WO2019102685A1 - 光導波路構造、蛍光体素子および光導波路構造の製造方法 - Google Patents

光導波路構造、蛍光体素子および光導波路構造の製造方法 Download PDF

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近藤　順悟
山口　省一郎
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Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide structure, a phosphor element, and a method of manufacturing the optical waveguide structure.
  • a white light source in which a blue laser or an ultraviolet laser and a phosphor are combined.
  • the light density of the excitation light can be increased, and by overlapping and condensing a plurality of laser lights on the phosphor, the light intensity of the excitation light can also be increased.
  • a white light source in which a semiconductor laser and a phosphor are combined is attracting attention as a light source to replace LEDs.
  • phosphor glass used for headlights for automobiles includes phosphor glass "Lumifas" of Nippon Electric Glass Co., Ltd., National Research and Development Corporation, Substances and Materials Research Organization and Tamura Corporation, YAG single crystal fluorescence of light wave, Inc. The body is considered.
  • a non-reflection film for excitation light and a total reflection film for fluorescence are formed on the incident surface of a flat plate type optical waveguide.
  • the fluorescence returned to the incident surface side oscillated in the optical waveguide can be reflected by the total reflection film on the incident surface and emitted from the emission surface side.
  • a reflection film is formed on the side surface of the flat-plate-type transmissive fluorescent material to prevent emission of fluorescence from the side surface of the flat-type fluorescent material.
  • the inventor shaped the ridge type optical waveguide by a phosphor and manufactured an element for emitting the phosphor.
  • the fluorescence leaked from the side surface of the ridge type optical waveguide and the fluorescence directed to the desired direction was not sufficiently obtained. That is, when the excitation light impinges on the phosphor particles in the optical waveguide and the fluorescence is emitted, the fluorescence is emitted from the phosphor particles in all directions. As a result, much of the fluorescence propagates toward the side surface or incident surface of the optical waveguide, so that a sufficient fluorescence output in the desired direction can not be obtained.
  • the present inventor examined providing a reflective film so as to cover the side surface of the optical waveguide.
  • the reflective film is partially peeled off or disappears, and the fluorescence leaks from the part where the reflective film peeled off or disappeared.
  • An object of the present invention is to suppress local peeling or disappearance of a reflective film in an optical waveguide structure in which a reflective film is provided on the optical waveguide, and to prevent leakage of propagating light to the outside of the optical waveguide due to this. .
  • the optical waveguide structure according to the present invention is Optical waveguide, A reflective film provided on the optical waveguide and reflecting light propagating in the optical waveguide; A metal film provided on the reflective film, and a surface oxide film provided on the metal film by surface oxidation of the metal film are provided.
  • the present invention relates to a fluorescence generating element comprising the above-mentioned optical waveguide structure, wherein the above-mentioned optical waveguide is made of a fluorescent material which propagates excitation light to generate fluorescence.
  • the present invention is Optical waveguide, A reflective film provided on the optical waveguide and reflecting light propagating in the optical waveguide, and a component comprising a metal film provided on the reflective film are obtained, and the metal film of the component is surface-oxidized
  • the present invention relates to a method for producing an optical waveguide structure, characterized in that a surface oxide film is formed on the surface of the metal film by performing treatment.
  • the inventor examined the cause of the local disappearance of the reflective film provided on the optical waveguide, and reached the following findings. That is, in order to manufacture a chip of the optical waveguide device provided with the optical waveguide, it is necessary to use super pure water in the dicing process and the cleaning process to maintain the superclean state. However, the reflective film on the optical waveguide is corroded when it is in contact with ultrapure water, partially disappears, and there is a problem that it does not function as a reflective film.
  • the present inventor studied to avoid the disappearance due to corrosion by oxidizing the reflective film on the optical waveguide, but in this case, the reflectance of light propagating through the optical waveguide is lowered.
  • an attempt was made to prevent the corrosion of the reflective film by providing an oxide film made of alumina or silica as a protective film on the reflective film.
  • the cleaning process was effective in preventing corrosion of the reflective film, but in the process of polishing the end face of the element, peeling of the reflective film occurs near the end face due to the load of the processing blade. It turned out not to work as.
  • the inventor has formed a metal film as a protective film on the reflective film.
  • a metal film as a protective film on the reflective film.
  • peeling like a protective film made of oxide did not occur, it was found that the metal film partially disappeared due to corrosion.
