專利名稱：：光波導(dǎo)基板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及制造可用于高次諧波元件等的光波導(dǎo)基板的方法。
背景技術(shù)：
：通過周期性地形成使鐵電體的極化強制性反轉(zhuǎn)的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造，可實現(xiàn)利變換元件等。特別是，只要能使非線性光學(xué)的非線性極化周期性反轉(zhuǎn)，就能夠制造高效率的波長變換元件。如果使用它來變換固體激光等的光，則能夠構(gòu)成可應(yīng)用于印刷、光信息處理、光應(yīng)用計測控制等的領(lǐng)域的小型輕量的短波長光源。作為在鐵電體非線性光學(xué)材料上形成周期狀的極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的方法，已知所謂的電壓施加法。該方法在鐵電體單晶基板的一個主面上形成梳形電極，在另一個主面上形成均勻電極，在兩者之間施加脈沖電壓。這種方法記載于日本特開平8-220578、曰本特開2005-70195、曰本特開2005-70194。為了從鈮酸鋰單晶等的非線性光學(xué)材料產(chǎn)生二次諧波，需要在單晶上形成周期狀的極化反轉(zhuǎn)。并且，在鐵電體單晶基板上形成周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造后，通過機械加工或激光加工在基板表面上形成脊形、條形光波導(dǎo)。此時，通過使周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造位于脊形光波導(dǎo)的內(nèi)部，將入射到光波導(dǎo)的基本波調(diào)制成高次諧波?；静ㄈ肷?，則光損失非常大，高次諧波輸出變得極低。這是在將周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造作為平面光波導(dǎo)使用的場合未曾發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，超出了預(yù)測。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的課題是在形成具有周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造所形成的脊形光波導(dǎo)的光波導(dǎo)基板時，降低光波導(dǎo)中的光損失，使高次諧波發(fā)生效率提高。本發(fā)明是形成光波導(dǎo)基板的方法，該光波導(dǎo)基板具有周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造所形成的光波導(dǎo)，其特征在于，具有通過在單疇化的鐵電體單晶基板的一個主面上所設(shè)置的梳形電極上施加電壓，從而形成周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的電壓施加工序；去除梳形電極的電極去除工序；對鐵電體單晶基板的一個主面進(jìn)行機械加工去除表面區(qū)域而形成加工面的表面區(qū)域去除工序；以及，在鐵電體單晶基板上形成光波導(dǎo)的光波導(dǎo)形成工序。本發(fā)明者追究了在波道光波導(dǎo)內(nèi)形成了周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的場合，光波導(dǎo)中的損失增大、高次諧波發(fā)生率顯著降低的原因。其結(jié)果，查清了在形成周期極化反轉(zhuǎn)的工序中，在施加電壓時，在鐵電體單晶的表面區(qū)域發(fā)生了損傷。關(guān)于這種損傷和對發(fā)生該高次諧波的影響，沒有發(fā)現(xiàn)記載過的文獻(xiàn)。若更加具體地研究，則梳形電極的前端邊緣部分電場集中，極化反轉(zhuǎn)部分從前端部分朝向頂端延伸。在梳形電極的前端部和其周邊，晶體上發(fā)生了較大的損傷或晶體缺陷。其結(jié)果認(rèn)為，在極化效率高的這部分形成光波導(dǎo)時，在光波導(dǎo)中傳播的光受到了損傷的影響本發(fā)明者基于這種發(fā)現(xiàn)，通過例如如圖6、圖7所示，在形成周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造29后，通過機械加工去除鐵電體單晶基板8的表面區(qū)域25,從而發(fā)現(xiàn)可去除或縮小施加電壓時產(chǎn)生的損傷層10，顯著降低光波導(dǎo)中的光損失，使高次諧波發(fā)生率增大。