专利名称：光控制元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光控制元件及其制造方法，尤其，涉及具有脊型波导 的光控制元件及其制造方法。
背景技术：
以往，在光通信领域或光计测领域中，光调节器或光开关、偏光器等各种光控制元件被实用化。在形成于光控制元件的光波导，除将Ti等杂 质热扩散的光波导，还有在基板表面形成凸状脊的脊型波导等。在近年，为了减低光控制元件的驱动电压或改善高频应答性，构成光 控制元件的基板的薄板化或光控制元件内的光电路的小型化等正在发展。 光电路的小型化导致构成光电路的光波导的剖面积的减少，产生如下问 题。(1) 存在光波导结构的制造方面的允许值变小，成为多模波导的情况。(2) 由于上述(1)的影响，以往的单模光缆和光控制元件(光电路) 的结合损失增加，成为光信号的再现性劣化的原因。图1是在基板表面形成凸状脊、在其两侧形成凹部(以下称[沟槽]) 并具有脊型波导的光控制元件的剖面的概略图，具有介由粘结层2将补强 板3粘结在基板1的构成。4表示脊型光波导。根据图1的脊型波导的形状，光波导的传播模式发生变化。具体而言， 根据光波导4的宽度W及高度H，进而基板的厚度D的条件，如图2所示， 光波导的传播模式被分为单模区域和多模区域。需要说明的是，图2将没有沟槽的脊型波导作为模式，假设波导4的 侧面的倾斜角为e二70。，传播光波的波长为入4.55/zm且作为TM模式波， 基板的折射率为2. 1，基板上面侧的折射率与空气相同为1.0，下面侧的 折射率与Si02相同为1.45。根据图2很容易理解，若基板的厚度D变薄，则横轴(r=(H=D)/H) 值减少，纵轴(W/H)值增加，因此，整体上传播模式从单模转移至多模。
另一方面，如专利文献l所公开的，通过使用在光波导的侧面形成平 板波导的方法，单模波导的允许值变大。从而，如图2所示，伴随光电路 的小型化的传播模式的多模化，即使是具有有沟槽的脊型波导的光控制元 件也同样，在基板薄板化、尤其是在10，以下时，有必要将用于实现单 模的沟槽的宽度(图1的T)设定为1 ，左右以下。
专利文献l:特开2004 — 219751号公报
另外，在使用了薄板的脊型波导的情况，由于基板和空气或粘结层(缓 冲层)的折射率差An大，因此，为了维持单模，有必要将光波导剖面积 本身縮小。若将光波导剖面积縮小，则以往可忽视的涉及光波导的宽度或 沟槽的深度的制作误差变得不可忽视。在假设成为多模光波导的情况，S/N 比或光插入损失劣化。另外，在脊型波导具有Y分歧部的情况，若无法满 足形状的再现性，则S/N比或光插入损失同样劣化。并且，即使在光波导 的入出射部满足单模的条件，形状稍微不同也成为光插入损失发生大的变 化的原因。
另一方面，制造脊型波导时，在具有电光效应的基板施加对应光波导 的模式的掩码，用湿式蚀刻或干式蚀刻等除去基板的一部分，或由切割机 等机械加工形成沟槽等。然而，若用以往的湿式或干式蚀刻形成脊型波导 的沟槽，则如图3 (a)所示，被配置在基板1上的掩码10的下部被根切 11，或如图3 (b)所示，发生局部的异常形状12。在这些形状的光波导， 为漏模(光不传播的模式。之外，意味着由于波导的形状存在凹凸，所以 光发生散乱的状态。)、多模波导，难以制作单模波导。另外，用机械加 工，沟槽的宽度在大约2，左右为极限，尤其，对于10，以下的薄板进 行机械加工成为基板破损的原因。
从而，在利用薄板的光控制元件中，为了抑制S/N比或光插入损失的 劣化，脊型波导的沟槽的加工精度需要O. l，以下的高精度，但用以往的 蚀刻或机械加工难以获得充分的精度
