WO2022215274A1 - 光導波路形成方法 - Google Patents

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optical
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linear
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飛鳥 井上
啓 渡邉
裕士 藤原
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
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    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method

Definitions

  • the present disclosure is a method of forming an optical waveguide.
  • Hybrid integration technology of linear and nonlinear optical functions makes it possible to realize an optical integrated circuit that integrates optical circuits with passive functions and optical circuits with active functions on the same substrate, enabling various functions. It has become possible to create a device that expresses
  • the hybrid integration technology which has many reports and applications so far, has a problem of the limit of the integration density per element due to the two-dimensional structure of the waveguide structure on the substrate.
  • a method of integrating optical waveguides not two-dimensionally but three-dimensionally has been proposed so far in order to improve the integration density.
  • an optical circuit capable of spatial division multiplexing is three-dimensionally manufactured to improve the degree of integration.
  • a method of applying the above-mentioned three-dimensional optical waveguide integration technology to an integrated circuit with linear and nonlinear optical functions has also been proposed.
  • the integration density of optical waveguides is limited.
  • a three-dimensional optical waveguide is formed in a linear/nonlinear optical material directly bonded substrate (in this specification, an optical waveguide formed in a linear/nonlinear optical material directly bonded substrate is sometimes referred to as a "three-dimensional hybrid optical waveguide"). be).
  • the three-dimensional hybrid optical waveguide fabricated by this method induces a decrease in the refractive index of the material by irradiating it with a femtosecond laser, and surrounds the region with the decreased refractive index with the region where the refractive index is not decreased.
  • It has an optical waveguide structure formed and manufactured as follows. Furthermore, since this refractive index lowering region can be easily manufactured even if it is three-dimensionally bent and refracted, it has a feature that the degree of freedom in structural design is extremely high.
  • Writing waveguides in substrates with linear and nonlinear optical functions by femtosecond laser writing has the problem that it is difficult to write waveguides on the interface between the linear optical substrate and the nonlinear optical substrate.
  • the reason for this is that cracks occur on the substrate surface, which is the substrate interface, due to changes in stress caused by expansion and compression of the femtosecond laser irradiation part when writing a waveguide on the interface between different material substrates.
  • Another reason is that if the material has birefringence or absorbs light at the wavelength of the femtosecond laser, it is difficult to process the material at a certain depth or more. This problem needs to be solved in order to realize a multi-functional three-dimensional optical waveguide by directly joining linear optical materials and nonlinear optical materials to form multiple layers.
  • waveguide writing is performed on the linear optical substrate material at a substrate depth most suitable for processing.
  • a waveguide is drawn in a nonlinear optical substrate material, and then the substrate surface is ground and polished so that the position of the waveguide is at a desired depth such as near the substrate surface.
  • the present disclosure is a method of forming an optical waveguide in a transparent crystal substrate having linear optical properties and nonlinear optical properties, comprising irradiating a first substrate having linear optical properties with a femtosecond laser to form a first optical waveguide.
  • the first optical waveguide comprises a region with a lowered refractive index due to irradiation with a femtosecond laser, and a refractive region surrounded by a region with a lowered refractive index and not irradiated with the femtosecond laser. aligning the bonding position of the first substrate on which the first optical waveguide is formed and the second substrate having the nonlinear optical characteristic; forming a transparent crystal substrate by bonding the first substrate on which the first optical waveguide is formed and the second substrate.
  • the substrate surface is ground until the position of the waveguide reaches a desired depth. ⁇ Grind.
  • a structure that serves as a mark in the depth direction such as an alignment marker, may be created inside the substrate by laser writing.
  • the surfaces of the linear optical substrate and the nonlinear optical substrate are ground and polished, and the linear optical substrate and the linear optical substrate which are different materials are used. Direct bonding of nonlinear optical substrates.
  • the waveguide formed on the linear optical substrate and the waveguide formed on the nonlinear optical substrate are combined in order to minimize the propagation loss of the waveguide at the junction between these substrates, which are different materials. It is necessary to precisely align the positional relationship between In the method of the present disclosure, the horizontal alignment of the substrate may be performed using a structure, such as an alignment marker, that serves as a mark for horizontal alignment by laser writing inside the substrate.
  • the method for forming a three-dimensional hybrid optical waveguide of the present disclosure it is possible to form a waveguide in a processing region, especially near the substrate surface, which has been difficult to realize with conventional techniques in waveguide drawing with a femtosecond laser.
  • a mark represented by an alignment marker inside the substrate by drawing a mark represented by an alignment marker inside the substrate and adopting a grinding and polishing method using the alignment marker as an index of information regarding the horizontal direction and the depth direction during grinding and polishing, it is possible to form a waveguide in the depth direction. Improves position accuracy.
  • the techniques described above result in improved waveguide properties, such as reduced waveguide propagation loss.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a method of forming a conventional three-dimensional hybrid optical waveguide.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a method of forming a three-dimensional hybrid optical waveguide according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of alignment markers used in the method of forming a three-dimensional hybrid optical waveguide according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a direct bonding step in a method according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional structure of a three-dimensional hybrid optical waveguide formed by a method according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram explaining the optical waveguide formation step in the method according to one embodiment of the present invention.
  • 7A and 7B are diagrams for explaining the grinding and polishing steps in the method according to one embodiment of the present invention, and FIG. and (b) shows the state of the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical
  • FIG. 1 is a diagram explaining a method of forming a conventional three-dimensional hybrid optical waveguide.
  • the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 are bonded together to form a direct bonding substrate 30 in "Step 1: Direct Bonding".
  • Step 2 Optical waveguide formation
  • the femtosecond laser is directly emitted from the laser light source 40 to the substrate surface of the bonding substrate 30 (the surface facing the interface (bonding surface) between the nonlinear optical material substrate 20 and the linear optical material substrate 10).
  • An optical waveguide 50 that does not intersect the interface may be drawn in either the linear optical material substrate 10 or the nonlinear optical material substrate 20 at a position close to or spaced from the interface.
  • the femtosecond laser drawing in "2: Optical waveguide formation step" in FIG. The reason for this is that cracks occur on the substrate surface, which is the substrate interface, due to changes in stress caused by expansion and compression of the femtosecond laser irradiation part when writing a waveguide on the interface between different material substrates. Another reason is that if the material has birefringence or absorbs light at the wavelength of the femtosecond laser, it is difficult to process the material at a certain depth or more. This problem needs to be solved in order to realize a multi-functional three-dimensional optical waveguide by directly joining linear optical materials and nonlinear optical materials to form multiple layers.
  • FIG. 2 is a diagram explaining a method of forming a three-dimensional hybrid optical waveguide according to one embodiment of the present invention.
  • the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 are joined together ("Step 5: direct joining") in "Step 3: Optical waveguide formation”. 1 in that an optical waveguide 50 having a three-dimensional waveguide structure is drawn by irradiating a femtosecond laser on at least one of the nonlinear optical material substrate 20 and the substrate depth position most suitable for processing. different.
  • alignment markers 60 are formed on each of the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 in "Step 1: Alignment Marker Formation".
  • FIG. 2 shows two types of alignment markers 60H and 60D on the perimeter of the substrate. Alignment markers 60 will be described later.
  • the alignment marker 60 may be formed by irradiating a femtosecond laser when drawing the optical waveguide 50 in "Step 3: Optical waveguide formation".
