TW201527830A - 光學元件 - Google Patents

Abstract

在將光學材料基板，相對於支持基板上的電極， 以樹脂接著層進行接著的構造的光學元件中，可一面將電極的電阻抑制為較低，而且一面防止光學材料基板由支持基板剝離。 光學元件20A係包括：支持基板1；光學 材料基板2；被設在支持基板1上的電極7；及將電極7與光學材料基板2進行接著的樹脂接著層4。電極7包含：與樹脂接著層4相接的鉻膜7c、及被設在鉻膜7c與支持基板1之間的金膜7b。

Description

光學元件

本發明係關於在支持基板上接著光學材料基板的類型的光學元件。

隨著雲端科技(Cloud Computing)的發展，光通訊網路的高速化、高頻化更加發展，迫切期望光調變效率提升。在光調變元件中，為了達成微波與光波的速度整合，使由鈮酸鋰等非線性光學材料所成之光導波路基板的厚度非常薄，對不同個體的支持基板進行接著已為人所知。此時，在支持基板上形成導電膜，將該支持基板透過導電膜而接著在光導波路基板，藉此抑制因支持基板的共振現象而起的微波透過特性的漣波(ripple)已被提出(專利文獻1：日本特開2003-156723)。以如此的導電膜而言，列舉有低電阻的金、銀、銅。

一般而言，為了降低配線電阻，大多使用導電率高的金電極(Au)。若藉由鉻膜等來形成電極時，難以使電極的電阻值降低至所需值，為了獲得所需的電阻值，電極設計極為困難。

此外，在專利文獻2(日本特開2002-040381)所記載的行進波型光調變器中，係已提出在鈮酸鋰基板上形成由 鉻所成的基底膜，且在其上設置金鍍敷，藉此形成將在光導波路傳播的光進行調變的調變用電極。

【先前技術文獻】 【專利文獻】

【專利文獻1】日本特開2003-156723

【專利文獻2】日本特開2002-040381

但是，若在支持基板上形成金膜，且將此相對於薄型的光導波路基板以樹脂進行接合時，會有以膠帶強度試驗進行剝離的情形。如上所示之元件並無法長時間使用，由於可靠性會降低，因此造成良率降低的原因。發生如此現象的原因不明。

本發明之課題在將光學材料基板，相對於支持基板上的電極，以樹脂接著層進行接著的構造的光學元件中，可一面將電極的電阻抑制為較低，而且一面防止光學材料基板由支持基板剝離。

本發明之光學元件之特徵在於包括：支持基板；光學材料基板；被設在支持基板上的電極；及將電極與光學材料基板進行接著的樹脂接著層，電極包含：與樹脂接著層相接的鉻膜、及被設在鉻膜與支 持基板之間的金膜。

本發明人係針對在支持基板上形成金膜，且在其上透過樹脂接著層接著光學材料基板時，產生光學材料基板由支持基板剝離的原因加以檢討。結果發現在樹脂接著前的金膜表面狀態有問題，產生接著後的剝離。

亦即，必須在支持基板上形成電極之後，進行表面洗淨，藉此將附著在電極表面的異物去除。因此，通常不僅有機系的超音波洗淨，為了去除固著的異物，以刷洗洗淨為有效。若支持基板的表面為鉻金屬膜，刷洗洗淨為有效，若支持基板的翹曲小，可幾乎不會使氣泡發生地進行接合。

但是，若金膜露出在支持基板的表面，若實施例如刷洗洗淨時，刷洗痕跡會附在金膜的表面，在該部分係發生微小的氣泡。因此，即使進行樹脂接合，亦產生光學材料基板的剝離。因此，使支持基板表面的金膜未進行刷洗洗淨，僅實施超音波洗淨而以樹脂接著劑進行接著。但是，結果，可知黏貼在金膜表面的異物並無法完全取出，會在所附著的異物的區域發生氣泡。此外，若將所被接著的光學材料基板進行薄板化加工，會在氣泡部剝落，而且經薄板化的基板亦由光學材料基板的周緣部分開始剝落。若在基板周緣的剝落部位進行膠帶剝離試驗，在金膜表面與樹脂接著劑的界面間，剝落會進展。

