(57)【要約】【課題】光の閉じ込めが強く、生産性にも優れた光導波路素子を得る。また、そのような光導波路素子を生産性良く作製できる方法を得る。【解決手段】ＬｉＮｂＯ３基板１１にチャンネル状に延びるリッジ構造１４を形成し、このリッジ構造１４においてリッジの両側端間を延びる、基板材料よりも高屈折率のイオン拡散層１２からなる光導波部を形成する。その作製には、例えばＬｉＮｂＯ３基板１１にプロトン拡散層１２を形成した後、一方向に延びる２本の溝１３、１３を機械加工等によって形成し、それらの溝１３、１３の間の部分をリッジ構造１４とする方法を用いる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬｉＮｂＯ３基板にチャンネル状に延びるリッジ構造が形成され、このリッジ構造においてリッジの両側端間を延びる、基板材料よりも高屈折率のイオン拡散層からなる光導波部が形成されてなる光導波路素子。
【請求項２】
前記イオン拡散層が、プロトン交換層からなることを特徴とする請求項１記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記イオン拡散層の上に、該光導波部よりも低屈折率のクラッド部が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記クラッド部の屈折率が基板材料の屈折率と略等しいことを特徴とする請求項３記載の光導波路素子。
【請求項５】
前記クラッド部が、前記イオン拡散層にＬｉ拡散を行って形成されたものであることを特徴とする請求項３または４記載の光導波路素子。
【請求項６】
前記クラッド部が、前記イオン拡散層の上に、基板とは別の部材を接合して形成されたものであることを特徴とする請求項３または４記載の光導波路素子。
【請求項７】
請求項１から６いずれか１項記載の光導波路素子を作製する方法であって、
ＬｉＮｂＯ３基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、
このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さで該基板をエッチングして、前記リッジ構造を形成することを特徴とする光導波路素子の作製方法。
【請求項８】
請求項１から６いずれか１項記載の光導波路素子を作製する方法であって、
ＬｉＮｂＯ３基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、
このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さの溝を機械加工して、前記リッジ構造を形成することを特徴とする光導波路素子の作製方法。
【請求項９】
前記機械加工が、ダイシングソーによる切削加工であることを特徴とする請求項８記載の光導波路素子の作製方法。
【請求項１０】
前記イオン拡散層を形成した後、
このイオン拡散層の上に基板とは別の部材を接合し、
該別の部材が接合された状態のまま前記ダイシングソーによる切削加工を行うことを特徴とする請求項９記載の光導波路素子の作製方法。
【請求項１１】
前記切削加工後に、前記別の部材を基板から取り外すことを特徴とする請求項１０記載の光導波路素子の作製方法。
【請求項１２】
前記切削加工後に、前記別の部材を基板に接合したままの状態としておくことを特徴とする請求項１０記載の光導波路素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路素子およびその作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光波長変換素子や光変調素子などを構成するためのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）光導波路素子の作製方法として、プロトン交換を用いる例が種々報告されている（例えば、非特許文献１および２参照）。この方法は、例えば、ニオブ酸リチウム基板上に、光導波路作製領域を規定する開口を有するマスクを形成し、該マスクを介してニオブ酸リチウム結晶の表面部分のＬｉ＋を酸中のＨ＋（プロトン）と交換する方法であり、この方法では、プロトン濃度により深さ方向と幅方向の屈折率段差が制御される。この方法によれば、屈折率分布を半導体プロセスにより比較的容易に得ることが可能である。
【０００３】
また、その他の光導波路素子作製方法として、リッジを形成する方法を挙げることができる。この方法は、基板上にニオブ酸リチウム結晶を接着剤等により貼り付け、ニオブ酸リチウム結晶の表面を研磨して薄くした後、結晶表面にダイシング等により溝加工を行って、チャンネル状のリッジ構造からなる光導波部を形成するものである（例えば特許文献１、非特許文献３参照）。この方法によれば、ステップ型の屈折率分布が得られるため、光の閉じ込めが強い光導波路素子を得ることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２５０９４９号公報
【０００５】
【非特許文献１】
Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ（ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス）  ５４  （１１）  １９８３年  １１月  ｐ．６２１８
【０００６】
【非特許文献２】
Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ（ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス）６６  （１１）  １９８９年  １２月  ｐ．５１６１
【０００７】
【非特許文献３】
レーザー研究  ２０００年  ９月号  ｐ．６００
