JP2005505928A - 肉厚漸変光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

光学材料の漸変層を含む漸変光学素子が提供され、これらの層は異なる屈折率を有してもよいし、有しなくてもよい。このような肉厚漸変光学素子を製造するための方法もまた提供される。マスキング層が基板の上方に好ましくは間隔をあけられ、このマスキング層は少なくとも１つの開口を有している。次に、光学材料がマスキング層の開口を介して基板の上に堆積させられ、少なくとも一部がマスキング層の開口を越えて側方に延在する屈折材料の層を形成する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子および光部品の分野、より詳細には肉厚漸変光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光学素子および部品は、例えば通信システム，レーザープリンタ，コンパクトディスクプレーヤなどにおいて、光を発生，受光および/または制御する現代科学技術にて広範囲に亙る使用を提供している。このような多くの用途のため、半導体レーザーまたはＬＥＤの如き光源が光ファイバリンクや自由空間を介し、あるいは反射面から離れた半導体受光器（例えばフォトダイオード）につながれる。
【０００３】
微小レンズはまた、今日の多くのシステムにおいて広範囲に亙る使用を提供している。微小レンズは、多種多様な光学用途において光を焦点に集めたり、方向付けたりおよび／または制御するためにしばしば用いられている。例えば、微小レンズは単一モード光ファイバの如き光ファイバをＬＥＤ，ＶＣＳＥＬ，ＲＣＰＤなどの如き他の電気光学素子と整合させるために使用可能である。微小レンズはまた、プリンタ，コンパクトディスクプレーヤおよび他の用途においても、少なからぬ利点のために使用可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
時として、微小反射鏡が例えば多重波長分割や光フィルタリングのみならず、他の用途においても光を望む方向に向けるために用いられている。微小反射鏡はまた、例えば垂直共振器表面発光ダイオードレーザー（ＶＣＳＥＬ），共振空胴光検出器（ＲＣＰＤ）および他の機器のためのファブリ−ペロー共振器の如き光共振器を作成するために一般に用いられている。従来の多くの微小反射鏡に関する制約は、この微小反射鏡により光路すなわち共振器の横幅方向に与えられる反射率が一様であるということである。例えばＶＣＳＥＬおよびＲＣＰＤ装置に適用した場合、このような横方向に均一な反射率は、多モードの作用を与えることができる。しかしながら、多くの用途のためには最低次数の単一モードの作用が望ましい。最低次数の単一モードは、単一モードファイバに光を容易に接続させることが可能であり、また自由空間および/または波長感応システムに対しても望ましい可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上で言及されたものや多くの他のものを含む多種多様な用途にて用いられる肉厚漸変光学素子を提供する。本発明の肉厚漸変光学素子は、用途に応じて反射鏡，レンズまたはその両方として機能できることを意図している。好ましい一実施形態において、この肉厚漸変光学素子は、当該光学素子の横幅方向に徐々に変化する肉厚をそれぞれ持った１つ以上の層を含んでいる。微小レンズの用途のため、選択された層の屈折率がほぼ同じであってよい。微小反射鏡の用途のため、選択された層の屈折率が隣接する層と異なっていてもよい。この肉厚漸変光学素子を形成するための方法もまた意図されている。好ましい一実施形態において、肉厚漸変光学素子は支持基板の上方に間隔をあけて配された開口を介して光学素子の１つ以上の層を堆積させることによって形成され、堆積する肉厚漸変光学素子は少なくとも一部が開口を越えて側方に延在している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下の説明は図面を参照して理解されるべきであり、同じ参照符号が全ての図面に亙って同じ構成要素を示している。この詳細な説明および図面は、本発明の例示に過ぎず、限定していることを意図してはいない。
【０００７】
図１は、本発明の一例による肉厚漸変光学素子１１０の側断面図である。光学素子１１０は、１１２にて概ね示される光学積層体を含む。光学積層体１１２は、個々の層１１４ａ〜１１４ｇを含んでいる。層１１４ａ〜１１４ｇは、１１６にて概ね示される端縁領域と、１１８にて概ね示される中央領域とをそれぞれ有する。好ましくは、個々の層１１４ａ〜１１４ｇの少なくとも幾層かは、端縁領域１１６が中央領域１１８よりも厚く、図示のように概ね湾曲した上面を有する。光学積層体１１２は、必要に応じて概ね円形であってよいが、これは必須ではない。
