(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次の非線形効果を有し且つ非線形定数が周期的に変調する構造をもつ第一の基板と、第二の基板とを貼り合わせる第一の工程と、前記第一の基板の厚さを薄くして光導波路を形成するための所定の厚さにする第二の工程とを有する波長変換素子用薄膜基板の製造方法であって、
前記第一の工程では前記第一の基板と前記第二の基板とを、熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせ、
前記第二の行程では前記第一の基板の厚さを前記第一の基板全体にわたってサブミクロンの精度で２０μｍ以下に均一に研磨加工する
ことを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、
前記第一の基板と前記第二の基板は３インチウエハである
ことを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載する波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第一の工程における熱処理は前記第一の基板のキュリー温度以下の温度で行うことを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第一の基板が、ＬｉＮｂＯ３ 、ＫＮｂＯ３ 、ＬｉＴａＯ３ 、ＬｉＮｂ（ｘ） Ｔａ（１−ｘ） Ｏ３ （０≦ｘ≦１）又はＫＴｉＯＰＯ４ 、或いは、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第二の基板の屈折率は前記第一の基板の屈折率よりも小さいことを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載する波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第二の基板は水晶基板又はガラス基板であることを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜４の何れか１項に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第二の基板の前記第一の基板に接合する表面層の屈折率は、前記第一の基板の屈折率よりも小さいことを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第二の基板の表面層は低融点ガラス膜又は低融点ガラス基板であることを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜４の何れか１項に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第一の基板の第二の基板に接合する表面層の屈折率は、光導波路を形成する前記第一の基板の本体層の屈折率よりも小さいことを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第一の基板の表面層は低融点ガラス膜又は低融点ガラス基板であることを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜４の何れか１項に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第一の基板の第二の基板に接合する表面層の屈折率は、光導波路を形成する前記第一の基板の本体部の屈折率よりも小さく、且つ、前記第二の基板の前記第一の基板に接合する表面層の屈折率も、前記第一の基板の本体層の屈折率よりも小さいことを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第一の基板の表面層は低融点ガラス膜又は低融点ガラス基板であり、前記第二の基板の表面層も低融点ガラス膜又は低融点ガラス基板であることを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか１項に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第二の基板の熱膨張係数が、前記第一の基板の熱膨張係数にほぼ一致することを特徴とする波長変換素子用薄膜基板の製造方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れか１項に記載の波長変換素子用薄膜基板の製造方法によって波長変換素子用薄膜基板を作製し、これに続く第三の工程で、前記波長変換素子用薄膜基板における前記第一の基板に光導波路を作製することを特徴とする波長変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重や時間多重を利用した光通信システムにおける光駆動型光回路装置、具体的には、非線形光学媒質中で生じる差周波発生効果を用いて信号光の波長を別の波長に変換する波長変換素子及び波長変換素子用薄膜基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信システムの通信容量の増大を図るために、波長の異なる複数の光を多重化して伝送する波長分割多重（ＷＤＭ）通信システムが積極的に導入されている。このようなＷＤＭ通信システムにおいては、限られた波長数を有効に利用するために、信号波長を任意の信号波長に変換する波長変換デバイスの実用化が求められている。
