(57)【要約】【課題】  強誘電体材料に形成する光導波路において、上下端面、左右端面の屈折率差の対称性に優れた形状の導波路を提供することを目的とする。【解決手段】  強誘電体材料からなる第１基体１、第２基体４を用いた光導波路であって、第１基体１の上面に溝部３を形成し、溝部３形成後の第１基体１の上面に第２基体４を接合し、第２基体４における第１基体１の溝部３上方の位置に、光導波路の上端面１１、左右端面１２、１３となる境界面を有する構造体６を形成してこの構造体を光導波路とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体材料からなる第１基体と第２基体とを用いた光導波路であって、
第１基体の上面に溝部を形成し、
溝部形成後の第１基体の上面に第２基体を接合し、
第２基体における第１基体の溝部上方の位置に、光導波路の上端面、左右端面となる境界面を有する構造体を形成することを特徴とする光導波路。
【請求項２】
第１基体および強誘電体材料からなる第２基体を用いた光導波路であって、
第１基体の上面に溝部を形成し、
溝部を埋めるように第１基体の上面に接着剤を塗布し、第２基体と貼り合わせ、
第２基体における第１基体の溝部上方の位置に、光導波路の上端面、左右端面となる境界面を有する構造体を形成し、
前記構造体の上端面、左右端面を覆うように前記接着剤を塗布することを特徴とする光導波路。
【請求項３】
構造体がリッジ型構造体である請求項１〜請求項２のいずれかに記載の光導波路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の光導波路が、周期分極反転構造を有する強誘電体材料に形成されることを特徴とする擬似位相整合型の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体材料を用いた光導波路に関する。また、本発明は、強誘電体材料に形成される光導波路を用いた波長変換素子、第２高調波発生素子などの光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光情報通信システムや干渉計などの測定装置、光ディスク用のピックアップレーザ、印刷装置などの分野において、青色光を発生するための波長変換素子などの各種光デバイスが使用されている。
これらの光デバイスとして、強誘電体材料に光導波路を形成することにより作られる擬似位相整合素子を利用することが期待されている。擬似位相整合素子は、ＬｉＮＯ３やＬｉＴａＯ３などのバルク結晶の内部に周期分極反転構造を形成し、さらに周期分極反転構造を横断するように光導波路を形成することにより、この光導波路を通過する光に対して擬似的に位相整合を行うものである。分極反転層の周期を調整することにより、任意の波長に対応した位相整合素子を作成することができる。
【０００３】
強誘電体材料の基体に光導波路を形成する従来例として、特許文献１が開示されている。この文献によれば、基体の加工面側からプロトン交換処理を施して交換処理部を形成し、この交換処理部の一部にリッジ型構造体（上面が平面、左右側面が斜面となる山形に加工された構造体）を形成し、その次に交換処理部を熱拡散処理することにより、光導波路を形成する。この方法により形成された光導波路は、膜欠陥による光損失が少ない。また、光導波路は、一般に交換処理後に熱拡散処理を施さないと、交換処理部分を構成する強誘電体材料のｄ定数が低下してくる。そのため、周期分極反転構造を形成して高調波を発生させようとしても、高調波への変換効率が小さくなる。これに対し、特許文献１のプロセスでは、光導波路は、プロトン交換処理部を熱拡散処理することによって生成しているので、熱交換処理の間に、劣化したｄ値が回復するようになる。
【特許文献１】特開２００２−３６５６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
強誘電体材料に光導波路を作る場合、光導波路層とその周囲の層との屈折率差が重要である。すなわち、光導波路層と周囲層との境界面での屈折率差が急峻であれば、光導波路内を通過する光を導波路内に閉じ込めることができるが、境界で屈折率が緩やかに変化する場合は、光導波路内を通過する光がしみ出し、減衰することになる。
【０００５】
また、光導波路を通過する光は、デバイスへの応用面を考慮すると、できるだけ対称な光にすることが望ましい。そのためには、光導波路層と周囲層との境界面（屈折率差が生じる面）の断面形状を、対称にする必要がある。理想的には光ファイバーのコア層とクラッド層のように、光導波路層の境界断面形状を、円形にすることが望ましい。しかしながら、強誘電体材料に形成される光導波路は、基板上に作る必要があるため、パターンエッチングなどのプロセスにより製造しなければならないことから、光導波路層の断面形状を円形にすることは困難である。