【０００８】
好ましくは、それぞれ個々の層１１４は、ある屈折率を持った絶縁または半導電材料の如き光学材料から作られており、望ましい波長帯にて少なくとも部分的に透明である。この実施形態において、層１１４ａ〜１１４ｇが互い違いの屈折率を有する。例えば、層１１４ａ，１１４ｃ，１１４ｅおよび１１４ｂが第１の屈折率を有し、層１１４ｂ，１１４ｄおよび１１４ｆが第２の屈折率を有してよい。このような構造は、上述したような微小反射鏡を形成する場合に特に好適である可能性がある。しかしながら、同一または類似の屈折率を持った層１４ａ〜１４ｇを提供することにより、微小レンズを容易に形成できることを意図している。微小レンズを形成する場合、好ましくは、各層１１４の界面での反射を減らすために１つまたはごく少数の層１１４が設けられる。
【０００９】
図２Ａから図２Ｈは、図１の光学素子１１０の如き肉厚漸変光学素子を形成する方法の一例を示す概念図である。まず図２Ａを参照すると、基板２２６がそこに形成されるＶＣＳＥＬ，ＲＣＰＤ，ＬＥＤまたは他の光部品の如き光部品２２８と共に示されている。光部品２２８は必須ではなく、この光部品２２８を設けることが望まれるのは、その用途に依存しよう。
【００１０】
この例示した実施形態において、ここで図２Ｂを参照すると、スペーサとしてスペーサ層２３０を設けることができる。スペーサ層２３０は、等方性エッチング処理が可能な任意の適当な材料から作られることができる。必要に応じていくつかの異なる層からスペーサ層２３０を作ることができることを意図している。好ましい一実施形態において、スペーサ層２３０はポリイミドの如きポリマーであり、基板２２６上にスピンコーティングによって堆積させる。層２３０が設けられたならば、マスキング層２３２を設けることができる。より完全に以下に記述されるように、肉厚漸変光学素子１１０の層１１４ａ〜１１４ｇを一層以上堆積させる場合、マスキング層２３２をマスクとして使用することができる。好ましい一実施形態において、マスキング層２３２はプラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）によって堆積する二酸化ケイ素である。しかしながら、さらに以下に記述されるように、スペーサ層２３０をエッチングするために用いるエッチング処理に対して耐性のある任意の材料からマスキング層２３２を作り得ることを意図している。また、電子ビーム，熱および／またはスパッタコーティングの如き任意の薄膜エピタキシー処理によって、このマスキング層２３２を設けることができることも意図している。
【００１１】
次に、好ましくはスピンコーティングを用い、フォトレジスト層２３４をマスキング層２３２の上に設けることが好ましい。その後、フォトレジスト層２３４に図２Ｃに示すような開口２３６を作成するため、フォトリソグラフィの如き従来のパターン形成技術を用いてパターン形成される。開口２３６をフォトレジスト層２３４に形成したならば、そこに図２Ｄに示すような開口２３８を作り出すため、好ましくは選択的エッチング液を用いてマスキング層２３２がエッチング加工される。開口２３８は好ましくは図示のようなほぼ垂直な側縁２５０を有する。
【００１２】
マスキング層２３２に開口２３８が形成されたならば、図２Ｅに示すような側縁２４２を持った開口２４０を作成するため、好ましくは選択的反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）液を用い、開口２３８を介して中間スペーサ層２３０がエッチング加工される。開口２４０の側縁２４２がマスキング層２３２の側縁２５０を越えて少なくとも１方向、好ましくは全方向において側方に延在するように、好ましくは等方性選択的エッチング液を用いて開口２４０がエッチング加工される。
【００１３】
次に、マスキング層２３２の開口２３８を介して肉厚漸変光学素子１１０（図１参照）を堆積させることができる。この例示した実施形態において、層１１４ａ〜１１４ｇは開口２３８を介して順番に堆積させられる。例えば、第１の屈折率を持つ第１の材料が図２Ｆに示されるような光学積層体１１２の第１の層１１４ｇをもたらすように、開口２３８を介して堆積させることができる。この堆積は、光学的品質の真空蒸着処理または希望するような他の適当な処理であることが好ましい。マスキング層２３２および開口２３８が基板２２６の表面から離れているので、より多量の材料が端縁領域１１６よりも中央領域１１８においてより堆積し、結果として端縁領域１１６よりも中央領域１１８がより厚くなる傾向を持つ。また、それぞれの堆積層の上面が図示のように湾曲する傾向がある。
【００１４】