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のプロトン交換をはじめとしたイオン拡散方式を適用して光導波路素子を作製する場合は、屈折率分布がグレーデッドになるため光の閉じ込めが不十分となるだけでなく、特に該素子を光波長変換デバイスとして用いた場合には、基本波と波長変換波との重なりが悪くて、モードマッチング効率が低くなるという問題を招く。
【０００９】
一方、リッジを形成して光導波路素子を作製する場合は、導波方向に垂直な面内において、基板表面と平行な方向（リッジ構造の幅方向）についてはステップ型屈折率分布を得ることができるが、基板厚さ方向にステップ型屈折率分布を得るためには、前述の特許文献１や非特許文献３に示されるような高精度の表面研磨制御技術が必要となって、生産性に難が認められる。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みて、光の閉じ込めが強く、また生産性にも優れた光導波路素子を提供することを目的とする。
【００１１】
また本発明は、上述のような光導波路素子を生産性良く作製することができる方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の光導波路素子は、ＬｉＮｂＯ３基板にチャンネル状に延びるリッジ構造が形成され、このリッジ構造においてリッジの両側端間を延びる、基板材料よりも高屈折率のイオン拡散層からなる光導波部が形成されてなることを特徴とするものである。
【００１３】
なお上記のイオン拡散層は、例えばプロトン交換やあるいはＴｉ拡散によって形成することができる。
【００１４】
また上記イオン拡散層の上には、該光導波部よりも低屈折率のクラッド部が形成されていることが望ましい。そのようなクラッド部は、基板と屈折率が略等しいものであることが望ましく、例えば上記イオン拡散層にＬｉ拡散を行って形成することもできるし、あるいは該イオン拡散層の上に基板とは別の部材を接合して形成することもできる。
【００１５】
他方、上述した構成の光導波路素子を得るための本発明による第１の光導波路素子の作製方法は、ＬｉＮｂＯ３基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さで該基板をエッチングして、前記リッジ構造を形成することを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明による第２の光導波路素子の作製方法は、ＬｉＮｂＯ３基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さの溝を機械加工により形成して、前記リッジ構造を形成することを特徴とするものである。
【００１７】
なお上記の機械加工としては、ダイシングソーによる切削加工を好適に用いることができる。その場合は、前記イオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層の上に基板とは別の部材を接合し、該別の部材が接合された状態のままダイシングソーによる切削加工を行うことが望ましい。上記別の部材は、切削加工後に基板から取り外してもよいし、あるいは、基板に接合したままの状態としておいてもよい。
【００１８】
上記別部材は、常温直接接合によってイオン拡散層の上に接合するのが望ましい。この常温直接接合は、接合界面を原子レベルで洗浄し、密着させて接合する技術である。イオンビーム照射等による洗浄、メカニカルプレス等による密着は共に真空チャンバー内で行われる。接合は原子力によるもので、異種部材同士の接合も可能である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の光導波路素子においては、ＬｉＮｂＯ３基板にチャンネル状に延びるリッジ構造が形成され、このリッジ構造においてリッジの両側端間を延びる、基板材料よりも高屈折率のイオン拡散層からなる光導波部が形成されているので、基板厚さ方向の屈折率分布は基本的にグレーデッド型となるが、この方向の屈折率分布はイオン拡散濃度を制御することにより容易に制御可能である。よってこの光導波路素子は、基板厚さ方向に屈折率段差を持たせるために高精度の表面研磨を必要とする従来の光導波路素子と比較すれば、生産性良く作製され得るものとなる。その一方、リッジ構造の幅方向（基板表面に平行な方向）の屈折率分布はステップ型となるので、本発明の光導波路素子は光の閉じ込めが強いものとなり得る。
【００２０】
したがって、本発明の光導波路素子から光波長変換素子を構成した場合は、基本波と波長変換波との重なりが大きくなってモードマッチング効率が向上し、それにより高い波長変換効率を得ることができる。
【００２１】
なお上記イオン拡散層がプロトン交換によって形成される場合は、プロトン交換条件を最適化することにより、基板厚さ方向について、光閉じ込めの良い屈折率段差を実現することができる。
【００２２】
また、本発明の光導波路素子において、基板厚さ方向の屈折率分布は上述の通り基本的にグレーデッド型となるが、上記イオン拡散層の上（つまりこの層に対して、イオン拡散がなされずに元の基板材料そのままとなっている部分と反対側）に、該光導波部よりも低屈折率のクラッド部を形成して、このイオン拡散層からなる光導波部を埋込み導波路化すれば、基板厚さ方向の屈折率分布に対称性を出すことができ、上記モードマッチング効率をさらに高めることが可能である。特にそのクラッド部が、基板と屈折率が同じあるいは近いものである場合には、上記屈折率分布の対称性がより良好なものとなる。
【００２３】
他方、本発明による第１の光導波路素子の作製方法は、ＬｉＮｂＯ３基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さで該基板をエッチングして、前記リッジ構造を形成するようにしたので、上述の光導波路素子を生産性良く作製可能となる。
【００２４】
