WO2024100865A1 - 光導波路素子およびその製造方法 - Google Patents

光導波路素子およびその製造方法 Download PDF

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WO2024100865A1
WO2024100865A1 PCT/JP2022/042011 JP2022042011W WO2024100865A1 WO 2024100865 A1 WO2024100865 A1 WO 2024100865A1 JP 2022042011 W JP2022042011 W JP 2022042011W WO 2024100865 A1 WO2024100865 A1 WO 2024100865A1
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optical waveguide
core
sub
optical
main
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飛鳥 井上
毅伺 梅木
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to an optical waveguide element and a method for manufacturing the same.
  • Optical elements capable of generating and modulating coherent light in wavelength bands ranging from ultraviolet to visible to near-infrared to terahertz have traditionally been used in a wide variety of fields, including wavelength conversion of optical signals in optical communication systems, optical modulation, optical measurement, and optical processing.
  • optical elements that utilize nonlinear optical effects have been the subject of research and development due to their excellent properties in wavelength conversion and electro-optical effects.
  • oxide-based compound substrates such as lithium niobate (LiNbO 3 :LN) and lithium tantalate (LiTaO 3 :LT), have been researched and developed as promising materials because they have a high second-order nonlinear optical constant, a high electro-optic constant, and are transparent in a wide wavelength band.
  • Periodically Poled LN:PPLN Periodically Poled LN:PPLN
  • Periodically Poled LT:PPLT Periodically Poled LT:PPLT
  • the above optical materials have a periodically poled structure, and therefore have high phase consistency and, as a result, have a high second-order nonlinear optical effect, and are therefore widely used.
  • Known optical devices utilizing the high nonlinearity of PPLN and PPLT include wavelength conversion elements that utilize second harmonic generation (SHG), difference frequency generation (DFG), and sum frequency generation (SFG).
  • Quasi-phase matching technology is important for increasing wavelength conversion efficiency (see non-patent document 1).
  • Quasi-phase matching technology is a method of achieving pseudo-phase matching in the propagation direction of light by forming a structure in which the sign of the nonlinear susceptibility is periodically inverted.
  • This quasi-phase matching is a method of achieving phase matching by compensating the difference in wave vectors between the basic light (incident light, excitation light) and the generated light (second harmonic) with the wave vector of the periodic structure by providing a structure in which the sign of the nonlinear optical coefficient is periodically inverted in the propagation direction of light propagating through a nonlinear optical crystal.
  • k ⁇ and k 2 ⁇ are the wave numbers of the fundamental light and the second harmonic light, respectively
  • n ⁇ and n 2 ⁇ are the refractive indexes of the nonlinear optical material for the fundamental light and the second harmonic light, respectively
  • ⁇ and 2 ⁇ are the frequencies of the fundamental light and the second harmonic light, respectively
  • c is the speed of light.
  • n 2 ⁇ n ⁇ does not hold because of wavelength dispersion in the refractive index. In other words, the speeds of the fundamental light and the second harmonic light do not match in the medium.
  • the second harmonic light intensity in the medium changes periodically with respect to the propagation distance of the light.
  • a method of periodically modulating the nonlinear optical coefficient is called quasi-phase matching.
  • a periodic polarization inversion structure is used to periodically invert the crystal axis of the optical crystal in order to periodically modulate the nonlinear optical coefficient. This technique has become an essential technology for realizing highly efficient waveguide-type wavelength conversion elements.
  • diffusion-type optical waveguides such as titanium-diffused optical waveguides and proton-exchanged optical waveguides have been the mainstream of periodically poled LN and LT waveguide structures that utilize quasi-phase matching.
  • LN is a difficult-to-process material, making it difficult to fabricate anything other than diffusion-type optical waveguides.
  • this diffusion-type optical waveguide has issues in terms of optical damage resistance and long-term reliability, as impurities are diffused to form the optical waveguide during fabrication, causing a refractive index difference.
  • a diffusion-type optical waveguide structure when high-power light is incident on the optical waveguide, the structure is damaged due to the photorefractive effect, so there is a limit to the optical power that can be input to the optical waveguide.
  • ridge-type optical waveguides As one method to solve this problem, research and development is being conducted on ridge-type optical waveguides.
  • the use of a direct bonding method to form a ridge-type optical waveguide will enable high-power optical input, and it is expected that this will be used in a wide range of applications, such as generating high-intensity optical modulation signals and laser processing technology.
  • the optical waveguide structure actually fabricated deviates from the target structure, and there was a problem that the target characteristics could not be obtained.
  • As a trimming technique to fill the deviation from the target waveguide structure caused by the processing accuracy limits there is a local etching technique that can process the waveguide locally.
  • This local etching technique makes it possible to compensate for the distribution of the effective refractive index in the waveguide propagation direction caused by the processing accuracy limits.
  • To determine the trimming position using the local etching technique it is necessary to measure both the width and thickness of the waveguide in advance, which is a process that requires the use of multiple inspection devices. Therefore, there was a problem that the fabrication process itself was complicated. Furthermore, there was no direct optical evaluation of phase matching, and it was difficult to accurately grasp the trimming position by local etching.
  • This disclosure has been made in consideration of these problems, and its purpose is to provide an optical waveguide element having a waveguide structure that enables accurate grasping of the trimming position using high-precision local processing technology, and a method for manufacturing the same.
  • an optical waveguide element includes a first substrate and a plurality of optical waveguides formed on the substrate, the plurality of optical waveguides including a main optical waveguide core and at least one sub-optical waveguide core adjacent along the main optical waveguide, the main optical waveguide core has one or more regions arranged in the light propagation direction, each of the one or more regions in the main optical waveguide core has a periodic polarization inversion structure having a desired pitch, the sub-optical waveguide core has multiple regions arranged in the light propagation direction, the multiple regions in the sub-optical waveguide core have periodic polarization inversion structures having different pitches, and the main optical waveguide core is trimmed based on the optical characteristics of the sub-optical waveguide, thereby making the effective refractive index uniform in the light propagation direction.
  • a method for manufacturing an optical waveguide element includes forming a plurality of ridge-type optical waveguides by processing a second substrate, which is a core layer bonded to a first substrate serving as an underclad, and the plurality of optical waveguides include a main optical waveguide core and at least one sub-optical waveguide core adjacent to the main optical waveguide, the main optical waveguide core having one or more regions arranged in the light propagation direction, each of the one or more regions in the main optical waveguide core having a periodic polarization inversion structure having a desired pitch, the sub-optical waveguide core having multiple regions arranged in the light propagation direction, the multiple regions in the sub-optical waveguide core having periodic polarization inversion structures having different pitches from each other, measuring the optical characteristics of the main optical waveguide and the sub-optical waveguide, and reprocessing the main optical waveguide core based on the optical characteristics of the sub-optical waveguide to make the effective refractive index of the main optical waveguide uniform in the light
  • FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a ridge-type optical waveguide.
  • 1A to 1C are diagrams illustrating a method for manufacturing an optical waveguide element according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a substrate made of a nonlinear optical material that serves as a core layer of a main optical waveguide and a sub-waveguide in an optical waveguide element according to an embodiment of the present disclosure.
  • 1A to 1C are diagrams illustrating the structures of a main optical waveguide and a sub-waveguide in an optical waveguide element according to an embodiment of the present disclosure.
  • 1A and 1B are diagrams illustrating the SHG spectra of a main optical waveguide and a sub optical waveguide in an optical waveguide element according to an embodiment of the present disclosure, in which (a) and (c) show the SHG spectrum of the sub optical waveguide, and (b) shows the SHG spectrum of the main optical waveguide.
  • 1A and 1B are diagrams illustrating a main optical waveguide and a sub-waveguide having an effective refractive index distribution in an optical waveguide element according to an embodiment of the present disclosure, in which FIG. 1A shows a core having a width distribution, and FIG. 1B shows the effective refractive index of the core having a width distribution.
  • FIGS. 1A and 1B are diagrams illustrating SHG spectra of a main optical waveguide and a sub-waveguide having an effective refractive index distribution in an optical waveguide element according to an embodiment of the present disclosure, in which (a) and (c) show the SHG spectrum of the sub-optical waveguide, and (b) shows the SHG spectrum of the main optical waveguide.