第１の層１１４ｇが設けられたならば、第２の層１１４ｆが開口２３８を介して堆積させられる。この第２の層１１４ｆは、第１の層１１４ｇと同じ屈折材料、または異なる屈折率を持った異なる屈折材料であってよい。第１の層１１４ｇと同様に、第２の層１１４ｆは光学品質のガラスか、ポリマーか、ＧaＡs，ＡlＧaＡs，ＳiＯ2，Ｓi3Ｎ4，ＴiＯ2または他の適当な材料の如き半導体および/または誘電体であることが好ましい。また、図２Ｇに示されるような光学積層体を形成するため、必要に応じて追加の層１１４ｅ〜１１４ａを堆積させるようにしてもよい。
【００１５】
光学素子１１０の形状をいくつかのパラメータによって制御することができる。これらのパラメータの一部は、スペーサ層２３０の開口２４０の形状および寸法と、スペーサ層２３０の厚みと、マスキング層２３２の開口２３８に対するスペーサ層２３０の開口２４０の形状，寸法および位置と、開口２３８の側縁２５０の厚みとを含んでいる。他のパラメータは、屈折材料の堆積方法と、使用材料と、材料の堆積量とを含んでいる。これらのパラメータは、光学素子１１０の形状および特性を特定の用途に応じて変えるために調整可能である。一部の実施形態において、図２Ｈに示すように光学素子１１０を露出させるため、層２３０，２３２および２３４を除去することができる。
【００１６】
微小反射鏡を形成する場合、層１１４ａ〜１１４ｇを相対的に薄くすることができ、これらの屈折率を隣接する層との間で交互に変えることができる。微小レンズを形成する場合、１層以上のより厚い層を同一または類似の屈折率を持つそれぞれの層と共に設けることができる。
【００１７】
基板２２６が図示のような光学素子２２８の如き１つ以上の光学素子を含む場合、層１１４ｇの少なくとも一部が光学素子２２８と接触状態になることができる。代わりに、スペーサまたはバッファ層（図示せず）を光学素子２２８と層１１４ｇとの間に設けることができる。さらに、図２Ｆに示すように層１１４ｇを光学素子２２８の中心に置いたり、用途に応じて光学素子２２８から側方にオフセットしたりできることが意図される。
【００１８】
光学素子１１０が光部品２２８の一部であったり、その作用を補助できることが意図される。例えば、光部品２２８が垂直共振器表面発光ダイオードレーザー（ＶＣＳＥＬ）であってよく、光学素子１１０をＶＣＳＥＬの先端反射鏡の全部または一部として機能させることができる。周知のように、ＶＣＳＥＬ装置は、半導体および/または誘電体を積層してなる反射鏡を含む分布型ブラッグ反射器の如き２つの反射鏡によって画成されるレーザー共振器を一般に有する。本発明の肉厚漸変光学素子１１４は、ＶＣＳＥＬの光共振器の横幅方向に変化する反射率を持った先端反射鏡を作成するのに寄与できる。ＶＣＳＥＬのモード数を減少させるため、先端反射鏡の反射率は好ましくは光共振器の側端に向けて減少する。従って、適切に形成された場合、本発明はＶＣＳＥＬ装置のモード制御をもたらすことができるように用いることが可能である。このようなモード制御は、必要に応じてＲＣＰＤにも同様に適用させることができる。
【００１９】
代わりに図３に示すように、光学素子３００を微小レンズとして機能させることができる。好ましくは、光学素子３００は、１つまたは比較的少ない数の厚目の層を含み、これらは肉厚がそれぞれ連続的に変化している。光部品３２８が発光ダイオード（ＬＥＤ），ＶＣＳＥＬ，フォトダイオード，ＲＣＰＤまたは他の発光または受光素子の如き、発光または受光部品の場合、光学素子３００は、例えば光の視野角を増大させたり、光を焦点に集めたり、光を特定方向に向けたりすることなどが可能である。光部品３２８は必須ではなく、図示のような基板に設ける必要性もない。
【００２０】
光学素子は図４に示すような平凹部分を有することができる。凹部４５２を持った湾曲上面を有する光学素子４１０を作成するステップは、上述のような光学素子１１０を作成するために用いられるステップとほぼ同じである。フォトエッチングされた層２３４の開口２３６は、層２３４の一部が開口２３６により３つの面で囲まれるように形成される。従って、層２３０の開口２４０をエッチングするために等方性エッチング処理を用いる場合、頸部によって層２３４および２３２の他の部分に接続する開口２４０の上方に層２３４および２３２の一部が突出する。また、等方性エッチング処理中に１つの開口２４０が形成されるように、相互に近接して配される複数の開口２３６があってもよい。開口２３６を介して材料を堆積させる場合、層２３４および２３２の下方の領域には、開口２３６の下方の領域よりも少ない材料が堆積する傾向があろう。従って、凸部４５４にて囲まれた凹部４５２が光学要素４１０に形成されよう。好ましい一実施形態において、この光学素子を露出させるために層２３０，２３２および２３４が除去される。
【００２１】
