光デバイス及び光デバイスの製造方法
【課題】光素子の位置ずれ及び光素子の光導波路の特性変化を抑えることを可能とした光デバイス及び光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】第１の光素子（３）と、第１の光素子と光学的に結合する第２の光素子（２０）と、第１の光素子及び第２の光素子が搭載された第１のシリコン基板（１０）とを有し、第２の光素子は第２のシリコン基板（２１）及び第２のシリコン基板と貼り合わされた導波路基板（３０）を含み、第２の光素子は導波路基板が第１のシリコン基板に向かい合う状態で第１のシリコン基板上に搭載されている光デバイス（１）。
【解決手段】第１の光素子（３）と、第１の光素子と光学的に結合する第２の光素子（２０）と、第１の光素子及び第２の光素子が搭載された第１のシリコン基板（１０）とを有し、第２の光素子は第２のシリコン基板（２１）及び第２のシリコン基板と貼り合わされた導波路基板（３０）を含み、第２の光素子は導波路基板が第１のシリコン基板に向かい合う状態で第１のシリコン基板上に搭載されている光デバイス（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路が形成された光素子が基板に接合された光デバイス及び光デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
短波長レーザ光源は、レーザ・プロジェクタや高密度光記憶装置などの分野で、幅広く製品化が進められている。短波長レーザ光源は、光デバイスとしてのレーザ素子が発振する基本波の赤外光を二次高調波に変換する波長変換素子によって、青色または緑色などのレーザ光を出力するものである。ここで用いられる波長変換素子は、ＬＮ（ニオブ酸リチウム：ＬｉＮｂＯ３）ＬＴ（タンタル酸リチウム：ＬｉＴａＯ３）などの結晶材料が使われている。
【０００３】
ＬＮからなるベース基板に、ＭｇＯ添加のＬＮ基板を貼り合わせ、貼り合わせ後にＭｇＯ添加のＬＮ基板を研磨する波長変換素子の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、ＬＮからなるベース基板とＭｇＯ添加のＬＮ基板とは、熱膨張係数が略一致しているため、熱膨張係数差に起因する基板剥離や伝送損失の増加が抑制されることが示されている。
【０００４】
また、前述の波長変換素子を、レーザ素子とともにシリコン基板上に実装したレーザ光源が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
図１２は、特許文献２で開示された短波長レーザ光源の一例を示す図である。図１２において、１０１はシリコン基板、１１０は半導体レーザ、１２０はＬＮからなる波長変換素子である。半導体レーザ１１０の活性層１１１から基本波のレーザ光１１２が出力し、波長変換素子１２０の光導波路１２１に入射して、二次高調波である青色レーザ光１３０が出力される。シリコン基板１０１が波長変換素子１２０と接する面の一部には、溝１０２が形成されている。波長変換素子１２０の下部、すなわち、光導波路１２１の近傍には、Ｔｉ膜による薄膜ヒータ１２２が形成されている。特許文献２には、薄膜ヒータ１２２に通電することで、波長変換素子１２０の温度を所定の温度に保てることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１８３３１６号公報（１３−１５頁、図６−７）
【特許文献２】特開平６−３３８６５０号公報（５頁、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の波長変換素子を、特許文献２に記載のようにシリコン基板上に実装した場合、波長変換素子の変換波長が変化すると言う問題があった。ＬＮからなるベース基板及びＭｇＯ添加のＬＮ基板で構成される波長変換素子と、シリコン基板とでは熱膨張係数が大きく異なる。このため、周囲の温度変化によって波長変換素子とシリコン基板との長さが変化して、波長変換素子にストレスが加わり、波長変換素子の変形、歪み、及び位置ずれ等が発生する。
【０００８】
ＬＮを主成分とする波長変換素子は、熱膨張係数が大きいので温度が上昇すると長手方向の長さが伸びる。しかし、シリコン基板は熱膨張係数が小さいので、温度が上昇しても長手方向の長さの伸びは少ない。この結果、温度が上昇すると、レーザ光源には、図１２の矢印Ｂに示すような応力が発生して、波長変換素子１２０側が膨らむような変形が生じる。また、温度が低下すると、波長変換素子は長手方向の長さが短くなるので、レーザ光源は、図１２の矢印Ｂ´に示すような反対方向の応力が発生して、波長変換素子１２０側が縮むような変形が生じる。このような変形によって、波長変換素子１２０と半導体レーザ１１０との光学的結合にずれが生じ、波長変換素子の変換波長の変化等が発生する。
【０００９】
本発明は、上記の問題を解決するための光デバイス及び光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、光素子の位置ずれ及び光素子の光導波路の特性変化を抑えることを可能とした光デバイス及び光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、光素子の位置ずれ及び光素子の光導波路の特性変化を抑えつつ、シリコン基板上に複数の光素子を集積化することを可能にする光デバイス及び光デバイスの製造方法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】
【００１０】
光学デバイスは、第１の光素子と、第１の光素子と光学的に結合する第２の光素子と、第１の光素子及び第２の光素子が搭載された第１のシリコン基板とを有し、第２の光素子は第２のシリコン基板及び第２のシリコン基板と貼り合わされた導波路基板を含み、第２の光素子は導波路基板が第１のシリコン基板に向かい合う状態で第１のシリコン基板上に搭載されていることを特徴とする。
【００１１】
光デバイスは、第１のシリコン基板上に設けられた金属材料からなる接合部を更に有し、第２の光素子は接合部に表面活性化接合技術により接合されることが好ましい。
【００１２】
光デバイスでは、接合部は、マイクロバンプ構造を有することが好ましい。
【００１３】
光デバイスでは、金属材料はＡｕであることが好ましい。
【００１４】
光デバイスでは、第１の光素子はレーザ素子であり、第２の光素子は波長変換素子であることが好ましい。
【００１５】
第１の光素子と、前記第１の光素子と光学的に結合する第２の光素子とが、第１のシリコン基板に搭載された光デバイスの製造方法は、第２のシリコン基板と導波路基板とを貼り合せることによって前記第２の光素子を形成し、第１の光素子を第１のシリコン基板に搭載し、第２の光素子を導波路基板が第１のシリコン基板に向かい合う状態で第１のシリコン基板に搭載することを特徴とする。
【００１６】
光デバイスの製造方法は、第１のシリコン基板上に金属材料からなる接合部を形成することを更に有し、第２の光素子を搭載する際に、第２の光素子を接合部に表面活性化接合技術によって接合することが好ましい。
【００１７】
光デバイスの製造方法では、接合部は、マイクロバンプ構造であることが好ましい。
【００１８】
光デバイスの製造方法では、金属材料はＡｕであることが好ましい。
【００１９】
光デバイスの製造方法では、第１の光素子はレーザ素子であり、第２の光素子は波長変換素子であることが好ましい。
【００２０】
光デバイス及び光デバイスの製造方法によれば、第２の光素子に対応する導波路基板が第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とで挟まれた構成を有している。そのような構成により、周囲の温度変化によって、第２の光素子の変形度合いと、第１及び第２のシリコン基板の変形度合いとが異なっても、第２の光素子に対応する導波路部分の変形が抑えられる。したがって、第２の光素子の位置ずれ、第２の光素子の光導波路の特性の変化を抑えることが可能となり、周囲の温度変化の影響を受けにくい高性能で信頼性に優れた光デバイスを提供することが出来る。
【００２１】
また、第１のシリコン基板は、Ａｕによるマイクロバンプ構造の接合部を備えており、第１のシリコン基板と第１の光素子及び第２の光素子とは表面活性化接合技術によって接合される。したがって、光デバイス及び光デバイスの製造方法によれば、接合のために加熱する必要がなく、熱膨張係数差の残留応力による部品破壊が発生せず、熱ストレスがなく部品の機能劣化が発生せず、実装時の位置ずれが発生しない。
【００２２】
さらに、第１のシリコン基板の表面に、マイクロバンプ構造を有する接合部、及び、配線パターン等を一括して効率的に形成できるので、シリコン基板上に複数の光素子を効率よく集積化した光デバイスを容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】光デバイス１の構成を示す概略斜視図である；
【図２】図１に示す光デバイス１の分解斜視図である；
【図３】図１に示す光デバイス１のＡＡ´断面図である。
【図４】図１に示す光デバイス１の製造工程を説明するための図である。
【図５】（ａ）は櫛歯電極のパターンの一例を示し、（ｂ）は分極後の分極領域の一例を示す図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、周期分極反転処理工程Ｓ９において、波長変換素子２０の導波路基板３０に、分極反転するための電圧印加を行う構成を示した図である。
【図７】溝を形成して完成した波長変換素子２０の斜視図である。
【図８】（ａ）〜（ｆ）は、光デバイス１の接合部形成工程の一例を示す工程図である。
【図９】接合部４０又は４１の一部を拡大した斜視図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、第１のシリコン基板にレーザ素子と波長変換素子とを搭載する搭載工程を説明するための側面図である。
【図１１】他の光デバイス５０を示す概略斜視図である。
【図１２】特許文献２で開示された短波長レーザ光源の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下図面を参照し、入射光を二次高調波に変換する波長変換素子を搭載した光デバイスを例として、光デバイス及び光デバイスの製造方法について説明する。しかしながら、本発明が、図面又は以下に記載される実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。
【００２５】
図１は、光デバイス１の構成を示す概略斜視図である。
【００２６】
光デバイス１は、板状の第１のシリコン基板１０、第１のシリコン基板１０上に搭載された第１の光素子としてのレーザ素子３、及びレーザ素子３と光学的に結合する第１のシリコン基板１０上に搭載された第２の光素子としての波長変換素子２０から構成される。波長変換素子２０は、第２のシリコン基板２１と、所定の層を介して貼り合わされた導波路基板３０とを有している。なお、波長変換素子２０の詳細な構造は後述する。
