(57)【要約】【課題】屈折率のほぼ等しい２枚の基板を接合して形成された光学素子において、中間層を設けずに、十分な実効的屈折率差及び十分な接合強度を有し、低損失な光導波路を実現すること。【解決手段】前記屈折率のほぼ等しい２枚の基板を接合して形成された光学素子は、導波路基板内に光導波路を備え、少なくとも光導波路の下の直接接合面に、前期光導波路に沿った非接合層を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合面を介して接合された、光学研磨された導波路基板と光学研磨されたベース基板とから構成される光学素子であって、
前記光学素子は、
前記導波路基板内にリッジ型の光導波路を備え、
前記光導波路の下の前記接合面において、光の伝播方向に沿って伸長する、少なくとも１つの非接合領域を備え、
リッジ部分以外のコア層にコア残層が存在せず、
前記光の伝播方向と接合面に鉛直な方向との両方に鉛直な方向における、前記非接合領域の幅は、前記光導波路の幅以下である
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記導波路基板と前記ベース基板とは、直接接合によって接合されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記導波路基板の屈折率と前記ベース基板の屈折率とはほぼ等しい、もしくは前記導波路基板の屈折率は前記ベース基板の屈折率より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記光学基板は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4、及び前記ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4の何れかにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、又はＩｎを添加したものからなる群から選ばれた少なくとも一つを添加物として含有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
【請求項５】
波長λ1の第１のレーザー光と波長λ3の第２のレーザー光とを入力し、前記第１のレーザー光と前記第２のレーザー光との差周波発生により、１／λ2＝１／λ3−１／λ1の関係にある波長λ2のコヒーレント光を出力し、前記コヒーレント光の波長λ2は、２μｍ≦λ2≦５μｍの範囲の何れかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項６】
波長λ1の第１のレーザー光と波長λ2の第２のレーザー光とのうちの少なくとも１つを入力し、和周波発生か第二高調波発生のいずれかにより、１／λ3＝１／λ1＋１／λ2または１／λ3＝２／λ1のいずれかの関係にある波長λ3のコヒーレント光を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項７】
前記光導波路は、光の入出力部においてテーパー構造を備え、
前記非接合層の本数は、前記テーパー構造において変化していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学素子。
【請求項８】
接合面を介して接合された、光学研磨された周期分極反転構造を有する導波路基板と光学研磨されたベース基板とから構成される、光学素子を製造する方法であって、
前記導波路基板の接合面に、エッチングにより、分極反転方向に伸長する少なくとも１つの凹部を形成するステップと、
前記ベース基板を前記接合面を介して前記導波路基板と重ね合わせ、熱処理することにより拡散接合を行い、前記ベース基板と前記導波路基板とを接着するステップと、
接着された前記導波路基板の表面を研磨装置を用いて研磨加工した後、ポリッシング加工を行って、薄膜基板を得るステップと、
エッチングにより、前記薄膜基板上にリッジ型の光導波路を作成するステップと
を備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及び光学素子の製造方法に関し、具体的には、接合基板において形成される光学素子及び光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信における光信号波長変換、光変調、光計測、光加工、医療、生物工学などの応用のための紫外域−可視域−赤外域−テラヘルツ域にわたるコヒーレント光の発生と変調のために、多くの非線形光学デバイス及び電気光学デバイスの開発が進められている。
【０００３】
このような素子に用いられる非線形光学媒質及び電気光学媒質としては種々の材料が研究開発されており、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）などの酸化物系化合物基板は、２次非線形光学定数及び電気光学定数が非常に高く有望な材料として知られている。このニオブ酸リチウムの高い非線形性を用いた光デバイスの一例として、擬似位相整合による差周波発生を利用した波長変換素子が知られている。
【０００４】
例えば、２μｍ乃至５μｍの中赤外の波長域には様々な環境ガスの基準振動などの強い吸収線が存在するため、小型の中赤外光源の開発が望まれている。このような中赤外域の光源には、技術的に成熟された１μｍ付近の励起光源と通信波長帯の信号光を用いることのできる差周波発生による中赤外光源が有望と考えられている。