また本発明による第２の光導波路素子の作製方法も、ＬｉＮｂＯ３基板の表面部分にイオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層からその下の基板部分の少なくとも一部までに亘る深さの溝を機械加工により形成して、前記リッジ構造を形成するようにしたので、上述の光導波路素子を生産性良く作製可能となる。
【００２５】
ここで、上記第２の方法における機械加工として、特にダイシングソーによる切削加工を適用する場合、イオン拡散層を形成した後、このイオン拡散層の上に基板とは別の部材を接合し、該別の部材が接合された状態のままダイシングソーによる切削加工を行うようにすると、この別の部材によりイオン拡散層が保護される形になって、該イオン拡散層のエッジ部にチッピング（欠け）が生じることを防止できる。
【００２６】
また、上記別部材の接合に前述の常温直接接合を適用した場合は、以下の効果を奏することができる。
【００２７】
（１）チッピング（欠け）が発生し易いエッジ部全面を、別部材で強固に補強することが可能である。
【００２８】
（２）常温直接接合では、接合力をコントロールできるため、切削加工後に別部材を外すことも、また別部材を密着した状態のまま光導波路素子を製品化することも可能である。
【００２９】
（３）常温で接合されるため、別部材と被加工物の熱膨張率を合わせる必要がない。
【００３０】
（４）適当な別部材を選択することで、被加工物（光学部品）の界面に所望の屈折率段差を付与できる。
【００３１】
なお、本発明による光導波路素子は、リッジ構造の両側部にレジスト樹脂等の保護材を埋め込んで強度を高めた上で、運搬等を行うことで、リッジ加工部の破損を回避することができる。そのような保護樹脂は、使用等には有機溶剤等で溶解して除去することができる。さらには、適当な屈折率の樹脂等を選ぶことで、除去せずにそのまま光導波路としての作用を果たすことも可能である。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００３３】
図１は、本発明の第１の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示すものである。本実施形態の光導波路素子は、一例として導波路型の光波長変換素子である。まず同図（ａ）に示すように、ＭｇＯが５ｍｏｌ％ドープされた厚さ０．４ｍｍ、ＺカットＬｉＮｂＯ３基板（以下、ＭｇＯ−ＬＮ基板という）１１に、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層１２を形成する。
【００３４】
なお本例において、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１には、ドメイン反転部が図の紙面に垂直な方向に所定周期で繰り返してなる周期ドメイン反転構造（図示せず）が形成されており、このような基板１１により、いわゆる疑似位相整合タイプの光波長変換素子が作製される。またＭｇＯ−ＬＮ基板１１は、例えば３インチウェハとして用意され、後述する切断工程まではこのウェハの状態のまま加工を受けるが、図では煩雑さを避けるために、該基板１１の全体は示さず、一素子を構成する部分だけを示してある（以下、同様）。
【００３５】
本実施形態において、上記プロトン拡散層１２は次の通りにして形成される。まずＭｇＯ−ＬＮ基板１１の表面を有機溶剤で洗浄する。次に、洗浄した基板１１を酸溶液中に浸漬し、プロトン交換を行う。このとき、酸にはピロリン酸を用い、温度を２００℃とし、浸漬時間は５時間とする。また雰囲気は大気雰囲気とする。次にこのＭｇＯ−ＬＮ基板１１をアニールし、プロトンを拡散させる。熱処理条件は大気中で３５０℃、２０時間とする。
【００３６】
次に同図（ｂ）に示すように、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１のプロトン拡散層１２が形成された表面側から、一方向（図の紙面に垂直な方向で、Ｘ軸方向）に直線状に延びる２本の溝１３、１３を形成して、Ｘ軸方向にチャンネル状に延びるリッジ構造１４を形成する。本実施形態では、ダイシングソーを用いて溝加工をする。ブレードにはレジンボンドのダイヤモンド砥粒を使用し、回転数３００００ｒｐｍ、送り速度１ｍｍ／ｓ（秒）の条件とし、溝間隔は１０μｍ、溝深さはプロトン拡散層１２よりも下側のＭｇＯ−ＬＮ基板１１に達する深さで、例えば０．１ｍｍとする。
【００３７】
次いでウェハ状のＭｇＯ−ＬＮ基板１１を、リッジ構造１４を１つだけ含む状態となるように、２本の溝１３の各々の外側で切断するとともに、リッジ構造１４が所定長さとなるように切断し、この長さ方向の両端面（光入射面、出射端面となる面で、Ｘ面）を研磨することにより、同図（ｃ）に示す光導波路型の光波長変換素子１０が得られる。
【００３８】
以上から明らかな通りこの光波長変換素子１０は、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１にチャンネル状に延びるリッジ構造１４が形成され、このリッジ構造１４においてリッジの両側端間を延びる、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層１２からなる光導波部が形成されてなるものである。
【００３９】
上記構成の光波長変換素子１０において、基板厚さ方向の屈折率分布は基本的にグレーデッド型となるが、この方向の屈折率分布はプロトン交換条件を変えてプロトン拡散濃度を制御することにより容易に制御可能である。よってこの光波長変換素子１０は、基板厚さ方向に屈折率段差を持たせるために高精度の表面研磨を必要とする従来品と比較すれば、生産性良く作製され得るものとなる。その一方、リッジ構造１４の幅方向（基板表面に平行な方向）の屈折率分布はステップ型となるので、この光波長変換素子１０は光の閉じ込めが強いものとなり得る。
【００４０】
