(57)【要約】【課題】イオン交換法を用いて光導波路を形成する工程を有する光導波路付き部材の製造において、製品歩留まりの高い方法を提供すること。【解決手段】イオン交換可能な温度に加熱された液状交換源に、複数の帯状の光導波路が形成されるようにマスクパターンが施された光学部材を浸漬して、イオン交換することによって該光学部材に光導波路を形成する工程を有する光導波路付き部材の製造方法であって、上記液状交換源は温度勾配を有していて、その最高温度と最低温度との温度差は１０〜３０℃であり、好ましくは、上記形成されるべき光導波路の幅が互いに等しく、かつ、上記光導波路の幅方向と上記温度勾配の方向とが同一になるように光学部材を液状交換源に浸漬することを特徴とする光導波路付き部材の製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換可能な温度に加熱された液状交換源に、複数の帯状の光導波路が形成されるようにマスクパターンが施された光学部材を浸漬して、イオン交換することによって該光学部材に光導波路を形成する工程を有する光導波路付き部材の製造方法であって、
上記液状交換源は温度勾配を有していて、その最高温度と最低温度との温度差は１０〜３０℃であり、かつ、
上記光導波路の幅方向と上記温度勾配の方向とが同一になるように光学部材を液状交換源に浸漬することを特徴とする光導波路付き部材の製造方法。
【請求項２】
上記形成されるべき光導波路の幅が互いに等しいことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
上記液状交換源の温度勾配の方向が、鉛直下方から鉛直上方に向けて温度が上昇する方向である請求項１または２に記載の製造方法。
【請求項４】
上記液状交換源の温度勾配は、該液状交換源を収容する容器の外周に設けられた電熱線への通電により付与されるものであり、該電熱線は前記容器の鉛直下方から鉛直上方に向けて密に設けられることを特徴とする請求項３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、イオン交換法を用いて光導波路を形成する工程を有する光導波路付き部材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（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１００２７１号公報
【０００６】
図２は、液状交換源に浸漬する前の光学部材を示す図である。上記イオン交換法においては、まず、図２に示すように、光学部材（基板）２の上面のうち光導波路とすべき部分だけを露出させて、上面のそれ以外の部分は全てマスク層（マスクパターン）２２で覆う。該マスクパターンの無い露出部分２１が光導波路となるべき部分であって、以下、当該部分を非マスク領域ともいう。該非マスク領域２１は帯状であり、通常、光学部材２に互いに平行に複数個形成される。同図の態様では、該非マスク領域２１は、その幅方向に並ぶように形成されている。
【０００７】
次に、所定の反応温度（例；１６０℃〜２６０℃）にまで加熱した液状交換源（ＬｉＮｂＯ３に対しては、安息香酸、ピロリン酸など）に、上記マスクされた光学部材２を浸漬する。さらに、上記反応温度を維持して所定時間保持する。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、非マスク領域２１と液状交換源との間で、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。
【０００８】
上記プロトン交換においては、非マスク領域２１の幅ｗに応じて液状交換源の最適な温度が異なる。図３は、非マスク領域２１の幅と液状交換源の温度との関係を示す図であり、図中「合格ライン」付近の条件において所望の性質の光導波路付き部材を得ることができる。
【０００９】
上記プロトン交換が完了した後、光学部材２を液状交換源から引き上げて冷却してから、マスク層２２を除去し、屈折率分布の最適化のために、光学部材２に対してアニール処理（例；２００℃〜４００℃、１〜２時間）を行ない、最後に光導波路端面が露出している光学部材２の両端面を光学研磨して入出射端面とし、光導波路基板を得る。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような製造方法によると、光学部材に形成すべき光導波路の表面屈折率にバラツキが生じ、場合によっては、１ロットの光学部材に製造した複数の光導波路が全て不良となってしまい、製品歩留まりが悪化するという欠点がある。