【０００５】
波長変換素子において高効率を得るためには、光導波路型のデバイスが有効であり、種々の導波路が研究開発されているが、近年、結晶のバルクの特性をそのまま利用できることから、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性等の特徴を持つリッジ型の光導波路が研究開発されている。
【０００６】
二枚の基板を接合して形成された光学素子の一方の基板を薄膜化した後リッジ加工をすることにより、リッジ型の光導波路を形成することができる。この基板を接合する場合に、接着剤等を用いずに、基板同士を強固に接合する技術として、直接接合技術が知られている。
【０００７】
高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性等の特徴以外にも、例えば上述した差周波発生による中赤外域の光発生において、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、不純物の混入や接着剤等の吸収を回避できる点からも有望視されている。
【０００８】
強誘電体結晶基板であるニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムを、同種基板と直接接合し、高効率に中赤外光を発生させた例が報告されている（非特許文献１を参照）。
【０００９】
また、直接接合を用いることで、ガラス、半導体、強誘電体、圧電セラミックスなどの様々な材料を高精度に接合することができるので、光学素子への応用が期待されている。これまでに、誘電体基板、半導体基板、ガラス基板等の直接接合基板における光学素子が提案されている。
【００１０】
しかしながら、屈折率の等しい２枚の同種基板で構成された光学素子は、光導波路として用いることができなかった。また、例えばニオブ酸リチウム基板とＭｇドープニオブ酸リチウム基板を直接接合する場合のように、屈折率の異なる同種の基板を直接接合した場合においても、屈折率の低いＭｇドープニオブ酸リチウム基板を光導波路とすることは不可能であった。さらに、屈折率のほぼ等しい基板を直接接合することにより形成された光導波路においては、二枚の基板の屈折率差が小さく不十分なことから、光導波路のサイズを小さくすることができず、高い変換効率を得ることができないといった課題があった。
【００１１】
この課題に対し、二枚の基板間に薄膜を介して、それらを接合して形成した光学素子に関するいくつかの提案がなされている（特許文献１を参照）。二枚の基板を用いて、片方を導波層とした光学素子では、導波層になる基板の方の屈折率が高くなくてはならない。そこで、導波層よりも屈折率の低い薄膜を基板間に配置することで、基板の屈折率に関係なく光を導波させることができる。例えば、特許文献１では、薄膜材料としてＳｉＯ2を用いることが示されている。
【００１２】
このように、薄膜を両基板の間に設けることで、上述の問題を解決することができるが、薄膜を両基板の間に設けることには困難があった。
【００１３】
特許文献１に示されているように、薄膜としては、例えば、ＳｉＯ2を用いた場合には、薄膜層の表面粗さ制御が難しく、スパッタ膜や蒸着膜による薄膜では膜表面粗さが大きくなる。このような表面粗さでは、直接接合には不適当である。例えばＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition：化学気相蒸着)装置などを用いて薄膜を形成することで、表面粗さを小さくできるが、ＣＶＤは高価で大掛かりな装置であるという問題があった。また、薄膜形成条件などにより薄膜と基板との密着性や接合強度が不均一な分布を持ち、接合された基板を機械加工する場合に、それに対する強度が十分に得られないという問題があった。また、薄膜の厚みにより実効的な屈折率差が変化してしまうため、薄膜の厚みの制御を非常に高い精度で行なう必要があり、コスト・歩留まりの観点から問題があった。
【００１４】
さらに、通常の蒸着装置で実現されるＳｉＯ2などの薄膜はアモルファス形状であり、中赤外に対する吸収が強いため、中赤外域の光発生用の素子を実現するためにはこれらの材料を接合基板の中間層として用いるとはできないという問題があった。さらに、中赤外光の吸収が少ない材料としてはフッ化物系の材料が挙げられるが、潮解性を持つなど信頼性の観点から使用することが難しいという問題があった。
【００１５】
よって、中間層に薄膜材料を用いず実効的屈折率差を設ける手法が望まれていた。
【００１６】
中間層に薄膜材料を用いず実効的屈折率差を設ける手法として、非特許文献２に示される通り、エアーギャップと呼ばれる空げき層を設ける方法がこれまでに提案されている。直接接合法を用いてエアーギャップ層を設ければ、これまで中間層として用いていた材料に起因した吸収や信頼性の劣化要因を取り除くことができる。
【００１７】
図１に、非特許文献２で示されている従来のエアーギャップ導波路の構造の略図を示す。導波路基板であるＭｇドープのＬｉＮｂＯ3基板１１にギャップ１２と呼ばれる溝を形成した後、ベース基板であるＬｉＮｂＯ3基板１３に接合される。その後、所望の厚みまで薄膜化された導波路基板１１上にリッジ導波路１４が形成されている。
【００１８】
しかしながら、既存のエアーギャップ導波路には以下の問題点があった。
【００１９】