本發明人係根據該知見，思及藉由在金膜上另外形成鉻膜，將該鉻膜相對於光學材料基板進行樹脂接著來解決上述問題。亦即，藉由電阻值低的金膜，來獲得作為電極所需的導電 性，並且藉由在金膜表面另外形成鉻膜，可防止在樹脂接著後光學材料基板由支持基板剝離，尤其光學材料基板進行薄板化加工時的剝離。

1‧‧‧支持基板

1a‧‧‧表面

2‧‧‧光學材料基板

2a、2b‧‧‧主面

3‧‧‧緩衝層

4‧‧‧樹脂接著層

5‧‧‧電極

5a‧‧‧金屬基底膜

5b‧‧‧金膜

6、7、7A‧‧‧電極

7a‧‧‧金屬基底膜

7b‧‧‧金膜

7c‧‧‧鉻膜

7d‧‧‧中間膜

10‧‧‧光學元件

12A、12B‧‧‧脊溝

13‧‧‧通道型光導波路

14‧‧‧光束

15‧‧‧上側電極

20A、20B‧‧‧光學元件

第1圖係顯示有關本發明之一實施形態的光學元件20A的模式圖。

第2圖係顯示有關本發明之其他實施形態之光學元件20B的模式圖。

第3圖(a)係以模式顯示光學元件20A的橫剖面的圖，(b)係以模式顯示光學元件20B的橫剖面的圖。

第4圖係以模式顯示光學元件20A的斜視圖。

第5圖係以模式顯示光學元件20B的斜視圖。

第6圖係顯示比較例的光學元件10的模式圖。

第7圖係顯示比較例的光學元件10A的模式圖。

第8圖係顯示本發明實施例中的接合狀態的照片。

第9圖係顯示在比較例中，超音波洗淨後的金膜表面的氣泡的照片。

第10圖係顯示在比較例中，在接著體的氣泡部分及周緣部發生剝離的狀態的照片。

第11圖係第10圖中的接著體的周緣部的放大照片。

以下一面適當參照圖示，一面敘述本發明。

第1圖、第3圖(a)及第4圖係顯示有關本發明之一實 施形態的光學元件20A者。

在本例中，在支持基板1的表面1a上，透過電極7、樹脂接著層4、緩衝層3，接合有光學材料基板2的主面2b。在本例中，在光學材料基板2之與支持基板1為相反側的主面2a上形成有上側電極15。此外，在本例中，在光學材料基板2內形成有通道型光導波路13。

在本例中，電極7係形成為三層構造。亦即，在支持基板1上設有金屬基底膜7a，在金屬基底膜7a上設有金膜7b，在金膜7b上形成有鉻膜7c。鉻膜7c係與樹脂接著層4相接。

在本例中，藉由電阻值較低的金膜7b獲得作為電極7所需的導電性，並且在金膜7b上另外形成鉻膜7c，藉此可防止光學材料基板2在樹脂接著後由支持基板1剝離，尤其在光學材料基板薄板化加工時的剝離。

第2圖、第3圖(b)及第5圖係顯示有關本發明之其他實施形態的光學元件20B者。

在本例中，在支持基板1的表面1a上，透過電極7A、樹脂接著層4、緩衝層3，接合有光學材料基板2的主面2b。在本例中，在光學材料基板2之與支持基板1為相反側的主面2a上形成有上側電極15。在光學材料基板2內形成有通道型光導波路13。

在本例中，電極7A係形成為四層構造。亦即，在支持基板1上設有金屬基底膜7a，在金屬基底膜7a上設有中間膜7d，在中間膜7d上設有金膜7b，在金膜7b上形成有鉻 膜7c。鉻膜7c係與樹脂接著層4相接。