发明内容
本发明要解决的课题是解决如上述的问题，在具有脊型波导的光控制 元件中，提供具有单模波导的光控制元件，尤其，即使是基板的厚度为10 ，以下的薄板，也可精度良好且稳定地制造并提供具有单模波导的光控制元件。
本发明第一项所涉及的发明为一种光控制元件，具有形成有光波导的
基板，其特征在于，该基板为厚度io，以下的薄板，该光波导的至少一
部分为脊型波导，在该脊型波导的至少一部分的两侧具有宽度10/^i以下 的沟槽，具有通过使该沟槽的宽度或深度连续变化而使该波导的光传播模 式在单模和多模之间连续变化的锥形波导部。
另外，本发明的[锥形波导]是指，包含通过形成脊型波导的沟槽的宽 度连续增加或减少，脊型部分的波导的宽度连续增加或减少的波导，或即 使脊型部分的宽度不发生变化，沟槽的深度也连续变深或变浅的波导的波 导。
本发明第2项所涉及的发明的特征在于，在本发明第1项所述的光控 制元件中，该锥形波导部被配置在入射部或出射部的至少任一方，在该配 置部中波导光成为单模光。
本发明第3项所涉及的发明的特征在于，在本发明第1项或第2项所
述的光控制元件中，该锥形波导部相对通过该光波导的中心的纵断面呈大 致对称形状。
本发明中的[大致对称形状]是指，以传播锥形波导的单模光波不转换 为高次模式光，或与对称光元件的结合损失不增大的程度呈对称形状。
本发明第4项所涉及的发明的特征在于，在本发明第l项或第2项所 述的光控制元件中，该锥形波导部相对通过该光波导的中心的纵断面呈非 对称形状。
本发明第5项所涉及的发明的特征在于，在本发明第1项 第4项所 述的光控制元件中，该基板具有非线性光效应、电光效应、焦电效应或压
电效应。
本发明第6项所涉及的发明的特征在于，在本发明第5项所述的光控 制元件中，该基板为LiNbO:,、 LiTa0:,或KTi0P0"本发明第7项所涉及的发明的特征在于，在本发明第1 6项所述的 光控制元件中，该脊型波导的至少一部分是使用聚焦离子束或激光束加工 的至少任一方而形成的。
本发明第8项所涉及的发明的特征在于，在本发明第1 6项所述的
光控制元件中，该脊型波导，由蚀刻或机械加工进行一次加工后，由聚焦 离子束或激光束加工的至少任一方进行最后的加工。
本发明第9项所涉及的发明，是一种本发明第8项所述的光控制元件 的光控制元件的制造方法，其特征在于，将光导入该光控制元件， 一边计 测该导入的光， 一边进行最后的加工。
根据本发明第1项所涉及的发明，即使构成光控制元件的基板是厚度 为10 ，以下的薄板，在脊型波导的至少一部分的两侧也形成宽度10 //m以 下的沟槽，并且，形成通过使该沟槽的宽度或深度连续变化，使该波导的 光传播模式在单模和多模之间连续变化的锥形波导部，由此，即使在假设 传播模式在光控制元件内部成为多模的情况，也可提供可仅仅取出单模 光，抑制S/N比或光插入损失的劣化等的光控制元件。
根据本发明第2项所涉及的发明，锥形波导部被配置在入射部或出射 部的至少一方，波导光在该配置部中成为单模光，因此，可减低与光波导 光学结合的光纤的结合损失，并且，即使假设光波导的内部(去除入射部 及出射部的部分)为多模波导，在光波导内也只传播单模光波，因此，可 提供抑制S/N比或光插入损失的劣化等的光控制元件。
根据本发明第3项所涉及的发明，由于锥形波导部相对通过光波导的 中心的纵剖面呈大致对称形状，因此，在结合光纤或透镜等对照型光元件 和该光控制元件时，可提高结合效率。
