(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオブ、タンタルおよびカリウムからなる群より選ばれた一種以上の金属元素とリチウムとの複合酸化物単結晶からなる基材にレーザー光を照射することで光導波部を形成し、この光導波部のレーザー加工面を強アルカリによってウエットエッチング処理することで、前記レーザー加工面に付着している加工屑を除去することを特徴とする、光導波路の製造方法。
【請求項２】
前記酸化物単結晶がニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムおよびニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記酸化物単結晶がニオブ酸リチウムであり、前記加工屑が主として酸化ニオブからなることを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記酸化物単結晶が、ニオブ酸カリウムリチウム、タンタル酸カリウムリチウム、ニオブ酸カリウムリチウム−タンタル酸カリウムリチウム固溶体からなる群より選ばれていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記ウエットエッチングを５０℃以上、９０℃以下で行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の方法によって製造されたことを特徴とする、光導波路。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の方法によって製造された光導波路と、この光導波路中に形成されている周期分極反転構造とを備えていることを特徴とする、疑似位相整合方式の波長変換デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、疑似位相整合方式の第二高調波発生デバイス、光変調素子として好適に使用できる光導波路の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、各種材料に光導波路を形成し、光を制御するデバイスを開発しようとする研究がなされており、こうしたデバイスが、光通信用のシステムに組み込まれようとしている。特に、いわゆるリッジ型光導波路が、光変調器、光スイッチング素子等において期待されている。また、光ピックアップに用いられる青色レーザー用光源として、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム単結晶に周期的な分極反転構造を形成した光導波路を使用した疑似位相整合（Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ  ：ＱＰＭ）方式の第二高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ−Ｈａｒｍｏｎｉｃ−Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）デバイスが期待されている。第二高調波発生デバイスは、光ディスクメモリー用、医学用、光化学用、各種光計測用等の幅広い応用が可能である。
【０００３】
本出願人は、特開平９−２６９４３０号公報において、酸化物単結晶をエキシマレーザーによってアブレーション加工することで、第二高調波発生デバイス用のリッジ型光導波路を形成することを開示した。こうした酸化物単結晶として、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体を開示した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者が更に検討を進めたところ、次の問題点があることが判明してきた。即ち、例えばニオブ酸リチウム単結晶を含む基板をエキシマレーザーで加工して光導波路を形成した後、光導波路にコヒーレント光を通すと、光の一部が光導波路の表面から散乱することがあった。
【０００５】
本発明の課題は、酸化物単結晶からなる基材にレーザー光を照射することで光導波路を形成するのに際して、光導波路に光を伝搬させたときの光導波路表面からの光の散乱を抑制することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ニオブ、タンタルおよびカリウムからなる群より選ばれた一種以上の金属元素とリチウムとの複合酸化物単結晶からなる基材にレーザー光を照射することで光導波部を形成し、この光導波部のレーザー加工面を強アルカリでウエットエッチング処理することで、レーザー加工面に付着している加工屑を除去することを特徴とする、光導波路の製造方法に係るものである。
【０００７】
本発明者は、光導波路に光を伝搬させたときの光導波路表面からの光の散乱の原因を追求する過程で、次の知見に至った。即ち、こうした散乱の原因を調査したところ、光導波路の表面に一種の加工屑が付着し、この加工屑と光導波路との界面において光の散乱が生じていた。
【０００８】