  • Step 2 Aligning with the stage
  • the linear optical material substrate 10 and the three-axis stage 70 are aligned and fixed with the alignment marker 60 as a reference
  • Step 3 Forming an optical waveguide
  • an optical waveguide 50 having a three-dimensional waveguide structure is drawn by irradiating a femtosecond laser at a depth suitable for processing in the linear optical material substrate 10 .
  • the alignment marker 60 is formed in “Step 3: Optical waveguide formation”
  • Step 2 Aligning with the stage
  • the orientation flat or notch of the wafer including the linear optical material substrate 10 is used as a reference.
  • the linear optical material substrate 10 and the three-axis stage 70 may be aligned and fixed.
  • Step 4 Grinding/Polishing
  • Step 5 Direct Bonding
  • FIG. 2 shows the case where the femtosecond laser is irradiated into the linear optical material substrate 10 to draw the optical waveguide 50 three-dimensionally.
  • step 5 is performed after steps 2 , 3 and 4 are performed on the nonlinear optical material substrate 20 .
  • the optical waveguide 50 formed in the linear optical material substrate 10 and the optical waveguide 50 formed in the nonlinear optical material substrate 20 are one optical waveguide connected at the bonding surface in the state of the direct bonding substrate 30 formed in step 5.
  • the waveguide 50 may be formed, or may remain as two optical waveguides 50 spaced apart from each other.
  • step 1 of FIG. 2 positional alignment during bonding between substrates is important, so as shown in step 1 of FIG.
  • FIG. 3 shows a configuration example of alignment markers 60 formed in the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 in step 1 of FIG.
  • Horizontal and depth information indicators represented by alignment markers 60 are formed inside the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 . Details of the alignment marker 60 will be described later.
  • step 2 of FIG. 2 when the substrate is placed on the stage, the alignment markers 60 formed in step 1 are used to align the three-axis stage 70 and the linear optical material substrate 10 relative to each other. Further, in step 3 of FIG. 2, relative positioning between the alignment marker 60 and the optical waveguide 50 is performed when the optical waveguide 50 is formed using the femtosecond laser.
  • the alignment marker 60 is referenced to grind and polish the substrate so that the formed optical waveguide 50 exists at a desired depth.
  • step 5 of FIG. 2 when two or more substrates with optical waveguides 50 formed thereon are joined by a direct joining method, alignment in the horizontal direction is performed with high precision using alignment markers 60 .
  • waveguide writing becomes possible even at processing depths (especially near the interface between different materials) that were difficult with conventional techniques.
  • it becomes possible to write a waveguide near the interface it leads to an improvement in the degree of integration in writing a waveguide in a substrate made of a different material.
  • the materials of the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 used in the method of the present disclosure may be any material that is transparent in the light wavelength range of 400 nm to 2000 nm. Further, the combination of the materials of the n substrates constituting the directly bonded substrate 30 shown in FIG. A combination of two or more materials may be used depending on the number of substrates to be used.
  • the linear optical material forming the linear optical material substrate 10 is not particularly limited in terms of crystallinity, and may be, for example, a quartz substrate or an amorphous glass substrate.
  • the nonlinear optical material constituting the nonlinear optical material substrate 20 may be any material as long as it has a nonlinear optical effect, and may be a second-order nonlinear optical effect or a third-order or higher nonlinear optical effect.
  • Materials having a nonlinear optical effect are, for example, lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), beta barium borite (BBO), potassium titanyl phosphate (KTP), and the like.
  • the nonlinear optical material substrate 20 may have a periodically poled structure to enhance the nonlinear optical effect.
  • the surface or inside of the linear optical material substrate 10 or the nonlinear optical material substrate 20 is externally irradiated with a femtosecond laser that induces a decrease in refractive index, so that the optical waveguide 50 is formed.
  • a femtosecond laser that induces a decrease in refractive index
  • the optical waveguide 50 is formed.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure of a three-dimensional hybrid optical waveguide formed by the method of the present disclosure.
  • an optical waveguide 50 is formed by forming a clad 51 in a region (laser-irradiated portion) where the refractive index is lowered by irradiation with a femtosecond laser, and by forming a core 52 in a portion not irradiated with the femtosecond laser. do.
  • the interval between regions with a lowered refractive index can be selected according to the crystal structure and laser irradiation conditions, and is generally 0.5 ⁇ m to 2.0 ⁇ m, but is not limited thereto. .
  • FIG. 6 is a diagram explaining "Step 5: Optical waveguide formation” in the method shown in FIG. It shows how the clad 51 is formed by irradiating the linear optical material substrate 10 or the nonlinear optical material substrate 20 with a femtosecond laser.
  • the three-axis stage 70 By moving the three-axis stage 70 in the planar direction (XY plane direction) and the vertical direction (Z-axis direction) to move the relative position between the substrate and the laser light source 40, the focal point of the femtosecond laser can be shifted to the surface of the substrate or A femtosecond laser is applied to a desired position inside.
  • the substrate is fixed.
  • the relative positions of the substrate and the laser light source 40 (the focal point of the femtosecond laser) are moved to form an optical waveguide. Therefore, it is necessary to precisely align the linear optical material substrate 10 or the nonlinear optical material substrate 20 with the three-axis stage 70 .
  • alignment markers 60 formed in step 1 can be used to accurately align the three-axis stage 70 and the substrate.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure of a three-dimensional hybrid optical waveguide formed by the method of the present disclosure.
  • the size of the optical waveguide 50 formed by this method (for example, the core diameter) and the shape of the core of the optical waveguide 50 (for example, the cross-sectional shape of the cross section orthogonal to the light propagation direction) are selected according to the application. 5.
  • the cross-sectional shape of the core of the optical waveguide 50 may be elliptical, circular, polygonal, etc.
  • the shape of the optical waveguide 50 (for example, horizontal to the propagation direction).
  • the cross-sectional shape of the cross section may be straight, curved, etc.
  • the diameter of the core 52 is selected from the range of 5 ⁇ m to 1000 ⁇ m, although it depends on the processing accuracy and the like. can be selected from the range of preferably 1 ⁇ m to 100 ⁇ m in order to improve the degree of integration.
  • the mode shape of the light in the optical waveguide 50 is single mode, it is necessary to set the core diameter in consideration of the difference in the refractive index of the substrate material before and after the femtosecond laser irradiation. Therefore, the range of change in the refractive index of the material of the substrate caused by femtosecond laser irradiation leads to an improvement in the degree of freedom in designing the diameter of the core 52 .
  • the cross-sectional shape orthogonal to the light propagation direction in the optical waveguide 50 may be, for example, a substantially elliptical shape, a substantially polygonal shape, or any other two-dimensional shape.
  • the substantially elliptical shape may be any shape as long as it is a circular shape. For example, a perfect circle, an elliptical shape with different major and minor axes, or a structure similar to a left-right asymmetric circle such as an oval. There may be.
  • the substantially polygonal shape may be any shape as long as it is n-sided (where n is an integer of 3 or more), and may be, for example, a parallelogram, a trapezoid, a shape in which none of the sides are parallel, or a laterally asymmetrical polygonal shape. .
  • the angles of the corners of the substantially polygonal shape are not particularly limited, and the interior angles may be any angles, for example, acute angles or obtuse angles.
  • the corners may have rounded shapes in addition to angular shapes, and the plurality of corners may have different shapes.
  • the sides of the substantially polygonal shape may have unevenness represented by a wavy shape or a sawtooth shape in addition to the linear shape.