圖l是模式地表示通過電壓施加法在鐵電體單晶基板8中形成周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的狀態(tài)的立體圖。圖2(b)是表示從圖2(a)的鐵電體單晶基板去除了電極的狀態(tài)的剖視圖。圖3是表示對支撐基體12粘接基板8的狀態(tài)的剖視圖。圖4是表示對圖3的基板8進(jìn)行加工而形成了薄層的鐵電體單晶基板18的狀態(tài)的剖i見圖。圖5是表示形成了脊形光波導(dǎo)14的現(xiàn)有例的元件的剖視圖。圖6(a)是表示周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造29、損傷層10以及凹部20的剖視圖，圖6(b)是用于說明表面去除區(qū)域25的工序的剖視體。圖7(a)是表示去除了表面區(qū)域后的基板8的剖視圖，圖7(b)是表示將基板8粘接在支撐基本體12上的狀態(tài)的剖視圖。圖8是表示將基板8進(jìn)一步加工成薄板的狀態(tài)的剖視圖。圖9是表示具有脊形光波導(dǎo)14的光波導(dǎo)基板的剖^L圖。圖IO是表示具有擴散型光波導(dǎo)30的光波導(dǎo)基板的剖視圖。圖11是表示表面去除工序中的加工量和二次諧波輸出的關(guān)系的圖表。具體實施例方式以下，參照適當(dāng)附圖對本發(fā)明進(jìn)行更為詳細(xì)的說明。首先，通過電壓施加法，在鐵電體單晶基板上形成周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造。例如，如圖l所示，將由鐵電體單晶構(gòu)成的斜切基板作為基板8來使用。鐵電體單晶的極化方向A相對于一個主面8a以及另一個主面8b傾斜規(guī)定角度、例如5°，因此該基板8稱為斜切基板。在基板8的一個主面8a上形成梳形電極3以及相對電極1,在另一個主面8b上形成均勻電極9。梳形電極3由周期性排列的多個細(xì)長的電極片3a和連接多個電極片3a的根部的細(xì)長的供電部2構(gòu)成。相對電極l由細(xì)長的電極片構(gòu)成，相對電極l以與電極片3a的前端相對的方式設(shè)置。最初，使基板8整體沿方向A極化。并且在梳形電極3和相對電極1之間施加VI的電壓，在梳形電極3和均勻電極9之間施力卩V2的電壓。這樣，如圖2(a)所示，極化反轉(zhuǎn)部9從各電極片3a與方向B平行地逐漸進(jìn)展。極化反轉(zhuǎn)方向B與非極化反轉(zhuǎn)方向A正相反。還有，在與電極部不對應(yīng)的位置、即鄰接的極化反轉(zhuǎn)部之間殘留有未極化反轉(zhuǎn)的非極化反轉(zhuǎn)部。這樣一來，形成這里，如圖2所示，在梳形電極3a的正下方以及前端邊緣3b的周邊，發(fā)現(xiàn)在基板8的一個主面8a側(cè)的表面區(qū)域生成有損傷層10。為了在條形光波導(dǎo)內(nèi)形成周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造，接著，去除梳形電極3，做成圖2(B)所示的狀態(tài)。如圖3所示，將鐵電體單晶基板8的一個主面8a相對支撐基板12的表面12a側(cè)進(jìn)行粘接。并且通過對基板8的另一個主面8b側(cè)進(jìn)行加工而使基板變薄。其結(jié)果，如圖4所示，基板8被薄層化。18a是基板18的一個主面，18b是另一個主面。基板18通過粘接層11粘接在支撐基體12的表面12a上。其次，在基板18上從另一個主面?zhèn)冗M(jìn)行加工，如圖5所示，形成了脊形光波導(dǎo)14。該場合，通過對鐵電體單晶基板18進(jìn)行加工，形成一對槽17A、17B的同時，在其兩側(cè)殘留延伸部15A、15B。在一對槽17A和17B之間形成有脊部14。這里，現(xiàn)有技術(shù)判明了若是圖5那樣的形態(tài)，則高次諧波的發(fā)生效率明顯降低到不能說明的程度。在研究其原因的過程中，如圖5所示，在梳形電極下的區(qū)域形成有損傷層10,認(rèn)為是損傷層IO導(dǎo)致了在光波導(dǎo)14中傳輸?shù)幕静ㄒ约案叽沃C波的損失。