JP7263285B2

JP7263285B2 - 高調波発生素子の製造方法

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Publication number: JP7263285B2
Application number: JP2020052673A
Authority: JP
Inventors: 省一郎山口; 直剛岡田; 祐輝野本
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2023-04-24
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: JP2021152579A

Description

本発明は、高調波発生素子の製造方法に関するものである。

強誘電体非線型光学材料に周期状の分極反転構造を形成する手法としては、いわゆる電圧印加法が知られている。この方法では、強誘電性結晶基板の一方の主面に櫛形電極を形成し、他方の主面に一様電極を形成し、両者の間にパルス電圧を印加する。

また、強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を形成した後、強誘電性結晶基板の表面にレーザーアブレーションや研削加工によって少なくとも一対のリッジ溝を形成し、リッジ溝の間にリッジ型光導波路を設けることが知られている（特許文献１）。

特許5695590

しかし、強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を形成した後、加工によってリッジ溝およびリッジ型光導波路を形成すると、素子によっては、高調波の発生効率が低下することがあり、また高調波の発生効率にバラツキが見られた。

本発明の課題は、強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を形成した後、加工によってリッジ溝およびリッジ型光導波路を形成するのに際して、加工による高調波発生効率の低下を抑制することである。

本発明は、第一の主面と第二の主面とを有する強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を形成する工程、
次いで前記第一の主面側から前記強誘電性結晶基板を加工することによって前記強誘電性結晶基板にリッジ型光導波路を形成する工程、および
前記リッジ型光導波路を形成した後、強誘電性結晶基板の前記第二の主面を定盤に固定し、前記第一の主面を化学機械的研磨加工することで前記第一の主面を深さ０．０３μｍ以上、０．２μｍ以下均一に加工する工程
を有することを特徴とする、高調波発生素子の製造方法に係るものである。

本発明者は、強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を形成し、次いで強誘電性結晶基板の第一の主面側から強誘電性結晶基板を加工することによってリッジ型光導波路を形成した場合に、高調波発生効率の低下が見られる理由について検討した。

この結果、リッジ型光導波路の表面、特にその肩部の周辺においてダメージが入っており、このダメージによる結晶性劣化から高調波変換効率が低下していることを見いだした。この理由であるが、加工エネルギーがリッジ型光導波路の表面、特に肩部に集中しやすく、このためにリッジ型光導波路の表面にダメージが残り、結晶性の劣化をもたらしたものと考えられる。しかも、こうしたダメージはリッジ型光導波路の表面近傍に集中していることがわかった。

本発明者は、こうした仮説にもとづき、強誘電性結晶基板に周期分極反転構造およびリッジ型光導波路を形成した後に、強誘電性結晶基板の表面を研磨加工することで、表面近傍のダメージを除き、高調波発生効率を向上させ得ることを見いだし、本発明に到達した。

（ａ）は、周期分極反転構造５を設けた強誘電性結晶基板４を示し、（ｂ）は、強誘電性結晶基板を薄くした状態のアセンブリを示し、（ｃ）は、（ｂ）のアセンブリを素子の長手方向Ａから見た正面図である。（ａ）は、強誘電性結晶基板４Ａに溝７を形成した状態を示し、（ｂ）は、強誘電性結晶基板の表面を研磨加工した状態を示す。リッジ型光導波路の研磨加工前の表面を示す写真である。リッジ型光導波路の研磨加工後の表面を示す写真である。図４の表面を説明するための模式図である。

好適な実施形態においては、図１（ａ）に示すように、支持基板１と強誘電性結晶基板４とを接合する。ここで、支持基板１と強誘電性結晶基板４との接合方法は特に限定されないが、接合層を介して接合してもよく、直接接合しても良い。本例では、支持基板１と強誘電性結晶基板４の主面４ｄとをクラッド層３を介して樹脂２で接合したもので説明していく。強誘電性結晶基板４中には、周期分極反転構造５が形成されている。周期分極反転構造５には、所定周期で分極反転部５ａと非反転部５ｂとが交互に形成されている。

次いで、図１（ｂ）に示すように、強誘電性結晶基板４の主面４ａを加工することによって、強誘電性結晶基板４Ａを薄くする。この結果、強誘電性結晶基板４Ａ中の周期分極反転構造５Ａの厚さも小さくなる。矢印Ａは素子の長手方向である。図１（ｃ）に示すように、図１（ｂ）のアセンブリを長手方向Ａから見ると、図１（ｃ）に示すようになる。４ｂは加工された主面である。