【００２７】
以下、光デバイス１の動作の概要を説明する。
図１において、レーザ素子３は第１のシリコン基板１０から図示しない手段によって駆動電圧の供給を受けると、基本波である赤外光Ｌ１を出射する。波長変換素子２０の導光路基板３０は、内部の光導波路３１（図２参照）に赤外光Ｌ１が入射されると、光導波路で高調波に変換して、緑色光又は青色光のレーザ光Ｌ２を導波路基板３０の反対側の出射口から出射する。導光路基板３０から出射されたレーザ光Ｌ２は、図示しない光ファイバ等によって外部の光学系に伝達されるが、外部の光学系の説明は省略する。
【００２８】
一例としては、レーザ素子３が波長１０６４ｎｍの赤外光Ｌ１を出射し、波長変換素子２０が波長１０６４ｎｍの赤外光Ｌ１を波長５３２ｎｍの緑色のレーザ光Ｌ２に変換する。他の例としては、レーザ素子３が波長８６０ｎｍの赤外光Ｌ１を出射し、波長変換素子２０が波長８６０ｎｍの赤外光Ｌ１を波長４３０ｎｍの青色のレーザ光Ｌ２に変換する。上記の様に、光デバイス１は、波長５３２ｎｍの緑色のレーザ光又は波長４３０ｎｍの青色のレーザ光を出射することができるので、３色レーザ光を光源とする小型カラープロジェクタなどの光源装置として利用することが出来る。
【００２９】
図２は、光デバイス１の分解斜視図である。
【００３０】
図２において、第１のシリコン基板１０は、図示しないが、その内部に回路素子や配線等を有する集積回路を構成することが出来る。また、第１のシリコン基板１０の表面には、レーザ素子３と波長変換素子２０を搭載するための接合部４０及び４１を有している。接合部４０及び４１は、金属材料から成るマイクロバンプ構造を有しているが、詳細な構造は後述する。
【００３１】
レーザ素子３は、赤外光などを出射する半導体レーザであり、接合部４０を介して第１のシリコン基板１０の表面に搭載される。
【００３２】
波長変換素子２０の第２のシリコン基板２１は、導波路基板３０と幅及び長さが略等しい長板形状のシリコンによってから構成される基板であり、接着層２３（図３参照）を介して、導波路基板３０と接合される。
【００３３】
導波路基板３０は、強誘電体単結晶材料であるＬＮ（ニオブ酸リチウム：ＬｉＮｂＯ３）を主成分としてＭｇＯを添加した薄い長板形状であり、略中心の長手方向に沿って光導波路３１が形成されている。導光路基板３０は、第２のシリコン基板２１に接合されて、波長変換素子２０となり、波長変換素子２０は、前述の接合部４１を介して第１のシリコン基板１０の表面に搭載される。
【００３４】
図２に示す様に、波長変換素子２０は、導光路基板３０が第１のシリコン基板１０に向かい合う状態で第１のシリコン基板１０に搭載される。これにより、導光路基板３０は、第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２１に挟まれた状態となる。
【００３５】
図３は、図１に示す光デバイス１のＡＡ´断面図である。
【００３６】
波長変換素子２０はリッジ型構造を有しており、前述したように第２のシリコン基板２１と導波路基板３０とが貼り合わされて構成されている。第２のシリコン基板２１の図面上の下面側には、透明電極２２が形成され、導波路基板３０の第２のシリコン基板２１に対向する面には、絶縁層３２が形成されている。第２のシリコン基板２１の透明電極２２と導波路基板３０の絶縁層３２とが、接着層２３によって接合されることによって、波長変換素子２０は一体化されている。
【００３７】
導波路基板３０の図面上の下部には、導波路基板３０の長手方向に沿って二つの溝３３ａ及び３３ｂが形成され、溝３３ａ及び３３ｂの間の凸部３３ｃに光導波路３１が形成されている。この様に、光導波路３１は、波長変換素子２０の下部の略中心において、長手方向に沿って、第１のシリコン基板１０と向き合う面に形成される。導波路基板３０は、前述したように、レーザ素子３（図１参照）からの赤外光Ｌ１が光導波路３１に入射されと、高調波に変換して出射する機能を備えている。
【００３８】
導波路基板３０の図面上の下面左右の平面部３４ａ及び３４ｂには、Ａｕ膜３５ａ及び３５ｂが形成されている。Ａｕ膜３５ａ及び３５ｂは、波長変換素子２０の下面側に形成される。
【００３９】
第１のシリコン基板１０の図面上の上面であって、波長変換素子２０のＡｕ膜３５ａ及び３５ｂに対向する位置に、接合部４１が形成されている。接合部４１は、前述したように、マイクロバンプ構造を有し、導電性と熱伝導性に優れた金属材料であるＡｕ（金）から構成されている。
【００４０】
第１のシリコン基板１０上の接合部４１と、波長変換素子２０の下面のＡｕ膜３５ａ及び３５ｂを位置合わせして加圧すると、第１のシリコン基板１０及び波長変換素子２０は表面活性化接合する。このように、波長変換素子２０は光導波路３１が第１のシリコン基板１０に向き合う状態（フェイスダウン）で、すなわち、波長変換素子２０は光導波路３１が第１のシリコン基板１０に近接した状態で、第１のシリコン基板１０に搭載される。接合部４１は、導電性と熱伝導性に優れたＡｕから構成されているので、波長変換素子２０と第１のシリコン基板１０とは、機械的、電気的、及び熱的に確実に結合される。
【００４１】
波長変換素子２０と第１のシリコン基板１０との間には、溝３３ａ及び３３ｂによって空気層３６が存在しており、波長変換素子２０の下部に位置する光導波路３１は、第１のシリコン基板１０と接することがない。また、光導波路３１の周辺の左右及び下面の三面は、空気層３６によって覆われている。この構成により、更に空気層３６と光導波路３１との屈折率差を利用して、光導波路３１に光を閉じこめることが出来る。
【００４２】
空気層３６の形成には、溝３３ａ及び３３ｂだけなく、接合部４１のマイクロバンプ構造も寄与している。波長変換素子２０と第１のシリコン基板１０とは、接合部４１のマイクロバンプ構造によって接合される。マイクロバンプ構造は所定の厚みを有しているために、波長変換素子２０は、第１のシリコン基板１０に対してマイクロバンプの厚み分だけ距離を置いて接合されている。従って、所定の厚みを有する接合部４１のマイクロバンプ構造は、波長変換素子２０と第１のシリコン基板１０とを接合すると共に、光導波路３１の周囲に空気層３６を形成する機能をも備えている。
【００４３】
図４は、波長変換素子の製造方法を説明するための工程図である。
【００４４】
以下、波長変換素子の製造方法の一例を図４の工程図を用いて説明する。工程Ｓ１において、厚さ約０．５ｍｍの強誘電体単結晶基板３０´を準備する。強誘電体単結晶基板３０´は、ＭｇＯをドープしたＬＮを利用することができるが、他に、ＭｇＯをドープしたＬＴ（タンタル酸リチウム）やＫＴＰ結晶を用いることもできる。
【００４５】
次に、工程Ｓ２において、強誘電体単結晶基板３０´の表面に絶縁膜３２を形成する。絶縁膜３２は、ＳｉＯ2を膜厚が０．５μｍとなるように蒸着したものである。しかしながら、ＳｉＯ２の膜厚は、０．１〜１．０μｍの範囲が好ましい。
【００４６】
工程Ｓ３において、厚さ約１ｍｍの第２のシリコン基板２１を準備する。第２のシリコン基板２１の厚さは、３０μｍ〜１．０ｍｍの範囲が好ましい。また、第１のシリコン基板１０の厚さは、６２５μｍである。第１のシリコン基板１０の厚さは、１００μｍ〜７００μｍの範囲が好ましい。
【００４７】
次に、工程Ｓ４において、第２のシリコン基板２１の表面に透明電極２２を形成する。透明電極２２は、ＩｎＴｉＯを膜厚が０．０５μｍとなるように蒸着したものである。なお、透明電極２２は、ＩｎＴｉＯ、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ、ＧＺＯ等を用いて形成することができるが、透明性、導電性に優れたＩＴＯ及びＩｎＴｉＯが好ましい。また、透明電極２２の膜厚は、０．０２〜１．０μｍの範囲が好ましい。さらに、透明電極２２は、蒸着以外にも、イオンプレーティングまたはスパッタ法で成膜することができる。
ＩｎＴｉＯ膜は、酸化インジウムにＴｉを添加した膜である。特に、１．２μｍより長波長側の近赤外光、例えば１．２６μｍを波長変換し可視光０．６３μｍに変換するＳＨＧ型の波長変換素子に適用する場合は、ＩＴＯ膜を用いることも可能であるが、ＩｎＴｉＯ膜を用いる方がより好ましい。ＩｎＴｉＯ膜は、ＩＴＯ膜と同程度の導電性を保ったまま長波長領域で、ＩＴＯ膜よりさらに高透過率、且つ、低吸収率であるからである。
【００４８】
次に、工程Ｓ５において、強誘電体単結晶基板３０´の絶縁膜３２と第２のシリコン基板２１の透明電極２２とを対向させ、接着層２３を介して接着する。接着層２３は、ポリイミド系の接着剤であって、膜厚を０．５μｍとしたものである。なお、接着層２３の膜厚は、０．２〜１．０μｍが好ましい。また、接着層２３としては、絶縁膜３２の表面及び第２のシリコン基板２１の透明電極２２の表面をプラズマ処理により活性化させた表面活性化結合処理を利用することも可能である。工程Ｓ５が、第２の光素子を形成する貼合わせ工程である。なお、工程Ｓ４の説明では、第２のシリコン基板２１の表面に透明電極２２を形成する方法について述べた。しかしながら、透明電極２２を形成せずに、第２のシリコン基板２１をリンやボロンをヘビードープした低抵抗のシリコン基板を用いて、透明電極２２の代わりにシリコン基板そのものを対向印加電極３９の基板側電極として用いても良い。
【００４９】
次に、工程Ｓ６において、第２のシリコン基板２１を研磨用基板（図示せず）に接着し、強誘電体単結晶基板３０´を研削、研磨して薄板化する。この工程Ｓ６によって、当初約０．５ｍｍの厚さであった強誘電体単結晶基板３０´の膜厚を、３μｍとする。なお、強誘電体単結晶基板３０´の膜厚は、２．５μｍ〜５．０μｍが好ましいが、厚さは用途によって適宜決定される。薄板化された強誘電体単結晶基板３０´が、導波路基板３０として利用される。この様に、導光路基板３０は、研削、研磨によって、極めて薄い基板に加工される。第２のシリコン基板２１の厚さは、３０μｍ〜１．０ｍｍの範囲が好ましいので、導波路基板３０の厚さは、第２のシリコン基板２１の厚さの１／６〜１／４００の範囲が好ましい。
【００５０】
次に、工程Ｓ７において、薄板化した強誘電体単結晶基板３０´、すなわち、導波路基板３０の表面に、後述する分極反転用の櫛歯電極３７とするための薄膜３７´を形成する。薄膜３７´は、導波路基板３０の表面に一様にＴａ（タンタル）を膜厚０．１μｍで蒸着したものである。なお、薄膜３７´の膜厚は、０．０１〜２．０μｍが好ましい。
【００５１】
次に、工程Ｓ８において、形成した薄膜３７´の表面にマスク用の膜を形成し、所望の分極反転用の櫛歯電極が形成できるようマスクを形成してエッチングする（櫛歯電極形成工程）。
【００５２】
図５は、櫛歯電極形成工程Ｓ８によって形成された櫛歯電極３７を示す拡大平面図であり、図５（ａ）は櫛歯電極のパターンの一例を示し、図５（ｂ）は分極後の分極領域の一例を示している。
【００５３】
図５（ａ）において、櫛歯電極３７は、櫛歯電極本体部３７ａと、この櫛歯電極本体部３７ａにつながる複数の櫛歯電極枝部３７ｂを有している。櫛歯電極枝部３７ｂのそれどれの幅、長さ、及びピッチ等の寸法は、分極反転及び所望の位相整合条件により適宜決定される。