為了驗證這種預(yù)測，本發(fā)明者想到了例如圖6(b)以及圖7所示，對基板8的一個主面8a進(jìn)行機械加工而去除表面區(qū)域，形成加工面。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，能夠去除或縮小梳形電極下的損傷層10,可使光波導(dǎo)中的波長變換效率顯著提高。在表面區(qū)域去除工序中，例如圖6(b)所示，通過機械加工從基板8的一個主面8a直到用虛線21所示的高度、相當(dāng)于深度d,去除表面區(qū)域25。因此，如圖7(a)所示，在加工面22側(cè)未出現(xiàn)損傷層或損傷層縮小。此時的加工深度d沒有特別限定。但是從去除損傷層并提高波長變換效率的觀點出發(fā)，優(yōu)選0.5jam以上，更優(yōu)選1.0iam以上。但是周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的深度通常具有界限，具有越深波長變換效率就越低的傾向。因此，若加工深度d變大，則會在光束內(nèi)含有很多沒有周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的區(qū)域。因此，加工深度d優(yōu)選5.0|am以下，更優(yōu)選3.0nm以下。但是，若加工深度d不是一定，則所得到元件的波長變換效率會產(chǎn)生較大波動。因此，為了使每個元件的波長變換效率均勻，需要使力。工深度d為一定。但是，若加工深度例如為0.1|Lim以下，則難以測定加工深度，因此不能進(jìn)行一定深度的加工。因此，在優(yōu)選的實施方式中，在鐵電體單晶基板的一個主面8a側(cè)形成有底面的凹部20,且進(jìn)行表面去除直到凹部20消失。即、如圖6(a)模式地所示，在基+反8的一個主面8a側(cè)形成凹部20。該凹部20的形成方法沒有特別限定，但優(yōu)選機械加工或激光加工。在形成凹部20的階段，凹部的深度D可通過表面粗糙度計測定(圖6(a))。若在該狀態(tài)下進(jìn)行機械加工，則凹部20逐漸變淺。凹部20的深度可用顯微鏡連續(xù)地目視觀察，而且需要的話可用表面粗糙度計測量。并且，如果在消滅凹部20的時刻停止機械加工，則加工深度d與凹部的深度D相等。另一方面，在仍然殘留有凹部20的時刻停止機械加工的場合，測量在該時刻的凹部深度s。于是，加工深度d可作為(D-s)算出。通過這樣將加工前后的凹部的深度D作為指標(biāo)，可姊青確地測量加工深度d。特別是，通過在消滅了凹部的時刻停止機械加工，可通過凹部深度D設(shè)定加工深度d，因而較理想。機械加工的方法沒有特別限定，但是可例示出拋光、研磨、濕蝕刻。而作為加工所使用的研磨材料可例示以下。膠態(tài)氧化硅.膠態(tài)氧化鋁金剛石磨粒在機械加工的最后時刻，如圖7(a)所示，在基板8表面上形成加工面22。在加工面22的正下方，損傷層10不存在或被薄層化。光波導(dǎo)也可形成于基板的加工面8a側(cè)。在優(yōu)選的實施方式中，將該基板粘接在支撐基體上，接著，對基板從另一個主面?zhèn)燃庸ざ蛊渥儽?。因此，能夠使鐵電體單晶基板變薄，強有力地封入向光波導(dǎo)內(nèi)部的光，提高對高次諧波的變換效率，并且即使使基板變薄也能給與所需要的機械強度。即、如圖7(b)所示，將鐵電體單晶基板8的加工面22粘接在支撐基體12的表面12a側(cè)。并且通過對基板8的另一個主面8b進(jìn)行加工而使基板變薄。其結(jié)果，如圖8所示，基板18被薄層化。22是基板18的加工面，18b是另一個主面?；?8通過粘接層11粘接在支撐基體12的表面12a上。該基板18通過調(diào)整厚度可作為平面光波導(dǎo)來利用。因此，基板18的厚度優(yōu)選為2.0~10.0pm,更優(yōu)選為3.06.0|am。其次，在基板18內(nèi)從另一主面?zhèn)?8b進(jìn)行加工，如圖9所示，形成脊形光波導(dǎo)14。該場合，通過對鐵電體單晶基板18進(jìn)行加工，形成一對槽17A、717B的同時，在其兩側(cè)殘留延伸部15A、15B。在一對槽17A和17B之間形成有脊部14。在光波導(dǎo)14內(nèi)的區(qū)域不存在損失層或其體積為最小限度。或者，也可從圖8的狀態(tài)取代脊部加工而如圖IO所示形成擴散型波道光波導(dǎo)30。構(gòu)成鐵電體單晶基板的鐵電體單晶的種類沒有限定。