次いで、図２（ａ）に示すように、強誘電性結晶基板４Ａの主面４ｂ側から矢印Ｃのように加工を行い、溝７を形成する。一対の溝７の間にリッジ型光導波路９が形成されている。次いで、強誘電性結晶基板４Ａの主面４ｂを研磨加工することによって、図２（ｂ）に示すように、強誘電性結晶基板４Ｂを形成する。この状態で、強誘電性結晶基板４Ｂの研磨面４ｃから凹んだリッジ溝７Ａが形成され、一対のリッジ溝７Ａ間にそれぞれリッジ型光導波路９Ａが形成されている。

ここで、図２（ａ）に示すように、強誘電性結晶基板４Ａの表面に溝７を形成した状態では、図３に示すようにリッジ溝内およびリッジ型光導波路中にダメージが入っていることがわかる。ところが、この強誘電性結晶基板の表面を研磨加工すると、図４に示すように、リッジ型光導波路の表面、特に肩部９ａに存在していた加工ダメージがほぼ見られなくなっている。なお、図３、図４のリッジ溝、リッジ型光導波路の形態は、図５に模式的に示すとおりであり、リッジ溝、リッジ型光導波路は図３、図４において、上下に向かって延びている。

以下、本発明の各構成要素を更に詳細に説明する。
周期分極反転構造を形成するべき強誘電性結晶基板を構成する強誘電性結晶の種類は、限定されない。しかし、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４を例示できる。強誘電性結晶は単結晶であることが特に好ましい。

強誘電性結晶基板としては、Ｘカット基板、オフカットＸカット基板、Ｙカット基板、オフカットＹカット基板が好ましい。これらのオフカット角度は、１０°以下が好ましく、５°以下が更に好ましい。

支持基板の具体的材質は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。この場合、熱膨張差の観点では、強誘電体薄層と支持基板とを同じ材質とすることが好ましい。

強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を形成する方法は限定されないが、いわゆる電圧印加法が好ましい。

強誘電性結晶基板４の厚さを薄くする薄板化工程においては、研削加工、研磨加工、化学機械的研磨加工（ＣＭＰ）などを利用できる。

強誘電性結晶基板にリッジ溝およびリッジ型光導波路を形成するための加工方法は限定されず、機械加工、イオンミリング、ドライエッチング、レーザーアブレーションなどの方法を用いることができる。

研削加工装置としては、各種装置が可能であるが、現在、その機械精度の高さから、精密マイクログラインダーと呼ばれている研削装置を使用することが特に好ましい。また、精密研削加工法としては、ＥＬＩＤ研削（電解作用によりドレッシングしながら研削を行う方法）を適用できる。ＥＬＩＤ研削とは、砥石を電解作用によりドレッシングしながら研削作業に供し、加工性能を改善、安定させる加工法である。

あるいは、機械加工は、ダイシングなどの方法を用いて行うことができる。好適な実施形態においては、ダイシング加工機に幅０．１～０．２ｍｍ、メッシュ数＃２００～３０００の砥石を設置し、回転数１００００～５００００ｒｐｍ、送り速度５０～３００ｍｍ／ｍｉｎの運転条件で溝を形成する。

レーザーアブレーションとは、加工対象である材料を構成する各分子間の結合エネルギーと同等のエネルギーの波長の光を、材料に向けて照射することによって、各分子を解離、蒸発させて除去加工する方法である。これは、熱的加工ではないので、レーザー照射部分のみを選択的に加工することができ、加工部分の周辺への影響がないので、リッジ構造体の高精度の加工が可能である。ここで言うレーザーアブレーションは、多光子吸収過程によるものを含み、若干の熱的影響がある場合（擬似熱的加工）も含む。

強誘電性結晶基板を構成する材料の吸収端の波長と、レーザー光の波長との差を、１００ｎｍ以下とすることが好ましく、５０ｎｍ以下とすることが一層好ましい。こうした方法によって、例えばニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム－タンタル酸リチウム固溶体、Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４からなる母材を、波長１５０～３００ｎｍのレーザー光で加工して溝を形成できる。加工用のレーザービームの種類としてはエキシマレーザー、Ｎｄ－ＹＡＧレーザーの第４次高調波等を好ましく使用できる。

好適な実施形態においては、エキシマレーザーを用いて溝を形成する。深さ数μm程度のリッジ溝を形成する場合は、レーザーの平均出力パワーを100～500ｍWに調整し、リッジ溝を形成するマスクを使用して、強誘電性結晶基板を１～３回スキャンさせる。