  • 13 is a flowchart illustrating a method for manufacturing an optical waveguide element according to another embodiment of the present disclosure.
  • an optical waveguide element according to one embodiment of the present disclosure will be described using as an example a ridge-type optical waveguide in which a core layer and an undercladding layer of a nonlinear optical material are directly bonded.
  • the ridge-type optical waveguide included in the element may be, for example, a PPLN optical waveguide.
  • the nonlinear optical material used in this embodiment may be any material that has a nonlinear optical effect and can form a periodic polarization inversion structure. Examples include lithium niobate ( LiNbO3 ), lithium tantalate ( LiTaO3 ), potassium titanyl phosphate ( KTiOPO4 : KTP), etc.
  • LiNbO3 lithium niobate
  • LiTaO3 lithium tantalate
  • KTiOPO4 potassium titanyl phosphate
  • FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of an optical waveguide.
  • the optical waveguide structure is composed of an undercladding layer 1, an overcladding layer 3, and a core layer 2, and light propagates inside the core layer 2.
  • the undercladding layer 1 and the core layer 2 are directly bonded to each other, and therefore have high optical damage resistance, making it possible to input excitation light with a very high power density into the optical waveguide.
  • the refractive index of the overcladding layer 3 may be glass deposited by chemical vapor deposition (CVD), flame hydrolysis deposition (FHD), or sputtering, or any other method as long as it has an overcladding layer according to the optical waveguide structure design.
  • the overcladding layer 3 may be air (air clad).
  • An optical waveguide in which the overcladding layer 3 is an air clad is called a ridge-type optical waveguide.
  • An optical waveguide in which the side and top surfaces of the core layer 2 are covered with the overcladding layer 3 is called a buried-type optical waveguide.
  • the embodiments of the present disclosure can be applied to either the ridge-type or the buried-type.
  • the core size may be a relatively large core diameter (10 ⁇ m or more) that propagates light in multimode, or a small core diameter (10 ⁇ m or less) that propagates light in single mode. It may be an optical waveguide in which the core layer 2 has been thinned using a smart cut method or the like to attempt to reduce the core size, and the core diameter may be very small (in nm units).
  • the core shape may be a square, rectangular, trapezoid, or any other shape that can be processed.
  • the method for manufacturing the optical waveguide element of this embodiment includes direct bonding in step 1, thin film formation in step 2, optical waveguide formation and chip formation in step 3, optical property measurement in step 4, reprocessing in step 5, repetition of steps 4 and 5 in step 6, and overclad formation in step 7.
  • step 1 a substrate 20 of a nonlinear optical material that will become the core layer 2 is prepared, and the substrate 20 is directly bonded to a substrate 10 of a nonlinear optical material that will become the undercladding layer 1.
  • the direct bonding in step 1 uses a direct bonding technique that does not use adhesive, which leads to improved light loss resistance when high-intensity light is used as input light.
  • step 1 by selecting the thermal expansion coefficients of the substrate 10 of the undercladding layer 1 and the substrate 20 of the core layer 2 that are as close as possible, it is possible to suppress substrate cracking in the heat treatment process in the subsequent process.
  • the substrate formed by directly bonding the substrate 10 and the substrate 20 is also referred to as a bonded substrate.
  • the material of the substrate 10 that will become the undercladding layer 1 is not limited to a nonlinear optical material, and may be a linear optical material.
  • step 2 the substrate 20 of the nonlinear optical material that will become the core layer 2 of the bonded substrate is thinned.
  • the method for thinning there are no particular limitations on the method for thinning, and possible methods include a grinding and polishing process and the smart cut method.
  • the core layer 2 formed by thinning the substrate 20 is processed to form the cores 2a and 2b of the optical waveguide 40.
  • the processing method can be selected according to the required core shape.
  • the optical waveguide 40 includes one main optical waveguide (core 2a) and two sub-waveguides (cores 2b) along the main optical waveguide. The number of sub-waveguides may be one or three or more.
  • the overcladding layer 3 is not formed. If the overcladding layer 3 of the optical waveguide 40 is required, that is, if an embedded type optical waveguide is to be produced, it is formed in the following step 7.
  • step 3 the bonded substrate having the cores 2a and 2b of the fabricated optical waveguide 40 is chipped to produce the optical waveguide element 50.
  • chipping is to use a dicing saw, but there are no particular limitations on the processing method.
  • by optically polishing the end faces after chipping or coating them with an anti-reflective film it is possible to reduce the optical loss when light enters or exits the end faces of the optical waveguide element.
  • step 4 the optical characteristics of the manufactured cores 2a and 2b are measured. It is determined whether core 2a has the desired optical characteristics (target characteristics). If it is determined that core 2a has the target characteristics based on the measured optical characteristics, proceed to step 7 as necessary, but if it is determined that the measured core 2a does not have the target characteristics, proceed to step 5, which is reprocessing (trimming).
  • step 5 the core 2a of the main optical waveguide is trimmed.
  • at least one of the width W and thickness H of the core 2a of the main optical waveguide may be corrected.
  • One possible correction processing method is local structural modification using a local etching device.
  • step 6 steps 4 and 5 are repeated until the main optical waveguide (core 2a) has a structure that exhibits the target characteristics. Through this process, the structure of core 2a of the main optical waveguide that is finally obtained has the target characteristics.
  • step 7 an overclad layer 3 is deposited as necessary.
  • the optical waveguide 40 is a ridge-type optical waveguide including an underclad layer 1 (substrate 10), a core layer 2 (cores 2a and 2b), and an overclad layer 3. As described above, if the overclad layer 3 is an air clad, step 7 is omitted.
  • step 1 a substrate 20 of a nonlinear optical material that will become a core layer 2 to be bonded to a substrate 10 of a nonlinear optical material that will become an undercladding layer 1 is prepared.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a substrate 20 of a nonlinear optical material that will become the core 2a of the main optical waveguide and the core 2b of the sub optical waveguide.
  • a substrate 20 is fabricated that includes a region 2A that will be processed into the core 2a of the main optical waveguide in the subsequent step 3, and a region 2B adjacent to region 2A that will be processed into the core 2b of the sub optical waveguide.
  • a periodic polarization inversion structure having a uniform or uniform pitch ⁇ is formed over a length L in the light propagation direction (X direction).
  • n regions arranged adjacent to each other in the light propagation direction (X direction) are formed.
  • periodic polarization inversion structures having n different pitches ⁇ n are formed.
  • the periodic polarization inversion structure formed in the region 2A has a pitch ⁇ 3
  • the periodic polarization inversion structures formed in the five regions in the region 2B have pitches ⁇ 1 to ⁇ 5 , respectively.
  • the pitch ⁇ 3 may be a poling period corresponding to a wavelength of 775 nm
  • the remaining four pitches, ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 4 , and ⁇ 5 may be poling periods corresponding to wavelengths of 775 nm ⁇ 5 nm and 775 nm ⁇ 10 nm.
  • the poling periods may be poling periods corresponding to wavelengths of 775 nm ⁇ 10 nm and 775 nm ⁇ 20 nm.
  • the poling periods may be poling periods corresponding to wavelengths of 775 nm ⁇ 10 nm and 775 nm ⁇ 20 nm.
  • Substrate 10 and substrate 20 are then bonded together without the use of adhesive to produce a bonded substrate.
  • Direct bonding is a technique for firmly bonding substrates together.
  • step 2 the substrate 20 of the bonded substrate is thinned to form the core layer 2 according to the design value of the thickness of the cores 2a and 2b of the target optical waveguide 40.
  • the thickness (Z direction) of the substrate 20 after thinning is 0.5 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • Techniques for thinning the substrate 20 include a grinding/polishing process and a thinning process using smart cut. In this embodiment, there is no particular limitation on the thinning method, and either thinning by grinding/polishing or thinning by smart cut may be used.
  • a device that controls the flatness of the grinding and polishing platen is used to perform grinding and polishing until the optical waveguide is present at the desired depth.
  • a polishing process after the grinding and polishing process is completed a mirror-like polished surface (optical end face) can be obtained.