そのため、従来は、特許文献１に記載されるように、導波路層断面が山形に加工されたリッジ型構造体を形成していた。
【０００６】
この文献に記載されたリッジ型構造体の上面、左右の側面（斜面）は、高屈折率部と外部雰囲気との間で屈折率がステップ状に変化しており、光導波路内を伝播する光の外部しみ出しは生じない。
【０００７】
一方、リッジ型構造体の上下端面について見ると、上端面では空気層−交換処理層、下端面では交換処理層−非交換処理層となる。そのため、上端面での屈折率差が急峻であるが、下端面では上端面に比べて屈折率差が小さく、上下方向の屈折率差が異なり、光導波路としての対称性がよくない。
【０００８】
そこで本発明は、上下、左右の対称性に優れた形状の導波路を提供することを目的とする。
また、本発明は、強誘電体材料に形成される光導波路を用いた光デバイスにおいて、対称性の優れた光導波路を用いた光デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた第１の発明の光導波路は、強誘電体材料からなる第１基体、第２基体を用いた光導波路であって、第１基体の上面に溝部を形成し、溝部形成後の第１基体の上面に第２基体を接合し、第２基体における第１基体の溝部上方の位置に、光導波路の上端面、左右端面となる境界面を有する構造体を形成するようにしている。
【００１０】
また、第２の発明は、第１基体および強誘電体材料からなる第２基体を用いた光導波路であって、第１基体の上面に溝部を形成し、溝部を埋めるように第１基体の上面に接着剤を塗布し、第２基体と貼り合わせ、第２基体における第１基体の溝部上方の位置に、光導波路の上端面、左右端面となる境界面を有する構造体を形成し、前記構造体の上端面、左右端面を覆うように前記接着剤を塗布するようにしている。
【００１１】
ここで、上記いずれかの光導波路において、構造体がリッジ型構造体であるようにしてもよい。
また、上記課題を解決するためになされた本発明の光デバイスは、周期分極反転構造を有する強誘電体材料に、第１の発明または第２の発明の光導波路を形成するようにした擬似位相整合型の光デバイスである。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、強誘電体材料からなる第１基体の上面に溝部が形成され、第１基体の上面に第２基体が接合される。このとき、第１基体に形成されている溝部の直上に、第２基体の構造体が形成される。第２基体の構造体は、上端面、左右端面となる境界面を有している。これらの３つの端面は、それぞれ空気層（外部雰囲気）に接している。また、構造体の下端面は溝部に面しており、溝部は空気層であるため、下端面についても空気層に接している。
したがって、構造体は上下面が空気層、さらには左右面も空気層となり、屈折率差の対称性に優れた導波路とすることができる。
【００１３】
第２の発明によれば、強誘電体材料からなる第１基体の上面に溝部が形成され、第１基体の上面に第２基体が溝部を覆うように接着剤で貼り合わせられる。このとき、第１基体に形成されている溝部の直上に、第２基体の構造体が形成される。第２基体の構造体は、上端面、左右端面となる境界面を有しており、さらに端面の表面に接着剤が塗布してある。したがって、構造体は上下面が接着剤層、さらには左右面も接着剤層で覆われ、屈折率差の対称性に優れた導波路とすることができる。
【００１４】
第１発明および第２発明において、第２基体に形成される構造体をリッジ型構造体にすることにより、周知のパターニング技術を用いて、対称性のよい光導波路を作成することができる。
【００１５】
また、周期分極反転構造を有する強誘電体材料に、第１の発明または第２の発明の光導波路を形成するようにした擬似位相整合型の光デバイスを形成することにより、対称性のよい光導波路を有する光デバイスを作成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の光導波路は、第１基体の上面に溝部が形成され、溝部が形成された後の第１基体の上面に、第２基体が接合される。このとき、第１基体に形成されている溝部の直上の第２基体には、光導波路となる構造体が形成される。
【００１７】
ここで、光導波路を形成する構造体部分は、強誘電性材料により構成される。ここで、強誘電体材料としては、例えばＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＮｂＯ３系の非線形結晶光学効果を有する結晶が使用できる。ただし、材料はこれらに限られるのではなく、光デバイスとして応用可能な強誘電体材料であれば使用できる。
