(57)【要約】【課題】イオン交換法を用いて形成される光導波路を有する光導波路つき部材において、該光導波路に垂直な断面における屈折率分布が同心円に近くなるように、特に光導波路の幅方向の屈折率分布を制御し得る光導波路付き部材およびその製造方法を提供すること。【解決手段】光導波路２としてのリッジ型部分を有する光学部材１であって、該リッジ型部分は、その屈折率が、該リッジ型部分の外面表層から中心部に向かって連続的または段階的に大きくなるように構成されてなる光導波路付き部材。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路としてのリッジ型部分を有する光学部材であって、該リッジ型部分は、その屈折率が、該リッジ型部分の外面表層から中心部に向かって連続的または段階的に大きくなるように構成されてなる光導波路付き部材。
【請求項２】
上記光学部材が、強誘電体結晶からなる板状物であるか、または光学ガラスからなる板状物である請求項１に記載の光導波路付き部材。
【請求項３】
光学部材にリッジ型部分を形成する工程［Ａ］と、前記リッジ型部分全体をプロトン交換する工程［Ｂ］と、工程［Ａ］、［Ｂ］の後に該リッジ型部分の外面表層を逆プロトン交換する工程［Ｃ］とを有する光導波路付き部材の製造方法。
【請求項４】
上記工程［Ａ］、［Ｂ］が、上記リッジ型部分を形成すべき領域をプロトン交換し、その後に、選択エッチングを施す工程である、請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
光学部材にリッジ型部分を形成する工程［Ａ］と、前記リッジ型部分の外面表層を前記光学部材の屈折率を低下させるイオンでイオン交換する工程［Ｄ］とを有する光導波路付き部材の製造方法。
【請求項６】
上記光学部材がＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３からなる強誘電体結晶であり、前記光学部材の屈折率を低下させるイオンが、マグネシウムイオンまたはリチウムイオンである請求項５に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路付き部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、光ディスクの高密度化、レーザプリンタの高精度化による短波長レーザ光源の要望が高まっている。これらを実現するものとして青色半導体レーザや第二次高調波（ＳＨＧ）素子が注目されている。ＳＨＧ素子は擬似位相整合により高出力のレーザ光を発生する素子である。基本波となるレーザ光を透過させるとその半分の波長の二次高調波を発生する光学非線形性を有するＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）やＬｉＴａＯ３（ＬＴ）などといった誘電体からなる結晶基板や、石英などの光導波路用ガラスからなる基板などを光学部材として、該部材に周期的分極反転構造とイオン交換三次元導波路とを形成することによりＳＨＧ素子が製造される。
【０００３】
イオン交換三次元導波路は、上記ＬＮ結晶やＬＴ結晶のＺ−ｃｕｔ板等の表面に、通常、帯状に形成される。その場合、該光導波路部分の屈折率を周囲よりも高くするために、その部分には外部から特定の元素が導入される。そして、該元素導入のための代表的な方法の１つとしてイオン交換法が挙げられる。例えば、光学部材がＬｉＮｂＯ３結晶基板の場合では、プロトン源として安息香酸やピロリン酸を用いて、以下の反応式で示されるイオン交換法によってプロトンＨ＋が導入される。
ＬｉＮｂＯ３　＋　ｘＨ＋　→　ＨｘＬｉ１−ｘＮｂＯ３　＋　ｘＬｉ＋
【０００４】
当該イオン交換法によるプロトンの導入の工程は次のとおりである。
先ず、図４（ａ）に示すように、光学部材（基板）１の上面のうち光導波路とすべきパターン部分１１だけを露出させて、上面のそれ以外の部分は全てマスク層４（ハッチングを施した部分）で覆う。
