TWI693438B

TWI693438B - 光波導元件

Info

Publication number: TWI693438B
Application number: TW103140004A
Authority: TW
Inventors: 浅井圭一郎; 山口省一郎
Original assignee: 日商日本碍子股份有限公司
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2020-05-11
Also published as: JP5951589B2; JP2015102844A; US10564513B2; CN104678494A; CN104678494B; TW201535001A; US20150147038A1

Abstract

提供：在脊型光波導之較容易設計的載荷型光波導元件中，對於載荷之脊部的薄層之密著性高，且不易產生脊部的破裂或粗糙之光波導元件。

光波導元件1，係具有鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰、釔．鋁．石榴石、釩酸釔以及釩酸釓、鎢酸鉀釓以及鎢酸鉀釔所形成之群所選出之光學材料所形成之薄層3，以及載荷在薄層3上之脊部5。脊部5，係由五氧化二鉭所形成，在對於光之傳播方向為垂直的橫切面切開時呈梯形，脊部在膠帶剝離試驗不會剝離。

Description

光波導元件

本發明係關於光波導元件。

如鈮酸鋰或鉭酸鋰單結晶般之非線性光學結晶之二次非線性光學常數高，藉由在這些結晶上形成周期性極化反轉構造，可實現准位相匹配(Quasi-Phase-Matched：QPM)方式之二次諧波產生(Second-Harmonic-Generation：SHG)元件。又，藉由在此周期性極化反轉構造內形成波導，可實現高效率的SHG元件，在光通信用、醫學用、光化學用、各種光計測用等之廣泛應用為可能。

通常，在SHG元件，從外部之激發光之所謂基本波光源是必要的，例如，綠色的SHG雷射的情況，有使用在800nm頻寬之半導體雷射組合例如釩酸釔(YVO₄)之雷射結晶，而發振1064nm波長的光之固體雷射做為基本波光源的情況。做為雷射用結晶材料，除了YVO₄以外，可舉例如釔．鋁．石榴石(YAG)、釩酸釓(GdVO₄)、鎢酸鉀釓(KGW)、鎢酸鉀釔(KYW)等。

為了使SHG雷射高效率化，不僅SHG元件，使SHG結晶波導化也是有用的。

然而，SHG用的結晶或雷射結晶為難加工性材料，難以藉由加工形成光傳播損失小之光波導。例如以機械加工法，材料容易破裂，而成為傳導損失的原因。又，以雷射剝蝕法在生產性的提升也有極限，又，若提升加工速度，則光波導之角落產生破損，在側壁及加工底面發生粗糙等，其結果，會使波導之傳播特性低下。

更且，在波長變換元件或光變調元件，設計上，有需要使光波導之行進方向轉彎、彎曲、分歧。然而，在機械加工或雷射剝蝕，難以使加工用的架台對於行進方向橫向移動。又，即使可以使加工用的架台一邊橫向移動一邊行進，不同於一邊直進的加工，脊部溝的橫剖面形狀會扭曲，因此傳播損失變大。

另一方面，根據專利文獻1，開示了在鈮酸鉀所形成之薄層上藉由剝離法載荷條狀的介電體，而形成載荷型之頻道光波導。若為如此之載荷型光波導，則可使光波導之進行方向彎曲、分歧。

【先前技術文獻】

【專利文獻】

專利文獻1：日本專利特開2003-131182號公報

本發明者，檢討專利文獻1記載之載荷型光波導之結果，發現還存在以下問題點。亦即，本發明者，試著藉由在例如鉭酸鋰之薄層上載荷五氧化二鉭之脊部而形成載荷型之頻道光波導。然而，載荷之脊部容易從薄層剝離，良率低下。

本發明者，檢討如此之傳播損失擴大的原因，發現載荷之脊部與薄層之密著性差。這被認為是由於剝離所形成之脊部係由蒸鍍膜所形成，因此與薄層表面之密著性變差。此理由被認為是由於脊部相對地較厚，蒸鍍耗時，因此對於光阻圖樣蒸鍍時基板表面成為150℃程度的高溫，光阻成分揮發，不純物進入脊部與基板之界面或脊部的內部。

更且，在專利文獻1所記載之載荷之脊部，從橫切面來看為長方形。這是由於光阻圖樣無法形成梯形形狀。然後，若實際形成脊部，脊部的上部角落容易突出，又，脊部的側壁面有粗糙的傾向。此理由被認為是由於如上述，由於熱而造成光阻形狀變形，而長方形之上部角落突出或脊部側壁面之粗糙發生。