【００１８】
第１基体と第２基体とを直接接合する場合は、同一材料を用いることが好ましい。すなわち、同一材料を使用することにより、接合面を鏡面研磨した上で加熱しながら圧接することにより、両者を簡単に接合することができる。ただし、同一材料ではなくても、互いに接合することができる強誘電体材料同士であれば、異なる材料であっても特に問題はない。
【００１９】
第１基体に形成する溝部は、エッチング加工（ドライエッチング）、直接機械加工、イオンミリング、レーザアブレーション等の加工方法により形成することができる。なかでも金属マスクのパターンを形成して行うドライエッチング加工が好適である。溝部の形状や深さは、溝内に空気層が出来る程度であればよい。
【００２０】
第２基体における第１基体の溝部上方の位置に形成される構造体は、上端面、左右端面となる境界面を有している。これら境界面を有する構造体は、例えば、パターニングにより形成したマスクを用いてドライエッチング加工することにより、簡単に形成することができる。なお、エッチング加工により構造体を形成した場合には、リッジ型構造体（山形の構造体）が形成されることになるが、構造体の形状はこれに限られない。例えば、機械加工により、左右端面を垂直面にして方形の構造体に加工してもよいし、また、あり溝状の構造体に加工してもよい。
【００２１】
また、第１基体と第２基体とを直接接合するのではなく、接着剤で貼り付けることもできる。このときは、ＵＶ硬化性接着材、エポキシ樹脂などを接着剤として用いることができる。この場合の接着剤には、構造体を構成する第２基体よりも屈折率が小さい材料が用いられる。
なお、第１基体と第２基体とを接着剤で貼り付けるときは、第１基体は単に支持体として機能すればよいので、必ずしも強誘電体材料でなくてもよい。ただし、デバイスとした場合の信頼性を考慮すると、熱膨張係数をそろえるため、やはり、第１基体と第２基体とは、同種材料の方が望ましいことは言うまでもない。
【実施例１】
【００２２】
以下、本発明の光導波路の実施例について図面を用いて説明する。図１（ａ）〜図１（ｈ）は本発明の一実施形態である光導波路の製造工程を説明する図である。本実施例では、第１基体と第２基体とを直接加圧アニールにより接合を行う。
【００２３】
図１（ａ）に示すように、第１基体１となる強誘電材料を準備する。具体的には、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、あるいは、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）を用いている。この第１基体１は、光導波路の支持体となるものであり、平板形状に仕上げてある。また、後述する第２基体４と接合する上面は、研磨されている。
【００２４】
次に、導波路を形成するため、第１基体１の上面にフォトリソグラフィにより、マスクをパターニングする。一般に、強誘電体材料は、ドライエッチングによるエッチング速度が遅いので、樹脂によるレジストをそのままパターニングのマスクとして使用すると、レジストが侵され、マスクとして機能しなくなることがある。そこで、強誘電体材料に対して選択比が大きいＣｒ、Ｎｉなどの金属膜を第１基体１の上面に形成し、その後、樹脂レジストにて金属膜をパターニングし、これを強誘電体材料のマスク２として用いる。図１（ｂ）は金属マスク２を形成した状態を示している。
【００２５】
次に、ドライエッチングにより、第１基体１の上面をエッチング加工し、図１（ｃ）に示すように、溝部３を形成する。ドライエッチングには、ＣＦ４などの周知のエッチングガスを用いることができる。溝部３が形成できたら、エッチングを終了し、パターニングに使用したマスク２を除去する。
【００２６】
次に、第１基体１と同材料で同面積の第２基体４を用意する。第２基体４の下面は研磨してあり、第１基体１と接触させたときに密着するようにしておく。そして、図１（ｄ）に示すように、第２基体４を第一基体１の上面に重ね合わせ、加圧しながらアニールすることにより直接接合する。
【００２７】
次に、図１（ｅ）に示すように、接合した第２基体４を薄くして、使用する光の波長に応じた厚さ（２〜３μｍ程度）にする。例えば４７３ｎｍの波長の場合には、約２μｍにする。第２基体４を薄くする加工は、接合後の第２基体４の上面全面のドライエッチング加工でもよいし、機械的なスライス加工によってもよい。
【００２８】
次に、第１基体１に形成した溝部３の直上に、光導波路となるリッジ型構造体６を形成するため、図１（ｆ）に示すように、リソグラフィーによるパターニングを行う。この場合も、図１（ｂ）のときと同様に、一旦Ｃｒ、Ｎｉなどの金属膜を形成し、これを樹脂レジストでパターニングすることで金属マスク５を形成する。
【００２９】