【０００３】
従来、光の波長を変換する波長変換素子としては、半導体光増幅器を用いるもの、四光波混合を利用するもの等が知られている。しかしながら、これらの波長変換素子においては光通信システムにおいて求められる、高効率、高速、広帯域、低ノイズ、偏波無依存などの条件を満足させることはできていなかった。
【０００４】
一方、二次非線形効果の一種である擬似位相整合による差周波発生を利用した波長変換素子が知られている。図８は、この種の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す概略図である。同図に示すように、比較的小さな光強度を持つ信号光Ａと、比較的大きな光強度を持つ制御光Ｂは合波器１により合波されて、分極反転構造をもった非線形光導波路２に入射される。光導波路２中で信号光Ａは、別の波長を持つ差周波光Ｃへと変換され、制御光Ｂと共に導波路２から出射される。出射された差周波光Ｃと制御光Ｂは、分波器３により分離される。例えば、制御光Ｂの波長λ１＝０．７７μｍとした場合、波長λ２＝１．５５μｍの信号光Ａを波長λ３＝１．５３μｍの差周波光Ｃへと変換することができる。
【０００５】
このような擬似位相整合を利用した波長変換素子を作製する従来の方法においては、ニオブ酸リチウムなどの非線形光学結晶基板に周期分極反転構造を作製した後、プロトン交換導波路を作製することによって波長変換素子を作製していた。
【０００６】
これに対し、導波路中への光閉じ込めを改善しバルクもしくはバルクに近い非線形効果を利用した高効率な波長変換を実現するために、リッジ型の光導波路構造をもった波長変換素子が提案されている。
【０００７】
リッジ型光導波路を持つような波長変換素子を作製するための従来の方法は、液相エピタキシャル法によって成長されたニオブ酸リチウムなどの単結晶膜に、通常のフォトリソグラフィによってエッチングマスクを作製し、それに続くドライエッチングプロセスにおいて、マスク部以外の単結晶膜を除去することによってリッジ型光導波路を作製していた。
【０００８】
一方、これとは別にリッジ型光導波路を作製する方法として、Ｍｇ添加ニオブ酸リチウム基板に周期分極反転構造を作製した後、別に用意したニオブ酸リチウム基板に接着剤を用いて接着し、Ｍｇ添加ニオブ酸リチウム基板の基板厚さを平面研削加工によって薄くした後、ダイシングソーを用いた超精密研削加工によってリッジ型導波路を作製することが行われている（レーザ研究：第２８巻第９号ｐ６０１−６０３）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プロトン交換導波路は、拡散型の屈折率分布をもち導波モードが非対称であること、また、プロトン交換処理によって基板表面が変質するため、導波路部分の非線形光学効果が劣化するなどが問題となっていた。
【００１０】
また、液相エピタキシャル法による単結晶膜の作製は大面積化が難しく、たとえば３インチのウエハの全面積にわたって均一な組成あるいは膜厚を持つような単結晶膜の作製は難しかった。
【００１１】
更に、単結晶膜と基板とを接着剤を用いて貼り合わせる方法は、接着剤と単結晶膜の熱膨張係数が異なるために温度が変化した時に単結晶膜に割れが生じることが問題となることのほかに、導波路中で発生するＳＨＧ光によって接着剤が劣化するために動作中に導波路損失が増加し波長変換の効率が劣化することが問題となっていた。また、接着層の不均一性のために単結晶膜の膜厚が不均一となり、波長変換素子の位相整合波長がずれることが問題となっていた。
【００１２】
本発明の目的は、上記問題を解決した波長変換素子の製造に好適な薄膜基板の製造方法を提供することであり、例えば３インチウエハの全面積にわたって均一な組成、膜厚を持つようなニオブ酸リチウムの薄膜基板を提供することである。また、本発明の目的は、前記した薄膜基板を用いて分極反転構造を有する光導波路を作製し、もって高性能な波長変換素子を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、二次の非線形効果を有し且つ非線形定数が周期的に変調する構造をもつ第一の基板と、第二の基板とを貼り合わせる第一の工程と、前記第一の基板の厚さを薄くして光導波路を形成するための所定の厚さにする第二の工程と、を有する波長変換素子用薄膜基板の製造方法であって、前記第一の工程では前記第一の基板と前記第二の基板とを、熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせ、前記第二の行程では前記第一の基板の厚さを前記第一の基板全体にわたってサブミクロンの精度で２０μｍ以下に均一に研磨加工することを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載する波長変換素子用薄膜基板の製造方法において、前記第一の基板と前記第二の基板は３インチウエハである
ことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第一の工程における熱処理は前記第一の基板のキュリー温度以下の温度で行うことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載の発明において、前記第一の基板が、ＬｉＮｂＯ3 、ＫＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＬｉＮｂ(x) Ｔａ(1-x) Ｏ3 （０≦ｘ≦１）又はＫＴｉＯＰＯ4 、或いは、それらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の発明において、前記第二の基板の屈折率は前記第一の基板の屈折率よりも小さいことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記第二の基板は水晶基板又はガラス基板であることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の発明において、前記第二の基板の前記第一の基板に接合する表面層の屈折率は、前記第一の基板の屈折率よりも小さいことを特徴とする。
【００２０】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記第二の基板の表面層は低融点ガラス膜又は低融点ガラス基板であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の発明において、前記第一の基板の第二の基板に接合する表面層の屈折率は、光導波路を形成する前記第一の基板の本体層の屈折率よりも小さいことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、前記第一の基板の表面層は低融点ガラス膜又は低融点ガラス基板であることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の発明において、前記第一の基板の第二の基板に接合する表面層の屈折率は、光導波路を形成する前記第一の基板の本体部の屈折率よりも小さく、且つ、前記第二の基板の前記第一の基板に接合する表面層の屈折率も、前記第一の基板の本体層の屈折率よりも小さいことを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の発明において、前記第一の基板の表面層は低融点ガラス膜又は低融点ガラス基板であり、前記第二の基板の表面層も低融点ガラス膜又は低融点ガラス基板であることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１〜１２の何れか１項に記載の発明において、前記第二の基板の熱膨張係数が、前記第一の基板の熱膨張係数にほぼ一致することを特徴とする。
【００２６】
また、請求項１４に記載の発明の波長変換素子の製造方法は、請求項１〜１３の何れか１項に記載の発明の波長変換素子用薄膜基板の製造方法によって波長変換素子用薄膜基板を作製し、これに続く第三の工程で、前記波長変換素子用薄膜基板における前記第一の基板に光導波路を作製することを特徴とする。
【００２７】
［作用］
擬似位相整合を利用した波長変換素子の効率を改善するためには、変換効率が原理的に相互作用長（周期分極反転構造を有する導波路長）の２乗に比例することから、素子の長さを長くすること、即ち、素子作製に用いる非線形光学結晶基板を大面積化すること、更には、光導波路中での信号光と制御光の光電界の重なりを良くすることが重要である。このとき、光導波路に入射された励起光と信号光は光導波路の基底モードを励振することが望ましく、且つ、高いパワー密度が光導波路中で得られるようにするためには、光導波層すなわち非線形光学結晶膜の厚さがおよそ２０μｍ以下であることが望ましい。光導波層の厚さが２０μｍ以上である場合には、信号光と励起光とが多モード状態となって光電界の重なりを良くすることが難しい。
【００２８】
本発明者らは、このような長尺の波長変換素子の作製が可能となり、且つ、２０μｍ以下の膜厚をもつような、非線形光学結晶からなる薄膜基板の製造方法について鋭意検討した結果、非線形効果を持つ光学結晶からなる基板と熱膨張係数がおよそ一致するような、同種の非線形光学結晶、異種の光学結晶或いはガラス基板などを拡散による直接接合によって貼り合わせた後、非線形光学結晶基板を研削、研磨あるいはエッチングなどの方法によって２０μｍ以下の膜厚になるように調整して、光導波路の作製に好適な非線形単結晶薄膜基板を製造する方法を見出した。
【００２９】
本発明において、周期分極反転構造が作製された非線形光学結晶基板（第一の基板）は、その第一の工程において別に用意された第二の基板にマイクロパーティクルが極力存在しないような清浄雰囲気中で直接重ね合わされた後、電気炉中で熱処理されることによって拡散接合される。ここで基板を熱処理する温度は前記第一の基板のキュリー温度以下であることが好ましい。キュリー温度以上の温度で熱処理することは周期分極反転構造が乱れる恐れがあるので好ましくない。特に非線形光学結晶基板としてＬｉＴａＯ3 を用いた場合においては、キュリー温度が６５０℃であるので、６５０℃を越える温度で熱処理することは分極反転構造が乱れる原因となるので好ましくない。
【００３０】