したがってこの光波長変換素子１０は、基本波と波長変換波との重なりが大きくなってモードマッチング効率が向上し、それにより高い波長変換効率を得ることができる。また、前記プロトン交換の条件を最適化することにより、基板厚さ方向について、光閉じ込めの良い屈折率段差を実現することができる。
【００４１】
また本実施形態では、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１の表面部分にプロトン拡散層１２を形成した後、このプロトン拡散層１２からその下の基板部分の一部までに亘る深さの溝１３を機械加工により形成して、リッジ構造１４を形成するようにしたので、光波長変換素子１０を生産性良く作製可能となっている。
【００４２】
以下、本実施形態による光波長変換素子１０の導波性能を評価した結果を説明する。図２はこの評価のための装置を示すものであり、図示の通り発振波長１５３０１６００ｎｍのチューナブルレーザーダイオード２０から発せられたレーザービームを偏波保存ファイバ２１に入力し、エルビウムドープファイバからなる光増幅器２２で増幅して１０ｄＢｍの光出力とした。さらにこのレーザービームをシングルモード光ファイバ２３に入力し、偏波コントローラ２４により偏光方向を制御した上で偏波保存ファイバ２１に入力し、該偏波保存ファイバ２１に直接結合（バット・カップル）させた光波長変換素子１０の光導波部（リッジ構造１４におけるプロトン拡散層１２）に入射させた。そして、この光導波部からの出射光をレンズ２６で集光してビジコンからなる撮像管に導き、該出射光の近視野像（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）を観察した。これにより、上記光導波部での導波光のモードフィールドが観察され、光の導波が確認された。
【００４３】
なお、リッジ構造１４の両側の溝１３、１３にレジスト樹脂等の保護材を埋め込んで強度を高めた上で、運搬等を行うことで、リッジ加工部の破損を回避することができる。そのような保護樹脂は、光波長変換素子１０の使用等には有機溶剤等で溶解して除去することができる。さらには、適当な屈折率の樹脂等を選ぶことで、除去せずにそのまま光導波路としての作用を果たすことも可能である。その点は、以下に説明する各実施形態においても同様である。
【００４４】
次に、本発明の別の実施形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示すものである。本実施形態の光導波路素子も、一例として導波路型の光波長変換素子である。まず同図（ａ）に示すように、ＭｇＯが５ｍｏｌ％ドープされた厚さ０．４ｍｍ、ＺカットのＭｇＯ−ＬＮ基板１１に、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層１２を形成する。
【００４５】
本実施形態において、上記プロトン拡散層１２は次の通りにして形成される。まずＭｇＯ−ＬＮ基板１１の表面を有機溶剤で洗浄する。次に、洗浄した基板１１を酸溶液中に浸漬し、プロトン交換を行う。このとき、酸にはピロリン酸を用い、温度を２００℃とし、浸漬時間は５時間とする。また雰囲気は大気雰囲気とする。次にこのＭｇＯ−ＬＮ基板１１をアニールし、プロトンを拡散させる。熱処理条件は大気中で３５０℃、２０時間とする。
【００４６】
次に同図（ｂ）に示すように、リソグラフィおよびリフトオフプロセスによりプロトン拡散層１２の上に、Ａｕ蒸着膜３１およびＮｉメッキ層３２からなるエッチングマスクを形成する。このエッチングマスクは、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１の一方向（図の紙面に垂直な方向で、Ｘ軸方向）に直線状に延びる形状で、その幅は１０μｍ、Ａｕ蒸着膜３１の厚さは５０ｎｍ、Ｎｉメッキ層３２の厚さは１．５μｍである。
【００４７】
次に同図（ｃ）に示すように、エッチングガス３３にＣＦ４を用いたＥＣＲ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）ドライエッチングを行う。このときのエッチグレートは例えば８００ｎｍ／ｈとする。それにより同図（ｄ）に示すように、上記エッチングマスクに覆われたストライプ状の部分を残してプロトン拡散層１２がエッチングされる。
【００４８】
次にＨＮＯ３に浸漬することにより、エッチングマスクとして作用したＮｉメッキ層３２およびＡｕ蒸着膜３１を除去する。それにより同図（ｅ）に示すように、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１の上に、プロトン拡散層１２からなりＸ軸方向に延びるリッジ構造３４が形成された状態となる。次にウェハ状のＭｇＯ−ＬＮ基板１１を、上記リッジ構造３４を１つだけ含む状態となるように切断するとともに、該リッジ構造３４が所定長さとなるように切断し、この長さ方向の両端面（光入射面、出射端面となる面で、Ｘ面）を研磨することにより、周期ドメイン反転構造を有する光導波路型の光波長変換素子３０が得られる。
【００４９】
以上から明らかな通りこの光波長変換素子３０は、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１にチャンネル状に延びるプロトン拡散層１２からなるリッジ構造３４が形成され、このリッジ構造全体が基板材料よりも高屈折率の光導波部として機能するものである。
【００５０】
上記構成の光波長変換素子３０において、基板厚さ方向の屈折率分布は基本的にグレーデッド型となるが、この方向の屈折率分布はプロトン交換条件を変えてプロトン拡散濃度を制御することにより容易に制御可能である。よってこの光波長変換素子３０は、基板厚さ方向に屈折率段差を持たせるために高精度の表面研磨を必要とする従来品と比較すれば、生産性良く作製され得るものとなる。その一方、リッジ構造３４の幅方向（基板表面に平行な方向）の屈折率分布はステップ型となるので、この光波長変換素子３０は光の閉じ込めが強いものとなり得る。