  • the parallelism of the substrate is measured using an optical parallelism measuring device, and the parallelism of the substrate as a whole can be obtained.
  • the thinning process using Smart Cut mainly consists of two steps: an ion implantation step and a thin film peeling step.
  • a ion implantation step helium or hydrogen ions are implanted into the substrate 20 that needs to be thinned to have a second-order nonlinear optical effect.
  • the ions are implanted from the substrate surface with a controlled acceleration voltage and controlled dose, and are trapped at a certain depth from the surface.
  • the ions used are preferably smaller than the atoms that make up the substrate, such as hydrogen or helium.
  • the substrate peeling step the substrate implanted with ions is heat-treated to peel off the substrate at the damaged layer within the substrate.
  • the heat treatment temperature in the substrate peeling step is set to a temperature below the Curie temperature of the second-order nonlinear optical crystal in order to prevent the patterned polarization direction from being destroyed.
  • the core layer thinned by the above method has an in-plane film thickness distribution due to its processing accuracy.
  • the thinning process by grinding and polishing which can produce a ridge-type optical waveguide 40 having a relatively large core layer 2 (cores 2a and 2b) with high optical damage resistance, has a relatively large processing limit in suppressing the film thickness distribution.
  • the film thickness distribution that exists due to these processing accuracy limits makes it difficult to produce an optical waveguide having the final target structure.
  • the thinned substrate 20 is processed to form the core 2a of the main optical waveguide and the core 2b of the sub-optical waveguide.
  • Fig. 4 shows the core 2a formed by removing a part of the region 2A, and the core 2b formed by removing a part of the region 2B.
  • the pitch D (Y direction) between the formed core 2a of the main optical waveguide and the core 2b of the sub-optical waveguide is 5 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the pitch D may be wider than 100 ⁇ m as long as it is within a range in which the height and width distribution can occur.
  • the core 2a of the ridge-type main optical waveguide and the core 2b of the sub-optical waveguide can be formed by a method using a dry etching process or a method using mechanical processing such as a dicing saw.
  • a method using a dry etching process or a method using mechanical processing such as a dicing saw.
  • the method for forming the cores 2a and 2b of the ridge-type optical waveguide 40 there are no particular limitations on the method for forming the cores 2a and 2b of the ridge-type optical waveguide 40, and the method may be a method using dry etching, a method using a dicing saw, or any other forming method.
  • the width of the optical waveguide may vary due to errors in the fabrication of the optical waveguide pattern in the photolithography process or errors in setting the etching rate in the dry etching process. In methods that use a dicing saw, the width of the optical waveguide may vary due to misalignment of the processed area.
  • Optical property measurement (step 4, step 6)
  • Light is incident on the core 2a of the main optical waveguide and the core 2b of the sub-optical waveguide formed in step 3, and the optical characteristics of the light output from the cores 2a and 2b having the periodic polarization inversion structure are measured.
  • the measured optical characteristics of the main optical waveguide are evaluated to determine whether they meet the target characteristics.
  • Figures 5(a) and (c) show the optical characteristics of light from two sub-optical waveguides along the main optical waveguide when there is no distribution in the film thickness and core width.
  • Figure 5(b) shows the optical characteristics of light from the main optical waveguide when there is no distribution in the film thickness and core width.
  • the optical characteristics shown in Figures 5(a) to (c) show the wavelengths of the second harmonic light generated by the periodic polarization inversion structure and their intensity (SHG intensity).
  • the wavelengths of the five peaks of SHG intensity shown in Figures 5(a) and (c) correspond to ⁇ 4 , ⁇ 2 , ⁇ 3 , ⁇ 1 , and ⁇ 5 of the core 2b, in order from the shortest wavelength side.
  • the wavelength of one peak of the SHG intensity shown in Fig. 5(b) corresponds to ⁇ 3 of the core 2a.
  • n is 3 or more and the peaks of the optical characteristics are arranged at equal intervals.
  • the optical characteristic of the second harmonic light in the periodic poled structure having the pitch ⁇ 1 shown in FIG. 4(a) is the second optical characteristic from the right in FIG. 5(a).
  • the wavelength of the peak of the optical characteristic corresponding to the pitch ⁇ 1 is 776 nm, and the half-width of the peak of the SHG intensity is about 0.2 nm.
  • the n regions in the region 2B are three or more regions, and the poled periodic structure of the three or more regions is preferably configured so that the three or more peaks of the optical characteristics are arranged at equal intervals.
  • the interval between the three or more peaks is preferably five times the half-width of the peaks or more.
  • FIG. 6(a) is a diagram showing the core 2a formed by removing a part of the region 2A in step 2 and the core 2b formed by removing a part of the region 2B.
  • FIG. 6(a) differs from FIG. 4 in that the core width distribution occurs in the second region from the left of the core 2a of the main optical waveguide and the core 2b of the sub optical waveguide.
  • FIG. 6(b) is a diagram showing the effective refractive index of a core having a width distribution.
  • the pitch D between the core 2a of the main optical waveguide and the core 2b of the sub optical waveguide is small, that is, when the core 2a and the core 2b are close to each other, the height and width distribution of the core 2a and the core 2b occurs at the same position in the X direction (the second region from the left). Therefore, it can be estimated that the effective refractive index of the core 2a of the main optical waveguide and the core 2b of the sub optical waveguide is generally as shown in FIG. 6(b).
  • Figures 7(a) and (c) show the optical characteristics of light from two sub-optical waveguides along the main optical waveguide when distributions occur in the film thickness and core width.
  • Figure 7(b) shows the optical characteristics of light from the main optical waveguide when distributions occur in the film thickness and core width (dashed line), and the optical characteristics of light from the main optical waveguide when the distributions are removed by trimming (solid line).
  • the optical characteristics of the second harmonic light generated in the periodically poled structure having the pitch ⁇ 2 set in the second region from the left in Figures 6(a) and (c) are measured as the second disturbed peak from the right in Figures 7(a) and (c), respectively.
  • a disturbed peak is, for example, a peak measured at a wavelength shifted to the shorter or longer wavelength side from a specified wavelength, or a peak with low intensity measured at a specified wavelength.
  • the optical characteristics of the second harmonic light generated in the periodically poled structure having a pitch ⁇ 3 set in the second region from the left in FIG. 6(b) are such that the SHG intensity peak is measured at a wavelength shifted from the desired wavelength, as shown by the dashed line in FIG. 7(b).
  • the error in the effective refractive index can be calculated back based on the optical characteristics of the sub-optical waveguide.
  • the amount of reworking (trimming amount) of at least one of the width and height of the core 2b in the sub-optical waveguide can be determined based on the back-calculated error in the effective refractive index.
  • core 2a of the main optical waveguide that was reprocessed in step 5 light is incident on core 2a, and the optical characteristics of the light output from core 2a and core 2b, which have a periodic polarization inversion structure, are measured to evaluate the optical characteristics and determine whether they meet the target characteristics. There is no need to measure the optical characteristics again for core 2b of the sub-optical waveguide that is not subject to reprocessing.
  • step 5 the core 2a of the main waveguide is reworked based on the measurement result of the optical characteristics of the sub optical waveguide in step 4.
  • the position of the core 2a of the main optical waveguide in the X direction to be reworked corresponds to the position of the core 2b in the X direction corresponding to the disturbance of the optical characteristics of the sub optical waveguide. More specifically, the portion of the main waveguide corresponding to the position of the region where the measured SHG intensity peak shifts occurs among the n regions in the sub optical waveguide is the target of reworking.
  • Reworking may be performed only when the SHG intensity peak is disturbed in the regions at the corresponding positions of the two sub optical waveguides on both sides of the main optical waveguide. For example, in one reworking, the width or height of the core 2a is trimmed (removed) by several nm to tens of nm. After the reworking, proceed to step 6, and steps 4 and 5 are repeated until the optical characteristics of the main optical waveguide become the target characteristics.
  • a local etching technique that can process only a targeted area with high precision is used as the trimming technique for the core 2a of the main optical waveguide, but any technique that can process the structure of the optical waveguide core with high precision may be used.
  • any high-precision local processing technique that has high spatial resolution and high etching control technology may be used.