まず、導波路部分と基板部分が同じ材料で構成されるため、かかる既存のエアーギャップ導波路には漏れ損がある。つまり、空げきの幅が導波路基板上に形成される光導波路の幅よりも大きい必要があるため、光導波路の側面の、襟又は梯子と呼ばれるリッジ部分以外のコア層である、コア残層を残しておく必要がある。これにより、光導波路の光の伝播方向に対して垂直な、光の導波路の側面方向から光が漏れ、損失が増大するという問題があった。非特許文献３には、光の損失が、偏波によっては空げきの深さを十分に深くしても、あるレベル以下にはならない場合があることが理論的な計算により示されている。
【００２０】
さらに、光導波路の側面の、襟又は梯子と呼ばれるリッジ部分以外のコア層である、コア残層の残し量に対し、光の横方向への漏れ損失の量が大きく依存するため、リッジ導波路加工のトレランスが小さく、高精度に襟部分の残し量を制御する必要があり、歩留まり・生産性の観点からも問題があった。
【００２１】
また原理上、光導波路の側面に、襟又は梯子と呼ばれるリッジ部分以外のコア層である、コア残層を残しておく必要があり、リッジ部分以外のコア層である、コア残層の残し量に対し、光損失量のみならず光導波路の実効的屈折率が依存するため、ＬｉＮｂＯ3基板等の非線形光学媒質を用いた波長変換を行なう際には特性が劣化するという問題があった。
【００２２】
一般的に、高い変換効率を得るために、励起光と変換光との間の位相を整合する必要があり、例えば分極反転構造を用いた擬似位相整合法などが用いられる。この際、光導波路の実効的屈折率が変化すると、波長変換における中心波長が所望の値からずれることや、波長変換効率が低下するなどの問題があった。
【００２３】
また、空げきの幅が導波路基板上に形成される光導波路の幅よりも十分大きい必要があるため、１枚のウエハ内に作製することのできる光導波路の数が制限され、生産性・歩留まりの観点から問題があった。例えば空げきの幅を、導波路基板上に形成される光導波路の幅の１０倍程度取ると、空げき以外の接合面の領域も考慮すると、空げきを設けた場合のウエハ内に作製することのできる光導波路の数は、空げきを設けない場合の１／１０程度になってしまう。
【００２４】
また、中間層に薄膜材料を用いず実効的屈折率差を設ける別の手法として、特許文献２にあるように、導波路基板とベース基板の間にエアーホールと呼ばれる微小な空孔を設ける方法が提案されている。
【００２５】
しかしながら、既存の微小な空孔型（エアーホール型）の導波路には以下の問題点があった。
【００２６】
空孔の大きさを、百ナノメートル以下の光の波長に対して十分小さくする必要があるため、作製には電子リソグラフィ等を用いる必要があり、数センチオーダーの長長尺な素子を作製することが困難であり、高効率な波長変換素子を得ることが困難であった。また、電子リソグラフィを用いる必要があることから、コスト、生産性、歩留まりの観点からも課題があった。
【００２７】
さらに、空孔をランダムに配置しないと空孔の周期性により光の回折による損失が発生し得ることから、穴の開口率を上げることができなかった。つまり、実効的な屈折率差を大きくとることが困難であった。また、空孔の配置の周期性をなくすために複雑な設計が必要などの問題があった。
【００２８】
結論として、これまでに、結晶構造や熱膨張係数差による直接接合の強度及び基板割れ等の問題、中間層の膜厚の不均一性に起因した素子の特性・歩留まりの劣化、さらに、中間層の材料に起因した吸収による光の損失や信頼性の劣化要因を取り除くことが可能な、中間層に薄膜材料を用いることなく実効的屈折率差を設ける手法が望まれていた。しかしながら、低損失な光導波路の作製が可能で、十分な接合強度が得られ、十分な実効的屈折率差を設けることが簡便に歩留まりよく低コストでできる手法はなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特開平０６−２２２２２９号公報
【特許文献２】特開２００５−２９２２４５号公報
【非特許文献】
【００３０】
【非特許文献１】O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, and H. Suzuki, ‘‘Efficient 3-um difference frequency generation using direct-bonded quasiphase-matched LiNbO3 ridge waveguides,’’ Appl. Phys. Lett. 88, 061101 (2006).
【非特許文献２】ELECTRONICS LETTERS 14th October 2004 Vol. 40 No. 21
【非特許文献３】電子情報通信学会誌文誌  Ｃ  Ｖｏｌ．Ｊ８９−Ｃ  Ｎｏ．１０  ｐｐ.７００−７０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
本発明は、上記のような従来の課題を解決するためのものである。本発明により、屈折率のほぼ等しい２枚の基板を接合して形成された光学素子において、中間層に薄膜材料を用いずに十分な実効的屈折率差を設けることができ、十分な接合強度かつ低損失な光導波路を簡便に歩留まりよく形成することができる。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本発明の一実施形態は、接合面を介して接合された、光学研磨された導波路基板と光学研磨されたベース基板とから構成される光学素子であって、光学素子は、導波路基板内にリッジ型の光導波路を備え、光導波路の下の接合面において、光の伝播方向に沿って伸長する、少なくとも１つの非接合領域を備え、リッジ部分以外のコア層にコア残層が存在せず、光の伝播方向と接合面に鉛直な方向との両方に鉛直な方向における、非接合領域の幅は、光導波路の幅以下であることを特徴とする。