  • the present inventor forms a metal film on the reflective film, and then oxidizes the surface of the metal film by an oxidation method such as plasma ashing, and a surface oxide film made of an oxide of this metal. Tried to form.
  • an oxidation method such as plasma ashing
  • a surface oxide film made of an oxide of this metal Tried to form.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a state in which a cladding layer 4 and a reflective film 5 are formed on the surface of the optical waveguide 2; It is sectional drawing which shows the state which provided surface oxide film by surface oxidation of a metal film. It is a perspective view which shows the state which provided surface oxide film by surface oxidation of a metal film. It is a photograph which shows upper surface vicinity of an optical waveguide in the optical waveguide structure of a comparative example.
  • 1 to 4 relate to an optical waveguide device according to an embodiment of the present invention.
  • the main surface 1 d of the support substrate 1 is provided with one or more protrusions 1 a.
  • a ridge type optical waveguide 2 is formed on the upper surface 1b of the protrusion 1a.
  • the ridge type optical waveguide 2 is joined and fixed to the protrusion 1 a.
  • a groove may be formed between a plurality of adjacent protrusions.
  • the ridge type optical waveguide 2 and the support substrate 1 are entirely covered with the cladding layer 4 and the reflective film 5. That is, the reflective film 3 is formed on the upper surface 1b of the protrusion 1a.
  • the cladding layer 4 covers the main surface covering portion 4 d covering the main surface 1 d of the support substrate 1, the side surface covering portion 4 c covering the side surface 1 c of the protrusion 1 a and the side surface 2 c of the optical waveguide 2, and the upper surface 2 a of the optical waveguide 2. It has the upper surface covering part 4a to coat.
  • the reflective film 5 also has a main surface covering portion 5d, a side surface covering portion 5c and a top surface covering portion 5a.
  • the cladding layer 4 has a bottom surface covering portion 4 b between the reflective film 3 and the bottom surface 2 b of the optical waveguide 2.
  • the metal film 6 is formed on the reflective film, and the component 11 is obtained.
  • the metal film 6 has a main surface covering portion 6 d, a side surface covering portion 6 c and a top surface covering portion 6 a.
  • the surface of the metal film 6 is oxidized to form a surface oxide film 8 made of an oxide of the metal constituting the metal film 6.
  • the intermediate metal film 7 remains between the surface oxide film 8 and the reflective film 5.
  • the intermediate metal film 7 has the main surface covering portion 7d, the side surface covering portion 7c and the top surface covering portion 7a, and the surface oxide film 8 has the main surface covering portion 8d, side cover 8c and top cover 8a.
  • the cladding layer 4, the reflective film 5, the intermediate metal film 7, and the surface oxide film 8 cover the main surface 1 d of the support substrate 1, but the main surface 1 d of the support substrate 1 Since light does not propagate, the cladding layer 4 on the main surface 1 d, the reflective film 5, the intermediate metal film 7, and the surface oxide film 8 may be omitted.
  • the function of the surface oxide film 8 can prevent the reflective film and the metal film thereon from being lost by corrosion.
  • the peeling of the metal film and the reflective film can be suppressed also at the time of the end face polishing process of the optical waveguide, and the leak of the propagation light of the optical waveguide can be prevented by this.
  • the specific material of the support substrate is not particularly limited, and may be glass such as lithium niobate, lithium tantalate, quartz glass, or quartz.
  • a supporting substrate with good heat dissipation characteristics.
  • alumina, aluminum nitride, silicon carbide, Si, silicon nitride, tungsten, copper tungsten, magnesium oxide and the like can be exemplified.
  • a peeling prevention layer preferably an oxide film
  • an oxide film may be formed between the support substrate and the cladding layer, and the reflective film.
  • the material of such an oxide film is not particularly limited, aluminum oxide, tantalum oxide and titanium oxide are preferable.
  • the thermal conductivity is preferably larger than that of the phosphor, and from such a viewpoint, aluminum oxide is most preferable.
  • the material of the cladding layer may be a material having a smaller refractive index than the material of the optical waveguide, and the cladding layer may also serve as the adhesive layer.
  • the material of such a cladding layer is preferably SiO 2 , Al 2 O 3 , MgF 2 , CaF 2 , MgO or the like. In order to dissipate the heat generated in the phosphor substrate through the support substrate, it is better to increase the thermal conductivity than the phosphor, and Al 2 O 3 and MgO are particularly preferable as such materials.
  • the material of the reflective film may be a metal film of gold, aluminum, copper, silver or the like, an alloy film containing these metal components, or a dielectric multilayer film.