但是，特別優(yōu)選鈮酸鋰(LiNb03)、鉭酸鋰(LiTa03)、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體、K3Li2Nb5015的各單曰曰D為7在鐵電體單晶t進(jìn)一步提高光波導(dǎo)的耐光損傷性，可使其含有從鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈧(Sc)以及銦(In)構(gòu)成的組中選擇的一種以上的金屬元素，特別優(yōu)選鎂。根據(jù)明確極化反轉(zhuǎn)特性(條件)的觀點，特別優(yōu)選在鈮酸鋰單晶、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體單晶、鉭酸鋰單晶中分別添加了鎂的物質(zhì)。另外，在鐵電體單晶中，作為摻雜成分，可使其含有稀土類元素。該稀土類元素作為激光起振用的添加元素發(fā)揮作用。作為該稀土類元素特別優(yōu)選Nd、Er、Tm、Ho、Dy、Pr。作為基板，使用所謂Z切基板、斜切X板、斜切Y板特別合適。在使用斜切X板、斜切Y板的場合，斜切角度沒有特別限定，特別優(yōu)選斜切角度為1。以上、或20。以下。在使用X斜切基板、Y斜切基板的場合，可不在基板背面設(shè)置均勻電極，而是設(shè)置在一表面上，并在梳形電極和均勻電極之間施加電壓。該場合，沒有相對電極也可以，但作為浮動電極保留也可以。另外，在使用Z切基板的場合，可在背面上設(shè)置均勻電極，并在梳形電極和均勻電極之間施加電壓。該場合，雖然相對電極不一定需要，但是作為浮動電極保留也可以。在形成周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造時，梳形電極、相對電極、均勻電極的材質(zhì)沒有限定，但優(yōu)選A1、Au、Ag、Cr、Cu、Ni、Ni-Cr、Pd、Ta。而且，梳形電極、相對電極、均勻電極的形成方法沒有特別限定，可例示真空蒸鍍法、真空濺射法。施加電壓的大小優(yōu)選為3kv8kv,脈沖頻率優(yōu)選為lHz1000Hz。與鐵電體單晶基板粘接的支撐基體的材質(zhì)必須絕緣性高，材質(zhì)內(nèi)的體積電阻率均勻、具有規(guī)定的構(gòu)造強度。作為該材質(zhì)，可例示硅、藍(lán)寶石、水晶、玻璃、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體、摻雜MgO的鈮酸鋰、摻雜MgO的鉭酸鋰、摻雜ZnO的鈮酸鋰、摻雜ZnO的鉭酸鋰。粘接鐵電體單晶基板和支撐基體的粘接劑的材質(zhì)沒有特別限定，但可例示丙烯系、環(huán)氧系的紫外線硬化型、熱硬化型、并用型的樹脂。形成條形光波導(dǎo)的方法沒有特別限定。例如，脊形光波導(dǎo)可通過激光消融加工、研磨加工、干蝕刻、濕蝕刻而形成。內(nèi)擴散型光波導(dǎo)30可通過例如質(zhì)子交換法等的離子交換法，或鈦、鋅內(nèi)擴散法而形成。通過本發(fā)明而形成的周期極化反轉(zhuǎn)部可適用于具有這種極化反轉(zhuǎn)部的任意光學(xué)器件。這種光學(xué)器件含有例如二次諧波發(fā)生元件等的高次諧波發(fā)生元件。在作為二次諧波發(fā)生元件來使用的場合，高次諧波的波長優(yōu)選為33(M600nm。實施例根據(jù)參照圖1~圖5說明的方法，制作了圖5(比較例)所示的那種構(gòu)造的光波導(dǎo)基板。另外，根據(jù)參照圖1圖2及圖6~圖9說明的方法，制作了圖9(本發(fā)明例)所示的那種構(gòu)造的光波導(dǎo)基板。在厚度0.5mm的摻雜5%MgO的鈮酸鋰5度斜切Y基板8的一個主面8a上，通過光刻法形成了周期6.56ym的梳狀周期電極3。在另一個主面8b上，在整面形成了電極膜9之后，施加脈沖電壓并形成周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造29。在形成了反轉(zhuǎn)構(gòu)造29的一側(cè)的表面8a上照射準(zhǔn)分子激光，在基板內(nèi)的中心和四角形成了矩形的凹部20。用接觸式表面粗糙計測定了凹部深度D。其次，如圖6(b)所示，在無紡布上使用研磨墊和膠態(tài)氧化硅磨粒對基板的一個主面8a進(jìn)行鏡面研磨，在從表面看不見凹部20的時刻停止加工。加工深度d做成凹部20的深度D(圖7(a))。