【００３３】
本発明の一実施形態において、導波路基板とベース基板とは、直接接合によって接合されていることを特徴とする。
【００３４】
本発明の一実施形態において、導波路基板の屈折率とベース基板の屈折率とはほぼ等しい、もしくは導波路基板の屈折率はベース基板の屈折率より小さいことを特徴とする。
【００３５】
本発明の一実施形態において、光学基板は、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4、及びＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4の何れかにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、又はＩｎを添加したものからなる群から選ばれた少なくとも一つを添加物として含有していることを特徴とする。
【００３６】
本発明の一実施形態において、波長λ1の第１のレーザー光と波長λ3の第２のレーザー光とを入力し、第１のレーザー光と第２のレーザー光との差周波発生により、１／λ2＝１／λ3−１／λ1の関係にある波長λ2のコヒーレント光を出力し、コヒーレント光の波長λ2は、２μｍ≦λ2≦５μｍの範囲の何れかであることを特徴とする。
【００３７】
本発明の一実施形態において、波長λ1の第１のレーザー光と波長λ2の第２のレーザー光とのうちの少なくとも１つを入力し、和周波発生か第二高調波発生のいずれかにより、１／λ3＝１／λ1＋１／λ2または１／λ3＝２／λ1のいずれかの関係にある波長λ3のコヒーレント光を出力することを特徴とする。
【００３８】
本発明の一実施形態において、光導波路は、光の入出力部においてテーパー構造を備え、非接合層の本数は、テーパー構造において変化していることを特徴とする。
【００３９】
本発明の一実施形態は、接合面を介して接合された、光学研磨された周期分極反転構造を有する導波路基板と光学研磨されたベース基板とから構成される、光学素子を製造する方法であって、導波路基板の接合面に、エッチングにより、分極反転方向に伸長する少なくとも１つの凹部を形成するステップと、ベース基板を接合面を介して導波路基板と重ね合わせ、熱処理することにより拡散接合を行い、ベース基板と導波路基板とを接着するステップと、接着された導波路基板の表面を研磨装置を用いて研磨加工した後、ポリッシング加工を行って、薄膜基板を得るステップと、エッチングにより、薄膜基板上にリッジ型の光導波路を作成するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によって屈折率のほぼ等しい２枚の基板を接合して形成された光学素子において、中間層に薄膜材料を用いずに十分な実効的屈折率差を設けることができ、十分な接合強度かつ低損失な光導波路を簡便に歩留まりよく形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来のエアーギャップ導波路の構造を示す概略図である。
【図２】本発明の第一の実施例にかかる光学素子の構造を示す概略図である。
【図３】本発明の第一の実施例にかかる光学素子を用いない場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明の第一の実施例にかかる光学素子を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明の第一の実施例にかかる光学素子の作製工程を説明する図である。
【図６】本発明の第一の実施例にかかる光学素子の作製工程を説明する図である。
【図７】本発明の第一の実施例にかかる光学素子を用いた差周波発生による中赤外光発生を説明する図である。
【図８】本発明の第二の実施例にかかる光学素子の構造を示す概略図である。
【図９】本発明の第二の実施例にかかる光学素子の端部の構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る光学素子及びその製造方法を詳細に説明する。
【実施例１】
【００４３】
図２は本発明の第一の実施例に係る光学素子の構造を説明する図である。
【００４４】
図２に示す構造は、分極反転構造を施したＺｎドープニオブ酸リチウムからなる導波路基板２１と、Ｍｇドープニオブ酸リチウムからなるベース基板２２とが、直接接合面２３で直接接合され、導波路基板２１を加工して形成されたリッジ光導波路２４の下の直接接合面に、光導波路に沿って平行な非接合層２５を複数本設けたものである。光導波路２４の下側に形成された非接合層が光導波路に対するレールのように見えることから、本発明による非接合層のことをエアーレール２５、本発明にかかる光導波路をエアーレール導波路と呼ぶこととする。
【００４５】
ここで、導波路基板２１及びベース基板２２の屈折率はそれぞれ、波長３．４μｍにおいて、２．０６及び２．０５であり、両基板の屈折率はぼぼ等しい。エアーレール２５の高さを約１μｍ、幅を約１μｍとする。エアーレール２５の本数は、４本である。また、光導波路２４のサイズは、高さが約８μｍ、幅が８μｍである。光導波路２４には、リッジ部分以外のコア層にコア残層がない。
【００４６】
導波路基板２１にエアーレール２５を設けることにより、エアーレール２５を含む領域の屈折率を小さくすることができ、光導波路２４の中に光を閉じ込めることができる。