  • the reflective film is made of one or more metals selected from the group consisting of silver, gold, platinum, aluminum and alloys thereof.
  • a metal layer of Cr, Ni, Ti or the like can be formed as a buffer layer of the metal film in order to prevent the cladding layer from peeling off.
  • a bonding layer can be provided between the cladding layer and the reflective film.
  • the material of the bonding layer is not particularly limited, but aluminum oxide, tantalum oxide and titanium oxide are preferable. However, the thermal conductivity is preferably larger than that of the phosphor, and from such a viewpoint, aluminum oxide is most preferable.
  • Such a bonding layer may be between the reflective film and the support substrate.
  • a bottom side cladding layer, a bottom side reflection film, and a bonding layer are formed on the optical waveguide side, a bonding layer is formed on the supporting substrate side, and the both can be directly bonded.
  • a peeling prevention layer may be present between the reflective film and the bonding layer, and between the support substrate and the bonding layer.
  • the metal film formed on the reflective film is preferably made of one or more metals selected from the group consisting of titanium, chromium, tantalum, nickel and their alloys.
  • the cladding layer, the reflective film, and the metal film may be formed by sputtering, vapor deposition, plating, or CVD, but is not limited thereto.
  • the metal film is subjected to surface oxidation treatment to form a surface oxide film and to leave an intermediate metal film between the surface oxide film and the reflective film.
  • the thickness of the intermediate metal film is preferably 1 ⁇ m or more from the viewpoint of preventing corrosion of the reflective film, and is preferably 5 ⁇ m or less from the viewpoints of cost and film formation time, and more preferably 3 ⁇ m or less.
  • plasma ashing and high temperature annealing can be exemplified, but plasma ashing is particularly preferable.
  • oxygen is introduced into a vacuum, and then oxygen is converted into plasma by a high frequency power source to cause an object to react with oxygen radicals.
  • Plasma ashing is generally used in photoresist stripping processes and the like.
  • the power applied during plasma ashing is preferably 200 to 400 W, and the oxygen gas pressure is preferably 100 to 200 Pa.
  • the time for plasma ashing is preferably 30 to 90 minutes.
  • the material constituting the surface oxide film is an oxide of the metal constituting the underlying intermediate metal film, and is a composite oxide when the material constituting the intermediate metal film is an alloy.
  • the thickness of the surface oxide film is preferably 7 nm or more, and more preferably 8 nm or more, from the viewpoint of protecting the underlying intermediate layer and the reflective film from corrosion. In addition, the thickness of the surface oxide film is often 10 nm or less in practice.
  • the optical waveguide device of the present invention can be used as a passive optical component.
  • the optical waveguide device of the present invention can also be used as a wavelength conversion device or a waveguide type phosphor generation device.
  • the optical waveguide device of the present invention may be a non-grating type device that does not include a grating (diffraction grating) in the optical waveguide, or may be a grating device.
  • the material constituting the optical waveguide may be a chemically stable material having a high refractive index, but lithium niobate, lithium tantalate, lithium niobate-lithium tantalate solid solution, tantalum pentoxide, silicon nitride, etc. it can.
  • the optical waveguide may be made of a phosphor.
  • the phosphor may be phosphor glass, single crystal or polycrystal.
  • rare earth element ions are dispersed in a base glass.
  • oxide glass including silica, boron oxide, calcium oxide, lanthanum oxide, barium oxide, zinc oxide, phosphorus oxide, aluminum fluoride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, barium chloride
  • YAG yttrium aluminum garnet
  • the rare earth element ions dispersed in the glass are preferably Tb, Eu, Ce, Nd, but may be La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, Lu.
  • Y 3 Al 5 O 12 as the phosphor monocrystal, Ba 5 Si 11 A l7 N 25, Tb 3 Al 5 O 12 is preferred.
  • rare earth element ions such as Tb, Eu, Ce, Nd and the like are used.
  • the phosphor is preferably a single crystal from the viewpoint of suppressing the thermal deterioration, but even if it is a polycrystal, if it is a dense body, the thermal resistance at the grain boundary can be lowered, and the translucency can be increased. Can function as an optical waveguide.
  • a semiconductor laser made of a GaN material having high reliability for excitation of a phosphor for illumination is preferable.
  • a light source such as a laser array arranged in a one-dimensional shape can be realized. It may be a super luminescent diode or a semiconductor optical amplifier (SOA).