【００１１】
当該欠点は液状交換源の温度バラツキに起因するものであると推定される。液状交換源の温度バラツキはプロトン交換の「交換深さ」のバラツキの原因となる。例えば、安息香酸を液状交換源として交換時間を１時間とした場合に、交換温度が２００℃であれば交換深さは約０．４６μｍであるが、該温度が±５℃変化すると、交換深さは０．５３μｍ（２０５℃）、０．４１μｍ（１９５℃）に変化する。
【００１２】
このように交換深さのバラツキが生じても、プロトン交換直後であれば光導波路の表面屈折率はほぼ一定である。しかしながら、上述のアニール処理後には、前記交換深さのバラツキは表面屈折率のバラツキの原因となる。例えば、波長９４０ｎｍの光に対する屈折率変化は、交換温度が２００℃では０．０１８であるが、該温度が２０５℃では０．０２１に、１９５℃では０．０１６にまでバラツキが生じる。このように、屈折率変化にバラツキが生じると、光導波路の伝搬モードにバラツキを与えることになり、周期的分極反転構造と組み合わせる際の擬似位相整合波長に悪影響を与え、歩留まりの低下につながるのである。
【００１３】
このような欠点の解消策としては、液状交換源の温度をより正確に管理することが挙げられる。しかし、一定の体積を有する液状交換源の温度を均一に再現性よく管理するのは、限られた製造コストの範囲内では非常に困難である。本発明は、低コストで実現可能な方法で上記欠点を解消し得る光導波路付き部材の製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述した図３における「合格ライン」の条件を実現し易い制御方法として、従来技術のように液状交換源の温度を一定にする設計指針を改め、液状交換源に温度勾配を付与する設計指針を見出して本発明を完成した。すなわち、本発明の特徴は以下のとおりである。
（１）イオン交換可能な温度に加熱された液状交換源に、複数の帯状の光導波路が形成されるようにマスクパターンが施された光学部材を浸漬して、イオン交換することによって該光学部材に光導波路を形成する工程を有する光導波路付き部材の製造方法であって、上記液状交換源は温度勾配を有していて、その最高温度と最低温度との温度差は１０〜３０℃であり、かつ、上記光導波路の幅方向と上記温度勾配の方向とが同一になるように光学部材を液状交換源に浸漬することを特徴とする光導波路付き部材の製造方法。
（２）上記形成されるべき光導波路の幅が互いに等しいことを特徴とする上記（１）に記載の製造方法。
（３）上記液状交換源の温度勾配の方向が、鉛直下方から鉛直上方に向けて温度が上昇する方向である上記（１）または（２）に記載の製造方法。
（４）上記液状交換源の温度勾配は、該液状交換源を収容する容器の外周に設けられた電熱線への通電により付与されるものであり、該電熱線は前記容器の鉛直下方から鉛直上方に向けて密に設けられることを特徴とする上記（３）に記載の製造方法。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の製造方法において用いる光学部材の模式図である。本発明で用いる光学部材２には、複数の帯状の非マスク領域２１が、好ましくは互いに平行に、ストライプ状（縞状）を呈する様に形成されている。「非マスク領域」とは、上述のとおり、光学部材（基板）２の上面のうち、光導波路とすべき部分だけを露出させて、上面のそれ以外の部分は全てマスク層（マスクパターン）２２で覆う場合における、該露出された部分（光導波路とすべき部分）である。本発明を実効あらしめるには前記非マスク領域２１は光学部材２に複数個設けられる必要があり、コストを勘案しつつ良品を得易くする観点から、光学部材２毎に設けられる非マスク領域の数は、好ましくは５０〜１００個、より好ましくは６０〜９０個である。
【００１６】