本發明之課題，為提供：在脊型光波導之較容易設計的特定之載荷型光波導元件中，可比較自由地設計光波導之形狀，且光傳播損失低之光波導元件。

與本發明有關之光波導元件，其特徵在於：係具有鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰、釔．鋁．石榴石、釩酸釔、釩酸釓、鎢酸鉀釓以及鎢酸鉀釔所形成之群所選出之光學材料所形成之薄層，以及載荷在此薄層上之脊部，係由五氧化二鉭所形成，在對於光之傳播方向為垂直的橫切面切開時呈梯形之藉由溼式蝕刻所形成之脊部，前述脊部在膠帶剝離試驗不會從前述薄層剝離。

根據本發明，脊部的形狀，可藉由變更圖樣用遮罩之形狀而可相對較自由地設計。其結果，可形成彎曲或分歧之載荷型光波導。

然後，載荷在薄層上之脊部的橫切面形狀為梯形，不僅為對於基底之薄層之密著性高之形狀，且從脊部的傾斜面不易變粗，也不容易產生破損來看，可將傳播損失抑制得較低。由於脊部不會從薄層剝離，因此可更進一步抑制在脊部的傳播損失。

1、1A、1B‧‧‧光波導元件

2‧‧‧基板

2a‧‧‧基板表面

3‧‧‧薄層

3a‧‧‧薄層表面

5‧‧‧脊部

5a‧‧‧脊部之平坦的上面

5b‧‧‧脊部之底面

5c‧‧‧脊部之傾斜面

6‧‧‧脊部溝

8‧‧‧被覆部

9‧‧‧段差部

W‧‧‧脊部上面之寬度

θ‧‧‧上升角度

第1圖係與本發明之實施形態有關之光波導元件1之橫切面圖。

第2圖係與其他實施形態有關之光波導元件1A之橫切面圖。

第3圖係更與其他實施形態有關之光波導元件1B之橫切面圖。

第4圖(a)係光波導元件1之側面圖，(b)為光波導元件1之沿著脊部切開時之縱剖面圖，(c)為將光波導元件1A、1B沿著脊部切開之縱剖面圖。

第5圖係表示光波導元件1之光波導之圖樣例之平面圖。

第6圖係表示光波導元件1A之光波導之圖樣例之平面圖。

第7圖係表示光波導元件1B之光波導之圖樣例之平面圖。

第8圖係表示在實施例所製作之光波導之照片。

第9圖係解說第8圖之光波導之立體圖。

第10圖係表示以剝離法所形成之光波導之照片。

第11圖係表示以雷射剝蝕法形成在鈮酸鋰薄層之脊型光波導之照片。

本發明之光波導元件所採用之波導構造，係被稱為載荷型之光波導構造。本發明之光波導，係在構成基底之特定的光學材料所形成之薄層上，載荷具有接近於這些光學材料之折射率之五氧化二鉭所形成之脊部之物。藉由此載荷之脊部，可提高在其正下方之光的封入性，而使光之波導變得容易。

以下，一邊參照圖式而更加以說明。

在第1圖、第4圖(a)、(b)、第5圖所示之光波導元件1中，在支持基板2之表面2a上形成了薄層3，在薄層3上，形成了由五氧化二鉭所形成之脊部5。在此，第1圖係在對於光之傳播方向為垂直方向切開元件時之橫切面，第2圖、第3圖也相同。

在脊部5，形成著平坦的上面5a及一對的傾斜面5c。在本例，脊部5之兩側，分別形成著由五氧化二鉭所形成之被覆部8，各被覆部之外側分別形成了段差部9。被覆部8之上係脊部溝6。在本例，脊部5、被覆部8以及段差部9形成了一體的膜。然後，脊部溝6係藉由溼式蝕刻所形成，被覆部8係由於濕式蝕刻時之蝕刻殘留所形成。又，被覆部8也可以沒有，但若有被覆部8則剝離強度變高，因此較佳。

若從上面看此光波導元件1，係如第5圖。亦即，脊部5之兩側形成了脊部溝6，各脊部溝6的兩側形成著段差部9。脊部溝及脊部由於係藉由溼式蝕刻所形成。因此如第5圖所示，使其彎曲或分歧是很容易的。

在第2圖、第4圖(c)、第6圖所示之光波導元件1A，係在支持基板2之表面2a上形成薄層3，在薄層3上形成著由五氧化二鉭所形成之脊部5。

在脊部5，形成了平坦的上面5a以及一對的傾斜面5c。在本例，在脊部5之兩側，分別形成著脊部溝6，而沒有形成由五氧化二鉭所形成之被覆部。因此，薄層3之上面3a露出於脊部溝6。各脊部溝6之外側分別形成著段差部9。在本例，脊部5與段差部9沒有形成一體的膜，而係被脊部溝6分離。然後，脊部溝6係藉由溼式蝕刻所形成，由於在脊部溝沒有蝕刻殘留，因此被覆部沒有殘留。