【００４７】
本実施例では、導波路基板２１にエアーレール構造２５を設けているが、エアーレール構造をベース基板に設けても構わない。また、エアーレールは少なくとも光導波路２４の下に設けていれば本発明の効果を得ることができるが、その周辺、あるいは直接接合面２３全体に設けていても構わない。その場合、光導波路２４とエアーレール構造２５の位置を合わせることが容易になるという利点がある。
【００４８】
次に、本発明の効果をビーム伝搬法（ＢＰＭ：Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて計算した結果を示す。
【００４９】
図３に、本発明を用いず単純に直接接合を行なった後に、光導波路を形成した場合を示す。図３（Ａ）は、計算に用いた光導波路の断面構造を示し、Ｚｎドープニオブ酸リチウムからなる導波路基板３１と、Ｍｇドープニオブ酸リチウムからなるベース基板３２とを、直接接合したもので、導波路基板３１を加工してリッジ光導波路が形成されている。導波路基板の上部及び側部は空気層３３である。図３（Ｂ）に、ビーム伝搬法を用いた計算結果を示す。図３（Ｂ）から、導波路基板３１及びベース基板３２の屈折率がほぼ等しいため、ベース基板３２に光が漏れていることがわかる。このように、屈折率のほぼ等しい基板を接合して得られた光導波路においては、光の損失が増大する。また、屈折率差が不十分なため、光導波路のコアのサイズを小さくすることができないことは明らかである。このため、このような光学素子を波長変換に用いた場合、高い効率を得ることができない。
【００５０】
図４に、本実施例に係る場合を示す。図４（Ａ）は、計算に用いた光導波路の断面構造を示す。図４（Ａ）には、Ｚｎドープニオブ酸リチウムからなる導波路基板４１と、Ｍｇドープニオブ酸リチウムからなるベース基板４２とが直接接合され、導波路基板を加工して形成されたリッジ光導波路の下の直接接合面に、光導波路に沿って平行な非接合層（エアーレール）４４を設けた構造が開示される。導波路基板の上部及び側部に空気層４３がある。図４（Ｂ）に、ビーム伝搬法を用いた計算結果を示す。導波路基板４１の屈折率とベース基板４２の屈折率がほぼ等しいにもかかわらず、エアーレール４４を設けることにより、エアーレール４４を含む領域の屈折率を小さくすることができ、光導波路の中に光を閉じ込めることができている。また、光導波路には、リッジ部分以外のコア層にコア残層がないので、光導波路の側面方向の閉じ込めが十分であり、光漏れがおきていない。これにより、屈折率のほぼ等しい基板を接合して得られた光導波路においても、低損失な特性を得ることができる。屈折率差が十分なため、光導波路のコアのサイズを小さくすることが可能となっている。このような光学素子を波長変換に用いた場合、高い効率を得ることができる。
【００５１】
３．４μｍ光の差周波発生に用いる、１．０６４μｍの励起光と１．５５μｍの信号光に対して上記と同じ構造を用いてシミュレーションを行なった所、それぞれの波長に対しても、屈折率差を十分に大きくとることができ、光導波路の中に光を閉じ込めることができていることが確認できた。従って、１．０６４μｍ及び１．５５μｍの光に対しても低損失な光導波路が実現できる。
【００５２】
従来、光導波路を接合面に投影した領域にベース基板と接合している領域があると、光導波路の光閉じ込め効果は不十分となり導波路の伝播ロスが増大する。すなわち、非接合領域として、光導波路を接合面に投影した領域を含め、この投影領域よりもさらに広い領域が必要とされていた。しかしながら、我々は、光導波路を接合面に投影した領域にベース基板と接合している領域が存在しても、導波路の伝播損失を十分小さくすることができるエアーレール構造を見出した。これにより、リッジ部分以外のコア層にコア残層を残す必要がなくなり、光導波路の側面方向からの光の漏れを抑制することができる。
【００５３】
次にエアーレール構造の形状について述べる。光導波路の下の直接接合面に、光導波路の光の伝播方向に沿った４つの非接合層（エアーレール）領域を備えている。本実施例においては、各エアーレールの大きさは、深さが１μｍ、幅が１μｍ、エアーレール間の距離は１μｍとなっている。ここでは、非接合層（エアーレール）の幅を、エアーレール１つの幅と定義している。
【００５４】
従来、導波路基板とベース基板に微細構造を設ける場合、微細構造の形状が大きな場合には導波路を伝播する光が微細構造により散乱され導波路の損失が増大するため、微細構造の大きさを、光導波路を伝播する光の波長に対して十分小さい構造とする必要があった。しかしながら、本発明は、光導波路の光の伝播方向に沿った凹部構造であるエアーレール構造を用いることによって、例えば、波長１．０６４μｍに対してエアーレール構造が１μｍのような、構造の形状が光導波路を伝播する光の波長に対して十分に小さくない場合においても光の損失が増大しない。
【００５５】
エアーレール構造の本数は、少なくとも１本設ければ足りるが、３本以上が好ましい。エアーレール構造の面積は、接合強度や光導波路のサイズ及び基板間の屈折率差に依存する。
【００５６】