在本例中，藉由電阻值較低的金膜7b獲得作為電極7所需的導電性，並且在金膜7b上另外形成鉻膜7c，藉此可防止光學材料基板2在樹脂接著後由支持基板1剝離，尤其在光學材料基板薄板化加工時的剝離。

第6圖係顯示有關比較例的光學元件10者。

在本例中，在支持基板1的表面1a上，透過電極5、樹脂接著層4、緩衝層3，接合有光學材料基板2的主面2b。在光學材料基板2之與支持基板1為相反側的主面2a上形成有上側電極15。在光學材料基板2內形成有通道型光導波路13。

在本例中，電極5係形成為二層構造。亦即，在支持基板1上設有金屬基底膜5a，在金屬基底膜5a上設有金膜5b。金膜5b係與樹脂接著層4相接。

在該實施形態中，由於形成有金膜5b，因此可使電極5的電阻值降低。但是，金膜5b與樹脂接著層4的接著不安定，在金膜5b表面洗淨後，殘留氣泡，在光學材料基板進行薄板化加工時等，會成為剝離進展的起點。

第7圖係顯示有關其他比較例的光學元件10A者。

在本例中，係在支持基板1的表面1a上，透過電極6、樹脂接著層4、緩衝層3，接合有光學材料基板2的主面2b。在光學材料基板2之與支持基板1為相反側的主面2a上形成有上側電極15。在光學材料基板2內形成有通道型光導波路13。

在本例中，電極6係形成為單層構造，由鉻膜所構成。電極6係與樹脂接著層4相接。在該實施形態中，難以 使電極6的電阻值降低至所需程度。為了充分降低電極6的電阻值，必須充分加大電極6的厚度，但是若加厚電極6時，支持基板1會翹曲且在電極表面殘留氣泡，而有產生接著體剝離之虞。

以下更進一步敘述本發明之各構成要素。

光學元件的種類並未特別限定，若可達成光學上的功能即可。具體而言，可例示波長變換元件、光調變元件、光切換元件等。光調變元件若為對光的特性施加調變者，即未限定，可為光強度調變器、光相位調變器。光強度調變器亦可為利用馬赫-陳爾德(Mach-Zehnder)型光導波路的光振幅調變器。光相位調變器意指對入射光施加相位調變，由出射光取出相位調變訊號者。此外，亦可在光學材料基板中形成周期分極反轉構造。

支持基板的材質係可例示：鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體、鈮酸鋰鉀、石英玻璃等玻璃或水晶、Si等。

構成光學材料基板的光學材料並未特別限定，可例示：鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體、鈮酸鉀鋰、KTP、GaAs及水晶、K₃Li₂Nb₅O₁₅、La₃Ga₅SiO₁₄等。此外，光學材料可為共熔組成(congruent composition)，亦可為化學計量組成(stoichiometry composition)。

在光學材料中，為了使光導波路的耐光損傷性更加提升，可使其含有選自由鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈧(Sc)及銦(In)所成群組的1種以上的金屬元素，以鎂為特佳。在 光學材料中，係可含有稀土類元素作為摻雜成分。該稀土類元素係作為雷射振盪用的添加元素來發揮作用。以該稀土類元素而言，尤其以Nd、Er、Tm、Ho、Dy、Pr為佳。

在較適實施形態中，光學材料基板係具有：相對向的一對主面、相對向的一對側面、及經光學研磨的端面。主面係指相較於其他面為相對面積較大的表面。

光學材料基板的厚度並未特別限定，例如在光調變器中，若由提高在基板內的光能量的封閉性來提高調變效率的觀點來看，係以10μm以下為佳，以5μm以下為更佳。此外，光學材料基板的厚度，若由基板的處理容易度的觀點來看，係以0.5μm以上為佳。以如前所述之樹脂接著層與電極的界面為起點的剝離係由於在光學材料基板進行薄板化加工時發生，因此本發明係尤其適合於光學材料基板為較薄的情形。