根据本发明第4项所涉及的发明，由于锥形波导部相对通过光波导的 中心的纵剖面呈非对称形状，因此，可激振特定高次模式，可在模式分散 相位匹配型波长转换元件中形成转换效率高的波导。可提供例如在自发性 参量下转变中，可激振基本波的高次模式，改善与降频转换光的基本模式 的重叠，提高转换效率等、光第2次高调频发生装置、和(差)频发生装 置、光参数增幅器 发振器等多样的2次非线形型光控制元件。根据本发明第5项所涉及的发明，由于基板具有非线形光效应、电光 效应、焦电效应或压电效应，因此，可提供波长转换元件、E0装置、电场 传感器等多用途光控制元件。
根据本发明第6项所涉及的发明，由于基板为LiNb03、 LiTa03或 KTiOP04，因此，可提供光波导特性或因电场等的调制特性优越的多样的 光控制元件。
根据本发明第7项所涉及的发明，由于脊型波导的至少一部分是使用 聚焦离子束或激光束加工的至少任一方而形成的，因此，可以亚微米级的 精度形成脊型波导的沟槽。由此，可在使用薄板的光控制元件中，精度良 好且稳定地制造具有单模波导的光控制元件。
根据本发明第8项所涉及的发明，由于脊型波导由蚀刻或机械加工进 行一次加工后，由聚焦离子束(FIB)或激光束(LB)加工的至少任一方 进行最后的加工，因此，与用FIB或LB制造光控制元件所需的所有沟槽 等的情况相比较，可减低制造成本，并且，可縮短制造时间。
根据本发明第9项所涉及的发明，在光控制元件的制造方法中，使用 FIB或LB进行最后的加工时，在该光控制元件导入光， 一边计测该导入的 光一边进行最后的加工，因此，可形成根据要求于各光控制元件的特性的 脊型波导、可提供极其优越的光控制元件。尤其，通过调整FIB或LB的 输出，可进行配合计测时间的加工，并且由于加工精度为亚微米，因此， 还可将沟槽的深度或宽度、脊部分的侧面的倾斜角等加工为所意图的状 态。
图1是具有脊型波导的光控制元件的剖面图； 图2是表示脊型波导的形状和传播模式的关系的图表； 图3是表示用以往的蚀刻加工形成沟槽时的基板剖面的情况的图； 图4是表示本发明所涉及的光控制元件的实施例的图； 图5是表示本发明所涉及的光控制元件的其它实施例(锥形波导为对 称形状)的7图6是表示本发明所涉及的光控制元件的其它实施例(锥形波导为非 对形状)的图。图中l一基板，2 —粘结层，3 —补强板，4、 21、 31、 41 —波导，5、 20、 30、 32、 40、 42 —沟槽，6 —平板波导，10 —掩码，ll一根切，12 —局部异常形状。
具体实施方式
以下，适用本发明的适当例子进行详细说明。本发明所涉及的光控制元件，由形成有光波导的基板而成，其特征在 于，该基板为厚度10，以下的薄板，该光波导的至少一部分为脊型波导， 在该脊型波导的至少一部分的两侧具有宽度IO，以下的沟槽，具有通过 使该沟槽的宽度或深度连续变化而使该波导的光传播模式在单模和多模 之间连续变化的锥形波导部。图4表示本发明所涉及的光控制元件的一例，在基板1形成脊型波导。 脊型波导由2个沟槽(卜^ >千)20形成。图4 (b)表示图4 (a)的箭头X—X中的剖面图，在基板l的端部侧 (区域A)和基板的内部侧(区域C)，沟槽的深度不同。传播模式在沟槽浅的区域A为单模，在沟槽深的区域C为多模。传播 模式与图2所示的同样，通过调整脊型波导的形状，可容易地转换，因此， 使用FIB或LB根据光控制元件的用途，可容易实现必要的波导形状的转 换。例如，在图4为朝向光控制元件的光的入射部或来自光控制元件的光 的出射部的情况，连接在光控制元件的光纤可利用于单模光学元件，可抑 制光插入损失的劣化。另外，在区域C成为多模波导，但光封闭得以良好 地进行，对于通过区域A的单模波导的单模光进行调制等，因此，可抑制 S/N比的劣化，可提供调制效率或信号的再现性高的光控制元件。并且，通过将单模波导设置在光控制元件的入射部或出射部，在结合 光控制元件和光线时，可使用以往的自动调芯装置等，起到极其优越的效 果。另外，区域B表示形成[锥形波导]的部分，在从区域A至区域C之间， 沟槽的深度连续变化。因此，可顺利地进行由单模波导至多模波导的转换， 或由多模波导至单模波导的转换，可极力抑制光的传播损失。