光導波路の下の接合面の面積に対する、エアーレール構造の面積の占める割合を変えることによって、実効的な屈折率を制御することができる。例えば、エアーレールの幅と接合面の幅の比を変える事により光導波路の感じる実効的な屈折率を制御することができる。接合面の幅に対するエアーレールの幅の比を大きく取れば実効的な屈折率を下げることができるので、より閉じ込めの強い光導波路を形成することができる。接合面の幅に対するエアーレールの幅の比をどの程度まで大きく取れるかは、接合強度に依存する。接合面の幅に対するエアーレールの幅の比を大きくし過ぎると、接合面の面積が不十分となり加工に耐え得る接合強度を得ることができない。エアーレール構造の面積は、接合強度及び光導波路下の接合面積に依存するが、光導波路下の接合面積に対して１／１０以上が好ましく、より好ましくは、光導波路下の接合面積に対して１／４以上である。
【００５７】
また、エアーレール構造の面積密度を変える別の手法として、エアーレール構造の本数を変化させるという方法を用いることもできる。超微細の加工プロセスを用いることなく実効的屈折率の制御を行なうことができるため、エアーレール構造の面積密度を部分的に変化させるような場合においては有用であると考えられる。例えば、この構造を用いることで、従来困難であった、光導波路の形状を簡便に３次元的に制御できるという利点がある。テーパー構造や導波モードの形状を変化させるモード変換器等への応用が可能となる。
【００５８】
エアーレールの深さに関しては、光導波路を伝播する光の波長の１／１０以上が好ましい。エアーレール構造が形成されている部分は屈折率の異なるクラッド層として作用する。このクラッド層が十分厚くないと、光導波路を伝搬する光の電界分布が基板側に漏れて光導波路の伝搬損失増大の原因となる。エアーレール（クラッド層）の厚みは、エアーレール構造の面積密度により条件が変わるが、最低でも導波路を伝搬する光の波長の１／１０程度は必要であり、より好ましくは、光導波路を伝播する光の波長の１／５以上である。
【００５９】
エアーレールの幅は、小さい分には原理的には問題がない。しかしながら、エアーレールの幅を小さくすればするほど深さ方向とのアスペクト比が高くなるため、加工が難しくなる。よってエアーレールの最小幅は加工限界によって制限される。現状の技術を用いた場合、エアーレールの幅が０.３μｍ以上であれば通常のフォトリソグラフィを用いて作製することができる。よって本実施例に示した、１μｍのエアーレールの幅は通常のフォトリソグラフィを用いて簡便かつ低コストで実現することができる。
【００６０】
以下にその製造方法を説明する。
【００６１】
図５は本実施例に用いた波長変換素子用薄膜基板を作製する工程を示すフロー図である。図５に示すように、本実施例においては、導波路基板としてあらかじめ１．５μｍの光及び１．０６４μｍの光と、結晶内で発生する３．４μｍ帯の光との間で位相整合条件が満たされるように周期分極反転構造が作製されているＺカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ3基板５１を用いた。ベース基板５２としてＺカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ3基板を用いた。導波路基板５１とベース基板５２は、熱膨張係数がほぼ一致している。また、導波路基板５１の屈折率とベース基板５２の屈折率はほぼ等しいが、ベース基板５２のほうが若干小さい。なお、導波路基板５１及びベース基板５２は何れも両面が光学研磨されてある３インチウエハである。導波路基板５１の厚さは３００μｍ、ベース基板５２の厚さは５００μｍである。
【００６２】
まず、周期分極反転構造の施されている導波路基板５１の直接接合面に凹部５３を形成する。凹部の形成方法は様々あるが、本実施例ではドライエッチングを用いる。導波路基板５１全面にレジストを塗布し、通常のフォトリソグラフィのプロセスによってエアーレール構造に対応するマスクパターンを形成した。その後、ドライエッチング装置に基板をセットし、Ａｒガスをエッチングガスとして導波路基板の直接接合面の表面をエッチングすることによりエアーレール構造を作製した。
【００６３】
次に、導波路基板５１及びベース基板５２の表面を通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、これら二つの基板５１、５２をマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせた。そして、この重ね合わせた導波路基板５１及びベース基板５２を電気炉に入れ、４００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行った。接着された基板は接合面にマイクロパーティクル等の挟み込みがなくてボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しなかった。
【００６４】
次に、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の導波路基板５１の厚さが２０μｍになるまで研磨加工を施した。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得ることができた。基板の平行度（最大高さと最小高さとの差）を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、波長変換素子の作製に好適な薄膜基板５４を作製することができた。この薄膜基板５４は、接着剤を用いず、導波路基板５１とベース基板５２とを熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせることにより作製したため、３インチウエハの全面積にわたって均一な組成及び均一な膜厚を持つ。
【００６５】