  • the cross-sectional structure in the cross section parallel to the propagation direction of light may be linear, or may be bent or refracted. For example, it may be an S-shaped curve or a clothoid curve.
  • the cross-sectional structure in the cross section parallel to the propagation direction of light may be a structure in which a straight line, a curved structure, or a refractive structure is combined.
  • the length of the optical waveguide in the light propagation direction is not particularly limited, and the length of the optical waveguide 50 may be extended as long as necessary within the integrated circuit.
  • An example of the structure of the optical waveguide 50 formed by the method of the present disclosure is a structure in which the clad 51 surrounds the core 52 as described with reference to FIG. diameter, etc.), the shape of the core (for example, the cross-sectional shape of the cross section orthogonal to the propagation direction is elliptical, circular, polygonal, etc.), the shape of the optical waveguide 50 (for example, the shape of the optical waveguide in the cross section horizontal to the propagation direction is a straight line). , or bending) is not particularly limited.
  • the structure of the optical waveguide 50 formed by the method of the present disclosure does not have to be the structure described above, and any structure in which light propagates by drawing with a femtosecond laser can be used. good too.
  • alignment marker 60 which is an example of an index of information regarding the horizontal direction and the depth direction, will be described with reference to FIG.
  • alignment markers 60 are formed in linear optical material substrate 10 and nonlinear optical material substrate 20 in step 1 of FIG.
  • alignment markers 60 include alignment markers 60H and 60D.
  • Alignment markers 60H and 60D are formed within several ⁇ m in the depth direction (Z-axis direction) corresponding to the amount of general grinding/polishing.
  • the distance between the alignment markers 60H and 60D in the depth direction can be selected according to the accuracy of grinding and polishing, and can be, for example, 0.05 ⁇ m to 0.1 ⁇ m. good too.
  • the spacing of the alignment markers 60H in the horizontal direction (X-axis direction) is sufficient as long as alignment is possible, and can be selected according to the required amount of offset.
  • the interval (distance L) in the horizontal direction of the alignment marker 60D is sufficient as long as the amount of grinding/polishing can be grasped, and can be, for example, 0.05 ⁇ m to 0.1 ⁇ m, but need not be discontinuous. It may be continuous.
  • Alignment markers 60H and 60D in this disclosure have the following two roles. The first role is alignment in the horizontal direction, and the second role is acquisition of depth information after the grinding and polishing process.
  • Alignment markers 60H (indicated by circles) play a first role when forming the optical waveguide 50 in step 3 of FIG. 2 and when forming the optical waveguide 50 in step 5 of FIG. It serves as a mark in the horizontal direction (the direction of the XY plane) when pasting together, and as a result, the accuracy of horizontal alignment is improved.
  • alignment markers 60H are preferably formed at two or more positions spaced apart from each other near the edge of the substrate. Further, by forming a plurality of alignment markers 60H at predetermined or equal intervals in the horizontal direction, offset in the horizontal direction during alignment is facilitated.
  • This offset is important when correcting the displacement of the coupling position of the optical waveguide caused by the error in the depth direction that occurs during grinding and polishing of the substrate, which will be described later.
  • the grinding/polishing amount is not dependent on the amount of grinding/polishing. Even if the alignment marker 60H near the surface disappears due to the large amount, alignment in the horizontal direction can be performed using the alignment marker 60H formed at a deeper position as a reference.
  • the alignment marker 60D (indicated by an asterisk) provides information on the depth direction (Z-axis direction) after the grinding/polishing process in process 4 of FIG. That is, it is possible to grasp the amount of grinding/polishing based on the alignment marker 60D.
  • the alignment marker 60D has a structure in the depth direction as shown in FIG. 3, the grinding/polishing amount can be estimated by measuring the distance L between two points of the alignment marker 60D for the depth direction. be possible. Based on the information about the depth direction obtained here, how much the optical coupling position of the optical waveguide 50 responsible for optical coupling between the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 is misaligned in the grinding and polishing process.
  • the alignment marker 60H and the alignment marker 60D are clearly distinguished and shown side by side in the X-axis direction. It may also serve as one row in the axial direction. That is, the distance L may be the distance between the left end of the alignment marker 60D and the alignment marker 60D.
  • the structure of the alignment marker 60 described above is not limited to the example shown in FIG. 3, and serves the two functions of the alignment marker 60H for horizontal alignment and the alignment marker 60D for providing information in the depth direction. Either is fine.
  • the alignment marker 60H for horizontal alignment may have a scale structure with intervals of several ⁇ m.
  • the depth information providing alignment marker 60D may be a cone structure or a square pyramid structure.
  • Alignment marker 60H and alignment marker 60D illustrated in FIG. 3 may be formed spaced apart as shown in step 1 of FIG. In this case, in steps 2 and 5 of FIG. 2, alignment is performed using one alignment marker 60H (for example, the leftmost portion) and one alignment marker 60D (for example, the leftmost portion). you can go
  • the substrate surface is ground and polished in step 4 of FIG.
  • the substrate surface is ground and polished until the position of the optical waveguide 50 reaches a desired depth.
  • the grinding/polishing process while checking the alignment marker 60D and the optical waveguide 50 formed in step 1 of FIG. become. For example, by measuring the distance L between the alignment markers 60D, how much is ground and polished in the depth direction.
  • a polished surface (optical end face) of a mirror surface can be obtained by subjecting the ground and polished substrate surface to a polishing process.
  • the parallelism of the substrate as a whole can be determined by measuring the parallelism of the substrate (the difference between the maximum height and the minimum height of the substrate) using an optical parallelism measuring instrument.
  • a direct bonding technique is available as a technique for firmly bonding the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 to each other without using an adhesive in step 5 of FIG.
  • the direct bonding technique is a method in which the surfaces of the substrates are first treated using a chemical agent, and then the substrates are placed on top of each other to bond the substrates by the attractive force between the surfaces.
  • the surface treatment conditions temperature, type of chemicals, etc.
  • the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 are joined together, it is preferable to perform the work in a clean atmosphere in which microparticles are minimized.
  • Direct bonding technology that can firmly bond substrates without using an adhesive or the like has characteristics such as high optical damage resistance, long-term reliability, and ease of device design.
  • This leads to stabilization of the characteristics of the three-dimensional waveguide near the interface.
  • difference frequency generation which is a type of nonlinear optical effect, there is also the advantage of avoiding the contamination of impurities and the absorption of adhesives and the like.
  • FIG. 7(a) shows a directly bonded substrate 30 in which the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 are bonded in step 5 of FIG.
  • FIG. 7(b) shows the state of the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 before the surface is polished in step 4 of FIG.
  • the optical waveguide 50 is connected to the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 at the interface.
  • FIG. 7A shows a directly bonded substrate 30 in which the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 are bonded in step 5 of FIG.
  • FIG. 7(b) shows the state of the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 before the surface is polished in step 4 of FIG.
  • the optical waveguide 50 is connected to the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 at the interface.
  • the position of the optical waveguide 50 on the bonding surface of the linear optical material substrate 10 and the position of the optical waveguide 50 on the bonding surface of the nonlinear optical material substrate 20 are ⁇ h in the X-axis direction or the Y-axis direction. There is only a discrepancy.
  • the nonlinear optical material substrate 20 can be moved by ⁇ h in the X-axis direction or the Y-axis direction with reference to the alignment marker 60H.