在锥形波导部相对通过光波导的中心的纵剖面呈大致对称形状的情 况，可抑制高次模式的光波被激振而成为多模光，可稳定地传播单模光波。
另一方面，使锥形波导中的2个沟槽的深度设定为以相互产生差异的 方式变化，且相对通过光波导的中心的纵剖面呈非对称形状，由此，可使 特定高次模式激振，可在模式分散相位匹配型波长转换元件中形成转换效 率高的波导。
作为使用于光控制元件的基板，优选具有非线形光效应、电光效应、 焦电效应或压电效应的基板，通过利用上述基板，可提供波长转换元件、
E0装置、电场传感器等多种用途的光控制元件。
另外，作为基板材料，通过使用LiNb03、 LiTa03或KTiOP04，可提供 光波导特性或因电场等的调制特性优越的多样的光控制元件。
然而，为了使用10，以下的基板形成上述单模的脊型波导，需要使 用具有亚微米级的加工精度的加工方法。因此，在本发明中，关于脊型波 导的至少-部分，使用聚焦离子束(F工B)或激光束的至少一方进行加工。
FIB是将绞细的镓等离子束照射在对象物，溅射对象物表面的原子喻 子，由此，加工对象物表面的方法。并且，在市售的FIB加工装置附加有 S頂(扫描型离子显微镜:Scanning Ion Microscopy)， 一边看SIM像一 边决定加工处，因此，可进行极其高精度的加工。
另外，使用激光束(LB)同样也可进行亚微米级的加工，可根据加工 的基板种类或加工的场所形状，分开使用FIB和LB。另外，也可同时使用 二者。
并且，也可使用全部FIB或LB形成设在光控制元件的沟槽，但在沟 槽的形成部分多的情况，制造时间变为长时伺，成为制造成本增加的原因。 因此，在传播模式也可成为多模的地方，用湿式蚀刻或干式蚀刻形成沟槽， 之后，使用FIB或LB进行加工，由此，可抑制制造时间或制造成本。
另外，FIB或LB不仅使用于沟槽的形成，例如，用于调整脊型波导的 侧面的角度、由FIB等整理而平滑地形成用蚀刻或根切(/ 4 * >夕'乂一)等进行l次加工的基板表面(局部异常形状等)，可进行各种应用。 由此，减少脊部分的侧面或沟槽内面的粗糙，可实现能防止光波的散乱等 且传播损失少的光控制元件。尤其，在由FIB或LB进行2次加工时，利用由l次加工形成的光控制元件的光波导，使光入射至该光波导，可一边计测从光控制元件出射的光波， 一边进行2次加工。由此，可制造具有更适当的特性的光控制元件。需要说明的是，也可根据需要， 一边使组装在光控制元件的光电路动作一边实施2次加工，在更接近光控制元件的动作环境的状态下进行加工。更 进一步，使在2次加工使用的LB和入射在光控制元件的光波的波长不同， 使得即使加工用LB入射至显示器光也可容易地进行波长分离并计测，由 此，可维持更高的加工精度。接着，图5是表示本发明所涉及的光控制元件的一部分的其他实施例， 在具有电光效应的基板1形成脊型波导。脊型波导由2个沟槽30形成。在图5，在基板l的端部侧(区域A)和基板的内部侧(区域B)，沟 槽的宽度不同，结果脊部分的光波导的宽度发生变化。在使用基板l的厚度为IO，以下的薄板时，由于将区域A的光波导 31作为单模波导，因此，需要将沟槽30或32的宽度设定为l，以下。因 此，对于区域A或B使用FIB或LB进行加工，对于区域C根据需要使用 以往的蚀刻或根切等进行加工。