｍ^２以下としても、多モードでの導波路となる。高効率な波長変換素子の実現には、コア２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する必要がある。波長変換素子において、コア２に入射された光は、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、信号光と励起光との光電界の重なりが悪く、信号光と励起光と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。

上述したリッジ型導波路１０の波長変換素子において、基底モードのみを励振するためには、コア２の断面形状を１×１μｍ^２程度にする必要がある。ところが、こ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、実現性が極めて乏しい。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。ところが、こうした場合には、上述したように、オーバークラッド層にコア基板のコア層と異種材料を用いて任意の屈折率差を設けることが困難であるという問題がある。また、適切な厚みであれば、コア基板のコア層と同種材料のオーバークラッド層を用いることで、例えばリブ型の導波路のように、同種材料部分へ電界が漏れることで実効屈折率を上げることができる。しかし、この場合にも、オーバークラッド層の厚みの制御が極めて困難であるという課題が残る。

そこで、本発明者等は、困難視されているコア基板のコア層と同種材料のオーバークラッド層を用いる場合、オーバークラッド層の厚みの制御を可能にする手法を着目した。様々な研究、工夫等を重ねた結果、リッジ型導波路において、ベース基板の材料を水晶とし、オーバークラッド層となる薄膜層の一部に実効的屈折率を制御するための溝構造を設ければ、問題を解決できることを見出した。この溝構造は、実効屈折率差を適切に調整できる上、薄膜層の厚みを制御することも可能となる。

図６に示される実施形態２に係るリッジ型導波路１０Ｂは、第１の基板である水晶によるベース基板１１´と、非線形光学媒質のＺカットＺｎ添加ＬＮによるコア基板１２´と、が直接接合されている。ここでも、接合には熱拡散による直接接合法を適用できる。このリッジ型導波路１０Ｂでは、更に、コア基板１２´の周期分極反転構造の上部側の表面に形成された薄膜層２２´を有し、薄膜層２２´におけるコア２０´の中心となる位置に設けられた溝構造２２ａを有して構成される。

このリッジ型導波路１０Ｂの場合も、接合状態でベース基板１１´のアンダークラッド層の上面に導波路パターンに応じて形成されたコア２０´を備える。コア２０´は、非接合状態でコア基板１２´のコア層を掘り込んで形成されるもので、接合状態でベース基板１１´と薄膜層２２´とに接していない２つの側面が空気層２１´に接している。このリッジ型導波路１０Ｂの場合も、コア２０´の側面が屈折率＝１の空気層２１´でも動作し、ステップ型の屈折率分布を有する。

また、リッジ型導波路１０Ｂにおいて、コア基板１２´は、ドライエッチングプロセスにより光の伝搬方向に沿って形成されたリッジ構造を有すると共に、リッジ構造を加工して形成した周期分極反転構造を有している。熱拡散による直接接合法では、ベース基板１１´の表面とコア基板１２´の周期分極反転構造の表面とが接合される。コア２０´の断面形状は、下辺２μｍ、上辺３μｍ、高さ１．５μｍの台形形状であって、薄膜層２２´は、厚み１．５μｍの平坦板から成る溝構造２２ａが設けられた実効的なオーバークラッド層として形成される場合を例示できる。

実効的屈折率制御用の溝構造２２ａは、深さ１μｍ、幅１．５μｍの単体をコア２０´の中心に配置する形態とした。但し、溝構造２２ａのサイズ、数量、及び配置は、コア２０´のサイズ及び目的とする実効屈折率に応じて、適宜選択して変更すれば良いものである。即ち、このリッジ型導波路１０Ｂの場合も、波長変換素子（光学素子）となる。

このようなリッジ型導波路１０Ｂを有する波長変換素子の工程（作製工程）は、実施形態１の場合と概ね同様であるが、研磨工程の後に以下に説明する溝構造形成工程を追加し、その後に薄膜層形成工程を実施すれば良い。即ち、溝構造形成工程では、研磨工程の後のコア基板１２´の研磨面における薄膜層２２´の一部に該当する箇所に予めマスクパターンを形成した後、研磨面の表面をエッチングして厚み制御のための溝構造２２ａを形成する。この後に、薄膜層形成工程を実施すれば、一部に溝構造２２ａが形成されるように薄膜層２２´を形成することができる。

リッジ型導波路１０Ｂの薄膜層２２´に形成された溝構造２２ａは、研磨工程での可能なサブミクロンの厚み精度を更に１桁向上させ、数十ｎｍの精度相当の実効屈折率を調整することができるものである。この結果、コア層と同種材料のオーバークラッド層となる薄膜層２２´の厚みを高精度に制御することが可能となり、実効屈折率差を適切に設定できるようになる。
（実施形態３）