  • ⁇ h can be reduced to 0 by grinding and polishing the bonding surface of the linear optical material substrate 10 by ⁇ d corresponding to ⁇ h with reference to the alignment marker 60D.
  • the horizontal position of the optical waveguide 50 on the joint surface may change depending on the grinding and polishing.
  • the position of the optical waveguide 50 on the bonding surface of the linear optical material substrate 10 and the position of the optical waveguide 50 on the bonding surface of the nonlinear optical material substrate 20 are displaced. That is, it may be necessary to optimize the alignment position in the horizontal direction (reported from the XY plane) according to the amount of grinding/polishing of the substrate surface.
  • the substrate surface of the linear optical material substrate 10 or the nonlinear optical material substrate 20 is By grinding and polishing by ⁇ d corresponding to ⁇ h, the state of FIG. 7B can be changed to the state of FIG. 7A.
  • the substrate surface may be ground/polished with reference to the alignment marker 60D.
  • the horizontal position of the optical waveguide 50 on the bonding surface may be aligned by using both the offset of the horizontal relative position with reference to the alignment marker 60H and the grinding/polishing of the substrate surface.
  • the alignment marker 60D by observing the position, distance, and shape of the alignment marker 60D, it is possible to grasp how much grinding/polishing is required in the depth direction. Also, by observing the alignment marker 60H, the horizontal offset amount can be grasped.
  • At least one of the linear optical material substrate 10 and the nonlinear optical material substrate 20 is irradiated with a femtosecond laser at an arbitrary position (depth) under optimum conditions. It becomes possible to write (generate) an optical waveguide by using the conventional method, and it becomes possible to write an optical waveguide even at a depth (especially near the interface) that was difficult with the conventional method.
  • the optical waveguide can be written near the interface, it leads to an improvement in the degree of integration in the writing of the optical waveguide in the different material substrate.
  • by drawing an alignment marker at the same time as forming an optical waveguide it becomes easy to suppress misalignment when joining arbitrary optical waveguides to another optical waveguide between different material substrates.

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Abstract

線形光学特性および非線形光学特性を有する透明結晶基板の中に光導波路を形成する方法を提供する。本開示の方法は、線形光学特性を有する第１の基板（１０）にフェムト秒レーザーを照射して第１の光導波路（５０）を形成することと、第１の光導波路（５０）が形成された第１の基板（１０）と非線形光学特性を有する第２の基板（２０）とを接合する位置をアラインメントすることと、アラインメントされた第１の基板（１０）と第２の基板（２０）とを接合して、透明結晶基板（３０）を形成することとを含む。本開示の方法は、非線形光学特性を有する第２の基板（２０）にフェムト秒レーザーを照射して第２の光導波路（５０）を形成することをさらに含み、第１の光導波路（５０）と第２の光導波路（５０）とを接合する位置をアライメントすることは、第１の光導波路（５０）と第２の光導波路（５０）とが第１の基板（１０）と第２の基板（２０）とを接合面で接続されるようにすることを含んでもよい。

Description

光導波路形成方法
　本開示は、光導波路を形成する方法にする。
　近年、５Ｇ(第５世代移動通信システム)に代表される光通信の大容量化に伴い、低遅延・高信頼・多数デバイスの同時接続といったネットワークの構築が進んでいる。今後、超高精細映像やＩｏＴ（Internet of Things）、ビッグデータや人工知能（ＡＩ）などの普及により、トラフィックは今後一層増大し続けると予想されている。このような通信容量が増大する状況に対応するため、基幹系の光通信ネットワークの更なる大容量化を実現することが求められている。そのため、光通信における光波長の多重化における更なる高速な伝送を可能にする高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）装置や、非線形光学効果を利用することで可能な原理的にＳ／Ｎ比が低下しない増幅方式である位相感応増幅の研究開発が進んでいる。これらの技術の高度化が進むと、常に高度化と小型化とを両立することが必然的に求められる。これらの要求にこたえるための一つの代表的なアプローチとして、線形光学機能と非線形光学機能のハイブリッド集積技術がある。
　線形光学機能と非線形光学機能のハイブリッド集積技術により、パッシブな機能を有する光回路とアクティブな機能を有する光回路を同一基板上に集積した光集積回路を実現することが可能となり、様々な機能を発現するデバイスの作製が可能となった。しかしながらこれまで多数の報告および応用例があるハイブリッド集積技術には、基板上の導波路構造が二次元構造であるために生じる一つの素子あたりの集積密度の限界が課題として存在する。この光導波路の集積密度の限界という課題を解決するため、これまでに集積密度向上のために二次元ではなく三次元に光導波路を集積する手法が提案されている。非特許文献１では信号の多重化のため、空間分割多重が可能な光回路を三次元的に作製し、集積度の向上を実現している。