【００５４】
図５（ｂ）は、分極によって形成される分極反転領域３８を示している。分極反転領域３８の幅Ｘ１は、櫛歯枝部電極３７ｂの幅より広くなるが、分極反転領域３８の幅Ｘ１と分極反転領域間幅Ｘ２が、図示するように略同一になるように分極反転の条件出しをすると良い。
【００５５】
次に、工程Ｓ９において、導波路基板３０に形成した櫛歯電極３７に、所定の電圧を印加して分極反転を実施する（周期分極反転処理工程）。
【００５６】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、周期分極反転処理工程Ｓ９において、波長変換素子２０の導波路基板３０に、分極反転するための電圧印加を行う構成を示した図である。
【００５７】
図６（ａ）に示す方法では、対向印加電極３９と透明電極２２に直流電圧電源６０（出力電圧２５０〜６００Ｖ）のマイナス側が接続され、櫛歯電極３７にプラス側が接続されている。さらに、パルス電圧電源６１（出力電圧１００〜５００Ｖ）からのパルス電圧が対向印加電極３９及び櫛歯電極３７に印加されている。なお、対向印加電極３９は、前述の工程Ｓ７及びＳ８において、櫛歯電極３７と同時に、導波路基板３０上に形成されるものとする。また、パルス電圧のパルス幅は、サブミリ秒から数十ミリ秒の範囲で、適宜選択することができる。
【００５８】
図６（ｂ）に示す方法では、対向印加電極３９に直流電圧電源６０（出力電圧２５０〜６００Ｖ）のマイナス側が接続され、櫛歯電極３７にプラス側が接続されている。さらに、パルス電圧電源６１（出力電圧１００〜５００Ｖ）からのパルス電圧が対向印加電極３９及び櫛歯電極３７に印加されている。透明電極２２には電圧は印加されていない。このように、図６（ａ）または図６（ｂ）の構成で電圧を印加することによって、周期分極反転構造（図５（ｂ）参照）を得ることができる。
【００５９】
次に、工程Ｓ１０において、前述した印加用の櫛歯電極３７と対向印加電極３９の除去を行う（電極除去工程）。
【００６０】
次に、工程Ｓ１１において、導波路基板３０の表面に２本の溝をドライエッチングによりで形成する（リッジ形成工程）。なお、導波路基板３０の表面に形成される２本の溝は、レーザ加工によって形成することもできる。
【００６１】
図７は、溝を形成して完成した波長変換素子２０の斜視図である。
【００６２】
図７において、波長変換素子２０の導波路基板３０側の表面に、長手方向に沿って所定の間隔で、２本の溝３３ａ及び３３ｂが形成される。２本の溝３３ａ及び３３ｂが形成されることによって、溝３３ａ及び３３ｂの間に凸部３３ｃが形成され、この凸部３３ｃの領域が、前述した光導波路３１となる。また、導波路基板３０と第２のシリコン基板２１の間には、前述したように、図面上の上部から見て、絶縁膜３２、接着層２３、透明電極２２が形成されている。図７では、導光路基板３０が、第２のシリコン基板２１の上側に位置しているが、実際には図３に示すように、波長変換素子２０の導波路基板３０は第１のシリコン基板１０に向かい合って接合される。したがって。図７で示す波長変換素子２０は、上下を反転（フェイスダウン）して第１のシリコン基板１０に接合されることになる。
【００６３】
次に、工程Ｓ１２において、波長変換素子が複数個取りのチップである場合、外側の櫛歯電極本体部（図示せず）を切断して除去し、レーザ素子３からの赤外光Ｌ１（図１参照）が入射する端面と出射する端面を研磨する（端面研磨工程）。
【００６４】
次に、工程Ｓ１３において、波長変換素子が複数個取りのチップである場合、単個の波長変換素子２０に分割して波長変換素子２０を完成する（単個分割工程）。以上の工程によって、第２のシリコン基板２１と薄板化された導波路基板３０とを貼り合わせた波長変換素子２０を完成することが出来る。なお、波長変換素子を単品で形成する場合、工程Ｓ１２及び工程Ｓ１３は不要である。
【００６５】
図８は、光デバイス１の接合部形成工程の一例を示す工程図である。なお、図８の各図は、図２で示した第１のシリコン基板１０を長手方向に切断した断面図として示されている。
【００６６】
図８（ａ）の工程において、ＣＭＯＳ−ＬＳＩの形成工程を経て平坦化された第１のシリコン基板１０の表面に、金属材料である金のＡｕ膜１３を形成する（Ａｕ膜形成工程）。
【００６７】
次に、図８（ｂ）の工程において、レーザ素子３を搭載するレーザ素子搭載領域１１と波長変換素子２０を搭載する波長変換素子搭載領域１２に、Ａｕ膜１３を電極として残すためのレジスト膜１４を形成する。すなわち、レーザ素子搭載領域１１及び波長変換素子搭載領域１２が、接合部４０及び４１となる。
【００６８】
次に、図８（ｃ）の工程において、エッチングをおこない、レジスト膜１４で覆われていない領域のＡｕ膜１３を除去し、電極を形成する。これにより、レーザ素子搭載領域１１及び波長変換素子搭載領域１２にＡｕ膜１３が電極として形成される。
【００６９】
次に、図８（ｄ）の工程において、レジスト膜１４を除去した後に、レーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１２に形成されたＡｕ膜１３の電極の表面に、マイクロバンプ用のレジスト膜１５を形成する。このレジスト膜１５は、たとえば、平面で見て小さな略円形のドットが多数並んだパターンを有している。
【００７０】
次に、図８（ｅ）の工程において、ハーフエッチングをおこない、レジスト膜１５のドットパターンの隙間のＡｕ膜１３に、所定の深さの溝１３ａを形成する。
【００７１】
次に、図８（ｆ）の工程において、レジスト膜１５を除去する。これにより、レーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１２のＡｕ膜１３の表面に、溝１３ａによるドット状に多数並んだマイクロバンプ４２が形成される。なお、各マイクロバンプ４２の隙間、すなわち、溝１３ａ（図８（ｅ）参照）の底にはＡｕ膜１３が残っており、これによって、各マイクロバンプ４２の下部がＡｕ膜１３でつながっているので、レーザ素子搭載領域１１全体が電極として導通可能な状態である。同様に、波長変換素子搭載領域１２の全体も、電極として導通可能な状態である。このようにマイクロバンプ４２が多数形成されたレーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１２が、接合部４０及び４１となる。
【００７２】
なお、第１のシリコン基板１０の表面に、マイクロバンプ４２以外の配線パターン等を形成する場合は、まず、図８（ｂ）の工程で形成したレジスト膜１４を、形成する配線パターンに合わせてパターン化する。次に、図８（ｃ）の工程で、レジスト膜１４をエッチングすることで、配線パターン等を形成することが出来る。以上説明した接合部形成工程によれば、第１のシリコン基板１０の表面に、金属材料から成るマイクロバンプ構造を有する接合部、及び、配線パターン等を一括して効率的に製造することが出来る。
【００７３】
図９は、接合部４０又は４１の一部を拡大した斜視図である。
【００７４】
接合部４０及び４１のマイクロバンプの構造を、図９を用いて説明する。マイクロバンプ４２はＡｕから構成される略円柱形状で、一例として直径８μｍ、高さ２μｍ程度で形成されている。各マイクロバンプ４２の隙間、すなわち、溝１３ａの底面は、前述したようにＡｕ膜１３が存在するので、各マイクロバンプ４２は、このＡｕ膜１３によって機械的電気的につながっており、一体化した電極として構成されている。なお、マイクロバンプは、Ｉｎ（インジウム）等の他の金属材料を用いて構成することもできる。
【００７５】
マイクロバンプ構造の接合部４０及び４１による部品搭載工程で用いる表面活性化接合技術の概略及び／又は原理を説明する。
【００７６】
表面活性化接合技術は、物質表面を覆っている酸化膜、塵（コンタミ）などの不活性層をプラズマ処理などで取り除いて活性化し、表面エネルギーの高い原子同士を接触させることで原子間の凝着力を利用して接合する技術である。しかしながら、フラットな接合面同士での接合では、ある程度の加熱（１００〜１５０℃）をした上であないと、表面活性化接合をすることが難しい場合がある。光デバイス１の製造工程では、接合温度をより低くすべく、接合面の片側、すなわち前述した第１のシリコン基板１０の接合部４０及び４１に塑性変形しやすいＡｕの材質からなるマイクロバンプ４２を形成することにより、常温での接合を可能としている。
【００７７】
実在表面（接合部４０及び４１等）上には、酸化膜、コンタミ等が存在している。このため、プラズマ洗浄又はイオンビームによるスパッタエッチングをおこない、接合部４０及び４１の表面を活性化させ、接合部４０及び４１の表面を、結合手を持った原子が露出している活性状態にする。これにより、接合の対象である、レーザ素子３や波長変換素子２０の電極を接合部４０及び４１に接触させるだけで原子間接合させることができる。
【００７８】
この表面活性化接合は、無加熱接合であるため、下記の利点を有する。
１．熱膨張係数差の残留応力による部品破壊が発生しない。
２．部品に対する熱ストレスがなく部品の機能劣化が生じない。
３．無加熱および固相接合であるため、実装時の位置ずれが生じない。
４．他部品への熱影響が生じない。
５．原子の直接接合であるため、接合層の経時劣化が生じない。
【００７９】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第１のシリコン基板にレーザ素子と波長変換素子とを搭載する搭載工程を説明するための側面図である。
【００８０】
図１０（ａ）に示す様に、第１のシリコン基板１０上には、接合部４０及び４１が形成され、これらの接合部４０及び４１には、前述した工程を経てマイクロバンプ４２が多数形成されている。接合の前に、第１のシリコン基板１０の接合部４０及び４１と、レーザ素子３及び波長変換素子２０の接合面の電極とは、アルゴンプラズマにより洗浄され、それぞれの表面を活性化させる。なお、レーザ素子３の下面の接合面には、電極としてＡｕ膜３ａが形成されている。また、波長変換素子２０の下面の接合面には、同様にＡｕ膜３５ａ及び３５ｂ（図３参照）が形成されている。
【００８１】
次に、図１０（ｂ）に示す様に、第１のシリコン基板１０の接合部４０にはレーザ素子３のＡｕ膜３ａを向かい合わせて位置させ、接合部４１には波長変換素子２０下面のＡｕ膜３５ａ及び３５ｂを向かい合わせて位置させる。次に、第１のシリコン基板１０の接合部４０とレーザ素子３のＡｕ膜３ａとを接触させ、接合部４１と波長変換素子２０下面のＡｕ膜３５ａ及び３５ｂとを接触させて、所定の荷重Ｋで加圧する。これによって、第１のシリコン基板１０の接合部４０とレーザ素子３のＡｕ膜３ａ、及び接合部４１と波長変換素子２０下面のＡｕ膜３５ａ及び３５ｂが常温状態で接合し、シリコン基板１０に対してレーザ素子３及び波長変換素子２０の部品実装が完了する。このとき、レーザ素子３と波長変換素子２０が確実に光学的結合するように、精密な位置合わせを行うことが重要である。
【００８２】