形成在光學材料基板的光導波路的種類並未被限定，包含板狀導波路、通道導波路。此外，導波路的種類可為鈦擴散法等內擴散型光導波路、或脊型光導波路。

例如在第3圖(a)、(b)所示之各例的光學元件中，在光學材料基板2的上側的主面2a側形成有一對脊狀溝12A、12B，藉由脊溝12A、12B，形成有脊狀型光導波路13。14為光束。

用以在光學材料基板形成脊狀溝12A、12B的加工方法並未被限定，可使用機械加工、離子研磨(Ion milling)、乾式蝕刻、雷射剝蝕等方法。

在較適實施形態中，係在光學元件之與支持基板 為相反側的主面上設有上側電極。例如，在第3圖(a)、(b)所示之各例的光學元件中，係在光學材料基板2的上側主面2a上設有上側電極15，對上側電極15與下側的電極7、7A之間施加調變電壓。

將光學材料基板與支持基板進行接著的樹脂接著層係可例示環氧系接著劑、熱硬化型接著劑、紫外線硬化型接著劑。

樹脂接著層的折射率與光學材料基板的折射率的差係取決於緩衝層的厚度、折射率，但是在光的閉入的觀點中，以樹脂接著層的折射率的10%以上為佳，以20%以上為更佳。此外，在樹脂接著層的厚度在安定接著的觀點中，以0.2μm以上為佳，而且在薄板研磨加工後的基板厚度不均的減低的觀點中，以2μm以下為佳。

被設在支持基板上的電極係包含：與樹脂接著層相接的鉻膜、及被設在鉻膜與支持基板之間的金膜。

金膜的厚度若由導電性提升的觀點來看，以0.03μm以上為佳，以0.05μm以上為更佳。此外，金膜的厚度並未特別限定，但由於為昂貴的材料，因此由成本的觀點來看，以0.2μm以下為佳，以0.1μm以下為更佳。

與樹脂接著層相接的鉻膜的厚度，由本發明之觀點來看，以0.03μm以上為佳，以0.05μm以上為更佳。此外，由抑制光學元件翹曲的觀點來看，以0.1μm以下為佳，以0.08μm以下為更佳。

在較適實施形態中，在鉻膜與支持基板之間設有 金屬基底膜。例如，在第1圖~第5圖的實施形態中，係在金膜7b與支持基板1的表面1a之間設有金屬基底膜7a。藉此可更加改善金膜對支持基板的密接。以如上所示之金屬基底膜的材質而言，以鎳、鈦、鉭、鉬為佳，以鉻為特佳。

可在金膜與金屬基底膜之間另外設置中間膜。以如上所示之中間膜的材質而言，係以鎳、鈦、白金為佳。

構成電極的各膜的製法並未特別限定，可例示：濺鍍、蒸鍍。

此外，在光學材料基板的上側主面、下側主面係可分別形成緩衝層。例如，在第1圖~第5圖之例中，係在光學材料基板2的下側主面2b上形成有緩衝層3。緩衝層係可實現減低因各電極所致之光的吸收損失，且加強光封入在光學材料基板內，並且以與光纖為相同的方式具有對稱性優異的光點形狀的光導波路。

因此，光學材料基板的折射率與緩衝層的折射率的差係以緩衝層的材質的折射率的10%以上為佳，以20%以上為更佳。此外，緩衝層的厚度在光的閉入的觀點中，以0.1μm以上為佳，在半波長電壓的增加的觀點中，以1μm以下為佳。

以緩衝層的材質而言，以SiO₂、Ta₂O₅為佳。

光學材料基板進行薄板化加工時，可在研削加工之後，實施擦摩或研磨。此外，將支持基板的表面進行研磨加工後的洗淨工程係以如下所示實施為佳。

以有機溶劑進行刷洗洗淨，接著，進行藉由有機溶劑所為之超音波洗淨、藉由純水所為之超音波洗淨、純水流通洗淨。

【實施例】

(實施例1)