該非マスク領域２１は帯状である。「帯状」であるとは、個々の非マスク領域２１が略長方形状であることをいう。以下、非マスク領域２１の長辺方向を長手方向ともいい、その短辺方向を幅方向ともいう。また、好ましくは、本発明の光学部材２には、互いに等しい幅ｗを有する非マスク領域２１が複数個形成されている。「互いに等しい幅」とは、着目すべき複数個の非マスク領域２１について、最も太い非マスク領域２１の幅が最も細い非マスク領域２１の幅の１〜１．２倍、好ましくは１〜１．１倍であることをいう。本発明の光学部材２は、互いに等しい幅の非マスク領域２１を好ましくは２個以上有しており、光学部材２に設けられた全部の非マスク領域のうち、５０％以上の個数のものは互いに等しい幅を有することが好ましい。また、特に好ましくは、光学部材２に形成された全ての非マスク領域２の幅ｗは互いに等しい。当該互いに等しい幅ｗは、光導波路付き部材の用途に応じて決めればよいが、作製上の観点から、２〜１０μｍが好ましく、３〜８μｍがより好ましい。光学部材２の材質やマスクパターンの具体的な形成方法等は従来技術を適宜参照してよく、その例は後述する。
【００１７】
図１は、本発明の製造方法を模式的に示す図である。図１（Ａ）は液状交換源１に光学部材２を浸漬する工程を模式的に示す図であり、同図（Ｂ）は同図（Ａ）における液状交換源１の上下方向の温度勾配をグラフに示したものである。同図（Ｂ）の縦軸は同図（Ａ）における液状交換源１の高さを示す。光導波路マスクパターンを形成した光学部材２を浸漬する液状交換源１は温度勾配を有していて、その最高温度と最低温度との温度差は１０〜３０℃、好ましくは１５〜２５℃である。該温度差が１０℃未満では温度が合格ラインから外れる可能性が大きいという理由により、一方、該温度差が３０℃より大きい場合は歩留まりが低下するという理由により不適切である。さらに、上記非マスク領域２１の幅方向と上記温度勾配の方向とが同一になるように光学部材２を液状交換源１に浸漬する。このような本発明の特徴を図面に則してさらに説明する。
【００１８】
図１に記載の実施態様においては、非マスク領域２１の幅方向は紙面上下方向であり、液状交換源１の温度勾配も紙面上下方向であり、両者の方向は同一である。「液状交換源１の温度勾配が紙面上下方向である」とは、同図（Ｂ）に示すように、液状交換源１のうち紙面上方が高温であり紙面下方に向かうにつれて低温になっていて（またはその逆）、紙面左右方向には温度が変化していないことをいう。液状交換源１は液体であり、流動性を有するため、完全な温度勾配を実現するのは困難であり、また、その必要もないが、例えば、一つの非マスク領域２１に接する液状交換源１の温度変化（最高温度と最低温度との差）は５℃以下、好ましくは３℃以下であることが好ましい。また、非マスク領域２１の幅方向と液状交換源１の温度勾配の方向とが同一であるのは、一つの非マスク領域２１内で温度勾配が生じるのを防ぐためであり、該一つの非マスク領域２１内での温度変化が上述した範囲内であれば、該非マスク領域２１の幅方向と液状交換源１の温度勾配の方向とがなす角度は厳密に０°である必要はない。
【００１９】
浸漬すべき光学部材２に形成された非マスク領域２１の幅方向と同一にし得ることができれば、上記温度勾配の絶対的な方向は特には限定されないが、鉛直下方から鉛直上方に向けて温度が上昇する方向の温度勾配が好ましい。すなわち、図１（Ａ）において、紙面上方が鉛直上方であり、紙面下方が鉛直下方である場合が当該好ましい態様である。このような温度勾配にすることで、液状交換源１の温度勾配に起因する対流の発生を極力低減することができ、所望の温度勾配を維持するのが容易になる。この場合、液状交換源１を収容する容器として、鉛直上方に開口し得る容器（例えば、図１（Ａ）に記載の容器）を用いることが好ましい。それにより、光学部材２の出し入れの際の液状交換源１の不所望な攪拌を最小限にとどめることができるからである。
【００２０】
上述したような温度勾配を実現して維持する具体的な手段は特に限定はなく、従来公知の方法をとることができる。簡便に所望の温度制御をなし得る点から好ましい手段として、液状交換源１を収容する容器の外周に電熱線を設けて、該電熱線に通電することにより前記容器を介して液状交換源１を加熱する手段において、前記電熱線の布設に密度勾配をもたせる手段が挙げられる。電熱線を密に布設した部分は疎に布設した部分よりも高温になることを利用するのである。より好ましくは、上記容器の鉛直下方には電熱線を疎に布設し、鉛直上方には電熱線を密に布設することにより、上述したような鉛直下方から鉛直上方に向けて温度が上昇する方向の温度勾配を液状交換源１に付与することができる。
【００２１】
前述の手段以外でも液状交換源１に温度勾配を付与し得る手段であれば特に制限なく本発明の方法に適用することができる。例えば、液状交換源１を収容する容器の外周に電熱線を布設して通電する方法において、所望の温度勾配を得ることができるように通電の出力に勾配をもたせる手段や、容器の一部を強制冷却して温度勾配を設ける手段等が例示される。