この様に、前述した表面活性化接合技術の多くの利点を備えた光デバイス１を製造することが出来る。以上の工程が、第１の光素子に対応するレーザ素子３を第１のシリコン基板１０に搭載する第１の光素子搭載工程と、第２の光素子に対応する波長変換素子２０を第１のシリコン基板１０に搭載する第２の光素子搭載工程である。
【００８３】
光デバイス１の温度変化に対する特性改善について説明する。図１０（ｂ）に示す様に、光デバイス１の波長変換素子２０は、第２のシリコン基板２１と導波路基板３０が貼り合わされて構成されており、波長変換素子２０は、導波路基板３０が第１のシリコン１０に向かい合う状態で第１のシリコン１０に搭載されている。この構造によって、導波路基板３０は、第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２１とで挟まれた構成を備えている。
【００８４】
導波路基板３０は、前述したように、ＭｇＯを添加したＬＮから構成されており、光が進行する長手方向の熱膨張係数は、第１のシリコン基板１０及び第２のシリコン基板２１の熱膨張係数と大きく異なっている。すなわち、ＭｇＯを添加したＬＮから構成される導波路基板３０の熱膨張係数は、第１及び第２のシリコン基板１０、２１の熱膨張係数より大きい。
【００８５】
前述したように、導波路基板３０は、第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２１とで挟まれた構成を有しており、相互の熱膨張係数は異なっている。したがって、周囲の温度が変化すると、導波路基板３０の長さの変化は、第１及び第２のシリコン基板１０及び２１の長さの変化より大きくなってしまう。しかしながら、導波路基板３０の厚みは極めて薄い（２．５〜５．０μｍ）ので、導波路基板３０の長さの変化は、第１及び第２のシリコン基板１０及び２１によって抑えられ、応力Ｂ及びＢ´（図１２参照）の発生が抑制されて、波長変換素子２０の変形を小さくすることができる。
【００８６】
この結果、波長変換素子２０に加わるストレスが減少し、変形、歪み等の発生を小さくすることができるので、レーザ素子３と波長変換素子２０との位置ずれを防止することが可能となる。同様に、波長変換素子２０から出射されるレーザ光を受ける光ファイバ（図示せず）と波長変換素子２０との位置ずれをも防止することが可能となる。すなわち、光デバイス１が有している構成によって、部品間の光学的結合のずれの発生、及び、変換波長の変化等の問題を解消することが出来る。
【００８７】
発明者は、上述した光デバイス１における波長変換素子２０と、比較用の光デバイスにおける波長変換素子とが、周囲温度の変化によって発生する応力によって、どれほど変形するかについて、定常熱解析の簡易シミュレーションを実施した。この結果、光デバイス１における波長変換素子２０は、比較用の光デバイスにおける波長変換素子に対して、温度変化による変形量が約１／４に改善されるとの結果を得た。
【００８８】
シミュレーションにおける比較用の光デバイスにおける波長変換素子は、図１２に示したＬＮを主成分とする波長変換素子を利用し、シリコン基板にはボンド結合した。また、光デバイス１における波長変換素子２０のサイズと、比較用の光デバイスにおける波長変換素子のサイズは同じとした。また、光デバイス１及び比較用の光デバイスにおけるシリコン基板の構成及びサイズは全て同じであって、変形量の計測に際しては、それぞれのシリコン基板の端面を完全に固定した。
【００８９】
以上のように、光デバイス１及び光デバイス１の製造方法によれば、導波路基板３０が第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２１とで挟まれた構成を有するため、周囲温度が変化しても、波長変換素子２０の変形が抑えられ、位置ずれや光導波路の特性の変化を抑えることが可能となる。これにより、周囲の温度変化の影響を受けにくい高性能で信頼性に優れた光デバイスを提供することが出来る。
【００９０】
図１１は、他の光デバイス５０を示す概略斜視図である。
【００９１】
図１１に示す様に、光デバイス５０は、１枚のシリコン基板５１の表面に、複数のレーザ素子５２ａ〜５２ｃ、複数の波長変換素子５３ａ〜５３ｃ、及びドライバＩＣ５４を実装し搭載している。なお、個々のレーザ素子と波長変換素子の構成は、光デバイス１と同様である。
【００９２】
レーザ素子５２ａ〜５２ｃと波長変換素子５３ａ〜５３ｃは、光デバイス１と同様にマイクロバンプ構造の接合部を介してシリコン基板５１の表面に搭載されている。ドライバＩＣ５４も、マイクロバンプ構造によってシリコン基板５１の表面に搭載されているが、他の実装方式によって搭載されても良い。
【００９３】
複数のレーザ素子５２ａ〜５２ｃは、ＧａＡｓ，ＧａＮ等の材質からなり、光の３原色Ｒ、Ｇ、Ｂに対応して３種類の波長を出射する。複数の波長変換素子５３ａ〜５３ｃは、Ｒ、Ｇ、Ｂの系統にそれぞれ配置されて、レーザ素子５２ａ〜５２ｃのそれぞれと光学的に結合し、Ｒ、Ｇ、Ｂのレーザ光に変換する。波長変換素子５３ａ〜５３ｃの出射口からは、Ｒ、Ｇ、Ｂのレーザ光が出射されるが、これらのレーザ光を受ける光ファイバ等の図示は省略している。なお、Ｒの系統だけは波長変換素子を配置せず、レーザ素子のＲ成分の光を直接出射する構成としてもよい。
【００９４】
ドライバＩＣ５４は、レーザ素子５２ａ〜５２ｃを駆動する機構を含んでいるが、少なくとも、ＣＰＵやメモリ等のコア部分を含んでいることが好ましい。なお、シリコン基板５１の内部に、ＣＰＵやメモリ等のコア部分を含んでも良い。また、シリコン基板５１の下面には、放熱用のヒートシンク（不図示）が設けられている。
【００９５】
以上のように、光デバイス５０は、シリコン基板５１上に複数の光素子を効率よく集積化した小型の光デバイスであるので、フルカラー表示の携帯型レーザ・プロジェクタなどに好適である。また、光デバイス５０は、基本的な構成が光デバイス１と同様であるので、前述した光デバイス１と同様な効果を合わせ持っている。
【００９６】
前述した光デバイス１及び光デバイス５０では、第２の光素子の一例である波長変換素子を第１のシリコン基板に接合する接合部として金属材料であるＡｕ（金）からなるマイクロバンプを用いる例を示した。しかしながら、これに限定されるものではなく、第２の光素子の一例である波長変換素子を第１のシリコン基板に接合する接合部として、例えば接着材による接着層を用いても良い。接着材を用いる構成であっても、第２の光素子の導波路基板が第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とで挟まれた構成を有することにより、周囲温度が変化しても、波長変換素子２０の変形が抑えられ、位置ずれや光導波路の特性の変化を抑えることが可能となる。これにより、周囲の温度変化の影響を受けにくい高性能で信頼性に優れた光デバイスを提供することが出来る。
【００９７】
なお、光デバイス１及び光デバイス５０では、リッジ型構造の波長変換素子を例として示したが、波長変換素子は、リッジ型に限定されるものではなく、たとえば、プロトン交換法による波長変換素子や埋め込み型の波長変換素子を用いることもできる。また、第２の光素子は波長変換素子に限定されず、他の機能を備えた光素子であっても良い。
【００９８】
光デバイス１及び光デバイス５０は、青色、緑色などの短波長レーザ光源として、レーザ・プロジェクタやレーザ光による照明装置、光ピンセットなどの様々な分野で幅広く利用することが出来る。
【符号の説明】
【００９９】
１、５０ 光デバイス
３、５２ａ〜５２ｃ レーザ素子
１０、５１ 第１のシリコン基板
１１ レーザ素子搭載領域
１２ 波長変換素子搭載領域
１４、１５ レジスト膜
２０、５３ａ〜５３ｃ 波長変換素子
２１ 第２のシリコン基板
２２ 透明電極
２３ 接着層
３０ 導波路基板
３１ 光導波路
３２ 絶縁膜
１３ａ、３３ａ、３３ｂ 溝
３３ｃ 凸部
３４ａ、３４ｂ 平面部
３ａ、１３、３５ａ、３５ｂ Ａｕ膜
３６ 空気層
３７ 櫛歯電極
３７ａ 櫛歯電極本体部
３７ｂ 櫛歯電極枝部
３８ 分極反転領域
３９ 対向印加電極
４０、４１ 接合部
４２ マイクロバンプ
５４ ドライバＩＣ
Ｌ１ 赤外光
Ｌ２ レーザ光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路が形成された光素子が基板に接合された光デバイス及び光デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
短波長レーザ光源は、レーザ・プロジェクタや高密度光記憶装置などの分野で、幅広く製品化が進められている。短波長レーザ光源は、光デバイスとしてのレーザ素子が発振する基本波の赤外光を二次高調波に変換する波長変換素子によって、青色または緑色などのレーザ光を出力するものである。ここで用いられる波長変換素子は、ＬＮ（ニオブ酸リチウム：ＬｉＮｂＯ３）ＬＴ（タンタル酸リチウム：ＬｉＴａＯ３）などの結晶材料が使われている。
【０００３】
ＬＮからなるベース基板に、ＭｇＯ添加のＬＮ基板を貼り合わせ、貼り合わせ後にＭｇＯ添加のＬＮ基板を研磨する波長変換素子の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、ＬＮからなるベース基板とＭｇＯ添加のＬＮ基板とは、熱膨張係数が略一致しているため、熱膨張係数差に起因する基板剥離や伝送損失の増加が抑制されることが示されている。
【０００４】
また、前述の波長変換素子を、レーザ素子とともにシリコン基板上に実装したレーザ光源が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
図１２は、特許文献２で開示された短波長レーザ光源の一例を示す図である。図１２において、１０１はシリコン基板、１１０は半導体レーザ、１２０はＬＮからなる波長変換素子である。半導体レーザ１１０の活性層１１１から基本波のレーザ光１１２が出力し、波長変換素子１２０の光導波路１２１に入射して、二次高調波である青色レーザ光１３０が出力される。シリコン基板１０１が波長変換素子１２０と接する面の一部には、溝１０２が形成されている。波長変換素子１２０の下部、すなわち、光導波路１２１の近傍には、Ｔｉ膜による薄膜ヒータ１２２が形成されている。特許文献２には、薄膜ヒータ１２２に通電することで、波長変換素子１２０の温度を所定の温度に保てることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１８３３１６号公報（１３−１５頁、図６−７）
【特許文献２】特開平６−３３８６５０号公報（５頁、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の波長変換素子を、特許文献２に記載のようにシリコン基板上に実装した場合、波長変換素子の変換波長が変化すると言う問題があった。ＬＮからなるベース基板及びＭｇＯ添加のＬＮ基板で構成される波長変換素子と、シリコン基板とでは熱膨張係数が大きく異なる。このため、周囲の温度変化によって波長変換素子とシリコン基板との長さが変化して、波長変換素子にストレスが加わり、波長変換素子の変形、歪み、及び位置ずれ等が発生する。