若從上面看此光波導元件1A，係如第6圖所示。亦即，脊部5之兩側形成了脊部溝6，各脊部溝6之兩側形成了段差部9。薄層3之上面3a露出於脊部溝。

在第3圖、第4圖(c)、第7圖所示之光波導元件1B，係在支持基板2之表面2a上形成薄層3，在薄層3上形成著由五氧化二鉭所形成之脊部5。

在脊部5，形成了平坦的上面5a以及一對的傾斜面5c。在本例，脊部5之兩側沒有五氧化二鉭膜，五氧化二鉭膜係由於濕式蝕刻而被除去。因此，薄層3之上面3a露出於脊部5之兩側。

若從上面看此光波導元件1B，係如第7圖。亦即，薄層3之上面3a露出於脊部5之兩側。

在本發明中，脊部在膠帶剝離試驗中不會從薄層剝離。這意味著不會確認到在實施例所記載之由於膠帶剝離試驗之剝離。

以下，更對於本發明之各構成要素敘述。

薄層3，係由從鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰、釔．鋁．石榴石、釩酸釔、釩酸釓、鎢酸鉀釓以及鎢酸鉀釔所形成之群所選出之光學材料所形成。

由鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰所形成之薄層，特別適合於波長變換元件。特別是鉭酸鋰由於透明性高，雷射吸收性低，因此實施雷射加工本身也有困難，因此在本發明特別有用。

又，做為薄層之材質，若使用釔．鋁．石榴石、釩酸釔、釩酸釓、鎢酸鉀釓、鎢酸鉀釔，則可製作在1060nm頻寬發振之雷射零件。

薄層的厚度T，從藉由將光封住而提高光變換效率之觀點來看，以在10μm以下為佳，而在5μm以下更佳。又，薄層的厚度，從提高與其他的光學零件之光結合性的觀點來看，以在1μm以上為佳，在2μm以上更佳。

對於主要使用於波長變換元件之鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰，為了使光波導之耐光損傷性更提升，可使其含有從鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈧(Sc)以及銦(In)所形成之群選出1種以上之金屬元素，特別以鎂為佳。在薄層中，可含有稀土類元素做為摻雜成分。此稀土類元素，係做為雷射發振用的添加元素而作用。做為此稀土類元素，特別以Nd、Er、Tm、Ho、 Dy、Pr為佳。

又，對於主要使用於固體雷射用之釔．鋁．石榴石、釩酸釔、釩酸釓、鎢酸鉀釓、鎢酸鉀釔等，通常添加釹(Nd)或鐿(Yb)、鉀(Er)等之稀土類，或是鉻(Cr)或鈦(Ti)等之金屬等，根據所希望之雷射波長，選擇這些添加材料。

載荷於薄層上之脊部係由五氧化二鉭所形成。此五氧化二鉭中，可含有為了得到特定物性之添加物，或不可避免之不純物。做為添加物，例如可為提高折射率之TiO₂。

將元件在對於光之傳播方向垂直之橫切面切開時，脊部呈梯形。這不需要是幾何學定義上之嚴密的梯形，可容許製造上的誤差。又，幾何學上，脊部5的上面5a與薄層3之上面3a為平行，但由於製造上的理由，脊部5的上面5a對於薄層3之上面3a傾斜是被容許的。

構成本發明之元件的脊部，例如第8圖所示，橫切面為梯形，對著光之傳播方向細長地延伸。第8圖之解說圖示於第9圖。

在較佳的實施形態中，脊部5係藉由溼式蝕刻所形成。在此情況，藉由溼式蝕刻形成第1圖所示之脊部溝6以及被覆部8，第2圖所示之脊部溝6為佳。根據溼式蝕刻之時間，可控制在脊部溝之蝕刻殘留，而可選擇有無被覆部。

溼式蝕刻所使用之蝕刻液，只要可蝕刻五氧化二鉭即可，並沒有特別限定，以KoH、NaOH等之氫氧化鹼或氟酸為佳。

溼式蝕刻時之溫度，從生產性的觀點來看以在25 ℃以上為佳，又，從抑制表面粗糙的觀點來看，以在50℃以下為佳。

進行溼式蝕刻時，以利用遮罩圖樣之光微影法來進行為佳。使用鉬、鉻、鎳、金、鉑之單層膜及多層膜做為如此之遮罩圖樣之材質為佳。若利用如此之遮罩圖樣，可製作如第6圖、第7圖所示之彎曲的波導或分歧波導，而且此時，脊部溝之橫切面形狀不會變形。