  • step 7 After it is determined in step 4 that the optical characteristics of the main optical waveguide meet the target characteristics, in step 7, an overcladding layer 3 is formed as necessary.
  • FIG. 8 is a flowchart of a method for manufacturing an optical waveguide element according to the embodiment of the present disclosure described above. Steps S1 to S7 correspond to steps 1 to 7.
  • step S1 which corresponds to process 1, substrate 10 and substrate 20 are directly bonded.
  • Step S1 includes step S11 of preparing substrate 20 having region 2A and region 2B adjacent to region 2A, and step S12 of directly bonding prepared substrate 20 and substrate 10 that will become undercladding layer 1 to form a bonded substrate.
  • step S2 which corresponds to process 2, the substrate 20 of the bonded substrate formed in S1 is thinned to produce the core layer 2.
  • Step S3 which corresponds to process 3, an optical waveguide is formed and chipped.
  • Step S3 includes step S31, in which the core layer 2 of the bonded substrate is processed to form the core 2a of the main optical waveguide and the core 2b of the sub-optical waveguide, and step S32, in which the bonded substrate is chipped to produce the optical waveguide element 50.
  • step S4 which corresponds to process 4, the optical characteristics of the optical waveguide are measured.
  • Step S4 includes step S41 of measuring the optical characteristics of the core 2b of the sub optical waveguide, step S42 of measuring the optical characteristics of the core 2a of the main optical waveguide, and step S43 of evaluating whether the core 2a of the main optical waveguide has the target characteristics. If the core 2a of the main optical waveguide has the target characteristics, proceed to step S7. If the core 2a of the main optical waveguide does not have the target characteristics, proceed to step S5.
  • step S5 the core 2a of the main optical waveguide is reprocessed.
  • Step S5 includes step S51 for determining the portion of the core 2a of the main optical waveguide to be reprocessed based on the optical characteristics of the core 2b of the sub-optical waveguide.
  • step S51 the area of the core 2b corresponding to the disturbance in the optical characteristics of the sub-optical waveguide is identified, and the portion of the core 2a of the main optical waveguide corresponding to the area is determined as the portion to be reprocessed.
  • Step S5 further includes step S52 for trimming the portion of the core 2a of the main optical waveguide determined in S51.
  • step S52 the process returns to step S42, and the optical characteristics of the reprocessed core 2a of the main optical waveguide are measured.
  • a difference occurs in at least one of the width and height between the shape of the reprocessed portion of the core 2a of the main optical waveguide and the shape of the corresponding portion of the core 2b of the sub-optical waveguide. This difference corresponds to the amount of trimming.
  • step S43 If the core 2a of the main optical waveguide has the target characteristics in step S43, an overcladding layer 3 is formed as necessary in step 7, which corresponds to process 7.
  • the present disclosure makes it possible to provide an optical waveguide element having a waveguide structure that enables accurate determination of the trimming position using etching, and a method for manufacturing the same.
  • optical waveguide element and its manufacturing method disclosed herein are useful for realizing a highly efficient waveguide-type wavelength conversion element with a periodic polarization inversion structure.

Landscapes

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Abstract

本発明の光導波路素子は、第１の基板（１０）と、基板（１０）の上に形成された非線形光学材料の複数の光導波路（４０）とを備える。複数の光導波路（４０）は、１つの主光導波路のコア（２ａ）および主光導波路に沿って隣接する少なくとも１つの副光導波路のコア（２ｂ）を含む。主光導波路のコア（２ａ）は、光の伝搬方向に配列された１つまたは複数の領域を有し、主光導波路のコア（２ａ）における１つまたは複数の領域の各々は、所望のピッチを有する周期分極反転構造を有し、副光導波路のコア（２ｂ）は、光の伝搬方向に配列された複数の領域を有する。副光導波路のコアにおける複数の領域は、互いに異なるピッチを有する周期分極反転構造を有する。主光導波路のコア（２ａ）は、副光導波路の光学特性に基づいてトリミングされることにより、光の伝搬方向に対する実効屈折率が均一になっている。