【０００８】
ＬＮを主成分とする波長変換素子は、熱膨張係数が大きいので温度が上昇すると長手方向の長さが伸びる。しかし、シリコン基板は熱膨張係数が小さいので、温度が上昇しても長手方向の長さの伸びは少ない。この結果、温度が上昇すると、レーザ光源には、図１２の矢印Ｂに示すような応力が発生して、波長変換素子１２０側が膨らむような変形が生じる。また、温度が低下すると、波長変換素子は長手方向の長さが短くなるので、レーザ光源は、図１２の矢印Ｂ´に示すような反対方向の応力が発生して、波長変換素子１２０側が縮むような変形が生じる。このような変形によって、波長変換素子１２０と半導体レーザ１１０との光学的結合にずれが生じ、波長変換素子の変換波長の変化等が発生する。
【０００９】
本発明は、上記の問題を解決するための光デバイス及び光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、光素子の位置ずれ及び光素子の光導波路の特性変化を抑えることを可能とした光デバイス及び光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、光素子の位置ずれ及び光素子の光導波路の特性変化を抑えつつ、シリコン基板上に複数の光素子を集積化することを可能にする光デバイス及び光デバイスの製造方法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】
【００１０】
光学デバイスは、第１の光素子と、第１の光素子と光学的に結合する第２の光素子と、第１の光素子及び第２の光素子が搭載された第１のシリコン基板とを有し、第２の光素子は第２のシリコン基板及び第２のシリコン基板と貼り合わされた導波路基板を含み、第２の光素子は導波路基板が第１のシリコン基板に向かい合う状態で第１のシリコン基板上に搭載されていることを特徴とする。
【００１１】
光デバイスは、第１のシリコン基板上に設けられた金属材料からなる接合部を更に有し、第２の光素子は接合部に表面活性化接合技術により接合されることが好ましい。
【００１２】
光デバイスでは、接合部は、マイクロバンプ構造を有することが好ましい。
【００１３】
光デバイスでは、金属材料はＡｕであることが好ましい。
【００１４】
光デバイスでは、第１の光素子はレーザ素子であり、第２の光素子は波長変換素子であることが好ましい。
【００１５】
第１の光素子と、前記第１の光素子と光学的に結合する第２の光素子とが、第１のシリコン基板に搭載された光デバイスの製造方法は、第２のシリコン基板と導波路基板とを貼り合せることによって前記第２の光素子を形成し、第１の光素子を第１のシリコン基板に搭載し、第２の光素子を導波路基板が第１のシリコン基板に向かい合う状態で第１のシリコン基板に搭載することを特徴とする。
【００１６】
光デバイスの製造方法は、第１のシリコン基板上に金属材料からなる接合部を形成することを更に有し、第２の光素子を搭載する際に、第２の光素子を接合部に表面活性化接合技術によって接合することが好ましい。
【００１７】
光デバイスの製造方法では、接合部は、マイクロバンプ構造であることが好ましい。
【００１８】
光デバイスの製造方法では、金属材料はＡｕであることが好ましい。
【００１９】
光デバイスの製造方法では、第１の光素子はレーザ素子であり、第２の光素子は波長変換素子であることが好ましい。
【００２０】
光デバイス及び光デバイスの製造方法によれば、第２の光素子に対応する導波路基板が第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とで挟まれた構成を有している。そのような構成により、周囲の温度変化によって、第２の光素子の変形度合いと、第１及び第２のシリコン基板の変形度合いとが異なっても、第２の光素子に対応する導波路部分の変形が抑えられる。したがって、第２の光素子の位置ずれ、第２の光素子の光導波路の特性の変化を抑えることが可能となり、周囲の温度変化の影響を受けにくい高性能で信頼性に優れた光デバイスを提供することが出来る。
【００２１】
また、第１のシリコン基板は、Ａｕによるマイクロバンプ構造の接合部を備えており、第１のシリコン基板と第１の光素子及び第２の光素子とは表面活性化接合技術によって接合される。したがって、光デバイス及び光デバイスの製造方法によれば、接合のために加熱する必要がなく、熱膨張係数差の残留応力による部品破壊が発生せず、熱ストレスがなく部品の機能劣化が発生せず、実装時の位置ずれが発生しない。
【００２２】
さらに、第１のシリコン基板の表面に、マイクロバンプ構造を有する接合部、及び、配線パターン等を一括して効率的に形成できるので、シリコン基板上に複数の光素子を効率よく集積化した光デバイスを容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】光デバイス１の構成を示す概略斜視図である；
【図２】図１に示す光デバイス１の分解斜視図である；
【図３】図１に示す光デバイス１のＡＡ´断面図である。
【図４】図１に示す光デバイス１の製造工程を説明するための図である。
【図５】（ａ）は櫛歯電極のパターンの一例を示し、（ｂ）は分極後の分極領域の一例を示す図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、周期分極反転処理工程Ｓ９において、波長変換素子２０の導波路基板３０に、分極反転するための電圧印加を行う構成を示した図である。
【図７】溝を形成して完成した波長変換素子２０の斜視図である。
【図８】（ａ）〜（ｆ）は、光デバイス１の接合部形成工程の一例を示す工程図である。
【図９】接合部４０又は４１の一部を拡大した斜視図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、第１のシリコン基板にレーザ素子と波長変換素子とを搭載する搭載工程を説明するための側面図である。
【図１１】他の光デバイス５０を示す概略斜視図である。
【図１２】特許文献２で開示された短波長レーザ光源の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下図面を参照し、入射光を二次高調波に変換する波長変換素子を搭載した光デバイスを例として、光デバイス及び光デバイスの製造方法について説明する。しかしながら、本発明が、図面又は以下に記載される実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。
【００２５】
図１は、光デバイス１の構成を示す概略斜視図である。
【００２６】
光デバイス１は、板状の第１のシリコン基板１０、第１のシリコン基板１０上に搭載された第１の光素子としてのレーザ素子３、及びレーザ素子３と光学的に結合する第１のシリコン基板１０上に搭載された第２の光素子としての波長変換素子２０から構成される。波長変換素子２０は、第２のシリコン基板２１と、所定の層を介して貼り合わされた導波路基板３０とを有している。なお、波長変換素子２０の詳細な構造は後述する。
【００２７】
以下、光デバイス１の動作の概要を説明する。
図１において、レーザ素子３は第１のシリコン基板１０から図示しない手段によって駆動電圧の供給を受けると、基本波である赤外光Ｌ１を出射する。波長変換素子２０の導光路基板３０は、内部の光導波路３１（図２参照）に赤外光Ｌ１が入射されると、光導波路で高調波に変換して、緑色光又は青色光のレーザ光Ｌ２を導波路基板３０の反対側の出射口から出射する。導光路基板３０から出射されたレーザ光Ｌ２は、図示しない光ファイバ等によって外部の光学系に伝達されるが、外部の光学系の説明は省略する。
【００２８】
一例としては、レーザ素子３が波長１０６４ｎｍの赤外光Ｌ１を出射し、波長変換素子２０が波長１０６４ｎｍの赤外光Ｌ１を波長５３２ｎｍの緑色のレーザ光Ｌ２に変換する。他の例としては、レーザ素子３が波長８６０ｎｍの赤外光Ｌ１を出射し、波長変換素子２０が波長８６０ｎｍの赤外光Ｌ１を波長４３０ｎｍの青色のレーザ光Ｌ２に変換する。上記の様に、光デバイス１は、波長５３２ｎｍの緑色のレーザ光又は波長４３０ｎｍの青色のレーザ光を出射することができるので、３色レーザ光を光源とする小型カラープロジェクタなどの光源装置として利用することが出来る。
【００２９】
図２は、光デバイス１の分解斜視図である。
【００３０】
図２において、第１のシリコン基板１０は、図示しないが、その内部に回路素子や配線等を有する集積回路を構成することが出来る。また、第１のシリコン基板１０の表面には、レーザ素子３と波長変換素子２０を搭載するための接合部４０及び４１を有している。接合部４０及び４１は、金属材料から成るマイクロバンプ構造を有しているが、詳細な構造は後述する。
【００３１】
レーザ素子３は、赤外光などを出射する半導体レーザであり、接合部４０を介して第１のシリコン基板１０の表面に搭載される。
【００３２】
波長変換素子２０の第２のシリコン基板２１は、導波路基板３０と幅及び長さが略等しい長板形状のシリコンによってから構成される基板であり、接着層２３（図３参照）を介して、導波路基板３０と接合される。
【００３３】
導波路基板３０は、強誘電体単結晶材料であるＬＮ（ニオブ酸リチウム：ＬｉＮｂＯ３）を主成分としてＭｇＯを添加した薄い長板形状であり、略中心の長手方向に沿って光導波路３１が形成されている。導光路基板３０は、第２のシリコン基板２１に接合されて、波長変換素子２０となり、波長変換素子２０は、前述の接合部４１を介して第１のシリコン基板１０の表面に搭載される。
【００３４】
図２に示す様に、波長変換素子２０は、導光路基板３０が第１のシリコン基板１０に向かい合う状態で第１のシリコン基板１０に搭載される。これにより、導光路基板３０は、第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２１に挟まれた状態となる。
【００３５】
図３は、図１に示す光デバイス１のＡＡ´断面図である。
【００３６】
波長変換素子２０はリッジ型構造を有しており、前述したように第２のシリコン基板２１と導波路基板３０とが貼り合わされて構成されている。第２のシリコン基板２１の図面上の下面側には、透明電極２２が形成され、導波路基板３０の第２のシリコン基板２１に対向する面には、絶縁層３２が形成されている。第２のシリコン基板２１の透明電極２２と導波路基板３０の絶縁層３２とが、接着層２３によって接合されることによって、波長変換素子２０は一体化されている。
【００３７】
導波路基板３０の図面上の下部には、導波路基板３０の長手方向に沿って二つの溝３３ａ及び３３ｂが形成され、溝３３ａ及び３３ｂの間の凸部３３ｃに光導波路３１が形成されている。この様に、光導波路３１は、波長変換素子２０の下部の略中心において、長手方向に沿って、第１のシリコン基板１０と向き合う面に形成される。導波路基板３０は、前述したように、レーザ素子３（図１参照）からの赤外光Ｌ１が光導波路３１に入射されと、高調波に変換して出射する機能を備えている。
【００３８】