　上述の三次元光導波路の集積技術を、線形光学機能と非線形光学機能を有する集積回路へと応用する手法も提案されている。この手法では、線形光学機能と非線形光学機能のハイブリッド光集積技術において、光導波路の集積密度に限界が生じる課題に対して、線形光学材料と非線形光学材料をはり合わせ工程により接着剤なしで作製した線形・非線形光学材料直接接合基板中に三次元に光導波路を形成する（本明細書中、線形・非線形光学材料直接接合基板中に形成した光導波路を「三次元ハイブリッド光導波路」と呼ぶ場合がある）。この目的を達成するためにこの手法で作製された三次元ハイブリッド光導波路は、フェムト秒レーザーを照射により材料の屈折率低下を誘起し、屈折率低下領域を屈折率が低下していない領域を囲むように形成して作製された光導波路構造を有する。さらに、この屈折率低下領域は三次元的に屈曲・屈折したものであっても作製が容易であるため、構造設計の自由度が非常に高いという特徴を有する。
　フェムト秒レーザー描画による線形光学機能と非線形光学機能を有する基板中への導波路描画では、線形光学基板と非線形光学基板の界面への導波路描画が困難であるという課題が存在する。これは異種材料基板間における界面への導波路描画時に、フェムト秒レーザー照射部の膨張及び圧縮により生じる応力変化により、基板界面である基板表面にクラックが入ってしまうことが原因として挙げられる。他にも、複屈折やフェムト秒レーザーの波長において光吸収を有する材料である場合は、一定深さ以上における加工は困難であることも原因として挙げられる。この課題は、線形光学材料と非線形光学材料を直接接合し多層化していくことで多機能化する、三次元光導波路の実現のため解決する必要がある。
　本開示では、線形光学基板材料と非線形光学基板材料を接合して線形・非線形光学材料直接接合基板を作製する前の段階で、導波路描画を最も加工に適した基板深さにおいて線形光学基板材料もしくは非線形光学基板材料中に導波路描画を行い、その後に、導波路の位置が基板表面近傍といった所望の深さになるように基板表面を研削・研磨し、次いで、線形光学基板材料と非線形光学基板材料を接合して線形・非線形光学材料直接接合基板を作製することにより、三次元ハイブリッド光導波路を形成する方法を提案する。
　本開示は、線形光学特性および非線形光学特性を有する透明結晶基板の中に光導波路を形成する方法であって、線形光学特性を有する第１の基板にフェムト秒レーザーを照射して第１の光導波路を形成することであって、第１の光導波路は、フェムト秒レーザーの照射により屈折率が低下した領域と、屈折率が低下した領域により囲まれた、フェムト秒レーザーが照射されていない屈折率が低下していない領域とを含む、ことと、第１の光導波路が形成された第１の基板と前記非線形光学特性を有する第２の基板とを接合する位置をアラインメントすることと、アラインメントされた第１の光導波路が形成された第１の基板と第２の基板とを接合して、透明結晶基板を形成することとを含む。
　本開示の三次元ハイブリッド光導波路形成方法では、接合されていない線形光学基板材料もしくは非線形光学基板材料中に導波路を描画した後に、導波路の位置が所望の深さになるまで基板表面を研削・研磨する。本開示の方法では、基板内部にレーザー描画にて深さ方向の目印となる構造、例えばアラインメントマーカーを作成してもよい。深さ方向の目印により、研削研磨による導波路の深さ方向の精度向上、及び深さ方向の位置を把握することが可能になる。
　また、本開示の三次元ハイブリッド光導波路形成方法では、プロセスの工程上レーザー照射による導波路描画の後に、線形光学基板と非線形光学基板の表面を研削・研磨し、異種材料である線形光学基板と非線形光学基板を直接接合する。接合の際には、異種材料であるこれらの基板間の接合部における導波路の伝搬損失を最小限にすべく、線形光学基板に形成された導波路と非線形光学基板に形成された導波路との間の位置関係を精密にアラインメントする必要がある。本開示の方法では、基板内部にレーザー描画にて水平方向の位置合わせ用の目印となる構造、例えばアラインメントマーカーを用いて、基板の水平方向の位置合わせをしてもよい。
　本開示の三次元ハイブリッド光導波路形成方法によれば、フェムト秒レーザーによる導波路描画において従来技術では実現が困難であった加工領域、特に基板表面近傍における導波路形成が可能になる。また、アラインメントマーカーに代表される目印を基板内部に描画し、研削研磨時にアラインメントマーカーを水平方向および深さ方向に関する情報の指標とする研削研磨手法をとることで、深さ方向に対する導波路形成の位置精度が向上する。上述の技術は結果として、導波路の伝搬損失低減といった導波路の特性が向上する。
図１は、従来の三次元ハイブリッド光導波路を形成する方法を説明する図である。 図２は、本発明の一実施形態にかかる三次元ハイブリッド光導波路を形成する方法を説明する図である。 図３は、本発明の一実施形態にかかる三次元ハイブリッド光導波路を形成する方法において用いるアラインメントマーカーの構成例を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態にかかる方法における直接接合工程を説明する図である。 図５は、本発明の一実施形態にかかる方法により形成される三次元ハイブリッド光導波路の断面構造を示す図である。 図６は、本発明の一実施形態にかかる方法における光導波路形成工程を説明する図である。 図７は、本発明の一実施形態にかかる方法における研削・研磨工程を説明する図であり、（ａ）は、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０を接合した状態の直接接合基板３０を示す図であり、（ｂ）は、表面を研磨する前の線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０の状態を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。図面中の同一または類似の符号は、同一または類似の要素を示し、説明を省略する場合がある。本開示における材料および数値は、例示であり、発明の範囲を限定することを意図するものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない限り、別の材料および数値を用いて実施することができることは言うまでもない。
［フェムト秒レーザー描画による三次元ハイブリッド光導波路形成プロセス概要］
　本発明の一実施形態にかかる三次元ハイブリッド光導波路を形成する方法を説明する前に、初めに従来のフェムト秒レーザー描画による三次元ハイブリッド光導波路形成プロセスを説明する。
　図１は、従来の三次元ハイブリッド光導波路を形成する方法を説明する図である。図１に示す方法は、「工程１：直接接合」において、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０とを接合して、直接接合基板３０を形成する。その後、「工程２：光導波路形成」において、レーザー光源４０からフェムト秒レーザーを直接接合基板３０の基板面（非線形光学材料基板２０の線形光学材料基板１０との界面（接合面）と対向する面）の上方から照射して、直接接合基板３０内部に線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０との界面と交わる光導波路５０を描画する。界面と交わらない光導波路５０を、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０のいずれかに内部の界面に近接するまたは界面から離間した位置に描画する場合もある。
　図１の「２：光導波路形成工程」におけるフェムト秒レーザー描画は、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０との界面への導波路描画が困難であるという課題が存在した。これは異種材料基板間における界面への導波路描画時に、フェムト秒レーザー照射部の膨張及び圧縮により生じる応力変化により、基板界面である基板表面にクラックが入ってしまうことが原因として挙げられる。他にも、複屈折やフェムト秒レーザーの波長において光吸収を有する材料である場合は、一定深さ以上における加工は困難であることも原因として挙げられる。この課題は、線形光学材料と非線形光学材料を直接接合し多層化していくことで多機能化する、三次元光導波路の実現のため解決する必要がある。
　図２は、本発明の一実施形態にかかる三次元ハイブリッド光導波路を形成する方法を説明する図である。図２に示す方法では、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０を接合する段階（「工程５：直接接合」）のより前の「工程３：光導波路形成」において、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０の少なくとも一方の最も加工に適した基板深さの位置にフェムト秒レーザーを照射して三次元導波路構造を有する光導波路５０を描画する点で、図１の方法と大きく異なる。
　図２に示す方法では、「工程１：アラインメントマーカー形成」において、線形光学材料基板１０および非線形光学材料基板２０の各々にアラインメントマーカー６０を形成する。図２には、基板の外周部に２種類のアラインメントマーカー６０Ｈおよび６０Ｄが示されている。アラインメントマーカー６０については後述する。なお、アラインメントマーカー６０は、「工程３：光導波路形成」において、光導波路５０を描画する際に、フェムト秒レーザーを照射して形成してもよい。