Description

光導波路素子およびその製造方法
　本開示は、光導波路素子およびその製造方法に関する。
　従来、紫外～可視～近赤外～テラヘルツの波長帯域においてコヒーレント光の発生や変調をすることが可能な光学素子は、光通信システムにおける光信号の波長変換や光変調、光計測、光加工に代表される多岐にわたる分野において応用されている。なかでも非線形光学効果を利用する光学素子は、波長変換や電気光学効果において優れた特性を有することから、研究開発が進められている。
　非線形光学効果および電気光学効果を有する光学材料として、様々な種類の材料が開発されているが、なかでもニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3：ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3：ＬＴ）等に代表される酸化物系化合物基板は、高い二次非線形光学定数、高い電気光学定数を有し、広い波長帯域において透明であることから有望な材料として研究開発されている。ＬＮやＬＴの中でも、室温で自発分極することが可能な特性を生かして形成される、周期的に分極反転された構造を有する周期分極反転ニオブ酸リチウム（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ　Ｐｏｌｅｄ　ＬＮ：ＰＰＬＮ）や周期分極反転タンタル酸リチウム（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ　Ｐｏｌｅｄ　ＬＴ：ＰＰＬＴ）が広く用いられている。上記の光学材料は周期分極反転構造を有することにより、高い位相整合性を有し結果として高い二次非線形光学効果等を有することから、広く用いられている。ＰＰＬＮ、ＰＰＬＴの高い非線形性を用いた光デバイスとして、第二次高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）、差周波発生（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＤＦＧ）、和周波発生（Ｓｕｍ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＦＧ）を利用した波長変換素子が知られている。
　上述した技術を実現するには、高効率な波長変換素子の開発が必須である。波長変換効率の高効率化には、疑似位相整合技術が重要となる（非特許文献１参照）。疑似位相整合技術は非線形感受率の符号を周期的に反転した構造を形成することにより、光の伝搬方向に対して疑似的に位相整合を達成する手法である。この疑似位相整合は、非線形光学結晶中を伝搬する光の伝搬方向に対し非線形光学係数の符号を周期的に反転した構造を設けることで、基本となる光（入射光、励起光）と発生した光（第二次高調波）との波動ベクトルの差を周期構造の波数ベクトルで補償することで位相整合させる手法である。
　位相整合条件は、Δｋ＝ｋ2ω－２ｋω＝（２ω／ｃ）（ｎ2ω－ｎω）と表すことができる。ｋωおよびｋ2ωはそれぞれ基本波光および第二高調波光の波数であり、ｎωおよびｎ2ωはそれぞれ基本波光および第二高調波光に対する非線形光学材料の屈折率であり、ωおよび２ωはそれぞれ基本波光および第二高調波光の周波数であり、ｃは光速である。通常の材料では屈折率に波長分散があるため、ｎ2ω＝ｎωとならない。つまり、基本波光と第二次高調波光の速度が媒質中で一致しない。そのため、媒質中における第二次高調波光強度は光の伝搬距離に対して周期的に変化してしまう。この周期性を解消するため、非線形光学係数に対し周期的に変調を加えるという手法のことを疑似位相整合という。通常、非線形光学係数に対し周期的に変調を加えるために光学結晶の結晶軸を周期的に反転させる周期分極反転構造を用いる。この手法は、高効率導波路型波長変換素子実現において必須の技術となっている。
　疑似位相整合を利用する周期分極反転ＬＮ及びＬＴ導波路構造としては、これまでチタン拡散光導波路およびプロトン交換光導波路等の拡散型の光導波路が主流であった。これは、ＬＮは難加工性材料であるがゆえ拡散型光導波路以外の作製が困難であったことに因る。しかしながらこの拡散型光導波路は、作製時に光導波路を形成するため不純物を拡散させ、屈折率差を生じさせることから、光損傷耐性や長期信頼性の観点から課題があった。また、拡散型の光導波路構造では、高いパワーの光を光導波路に入射すると、フォトリフラクティブ効果により構造が損傷してしまうため、光導波路に入力できる光パワーに制限があった。
　この課題の解決手法の一つとして、リッジ型の光導波路についての研究開発がなされている。特に直接接合法によるリッジ型光導波路形成手法を用いると、高パワーの光入力が可能になり、高光強度の光変調信号の生成やレーザー加工技術等への応用が広がると予想されている。
M. Fejer et al., "Quasi-Phase-Matched Second Harmonic Generation : Tuning and Tolerances", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.28, No.11, 1992
　しかしながら、直接接合法によるリッジ型光導波路形成手法における各種プロセスの加工精度限界により実際に作製される光導波路構造は目標とする構造から逸脱してしまい、目標とする特性が得られないという課題があった。加工精度限界により生じる、目標導波路構造との乖離を埋めるトリミング技術として、導波路を局所的に加工可能な局所エッチング技術がある。この局所エッチング技術により、加工精度限界により生じた導波路伝搬方向における実効屈折率の分布を補償することが可能である。局所エッチング技術によりトリミングする位置を決定するには、事前に導波路の幅と厚みの両方を測定する必要があり、複数の検査装置を用いる工程となっていた。そのため作製工程自体が煩雑であるという問題があった。さらに、位相整合の直接的な光学評価をしておらず、局所エッチングによるトリミング位置の正確な把握は困難であった。
　本開示は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高精度局所加工技術を用いたトリミング位置の正確な把握を可能にする導波路構造を有する光導波路素子およびその製造方法を提供することにある。
　このような目的を達成するために、本開示の一実施形態にかかる光導波路素子は、第１の基板と、基板の上に形成された複数の光導波路と、を有し、複数の光導波路は、１つの主光導波路のコアおよび主光導波路に沿って隣接する少なくとも１つの副光導波路のコアを含み、主光導波路のコアは、光の伝搬方向に配列された１つまたは複数の領域を有し、主光導波路のコアにおける１つまたは複数の領域の各々は、所望のピッチを有する周期分極反転構造を有し、副光導波路のコアは、光の伝搬方向に配列された複数の領域を有し、副光導波路のコアにおける複数の領域は、互いに異なるピッチを有する周期分極反転構造を有し、主光導波路のコアは、副光導波路の光学特性に基づいてトリミングされることにより、光の伝搬方向に対する実効屈折率が均一になっている。
　また、本開示の別の実施形態にかかる光導波路素子の製造方法は、アンダークラッドとなる第１の基板と接合されたコア層である第２の基板を加工してリッジ型の複数の光導波路を形成することであって、複数の光導波路は、１つの主光導波路のコアおよび主光導波路に沿って隣接する少なくとも１つの副光導波路のコアを含み、主光導波路のコアは、光の伝搬方向に配列された１つまたは複数の領域を有し、主光導波路のコアにおける１つまたは複数の領域の各々は、所望のピッチを有する周期分極反転構造を有し、副光導波路のコアは、光の伝搬方向に配列された複数の領域を有し、副光導波路のコアにおける複数の領域は、互いに異なるピッチを有する周期分極反転構造を有する、ことと、主光導波路の光学特性および副光導波路の光学特性を計測することと、副光導波路の光学特性に基づいて主光導波路のコアを再加工して、主光導波路の光の伝搬方向に対する実効屈折率を均一にすることとを含む。
図１は、リッジ型の光導波路の断面構造を示す図である。 本開示の一実施形態の光導波路素子の製造方法を説明する図である。 本開示の一実施形態の光導波路素子における主光導波路および副導波路のコア層となる非線形光学材料の基板を説明する図である。 本開示の一実施形態の光導波路素子における主光導波路および副導波路の構造を説明する図である。 本開示の一実施形態の光導波路素子における主光導波路および副光導波路のＳＨＧスペクトルを説明する図であり、（ａ）および（ｃ）は副光導波路のＳＨＧスペクトルを示す図、（ｂ）は主光導波路のＳＨＧスペクトルを示す図である。 本開示の一実施形態の光導波路素子における実効屈折率分布を有する主光導波路および副導波路を説明する図であり、（ａ）は幅の分布を有するコアを示す図であり、（ｂ）は幅の分布を有するコアの実効屈折率を示す図である。 本開示の一実施形態の光導波路素子における実効屈折率分布を有する主光導波路および副導波路のＳＨＧスペクトルを説明する図であり、（ａ）および（ｃ）は副光導波路のＳＨＧスペクトルを示す図、（ｂ）は主光導波路のＳＨＧスペクトルを示す図である。 本開示の他の実施形態の光導波路素子の製造方法を示すフローチャートである。