次に、図４（ｂ）に示すように、液状交換源（ＬｉＮｂＯ３に対しては、安息香酸、ピロリン酸など）５０を加熱して、反応温度（１６０℃〜２６０℃）にまで至らしめた後に、室温にて保持した上記マスクされた光学部材１を、加熱した液状交換源５０に浸漬して、前記反応温度のまま所定時間保持する。イオン交換は、この反応温度で浸漬保持される間に主として進行し、マスク層４から露出しているパターン部分１１と液状交換源５０との間で、リチウムイオンとプロトンＨ＋との交換（プロトン交換）が行われ、その部分が光導波路となる。
【０００５】
このような方法で形成した光導波路の屈折率分布（光導波路に垂直な断面）の模式図（屈折率の等しい点を一つの線で結んだ図）を図６（Ａ）に示す。この図から明らかなように、厚み方向に着目すると、光学部材の表面付近で屈折率が最大であり、幅方向に着目すると、ほとんど屈折率に差がない。このような歪な屈折率の分布の光導波路を有する光導波路付き部材には以下のような問題点が存在する。
【０００６】
（１）屈折率分布の非対称性に起因する基本波とＳＨＧとのオーバーラップの低下、およびそれに伴うＳＨＧへの変換効率の低下。
（２）基板表面が高濃度にプロトン交換され、リチウムイオンが欠乏することによる非線型光学効果の低下に起因する、ＳＨＧへの変換効率の低下。
【０００７】
このような問題点による弊害を軽減するための製造方法として、所謂逆プロトン交換法を用いた製造方法が提案されている。その製造プロセスを図５に模式的に示す。すなわち、光学部材１にマスク層４とレジスト層３とを形成し（同図（Ａ）〜（Ｃ））、所定のパターンを形成した後、上述の方法でプロトン交換を行ってからマスク層４を除去し（同図（Ｄ）〜（Ｇ））、その後、光学部材１に取り込まれたプロトンをさらにリチウムイオン等といった、プロトン交換された部分２１よりも屈折率を低下させるイオンと交換する、所謂逆プロトン交換を行うのである（同図（Ｈ）；具体的な方法は後述）。図６（Ｂ）は、この方法により得られた光導波路の屈折率分布の模式図である。厚み方向に着目すると、逆プロトン交換の結果、表面付近の屈折率が下がり、結果的に、厚み方向に進むにつれて一度屈折率が大きくなって、再び小さくなる、という理想的な分布が実現し得る。しかしながら、この方法では、光学部材の幅方向の屈折率を制御できないので、屈折率分布は依然、歪んだままであって、理想的な分布（同心円形；図７参照）には程遠い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記（１）、（２）の弊害を軽減し得る光導波路付き部材、すなわち、光導波路に垂直な断面における屈折率分布が同心円に近くなるように、特に光導波路の幅方向の屈折率分布を制御し得る光導波路付き部材の製造方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは光導波路の物理的構造をも検討して、以下の特徴を有する本発明を完成した。
（１）光導波路としてのリッジ型部分を有する光学部材であって、該リッジ型部分は、その屈折率が、該リッジ型部分の外面表層から中心部に向かって連続的または段階的に大きくなるように構成されてなる光導波路付き部材。
（２）上記光学部材が、強誘電体結晶からなる板状物であるか、または光学ガラスからなる板状物である上記（１）に記載の光導波路付き部材。
（３）光学部材にリッジ型部分を形成する工程［Ａ］と、前記リッジ型部分全体をプロトン交換する工程［Ｂ］と、工程［Ａ］、［Ｂ］の後に該リッジ型部分の外面表層を逆プロトン交換する工程［Ｃ］とを有する光導波路付き部材の製造方法。
（４）上記工程［Ａ］、［Ｂ］が、上記リッジ型部分を形成すべき領域をプロトン交換し、その後に、選択エッチングを施す工程である、上記（３）に記載の製造方法。
（５）光学部材にリッジ型部分を形成する工程［Ａ］と、前記リッジ型部分の外面表層を前記光学部材の屈折率を低下させるイオンでイオン交換する工程［Ｄ］とを有する光導波路付き部材の製造方法。