貼り合わされた基板は、第二の工程において非線形光学結晶基板の厚さが２０μｍ以下になるまで研磨・研削あるいはエッチングされることによって、波長変換素子用の薄膜基板とすることができる。
【００３１】
本発明においては、基板の接合に接着剤を用いておらず基板同士の直接接合である点が従来の方法とは異なる。
【００３２】
また、引き続いて本発明の薄膜基板を用いて波長変換素子を作製する場合は、続く第三の工程において、ダイシングソーを用いた超精密研削加工によってリッジ型の光導波路を作製することもできるし、ドライエッチングあるいはウエットエッチング法によってリッジ型の光導波路を作製することもできる。
【００３３】
以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。
【００３４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の波長変換素子用薄膜基板を作製する工程を示すフロー図である。
【００３５】
図１に示すように、本実施例１においては、第一の基板１１としてあらかじめ１．５μｍ帯で位相整合条件が満たされるように周期分極反転構造が作製されているＺカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ3 基板を用い、第二の基板１２としてＺカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板を用いて波長変換素子用薄膜基板を作製した。第一の基板１１と第二の基板１２は、何れもＬｉＮｂＯ3 に添加物を添加したものであり、熱膨張係数がほぼ一致している。また、添加物の種類を変えることにより、第一の基板１１の屈折率よりも第二の基板１２の屈折率のほうが小さくなっている。なお、第一及び第二の基板１１，１２は何れも両面が光学研磨されてある３インチウエハであり、基板厚さは３００μｍである。
【００３６】
第一の工程では、用意した第一及び第二の基板１１，１２の表面を通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、これら二つの基板１１，１２をマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせた。そして、この重ね合わせた第一及び第二の基板１１，１２を電気炉に入れ、４００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行った。接着された基板は接合面にマイクロパーティクル等の挟み込みがなくてボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しなかった。
【００３７】
次に、第二の工程では、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の第一の基板１１の厚さが２０μｍになるまで研磨加工を施した。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得ることができた。基板の平行度（最大高さと最小高さとの差）を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、波長変換素子の作製に好適な薄膜基板１３を作製することができた。この薄膜基板１３は、接着剤を用いず、第一の基板１１と第二の基板１２とを熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせることにより作製したため、３インチウエハの全面積にわたって均一な組成、膜厚を持つものであった。
【００３８】
なお、第一の基板１１としてＸカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ3 基板を用い、第二の基板１２としてＸカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板を用いた場合においても、本実施例１と同様の方法によって波長変換素子用薄膜基板１３を作製することができた。
【００３９】
次に、第三の工程では、作製した薄膜基板１３を用い、また、光導波路の作製手段としてはドライエッチングプロセスを用いて波長変換素子を作製した。即ち、薄膜基板１３（第一の基板１１）の表面に通常のフォトリソグラフィのプロセスによって導波路パターンを作製した後、ドライエッチング装置に基板をセットし、ＣＦ4 ガスをエッチングガスとして薄膜基板１３（第一の基板１１）の表面をエッチングすることによりリッジ型光導波路を作製した。図２はエッチング後の基板断面を示す図である。図２に示すように、高さ８μｍ、導波路幅およそ８μｍのリッジ型光導波路１４を、薄膜基板１３（第一の基板１１）に作製することができた。図示されているように、ドライエッチングのプロセスにおいてはマスクと膜のエッチング選択比が大きくないために、光導波路１４がメサ形状となる。
【００４０】
図３に示すように、光導波路１４は３インチウエハである薄膜基板１３に平行に複数本作製した。そして、これらの各光導波路１４ごとに基板１３を短冊状に切り出し、光導波路１４の両端面１４ａを光学研磨することによって長さ６０ｍｍの波長変換素子１５を作製した。作製した波長変換素子１５に波長０．７７μｍの制御光と波長１．５５μｍの信号光を入射したところ、波長１．５３μｍの波長変換光が得られ高効率で波長変換を実現できた。
