(57)【要約】【課題】強誘電体結晶同士を接合する接着剤の剥離が生じない、強誘電体結晶からなる光導波路素子を提供する。【解決手段】強誘電体結晶からなる基板１０と、基板１０上に形成された第１の接着層２０と、第１の接着層２０を介して基板１０と接合された強誘電体結晶からなる光導波路層３０と、光導波路層３０上に形成された第２の接着層４０と、第２の接着層４０を介して光導波路層３０と接合された、強誘電体結晶からなるキャップ層５０とを備え、両端部においてスラブ型導波路構造を形成し、両端部に挟まれた中央領域において３次元導波路構造を形成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体結晶からなる基板と、
前記基板上に形成された第１の接着層と、
前記第１の接着層を介して前記基板と接合された強誘電体結晶からなる光導波路層と、
前記光導波路層上に形成された第２の接着層と、
前記第２の接着層を介して前記光導波路層と接合された、強誘電体結晶からなるキャップ層と
を備え、両端部においてスラブ型導波路構造を形成し、前記両端部に挟まれた中央領域において３次元導波路構造を形成していることを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
前記光導波路層が、光が伝播する方向に沿って周期的に分極方向が反転する強誘電体結晶からなることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記中央領域において、前記光導波路層にリッジ部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記第１及び第２の接着層が樹脂の光学的接着剤からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体結晶を用いた光導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
タンタル酸リチウム（ＬＴ）単結晶やニオブ酸リチウム（ＬＮ）単結晶などの強誘電体結晶の非線形光学効果を利用した擬似位相整合（ＱＰＭ）素子の利用が進められている。例えば、強誘電体結晶内部に分極方向が周期的に反転する周期分極反転構造を形成したＱＰＭ素子が開発されている。ＱＰＭ素子の実用例としては、光ファイバーのようなステップ状の屈折率変化を有し、光を光導波路層（コア）に閉じ込めて伝播させるリッジ導波路型の光導波路素子などがある。
【０００３】
光導波路素子は、強誘電体結晶からなる複数の基板を張り合わせて製造されるのが一般的である（例えば特許文献１参照。）。このため、多くの場合、各基板間には光学接着材が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００６／０４１１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リッジ導波路型の光導波路素子を製造する際に、しばしば光導波路層のリッジ部の上方に光学接着剤によってキャップ層が貼り付けられる。この場合、光導波路素子の端面には、光学接着剤の膜厚の厚い部分と薄い部分とが露出する。このとき、光学接着剤の厚い部分に沿って、光導波路層やキャップ層からの光学接着剤の剥離が光導波路素子の端面から内部に向かって進行するという問題があった。
【０００６】
上記問題点に鑑み、本発明は、強誘電体結晶同士を接合する接着剤の剥離が生じない、強誘電体結晶からなる光導波路素子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】
【０００７】
本発明の一態様によれば、強誘電体結晶からなる基板と、基板上に形成された第１の接着層と、第１の接着層を介して基板と接合された強誘電体結晶からなる光導波路層と、光導波路層上に形成された第２の接着層と、第２の接着層を介して光導波路層と接合された強誘電体結晶からなるキャップ層とを備え、両端部においてスラブ型導波路構造を形成し、両端部に挟まれた中央領域において３次元導波路構造を形成している光導波路素子が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、強誘電体結晶同士を接合する接着剤の剥離が生じない、強誘電体結晶からなる光導波路素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る光導波路素子の構造を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は端面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＩ−Ｉ方向に沿った断面図である。