（６）上記光学部材がＬｉＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３からなる強誘電体結晶であり、前記光学部材の屈折率を低下させるイオンが、マグネシウムイオンまたはリチウムイオンである上記（５）に記載の製造方法。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の光導波路付き部材は、光導波路としてのリッジ型部分を有する光学部材であって、該リッジ型部分の外面表層から中心部に向かって屈折率が連続的または段階的に大きくなるように構成されてなることを特徴とする。図１は、本発明の光導波路付き部材の一例を示す図である。同図（Ａ）は斜視図であり、同図（Ｂ）は、（Ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【００１１】
光導波路２としての「リッジ型部分」とは、光学部材１（例えば、誘電体結晶からなる板状物）の一面に対して光導波路として機能し得る様、稜線状に突起している部分をいう。図２は、光導波路２の屈折率分布（光導波路に垂直な断面）の模式図（屈折率の等しい点を一つの線で結んだ図）である。光導波路２をリッジ型にして、その外面表層から中心部に向かって屈折率を大きくすることは、結果的に光導波路２の高さ方向および幅方向の屈折率分布の両方を制御することに相当する（その手段の例は後述する）。したがって、図２（Ａ）のように光導波路２としてのリッジ型部分は直方体の構造であってもよいが、同図（Ｂ）のように、光導波路２自体が半円形の断面形状を有しているのが好ましい。なお、図２（Ａ）、（Ｂ）のような屈折率分布は例示であって、このような分布を達成することが本発明の完成にとって必須ではないことは言うまでもない。例えば、光導波路２としてのリッジ型部分の外面表層から中心部への屈折率の変化は連続的であっても段階的であってもよく、また、その変化率はリッジ型部分の各部において同一であっても異なっていてもよい。
【００１２】
上述のような光導波路を有することを特徴とする本発明の光導波路付き部材の製造方法を以下、さらに説明する。
【００１３】
本発明で用いる光学部材の材料は、イオン交換によって光導波路が形成可能な材料であればよく、強誘電体結晶、光学ガラスなどが挙げられる。
強誘電体結晶としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＸＡＴｉＯＸＢＯ４（ＸＡ＝Ｋ、Ｒｂ、Ｔｌ、Ｃｓ、ＸＢ＝Ｐ、Ａｓ）などの代表的なものや、これらにＭｇなどの種々の元素をドープしたものが挙げられる。
光学ガラスとしては、石英ガラス、パイレックス（登録商標）ガラス、ソーダガラスなどが挙げられる。
【００１４】
光学部材の形態は、最終製品となる素子・デバイスと同様の形状であっても、該素子・デバイスへ分断する前の大面積の基板・ウエハ・母材として、ロッド状、板状などを呈してもよい。例えば、円板状のＬｉＮｂＯ３結晶ウエハに光導波路を形成し、個々の素子へ分断するような場合、もとのウエハの大きさとしては、厚さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度、ウエハ直径は２インチ〜５インチ程度のものが例示される。
【００１５】
光学部材の好ましい態様として、ＬｉＮｂＯ３結晶などの強誘電体結晶に、擬似位相整合法を適用した波長変換動作が可能な様に周期的分極反転構造を形成したもの（分極反転結晶）からなる板状物が挙げられる。該板状物に対して、本発明の製造方法を適用し、その周期的分極反転構造を横切るように光導波路を形成することで、光導波路付き部材は光導波路型波長変換素子となる。
【００１６】
本発明の光導波路付き部材は、前記光学部材に光導波路を形成したものであって、それ自体が素子や結合部品などの最終製品であってもよく、また、さらなる加工・処理が施される中間部材であってもよい。
【００１７】
本発明の製造方法の一態様として、光学部材にリッジ型部分を形成する工程［Ａ］と、前記リッジ型部分全体をプロトン交換する工程［Ｂ］と、工程［Ａ］、［Ｂ］の後に該リッジ型部分の外面表層を逆プロトン交換する工程［Ｃ］とを有する方法が挙げられる。この場合、工程［Ａ］と［Ｂ］との順序は問わず、結果としてリッジ型部分全体がプロトン交換された状態で工程［Ｃ］が施されればよい。本発明の好ましい態様として、上記工程［Ａ］、［Ｂ］が、光導波路を形成すべき領域を含む光学部材の一面をプロトン交換した後に、選択エッチングを施してリッジ型部分を形成することでなされる方法が挙げられる。図３は、この製造方法の具体例を模式的に示す図である。