【００５１】
したがってこの光波長変換素子３０は、基本波と波長変換波との重なりが大きくなってモードマッチング効率が向上し、それにより高い波長変換効率を得ることができる。また、前記プロトン交換の条件を最適化することにより、基板厚さ方向について、光閉じ込めの良い屈折率段差を実現することができる。
【００５２】
また本実施形態では、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１の表面部分にプロトン拡散層１２を形成した後、このプロトン拡散層１２をエッチングしてリッジ構造３４を形成するようにしたので、光波長変換素子３０を生産性良く作製可能となっている。
【００５３】
この光波長変換素子３０について、先に図２に示した装置により導波性能を評価したが、この場合も上記リッジ構造３４からなる光導波部で導波光のモードフィールドが観察され、光の導波が確認された。
【００５４】
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図４は、本発明の第３の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示すものである。本実施形態の光導波路素子も、一例として導波路型の光波長変換素子である。なお、本第３の実施形態は、図１に作製工程を示した第１の実施形態と比べると、光導波路が埋込み導波路化されている点が異なるものであり、その他の点は基本的に同様である。
【００５５】
まず同図（ａ）に示すように、ＭｇＯが５ｍｏｌ％ドープされた厚さ０．４ｍｍ、ＺカットのＭｇＯ−ＬＮ基板１１に、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層１２を形成する。このプロトン拡散層１２も、基本的に第１の実施形態と同様にして形成される。
【００５６】
次に同図（ｂ）に示すように、このプロトン拡散層１２の表面部分に、該プロトン拡散層１２よりも低屈折率のＬｉ拡散層４１を形成する。このＬｉ拡散層４１は、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１をＬｉリッチの雰囲気中に配して熱処理することにより形成される。その熱処理の条件は、一例として温度３３０℃、処理時間１０時間とされる。
【００５７】
次いで同図（ｃ）に示すように、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１のＬｉ拡散層４１が形成された表面側から、一方向（図の紙面に垂直な方向）に直線状に延びる２本の溝１３、１３を形成して、Ｘ軸方向にチャンネル状に延びるリッジ構造４４を形成する。本実施形態でも、ダイシングソーを用いて溝加工をする。ブレードにはレジンボンドのダイヤモンド砥粒を使用し、回転数３００００ｒｐｍ、送り速度１ｍｍ／ｓ（秒）の条件とし、溝間隔は１０μｍ、溝深さはプロトン拡散層１２よりも下側のＭｇＯ−ＬＮ基板１１に達する深さで、例えば０．１ｍｍとする。
【００５８】
次いでウェハ状のＭｇＯ−ＬＮ基板１１を、リッジ構造４４を１つだけ含む状態となるように、２本の溝１３の各々の外側で切断するとともに、リッジ構造４４が所定長さとなるように切断し、この長さ方向の両端面（光入射面、出射端面となる面で、Ｘ面）を研磨することにより、周期ドメイン反転構造を有する光導波路型の光波長変換素子４０が得られる。
【００５９】
以上から明らかな通りこの光波長変換素子４０は、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１にチャンネル状に延びるリッジ構造４４が形成され、このリッジ構造４４においてリッジの両側端間を延びる、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層１２からなる光導波部が形成されてなるものである。また本例では特に、リッジ構造４４内においてプロトン拡散層１２が、それよりも低屈折率のＬｉ拡散層４１およびＭｇＯ−ＬＮ基板１１内に埋め込まれた形となり、埋込み導波路が構成されている。
【００６０】
本実施形態においても、基本的に第１の実施形態におけるのと同様の効果を奏することができる。それに加えて本実施形態の光波長変換素子４０では、上述のように埋込み導波路化していることにより、基板厚さ方向の屈折率分布に対称性が生じ、基本波と波長変換波との重なりがより大きくなってモードマッチング効率がさらに向上する。
【００６１】
この光波長変換素子４０について、先に図２に示した装置により導波性能を評価したが、この場合も上記リッジ構造４４からなる光導波部で導波光のモードフィールドが観察され、光の導波が確認された。
【００６２】
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図５は、本発明の第４の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示すものである。本実施形態の光導波路素子も、一例として導波路型の光波長変換素子である。なお、本第４の実施形態は、図１に作製工程を示した第１の実施形態と比べると、溝１３、１３を加工する際にプロトン拡散層１２の上に別部材を接合しておくようにした点が異なるものであり、その他の点は基本的に同様である。
【００６３】
まず同図（ａ）に示すように、ＭｇＯが５ｍｏｌ％ドープされた厚さ０．４ｍｍのＭｇＯ−ＬＮ基板１１に、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層１２を形成する。本実施形態において、上記プロトン拡散層１２は次の通りにして形成される。最初にＭｇＯ−ＬＮ基板１１の表面を有機溶剤で洗浄する。次に、洗浄した基板１１を酸溶液中に浸漬し、プロトン交換を行う。このとき、酸にはピロリン酸を用い、温度を２００℃とし、浸漬時間は５時間とする。また雰囲気は大気雰囲気とする。次にこのＭｇＯ−ＬＮ基板１１をアニールし、プロトンを拡散させる。熱処理条件は大気中で３５０℃、２０時間とする。