ドライエッチングにより、図１（ｇ）に示すように、第２基体上４にリッジ型構造体６を形成する。なお、リッジ型構造体６の左右端面（山形の斜面）の下側の裾野部分は、第２基体４のリッジ型構造部分以外の平坦面７につながっているので、この部分から光導波路内の光がしみ出すことになる。しかしながら、この部分の厚みは、上述したように、最初に２〜３μｍまでに薄く切り出した第２基体４を、さらにエッチングにより薄くしたものであることから、この部分からの光のしみ出しは、実用上無視できる程度である。
【００３０】
次に、図１（ｈ）に示すように、マスク５を除去して、リッジ型構造体６を完成する。
図２は、上記製造工程により形成した光導波路の斜視図である。図に見られるように、第１基体１に刻まれた溝部３の上方に、リッジ型構造体６が形成される。リッジ型構造体６の上端面１１、左端面１２、右端面１３は外部雰囲気である空気層に面している。また、リッジ型構造体６の下端面１４は溝部３内の空気層に面している。
このように、作成したリッジ型構造体６は、上下端面、左右端面のいずれの境界面も空気層に面しており、屈折率差の対称性に優れた形状を実現している。
【実施例２】
【００３１】
図３（ａ）〜（ｊ）は、本発明の他の一実施例である光導波路の製造工程を説明する図である。本実施例では、第１基体と第２基体とを接着剤により接合する。
本実施例において、図３（ａ）から図３（ｃ）までの工程は、実施例１の図１（ａ）〜図１（ｃ）と同じ工程であるので、一部説明を省略する。
【００３２】
図３（ａ）に示すように、第１基体１となる強誘電体材料を準備する。この第１基体１は、光導波路の支持体として用いるものであり、平板形状に仕上げてある。また、第２基体４と接合する上面は、研磨されている。
次に、図３（ｂ）に示すように、溝部を形成するための金属マスク２をパターニングする。
次に、図３（ｃ）に示すように、ドライエッチングにより、第１基体１の上面をエッチング加工し、溝部３を形成する。溝部３が形成できたら、エッチングを終了し、パターニングに使用したマスク２を除去する。
【００３３】
次に、図３（ｄ）に示すように、溝部３内を含む第１基体１の上面全面にＵＶ硬化型の接着剤８を塗布する。この接着剤８は、後述する第２基体４より屈折率が小さいものを選ぶ。
【００３４】
次に、強誘電体材料からなる第２基体４を用意する。第２基体４の下面は研磨し、溝部３に面する部分が平坦面となるようにしておく。そして、図３（ｅ）に示すように、第２基体４と第１基体１とを接着剤８で張り合わせる。接着後は、第１基体１の溝部３と第２基体４の下面との間に接着剤８の層が形成されるようにする。
【００３５】
以下、図３（ｆ）〜図３（ｉ）までの工程は、図１（ｅ）から図１（ｇ）と同様であるので一部説明を省略する。
図３（ｆ）に示すように、第２基体４を薄くして、使用する光の波長に応じた厚さ（２〜３μｍ程度）にする。
次に、図３（ｇ）に示すように、第１基体１に形成した溝部３の直上に、光導波路となるリッジ型構造体６を形成するため、リソグラフィーによるパターニングを行う。
次に、図３（ｈ）に示すように、ドライエッチングにより、第２基体４上にリッジ型構造体６を形成する。
次に、図３（ｉ）に示すように、マスク５を除去して、リッジ型構造体６を完成する。
【００３６】
次に、図３（ｊ）に示すように、作成したリッジ型構造体６の平坦な上端面と山形の左右端面とを覆うように、接着剤９を塗布し、接着剤層を形成する。接着剤９は、図３（ｄ）で形成した接着剤８と同材料にして、リッジ型構造体６を取り囲む周囲層の屈折率を同じにする。
これにより、リッジ型構造体６は、上下端面、左右端面のいずれの境界面も同一材料の接着剤８、９に面しており、屈折率差の対称性に優れた形状を実現することができる。
【００３７】
また、実施例２の工程によれば、接着剤８により第１基体１と第２基体４とを張り合わせることができるかぎり、第１基体１の材料を誘電体材料に制約されることなく、選択することが可能になる。
【００３８】
接着剤を用いた実施例２の場合の、具体例として、第１基体にＬｉＮｂＯ３、第２基体に同じ材料系のＭｇドープＬｉＮｂＯ３を用いた例について、説明する。この例では、第１基体と第２基体とは、ほぼ同様の熱膨張係数を有するので、第１基体に石英など異種材料を用いる場合に比して、信頼性の高いデバイスとすることができる。
【００３９】
一般に、ＭｇをドープしたＭｇドープＬｉＮｂＯ３は、ｄ値が大きく、高い高調波出力が得られ、また、耐光損傷性が高い点で、光導波路に使用する材料として適している。しかしながら、ＬｉＮｂＯ３よりも屈折率が小さくなる。
そのため、支持体層をＬｉＮｂＯ３、導波層をＭｇドープＬｉＮｂＯ３として、直接接合させ、導波層を研磨して光導波路を作成することができなかった。