【００１８】
図３に例示する方法により光導波路を形成する場合には、光学部材１の一面について後述の方法でプロトン交換を行う（図３（Ａ）〜（Ｂ））。プロトン交換された部分２１の上にレジスト層３を形成して、光導波路とすべき部分のパターニングを行い（同図（Ｃ）〜（Ｄ））、さらにマスク層４を形成する（同図（Ｅ））。レジスト層３をその上のマスク層４とともに除去して（同図（Ｆ））から、再度プロトン交換を行って、交換されたプロトンの濃度の異なる部分を形成する。すなわち同図（Ｇ）において、符号２１で示される領域は一回だけプロトン交換された部分であり、符号２２で示される領域は２回プロトン交換された部分である。次いで、マスク層４を除去した後（同図（Ｈ））、例えばフッ酸と硝酸の混合液を用いたエッチングを施すこと等により、２回プロトン交換された部分２２を重点的にエッチングすることが可能である。これは、プロトン交換の程度によりエッチング速度が異なるためである。その結果、同図（Ｉ）のようなリッジ型部分を形成することができる（以上が工程［Ａ］、［Ｂ］に相当する）。
【００１９】
さらに、工程［Ｃ］として、リッジ型部分の外面表層に導入されたプロトンを、リチウムイオン、マグネシウムイオン等といった、プロトン交換された部分よりも屈折率を低下させるイオンと交換する、逆プロトン交換に供する。この結果、同図（Ｊ）のように、光導波路の中心部に近いほどプロトン交換の程度が大きく（符号２１）、外面表層に近いほど、逆プロトン交換の程度が大きい（符号２３）光導波路２を得ることができる。
【００２０】
このように、一度プロトン交換された部分のプロトンを、プロトン交換された部分よりも屈折率を低下させるイオンと交換することを「逆プロトン交換」と呼ぶ。また、該リッジ型部分の「外面表層を逆プロトン交換する」とは、光導波路２としての該リッジ型部分の外面表層に近いほど逆プロトン交換の程度を大きくすることを意味する。そのように、「外面表層を逆プロトン交換する」手段としては、屈折率を低下させるイオンの液状交換源に光学部材を浸漬する時間等を適宜調節すること、交換後のアニール処理の時間、温度を調整すること等が例示される。
【００２１】
上記方法において、光導波路としてのリッジ型部分を図２（Ｂ）のように半円形に近づける具体的な手段としては、前述のフッ酸、硝酸混合液によるエッチング時間の調整およびその後のドライエッチング（ＲＩＥ、イオンエッチング、スパッタエッチング）等を行うこと等が挙げられる。
【００２２】
本発明の製造方法の別の実施態様として、光学部材１にリッジ型部分を形成する工程［Ａ］と、該リッジ型部分の外面表層を前記光学部材１の屈折率を低下させるイオンでイオン交換する工程［Ｄ］とを有する方法が挙げられる。工程［Ｄ］における「外面表層を〜イオン交換する」の意味は、上述の工程［Ｃ］におけるのと同様に、光導波路２としてのリッジ型部分の外面表層に近いほどイオン交換の程度が大である、という意味である。
【００２３】
本態様においては、プロトン交換を必須とせず、リッジ型部分の外面表層に近いほど上記屈折率を低下させるイオンによるイオン交換の程度を大きくすることで、結果的に、前述の図２に記載したような屈折率分布に近づけることを意図するものである。
【００２４】
光学部材１にリッジ型部分を形成する工程［Ａ］は、自体公知の方法によればよく、イオン交換する工程［Ｄ］は、例えば後述する液状交換源に浸漬する方法を援用することができるが、両工程とも特に方法が限定されるわけではない。工程［Ｄ］における「光学部材１の屈折率を低下させるイオン」とは、当該イオンでイオン交換することにより、イオン交換しない部分よりも屈折率が低下するイオンであれば特に限定はない。そのようなイオンは、用いる光学部材１に依存するが、例えば、光学部材１がＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３からなる強誘電体結晶であれば、リチウムイオン、マグネシウムイオン等が例示される。