【図２】比較例の光導波路素子の構造を示す模式図であり、図２（ａ）は平面図、図１（ｂ）は端面図である。
【図３】硬化収縮による光学接着剤の剥離を説明するためのモデルの構造を示す模式図である。
【図４】硬化収縮により光学接着剤に働く力の大きさと光学接着剤の膜厚との関係を表すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る光導波路素子の製造方法を説明するための工程図である（その１）。
【図６】本発明の実施形態に係る光導波路素子の製造方法を説明するための工程図である（その２）。
【図７】本発明の実施形態に係る光導波路素子の製造方法を説明するための工程図である（その３）。
【図８】本発明の実施形態に係る光導波路素子の製造方法を説明するための工程図である（その４）。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１１】
又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
本発明の実施形態に係る光導波路素子１は、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、強誘電体結晶からなる基板１０と、基板１０上に形成された第１の接着層２０と、第１の接着層２０を介して基板１０と接合された強誘電体結晶からなる光導波路層３０と、光導波路層３０上に形成された第２の接着層４０と、第２の接着層４０を介して光導波路層３０と接合された、強誘電体結晶からなるキャップ層５０とを備え、両端部においてスラブ型導波路構造を形成し、両端部に挟まれた中央領域において３次元導波路構造を形成している。なお、図１（ａ）では、キャップ層５０と第２の接着層４０を透過して光導波路層３０が表示されている。
【００１３】
図１（ａ）〜図１（ｃ）に示した光導波路素子１は、光導波路の大部分を占める中央領域１２０においては、光導波路層３０がリッジ部３５を有するリッジ導波路型の３次元導波路構造である。そして、端面１０１、１０２付近においては、平板構造の基板１０、光導波路層３０及びキャップ層５０が、第１の接着層２０及び第２の接着層４０によって張り合わされたスラブ型導波路構造である。
【００１４】
光導波路素子１の全長に亘って膜厚方向（垂直方向）の光閉じ込め構造が構成され、端面１０１、１０２の一方から他方に光導波路層３０を光が伝播する。更に、中央領域１２０には、膜厚方向と共に幅方向の光閉じ込めのための屈折率構造を実現する３次元導波路構造が採用されている。光導波路層３０の構造に関しては、リッジ導波路型以外にも、リブ導波路型や埋め込みヘテロ構造導波路型などの３次元導波路構造が中央領域１２０において採用可能である。
【００１５】
基板１０、光導波路層３０及びキャップ層５０は、例えばタンタル酸リチウム（ＬＴ）単結晶やニオブ酸リチウム（ＬＮ）単結晶などの強誘電体結晶からなる。
【００１６】
光導波路層３０は、光が伝播する方向、即ち膜厚方向と垂直な方向に沿って周期的に分極方向が反転する周期分極反転構造が形成された強誘電体結晶からなる。このため、光導波路素子１は、入射するレーザ光と擬似位相整合することによって、２次高調波である波長のレーザ光を出力することができる。つまり、光導波路素子１は、ＱＰＭ型の波長変換素子として機能する。
【００１７】
中央領域１２０における光導波路層３０のリッジ部３５が形成された領域の膜厚をＴ31とする。中央領域１２０における光導波路層３０のリッジ部３５が形成されていない領域、即ち、リッジ部３５を取り囲む膜厚の薄い領域（以下において、「溝」という。）の膜厚をＴ32とする（Ｔ31＞Ｔ32）。端部１１０、１３０においては、光導波路層３０の膜厚はＴ31である。
【００１８】
光導波路素子１の端面１０１、１０２の中心領域に入射光が照射される。このため、光導波路層３０の光が伝播する方向に沿った両側に溝を挟んでリッジ部３５と対向する凸部が形成されているが、これらの凸部は光の伝播には影響しない。
【００１９】
第１の接着層２０及び第２の接着層４０は、光学的接着剤からなる。例えば、アクリル系接着剤やエポキシ系接着剤などの樹脂が、第１の接着層２０及び第２の接着層４０に採用可能である。