【００６４】
次に同図（ｂ）に示すように、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１のプロトン拡散層１２の上に一例として厚さ０．２ｍｍのＳｉ（シリコン）基板５１を接合する。本実施形態では、この接合に前述の常温直接接合を適用する。この常温直接接合は、以下の通りにしてなされる。
【００６５】
ＭｇＯ−ＬＮ基板１１とＳｉ基板５１は、共にウェハ状で供給される。まず、フッ硝酸のような強酸を用いた表面エッチングや有機洗浄を施したそれらのウェハを、洗浄装置の真空チャンバの前室に装着する。チャンバを真空（１０−１Ｐａ以下が好ましい）にした後、それらのウェハはＡｒ高速原子ビーム照射エリアに自動移載される。そしてＡｒ高速原子ビームにより、該ウェハの接着界面の酸化皮膜等の汚れを原子レベルで取り除く。
【００６６】
こうして洗浄されたＭｇＯ−ＬＮ基板１１とＳｉ基板５１は、同一チャンバ内にあるメカニカルプレス装置に自動搬送される。プレス装置により、両ウェハは洗浄された界面同士が密着する方向に加圧され、接合が完了する。接合済みの両ウェハは、後室に自動移載される。そして、後室部分のみを常圧に戻し、接合済みウェハを取り出す。
【００６７】
なおプレス圧力は、材料およびその結晶構造、あるいは材料の厚みにより最適値が存在する。ロールプレスの場合は、１〜１００ｋＰａ・ｍ程度の値となる場合が多い。また常温接合強度は、ウェハの表面粗さ、および平坦度に大きな影響を受ける。必要とされる精度は材料および寸法に依存するが、直径４インチのＭｇＯ−ＬＮ基板１１の場合、表面粗さＲｙ：１０ｎｍ以下（特に望ましくは１ｎｍ以下）、平坦度：１μｍ以下が好ましい。
【００６８】
その後同図（ｃ）に示すように、接合したＳｉ基板５１を厚さ数十μｍにまで表面研削し、後の溝加工時のブレードへの負担を低減させる。この場合、遊離砥粒加工を行うことで、表面粗さをより小さくすることができる。
【００６９】
次に同図（ｄ）に示すように、表面研削したＳｉ基板５１側から、一方向（図の紙面に垂直な方向で、Ｘ軸方向）に直線状に延びる２本の溝１３、１３を形成して、Ｘ軸方向にチャンネル状に延びるリッジ構造５４を形成する。本実施形態では、ダイシングソーを用いて溝加工をする。ブレードにはレジンボンドのダイヤモンド砥粒を使用し、回転数３００００ｒｐｍ、送り速度１〜５ｍｍ／ｓ（秒）の条件とし、溝間隔は４〜１６μｍ、溝深さはＳｉ基板５１の厚さ＋２０μｍ、溝長さは約５０ｍｍとする。
【００７０】
次に同図（ｅ）に示すように、フッ硝酸やＴＭＡＨ等のＳｉエッチャントを用いてＳｉ基板５１を除去する。そして、溝加工部が直接触れないように洗浄治具に配置して、洗浄および有機溶剤による超音波洗浄を行う。このプロセス後、光導波路表面のチッピングを顕微鏡およびＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察したところ、Ｓｉ基板５１を接合しない場合に比べて、リッジ構造５４の上角部（図５に破線円Ａで示す部分）に生じるチッピングが大幅に低減していることが確認された。なお、前述したウェハの表面粗さＲｙが大きいと、両ウェハの接合強度にバラツキが生じ、チッピングの発生を抑制し切れないことがある。
【００７１】
その後、ウェハ状のＭｇＯ−ＬＮ基板１１を、リッジ構造５４を１つだけ含む状態となるように、２本の溝１３の各々の外側で切断するとともに、リッジ構造５４が所定長さとなるように切断し、この長さ方向の両端面（光入射面、出射端面となる面で、Ｘ面）を研磨することにより、光導波路型の光波長変換素子５０が得られる。
【００７２】
この光波長変換素子５０について、先に図２に示した装置により導波性能を評価したが、この場合も上記リッジ構造５４からなる光導波部で導波光のモードフィールドが観察され、光の導波が確認された。またこの光波長変換素子５０においては、前記Ｓｉ基板５１を接合しないで溝加工したものと比べて、伝搬損が２ｄＢ以上低減していることが確認された。
【００７３】
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。図６は、本発明の第５の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示すものである。本実施形態の光導波路素子も、一例として導波路型の光波長変換素子である。なお、本第５の実施形態は、図１に作製工程を示した第１の実施形態と比べると、溝１３、１３を形成する際にプロトン拡散層１２の上に別部材を接合しておき、そしてその別部材をクラッド部として使用するようにした点が異なるものであり、その他の点は基本的に同様である。
【００７４】
まず同図（ａ）に示すように、ＭｇＯが５ｍｏｌ％ドープされた厚さ０．４ｍｍのＭｇＯ−ＬＮ基板１１に、基板材料よりも高屈折率のプロトン拡散層１２を形成する。本実施形態において、上記プロトン拡散層１２は次の通りにして形成される。最初にＭｇＯ−ＬＮ基板１１の表面を有機溶剤で洗浄する。次に、洗浄した基板１１を酸溶液中に浸漬し、プロトン交換を行う。このとき、酸にはピロリン酸を用い、温度を２００℃とし、浸漬時間は５時間とする。また雰囲気は大気雰囲気とする。次にこのＭｇＯ−ＬＮ基板１１をアニールし、プロトンを拡散させる。熱処理条件は大気中で３５０℃、２０時間とする。
【００７５】
次に同図（ｂ）に示すように、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１のプロトン拡散層１２の上に一例として厚さ０．２ｍｍのＬｉＮｂＯ３基板（以下、ＬＮ基板という）６１を接合する。このＬＮ基板６１は、ＭｇＯはドープされず、またプロトン交換もされず、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１上のプロトン拡散層１２より屈折率が低いものである。本実施形態では、この接合に前述の常温直接接合を適用する。この常温直接接合は、以下の通りにしてなされる。