  • the method of generating white light from the semiconductor laser and the phosphor is not particularly limited, but the following methods can be considered.
  • Method of generating yellow fluorescence by blue laser and phosphor to obtain white light Method of generating red and green fluorescence by blue laser and phosphor to obtain white light
  • red, blue by phosphor from blue laser or ultraviolet laser Method of generating green fluorescence and obtaining white light
  • An optical waveguide device having a form as shown in FIGS. 3 and 4 was produced. Specifically, on a supporting substrate 1 made of aluminum nitride with a thickness of 1 mm and a 4-inch wafer, an optical waveguide is formed by sputtering via a reflective film 3 made of an Ag-based alloy and a cladding layer 4b made of Al 2 O 3. 2 was provided. The material of the optical waveguide 2 is YAG. Then, on the surfaces of the optical waveguide 2 and the support substrate 1, a cladding layer 4 made of alumina was formed 8000 angstroms, and a reflective film 5 made of Ag was formed 1,000 angstroms. Then, a metal film 6 of Ti was formed to a thickness of 2.56 ⁇ m on the reflective film 5. All these film formations were performed by sputtering.
  • the metal film was ashed with an oxygen pressure of 133 Pa and an input power of 250 W in a plasma ashing apparatus.
  • the ashing time was changed as shown in Table 1.
  • end face processing was performed with a dicing saw, and ultrasonic cleaning was performed to fabricate a ridge type waveguide structure.
  • the film thickness of the surface oxide film was measured by the X-ray reflectance method (XRR). Moreover, about the structure of each example, the presence or absence of the layer structure and the defect was observed by taking the photograph after dicing.
  • the thickness of the surface oxide film made of titanium oxide increased as the ashing time lengthened, but the film thickness became maximum at the time of the ashing treatment for 60 minutes. Also, in any of the examples, it was confirmed that the three-layer structure of surface oxide film / intermediate metal film / reflection film was used. However, in Comparative Example 1, the ashing process is not performed.

Abstract