【００２０】
図１（ｃ）に示すように、中央領域１２０では、光導波路層３０の上面の凹凸を埋め込むように第２の接着層４０が形成される。したがって、中央領域１２０においては、リッジ部３５の上方の領域と溝の上方の領域とで第２の接着層４０の膜厚が異なる。図１（ｃ）に示すように、リッジ部３５の上方における第２の接着層４０の膜厚をＴ41、リッジ部３５を取り囲む溝の上方における第２の接着層４０の膜厚をＴ42とする（Ｔ41＜Ｔ42）。したがって、Ｔ42−Ｔ41＝Ｔ31−Ｔ32＝「リッジ部の段差」である。一方、スラブ型導波路構造の端部１１０、１３０においては、第２の接着層４０の膜厚はＴ41である。
【００２１】
図１（ａ）〜図１（ｃ）に示した光導波路素子１との比較例として、端部まで全長に亘って３次元構造を有する光導波路素子１Ａの平面図を図２（ａ）に、端面１０１Ａ、１０２Ａを図２（ｂ）に示す。
【００２２】
図２（ｂ）に示すように、光導波路素子１Ａでは、リッジ部３５Ａを構成する光導波路層３０Ａの段差構造が端面１０１Ａ、１０２Ａに露出している。他の構成は図１に示した光導波路素子１と同様である。即ち、光導波路素子１Ａは、強誘電体結晶からなる基板１０Ａ、光導波路層３０Ａ、キャップ層５０Ａが、第１の接着層２０Ａ及び第２の接着層４０Ａによって張り合わされた構造である。なお、図２（ａ）では、キャップ層５０Ａと第２の接着層４０Ａを透過して光導波路層３０Ａが表示されている。
【００２３】
光導波路素子１Ａの端面１０１Ａ、１０２Ａが各種環境に曝露されることにより接着剤の剥離のきっかけが生じると、端面１０１Ａ、１０２Ａから内部に向かい、第２の接着層４０Ａの厚い部分に沿って光導波路層３０Ａ及びキャップ層５０Ａからの第２の接着層４０Ａの剥離が進行することがある。剥離のきっかけとしては、端面１０１Ａ、１０２Ａがこすられるとか、熱膨張するとかの刺激が挙げられる。例えば、端面が温水に浸漬されると光学接着剤の接着力が低下する。
【００２４】
光学接着剤の接着力が低下する原因として、光学接着剤の厚い部分において、光学接着剤の硬化収縮によって光学接着剤を強誘電体結晶基板などの剛体から引き離す力が生じることが考えられる。
【００２５】
光学接着剤の厚い部分、例えばリッジ部を取り囲む溝上に形成された部分において、剛体から光学接着剤を剥離する力が生じる例を、図３に示すモデルを参照して説明する。図３は、上面に凹凸が形成された第１の剛体３が、光学接着剤４によって、平板状の第２の剛体５に張り合わされている例を示す。なお、第１の剛体３の上面において、厚い部分と薄い部分との面積比はａ：ｂである。また、凸部と凹部の高低差はｄである。
【００２６】
以下において、第１の剛体３の厚い部分（凸部）の上方に形成された光学接着剤４の膜厚を「第１の膜厚」という。また、第１の剛体３の薄い部分（凹部）の上方に形成された光学接着剤４の膜厚を「第２の膜厚」という。したがって、「第１の膜厚」＜「第２の膜厚」である。
【００２７】
硬化前の光学接着剤４の第１の膜厚をｔ１０、第２の膜厚をｔ２０とする。また、硬化後の光学接着剤４の自然な膜厚について、第１の膜厚をｔ１１、第２の膜厚をｔ２１とする。「自然な膜厚」とは、光学接着剤４を剥離する力が働いていない状態での膜厚である。
【００２８】
第２の剛体５は変形しないと仮定し重力を無視すると、光学接着剤４の硬化後に第２の剛体５に働く力が釣り合うように、光学接着剤４の第１の膜厚ｔ１２及び第２の膜厚ｔ２２が定まる。
【００２９】
以上から、硬化後の光学接着剤４のヤング率をＥとし、光学接着剤４の硬化収縮率をｓとすると、以下の式（１）〜式（４）が成立する：
ｔ２２−ｔ１２＝ｔ２０−ｔ１０＝ｄ  ・・・（１）
ｔ１１＝ｔ１０×（１−ｓ）  ・・・（２）
ｔ２１＝ｔ２０×（１−ｓ）  ・・・（３）
ａ×Ｅ×（ｔ１１−ｔ１２）／ｔ１１＝ｂ×Ｅ×（ｔ２２−ｔ２１）／ｔ２１  ・・・（４）
式（１）は第１の剛体３の上面の凹凸の高低差ｄ、式（２）と式（３）は光学接着剤４の硬化時の収縮、式（４）は第２の剛体５に働く力の釣り合いから、それぞれ導き出される。
【００３０】
式（１）〜式（４）から、第２の剛体５に働く力が釣り合った状態における第１の膜厚ｔ１２及び第２の膜厚ｔ２２が求まる。また、第１の剛体３の凹部に形成された光学接着剤４に働く単位面積あたりの力は、Ｅ×（ｔ２２−ｔ２１）／ｔ２１である。ここで、ｓ＝０．１、ａ：ｂ＝２４０：２１６０、Ｅ＝２２００ＭＰａ、ｄ＝３μｍとすると、図４に示す結果が得られる。図４は、第１の膜厚ｔ１と光学接着剤４に働く面積あたりの力Ｐとの関係を示すグラフである。図４に示すように、凹部に形成された光学接着剤４、即ち光学接着剤４の厚い部分には、１０7〜１０8Ｐａ程度の引張り応力が働く。