【００４１】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２の波長変換素子用薄膜基板を作製する工程を示したフロー図である。
【００４２】
図４に示すように、本実施例２においては、第一の基板２１としてあらかじめ周期分極反転構造が作製してあるＬｉＮｂＯ3 基板を用意し、第二の基板２２として水晶基板を用いて波長変換素子用薄膜基板を作製した。水晶のＺ軸に垂直な面内方向の熱膨張係数は１３．６×１０-6／Ｋであり、ＬｉＮｂＯ3 の熱膨張係数に近く、また、ＬｉＮｂＯ3 の屈折率が２．１であるのに対して、水晶の屈折率は１．５３と小さいため、本発明の実施態様の一例として好適である。
【００４３】
そして、本実施例２においても実施例１と同様の方法によって作製することにより、実施例１と同様の波長変換素子用薄膜基板を作製することができた。即ち、第一の工程では、用意した第一及び第二の基板２１，２２の表面を通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、これら二つの基板２１，２２をマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせた。そして、この重ね合わせた第一及び第二の基板１１，１２を電気炉に入れ、４００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行った。接着された基板は接合面にマイクロパーティクル等の挟み込みがなくてボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しなかった。
【００４４】
次に、第二の工程では、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の第一の基板２１の厚さが２０μｍになるまで研磨加工を施した。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得ることができた。基板の平行度を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、波長変換素子の作製に好適な薄膜基板２３を作製することができた。この薄膜基板２３は、接着剤を用いず、第一の基板２１と第二の基板２２とを熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせることにより作製したため、３インチウエハの全面積にわたって均一な組成、膜厚を持つものであった。
【００４５】
このほか、第一の基板２１としてＺｎ添加ＬｉＮｂＯ3 の他、Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 、Ｓｃ添加ＬｉＮｂＯ3 、Ｉｎ添加ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＬｉＮｂ(x) Ｔａ(1-x) Ｏ3 （０≦ｘ≦１）、ＫＮｂＯ3 、ＫＴｉＯＰＯ4 などを用いた場合においても、同様の波長変換素子用薄膜基板２３を作製することができた。
【００４６】
また、第二の基板として熱膨張係数の値が第一の基板の値に近く、屈折率の値が第一の基板よりも小さいようなガラス基板を用いた場合においても同様の波長変換素子用薄膜基板を作製することができた。ここでガラス基板の材料としては多成分石英ガラス、リン酸ガラス、フッ化物ガラス、テルライトガラスなどのガラス材料を用いることができる。なお、このガラス材料の組成を適宜調整することによって所望の熱膨張係数や屈折率を持つようなガラス基板を作製することは、ガラス材料を製造する当該業者が適宜なしうるものである。
【００４７】
次に、作製した波長変換素子用薄膜基板を用いて実施例１と同様の方法によってリッジ型光導波路をもつ波長変換素子を作製した。作製した波長変換素子に波長０．７７μｍの制御光と波長１．５５μｍの信号光とを入射したところ、波長１．５３μｍの波長変換光が得られ、実施例１で作製した波長変換素子よりも高効率で波長変換を実現できた。これは、本実施例２においては第一の基板として水晶基板又はガラス基板を用いることにより、第一の基板と第二の基板との比屈折率差を大きくすることができるため、光導波路中への光電界の閉じ込めを実施例１で作製した波長変換素子よりも強くすることができるためである。
【００４８】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３の波長変換素子用薄膜基板を作製する工程を示したフロー図である。
【００４９】
図５に示すように、本実施例３においては、第一の基板３１としてあらかじめ分極反転構造が作製されたＭｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板を用意し、第二の基板３２として基板厚さが３００μｍのＬｉＮｂＯ3 基板３２（本体層）の上に、厚さ５０μｍの低融点ガラス膜３４（表面層）を作製した複合基板を用いて波長変換素子用薄膜基板を作製した。
【００５０】
低融点ガラス膜３４の作製はガラスペーストを用いて行った。即ち、ＬｉＮｂＯ3 基板３３上に膜厚が均一になるようにガラスペーストを塗布したものを電気炉中で焼成することによって透明な低融点ガラス膜３４を作製した。