　次いで、「工程２：ステージと位置合わせに」おいて、アラインメントマーカー６０を基準に線形光学材料基板１０と三軸ステージ７０と位置合わせして固定し、次いで、「工程３：光導波路形成」において、線形光学材料基板１０内の加工に適した深さの位置にフェムト秒レーザーを照射して三次元導波路構造を有する光導波路５０を描画する。アラインメントマーカー６０は、「工程３：光導波路形成」において、形成する場合には、「工程２：ステージと位置合わせに」において、線形光学材料基板１０を含むウェアのオリエンテーション・フラットやノッチを基準にして、線形光学材料基板１０と三軸ステージ７０と位置合わせして固定してもよい。
　次いで、「工程４：研削・研磨」において、光導波路の位置が基板表面近傍といった所望の深さになるように線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０の表面を研削・研磨する。最後に「工程５：直接接合」において、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０を接合することで直接接合基板３０を形成する。
　図２では、線形光学材料基板１０内にフェムト秒レーザーを照射して３次元的に光導波路５０を描画する場合を示すが、代替的にまたは追加的に、非線形光学材料基板２０内に光導波路５０を描画する場合は、非線形光学材料基板２０について工程２、工程３および工程４が行われた後に、工程５が行われる。線形光学材料基板１０内に形成した光導波路５０と非線形光学材料基板２０内に形成した光導波路５０は、工程５において形成される直接接合基板３０の状態において、接合面において接続された１つの光導波路５０を形成してもよく、互いに離間した２つの光導波路５０のままであってもよい。
　図２の方法では、基板間接合時の位置アラインメントが重要になるため、図２の工程１に示すように、光導波路形成する基板中にあらかじめアラインメントマーカー６０を形成する。
　図３は、図２の工程１で線形光学材料基板１０および非線形光学材料基板２０の中に形成するアラインメントマーカー６０の構成例を示す。アラインメントマーカー６０に代表される水平方向および深さ方向に関する情報の指標を線形光学材料基板１０および非線形光学材料基板２０の内部に形成する。アラインメントマーカー６０の詳細は後述する。図２の工程２では、基板をステージに設置する際に、工程１で形成したアラインメントマーカー６０を用いて三軸ステージ７０と線形光学材料基板１０の相対位置合わせを行う。また、図２の工程３では、フェムト秒レーザーを用いて光導波路５０を形成する際に、アラインメントマーカー６０と光導波路５０の相対位置合わせを行う。図２の工程４では、アラインメントマーカー６０を参照して、形成した光導波路５０が所望の深さに存在するように基板を研削・研磨する。図２の工程５では、光導波路５０を形成した２枚以上の基板を直接接合法によって接合する際に、水平方向の位置合わせを、アラインメントマーカー６０を用いて高精度に行う。
　図２に示す方法では、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０を含む２枚の基板を接合する場合を説明するが、ｎを２以上の整数として、本開示の方法を用いて図４に示すようなｎ枚の基板を接合した直接接合基板３０を得ることともできる。
　本開示の方法によれば、従来技術では困難であった加工深さ(特に異種材料間の界面近傍)においても導波路描画が可能になる。また、界面付近での導波路描画が可能になることで、結果として異種材料基板中の導波路描画における集積度の向上にもつながる。
［線形光学材料と非線形光学材料の選定］
　本開示の方法で用いる線形光学材料基板１０および非線形光学材料基板２０の材料は、光波長４００ｎｍ～２０００ｎｍの範囲において透明である材料であればいずれの材料でもよい。また、図４に示す直接接合基板３０を構成するｎ枚の基板の材料の組み合わせは、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０の２種類の材料の組み合わせに限らず、用途に応じて接合する基板の数に応じて２種以上の材料の組み合わせとしてよい。線形光学材料基板１０を構成する線形光学材料としては、結晶性に関しては特に制限されず、例として石英基板やアモルファスなガラス基板であってもよい。非線形光学材料基板２０を構成する非線形光学材料は、非線形光学効果を有する材料であればいずれの材料でもよく、二次非線形光学効果であっても三次以上の非線形光学効果であってもよい。非線形光学効果を有する材料は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ベータバリウムボライト（ＢＢＯ）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）等である。非線形光学材料基板２０は、非線形光学効果増大のために周期分極反転構造を有するものであってもよい。周期分極反転構造を有する非線形光学材料基板２０を用いる際は、周期分極反転が失われないキュリー温度以下の導波路加工条件や、位相整合をとることができる導波路構造を適宜適用する。（屈折率低下部の形成方法）
［屈折率低下部の形成方法］
　本開示の方法では、図２の工程３に示すように線形光学材料基板１０もしくは非線形光学材料基板２０の表面または内部に、屈折率低下を誘起するフェムト秒レーザーを外部から照射して光導波路５０を形成する。フェムト秒レーザーが照射される基板を固定した高精度な移動式の三軸ステージ７０の位置を移動させてレーザー光源４０からのフェムト秒レーザーの焦点の位置を相対的に移動させることで、光導波路５０のクラッド５１となる屈折率低下領域を形成する。
　図５は、本開示の方法により形成される三次元ハイブリッド光導波路の断面構造の一例を示す図である。図５に示すようにフェムト秒レーザーが照射され屈折率が低下した領域（レーザ照射部）がクラッド５１となり、フェムト秒レーザーが照射されていない部分がコア５２となることで、光導波路５０を構成する。屈折率が低下した領域の間隔は、結晶構造およびレーザーの照射条件に応じて選択し得るものであり、一般的には０．５μｍから２．０μｍであるが、これに限定されるものではない。
　図６は、図２に示す方法における「工程５：光導波路形成」を説明する図である。線形光学材料基板１０もしくは非線形光学材料基板２０にフェムト秒レーザーを照射することによりクラッド５１を形成する様子を示している。三軸ステージ７０を平面方法（ＸＹ面方向）および垂直方向（Ｚ軸方向）に移動して基板とレーザー光源４０との相対的位置を移動することで、フェムト秒レーザーの焦点を基板の表面または内部の所望の位置に合わせてフェムト秒レーザーを照射する。本開示の方法では、線形光学材料基板１０もしくは非線形光学材料基板２０の表面または内部に、外部から屈折率低下を誘起するフェムト秒レーザー焦点を合わせて照射する際に、基板を固定している三軸ステージ７０の位置を移動させることで、基盤とレーザー光源４０（フェムト秒レーザーの焦点）の相対的な位置を移動させることで光導波路を形成する。したがって、線形光学材料基板１０もしくは非線形光学材料基板２０と三軸ステージ７０とを正確に位置合わせする必要がある。図２の工程２において、工程１で形成したアラインメントマーカー６０を用いて三軸ステージ７０と基板との位置合わせを正確に行うことができる。
［光導波路の構造］
　図５は、本開示の方法により形成される三次元ハイブリッド光導波路の断面構造の一例を示す図である。
　本方法により形成される光導波路５０の大きさ(例えば、コアの直径など)や光導波路５０のコアの形状（例えば、光の伝搬方向に直交する断面における断面形状は、用途に応じて選択し得るもので、図５に示す例に特に制限されない。例えば、光導波路５０のコアの断面形状は、楕円、円、多角形などとしてもよい。光導波路５０の形状（例えば、伝搬方向に水平な断面おける断面形状が直線、もしくは屈曲等であってもよい。また、光導波路５０の大きさとしては、例えばコア５２の直径は加工精度等にも依存するが５μｍ～１０００μｍの範囲から選択することが可能であり、集積度向上のため好ましくは１μｍ～１００μｍの範囲から選択することが可能である。