図７は、熱拡散による直接接合法で作製された本発明の実施形態３に係るリッジ型導波路１０Ｃの基本構造を示した端面と平行な方向での断面図である。このリッジ型導波路１０Ｃは、リッジ型導波路１０Ｂと比べると、薄膜層２２´の上面に溝構造２２ａを埋め込んで平坦化形成され、コア基板１２´のコア２０´と屈折率の近い酸化物による保護層２３を有する点が相違している。尚、リッジ型導波路１０Ｃは、ここでも波長変換素子（光学素子）となるもので、コア基板１２´の材料は、実施形態１の場合と同じであるとする。

このようなリッジ型導波路１０Ｃを有する波長変換素子の工程（作製工程）は、実施形態２の場合と概ね同様であるが、溝構造形成工程の後に保護層形成工程を実施すれば良い。保護層形成工程では、薄膜層２２´の上面に溝構造２２ａを埋め込んで平坦化されるように、コア基板１２´のコア２０´と屈折率の近い酸化物による保護層２３を形成する。保護層２３は、空気層２１´の空気よりもコア２０´のＬＮと屈折率の近い酸化物材料として溝構造２２ａを埋めれば良く、薄膜層２２´の実効屈折率を溝構造形成工程の後に制御可能なオーバークラッド層とみなすことができる。

保護層２３の酸化物材料として、ＴｉＯ_２を通常のスパッタリング法を用いて薄膜層２２´の上面に堆積させる場合を例示できる。通常のスパッタリング法を適用する以外にも、ＥＢ（電子ビーム）蒸着法プラズマＣＶＤ（化学気相堆積）法を適用できる。また、保護層２３の酸化物材料についても、ＴｉＯ_２以外、Ｔａ_２Ｏ_５、窒化シリコンＳｉＮ_ｘ、及び酸化シリコンＳｉＯ_ｘ等を用いることができる。尚、保護層形成工程で形成する保護層２３は、薄膜層２２´の実効屈折率の制御以外、機械的強度を補完する役割にも有効である。

更に、ここで説明した保護層形成工程を、実施形態１、実施形態２における研磨工程の後に実施し、コア２０、２０´の上面を覆うように保護層を設ける構成とすることも可能である。このとき、空気層２１、２１´を埋め込むようにしても良いが、その選択は、光学的特性及び材料的相性が損なわれず、且つ高効率となる点を留意して行えば良い。

係る手順を採用すると、実施形態１の場合には、保護層の上面に薄膜層２２が形成される構成となるため、光学的特性及び材料的相性に問題はなく、高効率が確保される。実施形態２の場合には、コア２０´の上面に保護層が存在し、保護層の上面に溝構造２２ａを有する薄膜層２２´が形成される構成となる。この構成でも、光学的特性及び材料的相性に問題はないが、更に保護層形成工程を実施し、薄膜層２２´の上面に溝構造２２ａを埋め込むように保護層を設ける構成としても良い。

Claims

水晶からなる単結晶の第１の基板と、非線形光学媒質又は電気光学媒質による第２の基板と、が接合された光学素子の製造方法であって、
前記第２の基板に光の伝搬方向に沿ってリッジ構造を形成するリッジ構造形成工程と、
前記リッジ構造を加工して周期分極反転構造を形成する周期分極反転構造形成工程と、
前記第１の基板の表面と前記第２の基板の前記周期分極反転構造の表面とを、熱拡散による直接接合法を実施して接合する接合工程と、
前記接合工程で接合された前記第２の基板における前記周期分極反転構造の上部側の表面を研磨により所望の厚さに加工する研磨工程と、
前記第２の基板における前記周期分極反転構造の上部側の研磨面に薄膜層を形成する薄膜層形成工程と、
前記研磨工程の後の前記第２の基板の研磨面における前記薄膜層の一部に該当する箇所に予めマスクパターンを形成した後、前記研磨面の表面をエッチングして厚み制御のための溝構造を形成する溝構造形成工程と、
を有する
ことを特徴とする光学素子の製造方法。
前記薄膜層の上面に前記溝構造を埋め込んで平坦化されるように、前記第２の基板のコアと屈折率の近い酸化物による保護層を形成する保護層形成工程を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
前記第２の基板の前記非線形光学媒質又は前記電気光学媒質を、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、及びＬｉＮｂ_xＴａ_1-xＯ₃（但し、０≦ｘ≦１とする）のうちの何れか一つ、又はそれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、及びＩｎの群から選ばれた少なくとも一種以上を添加物として含有した材料とした
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子の製造方法。