従って、この加工屑の屈折率は、光導波路を構成する酸化物単結晶の屈折率とは異なっており、このために両者の界面に沿って光の散乱が生じていることが分かった。この屈折率の相違から、光導波路を構成する酸化物単結晶と、加工屑の材質とは異なっているものと考えられた。
【０００９】
この知見に基づき、加工屑のみを優先的に除去し、光導波路の表面の粗れを抑制する方法を検討した結果、加工屑を除去できるような条件でウエットエッチング処理を行うことによって、光導波路の表面に過度の粗れや欠陥を生じさせることなく加工屑を除去し、光導波路表面における光の散乱を抑制できることを発見した。
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。図１は、レーザー加工前の基材１１を概略的に示す横断面図であり、図２（ａ）は、レーザー加工後の光導波路デバイス５Ａを示す横断面図であり、図２（ｂ）はデバイス５Ａの一部拡大図である。
【００１１】
図１に示すように、本例の基材１１は、基板１、アンダークラッド層２、高屈折率層３、オーバークラッド層４を備えている。少なくとも高屈折率層は酸化物単結晶からなる。高屈折率層３の屈折率は、オーバークラッド層４、アンダークラッド層２の各屈折率よりも充分に高く、これによって高屈折率層３内に光を閉じ込めることが可能になっている。
【００１２】
この基材１１の表面側からレーザー光を照射し、図２（ａ）に示すような形態の溝６Ａ、６Ｂを形成する。溝６Ａ、６Ｂは、好ましくは互いに平行に延びており、溝６Ａと６Ｂとの間にリッジ構造部１０Ａが形成されている。６ａは溝の底面であり、６ｂは溝の側壁面であり、ともにレーザー加工面である。高屈折率層３をレーザー加工することによって、リッジ構造部１０Ａに三次元光導波路９Ａが形成される。９ａ、９ｂは光導波路９Ａのレーザー加工面である。この光導波路９Ａは、オーバークラッド層８とアンダークラッド層７との間に挟まれている。
【００１３】
ここで、特に図２（ｂ）に模式的に示すように、光導波路９のレーザー加工面９ａ（９ｂ）には、符号１２で示すような加工屑が付着することがあった。このような加工屑の性状はこれまで知られていない。しかし、光導波路９Ａと加工屑１２との界面付近から光が散乱しているので、両者の屈折率は異なるものと考えられた。そこで、本発明者は、加工屑１２をウエットエッチング処理によって除去可能なことを発見し、かつ加工屑１２が除去可能な条件下で光導波路９Ａのレーザー加工面９ａ（９ｂ）には顕著な粗れや障害は生じないことを見いだした。
【００１４】
本発明において、光導波路の形態は特に限定されない。例えば、図３に示す光導波路デバイス５Ｂは、リッジ構造部１０Ｂを備えている。リッジ構造部１０Ｂは、基板１のリッジ部１ａと、リッジ部１ａ上に形成された三次元光導波路９Ｂとを備えている。
【００１５】
図４に示す光導波路デバイス５Ｃは、リッジ構造部１０Ｃを備えている。リッジ構造部１０Ｃは、基板１のリッジ部１ａと、リッジ部１ａ上に形成されたアンダークラッド層７と、アンダークラッド層７上に形成された三次元光導波路９Ｂとを備えている。
【００１６】
本発明において、光導波路の材質は酸化物単結晶である。しかし、光導波路デバイスの光導波路以外の部分（例えばアンダークラッド層、オーバークラッド層、基板）の材質は、酸化物単結晶には限定されない。これらの材質は、例えばセラミックス、光学樹脂、酸化物単結晶であってよい。
【００１７】
光導波路は、好ましくは三次元光導波路であるが、必ずしもこれには限定されず、スラブ光導波路であってもよい。
【００１８】
本発明においては、光導波路を構成する酸化物単結晶が、リチウムと、ニオブ、タンタルおよびカリウムからなる群より選ばれた一種以上の金属元素との複合酸化物単結晶である。そして、加工屑は、主として酸化物単結晶を構成する金属元素のうち一種以上の酸化物からなる。特に好ましくは、加工屑が、主として酸化物単結晶を構成する金属元素のうち一種の酸化物からなる。
【００１９】
ここで、加工屑中には、主成分の前記酸化物以外に、ドープされた金属元素や不純物が含有されていてよい。
【００２０】
酸化物単結晶がリチウムを含む複合酸化物である場合には、複合酸化物のレーザー加工の際にリチウム元素が蒸発、飛散し、リチウム以外の金属元素の酸化物が光導波路の表面に残留する傾向があるものと思われる。
【００２１】
特に好適な実施形態においては、リチウム以外の金属元素が、ニオブ、タンタルおよびカリウムからなる群より選ばれた一種以上の金属元素である。こうした酸化物単結晶としては、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ニオブ酸カリウムリチウム、タンタル酸カリウムリチウム、ニオブ酸カリウムリチウム−タンタル酸カリウムリチウム固溶体が挙げられる。これらの場合には、加工屑の主成分は、酸化ニオブ、酸化タンタル、あるいは酸化ニオブ−酸化タンタルであった。ただし、こうした加工屑材質中には、リチウム、カリウム、ニオブ、タンタル以外の金属元素も、酸化物単結晶の結晶構造を破壊しない限りにおいてドープされていてよい。
【００２２】
特に好適な実施形態においては、酸化物単結晶が、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体からなる群より選ばれる。