製作第1圖、第3圖(a)、第4圖所示之形態的光學元件20A。

具體而言，以濺鍍法，將由SiO₂所成的緩衝膜3，以厚度0.5μm成膜在厚度500μm的摻雜MgO5%mol的z板鈮酸鋰單結晶基板的上面。

此外，將厚度1mm的非摻雜z板鈮酸鋰單結晶基板形成為支持基板1。在支持基板1的上面1a，以濺鍍法形成厚度0.05μm的鉻膜7a、厚度0.1μm的金膜7b、厚度0.05μm的鉻膜7c。接著，使用有機溶劑來刷洗洗淨電極表面，接著藉由有機溶劑進行超音波洗淨，進行純水超音波洗淨、純水流通洗淨。

接著，將摻雜MgO%mol的前述z板鈮酸鋰單結晶基板，將緩衝層3設為下，相對於支持基板1，藉由樹脂接著劑進行貼合。在此，在摻雜MgO之鈮酸鋰單結晶基板，亦可在基板的一部分形成有直徑100μm左右的孔洞、或寬幅100μm的溝槽，用在之後下部電極7的電極取出。關於深孔加工，係可適用例如雷射加工法，關於溝槽加工，係可利用以切割切斷至基板途中的方法。接著，將摻雜MgO之鈮酸鋰基板的上側主面，以研削、研磨，加工至成為厚度3.7μm為止。藉由該研削研磨，使前述經深孔加工、或溝槽加工的區域部分被去除，被覆下部電極7的樹脂接著層4由孔洞或溝槽露出。該所露出的樹脂接著層4係可藉由灰化去除，藉此可使電極取出用的下 部電極7露出於表面。之後，以準分子雷射加工，由摻雜MgO之鈮酸鋰基板側進行加工，形成深度2.2μm的溝槽12A、12B，形成寬幅5.3μm的脊狀型光導波路13。此外，將由SiO₂所成之緩衝層以厚度0.5μm進行成膜，在其上成膜上側電極15。上側電極15係形成為鉻、鎳、金膜等3層的膜構成。

接著，以切割機，以寬幅3mm、長度13mm進行切片切斷，將切片(chip)端面進行光學研磨而以成為12mm的長度的方式進行加工。此外，藉由核心直徑6μm的SI(步階式折射率，Step-Index)光纖，在光學上以紫外線硬化樹脂連接相位調變元件。為了最後在兩側的側面部表面的電極部與外部電路取得導通而進行導線接合。此外，將上部電極的元件的長邊方向的長度設為10mm。

對所得的相位調變器入射波長1064nm的雷射光的結果，光損失成為0.5dB/cm，可得良好的傳播性能。此外，經評估半波長電壓，為約7V。

在本實施例中，在將光學材料基板進行薄板化加工之後，由試樣的端部實施膠帶試驗，將所觀察到的照片顯示於第8圖。在第8圖中，左上箭號表示光學材料基板，右上箭號表示樹脂接著層及電極。可知藉由膠帶試驗，經薄板化的光學材料基板的剝離完全沒有進展而呈相接合的樣子。亦即，在將光學材料基板進行薄板化加工之後，亦完全未發現光學材料基板的剝離，接合狀態呈安定。

(比較例1)

與實施例1同樣地，製作第7圖所示之形態的光學元件 10A。但是，不同於實施例1，並未設置由三層所成的電極7，取而代之，藉由濺鍍法，形成由鉻膜單層所成的電極6。

但是，鉻與金相比，由於電阻率較高，因此為獲得與實施例1為同等的片電阻，必須將電極的膜厚形成為0.5μm以上。結果，接著體翹曲100μm以上，即使可局部接合，亦無法減小發生孔隙(氣泡)的區域。

(比較例2)