その後、作製した薄膜基板５４を用い、光導波路の作製手段としてドライエッチングプロセスを用いて波長変換素子を作製した。即ち、薄膜基板５４（導波路基板５１）の表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製した後、ドライエッチング装置に基板をセットし、Ａｒガスをエッチングガスとして薄膜基板５４（導波路基板５１）の表面をエッチングすることによりリッジ型光導波路を作製した。エアーレール構造を設けても直接接合の強度が十分に取れるため、エッチングはベース基板が掘れるまで行い、光導波路の側面が完全に空気層となるまで行なうことが出来た。
【００６６】
光導波路の側面が完全に空気層となっているため、横方向の閉じ込めが強く低損失な光導波路を実現できた。さらに、エアーレール構造を設けることにより、ベース基板との間に十分な実効的屈折率差を設けられているため、ベース基板への光の漏れを抑えることができ、非常に低損失な光導波路を実現することができた。
【００６７】
本実施例においては、光導波路の作製手段としてはドライエッチングプロセスを用いたが、ダイシングなどの機械加工の技術を用いてもよい。一般的には、ドライエッチングより機械加工を用いたほうが、低コスト化が測れる。しかしながら、ダイシングなどの機械加工を用いた場合、機械加工においては深さ方向の加工精度を出すことが難しいため、エアーギャップ導波路といった、光導波路の側面に襟又は梯子と呼ばれるリッジ導波路部以外の残し部分を残しておく必要のある構造を作製するとこは非常に困難であった。一方、本発明にかかるエアーレール導波路においては、側面を完全に空気層とすることができる、つまりクラッド層まで十分深く光導波路を加工しても光導波路を形成することができるため、ダイシングなどの機械加工の技術を用いることができる。実際に、作製を試みたところ、クラッド層まで十分深く加工してしまえば、深さ方向の精度は緩やかになるため、ダイシングなどの機械加工を用いても性能の高い波長変換素子を形成できた。
【００６８】
図６に示すように、光導波路６１は３インチウエハである薄膜基板６２に平行に複数本作製した。そして、これらの光導波路６１毎に薄膜基板６２を短冊状に切り出し、光導波路６１の両端面６１ａを光学研磨することによって長さ５０ｍｍの波長変換素子６３を作製した。
【００６９】
ウエハ内に作製できる光導波路の本数について述べる。エアーレール導波路においては、光導波路の少なくとも下の部分にエアーレール構造が形成されていればよいため、光導波路間の距離にエアーレール構造に起因した制限がかかることはない。従って、光導波路間の距離は、光の染み出しによる、隣の光導波路への電界の重なりが起きない範囲で近づけることができる。光導波路の上部及び側部が空気層の場合は、閉じ込めが強いため、側部からの電界のしみだしは小さく、ベース基板に漏れ出した光を解した電界の重なりに注意する必要がある。しかしながら、エアーレール導波路を用いることにより、ベース基板への電界の漏れ出しを十分小さくできるため、光導波路間の距離を小さくすることができる。これにより、１枚のウエハ内に多数の光導波路を形成でき、歩留まりと生産性を向上させることができる。
【００７０】
図７は、作製した波長変換素子を用いた差周波波発生による中赤外光発生の構成を示す概略図である。同図に示すように、波長１．５６μｍの信号光Ａと、波長１．０６４μｍの励起光Ｂは合波器７１により合波されて、波長変換素子７２に入射される。光導波路中で非線形光学効果における差周波波発生により別の波長を持つ変換光Ｃへと変換され、信号光Ａ及び励起光Ｂと共に導波路から出射される。出射された変換光Ｃと信号光Ａ及び励起光Ｂとは、分波器７３により分離される。信号光Ａ、励起光Ｂの波長をそれぞれλ1、λ3とすると変換光Ｃの波長λ2は、１／λ2＝１／λ3−１／λ1を満たす。よって、波長λ2＝３．４μｍの差周波光Ｃを生成することができる。
【００７１】
作製した素子の、規格化変換効率は100%/Wと非常に高い値が得られた。
【００７２】
本実施例のように、差周波発生によって中赤外光を発生する場合、入力する励起光及び信号光の波長に対して、波長変換によって発生する中赤外光の波長は長波になる。長波になると、一般に、光の閉じ込め効果が弱くなり、光導波路からの光の漏れ量が大きくなりやすい。また、通常の蒸着装置で実現されるＳｉＯ2などの薄膜はアモルファス形状であり、中赤外に対する吸収が強いため、中赤外域の光発生用の素子を実現するにはこれらの材料を接合基板の中間層として用いるとはできない。
【００７３】
よって本出願に掛る発明は、差周波発生による中赤外光発生に特に有効である。つまり、本実施例に係る波長変換素子は、波長λ1のレーザー光と波長λ3のレーザー光とを入力し、１／λ2＝１／λ3−１／λ1の関係を満たす波長λ2のコヒーレント光を出力する波長変換素子であり、波長λ2が２μｍ乃至５μｍである場合に特に有効であると考えられる。
【実施例２】
【００７４】
図８は、本発明の第二の実施例に係る光学素子の光導波路の形状の略図である。図８において、Ｍｇドープニオブ酸リチウムからなる導波路基板８１と、Ｚｎドープニオブ酸リチウムからなるベース基板８２とが、直接接合面８３で直接接合され、導波路基板８１を加工して形成されたリッジ光導波路８４の下の直接接合面に、光導波路に沿って平行なエアーレール構造８５を設けた構造が開示されている。
【００７５】
エアーレール構造８５の幅は０．５μｍ、高さは１μｍである。リッジ光導波路８４の矩形断面の幅は８μｍ、高さは８μｍである。
【００７６】