【００５１】
ここで低融点ガラスとしてはＳｉＯ2 −Ｒ2 Ｏ−Ｂ2 Ｏ3 系、ＳｉＯ2 −Ｒ2 Ｏ−Ｂ2 Ｏ−ＰｂＯ系、ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ−ＰｂＯ系、ＳｉＯ2 −ＰｂＯ−ＴｅＯ2 系、Ｂ2 Ｏ3 −ＰｂＯ系、ＳｉＯ2 −Ｂ2 Ｏ3 −ＺｎＯ−ＰｂＯ系、Ｂ2 Ｏ3 −ＺｎＯ−ＰｂＯ系、Ｂ2 Ｏ3 −ＲＯ系、ＴｅＯ2 −Ｒ2 Ｏ系、ＴｅＯ2 −Ｒ2 Ｏ−Ｌａ2 Ｏ3 系、ＴｅＯ2 −ＺｎＯ系（Ｒは１価または２価の元素）などのガラス材料を用いることができるが、この限りではない。なお、これらのガラス材料の組成を適宜調整することによって所望の熱膨張係数や屈折率を持つような低融点ガラス膜を得ることができるが、このようなガラス材料の組成の調整はガラスペーストを製造する当該業者が適宜なしうるものである。
【００５２】
本実施例３の第二の基板３２に用いた低融点ガラスは、その熱膨張係数がＬｉＮｂＯ3 におよそ一致し、且つ、屈折率はＬｉＮｂＯ3 の値より小さい値を持つようにガラス組成が調整されているので本発明の実施態様の一例として好適である。
【００５３】
そして、本実施例３においても実施例１と同様の方法によって作製することにより、実施例１と同様の波長変換素子用薄膜基板を作製することができた。即ち、第一の工程では、用意した第一及び第二の基板３１，３２の表面を通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、これら二つの基板３１，３２を、第一の基板３１の表面（下面）が第二の基板３２の低融点ガラス膜３４の表面（上面）に重なるようにマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせた。そして、この重ね合わせた第一及び第二の基板３１，３２を電気炉に入れ、４００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行った。接着された基板は接合面にマイクロパーティクル等の挟み込みがなくてボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しなかった。
【００５４】
次に、第二の工程では、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の第一の基板３１の厚さが２０μｍになるまで研磨加工を施した。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得ることができた。基板の平行度を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、波長変換素子の作製に好適な薄膜基板３５を作製することができた。この薄膜基板３５は、接着剤を用いず、第一の基板３１と第二の基板３２とを熱処理による拡散接合によって直接貼り合わせることにより作製したため、３インチウエハの全面積にわたって均一な組成、膜厚を持つものであった。
【００５５】
このほか、第一の基板としてＬｉＮｂＯ3 の他、Ｚｎ添加ＬｉＮｂＯ3 、Ｓｃ添加ＬｉＮｂＯ3 、Ｉｎ添加ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＬｉＮｂ(x) Ｔａ(1-x) Ｏ3 （０≦ｘ≦１）、ＫＮｂＯ3 、ＫＴｉＯＰＯ4 などを用いた場合においても、同様の波長変換素子用薄膜基板を作製することができた。
【００５６】
また、第二の基板上に作製する低融点ガラス膜の作製方法として蒸着或いはスパッタを用いた場合においても同様の第二の基板３２を作製することができた。また、低融点ガラスからなる基板を用意し、この低融点ガラス基板とＬｉＮｂＯ3 基板とを重ね合わせた後、熱処理による拡散接合によって貼り合わせることによっても第二の基板を用意することができた。
【００５７】
次に、作製した波長変換素子用薄膜基板を用いて実施例１と同様の方法によってリッジ型光導波路をもつ波長変換素子を作製した。作製した波長変換素子に波長が０．７７μｍの制御光と波長が１．５５μｍの信号光とを入射したところ、波長が１．５３μｍの波長変換光が得られ、実施例１で作製した波長変換素子よりも高効率の波長変換を実現できた。これは、本実施例３においては第一の基板３１と第二の基板３２との比屈折率差を大きくすることができるため、即ち、第二の基板３２に低融点ガラス膜３４を作製したことによりこの低融点ガラス膜３４の屈折率と第一の基板３１の屈折率との差を大きくすることができるため、光導波路中への光電界の閉じ込めを実施例１で作製した波長変換素子よりも強くすることができるためである。
【００５８】
（実施例４）
図６は本実施例の波長変換素子用薄膜基板を作製する工程を示したフロー図である。
【００５９】
図６に示すように、本実施例４においては、第一の基板４１としてあらかじめ分極反転構造が作製されたＭｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板４３（本体層）の下に、厚さ５０μｍの低融点ガラス膜４４（表面層）を作製した複合基板を用意し、第二の基板４２として厚さが３００μｍのＬｉＮｂＯ3 基板を用いて波長変換素子用薄膜基板を作製した。