另外，传播模式在区域A和区域B之间变 化时，使两者间的形状连续变化，因此，优选使沟槽30或32的宽度连续 变化。在图5，成为锥形波导部的区域B的形状相对通过光波导的中心的纵 剖面(通过点划线Y且垂直于基板1的面)成为大致对称形状。因此，在 结合光纤或透镜等对照型光元件和该光控制元件时，可提高结合效率。另 外，可抑制锥形波导部中的高次模式光的发生。另一方面，在图6，成为锥形波导部的区域B的形状相对通过光波导 的中心的纵剖面(通过点划线Y且垂直于基板1的面)成为非对称形状， 因此，可使多模光激振，或在模式分散相位匹配型波长转换元件中形成转 换效率高的波导。需要说明的是，41是脊型部分的光波导，40或42表示 沟槽。如以上说明，根据本发明，在具有脊型波导的光控制元件中，可提供
具有单模波导的光控制元件，尤其，即使是基板的厚度为10/a的薄板，
也可精度良好且稳定地制造并提供具有单模波导的光控制元件。
权利要求
1.一种光控制元件，具有形成有光波导的基板，其特征在于，该基板为厚度10μm以下的薄板，该光波导的至少一部分为脊型波导，在该脊型波导的至少一部分的两侧具有宽度10μm以下的沟槽，具有通过使该沟槽的宽度或深度连续变化而使该波导的光传播模式在单模和多模之间连续变化的锥形波导部。
2. 根据权利要求l所述的光控制元件，其特征在于， 该锥形波导部被配置在入射部或出射部的至少任一方，在该配置部中波导光成为单模光。
3. 根据权利要求1或2所述的光控制元件，其特征在于，该锥形波导部相对于通过该光波导的中心的纵断面呈大致对称形状。
4. 根据权利要求1或2所述的光控制元件，其特征在于，该锥形波导部相对于通过该光波导的中心的纵断面呈非对称形状。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的光控制元件，其特征在于，该基板具有非线性光效应、电光效应、焦电效应或压电效应。
6. 根据权利要求5所述的光控制元件，其特征在于， 该基板为LiNb03、 LiTaO:,或KTiOP04。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的光控制元件，其特征在于， 该脊型波导的至少一部分是使用聚焦离子束或激光束加工的任一方而被形成的。
8. 根据权利要求1至6中任一项所述的光控制元件，其特征在于， 该脊型波导，由蚀刻或机械加工进行一次加工后，由聚焦离子束或激光束加工的至少任一方进行最后加工。
9. 一种光控制元件的制造方法，用于制造权利要求8所述的光控制元件， 其特征在于，将光导入该光控制元件， 一边计测该导入的光， 一边进行最后的加工。
全文摘要
本发明公开了一种具有脊型波导的光控制元件，旨在提供一种具有单模波导的光控制元件，尤其，即使基板为厚度10μm以下的薄板，也可精度良好地制造并提供具有单模波导的光控制元件。本发明的光控制元件，其特征在于，具有形成有光波导的基板(1)，该基板为厚度10μm以下的薄板，该光波导的至少一部分为脊型波导(21)，在该脊型波导的至少一部分的两侧具有宽度10μm以下的沟槽(20)，具有通过使该沟槽的宽度或深度连续变化而使该波导的光传播模式在单模和多模之间连续变化的锥形波导部(区域B)。另外，优选该锥形波导部被配置在入射部及/或出射部，在该配置部中波导成为单模光。
文档编号G02F1/01GK101410750SQ20078001105
公开日2009年4月15日 申请日期2007年3月5日 优先权日2006年3月29日
发明者山本太, 市川润一郎, 近藤胜利, 金原勇贵 申请人:住友大阪水泥股份有限公司