　光導波路５０における光のモード形状をシングルモードとする場合には、フェムト秒レーザーを照射する前と後における基板の材料の屈折率差を考慮したコア径とする必要がある。そのため、フェムト秒レーザーを照射することにより生じる基板の材料の屈折率の変化の範囲は、コア５２の径の設計自由度の向上につながる。光導波路５０のコア５２の形状としては、光導波路５０における光の伝搬方向に直交する断面形状としては、例えば略楕円形状や略多角形状、その他二次元形状であればいずれであってもよい。略楕円形状としては、円形的な形状であればいずれの形状でもよく、例えば真円の形状や長軸と短軸が異なる楕円形状、もしくは卵型のように左右非対称な円に類似する構造であってもよい。略多角形状としては、ｎ角形(n＝３以上の整数)であればいずれの形状でもよく、例えば平行四辺形や台形、いずれの辺も並行でない形状や左右非対称な多角形状であってもよい。なお、略多角形状における角の角度に特に制限はなく、内角はいずれの角度であってもよく、例えば鋭角であっても鈍角であってもよい。また、これらの角は角張った形状のもののほかに、丸まった形状を有していてもよく、これらの複数の角はそれぞれ異なった形状を有してもよい。さらにまた、略多角形状における辺は直線状のほかに、波形状やのこぎり状に代表される凹凸を有していてもよい。光導波路の形状として、光の伝搬方向に水平な断面における断面構造としては直線状のほかに、屈曲又は屈折している構造であってもよい。例として、Ｓ字曲線やクロソイド曲線であってもよい。さらには、光の伝搬方向に水平な断面における断面構造は直線、屈曲または屈折構造が組み合わされた構造であってもよい。光導波路の光の伝搬方向に対する長さも特に制限はなく、必要に応じて集積回路内部で可能な範囲において光導波路５０の長さを延ばしてよい。
　また、本開示の方法により形成される光導波路５０の構造の一例は、図５を参照して説明したようなクラッド５１がコア５２を取り囲む構造であり、光導波路５０の大きさ(コア５２の直径など)やコアの形状（例えば、伝搬方向に直交する断面における断面形状が楕円、円、多角形など）、光導波路５０の形状（例えば、伝搬方向に水平な断面における光導波路の形状が直線、もしくは屈曲等）に関しては特に制限されない。しかし、本開示の方法により形成される光導波路５０の構造は、上述の構造である必要はなく、フェムト秒レーザーにて描画することで作成された光が伝搬する構造であればいずれであってもよい。
［アラインメントマーカー］
　図３を参照して、水平方向および深さ方向に関する情報の指標の一例であるアラインメントマーカー６０を説明する。本開示の方法では、図２の工程１において線形光学材料基板１０および非線形光学材料基板２０の中にアラインメントマーカー６０を形成する。図３に示す例では、アラインメントマーカー６０は、アラインメントマーカー６０Ｈおよび６０Ｄを含む。アラインメントマーカー６０Ｈおよび６０Ｄを基板内部に形成することで、異種材料基板間の直接接合における位置合わせの精度を向上させることができる。アラインメントマーカー６０Ｈおよび６０Ｄは、一般的な研削・研磨の量に相当する深さ方向（Ｚ軸方向）の数μｍの間に形成されている。アラインメントマーカー６０Ｈおよび６０Ｄの深さ方向の間隔は、研削・研磨の精度に応じて選択でき、例えば０．０５μｍから０．１μｍとすることができるが、不連続である必要はなく連続であってもよい。アラインメントマーカー６０Ｈの水平方向（Ｘ軸方向）の間隔は、位置合わせが可能であればよく、必要なオフセット量に応じて選択することができる。アラインメントマーカー６０Ｄの水平方向）の間隔（距離Ｌ）は、研削・研磨の量を把握することができればよく、例えば０．０５μｍから０．１μｍとすることができるが、不連続である必要はなく連続であってもよい。本開示におけるアラインメントマーカー６０Ｈおよび６０Ｄには、以下の二つの役割がある。一つ目の役割は水平方向における位置合わせであり、二つ目の役割は研削研磨工程後の深さに関する情報取得である。
　一つ目の役割においてアラインメントマーカー６０Ｈ（丸印で示す）は、図２の工程３において光導波路５０を形成する時及び図２の工程５において線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０とを張り合わせる時に水平方向（ＸＹ面の方向）において目印となり、結果として水平方向の位置合わせの精度が向上する。図２の工程１においてアラインメントマーカー６０Ｈは基板の縁付近の互いに離間した２つ以上の位置に形成すると良い。また、水平方向に複数個のアラインメントマーカー６０Ｈを所定間隔または等間隔に形成することで、位置合わせ時の水平方向へのオフセットも容易になる。このオフセットは後述する基板の研削・研磨時に発生する深さ方向の誤差により生じる光導波路結合位置のズレを補正する際に重要となる。また、水平方向における位置合わせ用のアラインメントマーカー６０Ｈを任意の深さ方向の複数の位置（Ｚ軸方向の複数の位置）に形成することにより、研削・研磨量に依存せず、例えば研削・研磨量が大きくなってしまい表面付近のアラインメントマーカー６０Ｈが消失してしまった場合でもより深い位置に形成したアラインメントマーカー６０Ｈを基準として水平方向における位置合わせを行うことができる。
　二つ目の役割においてアラインメントマーカー６０Ｄ（星印で示す）は、図２の工程４において研削・研磨工程後の深さ方向（Ｚ軸方向）に関する情報を提供する。つまり、アラインメントマーカー６０Ｄに基づいて、研削・研磨量を把握することが可能となる。例えば、アラインメントマーカー６０Ｄが、図３に示すに深さ方向における構造を有する場合、深さ方向用のアラインメントマーカー６０Ｄの二点間の距離Ｌを測定することで研削・研磨量を推定することが可能になる。ここで得られた深さ方向に関する情報により、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０との間における光結合を担う光導波路５０の光結合の位置が研削・研磨工程でどの程度のズレが生じたかを推定することが可能になり、最終的に図２の工程５における位置合わせ精度向上につながる。なお、図３において、アラインメントマーカー６０Ｈとアラインメントマーカー６０Ｄとを明確に区別してＸ軸方向に並べて示しているが、アラインメントマーカー６０Ｈの右端のＺ軸方向の１列が、アラインメントマーカー６０Ｄの左端のＺ軸方向の１列を兼ねてもよい。つまり、アラインメントマーカー６０Ｄの左端とアラインメントマーカー６０Ｄとの間隔を距離Ｌとしてもよい。
　上述したアラインメントマーカー６０の構造は、図３に示す例に限定されず、上述した水平方向の位置合わせ用のアラインメントマーカー６０Ｈと深さ方向の情報提供用のアラインメントマーカー６０Ｄの２つの機能を担うものであればいずれでもよい。例えば水平方向の位置合わせ用のアラインメントマーカー６０Ｈは、数μｍ間隔の目盛り構造でもよい。同様に、例えば深さ方向の情報提供用のアラインメントマーカー６０Ｄは円錐構造や四角錐構造であってもよい。図３に例示するアラインメントマーカー６０Ｈとアラインメントマーカー６０Ｄとを、図２の工程１に示すように離間して形成してもよい。この場合、図２の工程２および工程５において、アラインメントマーカー６０Ｈの１箇所と（例えば最も左端の部分）と、アラインメントマーカー６０Ｄの１箇所（例えば最も左端の部分）とを用いて、位置合わせを行ってもよい。
　図２の工程１におけるアラインメントマーカー６０の形成手法に関しては特に制限はなく、例えばフェムト秒レーザーによる描画であっても、フォトプロセスとエッチング工程による形成手法であってもよい。フェムト秒レーザーにより基板内に描画の場合は、図２の工程３における光導波路形成と同等手法になるため、工程の容易化および時間短縮につながることが予想される。
［研削・研磨］
　図２の工程３において形成した光導波路５０の位置を基板内の所望の深さ（例えば基板表面の近傍）とするため、図２の工程４において、基板表面を研削・研磨する。研削・研磨用の定盤の平坦度が管理された装置（不図示）を用いて、光導波路５０の位置が所望の深さになるまで基板表面に研削研磨加工を施す。この際、図２の工程１で形成したアラインメントマーカー６０Ｄや光導波路５０を光学顕微鏡にて確認しながら研削・研磨工程を行うことで、最終的に得られる研削・研磨量を制御することが可能になる。例えばアラインメントマーカー６０Ｄ間の距離Ｌを測定することにより、深さ方向にどの程度研削研磨される。また、任意選択で、研削・研磨した基板面にポリッシング加工を行うことで、鏡面の研磨表面(光学端面)を得ることができる。最終的に基板の平行度(基板の最大高さと最小高さの差)を光学的な平行度測定器を用いて測定することで、基板全体としての平行度をしることができる。
　基板が平滑で平坦であるほど、図２の工程５において線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０との接合が強固になるため、可能な限り面内膜厚分布が小さくなる様な手法で研削・研磨することが望ましい。
［直接接合］
　図２の工程５において線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０とを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、直接接合技術がある。直接接合技術は、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方法である。各種基板の表面処理条件（温度や薬品の種類等）は実際に接合する基板の種類および組み合わせによって最適化すればよい。また、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０とを接合する際はマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気化にて、作業を行うことが好ましい。また、直接接合プロセス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、拡散接合を行い、接合強度を向上させることが望ましい。線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０とが接合された直接接合基板３０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、室温状態においてクラックなどは発生しない。