基板２２６が光部品２２８を含む場合、光学素子４１０はこの部品の作用を補助することができる。凹部４５２は、ＬＥＤまたはＶＣＳＬから光を焦点に集めたり方向付けるために用いることができる。凹部４５２はまた、高出力単一モード発光を選択的に与える不安定共振器の一部として用いることも可能である。
【００２２】
本発明は、種々の変更および他の形態を受け入れることができるけれども、その特定の例示が図面に示され、ここに詳細に記述されている。しかしながら、本発明が記述された特定の形態または方法に限定されるのではなく、それと反対に、本発明は添付された特許請求の範囲の精神および意図内にあるすべての変更，同義的事項および選択肢を包含していることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による肉厚漸変光学素子の一例の側断面図である。
【図２Ａ】本発明による肉厚漸変光学素子の製造方法の一例を示す概念図である。
【図２Ｂ】本発明による肉厚漸変光学素子の製造方法の一例を示す概念図である。
【図２Ｃ】本発明による肉厚漸変光学素子の製造方法の一例を示す概念図である。
【図２Ｄ】本発明による肉厚漸変光学素子の製造方法の一例を示す概念図である。
【図２Ｅ】本発明による肉厚漸変光学素子の製造方法の一例を示す概念図である。
【図２Ｆ】本発明による肉厚漸変光学素子の製造方法の一例を示す概念図である。
【図２Ｇ】本発明による肉厚漸変光学素子の製造方法の一例を示す概念図である。
【図２Ｈ】本発明による肉厚漸変光学素子の製造方法の一例を示す概念図である。
【図３】光電機器と共に用いられる肉厚漸変光学素子の一例の側断面図である。
【図４】本発明による製造が進んだ段階での肉厚漸変光学素子の一例の側断面図である。

Claims (40)

1. 肉厚漸変光学素子を製造する方法であって、
   開口を有する第１の層を基板の上方に間隔をあけて設けるステップと、
   この第１の層の開口を介して基板上に１層以上の材料を設け、少なくとも一部が開口を越えて側方に延在する肉厚漸変光学素子を形成するステップと
   を具えたことを特徴とする方法。
2. 第１の層と基板との間に、第１の層の開口を越えて側方に延在する開口を少なくとも一部に有する中間層を設けるステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第１の層および中間層を設けるステップは、
   基板に隣接する中間層を形成するステップと、
   中間層に隣接する第１の層を形成するステップと、
   第１の層に隣接する第３の層を形成するステップと、
   第３の層に開口を作成するステップと、
   第１の層に開口を作成するステップと、
   少なくとも一部が第１の層の開口を越えて側方に延在する開口を中間層に作成するステップとを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 第３の層はフォトレジスト層であり、この第３の層の開口がフォトリソグラフィを用いて作成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 第１の層の開口がエッチング処理を用いて作成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 中間層の開口が等方性エッチング処理を用いて作成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
7. 中間層がポリマーであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
8. ポリマーがポリイミドであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 第１の層が誘電材料であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
10. 第１の層が半導体材料であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
11. 中間層の開口は第１の層の開口を介して等方性エッチング液を用いて形成されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
12. 肉厚漸変光学素子を形成した後に第１の層を除去するステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 第１の層を除去した後に中間層を除去するステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 基板がその光学層の中に光部品を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 光部品が光発光体であることを特徴とする請求項１４の方法。