如圖7(b)所示，在厚度lmm的非摻雜鈮酸鋰基板12上涂敷了粘接劑11之后，與進(jìn)行了表面去除加工的摻雜MgO的鈮酸鋰基板8貼合，對摻雜MgO的鈮酸鋰基板8的另一個主面通過研削、研磨削落直到達(dá)到厚度3.8inm其次，通過激光消融加工法形成了條形、脊形光波導(dǎo)14(圖9)。所形成的脊部14的寬度為4.5jam,深度為2nim。加工脊后利用'減射法使厚度0.5um的Ta205在波導(dǎo)表面成膜。用切塊機按長度12mm、寬度1.4mm切斷元件后，對兩端進(jìn)行了端面研磨。在該波導(dǎo)中使用鈦藍(lán)寶石激光器測定光學(xué)特性。將來自激光器的起振輸出調(diào)整到100mW，將其基本光用透鏡匯聚到波導(dǎo)端面，其結(jié)果，55mW可與波導(dǎo)耦合。將通過改變鈦藍(lán)寶石激光器的波長而調(diào)節(jié)成相位匹配的波長時得到的二次諧波(SHG)輸出表示在表1以及圖11中。另外，相位匹配時的基本光的波長為10581060nm。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從該結(jié)果可知，通過電壓施加法在基板上形成了周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造后，通過機械加工去除基板的形成了周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的一側(cè)的表面區(qū)域，從而判明了二次諧波發(fā)生輸出顯著提高。雖然對本發(fā)明的特定的實施方式進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明并不限定于這些特定的實施方式，不脫離技術(shù)方案的范圍就可進(jìn)行各種變更或改變并實施。權(quán)利要求1.一種光波導(dǎo)基板的制造方法，用于形成具有形成有周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的光波導(dǎo)的光波導(dǎo)基板，其特征在于，具有通過在單疇化的鐵電體單晶基板的一個主面上所設(shè)置的梳形電極上施加電壓，從而形成周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造的電壓施加工序；去除上述梳形電極的電極去除工序；對上述鐵電體單晶基板的上述一個主面進(jìn)行機械加工去除表面區(qū)域而形成加工面的表面區(qū)域去除工序；以及，在上述鐵電體單晶基板形成上述光波導(dǎo)的光波導(dǎo)形成工序。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在上述鐵電體單晶基板的上述一個主面?zhèn)刃纬砂疾浚又M(jìn)行上述表面區(qū)域去除工序。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在上述凹部消失的時刻停止上述表面區(qū)域去除工序。4.根據(jù)權(quán)利要求13任一項所述的方法，其特征在于，具有在上述表面區(qū)域去除工序后，將上述鐵電體單晶基板的上述加工面相對支撐基體進(jìn)行粘接的粘接工序；以及，接著對上述鐵電體單晶基板從另一個主面?zhèn)冗M(jìn)行加工而使其變薄的薄板加工工序。5.根據(jù)權(quán)利要求14任一項所述的方法，其特征在于，在上述鐵電體單晶基板上形成條形光波導(dǎo)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在上述鐵電體單晶基板的另一個主面?zhèn)刃纬缮鲜鰲l形光波導(dǎo)。7.根據(jù)權(quán)利要求l-6任一項所述的方法，其特征在于，上述鐵電體單晶基板由從鈮酸鋰單晶、鉭酸鋰單晶、以及鈮酸鋰-鉭酸鋰固溶體單晶構(gòu)成的組中選擇的單晶構(gòu)成。全文摘要通過在單疇化的鐵電體單晶基板(8)的一個主面(8a)上所設(shè)置的梳形電極上施加電壓，從而形成周期極化反轉(zhuǎn)構(gòu)造(29)，去除梳形電極，對基板(8)的一個主面(8a)進(jìn)行機械加工去除表面區(qū)域(25)而形成加工面。接著在基板(8)上形成光波導(dǎo)。文檔編號G02F1/377GK101535888SQ200780041660公開日2009年9月16日申請日期2007年11月9日優(yōu)先權(quán)日2006年11月9日發(fā)明者吉野隆史申請人:日本礙子株式會社