【００７６】
ＭｇＯ−ＬＮ基板１１とＬＮ基板６１は、共にウェハ状で供給される。まず、フッ硝酸のような強酸を用いた表面エッチングや有機洗浄を施したそれらのウェハを、洗浄装置の真空チャンバの前室に装着する。チャンバを真空（１０−１Ｐａ以下が好ましい）にした後、それらのウェハはＡｒ高速原子ビーム照射エリアに自動移載される。そしてＡｒ高速原子ビームにより、該ウェハの接着界面の酸化皮膜等の汚れを原子レベルで取り除く。
【００７７】
こうして洗浄されたＭｇＯ−ＬＮ基板１１とＬＮ基板６１は、同一チャンバ内にあるメカニカルプレス装置に自動搬送される。プレス装置により、両ウェハは洗浄された界面同士が密着する方向に加圧され、接合が完了する。接合済みの両ウェハは、後室に自動移載される。そして、後室部分のみを常圧に戻し、接合済みウェハを取り出す。
【００７８】
なおプレス圧力は、材料およびその結晶構造、あるいは材料の厚みにより最適値が存在する。ロールプレスの場合は、１〜１００ｋＰａ・ｍ程度の値となる場合が多い。また常温接合強度は、ウェハの表面粗さ、および平坦度に大きな影響を受ける。必要とされる精度は材料および寸法に依存するが、直径４インチのＭｇＯ−ＬＮ基板１１の場合、表面粗さＲｙ：１ｎｍ以下、平坦度：１μｍ以下が好ましい。
【００７９】
その後同図（ｃ）に示すように、接合したＬＮ基板６１を厚さ数十μｍにまで表面研削し、後の溝加工時のブレードへの負担を低減させる。この場合、遊離砥粒加工を行うことで、表面粗さをより小さくすることができる。
【００８０】
次に同図（ｄ）に示すように、表面研削したＬＮ基板６１側から、一方向（図の紙面に垂直な方向で、Ｘ軸方向）に直線状に延びる２本の溝１３、１３を形成して、Ｘ軸方向にチャンネル状に延びるリッジ構造６４を形成する。本実施形態では、ダイシングソーを用いて溝加工をする。ブレードにはレジンボンドのダイヤモンド砥粒を使用し、回転数３００００ｒｐｍ、送り速度１〜５ｍｍ／ｓ（秒）の条件とし、溝間隔は４〜１６μｍ、溝深さはＬＮ基板６１の厚さ＋２０μｍ、溝長さは約５０ｍｍとする。
【００８１】
次に、溝加工部が直接触れないように洗浄治具に配置して、洗浄および有機溶剤による超音波洗浄を行う。このプロセス後、光導波路表面のチッピングを顕微鏡およびＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察したところ、ＬＮ基板６１を接合しない場合に比べて大幅なチッピング低減が確認された。
【００８２】
その後、ウェハ状のＭｇＯ−ＬＮ基板１１を、リッジ構造６４を１つだけ含む状態となるように、２本の溝１３の各々の外側で切断するとともに、リッジ構造６４が所定長さとなるように切断し、この長さ方向の両端面（光入射面、出射端面となる面で、Ｘ面）を研磨することにより、光導波路型の光波長変換素子６０が得られる。なお、プロトン拡散層１２よりも低屈折率のＬＮ基板６１はそのまま残されて、クラッド部とされる。
【００８３】
この光波長変換素子６０について、先に図２に示した装置により導波性能を評価したが、この場合も上記リッジ構造６４からなる光導波部で導波光のモードフィールドが観察され、光の導波が確認された。またこの光波長変換素子６０においては、前記ＬＮ基板６１を接合しないで溝加工したものと比べて、伝搬損が２ｄＢ以上低減していることが確認された。
【００８４】
なお、上述のようにプロトン拡散層１２の上に残す別部材としてのＬＮ基板６１に代えて、イオン拡散していないタンタル酸リチウム（ＴａＮｂＯ３）基板等を用いることもできる。また、イオン拡散して光導波路を形成する方の基板としてコングルエント（一致溶融）のＬｉＮｂＯ３基板等を用いる一方、上述のような別部材としてストイキオメトリ（化学量論組成）のＬｉＮｂＯ３あるいはＴａＮｂＯ３を用いるようにしてもよい。
【００８５】
また、以上説明した第４および第５の実施形態においては、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１と別部材とをプレス手段によって接合しているが、それらを別の手段で接合することも可能である。例えば図７に示すように、プロトン拡散層１２が形成されたＭｇＯ−ＬＮ基板１１を、磁性を有するベースプレート７０の上に載置し、プロトン拡散層１２の上に鉄系材料からなる別部材７１を配し、この別部材７１とベースプレート７０との間に作用する磁力によって該別部材７１をプロトン拡散層１２に強く接合させつつ、ダイシングソー７２によって溝１３、１３を加工することが可能である。この方法には、溝１３、１３を加工した後、別部材７１を容易にＭｇＯ−ＬＮ基板１１から取り外すことができるという利点がある。
【００８６】
さらに、ネジ等を利用した機械的なクランプ手段を適用して、別部材をＭｇＯ−ＬＮ基板１１上のプロトン拡散層１２に接合させることも可能である。
【００８７】
また、リッジ構造の上角部にチッピングが生じることを防止するには、上述のようにＭｇＯ−ＬＮ基板１１に別部材を接合した状態で切削加工を行うのが効果的であるが、その他の手法を採用することもできる。例えば図８に示すように、プロトン拡散層１２が形成されたＭｇＯ−ＬＮ基板１１の溝加工部位にレーザ光７３を照射し、このレーザ光７３による加熱／収縮によるＭｇＯ−ＬＮ基板１１のストレスに沿ってダイシングするようにしても効果的である。こうすることにより、溝加工時のＭｇＯ−ＬＮ基板１１の応力を緩和し、レーザ光照射領域以外の部分のチッピング発生を抑えることができる。
【００８８】