【００２２】
上述のように、非マスク領域２１の幅方向と液状交換源の温度勾配の方向とが同一になるように浸漬し、かつ、好ましくは、光学部材２に互いに等しい幅ｗを有する非マスク領域２１を複数個形成することで製品歩留まりの向上を図ることができる理由を説明する。従来技術の説明において参照した図３における「合格ライン」付近の条件を実現するための設計指針として、従来技術においては液状交換源１の温度を一定するという指針であったものを、本発明においては同一の幅ｗを有する非マスク領域２１を複数個形成して液状交換源１に温度勾配を付与する指針へと転換している。従来のように、液状交換源１の温度を一定にしようとしても、限られたコストの中で高精度な高温状態を達成するのは困難であり、例えば、図４のように、一定にすべき液状交換源１の温度に不所望なバラツキが一定の頻度で生じることは避けられなかった。この場合、光学部材２に形成した光導波路の全てが「合格ライン」から外れる（全数不良）虞があった。このように、ロット内の光導波路の全てが不良となることを防止するために、本発明においては、あらかじめ温度勾配を有する液状交換源１に非マスク領域２１の幅を好ましくは同一とした光学部材２を浸漬することで、最適温度近傍の非マスク領域２１において合格品を得ることができるのである。この場合、最適温度から外れた領域の光導波路は不良となるが、各ロットで一定の歩留まりで合格品を得ることができるようになり、従来の方法と比較した場合に、全体でみると歩留まりが向上するのである。
【００２３】
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。
【００２４】
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０．１〜１．０ｍｍ程度、ウエハ直径は２〜５インチ程度のものが例示される。
【００２５】
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基板に、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（分極反転結晶基板）が挙げられる。該分極反転結晶基板に対して、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。
【００２６】
本発明の製造方法によって製造すべき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。
【００２７】
光学部材に対するイオン交換は、上述したような帯状の光導波路が形成されるようにマスクパターンを形成して行う。「マスクパターンを形成する」とは、図２に示すように、光学部材２の表面のうち光導波路とすべき部分（非マスク領域）２１だけを露出させ、それ以外の部分をマスク層２２で覆うことをいう。このマスク層２２の付与された光学部材２を液状交換源１に浸漬し、非マスク領域２１だけをイオン交換し光導波路とする。
【００２８】
マスク層の材料は金属膜、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。これらマスク層の形成に関しては、公知技術を参照してもよい。
【００２９】
液状交換源は、イオン交換すべき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に対しては、プロトン交換可能な液状交換源として、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は、ＡｇＮＯ３、ＫＮＯ３、ＴｌＮＯ３などの溶融塩が挙げられる。
【００３０】
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℃〜３００℃程度である。この温度の範囲から目標温度を選択し、上述したような温度勾配を付与することが本発明の方法の特徴である。例えば、ＬｉＮｂＯ３基板を、ピロリン酸に浸漬する場合には、温度勾配を付与するにあたって最低温度は１６０〜２４０℃から選択し、該最低温度と最高温度との差は１０〜３０℃であるのが好ましい。
【００３１】
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５〜１５分程度となる。