【００２３】
酸化物単結晶中には、ドープ成分として、希土類元素を含有させることができる。希土類元素は、レーザー発振用の添加元素として作用する。この希土類元素としては、特にＮｄ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｐｒが好ましい。
【００２４】
また、酸化物単結晶中に、ドープ成分として、マグネシウム、亜鉛、チタン、バナジウム、鉄、スカンジウムおよびインジウムからなる群から選ばれた一種以上の金属原子を含有させることができる。これらの元素は、耐光損傷特性を向上させる作用を有している。
【００２５】
ウエットエッチング用のエッチャントとしては、各種の強アルカリを例示できる。ただし、フッ酸のような強力なエッチャントは、光導波路を構成する酸化物単結晶をエッチングするので好ましくない。
【００２６】
特に好適な実施形態においては、エッチャントが強アルカリ性薬剤である。強アルカリ性とは、ｐＨ１４以上の薬剤を言う。こうしたエッチャントとしては、アルカリ金属の水酸化物を含有する溶液が挙げられるが、これには限定されない。アルカリ金属水酸化物としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、および水酸化ナトリウムと水酸化カリウムとの混合物が好ましい。また、溶液は水溶液が好ましいが、アルカリ金属水酸化物を溶解する有機溶媒の溶液であってもよい。
【００２７】
ウエットエッチング時のエッチャントの温度は限定されない。しかし、加工屑の除去を促進するという観点から５０℃以上が好ましく、７０℃以上が更に好ましい。また、下地である光導波路の表面の粗れを防止するという観点からは９０℃以下であることが好ましく、８０℃以下であることが更に好ましい。
【００２８】
レーザー加工の方法については、特開平９−２６９４３０号公報に開示されている。例えば、酸化物単結晶を加工するためのレーザービームの種類としてはエキシマレーザー、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーの第４次高調波が好ましく、エキシマレーザーが特に好ましい。
【００２９】
エキシマレーザーは、紫外線のパルス繰り返し発振レーザーであり、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）などの気体状の化合物が発振する紫外光を、光共振機により方向性を揃えて取り出したものである。
【００３０】
エキシマレーザーの応用技術に関する文献としては、「Ｏ  ｐｌｕｓ  Ｅ」１９９５年１１月号、第６４〜１０８頁の特集「実用期に入ったエキシマレーザー」を挙げることができる。
【００３１】
好適な実施形態においては、レーザー光の波長は、１９０−４００ｎｍであり、特に好ましくは１９３−３３７ｎｍである。
【００３２】
本発明の光導波路デバイスを使用して、光の強度、位相を変調するための光変調器なしい光スイッチング素子などを作製できる。この際、光を変調するための電極の形態は特に制限されない。また、本発明の光導波路デバイスを利用し、光導波路内に周期分極反転構造を形成することによって、波長変換素子を作製できる。
【００３３】
【実施例】
（実験Ａ）
図１、図２を参照しつつ説明したようにして、図２（ａ）のデバイス５Ａを製造した。厚さ０．５ｍｍの、Ｘカットされた３インチウエハー（ＬｉＮｂＯ３  単結晶）を準備した。このウエハーの上に、液相エピタキシャル法によって、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなるアンダークラッド層２を形成した。次いで、液相エピタキシャル法によって、アンダークラッド層２上に、ニオブ酸リチウム単結晶からなる光導波層３を形成した。次いで、光導波層３の上に、液相エピタキシャル法によって、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶からなるオーバークラッド層４を形成した。
【００３４】
エキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を使用し、スポットスキャン方式によって露光し、溝６Ａ、６Ｂを形成した。ウエハーの表面におけるレーザー光の出力が１Ｊ／ｃｍ２となるようにし、レーザー光の走査速度を０．１ｍｍ／ｓとし、パルスの繰り返し周波数を５０Ｈｚとし、パルス幅を３ｎｓｅｃとした。この加工によって、深さ５μｍ、幅５μｍの溝６Ａ、６Ｂを形成した。
【００３５】
次いで、光導波路９Ａの端面にシングルモード光ファイバーを接続し、レーザー光を入射させたところ、光導波路９Ａのレーザー加工面９ａ、９ｂから光の散乱が観測された。
【００３６】
光導波路９Ａのレーザー加工面に付着した加工屑をＸ線回折法によって分析したところ、酸化ニオブの回折ピークが観測され、ニオブ酸リチウムのピークは観測されなかった。また、ＥＤＸによる分析結果も同様であった。
【００３７】