　接着剤等を用いずに基板同士を強固に接合することのできる直接接合の技術は、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性などの特徴を有し、本開示の方法においては、界面近傍における三次元導波路の特性安定化につながる。他にも、非線形光学効果の一種である差周波発生を用いた中赤外域の光発生において、不純物の混入や接着剤等の吸収を回避できるといったメリットも存在する。
［光導波路の位置合わせ］
　図７を参照して、光導波路の位置を合わせる方法を説明する。図７（ａ）は、図２の工程５において線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０を接合した状態の直接接合基板３０を示す。図７（ｂ）は、図２の工程４において表面を研磨する前の線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０の状態を示す。図７（ａ）において、光導波路５０は、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０と界面で接続されている。一方、図７（ｂ）において、線形光学材料基板１０の接合面における光導波路５０の位置と、非線形光学材料基板２０の接合面における光導波路５０の位置とがＸ軸方向またはＹ軸方向にΔｈだけズレが生じている。
　図７（ｂ）の状態を図７（ａ）の状態とするためには、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０の相対的位置を調整した後に接合する必要がある。例えば図２の工程５において、アラインメントマーカー６０Ｈを参照して、非線形光学材料基板２０をＸ軸方向またはＹ軸方向にΔｈだけ移動することができる。別の例として、図２の工程４において、アラインメントマーカー６０Ｄを参照して線形光学材料基板１０の接合面をΔｈに相当するΔｄだけ研削・研磨することで、Δｈを０とすることができる。
　本開示の方法では、図２の工程３において光導波路５０を形成した後に工程４において基板面の研削・研磨を経て、工程５において基板同士を接合する。したがって、例えば、光導波路５０の接合面における水平位置は、研削研磨に依存して変化する場合がある。結果として、図７（ｂ）に示すように線形光学材料基板１０の接合面における光導波路５０の位置と非線形光学材料基板２０の接合面における光導波路５０の位置とにズレが生じる。すなわち、基板面の研削・研磨量に応じて水平方向（ＸＹ面報告）のアラインメント位置を最適化する必要が生じる可能性がある。
　例えば水平方向に所定間隔または等間隔に作製された複数個のアラインメントマーカー６０Ｈを参照して、線形光学材料基板１０と非線形光学材料基板２０との水平方向の相対的位置にオフセットをかけることで、図７（ｂ）の状態を図７（ａ）の状態とすることが可能である。
　また、光導波路５０の位置（線形光学材料基板１０または非線形光学材料基板２０の基板面からの深さ）に制限がない場合には、線形光学材料基板１０または非線形光学材料基板２０の基板面をΔｈに相当するΔｄだけ研削・研磨することで、図７（ｂ）の状態を図７（ａ）の状態とすることが可能である。アラインメントマーカー６０Ｄを参照して基板面の研削・研磨してもよい。アラインメントマーカー６０Ｈを参照する水平方向の相対的の位置のオフセットと、基板面の研削・研磨とを併用して、光導波路５０の接合面における水平の位置を合わせてもよい。
　本開示の方法では、アラインメントマーカー６０Ｄの位置、距離、形状を観測することにより、深さ方向にどの程度の研削・研磨が必要であるかを把握することができる。また、アラインメントマーカー６０Ｈを観測することにより水平方向のオフセット量を把握することができる。
　以上説明したように、本開示の三次元ハイブリッド光導波路形成方法により、線形光学材料基板１０または非線形光学材料基板２０の少なくとも一方の任意の位置（深さ）にフェムト秒レーザーを最適条件で照射して光導波路を描画（生成）することが可能になり、従来の方法では困難であった深さ(特に界面近傍)でも光導波路描画が可能になる。また、界面付近での光導波路描画が可能になることで、結果として異種材料基板中の光導波路の描画における集積度の向上にもつながる。また、光導波路を形成する時にアラインメントマーカーも同時に描画することにより、任意の光導波路と光導波路とを異種材料基板間で接合するときのアラインメントのズレの抑制が容易になる。
　１０　線形光学材料基板
　２０　非線形光学材料基板
　３０　直接接合基板
　４０　レーザー光源
　５０　光導波路
　５１　レーザー照射部（クラッド）
　５２　レーザー非照射部（コア）
　６０Ｈ，６０Ｄ　アラインメントマーカー
　７０　三軸ステージ
　Δｈ　水平方向のズレ量
　Δｄ　Δｈに対応する研磨量

Claims (6)

  1. 　線形光学特性および非線形光学特性を有する透明結晶基板の中に光導波路を形成する方法であって、
    　前記線形光学特性を有する第１の基板にフェムト秒レーザーを照射して第１の光導波路を形成することであって、前記第１の光導波路は、前記フェムト秒レーザーの照射により屈折率が低下した領域と、前記屈折率が低下した領域により囲まれた、前記フェムト秒レーザーが照射されていない屈折率が低下していない領域とを含む、ことと、
    　前記第１の光導波路が形成された前記第１の基板と前記非線形光学特性を有する第２の基板とを接合する位置をアラインメントすることと、
    　アラインメントされた前記第１の光導波路が形成された前記第１の基板と前記第２の基板とを接合して、前記透明結晶基板を形成することと
    を含む、方法。
  2. 　前記非線形光学特性を有する前記第２の基板にフェムト秒レーザーを照射して第２の光導波路を形成することであって、前記第２の光導波路は、前記フェムト秒レーザーの照射により屈折率が低下した領域と、前記屈折率が低下した領域により囲まれた、前記フェムト秒レーザーが照射されていない屈折率が低下していない領域とを含む、ことをさらに含み、
    　前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを接合する位置をアライメントすることは、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とが前記第１の基板と前記第２の基板とを接合面で接続されるようにすることを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 　少なくとも１つのアラインメントマーカーを形成することをさらに含み、前記少なくとも１つのアラインメントマーカーは、水平方向の位置の基準であり、
    　前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを接合する位置をアライメントすることは、前記少なくとも１つのアラインメントマーカーを用いることを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 　前記第１の基板と前記第２の基板とを接合しての前記透明結晶基板を形成する前に、前記第１の基板の接合表面および前記第２の基板の接合表面を研削・研磨して、前記接合面からの前記光導波路の位置を所望の位置にすることをさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 　少なくとも１つのアラインメントマーカーを形成することをさらに含み、前記少なくとも１つのアラインメントマーカーは、前記第１の基板と前記第２の基板の深さ方向の情報であり、
    　前記第１の基板の接合表面および前記第２の基板の接合表面を研削・研磨して、前記接合面からの前記光導波路の位置を所望の位置にすることは、前記少なくとも１つのアラインメントマーカーを用いることを含む、請求項４に記載の方法。
  6. 　前記第１の基板と前記第２の基板とを接合することは、接着剤を用いずに前記第１の基板と前記第２の基板とを直接接合することを含み、
    　前記透明結晶基板は、前記直接接合により形成された線形・非線形材料直接接合基板である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
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