　以下、図面を参照しながら本開示の実施形態について詳細に説明する。同一または類似の参照符号は、同一または類似の要素を示し、繰り返しの説明を書略する場合がある。以下の説明中の材料および数値は、例示であり、本開示の技術的範囲を限定することを意図しない。以下に説明する実施形態は、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、他の材料および数値を用いて実施してもよい。
　以下、直接接合により非線形光学材料のコア層とアンダークラッド層とが接合されたリッジ型の光導波路を例として、本開示の一実施形態の光導波路素子の製造方法を説明する。素子に含まれるリッジ型の光導波路は、例えば、ＰＰＬＮ光導波路とし得る。
（非線形光学材料の選定）
　本実施形態で用いる非線形光学材料は、非線形光学効果を有し、周期分極反転構造を形成できる材料であればいずれの材料でもよい。例として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ4：ＫＴＰ）等があげられる。周期分極反転構造を有する非線形光学材料に応じて、周期分極反転が失われないキュリー温度以下の光導波路加工条件に留意する。
（光導波路の構造）
　図１は、光導波路の断面構造を示す図である。図１に示すように、アンダークラッド層１、オーバークラッド層３、コア層２から構成される構造をとり、コア層２内部を光が伝搬する光導波路構造となっている。アンダークラッド層１とコア層２は直接接合により接合されることにより、高い光損傷耐性を有するため、光導波路内部にパワー密度の非常に高い励起光を入力することが可能となる。また、オーバークラッド層３の屈折率に関しては特に制限はなく、化学気相成長法(Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ)や火炎堆積法（Ｆｌａｍｅ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＦＨＤ）、スパッタリング法により堆積されたガラス等であってもよく、光導波路構造設計に応じたオーバークラッド層を有していればいずれでもよい。オーバークラッド層３の屈折率に関しては特に制限はなく、オーバークラッド層３は、空気(エアークラッド)であってもよい。オーバークラッド層３がエアークラッドの光導波路はリッジ型の光導波路と呼ばれる。コア層２の側面および上面がオーバークラッド層３で覆われた光導波路は埋め込み型の光導波路と呼ばれる。本開示の実施形態は、リッジ型または埋め込み型のいずれにも適用できる。
　またコアサイズに関しても特に制限はなく、マルチモードで光が伝搬する比較的大きなコア径（１０μｍ）以上のものであっても、シングルモードで光が伝搬する小コア径（１０μｍ）以下のものであってもよい。コア層２の薄膜化をスマートカット法等にて行い小コア化を試みた光導波路であって、そのコア径が非常に小さなコア径（ｎｍ単位）でもよい。また、コア形状に関しても特に制限はなく、正方形、長方形、台形、その他加工可能な形状であればいずれでもよい。
（光導波路形成手法）
　次いで図２を参照して本開示の一実施形態の光導波路素子の製造方法を説明する。
　図２に示すように本実施形態の光導波路素子の製造方法は、工程１の直接接合、工程２の薄膜化、工程３の光導波路形成およびチップ化、工程４の光学特性計測、工程５の再加工、工程６における工程４および工程５の繰り返し、並びに工程７のオーバークラッド形成を含む。
　工程１において、コア層２となる非線形光学材料の基板２０を作製し、アンダークラッド層１となる非線形光学材料の基板１０と基板２０を直接接合する。工程１における直接接合は、接着剤を用いない直接接合技術を用いることにより、高強度の光を入力光とした場合の光損失耐性の向上につながる。工程１において、アンダークラッド層１の基板１０とコア層２の基板２０の熱膨張係数は可能な限り近いものを選定することにより、後のプロセスでの熱処理プロセスにおいて基板割れを抑制することが可能になる。本開示において、基板１０と基板２０とを直接接合することにより形成された基板を接合基板ともいう。なお、アンダークラッド層１となる基板１０の材料は、非線形光学材料に限られず、線形光学材料であってもよい。
　工程２において、接合基板のうちのコア層２となる非線形光学材料の基板２０を薄膜化する。薄膜化の手法に関しては特に制限はなく、研削研磨工程やスマートカット法等が候補として挙げられる。
　工程３において、基板２０を薄膜化したコア層２を加工することにより光導波路４０のコア２ａおよび２ｂを形成する。光導波路形成手法に関しては特に制限はなく、ドライエッチングプロセスやダイシングソーによる光導波路４０のコア層２からの切り出し等が候補として挙げられる。必要となるコアの形状に応じて加工手法を選定し得る。本実施形態において光導波路４０は、１本の主光導波路（コア２ａ）と、主光導波路に沿った２つの副導波路（コア２ｂ）とを含む。副導波路の数は１本であっても、３本以上であってもよい。工程３において、オーバークラッド層３は形成しない。光導波路４０のオーバークラッド層３が必要な場合、すなわち埋め込み型の光導波路を作製する場合には、後の工程７において形成する。
　工程３において、作製した光導波路４０のコア２ａおよび２ｂを有する接合基板をチップ化して光導波路素子５０を生成する。チップ化の手法として、ダイシングソーを用いた手法が候補として挙げられるが、加工手法に特に制限はない。また、チップ化の後に端面を光学研磨したり、反射防止膜をコートしたりすることで、光導波路素子の端面において光が入射もしくは出射する際の光損失を低減することが可能になる。
　工程４において、作製したコア２ａおよび２ｂの光学特性を計測する。コア２ａが目標とする光学特性（目標特性）を有しているかどうかを判定する。計測した光学特性に基づいて、コア２ａが目標特性を有していると判定される場合は、必要に応じて工程７へと進み、計測したコア２ａが目標特性を有していないと判定される場合は、工程５の再加工（トリミング加工）へと進む。
　工程５において、主光導波路のコア２ａに対してトリミングを行う。この工程では、主光導波路のコア２ａの幅Ｗおよび厚さＨの少なくとも一方を補正し得る。補正加工の手法として局所エッチング装置を用いた局所的な構造改変が候補として挙げられる。
　工程６において、主光導波路（コア２ａ）が目標特性を発揮する構造となるまで工程４および工程５を繰り返す。この工程により、最終的に得られる主光導波路のコア２ａの構造は目標特性を有するものとなる。
　工程７において、必要に応じて、オーバークラッド層３を堆積する。本実施形態では、光導波路４０は、アンダークラッド層１（基板１０）と、コア層２（コア２ａおよび２ｂ）と、オーバークラッド層３を含むリッジ型の光導波路としている。上述したように、オーバークラッド層３をエアークラッドとする場合は、工程７は省略される。
（直接接合方法（工程１））
　工程１において、アンダークラッド層１となる非線形光学材料の基板１０と接合するコア層２となる非線形光学材料の基板２０を作製する。
　図３は、主光導波路のコア２ａおよび副光導波路のコア２ｂとなる非線形光学材料の基板２０を説明する図である。工程１において、後の工程３において主光導波路のコア２ａに加工される領域２Ａおよび領域２Ａに隣接して副光導波路のコア２ｂに加工される領域２Ｂを含む基板２０を作製する。矩形の領域２Ａおよび領域２ＢのＸ方向の長さは作製する主光導波路および副光導波路の長さＬに等しく、本実施形態ではＬ＝５０ｍｍとしている。
　領域２Ａには、光の伝搬方向（Ｘ方向）の長さＬにわたり、一様なまたは均一なピッチΛを有する周期分極反転構造が形成される。領域２Ｂには、光の伝搬方向（Ｘ方向）に隣接して配列されたｎ個の領域が隣形成される。ｎ個の領域には、互いに異なるｎ種類（ｎは２以上）のピッチΛnを有する周期分極反転構造が形成される。本実施形態は、ｎ＝５の場合を例示している。領域２Ａに形成される周期分極反転構造はピッチΛ3を有し、領域２Ｂにおける５つの領域に形成される周期分極反転構造はピッチΛ1からΛ5をそれぞれ有する。図３に例示する周期分極反転構造のピッチの大きさは、Λ4＞Λ2＞Λ3＞Λ1＞Λ5である。領域２Ｂにおける５つの領域のＸ方向の長さは、Ｌ／ｎ（＝１０ｍｍ）で等しい。このような領域２Ａおよび２Ｂにおける周期分極反転構造は、たとえば電界印加法により作製し得る。たとえば、ピッチΛ3を７７５ｎｍの波長に対応する分極反転周期とし、残りの４ピッチ、Λ1、Λ2、Λ4、およびΛ5を７７５ｎｍ±５ｎｍおよび７７５ｎｍ±１０ｎｍの波長に対応する分極反転周期とすることができる。７７５ｎｍ±５ｎｍおよび７７５ｎｍ±１０ｎｍの波長に対応する分極反転周期の代わりに、７７５ｎｍ±１０ｎｍおよび７７５ｎｍ±２０ｎｍの波長に対応する分極反転周期としてもよい。領域２Ｂにおける５つの領域に、線形に変化する５つ異なる波長に対応する分極反転周期を設定しておくことで、後述する光学特性の計測が容易になる。なお、複数の擬似位相整合のピークが得られる主光導波路を作製してもよい。この場合には、長さＬの領域２Ａにおいて光の伝搬方向（Ｘ方向）に配列された１つまたは複数の領域が設けられ、複数の領域の各々に所望のピッチを有する周期分極反転構造が形成される。