【００２５】
光導波路の製造のために、プロトンその他のイオンでイオン交換（逆プロトン交換を含む）する場合には、所望の場所のみをイオン交換するために、光学部材のイオン交換を望まない場所にマスク層４を設けた後に、上述の加熱した液状交換源に浸漬して、その温度のまま所定時間保持する方法が挙げられる。このとき、マスク層４の材料は金属膜、誘電体膜、有機薄膜などが挙げられ、マスクパターンの形成方法はフォトリソグラフィー技術などが挙げられる。これらマスク層４の形成に関しては、公知技術を参照してもよい。
【００２６】
液状交換源は、イオン交換すべきイオンおよび光学部材の材料に応じて選択すればよく、従来技術を参照してもよい。例えば、従来技術の説明で述べたとおり、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３に対してプロトン交換する場合には、安息香酸、ピロリン酸などの溶液が挙げられる。また光学ガラスに対してプロトン交換する場合は、ＡｇＮＯ３、ＫＮＯ３、ＴｌＮＯ３などの溶融塩が挙げられる。
【００２７】
ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３に対してリチウムイオンでイオン交換する方法としては、ＬｉＮＯ３、安息香酸リチウムなどの溶融塩に浸す方法が挙げられ、マグネシウムイオンでイオン交換する方法としては、ＭｇＮＯ３、安息香酸などのＭｇ化合物の溶融塩に浸す方法や、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３表面にＭｇやＭｇ化合物の薄膜を形成し、拡散によりＭｇイオンをドープする方法が挙げられる。
【００２８】
イオン交換温度は、光学部材と液状交換源との組み合わせによっても異なるが、目標とすべき温度は該して２００℃〜３５０℃程度である。この温度の範囲は、あくまで目標値として選択できる範囲であって、この範囲の中からある目標温度を選択したならば、意図せぬ変動量はゼロに近いことが好ましい。
【００２９】
例えば、ＬｉＮｂＯ３基板を、ピロリン酸に浸漬する場合には、目標とすべき温度は２００℃〜３００℃、好ましくは２１０℃〜２５０℃であり、できる限り変動させないように温度制御することが好ましい。温度制御の手法に起因する変動量や定常偏差は、±５℃程度以内とすべきであって、これらは、温度制御の手法や製品に求められる品質に応じて適宜決定すればよい。
【００３０】
液状交換源に光学部材を浸漬する時間には限定はないが、実例としては１０秒〜１０時間程度が挙げられる。より具体的な例としては、ピロリン酸にＬｉＮｂＯ３を浸漬する場合のようにイオン交換速度が速く、しかも深さ数μｍ程度の比較的浅い光導波路を形成するような場合には、浸漬保持時間は２０分以下、特に５分〜１５分程度となる。別の例としては、ＬｉＮＯ３とＫＮＯ３とＮａＮＯ３との混合溶液を用いて上述した逆プロトン交換を行う場合は、浸漬保持時間は１〜２０時間、特に５〜１５時間となる。
【００３１】
イオン交換を終了させるには、浸漬解除（光学部材を液状交換源から引き上げる）すればよい。必要に応じて冷却中に光学部材を回転させて乾燥させたり、洗浄して液状交換源を除去してもよい。さらに、イオン交換後の光学部材に対するアニール処理や端面への光学研磨など、光導波路形成のために必要な処理は適宜加えてよく、従来技術を参照してもよい。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例を示すことにより本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例の記載により何ら限定されるものではない。
【００３３】
［実施例１］
加工対象とした光学部材は、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３結晶基板に周期的分極反転構造（分極反転周期７μｍ）を形成してなる分極反転結晶基板であって、板厚０．３ｍｍ、幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍの、板状物である。以下、発明の実施形態で用いた図３を再び参照して説明する。