導波路基板３０の図面上の下面左右の平面部３４ａ及び３４ｂには、Ａｕ膜３５ａ及び３５ｂが形成されている。Ａｕ膜３５ａ及び３５ｂは、波長変換素子２０の下面側に形成される。
【００３９】
第１のシリコン基板１０の図面上の上面であって、波長変換素子２０のＡｕ膜３５ａ及び３５ｂに対向する位置に、接合部４１が形成されている。接合部４１は、前述したように、マイクロバンプ構造を有し、導電性と熱伝導性に優れた金属材料であるＡｕ（金）から構成されている。
【００４０】
第１のシリコン基板１０上の接合部４１と、波長変換素子２０の下面のＡｕ膜３５ａ及び３５ｂを位置合わせして加圧すると、第１のシリコン基板１０及び波長変換素子２０は表面活性化接合する。このように、波長変換素子２０は光導波路３１が第１のシリコン基板１０に向き合う状態（フェイスダウン）で、すなわち、波長変換素子２０は光導波路３１が第１のシリコン基板１０に近接した状態で、第１のシリコン基板１０に搭載される。接合部４１は、導電性と熱伝導性に優れたＡｕから構成されているので、波長変換素子２０と第１のシリコン基板１０とは、機械的、電気的、及び熱的に確実に結合される。
【００４１】
波長変換素子２０と第１のシリコン基板１０との間には、溝３３ａ及び３３ｂによって空気層３６が存在しており、波長変換素子２０の下部に位置する光導波路３１は、第１のシリコン基板１０と接することがない。また、光導波路３１の周辺の左右及び下面の三面は、空気層３６によって覆われている。この構成により、更に空気層３６と光導波路３１との屈折率差を利用して、光導波路３１に光を閉じこめることが出来る。
【００４２】
空気層３６の形成には、溝３３ａ及び３３ｂだけなく、接合部４１のマイクロバンプ構造も寄与している。波長変換素子２０と第１のシリコン基板１０とは、接合部４１のマイクロバンプ構造によって接合される。マイクロバンプ構造は所定の厚みを有しているために、波長変換素子２０は、第１のシリコン基板１０に対してマイクロバンプの厚み分だけ距離を置いて接合されている。従って、所定の厚みを有する接合部４１のマイクロバンプ構造は、波長変換素子２０と第１のシリコン基板１０とを接合すると共に、光導波路３１の周囲に空気層３６を形成する機能をも備えている。
【００４３】
図４は、波長変換素子の製造方法を説明するための工程図である。
【００４４】
以下、波長変換素子の製造方法の一例を図４の工程図を用いて説明する。工程Ｓ１において、厚さ約０．５ｍｍの強誘電体単結晶基板３０´を準備する。強誘電体単結晶基板３０´は、ＭｇＯをドープしたＬＮを利用することができるが、他に、ＭｇＯをドープしたＬＴ（タンタル酸リチウム）やＫＴＰ結晶を用いることもできる。
【００４５】
次に、工程Ｓ２において、強誘電体単結晶基板３０´の表面に絶縁膜３２を形成する。絶縁膜３２は、ＳｉＯ2を膜厚が０．５μｍとなるように蒸着したものである。しかしながら、ＳｉＯ２の膜厚は、０．１〜１．０μｍの範囲が好ましい。
【００４６】
工程Ｓ３において、厚さ約１ｍｍの第２のシリコン基板２１を準備する。第２のシリコン基板２１の厚さは、３０μｍ〜１．０ｍｍの範囲が好ましい。また、第１のシリコン基板１０の厚さは、６２５μｍである。第１のシリコン基板１０の厚さは、１００μｍ〜７００μｍの範囲が好ましい。
【００４７】
次に、工程Ｓ４において、第２のシリコン基板２１の表面に透明電極２２を形成する。透明電極２２は、ＩｎＴｉＯを膜厚が０．０５μｍとなるように蒸着したものである。なお、透明電極２２は、ＩｎＴｉＯ、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＡＺＯ、ＧＺＯ等を用いて形成することができるが、透明性、導電性に優れたＩＴＯ及びＩｎＴｉＯが好ましい。また、透明電極２２の膜厚は、０．０２〜１．０μｍの範囲が好ましい。さらに、透明電極２２は、蒸着以外にも、イオンプレーティングまたはスパッタ法で成膜することができる。
ＩｎＴｉＯ膜は、酸化インジウムにＴｉを添加した膜である。特に、１．２μｍより長波長側の近赤外光、例えば１．２６μｍを波長変換し可視光０．６３μｍに変換するＳＨＧ型の波長変換素子に適用する場合は、ＩＴＯ膜を用いることも可能であるが、ＩｎＴｉＯ膜を用いる方がより好ましい。ＩｎＴｉＯ膜は、ＩＴＯ膜と同程度の導電性を保ったまま長波長領域で、ＩＴＯ膜よりさらに高透過率、且つ、低吸収率であるからである。
【００４８】
次に、工程Ｓ５において、強誘電体単結晶基板３０´の絶縁膜３２と第２のシリコン基板２１の透明電極２２とを対向させ、接着層２３を介して接着する。接着層２３は、ポリイミド系の接着剤であって、膜厚を０．５μｍとしたものである。なお、接着層２３の膜厚は、０．２〜１．０μｍが好ましい。また、接着層２３としては、絶縁膜３２の表面及び第２のシリコン基板２１の透明電極２２の表面をプラズマ処理により活性化させた表面活性化結合処理を利用することも可能である。工程Ｓ５が、第２の光素子を形成する貼合わせ工程である。なお、工程Ｓ４の説明では、第２のシリコン基板２１の表面に透明電極２２を形成する方法について述べた。しかしながら、透明電極２２を形成せずに、第２のシリコン基板２１をリンやボロンをヘビードープした低抵抗のシリコン基板を用いて、透明電極２２の代わりにシリコン基板そのものを対向印加電極３９の基板側電極として用いても良い。
【００４９】
次に、工程Ｓ６において、第２のシリコン基板２１を研磨用基板（図示せず）に接着し、強誘電体単結晶基板３０´を研削、研磨して薄板化する。この工程Ｓ６によって、当初約０．５ｍｍの厚さであった強誘電体単結晶基板３０´の膜厚を、３μｍとする。なお、強誘電体単結晶基板３０´の膜厚は、２．５μｍ〜５．０μｍが好ましいが、厚さは用途によって適宜決定される。薄板化された強誘電体単結晶基板３０´が、導波路基板３０として利用される。この様に、導光路基板３０は、研削、研磨によって、極めて薄い基板に加工される。第２のシリコン基板２１の厚さは、３０μｍ〜１．０ｍｍの範囲が好ましいので、導波路基板３０の厚さは、第２のシリコン基板２１の厚さの１／６〜１／４００の範囲が好ましい。
【００５０】
次に、工程Ｓ７において、薄板化した強誘電体単結晶基板３０´、すなわち、導波路基板３０の表面に、後述する分極反転用の櫛歯電極３７とするための薄膜３７´を形成する。薄膜３７´は、導波路基板３０の表面に一様にＴａ（タンタル）を膜厚０．１μｍで蒸着したものである。なお、薄膜３７´の膜厚は、０．０１〜２．０μｍが好ましい。
【００５１】
次に、工程Ｓ８において、形成した薄膜３７´の表面にマスク用の膜を形成し、所望の分極反転用の櫛歯電極が形成できるようマスクを形成してエッチングする（櫛歯電極形成工程）。
【００５２】
図５は、櫛歯電極形成工程Ｓ８によって形成された櫛歯電極３７を示す拡大平面図であり、図５（ａ）は櫛歯電極のパターンの一例を示し、図５（ｂ）は分極後の分極領域の一例を示している。
【００５３】
図５（ａ）において、櫛歯電極３７は、櫛歯電極本体部３７ａと、この櫛歯電極本体部３７ａにつながる複数の櫛歯電極枝部３７ｂを有している。櫛歯電極枝部３７ｂのそれどれの幅、長さ、及びピッチ等の寸法は、分極反転及び所望の位相整合条件により適宜決定される。
【００５４】
図５（ｂ）は、分極によって形成される分極反転領域３８を示している。分極反転領域３８の幅Ｘ１は、櫛歯枝部電極３７ｂの幅より広くなるが、分極反転領域３８の幅Ｘ１と分極反転領域間幅Ｘ２が、図示するように略同一になるように分極反転の条件出しをすると良い。
【００５５】
次に、工程Ｓ９において、導波路基板３０に形成した櫛歯電極３７に、所定の電圧を印加して分極反転を実施する（周期分極反転処理工程）。
【００５６】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、周期分極反転処理工程Ｓ９において、波長変換素子２０の導波路基板３０に、分極反転するための電圧印加を行う構成を示した図である。
【００５７】
図６（ａ）に示す方法では、対向印加電極３９と透明電極２２に直流電圧電源６０（出力電圧２５０〜６００Ｖ）のマイナス側が接続され、櫛歯電極３７にプラス側が接続されている。さらに、パルス電圧電源６１（出力電圧１００〜５００Ｖ）からのパルス電圧が対向印加電極３９及び櫛歯電極３７に印加されている。なお、対向印加電極３９は、前述の工程Ｓ７及びＳ８において、櫛歯電極３７と同時に、導波路基板３０上に形成されるものとする。また、パルス電圧のパルス幅は、サブミリ秒から数十ミリ秒の範囲で、適宜選択することができる。
【００５８】
図６（ｂ）に示す方法では、対向印加電極３９に直流電圧電源６０（出力電圧２５０〜６００Ｖ）のマイナス側が接続され、櫛歯電極３７にプラス側が接続されている。さらに、パルス電圧電源６１（出力電圧１００〜５００Ｖ）からのパルス電圧が対向印加電極３９及び櫛歯電極３７に印加されている。透明電極２２には電圧は印加されていない。このように、図６（ａ）または図６（ｂ）の構成で電圧を印加することによって、周期分極反転構造（図５（ｂ）参照）を得ることができる。
【００５９】
次に、工程Ｓ１０において、前述した印加用の櫛歯電極３７と対向印加電極３９の除去を行う（電極除去工程）。
【００６０】
次に、工程Ｓ１１において、導波路基板３０の表面に２本の溝をドライエッチングによりで形成する（リッジ形成工程）。なお、導波路基板３０の表面に形成される２本の溝は、レーザ加工によって形成することもできる。
【００６１】
図７は、溝を形成して完成した波長変換素子２０の斜視図である。
【００６２】
図７において、波長変換素子２０の導波路基板３０側の表面に、長手方向に沿って所定の間隔で、２本の溝３３ａ及び３３ｂが形成される。２本の溝３３ａ及び３３ｂが形成されることによって、溝３３ａ及び３３ｂの間に凸部３３ｃが形成され、この凸部３３ｃの領域が、前述した光導波路３１となる。また、導波路基板３０と第２のシリコン基板２１の間には、前述したように、図面上の上部から見て、絶縁膜３２、接着層２３、透明電極２２が形成されている。図７では、導光路基板３０が、第２のシリコン基板２１の上側に位置しているが、実際には図３に示すように、波長変換素子２０の導波路基板３０は第１のシリコン基板１０に向かい合って接合される。したがって。図７で示す波長変換素子２０は、上下を反転（フェイスダウン）して第１のシリコン基板１０に接合されることになる。
【００６３】
次に、工程Ｓ１２において、波長変換素子が複数個取りのチップである場合、外側の櫛歯電極本体部（図示せず）を切断して除去し、レーザ素子３からの赤外光Ｌ１（図１参照）が入射する端面と出射する端面を研磨する（端面研磨工程）。
【００６４】
次に、工程Ｓ１３において、波長変換素子が複数個取りのチップである場合、単個の波長変換素子２０に分割して波長変換素子２０を完成する（単個分割工程）。以上の工程によって、第２のシリコン基板２１と薄板化された導波路基板３０とを貼り合わせた波長変換素子２０を完成することが出来る。なお、波長変換素子を単品で形成する場合、工程Ｓ１２及び工程Ｓ１３は不要である。
【００６５】
図８は、光デバイス１の接合部形成工程の一例を示す工程図である。なお、図８の各図は、図２で示した第１のシリコン基板１０を長手方向に切断した断面図として示されている。