強誘電性結晶基板にリッジ型光導波路を形成した後、強誘電性結晶基板の表面を研磨加工する。こうした研磨加工は、リッジ型光導波路を形成した後、表面を僅かな量を加工するので化学機械的研磨加工の方が好ましい。
特に表面を均一に研磨する必要があるため、平坦度が高く、厚み偏差が小さな定盤に、強誘電体基板の裏面側を固定する。定盤との固定の際は樹脂を使用してもよいし、定盤と基板の双方に水を介した接合でもよい。あるいはワックスで固定してもよい。
基板を固定後、研磨加工で表面を加工する。加工する量としては表面に残っているダメージにもよるが、0.03μmほど加工すると、大半のダメージが取れる。また、0.03μm加工量であれば基板表面の厚みバラツキの管理を厳密に制御しなくても良いので、加工量としては少ない方が好ましい。0.03μｍの加工量であれば、加工レートを考慮して時間管理で加工すればよく、基板を固定した定盤の重みや、その定盤を加圧する量にもよるが、5分前後で加工が完了させることができる。
表面を研磨した後、基板を定盤から取り外し、基板の洗浄を行う。

ここで、研磨加工時の加工厚さｄ（図２（ａ）参照：Ｂは加工目標平面）は、リッジ型光導波路に生じたダメージを除くという観点からは、0.03μｍ以上が好ましく、0.05μｍ以上が更に好ましく、0.1ｍ以上が一層好ましい。
また、研磨量ｄが大きくなりすぎると、基板全面で厚み分布が生じ、結果として基板に形成している素子の面内特性ばらつきとなり、特性が低くなるものが増加するので、研磨量ｄは厚すぎない方が良い。基板面内の素子の特性バラツキが起きにくい厚さとして、基板の厚み偏差を0.1μｍ以下に抑えることが好ましく、加工の熟練度によるが研磨量ｄとしては厚くても0.3μｍ以下としていくのが好ましい。また、研磨量ｄが大きくなりすぎると、研磨後のリッジ溝を十分に深くすることが難しくなり、また周期分極反転構造の性能が低下する傾向がある。この観点からは、研磨量ｄは、0.2μｍ以下であることが更に好ましく、0.15μｍ以下であることが一層好ましい。

本発明の高調波発生素子は、第二高調波、第三高調波などを発生する素子であってよい。また、高調波発生素子が発振する高調波の波長は特に限定されないが、例えば350～2000ｎｍとすることができる。

（比較例１）
図１および図２を参照しつつ説明した方法に従い、第二高調波発生素子を作製した。
具体的には、厚さ３００μｍのMgOドープニオブ酸リチウム単結晶からなる強誘電性結晶基板４に、電圧印加法によって周期状分極反転構造を形成した。この強誘電性結晶基板４の主面４ｂ側にＳｉＯ２のクラッド層３として0.4μmを成膜した。さらにクラッド層３に接着層２をスピンコートにより塗布し、厚さ１ｍｍのノンドープニオブ酸リチウムからなる支持基板１と接合する。接着層２を形成する接着剤としては、エポキシ系接着剤、アクリル系接着剤、熱硬化型接着剤、紫外線硬化性接着剤、ニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料と比較的近い熱膨張係数を有するアロンセラミックスＣ（商品名、東亜合成社製）（熱膨張係数１３×１０^－６／Ｋ）を例示できる。この接着層２の厚みとしては0.1μｍから0.3μｍとすれば接合強度も高く、均一な膜厚で塗布できる。次いで、強誘電性結晶基板４の主面４ａを厚さ３．５μｍとなるまで研削、研磨で加工し、強誘電性結晶基板４Ａを形成した。

次いで、図２（ａ）に示すように、リッジ型光導波路９を形成した。リッジ型光導波路９は二つの溝７を設けて、溝の中央部を光が伝搬する導波路とするもので、二つの溝７はレーザーアブレーション加工用のマスクを用意して形成した。リッジ溝７の深さ７ａは高調波発生素子の発生波長に依存するが、代表的な深さとして2.5μｍが好ましい。また、リッジの幅７ｂは発生波長にもよるが5.5μｍが好ましい。このようなリッジ型光導波路を分極反転を形成した領域に形成することで、多数の高調波発生素子を作り込むことができる。素子の扱いやすいサイズと、分極反転の形成しやすい間隔があり、リッジ型光導波路の形成間隔としては例えば、1mm間隔で形成する。
ここで、レーザーアブレーション加工の条件としては以下とした。
光源には、KrFのエキシマレーザーを使用し、加工用のマスクに照射する前のパワーとして、170mWに調整した。レーザー発振はパルス状として、繰返し周波数は 160Hzに設定した。加工用のマスクはガラス状にCrのパターンを形成したもので、溝を形成する部位だけが透過する設計としたものを使用した。マスクを透過したレーザー光は倍率１０倍の対物レンズにより集光し、強誘電性結晶基板４の主面４ｂの表面が焦点となる位置で合わせて加工する。このレーザーアブレーション加工においては、縦横にパソコンで制御可能な自動ステージを使用して、所望の位置、長さが加工できるようにしている。溝の深さ７ａについて、レーザーのパワーによっても調整可能であるが、自動ステージの速度を調整することによっても、リッジ溝７の深さの調整が可能である。