【課題】光導波路上に反射膜を設けた光導波路構造において、反射膜の局所的な剥離や消失を抑制し、これによる伝搬光の光導波路外への漏れを防止する。 【解決手段】光導波路構造１０は、光導波路２、光導波路２上に設けられ、光導波路２内を伝搬する光を反射する反射膜５、反射膜５上に設けられた金属膜７、および金属膜７上に設けられ、金属膜７の表面酸化によって生じた表面酸化膜８を備えている。

Description

光導波路構造、蛍光体素子および光導波路構造の製造方法
　本発明は、光導波路構造、蛍光体素子および光導波路構造の製造方法に関するものである。
　最近、レーザー光源を用いた自動車用ヘッドライトの研究が盛んに行われており、その内の一つに、青色レーザーあるいは紫外レーザーと蛍光体を組み合わせた白色光源がある。レーザー光を集光することにより、励起光の光密度を高めることができる上に、複数のレーザー光を蛍光体上に重ねて集光することで、励起光の光強度も高めることができる。これによって、発光面積を変えずに光束と輝度とを同時に大きくすることができる。このため、半導体レーザーと蛍光体とを組み合わせた白色光源が、ＬＥＤに替わる光源として注目されている。例えば、自動車用ヘッドライトに使用する蛍光体ガラスは、日本電気硝子株式会社の蛍光体ガラス「ルミファス」や国立研究開発法人物質・材料研究機構と株式会社タムラ製作所、株式会社光波のＹＡＧ単結晶蛍光体が考えられている。
　特許文献１によれば、平板型の光導波路の入射面に、励起光に対する無反射膜かつ蛍光に対する全反射膜を形成する。光導波路中で発振した入射面側に戻ってきた蛍光は、入射面上の全反射膜で反射し、出射面側から出射させることができる。
　また、特許文献２によれば、平板型の透過型蛍光体の側面に反射膜を形成し、平板型蛍光体の側面からの蛍光の出射を防止している。
WO2014-203488　A1 特開２０１４－１１６０８１
　しかし、平板形状の蛍光体中に励起光を伝搬させて蛍光を発生させる素子では、蛍光および励起光の光密度に限界がある。
　このため、本発明者は、リッジ型光導波路を蛍光体によって成形し、蛍光体を発光する素子を作製してみた。しかし、現実に蛍光体素子を作製してみると、リッジ型光導波路の側面から蛍光が漏れ、所望の方向へと向かう蛍光が十分に得られないことがわかった。すなわち、光導波路内で蛍光体粒子に励起光が当たり、蛍光が発光したとき、蛍光は蛍光体粒子から全方位に向かって発光する。この結果、蛍光の多くは光導波路の側面や入射面へと向かって伝搬するので、所望方向への蛍光出力が十分に得られないことになる。
　このため、本発明者は、光導波路の側面を被覆するように反射膜を設けることを検討した。しかし、実際に蛍光体素子を作製してみると、反射膜が部分的に剥離ないし消失し、反射膜が剥離ないし消失した部分から蛍光が漏れるという問題が生ずることが判明してきた。
　本発明の課題は、光導波路上に反射膜を設けた光導波路構造において、反射膜の局所的な剥離や消失を抑制し、これによる伝搬光の光導波路外への漏れを防止することである。
　本発明に係る光導波路構造は、
　光導波路、
　前記光導波路上に設けられ、前記光導波路内を伝搬する光を反射する反射膜、
　前記反射膜上に設けられた金属膜、および
　前記金属膜上に設けられ、前記金属膜の表面酸化による表面酸化膜
を備えていることを特徴とする。
　また、本発明は、前記光導波路構造を備えており、前記光導波路が、励起光を伝搬して蛍光を発生する蛍光体からなることを特徴とする、蛍光発生素子に係るものである。
　また、本発明は、
　光導波路、
　前記光導波路上に設けられ、前記光導波路内を伝搬する光を反射する反射膜、および
　前記反射膜上に設けられた金属膜を備えている部品を得、この部品の前記金属膜を表面酸化処理することによって、前記金属膜の表面に表面酸化膜を生じさせることを特徴とする、光導波路構造の製造方法に係るものである。
　本発明者は、光導波路上に設けた反射膜が局所的に消失する原因について検討し、以下の知見に至った。
　すなわち、光導波路を設けた光導波路素子のチップを作製するには、ダイシング工程や洗浄工程において超純水を使用し、スーパークリーン状態を保持する必要がある。しかし、光導波路上の反射膜は、超純水に触れると腐蝕し、部分的に消失してしまい、反射膜として機能しなくなるという問題があった。
　そこで、本発明者は、光導波路上の反射膜を酸化させることで、腐蝕による消失を回避することを検討したが、この場合には、光導波路を伝搬する光の反射率の低下を招く。また、反射膜上に、アルミナやシリカからなる酸化物膜を保護膜として設けることで、反射膜の腐食を防止することを試みた。しかし、この場合には、洗浄工程では反射膜の腐食防止には有効であったが、素子の端面を研磨する工程において、加工用ブレードの負荷により端面近傍で反射膜の剥がれが生じ、保護膜として機能しないことがわかった。
　更に、本発明者は、この反射膜上に、金属膜を保護膜として形成してみた。この場合には、酸化物からなる保護膜のような剥離は生じなかったが、金属膜が腐蝕により部分的に消失することがわかった。
　これらの知見を踏まえ、本発明者は、この反射膜上に金属膜を成膜し、その後にプラズマアッシングなどの酸化方法によって金属膜の表面を酸化し、この金属の酸化物からなる表面酸化膜を形成することを試みた。これによって、反射膜やその上の金属膜の腐食による消失を防止できるのと同時に、光導波路の端面研磨加工時にも金属膜や反射膜の剥離を抑制でき、これによって光導波路の伝搬光の漏れを防止できることを見いだし、本発明に到達した。