次いで、前記デバイスの表面を、各種のエッチャントを使用してウエットエッチング処理した。デバイスから各試料を切り出し、７０℃に保持された各エッチャント中に各試料を１０分間浸漬した。次いで、この試料を７０℃の純水に１０分間浸漬し、常温の純水によって洗浄した。次いで、除湿エアーガンによって試料から水分を除去し、乾燥した。
【００３８】
ウエットエッチング処理に用いたエッチャントは、以下のように変更した。（エッチャント１：強アルカリ水溶液）
ｐＨ１４を超える強アルカリ水溶液を使用した。この水溶液には、２５重量％の水酸化カリウムと、３０重量％の水酸化ナトリウムとが溶解されている。この結果、加工屑はエッチング後に除去されていた。また、光導波路９Ａの表面は特にエッチングの痕跡はなく、表面の粗れも見られなかった。
【００３９】
（エッチャント２：弱アルカリ水溶液）
ｐＨ９−１０の弱アルカリ水溶液を使用した。この水溶液には、２５重量％の水酸化カリウムと、３０重量％の水酸化ナトリウムとが溶解されている。この結果、加工屑はエッチングされた痕跡があったが、光導波路の表面に残留していた。また、光導波路９Ａの表面はエッチングの痕跡はなかった。
【００４０】
（エッチャント３：強酸水溶液）
強酸水溶液を使用した。この水溶液には、５０重量％の硫酸が溶解されている。この結果、加工屑は若干エッチングされた痕跡があったが、光導波路の表面にほぼそのまま残留していた。また、光導波路９Ａの表面にはエッチングの痕跡が見られた。
【００４１】
（エッチャント４：弱酸水溶液）
弱酸水溶液を使用した。この水溶液には、２０重量％のアンモニアが溶解されている。この結果、加工屑はエッチングされた痕跡があったが、光導波路の表面に残留していた。また、光導波路９Ａの表面にはエッチングの痕跡が見られなかった。
【００４２】
（実験２）
ニオブ酸カリウムリチウム単結晶からなるウエハーを準備した。
エキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）をスポットスキャン方式によって基材に照射し、２本の平行な溝を形成した。ウエハーの表面におけるレーザー光の出力が１Ｊ／ｃｍ２となるようにし、レーザー光の走査速度を０．１ｍｍ／ｓとし、パルスの繰り返し周波数を５０Ｈｚとし、パルス幅を３ｎｓｅｃとした。この加工によって、深さ５μｍ、幅５μｍの溝を形成した。
【００４３】
光導波路の表面に付着した加工屑をＸ線回折法によって分析したところ、酸化ニオブの回折ピークが観測され、ニオブ酸カリウムリチウムのピークは観測されなかった。また、ＥＤＸによる分析結果も同様であった。
【００４４】
このウエハーから試料を切り出し、前述のようにしてエッチャント１−４を用いてウエットエッチング処理を行った。この結果を説明する。
【００４５】
（エッチャント１：強アルカリ水溶液）
加工屑はエッチング後に除去されていた。また、光導波路の表面は特にエッチングの痕跡はなく、表面の粗れも見られなかった。
【００４６】
（エッチャント２：弱アルカリ水溶液）
加工屑はエッチングされた痕跡があったが、光導波路の表面に残留していた。また、光導波路９Ａの表面はエッチングの痕跡はなかった。
【００４７】
（エッチャント３：強酸水溶液）
加工屑は若干エッチングされた痕跡があったが、光導波路の表面にほぼそのまま残留していた。また、光導波路の表面にはエッチングの痕跡が見られた。
【００４８】
（エッチャント４：弱酸水溶液）
加工屑はエッチングされた痕跡があったが、光導波路の表面に残留していた。また、光導波路の表面にはエッチングの痕跡が見られなかった。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、酸化物単結晶からなる基材にレーザー光を照射することで光導波路を形成するのに際して、光導波路に光伝搬させたときの光導波路表面からの光の散乱を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザー加工前の基材を概略的に示す横断面図である。
【図２】（ａ）は、レーザー加工によって形成された光導波路デバイス５Ａを概略的に示す横断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の部分拡大図である。
【図３】レーザー加工によって形成された光導波路デバイス５Ｂを概略的に示す横断面図である。
【図４】レーザー加工によって形成された光導波路デバイス５Ｃを概略的に示す横断面図である。
【符号の説明】１  基板        ２、７  アンダークラッド層        ３  高屈折率層        ４、８  オーバークラッド層        ５Ａ、５Ｂ、５Ｃ  光導波路デバイス        ６Ａ、６Ｂ  レーザー加工によって形成された溝
９Ａ、９Ｂ  光導波路        ９ａ、９ｂ  光導波路のレーザー加工面        １０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  リッジ構造部        １１  基材
１２  加工屑
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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