次いで、図２（ａ）に示す強誘電性結晶基板４Ａの主面４ｂ上に、酸化珪素からなるオーバークラッド層を成膜した。次いで、強誘電性結晶基板を所定寸法の矩形チップに切断し、端面研磨した。素子の長さは8ｍｍとした。リッジ型光導波路９Ａの入射面９ｂには（図５参照）、基本光に対する反射防止膜を成膜し、出射面９ｃには基本光と第二高調波に対する反射防止膜を成膜し、第二高調波発生素子を得た。

得られた素子のリッジ型光導波路に対して基本光（波長976nm、出力100mW）を入射させたところ、波長変換光(波長488nm)の変換光の出力は20mWであり、基本光の出力は45mWであった。

（実施例１）
比較例１と同様にして、図２（ａ）に示すような部品を製造した。次いで、強誘電性結晶基板４Ａの主面４ｂを深さｄ＝０．１μｍにわたって研磨加工した。得られた部品を比較例１と同様に処理することによって、第二高調波発生素子を得た。

得られた素子のリッジ型光導波路に対して基本光（波長976nm、出力100mW）を入射させたところ、波長変換光(波長488nm)の変換光の出力は24mWに向上し、また基本光の出力は52mWに向上した。特に変換光の出力については20％の出力の改善が見られた。

また、比較例1で得られた図2(ａ)に示す強誘電性結晶基板の表面(リッジ型光導波路の周辺)について光学顕微鏡（倍率2000倍）で観察したところ、図３の写真が得られた。同様に、実施例1で得られた図２(ｂ)に示す強誘電性結晶基板の表面(リッジ型光導波路の周辺)について光学顕微鏡（倍率2000倍で観察したところ、図４の写真が得られた。図３と図４とを比較すると、図３のリッジ型光導波路の肩部には波状に、また中央部に白っぽい欠陥部分が見られているが、図４のリッジ型光導波路には波状の欠陥層、また、中央にも欠陥部分がほとんどみられず、ダメージが除去されていることがわかる。

（実施例２～６）
実施例１において、強誘電性結晶基板４Ａの表面４ａの研磨量ｄを、表１に示すように変更した。得られた素子のリッジ型光導波路に対して基本光（波長976nm、出力100mW）を入射させ、波長変換光(波長488nm)および基本光の出力をそれぞれ測定した。測定結果を表１に示す。

加工量ｄを0.03μｍとすることで、変換光の出力および基本光の出力が増加しており、僅かな加工量でも特性が改善することが分かった。これは、加工量が僅かであってもリッジの肩部のダメージ部分が選択的に加工して、除去できたと考えられる。さらに加工して0.3μｍとしていくと特性は低下し、比較例１とほぼ同じような特性になった。特性が下がる要因としては、基板の厚みバラツキによるものと、リッジの溝７が浅くなり、光閉じ込め性が低下することが考えられる。

Claims

第一の主面と第二の主面とを有する強誘電性結晶基板に周期分極反転構造を形成する工程、
次いで前記第一の主面側から前記強誘電性結晶基板を加工することによって前記強誘電性結晶基板にリッジ型光導波路を形成する工程、および
前記リッジ型光導波路を形成した後、前記強誘電性結晶基板の前記第二の主面を定盤に固定し、前記第一の主面を化学機械的研磨加工することで前記第一の主面を深さ０．０３μｍ以上、０．２μｍ以下均一に加工する工程
を有することを特徴とする、高調波発生素子の製造方法。
前記強誘電性結晶基板をレーザーアブレーション加工または研削加工することによって前記強誘電性結晶基板に前記リッジ型光導波路を形成することを特徴とする、請求項１記載の高調波発生素子の製造方法。