又，脊部也可藉由乾式蝕刻形成。

乾式蝕刻之情況，同於溼式蝕刻，形成遮罩圖樣。做為遮罩圖樣之材質，以鈦．鎳特別為佳。使用鈦做為遮罩材料之情況，可在光阻圖樣形成後，藉由氟化物系之蝕刻氣體來進行圖樣形成。形成如此之遮罩圖樣後，藉由氯系或氟化物系或是氯系．氟化物系之混合氣體等在真空氣氛進行蝕刻。

在較佳的實施形態，在對於光之傳播方向垂直之橫切面切開時，脊部5之傾斜面5c之上升角度θ(參照第1圖、第2圖、第3圖)為45°以上，80°以下。此上升角度θ，係傾斜面5c與薄層3之上面3a所形成之角度。藉由使此上升角度θ在80°以下，可抑制傾斜面的粗糙，且可提升脊部之對於薄層之密著性。由此觀點來看，上升角度θ，以在70°以下更佳。又，藉由使此上升角度θ在45°以上，更可抑制光之傳播損失。從此觀點來看，上升角度θ在50°以上更佳。

脊部的上面5a之寬度W，從傳播光封入性高，且與其他之光零件之光結合性高之觀點來看，以3~8μm為佳。

又，脊部溝6的深度D，從傳播光封入性高，且與其他之光零件之光結合性高之觀點來看，以1~3μm為佳。

但是，脊部之上面5a之寬度W以及脊部溝6之深度D，其適當範圍會由於波長而變化，並不限於此。

在較佳的實施形態中，具有設置於與薄層之脊部相反側之支持基板。藉由此，薄層以及脊部之操作性變佳。

做為支持基板之具體材質並沒有特別限定，可舉例鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰、釔．鋁．石榴石、釩酸釔以及釩酸釓、鎢酸鉀釓以及鎢酸鉀釔、石英玻璃等之玻璃或水晶、Si等。

薄層3，對於支持基板2，可透過接著層接著，也可直接接合。接著劑之材質，可為無機接著劑，也可為有機接著劑，也可為無機接著劑與有機接著劑之組合。又，也可在薄層的上面、底面分別設置包層。

在較佳的實施形態中，在對於光之傳播方向垂直之橫切面切開時，薄層露出於脊部的兩側。例如，第2圖、第3圖係關於此實施形態。在此實施形態中，對於脊部之橫方向之封入更進一步地變強。

又，在較佳之實施形態，在對於光之傳播方向垂直之橫切面切開時，脊部的兩側形成了由五氧化二鉭形成之被覆層。第1圖係關於此實施形態。

如此，藉由在脊部的兩側設置由五氧化二鉭所形成之被覆層。五氧化二鉭之蝕刻溶劑，不會與薄層基材直接接觸，因此更低損傷地形成元件是可能的。又，五氧化二鉭之被覆層係做為保護膜而作用，因此可使元件之信賴性提升。

在較佳的實施形態，在薄層中形成了周期性極化反轉構造。藉由此，可變換本元件所傳播之光的波長。

波長變換元件，較佳的情況為二次諧波、三次諧波、四次諧波等之諧波發振元件，本發明在原理上可適用於這些，但並非限定於此，也可適用於差頻產生、和頻產生用之波長變換元件。

在較佳之實施形態，在薄層部或是五氧化二鉭上，形成了周期性之光柵構造。周期性光柵構造，對於特定的波長，可實現具有較任意之反射率之反射器，藉由使其具有如此之光柵構造，可使雷射之波長安定化成特定波長。

在較佳之實施形態，在五氧化二鉭之表面上形成了二氧化矽(SiO₂)膜。

【實施例】

(實施例1)

製作如第1圖、第4圖(a)以及第5圖所記載之元件1。

具體而言，製作：MgO摻雜鈮酸鋰所形成之薄層3(厚度2.0μm)/SiO₂所形成之包層/接著層/無摻雜之鈮酸鋰之Y板所形成之厚5mm之支持基板2之層積體。在此薄層3上，以濺鍍成膜厚1.5μm之Ta₂O₅膜。