【００３２】
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。その後、例えば、室温にて放置すること等により光学部材を冷却する。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。
【００３３】
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。
【００３４】
【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。
【００３５】
［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を形成してなる分極反転結晶基板であって、板厚０．３ｍｍ、４５ｍｍ×１１ｍｍの板状物である。
【００３６】
この光学部材の表面（光導波路を形成する面）の全面にＣｒからなる厚み０．０５μｍのマスク層をスパッタリング法によって形成した。このマスク層の全面に厚み１μｍのレジスト層をスピンコートによって形成した。このレジスト層をフォトマスクを用いて露光および現像することにより、光導波路を形成する部分のみレジスト層を除去するパターニングを行った。パターニングされた部分に露出するマスク層を硝酸セリウムアンモニウム水溶液を主成分とするエッチング液で除去して帯状の非マスク領域を形成した。図２は、非マスク領域を形成した光学部材を示す。個々の非マスク領域２１の幅ｗは３μｍ、長さは１１ｍｍであり、光学部材２に均等に７５個形成した。その後、レジスト層（図示せず）を剥離液を用いて除去した。
【００３７】
図１（Ａ）に模式的に表される液状交換源１（安息香酸）を加熱した。同図に示すように、液状交換源１を収容する容器の外周に設けた電熱線の間隔を、鉛直上方ほど密にすることで、液状交換源１に温度勾配を付与した。具体的には、液状交換源１の液面付近の温度は約２１０℃であり、液状交換源１の底部付近の温度は約１９０℃となるようにした。上述の光学部材２を前記液状交換源１に浸漬して６０分間保持した。浸漬の際には、同図に示すように、非マスク領域２１の幅方向と温度勾配の方向が（鉛直方向に）一致するようにした。６０分間の浸漬後、液状交換源１から光学部材２を取り出して冷却することで、プロトン交換の工程が完了した。
【００３８】
その後、光学部材１の表裏両面のマスク層２２を硝酸セリウムアンモニウム水溶液を主成分とするエッチング液でエッチングを行うことにより除去し、さらに、３５０℃、４時間の条件でアニール処理を施した後、両端を研磨し導波路長さを１０ｍｍとすることにより、光導波路付き部材を得た。
【００３９】
［比較例１］
上記液状交換源１に温度勾配を付与せず、全領域にわたって約２００℃としたこと以外は、実施例１と同様にして光導波路付き部材を得た。
【００４０】
［評価］
上述の実施例の方法、比較例の方法で各々、光学部材を１０ロットずつ用いて、光導波路付き部材を製造した。形成した光導波路の良品率は、実施例では６０％、比較例では４０％であった。光導波路が良品であるとは、予め定められた範囲の位相整合波長、および変換効率を満足することである。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の製造方法により、光学部材に形成した多数の光導波路の歩留まりが製造ロットごとにばらつくのを防ぎ、各製造ロットで一定の歩留まりで合格品を得ることができるようになった。これにより、精度の高い生産計画の策定も可能になり、また、従来の方法と比較した場合にも全体でみると歩留まりが向上することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】液状交換源に浸漬する前の光学部材を示す図である。
【図３】光導波路付き部材の製造における、液状交換源の温度と非マスク領域の幅との適切な関係を示す図である。
【図４】液状交換源の温度バラツキを示す図である。横軸は液状交換源の温度を示し、縦軸は液状交換源の各部（位置）を示す。
【符号の説明】
１    液状交換源
２    光学部材
２１  非マスク領域
２２  マスク層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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