（ａ）は、光導波路２の表面にクラッド層４および反射膜５を形成した状態を示す横断面図であり、（ｂ）は、反射膜５上に金属膜６を形成した状態を示す横断面図である。 光導波路２の表面にクラッド層４および反射膜５を形成した状態を示す斜視図である。 金属膜の表面酸化により表面酸化膜を設けた状態を示す断面図である。 金属膜の表面酸化により表面酸化膜を設けた状態を示す斜視図である。 比較例の光導波路構造において、光導波路の上面付近を示す写真である。 比較例の光導波路構造において、光導波路の側面付近を示す写真である。 実施例の光導波路構造において、光導波路の上面付近を示す写真である。 実施例の光導波路構造において、光導波路の側面付近を示す写真である。
　以下、図面を適宜参照しつつ、本発明を更に説明する。
　図１～図４は、本発明の一実施形態に係る光導波路素子に関するものである。
　図１（ａ）、図２に示すように、支持基板１の主面１ｄには一つまたは複数の突起１ａが設けられている。突起１ａの上面１ｂ上には、リッジ型光導波路２が形成されている。本例では、リッジ型光導波路２は、突起１ａに対して接合され、固定されている。隣り合う複数の突起の間に溝を形成してもよい。
　本例では、リッジ型光導波路２および支持基板１が全体的にクラッド層４および反射膜５によって被覆されている。すなわち、突起１ａの上面１ｂ上には反射膜３が形成されている。そして、クラッド層４は、支持基板１の主面１ｄを被覆する主面被覆部４ｄ、突起１ａの側面１ｃおよび光導波路２の側面２ｃを被覆する側面被覆部４ｃ、光導波路２の上面２ａを被覆する上面被覆部４ａを有している。更に、反射膜５も、主面被覆部５ｄ、側面被覆部５ｃおよび上面被覆部５ａを有している。本例では、クラッド層４は、反射膜３と光導波路２の底面２ｂとの間に底面被覆部４ｂを有する。
　次いで、図１（ｂ）に示すように、反射膜上に金属膜６を形成し、部品１１を得る。本例では、金属膜６は、主面被覆部６ｄ、側面被覆部６ｃおよび上面被覆部６ａを有している。
　次いで、図３、図４に示すように、金属膜６の表面を酸化し、金属膜６を構成する金属の酸化物からなる表面酸化膜８を形成する。この際、表面酸化膜８と反射膜５との間には中間金属膜７が残留する。この結果、得られた光導波路構造１０においては、中間金属膜７は、主面被覆部７ｄ、側面被覆部７ｃおよび上面被覆部７ａを有しており、表面酸化膜８は、主面被覆部８ｄ、側面被覆部８ｃおよび上面被覆部８ａを有している。なお、図３、図４では、クラッド層４、反射膜５、中間金属膜７、表面酸化膜８は支持基板１の主面１ｄ上を被覆しているが、支持基板１の主面１ｄは光が伝播しないため、主面１ｄ上のクラッド層４、反射膜５、中間金属膜７、表面酸化膜８はなくてもよい。
　このような光導波路構造によれば、表面酸化膜８の作用によって、反射膜やその上の金属膜の腐食による消失を防止できる。これと同時に、光導波路の端面研磨加工時にも金属膜や反射膜の剥離を抑制でき、これによって光導波路の伝搬光の漏れを防止できることを見いだした。
　以下、本発明の光導波路構造の構成要素について更に述べる。
　支持基板の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶であってよい。しかし、光源の熱が光導波路に伝導すること、あるいは、波長変換や外部から光導波路自体が加熱することを抑制するために、放熱特性のよい支持基板を使用することができる。この場合には、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、Ｓｉ、窒化珪素、タングステン、銅タングステン、酸化マグネシウムなどを例示することができる。
　支持基板とクラッド層、反射膜との間には、光導波路のはがれを防止するために、剥離防止層、好ましくは酸化膜を形成してもよい。このような酸化膜の材質は特に限定はされないが、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンが好ましい。しかし熱伝導率が蛍光体よりも大きい方が好ましく、このような観点から酸化アルミニウムが最も好ましい。
　クラッド層の材質は、光導波路の材質よりも屈折率の小さい材料であればよく、クラッド層が接着層を兼ねていても良い。こうしたクラッド層の材料は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＭｇＯなどがよい。また蛍光体基板で発生した熱を支持基板を通して放熱するという観点では、蛍光体よりも熱伝導率を高くする方がよく、こうした材料として、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯが特に好ましい。
　反射膜の材質としては、金、アルミニウム、銅、銀等の金属膜、またはこれらの金属成分が含まれる合金膜、あるいは、誘電体多層膜であってよい。好ましくは、反射膜が銀、金、白金、アルミニウムおよびこれらの合金からなる群より選ばれた一種以上の金属からなる。反射膜として金属膜を使用する場合には、クラッド層がはがれないようにするために、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ等の金属層を金属膜のバッファ層として形成することができる。