接著，在薄層3之上面3a，以及支持基板2之底面上分別成膜厚度100nm之鉬膜。接著，在薄層及鉬膜上藉由微影法(光阻塗佈．顯影)形成光阻圖樣。又，在支持基板2之底面全面塗佈了光阻。接著，將鉬膜溼式蝕刻而除去光阻，形成由鉬膜所形成之圖樣

接著，將層積體浸漬於調溫至25℃之50%HF240秒，以鉬膜為遮罩溼式蝕刻。藉由此蝕刻，形成了高1.4μm之段差。可得到0.35μm/分之蝕刻速率。接著。以溼式蝕刻除去殘留的鉬膜。

以3次元顯微鏡觀察所得到之元件表面，係如第8圖所示之觀察圖。在載荷之脊部的上面、側面、被蝕刻之五氧化二鉭之底面，可得到平滑之面。波導之上升部的角度θ為70°。關於此角度，藉由變更蝕刻時之溫度或蝕刻液的濃度，45~80°為止是控制可能的。

在此薄層內，若對於波長980nm形成位相整合之周期性極化反轉構造，可得到二次諧波產生元件。若使脊部的寬度W為5μm時，對於980nm的波長，為0.4dB/cm之傳播損失。

更如以下進行膠帶試驗。

依照JIS H8504試驗，將JIS Z1522規格之膠帶(寬度15mm，附著力寬度每8mm為8N)，如包覆脊部加工部般，以30mm之長度貼附於元件。此時，使氣泡不要進入而壓住膠帶10秒以上。接著，以3秒鐘將膠帶往垂直方向剝離。以目視觀察對於膠帶之膜附著及脊部，確認有無對於膠帶之膜之附著與有無從脊部元件之剝離。

此結果，對於膠帶之膜之附著與從脊部元件之剝離皆沒有確認到剝離。

(比較例1)

為以剝離法製做五氧化二鉭所形成之載荷部(脊部)之例。

接著，進行丙酮10分．純水10分，超音波．純水流，使五氧化二鉭中之載荷部(脊部)以外部分與光阻膜一起剝離。此結果，從脊部之薄層之剝落發生了約30%。更且，接著進行膠帶剝離試驗的結果，關於殘留之脊部中約20%發生剝離。

此理由，被認為是因為以剝離法所形成之載荷之脊部，由於是蒸鍍膜，因此與薄層表面之密著性差。不僅如此，由於是載荷，因此需要形成相對較厚之蒸鍍膜，因此對於光阻圖樣之蒸鍍時基板表面為150℃程度的高溫，光阻成分揮發，不純物進入基板界面．膜中。

不僅如此，載荷之脊部的橫切面形狀為長方形，上部角落突出，脊部側面有變成粗糙形狀之傾向。第10圖所示照片之箭號，係表示載荷之脊部。此理由被認為是由於光阻圖樣無法形成梯形形狀。又，被認為是由於熱造成光阻形狀變形，長方形的上部角落突出，脊部側面之粗糙發生之故。

本發明者們，也檢討了以苯等做成懸垂狀(上部0.1μm程度之開口部變小之形狀)，但在蒸鍍時，Ta205原料會垂直飛至沒有光阻之波導部分，因此所形成之載荷部(脊部)之橫切面無法形成梯形形狀。

(比較例2)

製作：MgO摻雜鈮酸鋰所形成之薄膜3(厚度3.5μm)/SiO₂所形成之包層/接著層/無摻雜之鈮酸鋰之Y板所形成之厚5mm之支持基板2之層積體。藉由在此薄層3形成一對的脊部溝，在薄層內形成脊形光波導。脊部溝之加工系使用準分子雷射。

藉由準分子雷射所形成之波導，在脊部之側壁部發生破裂，或是在側壁以及加工底面粗糙，因此會使波導之傳播性能低下。第11圖係表示產生於脊部之側壁部之破裂。又，加工所使用之架台，由於多為直線行進稼動，因此限定於直線狀之加工，分歧波導或彎曲波導之形成變得困難，可適用的元件被限制。

(實施例2)

同於實施例1製作元件。但是，使薄層3之材質為MgO摻雜鉭酸鋰單結晶。此結果，得到同於實施例1之結果。又，膠帶試驗的結果，對於膠帶之膜的附著之有無以及從脊部元件之剝離皆沒有被確認到。

(實施例3)

同於實施例1製作元件。但是，使薄層3之材料為釩酸釔結晶。為確認光波導之性能，同於實施例1，測定在980nm之波長之傳播損失的結果，可得到0.5dB/cm。又，膠帶試驗的結果，對於膠帶之膜的附著之有無以及從脊部元件之剝離皆沒有被確認到。

1‧‧‧光波導元件