【００６６】
図８（ａ）の工程において、ＣＭＯＳ−ＬＳＩの形成工程を経て平坦化された第１のシリコン基板１０の表面に、金属材料である金のＡｕ膜１３を形成する（Ａｕ膜形成工程）。
【００６７】
次に、図８（ｂ）の工程において、レーザ素子３を搭載するレーザ素子搭載領域１１と波長変換素子２０を搭載する波長変換素子搭載領域１２に、Ａｕ膜１３を電極として残すためのレジスト膜１４を形成する。すなわち、レーザ素子搭載領域１１及び波長変換素子搭載領域１２が、接合部４０及び４１となる。
【００６８】
次に、図８（ｃ）の工程において、エッチングをおこない、レジスト膜１４で覆われていない領域のＡｕ膜１３を除去し、電極を形成する。これにより、レーザ素子搭載領域１１及び波長変換素子搭載領域１２にＡｕ膜１３が電極として形成される。
【００６９】
次に、図８（ｄ）の工程において、レジスト膜１４を除去した後に、レーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１２に形成されたＡｕ膜１３の電極の表面に、マイクロバンプ用のレジスト膜１５を形成する。このレジスト膜１５は、たとえば、平面で見て小さな略円形のドットが多数並んだパターンを有している。
【００７０】
次に、図８（ｅ）の工程において、ハーフエッチングをおこない、レジスト膜１５のドットパターンの隙間のＡｕ膜１３に、所定の深さの溝１３ａを形成する。
【００７１】
次に、図８（ｆ）の工程において、レジスト膜１５を除去する。これにより、レーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１２のＡｕ膜１３の表面に、溝１３ａによるドット状に多数並んだマイクロバンプ４２が形成される。なお、各マイクロバンプ４２の隙間、すなわち、溝１３ａ（図８（ｅ）参照）の底にはＡｕ膜１３が残っており、これによって、各マイクロバンプ４２の下部がＡｕ膜１３でつながっているので、レーザ素子搭載領域１１全体が電極として導通可能な状態である。同様に、波長変換素子搭載領域１２の全体も、電極として導通可能な状態である。このようにマイクロバンプ４２が多数形成されたレーザ素子搭載領域１１と波長変換素子搭載領域１２が、接合部４０及び４１となる。
【００７２】
なお、第１のシリコン基板１０の表面に、マイクロバンプ４２以外の配線パターン等を形成する場合は、まず、図８（ｂ）の工程で形成したレジスト膜１４を、形成する配線パターンに合わせてパターン化する。次に、図８（ｃ）の工程で、レジスト膜１４をエッチングすることで、配線パターン等を形成することが出来る。以上説明した接合部形成工程によれば、第１のシリコン基板１０の表面に、金属材料から成るマイクロバンプ構造を有する接合部、及び、配線パターン等を一括して効率的に製造することが出来る。
【００７３】
図９は、接合部４０又は４１の一部を拡大した斜視図である。
【００７４】
接合部４０及び４１のマイクロバンプの構造を、図９を用いて説明する。マイクロバンプ４２はＡｕから構成される略円柱形状で、一例として直径８μｍ、高さ２μｍ程度で形成されている。各マイクロバンプ４２の隙間、すなわち、溝１３ａの底面は、前述したようにＡｕ膜１３が存在するので、各マイクロバンプ４２は、このＡｕ膜１３によって機械的電気的につながっており、一体化した電極として構成されている。なお、マイクロバンプは、Ｉｎ（インジウム）等の他の金属材料を用いて構成することもできる。
【００７５】
マイクロバンプ構造の接合部４０及び４１による部品搭載工程で用いる表面活性化接合技術の概略及び／又は原理を説明する。
【００７６】
表面活性化接合技術は、物質表面を覆っている酸化膜、塵（コンタミ）などの不活性層をプラズマ処理などで取り除いて活性化し、表面エネルギーの高い原子同士を接触させることで原子間の凝着力を利用して接合する技術である。しかしながら、フラットな接合面同士での接合では、ある程度の加熱（１００〜１５０℃）をした上であないと、表面活性化接合をすることが難しい場合がある。光デバイス１の製造工程では、接合温度をより低くすべく、接合面の片側、すなわち前述した第１のシリコン基板１０の接合部４０及び４１に塑性変形しやすいＡｕの材質からなるマイクロバンプ４２を形成することにより、常温での接合を可能としている。
【００７７】
実在表面（接合部４０及び４１等）上には、酸化膜、コンタミ等が存在している。このため、プラズマ洗浄又はイオンビームによるスパッタエッチングをおこない、接合部４０及び４１の表面を活性化させ、接合部４０及び４１の表面を、結合手を持った原子が露出している活性状態にする。これにより、接合の対象である、レーザ素子３や波長変換素子２０の電極を接合部４０及び４１に接触させるだけで原子間接合させることができる。
【００７８】
この表面活性化接合は、無加熱接合であるため、下記の利点を有する。
１．熱膨張係数差の残留応力による部品破壊が発生しない。
２．部品に対する熱ストレスがなく部品の機能劣化が生じない。
３．無加熱および固相接合であるため、実装時の位置ずれが生じない。
４．他部品への熱影響が生じない。
５．原子の直接接合であるため、接合層の経時劣化が生じない。
【００７９】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第１のシリコン基板にレーザ素子と波長変換素子とを搭載する搭載工程を説明するための側面図である。
【００８０】
図１０（ａ）に示す様に、第１のシリコン基板１０上には、接合部４０及び４１が形成され、これらの接合部４０及び４１には、前述した工程を経てマイクロバンプ４２が多数形成されている。接合の前に、第１のシリコン基板１０の接合部４０及び４１と、レーザ素子３及び波長変換素子２０の接合面の電極とは、アルゴンプラズマにより洗浄され、それぞれの表面を活性化させる。なお、レーザ素子３の下面の接合面には、電極としてＡｕ膜３ａが形成されている。また、波長変換素子２０の下面の接合面には、同様にＡｕ膜３５ａ及び３５ｂ（図３参照）が形成されている。
【００８１】
次に、図１０（ｂ）に示す様に、第１のシリコン基板１０の接合部４０にはレーザ素子３のＡｕ膜３ａを向かい合わせて位置させ、接合部４１には波長変換素子２０下面のＡｕ膜３５ａ及び３５ｂを向かい合わせて位置させる。次に、第１のシリコン基板１０の接合部４０とレーザ素子３のＡｕ膜３ａとを接触させ、接合部４１と波長変換素子２０下面のＡｕ膜３５ａ及び３５ｂとを接触させて、所定の荷重Ｋで加圧する。これによって、第１のシリコン基板１０の接合部４０とレーザ素子３のＡｕ膜３ａ、及び接合部４１と波長変換素子２０下面のＡｕ膜３５ａ及び３５ｂが常温状態で接合し、シリコン基板１０に対してレーザ素子３及び波長変換素子２０の部品実装が完了する。このとき、レーザ素子３と波長変換素子２０が確実に光学的結合するように、精密な位置合わせを行うことが重要である。
【００８２】
この様に、前述した表面活性化接合技術の多くの利点を備えた光デバイス１を製造することが出来る。以上の工程が、第１の光素子に対応するレーザ素子３を第１のシリコン基板１０に搭載する第１の光素子搭載工程と、第２の光素子に対応する波長変換素子２０を第１のシリコン基板１０に搭載する第２の光素子搭載工程である。
【００８３】
光デバイス１の温度変化に対する特性改善について説明する。図１０（ｂ）に示す様に、光デバイス１の波長変換素子２０は、第２のシリコン基板２１と導波路基板３０が貼り合わされて構成されており、波長変換素子２０は、導波路基板３０が第１のシリコン１０に向かい合う状態で第１のシリコン１０に搭載されている。この構造によって、導波路基板３０は、第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２１とで挟まれた構成を備えている。
【００８４】
導波路基板３０は、前述したように、ＭｇＯを添加したＬＮから構成されており、光が進行する長手方向の熱膨張係数は、第１のシリコン基板１０及び第２のシリコン基板２１の熱膨張係数と大きく異なっている。すなわち、ＭｇＯを添加したＬＮから構成される導波路基板３０の熱膨張係数は、第１及び第２のシリコン基板１０、２１の熱膨張係数より大きい。
【００８５】
前述したように、導波路基板３０は、第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２１とで挟まれた構成を有しており、相互の熱膨張係数は異なっている。したがって、周囲の温度が変化すると、導波路基板３０の長さの変化は、第１及び第２のシリコン基板１０及び２１の長さの変化より大きくなってしまう。しかしながら、導波路基板３０の厚みは極めて薄い（２．５〜５．０μｍ）ので、導波路基板３０の長さの変化は、第１及び第２のシリコン基板１０及び２１によって抑えられ、応力Ｂ及びＢ´（図１２参照）の発生が抑制されて、波長変換素子２０の変形を小さくすることができる。
【００８６】
この結果、波長変換素子２０に加わるストレスが減少し、変形、歪み等の発生を小さくすることができるので、レーザ素子３と波長変換素子２０との位置ずれを防止することが可能となる。同様に、波長変換素子２０から出射されるレーザ光を受ける光ファイバ（図示せず）と波長変換素子２０との位置ずれをも防止することが可能となる。すなわち、光デバイス１が有している構成によって、部品間の光学的結合のずれの発生、及び、変換波長の変化等の問題を解消することが出来る。
【００８７】
発明者は、上述した光デバイス１における波長変換素子２０と、比較用の光デバイスにおける波長変換素子とが、周囲温度の変化によって発生する応力によって、どれほど変形するかについて、定常熱解析の簡易シミュレーションを実施した。この結果、光デバイス１における波長変換素子２０は、比較用の光デバイスにおける波長変換素子に対して、温度変化による変形量が約１／４に改善されるとの結果を得た。
【００８８】
シミュレーションにおける比較用の光デバイスにおける波長変換素子は、図１２に示したＬＮを主成分とする波長変換素子を利用し、シリコン基板にはボンド結合した。また、光デバイス１における波長変換素子２０のサイズと、比較用の光デバイスにおける波長変換素子のサイズは同じとした。また、光デバイス１及び比較用の光デバイスにおけるシリコン基板の構成及びサイズは全て同じであって、変形量の計測に際しては、それぞれのシリコン基板の端面を完全に固定した。
【００８９】
以上のように、光デバイス１及び光デバイス１の製造方法によれば、導波路基板３０が第１のシリコン基板１０と第２のシリコン基板２１とで挟まれた構成を有するため、周囲温度が変化しても、波長変換素子２０の変形が抑えられ、位置ずれや光導波路の特性の変化を抑えることが可能となる。これにより、周囲の温度変化の影響を受けにくい高性能で信頼性に優れた光デバイスを提供することが出来る。
【００９０】
図１１は、他の光デバイス５０を示す概略斜視図である。
【００９１】
図１１に示す様に、光デバイス５０は、１枚のシリコン基板５１の表面に、複数のレーザ素子５２ａ〜５２ｃ、複数の波長変換素子５３ａ〜５３ｃ、及びドライバＩＣ５４を実装し搭載している。なお、個々のレーザ素子と波長変換素子の構成は、光デバイス１と同様である。