本実施例と第一の実施例との相違点は、光の入力部に対応する光導波路の端部において、エアーレールの本数が端部に向かうにつれて徐々に減っていること及び光導波路の幅、高さが端部に向かうにつれて徐々に広がっていることである。
【００７７】
非線形光学媒質を用いた波長変換素子においては、光導波路の導波層のサイズを小さくすると、光のパワー密度を高め、理論的には高い効率を得ることができる。しかしながら、光導波路の導波層のサイズが小さくなると、他の光素子、例えばファイバなどとの接続が困難になるという問題があった。
【００７８】
また、非線形光学媒質を用いた波長変換素子においては、入力光のエネルギーが大きいほど、高い変換光の出力エネルギーを得られることから、光導波路の導波層の小径化による効率の増加と、光の入出力の損失とのトレードオフは大きな問題であった。
【００７９】
従来、直接接合を用いた光導波路においては、光導波路の幅のテーパー構造は実現することができたが、厚みのテーパー構造を実現することは困難であった。なぜならば、直接接合を用いた光導波路においては、光導波路の導波路基板の厚みは、光学研磨などによって達成されるため、面内での厚みは均一となる。また、ウエットエッチングやドライエッチング等を用いても、制御性よく厚みの異なる光導波路形状を実現することは困難であった。
【００８０】
しかしながら、本実施例に係る構造を用いれば、単に導波層及びクラッド層の間のエアーレールの「本数」の調整を行なうという単純な構成で、厚み方向においてもテーパー構造を設けることができることを見出した。
【００８１】
エアーレール構造の深さ又は幅を、光導波路の端部で徐々に変えることによっても、光導波路の厚み方向のテーパーを実現することができる。しかしながら、エアーレールの本数の制御は、構造作製の際のフォトリソグラフィに用いるフォトマスクの形状に反映させるだけでよく、超微細加工等の複雑な加工技術が不要であり、簡便かつ低コストで実現することができる。
【００８２】
図９に、本実施例に係る形態の光入力部に対応する、端部の形状の詳細を説明するための、上面投射図を示す。
【００８３】
以下、本実施例に係る形態の光入力部に対応する、端部の形状について説明する。
【００８４】
リッジ光導波路８４の幅は８μｍであるが、入力端部で１０μｍとなるように線形に変化している。テーパー構造を持つ入力端部の長さは約８０μｍである。
【００８５】
リッジ光導波路８４の下に形成されている、エアーレールの本数は８本であるが、入力端部では１本である。幅方向のテーパー構造に対応して、エアーレールの本数は８本から入力端部での１本に向けて徐々に変化する。具体的には、約１０μｍ間隔で、１本ずつ本数を減らしていく。
【００８６】
これにより、入力端部では、実効的な光導波路のコアサイズが、幅１０μｍ及び高さ９μｍとなる光導波路を実現できた。１．５５μｍ帯のシングルモードファイバをバットジョイントにて接続、光のカップリング損を測定したところ、テーパー構造がない場合に比べ１ｄＢ以上高いカップリング効率が得られた。その際、テーパー構造を設けたことによる光導波路の過剰損失の増加は見られなかった。
【００８７】
上記の実施例においては、Ｚｎドープニオブ酸リチウムからなる導波路基板と、Ｍｇドープニオブ酸リチウムからなるベース基板を使用しているが、光学基板として、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ3（０≦ｘ≦１）、ＫＴｉＯＰＯ4、及びこれらのうちの何れかにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、又はＩｎを添加したものからなる群から選ばれた少なくとも一つを添加物として含有するものを使用することができる。
【００８８】
また、上記の実施例においては、差周波発生により、コヒーレント光を出力しているが、和周波発生または第二高調波発生により、コヒーレント光を出力することもできる。
【００８９】
さらに、上記の実施例においては、光入力部に対応する端部において、エアーレールの本数を調整しているが、光出力部に対応する端部においても、エアーレールの本数を調整することができる。
【符号の説明】
【００９０】
１１  ＭｇＯドープのＬｉＮｂＯ3導波路基板
１２  ギャップ
１３  ＬｉＮｂＯ3ベース基板
１４  リッジ導波路
２１  導波路基板
２２  ベース基板
２３  直接接合面
２４  リッジ光導波路
２５  エアーレール
３１  導波路基板
３２  ベース基板
３３  空気層
４１  導波路基板
４２  ベース基板
４３  空気層
４４  エアーレール
５１  導波路基板
５２  ベース基板
５３  凹部
５４  薄膜基板
６１  光導波路
６１ａ  光導波路の端面
６２  薄膜基板
６３  波長変換素子
７１  合波器
７２  波長変換素子
７３  分波器
８１  導波路基板
８２  ベース基板
８３  直接接合面
８４  リッジ光導波路
８５  エアーレール
【図１】
2011257558.tif 000003
【図２】
2011257558.tif 000004
【図５】
2011257558.tif 000005
【図６】
2011257558.tif 000006
【図７】
2011257558.tif 000007
【図８】
2011257558.tif 000008
【図９】
2011257558.tif 000009
【図３】
2011257558.tif 000010
【図４】
2011257558.tif 000011