【００６０】
本実施例４において第一の基板４１に作製した低融点ガラス膜４４は、周期分極反転構造が作製された非線形光学結晶基板（Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板４３）の屈折率よりも小さい値の屈折率を持ち、非線形光学結晶基板（Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板４３）の熱膨張係数に近い値の熱膨張係数を持つことが必要である。低融点ガラス膜４４の屈折率が非線形光学結晶基板（Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板４３）の屈折率よりも大きい場合は、非線形光学結晶基板（Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板４３）に入射した信号光と制御光が全反射条件を満たすことができず低融点ガラス膜４４中に散逸する結果となりリッジ型光導波路を形成することができなくなる。また、低融点ガラス膜４４の熱膨張係数が非線形光学結晶基板（Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板４３）の熱膨張係数と大きく異なる場合は、第一の基板４１にソリが発生する原因となる他、温度変化に対して第一の基板４１にクラックが発生する原因となるので好ましくない。
【００６１】
また、本実施例で用意した第二の基板４２の熱膨張係数は第一の基板４１に作製した低融点ガラス膜４４の熱膨張係数に近い値を持つことが望ましい。これは、第一の基板４１と第二の基板４２とを熱処理によって貼り合わせたときにソリ或いはクラックを発生させないためである。一方、第二の基板４２の屈折率は、第一の基板４１に作製した低融点ガラス膜４４の膜厚が５μｍ以下である場合は第一の基板４１の屈折率よりも小さい値を持つことが好ましい。これは、周期反転分極構造をもった非線形光学結晶基板（Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板４３）に入射された信号光と制御光の光電界のすそが低融点ガラス膜４４との界面を越えて５μｍ程度低融点ガラス膜４４中に広がっているため、第二の基板４２の表面層の屈折率が低融点ガラス膜４４よりも大きい場合には光電界が低融点ガラス膜を越えて第二の基板中に散逸する結果となるためである。一方、低融点ガラス膜４４の膜厚が５μｍ以上である場合は第二の基板４２の屈折率に関する制限はない。
【００６２】
第一の基板４１に作製した低融点ガラス膜４４は実施例３と同様の方法によって作製した。即ち、Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板４３上に膜厚が均一になるようにガラスペーストを塗布したものを電気炉中で焼成することによって厚さ５０μｍの透明な低融点ガラス膜４４を作製した。
【００６３】
本実施例４に用いた低融点ガラスは、その熱膨張係数がＬｉＮｂＯ3 におよそ一致し、且つ、屈折率はＬｉＮｂＯ3 の値よりも小さい値を持つようにガラス組成が調整されている。なお、ガラス組成を所望の熱膨張係数と屈折率を持つように調整することは低融点ガラスを製造している当該業者が適宜行うことができるものである。また、低融点ガラスとしては実施例３に記載したようなガラス材料を用いることができる。
【００６４】
そして、図６に示すように、第一の工程では、用意した第一及び第二の基板４１，４２の表面を通常の酸洗浄或いはアルカリ洗浄によって親水性にした。次に、第一の基板４１の低融点ガラス膜４４が第二の基板４２の表面に重なるように二つの基板４１，４２をマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気中で重ね合わせた。そして、重ね合わせた第一及び第二の基板４１，４２を電気炉にいれ４００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行った。接着された基板は接合面にマイクロパーティクル等の挟み込みがなくてボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しなかった。
【００６５】
次に、第二の工程では、研磨定盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の分極反転構造が形成された非線形光学結晶基板の厚さが１０μｍになるまで研磨加工を施した。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより鏡面の研磨表面を得ることができた。基板の平行度を光学的な平行度測定機を用いて測定したところ、３インチウエハの周囲を除き、ほぼ全体にわたってサブミクロンの平行度が得られ、波長変換素子の作製に好適な薄膜基板４５を作製することができた。
【００６６】
このほか、第一の基板としてＬｉＮｂＯ3 の他、Ｚｎ添加ＬｉＮｂＯ3 、Ｓｃ添加ＬｉＮｂＯ3 、Ｉｎ添加ＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＬｉＮｂ(x) Ｔａ(1-x) Ｏ3 （０≦ｘ≦１）、ＫＮｂＯ3 、ＫＴｉＯＰＯ4 などを用いた場合においても、同様の波長変換素子用薄膜基板を作製することができた。