【００９２】
レーザ素子５２ａ〜５２ｃと波長変換素子５３ａ〜５３ｃは、光デバイス１と同様にマイクロバンプ構造の接合部を介してシリコン基板５１の表面に搭載されている。ドライバＩＣ５４も、マイクロバンプ構造によってシリコン基板５１の表面に搭載されているが、他の実装方式によって搭載されても良い。
【００９３】
複数のレーザ素子５２ａ〜５２ｃは、ＧａＡｓ，ＧａＮ等の材質からなり、光の３原色Ｒ、Ｇ、Ｂに対応して３種類の波長を出射する。複数の波長変換素子５３ａ〜５３ｃは、Ｒ、Ｇ、Ｂの系統にそれぞれ配置されて、レーザ素子５２ａ〜５２ｃのそれぞれと光学的に結合し、Ｒ、Ｇ、Ｂのレーザ光に変換する。波長変換素子５３ａ〜５３ｃの出射口からは、Ｒ、Ｇ、Ｂのレーザ光が出射されるが、これらのレーザ光を受ける光ファイバ等の図示は省略している。なお、Ｒの系統だけは波長変換素子を配置せず、レーザ素子のＲ成分の光を直接出射する構成としてもよい。
【００９４】
ドライバＩＣ５４は、レーザ素子５２ａ〜５２ｃを駆動する機構を含んでいるが、少なくとも、ＣＰＵやメモリ等のコア部分を含んでいることが好ましい。なお、シリコン基板５１の内部に、ＣＰＵやメモリ等のコア部分を含んでも良い。また、シリコン基板５１の下面には、放熱用のヒートシンク（不図示）が設けられている。
【００９５】
以上のように、光デバイス５０は、シリコン基板５１上に複数の光素子を効率よく集積化した小型の光デバイスであるので、フルカラー表示の携帯型レーザ・プロジェクタなどに好適である。また、光デバイス５０は、基本的な構成が光デバイス１と同様であるので、前述した光デバイス１と同様な効果を合わせ持っている。
【００９６】
前述した光デバイス１及び光デバイス５０では、第２の光素子の一例である波長変換素子を第１のシリコン基板に接合する接合部として金属材料であるＡｕ（金）からなるマイクロバンプを用いる例を示した。しかしながら、これに限定されるものではなく、第２の光素子の一例である波長変換素子を第１のシリコン基板に接合する接合部として、例えば接着材による接着層を用いても良い。接着材を用いる構成であっても、第２の光素子の導波路基板が第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とで挟まれた構成を有することにより、周囲温度が変化しても、波長変換素子２０の変形が抑えられ、位置ずれや光導波路の特性の変化を抑えることが可能となる。これにより、周囲の温度変化の影響を受けにくい高性能で信頼性に優れた光デバイスを提供することが出来る。
【００９７】
なお、光デバイス１及び光デバイス５０では、リッジ型構造の波長変換素子を例として示したが、波長変換素子は、リッジ型に限定されるものではなく、たとえば、プロトン交換法による波長変換素子や埋め込み型の波長変換素子を用いることもできる。また、第２の光素子は波長変換素子に限定されず、他の機能を備えた光素子であっても良い。
【００９８】
光デバイス１及び光デバイス５０は、青色、緑色などの短波長レーザ光源として、レーザ・プロジェクタやレーザ光による照明装置、光ピンセットなどの様々な分野で幅広く利用することが出来る。
【符号の説明】
【００９９】
１、５０ 光デバイス
３、５２ａ〜５２ｃ レーザ素子
１０、５１ 第１のシリコン基板
１１ レーザ素子搭載領域
１２ 波長変換素子搭載領域
１４、１５ レジスト膜
２０、５３ａ〜５３ｃ 波長変換素子
２１ 第２のシリコン基板
２２ 透明電極
２３ 接着層
３０ 導波路基板
３１ 光導波路
３２ 絶縁膜
１３ａ、３３ａ、３３ｂ 溝
３３ｃ 凸部
３４ａ、３４ｂ 平面部
３ａ、１３、３５ａ、３５ｂ Ａｕ膜
３６ 空気層
３７ 櫛歯電極
３７ａ 櫛歯電極本体部
３７ｂ 櫛歯電極枝部
３８ 分極反転領域
３９ 対向印加電極
４０、４１ 接合部
４２ マイクロバンプ
５４ ドライバＩＣ
Ｌ１ 赤外光
Ｌ２ レーザ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光素子と、
前記第１の光素子と光学的に結合する第２の光素子と、
前記第１の光素子及び前記第２の光素子が搭載された第１のシリコン基板とを有し、
前記第２の光素子は、第２のシリコン基板及び前記第２のシリコン基板と貼り合わされた導波路基板を含み、
前記第２の光素子は、前記導波路基板が前記第１のシリコン基板に向かい合う状態で、前記第１のシリコン基板上に搭載されている、
ことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記導波路基板の厚さは、前記第２のシリコン基板の厚さの１／６〜１／４００の範囲である、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記第１のシリコン基板上に設けられた金属材料からなる接合部を更に有し、前記第２の光素子は、前記接合部に表面活性化接合技術により接合される、請求項１又は２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記接合部は、マイクロバンプ構造を有する、請求項３に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記金属材料はＡｕである、請求項３又は４に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記第１の光素子はレーザ素子であり、前記第２の光素子は波長変換素子である、請求項１〜５の何れか一項に記載の光デバイス。
【請求項７】
第１の光素子と、前記第１の光素子と光学的に結合する第２の光素子とが、第１のシリコン基板に搭載された光デバイスの製造方法であって、
第２のシリコン基板と導波路基板とを貼り合せることによって前記第２の光素子を形成し、
前記第１の光素子を前記第１のシリコン基板に搭載し、
前記第２の光素子を、前記導波路基板が前記第１のシリコン基板に向かい合う状態で、前記第１のシリコン基板に搭載する、
を有することを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記導波路基板の厚さは、前記第２のシリコン基板の厚さの１／６〜１／４００の範囲である、請求項７に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記第１のシリコン基板上に金属材料からなる接合部を形成することを更に有し、前記第２の光素子を搭載する際に、前記第２の光素子を前記接合部に表面活性化接合技術によって接合する、請求項７又は８に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記接合部は、マイクロバンプ構造を有する、請求項９に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記金属材料はＡｕである、請求項９又は１０に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記第１の光素子はレーザ素子であり、前記第２の光素子は波長変換素子である、請求項７〜１１の何れか一項に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項１】
第１の光素子と、
前記第１の光素子と光学的に結合する第２の光素子と、
前記第１の光素子及び前記第２の光素子が搭載された第１のシリコン基板とを有し、
前記第２の光素子は、第２のシリコン基板及び前記第２のシリコン基板と貼り合わされた導波路基板を含み、
前記第２の光素子は、前記導波路基板が前記第１のシリコン基板に向かい合う状態で、前記第１のシリコン基板上に搭載されている、
ことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記導波路基板の厚さは、前記第２のシリコン基板の厚さの１／６〜１／４００の範囲である、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記第１のシリコン基板上に設けられた金属材料からなる接合部を更に有し、前記第２の光素子は、前記接合部に表面活性化接合技術により接合される、請求項１又は２に記載の光デバイス。
【請求項４】
前記接合部は、マイクロバンプ構造を有する、請求項３に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記金属材料はＡｕである、請求項３又は４に記載の光デバイス。
【請求項６】
前記第１の光素子はレーザ素子であり、前記第２の光素子は波長変換素子である、請求項１〜５の何れか一項に記載の光デバイス。
【請求項７】
第１の光素子と、前記第１の光素子と光学的に結合する第２の光素子とが、第１のシリコン基板に搭載された光デバイスの製造方法であって、
第２のシリコン基板と導波路基板とを貼り合せることによって前記第２の光素子を形成し、
前記第１の光素子を前記第１のシリコン基板に搭載し、
前記第２の光素子を、前記導波路基板が前記第１のシリコン基板に向かい合う状態で、前記第１のシリコン基板に搭載する、
を有することを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記導波路基板の厚さは、前記第２のシリコン基板の厚さの１／６〜１／４００の範囲である、請求項７に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記第１のシリコン基板上に金属材料からなる接合部を形成することを更に有し、前記第２の光素子を搭載する際に、前記第２の光素子を前記接合部に表面活性化接合技術によって接合する、請求項７又は８に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記接合部は、マイクロバンプ構造を有する、請求項９に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項１１】
前記金属材料はＡｕである、請求項９又は１０に記載の光デバイスの製造方法。
【請求項１２】
前記第１の光素子はレーザ素子であり、前記第２の光素子は波長変換素子である、請求項７〜１１の何れか一項に記載の光デバイスの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２９８２６（Ｐ２０１３−２９８２６Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３６７２９（Ｐ２０１２−１３６７２９）
【出願日】平成２４年６月１８日（２０１２．６．１８）
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月１８日（２０１２．６．１８）
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
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