　クラッド層と反射膜との間に接合層を設けることができる。こうした接合層の材質は特に限定はされないが、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンが好ましい。しかし熱伝導率が蛍光体よりも大きい方が好ましく、このような観点から酸化アルミニウムが最も好ましい。
　こうした接合層は、反射膜と支持基板との間にあってもよい。この場合は、光導波路側に底面側クラッド層と底面側反射膜、接合層を形成し、支持基板側に接合層を形成し、両者を直接接合するようなプロセスで製造することができる。ここで反射膜と接合層、および支持基板と接合層の間に剥離防止層があってもよい。
　反射膜上に形成する金属膜は、チタン、クロム、タンタル、ニッケルおよびこれらの合金からなる群より選ばれた一種以上の金属からなることが好ましい。
　クラッド層、反射膜、金属膜の成膜方法は、スパッタリング法，蒸着法、メッキ法,ＣＶＤ法が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
　次いで、金属膜を表面酸化処理に供することによって、表面酸化膜を形成すると共に、表面酸化膜と反射膜との間に中間金属膜を残留させる。ここで、中間金属膜の厚さは、反射膜の腐食防止の観点からは、１μｍ以上が好ましく、また、コスト、成膜時間の観点からは、５μｍ以下が好ましく、３μｍ以下が更に好ましい。
　また、表面酸化処理としては、プラズマアッシング、高温アニールを例示できるが、プラズマアッシングが特に好ましい。プラズマアッシングとは、真空中に酸素を導入した後、高周波電源により酸素をプラズマ化し、対象物を酸素ラジカルと反応させることである。プラズマアッシングは、一般的には、フォトレジストの剥離工程等に使われる。プラズマアッシング時の投入電力は２００～４００Ｗが好ましく、酸素ガス圧は１００～２００Ｐａが好ましい。プラズマアッシングに供する時間は３０～９０分間が好ましい。
　表面酸化膜を構成する材質は、下地である中間金属膜を構成する金属の酸化物であり、中間金属膜を構成する材質が合金である場合には複合酸化物である。表面酸化膜の厚さは、下地である中間層および反射膜を腐食から保護するという観点からは、７ｎｍ以上が好ましく、８ｎｍ以上が更に好ましい。また、表面酸化膜の厚さは、実際上は１０ｎｍ以下となることが多い。
　本発明の光導波路素子は、受動型の光部品として使用できる。あるいは、本発明の光導波路素子は、波長変換素子や導波路型蛍光体発生素子としても利用できる。
　本発明の光導波路素子は、グレーティング（回折格子）を光導波路内に含んでいない無グレーティング型素子であってよく、あるいはグレーティング素子であってよい。
　光導波路を構成する材質は、高屈折率の化学的に安定な材質であれば良いが、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウム固溶体、五酸化タンタル、チッ化珪素を例示できる。
　導波路型蛍光体素子の場合には、光導波路が蛍光体からなっていてよい。蛍光体は、蛍光体ガラス、単結晶、多結晶であってよい。
蛍光体ガラスの場合は、ベースとなるガラス中に希土類元素イオンを分散したものである。
　ベースとなるガラスとしては、シリカ、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化バリウム、酸化亜鉛、酸化リン、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム、塩化バリウムを含む酸化ガラスが例示でき、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）であってもよい。
　ガラス中に分散される希土類元素イオンとしては、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄ、が好ましいが、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌｕであってもよい。
　蛍光体単結晶としてはＹ３Ａｌ５Ｏ１２、Ｂａ５Ｓｉ１１Ａｌ７Ｎ２５、Ｔｂ３Ａｌ５Ｏ１２が好ましい。また、蛍光体中にドープするドープ成分としては、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄ等の希土類元素イオンとする。熱劣化を抑制するという観点では、蛍光体は単結晶が好ましいが、多結晶であっても緻密体であれば粒界部での熱抵抗を下げることができ、かつ透光性をあげることができ、光導波路として機能することができる。
　光源としては、照明用蛍光体の励起用として高い信頼性を有するＧａＮ材料による半導体レーザーが好適である。また、一次元状に配列したレーザーアレイ等の光源も実現可能である。スーパールミネッセンスダイオードや半導体光アンプ（ＳＯＡ）であってもよい。
　半導体レーザーと蛍光体から白色光を発生する方法は、特には限定されないが、以下の方法が考えられる。
　青色レーザーと蛍光体により黄色の蛍光を発生し、白色光を得る方法
　青色レーザーと蛍光体により赤色と緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