　次いで、接着剤を用いずに基板１０と基板２０とを接合して接合基板を作製する。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。
（薄膜化方法（工程２））
　工程２において、目的とする光導波路４０のコア２ａおよび２ｂの厚さの設計値にしたがって、接合基板のうちの基板２０を薄膜化してコア層２を形成する。薄膜化後の基板２０の厚さ（Ｚ方向）は、０．５μｍから２０μｍである。基板２０を薄膜化する技術として、研削・研磨工程やスマートカットによる薄膜化工程等がある。本実施形態においては薄膜化の手法に特に制限はなく、研削・研磨による薄膜化でもスマートカットによる薄膜化のいずれであってもよい。
　研削・研磨工程による薄膜化では、研削研磨用の定盤の平坦度が管理された装置を用いて、任意の深さに光導波路が存在するようになるまで研削研磨加工を施す。研削研磨工程終了後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得ることができる。
　スマートカットによる薄膜化工程は、主にイオンの打ち込み工程と薄膜の剥離工程の２つの工程からなる。イオン打ち込み工程では二次非線形光学効果を有する薄膜化をする必要がある基板２０に対しヘリウムもしくは水素イオンを打ち込む。イオンは制御された加速電圧と制御されたドーズ量のもと基板表面から打ち込まれ、表面からある一定の深さにトラップされる。使用するイオンは水素やヘリウムといった基板を構成する原子よりも小さいものが望ましい。基板剥離工程ではイオンを打ち込んだ上述の基板に対して熱処理を施すことで、基板内のダメージ層を境に基板を剥離する工程である。非線形光学材料が周期分極反転構造を有する場合には、パターニングされた分極方向を崩さないために、基板剥離工程における熱処理温度は二次非線形光学結晶のキュリー温度以下で行うことになる。
　上記手法により薄膜化したコア層は、その加工精度により面内膜厚分布を有する。特に高光損傷耐性が存在する比較的大きいコア層２（コア２ａおよび２ｂ）を有するリッジ型の光導波路４０が作製可能な、研削研磨による薄膜化プロセスでは膜厚分布抑制において比較的大きな加工限界が存在する。これら加工精度限界により存在する膜厚分布によって、最終的に目標とする構造を有する光導波路の作製が困難である。
（光導波路のコア層の形成方法（工程３））
　次いで、薄膜化した基板２０を加工して主光導波路のコア２ａおよび副光導波路のコア２ｂを形成する。図４は、領域２Ａの一部を除去することにより形成されたコア２ａ、および領域２Ｂの一部を除去することにより形成されたコア２ｂを示す図である。形成された主光導波路のコア２ａと副光導波路のコア２ｂとのピッチＤ（Ｙ方向）は、５μｍから１００μｍである。ピッチＤが小さいほど、すなわちコア２ａとコア２ｂが近いほど、Ｘ方向の同一の位置においてコア２ａおよびコア２ｂの高さおよび幅の分布が生じることなる。高さおよび幅の分布が生じる得る範囲であれば、ピッチＤを１００μｍよりも広くしてもよい。
　リッジ型の主光導波路のコア２ａおよび副光導波路のコア２ｂの形成手法として、ドライエッチングプロセスを用いる方法やダイシングソーに代表される機械加工を用いる方法等がある。本実施形態においてはリッジ型の光導波路４０のコア２ａおよび２ｂの形成手法に特に制限はなく、ドライエッチングを用いる方法であっても、ダイシングソーを用いる方法、その他の形成手法のいずれであってもよい。
　ドライエッチングを用いる手法では、フォトリソグラフィのプロセスにおける光導波路パターンの作製誤差またはドライエッチングプロセスにおけるエッチングレートの設定誤差等により、光導波路の幅に分布が生じ得る。ダイシングソーを用いる手法では、加工部の位置ずれにより、光導波路の幅に分布が生じ得る。
（光学特性計測（工程４、工程６））
　工程３において形成した主光導波路のコア２ａおよび副光導波路のコア２ｂに光を入射し、周期分極反転構造を有するコア２ａおよびコア２ｂから出力される光の光学特性を計測する。主光導波路については、計測した光学特性を評価し、目標特性となっているかどうかを判定する。図５（ａ）および（ｃ）は、膜厚およびコア幅に分布が無い場合の主光導波路に沿った２つの副光導波路からの光の光学特性を示す。図５（ｂ）は、膜厚およびコア幅に分布が無い場合の主光導波路から光の光学特性を示す。なお、図５（ａ）～（ｃ）に示す光学特性は、周期分極反転構造により発生する第二次高調波の光の波長とその強度（ＳＨＧ強度）を示している。図５（ａ）および（ｃ）の示すＳＨＧ強度の５つのピークの波長は、短波長側から順に、コア２ｂのΛ4、Λ2、Λ3、Λ1、Λ5に対応している。図５（ｂ）の示すＳＨＧ強度の１つピークの波長は、コア２ａのΛ3に対応している。なお、複数の擬似位相整合のピークが得られる主光導波路を作製する場合には、図５（ｂ）のＳＨＧ強度のピークは所望の複数の波長において計測されることになる。
　主光導波路に一様な分極反転周期を設定することで、図５（ｂ）に示すように、所望の光の波長の第二次高調波の光を計測することができる。一方、上述したように、副光導波路の５つの領域に、線形に変化する５つ異なる波長を対応する分極反転周期を設定しておくことで、図５（ａ）および（ｃ）に示すように、一度の計測において５つの波長の第二次高調波の光を計測することができる。形成した副導波路の計測の分解能（Ｌ／ｎ）は、１０ｍｍ（Ｌ＝５０ｍｍ、ｎ＝５）である。ｎの値を変えることで、分解能を変えることができる。ｎを３以上とし、光学特性のピークが等しい間隔で並ぶようにｎ個の領域における周期分極反転構造を構成することができる。互いに異なるピッチΛnに対応するｎ個の波長の間隔をＳＨＧ強度のピークの半値幅の５倍以上とすることで、副導波路のコアの計測において高い分解能を得ることができる。図４（ａ）に示すピッチΛ1を有する周期分極反転構造にける第二次高調波の光の光学特性は、図５（ａ）の右から２番目の光学特性である。ピッチΛ1に対応する光学特性のピークの波長は７７６ｎｍであり、ＳＨＧ強度のピークの半値幅は約０．２ｎｍである。隣接する光学特性のピークの波長（ピッチΛ3に対応する右から２番目の光学特性およびピッチΛ5に対応する右から１番目の光学特性）との間隔が、１ｎｍ（ピークの半値幅０．２ｎｍの５倍）以上あれば、高い分解能を得ることができる。したがって、図３において領域２Ｂにおけるｎ個の領域は３つ以上の領域であり、３つ以上の領域の分極反転周期構造は、光学特性の３つ以上のピークが等しい間隔に並ぶように構成されることが好ましくい。また、３つ以上のピークが等しい間隔はピークの半値幅の５倍以上であることが好ましい。
　図６（ａ）は、工程２において領域２Ａの一部を除去することにより形成されたコア２ａおよび領域２Ｂの一部を除去することにより形成されたコア２ｂを示す図である。図６（ａ）は、主光導波路のコア２ａおよび副光導波路のコア２ｂの左から２番目の領域にコアの幅の分布が生じている点で、図４と異なる。図６（ｂ）は、幅の分布を有するコアの実効屈折率を示す図である。上述したように、主光導波路のコア２ａと副光導波路のコア２ｂとのピッチＤが小さく、すなわちコア２ａとコア２ｂが近いとき、Ｘ方向の同一の位置（左から２番目の領域）においてコア２ａおよびコア２ｂの高さおよび幅の分布が生じることなる。したがって、主光導波路のコア２ａと副光導波路のコア２ｂの実効屈折率は、概して図６（ｂ）のようになると推定し得る。
　図６（ｂ）に示すように、コア２ａおよび２ｂにおける幅の分布が生じた領域の実効屈折率と幅の分布が生じていない領域の実効屈折率との間に差が生じる。この結果、幅の分布が生じた領域の周期分極反転構造により生じるＳＨＧ強度スペクトルにずれが生じる。
　図７（ａ）および（ｃ）は、膜厚およびコア幅に分布が生じた場合の主光導波路に沿った２つの副光導波路からの光の光学特性を示す。図７（ｂ）は、膜厚およびコア幅に分布が生じた場合の主光導波路からの光の光学特性（破線）、およびトリミングにより分布を除去した場合の主光導波路からの光の光学特性（実線）を示す。
　図５（ａ）および（ｃ）との比較から理解できるように、図６（ａ）および（ｃ）の左から２番目の領域に設定されたピッチΛ2を有する周期分極反転構造で発生する第二次高調波の光の光学特性は、図７（ａ）および（ｃ）において右から２番目の乱れが生じたピークとしてそれぞれ計測される。乱れが生じたピークとは、たとえば所定の波長から短波長側または長波長側にシフトした波長で計測されるピークや所定の波長において計測される強度が低いピークである。
　このことから、計測した副光導波路の光学特性の乱れに対応するコア２ｂのＸ方向の位置に生じている高さおよび幅の分布は、主光導波路のコア２ａのＸ方向の同じ位置にも生じていると推定し得る。特に、図７(ａ)および（ｃ）のように、主光導波路の両側の２本の副光導波路の対応する位置にある領域においてＳＨＧ強度のピークに乱れが生じた場合には、当該領域に対応する主光導波の部分に高さおよび幅の分布が生じている可能性が高くなる。また、副光導波路におけるＳＨＧ強度のピークのシフト量およびシフトが長波長側なのか短波長側なのかを測定することで、副導波路のどの領域においてコアの幅に分布が生じたかを把握することができ、同様に主導波路のどの領域においてコアの幅に分布が生じたかを把握することができる。図６（ｂ）の左から２番目の領域に設定されたピッチΛ3を有する周期分極反転構造で発生する第二次高調波の光の光学特性は、図７（ｂ）に破線で示すように、所望の波長からシフトした波長でＳＨＧ強度のピークが計測される。