【００３１】
以上から、光学接着剤の膜厚の厚い部分と薄い部分とが隣接して端面に露出している場合に光学接着剤の接着力が低下する原因として、次のようなメカニズムが考えられる。即ち：
（１）２つの剛体を光学接着剤で張り合わせる際に、光学接着剤の厚い部分と薄い部分があると、硬化収縮によって厚い部分の方が大きく収縮しようとする。
【００３２】
（２）一方、光学接着剤の薄い部分は、厚い部分ほどは収縮せず、剛体はほとんど変形しない。
【００３３】
（３）そのため、光学接着剤の厚い部分は、光学接着剤が硬化した後の自然な長さよりも長くなるように、剛体から引っ張られる。これにより、厚い部分では常に剥離しようとする力が働いている。光学接着剤の膜厚の厚い部分と薄い部分とが隣接して端面に露出している場合は剥離のきっかけが与えられやすく、このため、端面で光学接着剤の剥離が発生しやすい。
【００３４】
上記のメカニズムにより発生すると考えられる力は、図４に示すように、およそ１０7Ｐａのオーダーであり、本発明者らが使用している光学接着剤の接着強度と同等である。したがって、何らかのきっかけにより、上記のメカニズムにより光学接着剤の剥離が生じると考えられる。
【００３５】
図２（ａ）、図２（ｂ）に示した比較例の光導波路素子１Ａでは、第２の接着層４０Ａの膜厚の厚い部分と薄い部分とが隣接して端面１０１Ａ、１０２Ａに露出する。このため、第２の接着層４０Ａの厚い部分に沿って第２の接着層４０Ａの剥離が進行する
これに対し、図１（ａ）〜図１（ｂ）に示した光導波路素子１では、端部１１０、１３０にリッジ部３５が形成されていない。このため、第２の接着層４０の膜厚の厚い部分と薄い部分とが隣接して端面１０１、１０２に露出することはない。つまり、端面１０１、１０２における第２の接着層４０の膜厚Ｔ２はほぼ一定であり、リッジ部のような第２の接着層４０の厚みが急激に変化する場所はない。このため、光導波路素子１においては、端面から内部に進行する第２の接着層４０の剥離は生じにくい。
【００３６】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る光導波路素子１によれば、中央領域１２０において３次元導波路構造を形成し、端部１１０、１３０においてスラブ型導波路構造を形成することにより、光学接着剤の剥離が生じない光導波路素子を実現することができる。
【００３７】
図５、及び、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）〜図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）を用いて、本発明の実施形態に係る光導波路素子１の製造方法を説明する。図６〜図８において、図（ａ）は端面図、図（ｂ）は光の伝播方向に垂直な中央領域１２０の断面図、図（ｃ）は側面図である。なお、以下に述べる光導波路素子１の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００３８】
図５に示すように、光導波路層３０として使用する強誘電体結晶基板３００に周期分極反転構造を形成する。強誘電体結晶基板３００には、例えば、強誘電体結晶の分極方向のＺ軸方向と垂直なＺ面を主面とするＺ方向基板が使用される。ここでは、Ｚ方向ＬＴ基板を強誘電体結晶基板３００に使用する。
【００３９】
周期分極反転構造を形成した強誘電体結晶基板３００を、第１の光学接着剤によって基板１０に貼り付ける。これにより、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように、基板１０と強誘電体結晶基板３００間に第１の接着層２０が形成される。基板１０には、例えば膜厚が１０００μｍ程度のＬＴ基板が採用される。第１の接着層２０の膜厚は、例えば１〜３μｍ程度である。
【００４０】