　また青色レーザーや紫外レーザーから蛍光体により赤色、青色、緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
　青色レーザーや紫外レーザーから蛍光体により青色と黄色の蛍光を発生し白色光を得る方法
　図３、図４に示すような形態の光導波路素子を作製した。
　具体的には、厚み１ｍｍ、４インチウエハーの窒化アルミニウムからなる支持基板１上に、スパッタリングにて、Ａｇ系合金からなる反射膜３、Ａｌ２Ｏ３からなるクラッド層４ｂを介して、光導波路２を設けた。光導波路２の材質はＹＡＧとした。次いで、光導波路２および支持基板１の表面に、アルミナからなるクラッド層４を８０００オングストローム、Ａｇからなる反射膜５を１０００オングストローム成膜した。次いで、反射膜５の上に、Ｔｉからなる金属膜６を厚さ２．５６μｍ成膜した。これらの成膜はいずれもスパッタリングによって行った。
　次いで、金属膜をプラズマアッシング装置にて、酸素圧133Pa，投入電力250Wでアッシングした。ただし、アッシング時間は、表１に示すように変更した。この後、ダイシングソーにて端面出し加工し、超音波洗浄を行い、リッジ型導波路構造を作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　なお、表面酸化膜（酸化チタン膜）の膜厚をＸ線反射率法（XRR）にて測定した。また、各例の構造について、ダイシング後の写真を撮影することで、層構造と欠陥の有無を観察した。
　表１に示すように、アッシング時間が長くなるのと共に、酸化チタンからなる表面酸化膜の厚さは大きくなるが、６０分間のアッシング処理時に膜厚が最大になった。また、いずれの実施例においても，表面酸化膜／中間金属膜／反射膜の３層構造になっていることを確認した。ただし、比較例１では、アッシング処理を行っていない。
　図５に示すように、比較例１の構造では、光導波路の上面側が純水に侵され、矢印で示す領域で反射膜の消失が観測された。また、図６に示すように、比較例１の構造では、光導波路の側面側が純水に侵され、反射膜の消失が観測された。
　一方、実施例（Ｔｉ/Ａｇ系合金/Ａｌ２Ｏ３）の構造では、図７に示すように、光導波路の上面側において反射膜の腐食や消失は見られず、図８に示すように、側面側においても、反射膜の腐食や消失は見られなかった。
　他の実施例として、表面酸化膜の金属成分としてＴｉの代わりにＴａ，Ｎｉ，Ｃｒを用い、反射膜にＡｌ系合金を用い、クラッド層にＳiO2を用いた場合でも、同様の結果が得られた。
　また、実施例１、２、３、４の各光導波路構造においては、端面研磨加工後にも金属膜や反射膜の剥離は見られていない。

 

Claims (11)

  1. 　光導波路、
    　前記光導波路上に設けられ、前記光導波路内を伝搬する光を反射する反射膜、
    　前記反射膜上に設けられた金属膜、および
    　前記金属膜上に設けられ、前記金属膜の表面酸化による表面酸化膜
    を備えていることを特徴とする、光導波路構造。
  2. 　前記表面酸化がプラズマアッシングによることを特徴とする、請求項１記載の光導波路構造。
  3. 　前記光導波路と前記反射膜との間に設けられたクラッド層を備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の光導波路構造。
  4. 　前記反射膜が銀、金、白金、アルミニウムおよびこれらの合金からなる群より選ばれた一種以上の金属からなることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一つの請求項に記載の光導波路構造。
  5. 　前記金属膜が、チタン、クロム、タンタル、ニッケルおよびこれらの合金からなる群より選ばれた一種以上の金属からなることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一つの請求項に記載の光導波路構造。
  6. 　請求項１～５のいずれか一つの請求項に記載の光導波路構造を備えており、前記光導波路が、励起光を伝搬して蛍光を発生する蛍光体からなることを特徴とする、蛍光発生素子。
  7. 　光導波路、
    　前記光導波路上に設けられ、前記光導波路内を伝搬する光を反射する反射膜、および
    　前記反射膜上に設けられた金属膜を備えている部品を得、この部品の前記金属膜を表面酸化処理することによって、前記金属膜の表面に表面酸化膜を生じさせることを特徴とする、光導波路構造の製造方法。
  8. 　前記表面酸化処理がプラズマアッシングであることを特徴とする、請求項７記載の方法。
  9. 　前記光導波路構造を超純水によって処理することを特徴とする、請求項７または８記載の方法。
  10. 　前記反射膜が銀、金、白金、アルミニウムおよびこれらの合金からなる群より選ばれた一種以上の金属からなることを特徴とする、請求項７～９のいずれか一つの請求項に記載の方法。
  11. 　前記金属膜が、チタン、クロム、タンタル、ニッケルおよびこれらの合金からなる群より選ばれた一種以上の金属からなることを特徴とする、請求項７～１０のいずれか一つの請求項に記載の方法。

     
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