【００３４】
この光学部材１（図３（Ａ））の表面（導波路を形成する面）の全面を厚み０．５μｍにわたりプロトン交換した（図３（Ｂ））。プロトン交換は、２４０℃に加熱したピロリン酸からなる液状交換源に光学部材１を３０分間浸漬保持することで行った。次いで、リフトオフ法によりマスク層４としての厚さ０．０３μｍのＴａ膜を光導波路を形成する部分のみに設けた（図３（Ｆ））。その後、２４０℃に加熱したピロリン酸からなる液状交換源に光学部材１を１２０分間浸漬保持することで再びプロトン交換を行った。その結果、光学部材１の表面には、１回だけプロトン交換された部分２１および２回プロトン交換された部分２２が形成された（図３（Ｇ））。
【００３５】
その後、光学部材１に残ったマスク層４を５重量％のＨＦ水溶液でエッチングすることにより除去した（図３（Ｈ））。さらに、選択エッチングとして、ＨＦ（濃度５０％）とＨＮＯ３（濃度６０％）とを１：２の重量比で含む水溶液（７０℃）に１時間浸漬するすることで、上記２回プロトン交換された部分２２を除去して、１回だけプロトン交換された部分２１をリッジ型部分として形成することができた（図３（Ｉ））。さらに、３５０℃の加熱炉に４時間保持することでアニール処理を施した（図示せず）後に逆プロトン交換を行った。逆プロトン交換は、ＬｉＮＯ３とＫＮＯ３とＮａＮＯ３とを３７．５：４４．５：１８（重量比）で含む３２８℃に加熱した液状交換源に前記アニール処理後の光学部材１を１０時間浸漬保持して、引き上げた後、室温で放冷することで実施した。その結果、外面表層から中心部に向かって逆プロトンの程度が小さくなる光導波路２を有する光導波路つき部材を得た（図３（Ｊ））。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、光導波路の高さ（深さ）方向ばかりでなく、幅方向の屈折率をも制御し得るようになるので、理想的な屈折率分布（すなわち光導波路に垂直な断面の屈折率分布が円形状であること）に近づけることができる。そのことにより、（１）屈折率分布の対称性向上による基本波とＳＨＧとのオーバーラップの低下や、それに伴うＳＨＧへの変換効率の低下、（２）基板表面が高濃度にプロトン交換され、リチウムイオンの欠乏による非線型光学効果の低下に起因する、ＳＨＧへの変換効率の低下、といった問題を軽減することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路付き部材の一例を示す図である。（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＩ−Ｉ断面図である。
【図２】光導波路に垂直な断面の屈折率分布の模式図（屈折率の等しい点を一つの線で結んだ図）である。
【図３】光導波路付き部材の製造プロセスを模式的に示す図である。
【図４】光導波路付き部材の製造方法における工程の重要部分を概略的に示す図である。
【図５】光導波路付き部材の製造プロセスを模式的に示す図である。
【図６】光導波路に垂直な断面の屈折率分布の模式図（屈折率の等しい点を一つの線で結んだ図）である。
【図７】理想的な光導波路における、光導波路に垂直な断面の屈折率分布の模式図（屈折率の等しい点を一つの線で結んだ図）である。
【符号の説明】
１　　光学部材
１１　パターン部分
２　　光導波路
２１　プロトン交換された部分
２２　２回プロトン交換された部分
２３　逆プロトン交換された部分
３　　レジスト層
４　　マスク層
５０　液状交換源
【図１】
2004045536.tif 000003
【図２】
2004045536.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004045536.tif 000006
【図５】
2004045536.tif 000007
【図６】
2004045536.tif 000008
【図７】
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