次いで、例えば膜厚４．８μｍ程度まで強誘電体結晶基板３００を薄片研磨した後、フォトリソグラフィ技術及びイオンミリングなどによって強誘電体結晶基板３００の上部を部分的にエッチングして、リッジ部３５を取り囲む溝を形成する。これにより、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、リッジ部３５を有する光導波路層３０が形成される。このとき、端部１１０、１３０においては強誘電体結晶基板３００をエッチングせず、リッジ部３５は形成されない。例えば、リッジ幅Ｗは３μｍ程度であり、リッジ部３５の両側に形成される溝の幅Ｗｇは１０μｍ程度である。
【００４１】
その後、第２の光学接着剤によって、光導波路層３０にキャップ層５０が貼り付けられる。これにより、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、光導波路層３０とキャップ層５０間に第２の接着層４０が形成される。キャップ層５０には、例えば膜厚２００μｍ程度のＬＴ基板が採用される。第２の接着層４０の膜厚は、中央領域１２０のリッジ部３５及び端部１１０、１３０では、例えば１〜４μｍ程度であり、中央領域１２０の溝部では、例えば４〜７μｍ程度である。
【００４２】
通常、一つの強誘電体結晶基板３００を用いて複数の光導波路素子１が形成される。このため、１の基板１０上に形成された複数の光導波路素子１からダイシングによって個々の光導波路素子１を切り出す。その後、端面１０１、１０２を研磨して、光導波路素子１が完成する。
【００４３】
光導波路素子１の全長は、例えば１０００μｍ程度である。また、端部１１０、１３０の長さは１０μｍ程度である。端部１１０、１３０の長さ、即ちスラブ型導波路構造の部分が長いと、光導波路素子１に入射された光が拡散する距離が長くなる。このため、端部１１０、１３０の長さは、光学接着剤の剥離が発生せず、かつ、光が拡散する距離ができるだけ短いように設定される。また、端部１１０、１３０の長さは、光導波路素子１の後段光学系のワーキングディスタンスも考慮して設定される。
【００４４】
基板１０及びキャップ層５０には、光導波路層３０と同一の材料を使用することが好ましい。これは、熱膨張率などの特性が異なる材料を使用することにより光導波路素子１に歪が生じ、特性や歩留まりが低下することを防止するためである。
【００４５】
なお、光導波路素子１に入射された光が光導波路層３０を伝播するように、第１の接着層２０及び第２の接着層４０の屈折率が光導波路層３０に使用される強誘電体結晶基板３００の屈折率よりも小さいように、第１及び第２の光学接着剤が選択される。これにより、光導波路素子１に入射された光が光導波路層３０に閉じ込められる。
【００４６】
光導波路層３０として使用する強誘電体結晶基板３００に周期分極反転構造を形成するには、強誘電体結晶基板３００の表面に一定の間隔で配置した電極に電圧を印加する電圧印加方法などが用いられる。例えば、強誘電体結晶基板３００の表面に配置した櫛形形状の電極と、強誘電体結晶基板３００の裏面に一様に配置した平面電極との間に所定の電圧を印加する。これにより、櫛形形状の電極の櫛の歯部分に相当する電極片の直下に分極反転が生じ、強誘電体結晶基板３００に周期分極反転構造が形成される。
【００４７】
例えば光導波路素子１をＱＰＭ型の波長変換素子として使用する場合は、光導波路素子１に入射されるレーザ光の波長及び出力されるレーザ光の波長に応じて、光導波路層３０の分極反転させる領域の幅及び間隔が適宜設定される。
【００４８】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４９】
例えば、既に述べた実施形態の説明においては、基板１０、光導波路層３０及びキャップ層５０にＬＴ基板を採用する例について示したが、基板１０、光導波路層３０及びキャップ層５０にＬＴ基板以外の、ＬＮ基板や石英基板を使用してもよい。
【００５０】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００５１】
１…光導波路素子
３…第１の剛体
４…光学接着剤
５…第２の剛体
１０…基板
２０…第１の接着層
３０…光導波路層
３５…リッジ部
４０…第２の接着層
５０…キャップ層
１０１、１０２…端面
１１０、１３０…端部
１２０…中央領域
３００…強誘電体結晶基板
【図１】
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【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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