與實施例1同樣地，製作第7圖所示之形態的光學元件10A。但是，不同於實施例1，並未設置由三層所成的電極7，取而代之，藉由濺鍍法，形成由鉻膜單層所成的電極6。

但是，不同於比較例1，形成為高電阻，但是使鉻膜的膜厚變薄至0.2μm，嚐試樹脂接合。但是，基板的翹曲發生30μm左右，無法抑制因接合所致的氣泡量。

(比較例3)

僅以鉻膜，電阻會變大、且翹曲變大。因此，與實施例1同樣地，製作第6圖所示之形態的光學元件10。但是，不同於實施例1，並未設置由三層所成的電極7，取而代之，藉由濺鍍法，形成包含由鉻膜所成的基底膜5a及金膜5b的電極5。將鉻膜5a的膜厚形成為0.05μm，將金膜5b的膜厚形成為0.1μm。

但是，若實施刷洗洗淨，即在金膜表面附上刷洗痕跡，在該部分發生微小氣泡。若將所得的接著體進行薄板化加工，則在氣泡部剝落，而且由基板的周邊，經薄板化的基板亦開始剝落。若在基板周緣的剝落部位進行膠帶剝離試驗時， 在金膜表面與樹脂接著劑的界面間，剝落呈進展。由於形成為如上所示之狀態，因此放棄後工程的元件化。

(比較例4)

與實施例1同樣地，製作第6圖所示之形態的光學元件10。但是，不同於實施例1，並未設置由三層所成的電極7，取而代之，藉由濺鍍法，形成包含由鉻膜所成之基底膜5a及金膜5b的電極5。將鉻膜5a的膜厚形成為0.05μm，將金膜5b的膜厚形成為0.1μm。

接著，在將金膜進行超音波洗淨之後，省略刷洗洗淨。在此，若觀察超音波洗淨後的電極表面時，如第9圖所示，判明出無法完全取出黏貼在電極表面的異物，在該區域，如箭號所示，發生氣泡。

接著，在將電極接著在光學材料基板之後，將光學材料基板進行薄板化加工。結果，如第10圖中以下側箭號所示，在氣泡部分發生剝離，此外，由基板的周緣部分亦如右上箭號所示發生剝離。在第11圖中放大顯示第10圖中的右上周緣部的剝離。在此，在第11圖中，左上箭號表示光學材料基板，右上箭號表示金膜，右下箭號表示正在進展的剝離。

若在基板周緣的剝落部位進行膠帶剝離試驗時，在金膜表面與樹脂的界面間，剝落呈進展。由於形成為如上所示之狀態，因此放棄後工程的元件化。

1‧‧‧支持基板

1a‧‧‧表面

2‧‧‧光學材料基板

2a‧‧‧主面

2b‧‧‧主面

3‧‧‧緩衝層

4‧‧‧樹脂接著層

7‧‧‧電極

7a‧‧‧金屬基底膜

7b‧‧‧金膜

7c‧‧‧鉻膜

13‧‧‧通道型光導波路

15‧‧‧上側電極

20A‧‧‧光學元件

Claims (7)

1. 一種光學元件，其特徵在於包括：支持基板；光學材料基板；被設在前述支持基板上的電極；及將前述電極與前述光學材料基板進行接著的樹脂接著層，前述電極包含：與前述樹脂接著層相接的鉻膜、及被設在前述鉻膜與前述支持基板之間的金膜。
2. 如申請專利範圍第1項之光學元件，其中，具有被設在前述金膜與前述支持基板之間的金屬基底膜。
3. 如申請專利範圍第2項之光學元件，其中，前述金屬基底膜由鉻所成。
4. 如申請專利範圍第2或3項之光學元件，其中，前述電極係在前述金膜與前述金屬基底膜之間另外包括中間膜。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光學元件，其中，在前述光學材料基板形成有光導波路。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之光學元件，其中，為光調變元件。
7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之光學元件，其中，具有形成在前述光學材料基板的周期分極反轉構造。