16. 光発光体が垂直共振器表面発光ダイオードレーザーであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 肉厚漸変光学素子が反射鏡であり、垂直共振器表面発光ダイオードレーザーの先端反射鏡の反射率に少なくとも寄与することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 肉厚漸変光学素子の反射率がこの肉厚漸変光学素子の横幅方向に変化していることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 肉厚漸変光学素子の反射率がこの肉厚漸変光学素子の側端に向けて減少していることを特徴する請求項１３に記載の方法。
20. 肉厚漸変光学素子がレンズであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
21. 光発光体が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
22. 光部品が光検出器であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
23. 光検出器が共振空胴光検出器であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 肉厚漸変光学素子が反射鏡であり、少なくとも共振空胴光検出器の先端反射鏡の反射率に寄与することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 肉厚漸変光学素子の反射率がこの肉厚漸変光学素子の横幅方向に変化していることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 肉厚漸変光学素子の反射率がこの肉厚漸変光学素子の側端に向けて減少していることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 肉厚漸変光学素子がレンズであることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
28. 第１の層の開口を介して基板に１つ以上の材料を設けて肉厚漸変光学層を形成するステップは、
    第１の屈折率を有する屈折材料からなる第１の層を堆積させるステップと、
    第２の屈折率を有する屈折材料からなる第２の層を堆積させるステップとを具えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
29. 第１の層の開口を介して基板に１つ以上の材料を設けて肉厚漸変光学層を形成するステップは、第１の屈折率を有する屈折材料からなる層を堆積させるステップと、第２の屈折率を有する屈折材料からなる層を堆積させるステップとを交互に具えていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
30. 第１の屈折率が第２の屈折率と異なっていることを特徴とする請求項２９の方法。
31. 肉厚漸変光学素子は中央領域および端縁領域を有し、この肉厚漸変光学素子は、端縁領域よりも中央領域がより厚くなっていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
32. 肉厚漸変光学素子は湾曲した上面を有することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
33. 光部品と、
    この光部品に隣接して配される光学素子と
    とを具えた光学システムであって、前記光学素子は中央領域と端縁領域と屈折率とをそれぞれ有する複数の層を有し、それぞれの層の中央領域は端縁領域よりも厚く、選択された層が異なる屈折率を有していることを特徴とする光学システム。
34. 選択された層が湾曲した上面を有することを特徴とする請求項３３に記載の光学のシステム。
35. 複数の層は、第１の屈折率を有する層と第２の屈折率を有する層とが交互に繰り返されていることを特徴とする請求項３４に記載の光学システム。
36. 複数の屈折層を具え、それぞれの層が中央領域と端縁漁期と屈折率とを有し、それぞれの層の中央領域は端縁領域よりも厚く、選択された層が異なる屈折率を有することを特徴とする光学素子。
37. 少なくとも１つの層が誘電材料を含んでいることを特徴とする請求項３６に記載の光学素子。
38. 少なくとも１つの層が半導体材料を含んでいることを特徴とする請求項３６に記載の光学素子。
39. それぞれの層が湾曲した上面を有することを特徴とする請求項３６に記載の光学素子。
40. それぞれの層がほぼ円形であることを特徴とする請求項３６に記載の光学素子。

Images