　また、副光導波路の光学特性に基づいて実効屈折率の誤差を逆算することができる。さらに、逆算した実効屈折率の誤差に基づいて副光導波路に生じたコア２ｂの幅および高さの少なくとも一方を再加工すべき量（トリミング量）を把握することがでる。
　なお、工程５において再加工した主光導波路のコア２ａについても、コア２ａに光を入射し、周期分極反転構造を有するコア２ａおよびコア２ｂから出力される光の光学特性を計測して、光学特性を評価し、目標特性となっているかどうかを判定する。再加工の対象ではない副光導波路のコア２ｂについては、再び光学特性を計測する必要はない。
（再加工（トリミング加工）（工程５、工程６））
　工程５において、工程４における副光導波路の光学特性の計測結果に基づいて、主導波路のコア２ａを再加工する。再加工する主光導波路のコア２ａのＸ方向の位置は、副光導波路の光学特性の乱れに対応するコア２ｂのＸ方向の位置に対応する位置である。より具体的には、副光導波路におけるｎ個の領域のうちの計測したＳＨＧ強度のピークにシフトが生じた領域の位置に対応する主導波路の部分を再加工の対象とする。主光導波路の両側の２本の副光導波路の対応する位置にある領域においてＳＨＧ強度のピークに乱れが生じた場合のみ、再加工を行うようにしてもよい。たとえば、１回のあたりの再加工において、コア２ａの幅または高さを数ｎｍから１０数ｎｍだけトリミング（除去）する。再加工後、工程６へ進み、主光導波路の光学特性が目標特性となるまで、工程４および工程５を繰り返す。
　本実施形態では、主光導波路のコア２ａのトリミング加工の手法として、高精度に狙った範囲だけを局所的に加工することが可能な局所エッチング手法を用いるが、光導波路のコアの構造を高精度に加工できる手法であればいずれであってもよい。すなわち、すなわち高い空間分解能で高いエッチング制御技術を有る高精度局所加工技術のいずれも用いることができる。
（オーバークラッド形成（工程７））
　工程４において主光導波路の光学特性が目標特性になっていると判定された後に、工程７において、必要に応じてオーバークラッド層３を形成する。
　図８は、上述した本開示の実施形態の光導波路素子の製造方法のフローチャートである。ステップＳ１からＳ７は、工程１から工程７に対応するステップである。
　工程１に対応するステップＳ１において、基板１０と基板２０とを直接接合する。ステップＳ１は、領域２Ａおよび領域２Ａに隣接する領域２Ｂを有する基板２０を作製するステップＳ１１と、作製した基板２０とアンダークラッド層１となる基板１０とを直接接合して接合基板を形成するステップＳ１２とを含む。
　工程２に対応するステップＳ２において、Ｓ１で形成した接合基板の基板２０を薄膜化してコア層２を作製する。
　工程３に対応するステップＳ３において、光導波路を形成してチップ化する。ステップＳ３は、接合基板のコア層２を加工して、主光導波路のコア２ａおよび副光導波路のコア２ｂを形成するステップＳ３１と、接合基板をチップ化して光導波路素子５０を生成するステップＳ３２とを含む。
　工程４に対応するステップＳ４において、光導波路の光学特性を計測する。ステップＳ４は、副光導波路のコア２ｂの光学特性を計測するステップＳ４１と、主光導波路のコア２ａの光学特性を計測するステップＳ４２と、主光導波路のコア２ａが目標特性を有しているかどうかを評価するステップＳ４３とを含む。主光導波路のコア２ａが目標特性を有している場合、ステップＳ７へ進む。主光導波路のコア２ａが目標特性を有していない場合、ステップＳ５へ進む。
　工程５に対応するステップＳ５において、主光導波路のコア２ａを再加工する。ステップＳ５は、副光導波路のコア２ｂの光学特性に基づいて、主光導波路のコア２ａの再加工する部分を決定するステップＳ５１を含む。ステップＳ５１において、副光導波路の光学特性の乱れに対応するコア２ｂの領域を特定し、当該領域に対応する主光導波路のコア２ａの部分を、再加工する部分として決定する。ステップＳ５は、Ｓ５１で決定した主光導波路のコア２ａの部分をトリミングするステップＳ５２をさらに含む。ステップＳ５２の後、ステップＳ４２に戻り、再加工した主光導波路のコア２ａの光学特性を計測する。工程５における再加工の結果、主光導波路のコア２ａの再加工した部分の形状と副光導波路のコア２ｂの対応する部分の形状との間に、幅および高さの少なくとも一方に差が生じる。この差は、トリミング量に相当するものである。
　ステップＳ４３において主光導波路のコア２ａが目標特性を有している場合、必要に応じて、工程７に対応するステップ７において、オーバークラッド層３を形成する。
　以上説明したように、本開示によれば、エッチングを用いたトリミング位置の正確な把握を可能にする導波路構造を有する光導波路素子およびその製造方法を提供することが可能となる。
　本開示の光導波路素子およびその製造方法は、周期分極反転構造を有する高効率導波路型波長変換素子の実現に有用である。
　１　アンダークラッド層
　２　コア層
　２ａ、２ｂ　コア
　３　オーバークラッド層
　１０、２０　基板
　４０　光導波路
　５０　チップ

Claims (8)

  1. 　光導波路素子であって、
    　第１の基板と、
    　前記基板の上に形成された非線形光学材料の複数の光導波路と、
    を備え、
    　前記複数の光導波路は、１つの主光導波路のコアおよび前記主光導波路に沿って隣接する少なくとも１つの副光導波路のコアを含み、
    　前記主光導波路のコアは、光の伝搬方向に配列された１つまたは複数の領域を有し、
    　前記主光導波路のコアにおける前記１つまたは複数の領域の各々は、所望のピッチを有する周期分極反転構造を有し、
    　前記副光導波路のコアは、前記光の伝搬方向に配列された複数の領域を有し、
    　前記副光導波路のコアにおける前記複数の領域は、互いに異なるピッチを有する周期分極反転構造を有し、
    　前記主光導波路のコアは、前記副光導波路の光学特性に基づいてトリミングされることにより、前記光の伝搬方向に対する実効屈折率が均一になっている、
    光導波路素子。
  2. 　前記主光導波路のコアの幅または高さの一方が、前記主光導波路のコアの幅または高と異なる、請求項１に記載の光導波路素子。
  3. 　前記副光導波路が前記主光導波路の両側にそれぞれ１本ずつ形成されている、または
    　前記副光導波路が前記主光導波路の片側に１本形成されている、
    請求項１に記載の光導波路素子。
  4. 　前記副光導波路のコアにおける前記複数の領域は、３つ以上の領域であり、
    　前記３つ以上の領域における前記互いに異なるピッチを有する周期分極反転構造は、前記副光導波路の光学特性の３つ以上のピークが等しい間隔に並ぶように構成されている、請求項１に記載の光導波路素子。
  5. 　前記３つ以上のピークの前記等しい間隔は、ピークの半値幅の５倍以上である、請求項４に記載の光導波路素子。
  6. 　光導波路素子の製造方法であって、
    　アンダークラッドとなる第１の基板と接合されたコア層である第２の基板を加工してリッジ型の複数の光導波路を形成することであって、
    　　前記複数の光導波路は、１つの主光導波路のコアおよび前記主光導波路に沿って隣接する少なくとも１つの副光導波路のコアを含み、
    　　前記主光導波路のコアは、光の伝搬方向に配列された１つまたは複数の領域を有し、
    　　前記主光導波路のコアにおける前記１つまたは複数の領域の各々は、所望のピッチを有する周期分極反転構造を有し、
    　　前記副光導波路のコアは、前記光の伝搬方向に配列された複数の領域を有し、
    　　前記副光導波路のコアにおける前記複数の領域は、互いに異なるピッチを有する周期分極反転構造を有する、
    ことと、
    　前記主光導波路の光学特性および前記副光導波路の光学特性を計測することと、
    　前記副光導波路の光学特性に基づいて前記主光導波路のコアを再加工して、前記主光導波路の前記光の伝搬方向に対する実効屈折率を均一にすることと
    を含む、製造方法。
  7. 　前記主光導波路が目標特性を有しているかどうかを評価することをさらに備え、
    　前記主光導波路が目標特性を有していないと評価された場合に、前記副光導波路の光学特性に基づいて前記主光導波路のコアが再加工される、
    請求項６に記載の製造方法。
  8. 　前記副光導波路の光学特性に基づいて前記主光導波路のコアを再加工することは、
    　前記互いに異なるピッチを有する周期分極反転構造により発生する第二次高調波の光の強度に乱れが計測された前記複数の領域のうちの領域に隣接する前記主光導波路の部分のコアを再加工することを含む、
    請求項７に記載の製造方法。
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