【００６７】
また、第一の基板上に作製する低融点ガラス膜の作製方法として蒸着或いはスパッタを用いた場合においても同様の第一の基板を作製することができた。また、低融点ガラスからなる基板を用意し、この低融点ガラス基板と分極反転構造が形成された非線形光学結晶基板とを重ね合わせた後、熱処理によって貼り合わせることによっても第一の基板を用意することができた。
【００６８】
また、第二の基板として実施例３で用いたような低融点ガラス膜が表面に作製された複合基板を用い、第一の基板として本実施例４の分極反転構造をもった非線形光学結晶基板の下に低融点ガラス膜が作製されているような複合基板を用いて、これらの複合基板を各基板の低融点ガラス膜同士が重なり合うようにして重ねた後、熱処理による拡散接合によって貼り合わせた場合においても同様の波長変換素子用薄膜基板を作製することができた。この場合には第一の基板と第二の基板のそれぞれに作製された低融点ガラス膜が薄い場合でも、これらの低融点ガラス膜を貼り合わせることにより全体として低融点ガラス膜を厚くすることができる。
【００６９】
次に、作製した波長変換素子用薄膜基板を用いて実施例１と同様の方法によってリッジ型光導波路をもつ波長変換素子を作製した。作製した波長変換素子に波長０．７７μｍの制御光と波長１．５５μｍの信号光とを入射したところ、波長１．５３μｍの波長変換光が得られ、実施例１で作製した波長変換素子よりも高効率の波長変換を実現できた。これは、本実施例においては第一の基板に低融点ガラス膜を作製したことにより、第一の基板の本体層（Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板）の屈折率と表面層の低融点ガラス膜の屈折率との差を大きくすることができるため、光導波路中への光電界の閉じ込めを実施例１で作製した波長変換素子よりも強くすることができるためである。
【００７０】
（実施例５）
図７は本実施例５によって加工されたリッジ型導波路の断面図である。本実施例５においては実施例１で作製した波長変換素子用薄膜基板１３を用い、また、リッジ型光導波路１６の作製手段としてダイシングソーによる超精密研削加工技術を用いて波長変換素子１７を作製した。リッジ部（光導波路１６）の幅は６μｍ、溝の深さは５０μｍであった。
【００７１】
作製された各光導波路１６ごとに基板（３インチウエハ）を短冊状に切りだし、導波路端面を光学研磨することによって長さ６０ｍｍの波長変換素子１７を作製した。作製した波長変換素子に波長０．７７μｍの制御光と波長１．５５μｍの信号光を入射したところ、波長１．５３μｍの波長変換光が得られ、高効率の波長変換が実現できた。このほか、実施例２，３及び４で作製した波長変換素子用薄膜基板を用いても同様の波長変換素子を作製することができた。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば大面積にわたって均一な組成と、膜厚を持つような波長変換素子用薄膜基板を提供することができる。従って、本発明の波長変換素子用薄膜基板を用いれば、長尺の波長変換素子の製造が可能となり波長変換効率の向上に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の波長変換素子用薄膜基板を作製する工程を示すフロー図である。
【図２】本発明の実施例１の波長変換素子の断面を示す図である。
【図３】本発明の実施例１の波長変換素子を切り出す様子を示す図である。
【図４】本発明の実施例２の波長変換素子用薄膜基板を作製する工程を示すフロー図である。
【図５】本発明の実施例３の波長変換素子用薄膜基板を作製する工程を示すフロー図である。
【図６】本発明の実施例４の波長変換素子用薄膜基板を作製する工程を示すフロー図である。
【図７】本発明の実施例５の波長変換素子の断面を示す図である。
【図８】擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
１１  第一の基板（Ｚｎ添加ＬｉＮｂＯ3 基板）
１２  第二の基板（Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板）
１３  波長変換素子用薄膜基板
１４  リッジ型光導波路
１４ａ  導波路端面
１５  波長変換素子
１６  リッジ型光導波路
１７  波長変換素子
２１  第一の基板（ＬｉＮｂＯ3 基板）
２２  第二の基板（水晶基板）
２３  波長変換素子用薄膜基板
３１  第一の基板（Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板）
３２  第二の基板
３３  ＬｉＮｂＯ3 基板
３４  低融点ガラス膜
３５  波長変換素子用薄膜基板
４１  第一の基板
４２  第二の基板
４３  Ｍｇ添加ＬｉＮｂＯ3 基板
４４  低融点ガラス膜
４５  波長変換素子用薄膜基板
【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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