【００４０】
導波層（ＭｇドープＬｉＮｂＯ３）よりも屈折率が小さい接着剤を利用することが考えられるが、導波層の研磨（図３（ｆ）参照）時においては、接着剤層は、研磨加工上の問題で、より薄い層とすることが求められる。その場合、もしも、導波層下の下部空間がない場合に、接着層が薄いと、導波層からの光の染み出しが顕著となり、光閉じ込め効率が落ちてしまうこととなる。したがって、単に、支持体層（ＬｉＮｂＯ３）と導波層（ＭｇドープＬｉＮｂＯ３）とを直接接合したり、薄い接着層で接着したりして、デバイスを作製する場合には、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３は、擬似位相整合の材料として信頼性に欠けることとなる。
【００４１】
しかしながら、実施例２のように導波層下に下部空間を設け、これに、部分的に厚い接着剤層（ただし、接着剤層の屈折率が導波層の屈折率よりも小さい）を設けることにより、ＭｇドープＬｉＮｂＯ３を導波層（第２基体）に利用し、ＬｉＮｂＯ３を支持体層（第１基体）に利用することもできるようになる。
【００４２】
接着剤層に代えて、導波層下の下部空間を空気層とする場合についても同様である。
【００４３】
図４は、上記製造工程により形成した光導波路の斜視図である。図に見られるように、第１基体１に刻まれた溝部３には接着剤８が埋め込まれ、第１基体１と第２基体４との境界に接着剤層が形成される。そして接着剤層の上方に、リッジ型構造体６が形成される。
リッジ型構造体６の上端面１１、左端面１２、右端面１３は、さらに接着剤８と同材料の接着剤９で覆われている。このように、作成したリッジ型構造体６は、上下端面、左右端面のいずれの境界面も同種の接着剤層に面しており、屈折率差の対称性に優れた形状を実現している。
【実施例３】
【００４４】
次に、光導波路を、周期分極反転構造を有する強誘電体材料に形成して、波長変換素子などの光デバイスを形成する場合の工程について説明する。
実施例３では、図１で説明した光導波路の製造工程を変形して、擬似位相整合型の光デバイスを形成する。まず、第１基体１に接合する第２基体４に対し、予め周知の電圧印加法等により、周期分極反転構造を形成しておく。
【００４５】
そして、図１（ａ）〜（ｃ）の工程を実施し、その後、図１（ｄ）の工程で周期分極反転構造を形成した第２基体４を、加圧アニールにより直接接合する。以下、図１（ｅ）〜図１（ｈ）の工程を経て、リッジ型構造体の光導波路を有する光デバイスを形成する。
図５は、上記工程により形成した周期分極反転構造を有する光デバイスの斜視図である。図に見られるように、第１基体１に刻まれた溝部３の上方に、周期分極反転構造を有するリッジ型構造体１６が形成される。リッジ型構造体１６の上端面１１、左端面１２、右端面１３は外部雰囲気である空気層に面している。また、リッジ型構造体６の下端面１４は溝部３内の空気層に面している。このように、作成したリッジ型構造体６は、上下端面、左右端面のいずれの境界面も空気層に面しており、屈折率差の対称性に優れた形状を実現している。
【００４６】
実施例３では、図１の工程を元にした光デバイスの製造工程を説明したが、図１の工程に代えて、図３の工程を元にした光デバイスの製造工程も同様に実現することができる。この場合は、図３（ｅ）の工程で、周期分極反転構造を有する第２基体４を用いればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、光導波路、およびこれを用いた光デバイスの作成に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態である光導波路の製造工程を説明する図。
【図２】本発明の一実施形態である光導波路の斜視図。
【図３】本発明の他の一実施形態である光導波路の製造工程を説明する図。
【図４】本発明の他の一実施形態である光導波路の斜視図。
【図５】本発明他の一実施形態である光導波路を用いた光デバイスの斜視図。
【符号の説明】
【００４９】
１    第１基体
２    マスク（金属マスク）
３    溝部
４    第２基体（強誘電体材）
５    マスク（金属マスク）
６    リッジ型構造体
８    接着剤
９    接着剤
１１  上端面
１２  左端面
１３  右端面
１４  下端面
１６  周期分極反転構造リッジ型構造体
【図１】
2005266631.tif 000003
【図２】
2005266631.tif 000004
【図３】
2005266631.tif 000005
【図４】
2005266631.tif 000006
【図５】
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