また図９（ａ）に示すように、ＭｇＯ−ＬＮ基板１１にプロトン拡散層１２を形成した後、同図（ｂ）に示すようにダイシングによって溝１３、１３を切削加工する方法において、エッジ部が弧状に面取りされたダイシングソー７２を用いることも効果的である。すなわち、そうすることにより、同図（ｃ）に示すように溝１３、１３のエッジ部が丸みを帯びた鈍角形状になり、チッピングの発生を抑えることができる。
【００８９】
さらには、以上説明のようにチッピングの発生を抑制だけでなく、発生してしまったチッピングを除去することもできる。つまり、例えば図１０（ａ）に示すようにＭｇＯ−ＬＮ基板１１にプロトン拡散層１２を形成した後、同図（ｂ）に示すようにダイシングによって溝１３、１３を切削加工する方法において、同図（ｃ）に示すようにＭｇＯ−ＬＮ基板１１と屈折率の異なるペースト状の充填材７４を溝１３、１３内に充填させた後に固化させ、次に同図（ｄ）に示すようにこの充填材７４の表面を研削あるいは研磨すれば、発生していたチッピングが研削あるいは研磨により除去される。なお上記ペースト状の充填材７４としては、保護レジスト等を用いることができる。この場合、溝１３、１３内に充填材７４が残った状態のまま光導波路素子を使用することもできるし、あるいは、同図（ｅ）に示すようにこの充填材７４を除去して光導波路素子を使用することもできる。
【００９０】
また、以上はイオン拡散層としてプロトン拡散層１２を備えた光導波路素子について説明したが、本発明はプロトン拡散層に限らず、その他例えばＴｉ（チタン）拡散層等のイオン拡散層によって光導波部を構成する光導波路素子に対しても同様に適用可能であって、その場合も同様の効果を奏するものである。
【００９１】
ここで、本発明におけるリッジ構造の導入により、ＳＨＧ（第２高調波発生）光波長変換素子においてどの程度の光変換効率向上が見込まれるかをシミュレーションにより見積もった結果を説明する。この見積もりにおいては、スラブ状プロトン拡散をシミュレーションした後、リッジ加工で除去される部分を空気（屈折率＝１）に置き換えたものを計算モデルとした。そして、基本波と第２高調波に対する導波モードを計算し、モードマッチングの効率を導いた。モードマッチング効率の定義には、以下に示すパラメータＳを適用した。ＳＨＧの変換効率は、Ｓの２乗に比例する。
【００９２】
Ｓ＝∬ＦＭ×ＦＭ×ＳＨ×ｄ（ｘ，ｙ）ｄｘｄｙ
ここでＦＭ（ｘ，ｙ）およびＳＨ（ｘ，ｙ）は基本波および第２高調波のモード空間分布、ｄ（ｘ，ｙ）は面内の規格化したｄ定数の分布で、バルクのｄ定数を１とする。
【００９３】
なお、前提として光ファイバ（ビーム径１０μｍ）と光導波路との直接結合を想定しており、ファイバとの結合効率も検証した。また、リッジ形状として図１１に示すような垂直リッジ形状（幅１０μｍ、加工深さ無限、側壁垂直）と、図１２に示すようなテーパ形状（上端幅８μｍ、加工深さｔ＝１，２，４，６，１０，１８μｍ、側壁７５°テーパ形状）の２種を想定した。なお図１２の（ａ）〜（ｆ）には、それぞれ、加工深さｔが上記６つの値とされたリッジ形状を概略的に示してある。
【００９４】
図１３に、リッジ加工深さに対するモードマッチング効率を、各光導波路形状毎に示す。従来のプロトン交換光導波路（リッジ構造無し：加工深さｔ＝０μｍ）のモードマッチング効率は相対値で約４であるのに対して、プロトン交換リッジ光導波路では明らかに効率向上が確認され、溝形状が深くなるほど高効率化の可能性が高いことが示されている。
【００９５】
さらに、ファイバとの結合効率の計算結果からは、リッジの加工深さが１〜２μｍ程度であっても十分導波可能であるものの、横方向への光閉じ込めが弱いため横長の導波モード形状となり、高結合効率は期待できないことが確認された。リッジの加工深さが４μｍ以上程度であれば、導波モード形状が円形に近くなり、現実的な結合効率が期待できる余地がある。
【００９６】
以上のシミュレーション結果から、１０μｍ幅のプロトン交換リッジ光導波路の溝深さは、４μｍ以上が妥当であると言える。すなわち、リッジ加工深さが光導波路幅の４０％以上であると、モードマッチング効率を高めて波長変換効率を向上させる効果が大きいことが判った。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示す概略図
【図２】上記光導波路素子の性能を評価する装置を示す側面図
【図３】本発明の第２の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示す概略図
【図４】本発明の第３の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示す概略図
【図５】本発明の第４の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示す概略図
【図６】本発明の第５の実施形態による光導波路素子を作製する工程を示す概略図
【図７】本発明における溝の切削加工方法の一例を示す概略図
【図８】本発明における溝の切削加工方法の別の例を示す概略図
【図９】本発明における溝の切削加工方法のさらに別の例を示す概略図
【図１０】本発明に適用され得る基板欠けの修復方法を説明する図
【図１１】本発明による光導波路素子の性能をシミュレーションするためのモデルを説明する図
【図１２】本発明による光導波路素子の性能をシミュレーションするためのモデルを説明する図
【図１３】上記シミュレーションの結果を示すグラフ
【符号の説明】
１０、３０、４０、５０、６０    光波長変換素子
１１    ＭｇＯ−ＬＮ基板
１２    プロトン拡散層
１３    溝
１４、３４、４４、５４、６４    リッジ構造
７０    ベースプレート
７１    別部材
７２    ダイシングソー
７３    レーザ光
７４    充填材
【図１】
2004341045.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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