JP2007234990A - 微小光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズの光軸とレーザ光の光軸とを位置合わせする必要がなく、高い生産性を有し、レーザ発光面を有効に利用できる微小光学素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】基板２上に複数の段差部４が形成され、それぞれの前記段差部４の頂上面の全面にレンズ６が一体的に形成されていることを特徴とする微小光学素子である。また、基板上に複数の段差部を形成する段差部形成処理を行い、面発光レーザを作製する面発光レーザ作製工程と、それぞれの前記段差部の頂上面の全面にレンズを一体的に形成するレンズ形成工程とを含むことを特徴とする微小光学素子の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザを具備する微小光学素子およびその製造方法に関する。

従来の面発光レーザでは、まず、ガラス基板をエッチング加工してマイクロレンズを作製する。そのため、図３に示すように、面発光レーザ３０とマイクロレンズ３２との光軸合わせは、レーザを受光素子３４へ向けて発振させて出力ビームが最適となるようにマイクロレンズ３２の位置を調整するアクティブアライメントにより行う必要があった。

エッチング加工を用いてマイクロレンズを作製した場合では、発光部（面発光レーザ）とレンズ部とが別々に作製されるため、レンズの性能を設計通りに反映させるためには、レーザ光源との光軸調整において十分な精度の位置合わせが必要不可欠であった。

マイクロレンズアレイは一般的に図４に示すようにして作製される。すなわち、まず、図４（Ａ）に示すように、ガラス基板４０にフォトレジストを塗布し、レンズとして作用させるための凸形状を形成する部分にレジストが残るようにパターン４２を形成する。これを熱処理することによって、図４（Ｂ）に示すように、平板状であったレジストを表面張力により球形面を有する凸部４４に変形させることができる。さらに、ドライエッチングなどによってマスク上方からエッチングすることによって、図４（Ｃ）に示すように、レジストの凸部４４の形状をガラスに転写することができる。その結果、平凸形状のマイクロレンズまたはそのアレイを形成することができる。

また、他の方法として、図５に示すように、インクジェット用のノズル５０を使用し、面発光レーザ５２の発光面５４上で必要な形状になるようにガラス原料の量を制御して供給する方法も提案されている。液状で供給されたガラス原料５６は、表面張力により凸形状となり、熱処理を加えて固化させることによりレンズとして作用するようになる。

しかし、この場合は、ガラス原料５６を供給する際に、発光面とノズルとの位置合わせを行う必要がある。つまり、結局前述と同様に精度の高い位置合わせが要求される。その結果、コストも高くなり生産性を低下させてしまう。

また、マイクロレンズと面発光レーザ基板とが構造物を介して固定化されている光モジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、マイクロレンズが構造物から剥離しやすく、また、マイクロレンズのズレが生じる可能性がある。さらに、構造物を設けるためのコストがかかるという問題もある。
特開２００５−９９０６９号公報

本発明は、従来の課題を解決することを目的とする。すなわち、本発明は、レンズの光軸とレーザ光の光軸とを位置合わせをする必要がなく、高い生産性を有し、レーザ発光面を最大限に有効利用できる微小光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明者らは下記本発明に想到し、当該課題を解決できることを見出した。

すなわち、本発明の微小光学素子は、基板上に複数の段差部が形成され、それぞれの前記段差部の頂上面の全面にレンズが一体的に形成されていることを特徴とする。

段差部の頂上面の全面にレンズが形成されているので、レーザ発光面の全ての領域をレーザ発光のための有効な領域として活用することができる。また、レーザ発光面の直上にレンズが形成されているため、レンズの光軸とレーザ光の光軸とを位置合わせをする必要がなく、その結果、高い生産性を発揮し得る。

また、本発明の微小光学素子の製造方法は、基板上に複数の段差部を形成する段差部形成処理を行い、面発光レーザを作製する面発光レーザ作製工程と、それぞれの前記段差部の頂上面の全面にレンズを一体的に形成するレンズ形成工程とを含むことを特徴とする。

従来のようなパターニング、熱処理、エッチングといった煩雑な工程が不要となり、全体的に簡略化した工程とすることができる。また、インクジェットを利用した方法と比較しても、ガラス原料などの滴下面との位置合わせが不要となるメリットの他、従来の半導体プロセスと互換であるため、新しい装置を必要としないなどのメリットがある。

本発明の微小光学素子の製造方法においては、前記レンズ形成工程における前記レンズを一体的に形成する処理が、スピンコート処理を含むことが好ましい。

スピンコート法は、簡便で量産性に優れるため、低コストで効率よくレンズを形成することができる。

本発明によれば、レンズの光軸とレーザ光の光軸とを位置合わせする必要がなく、高い生産性を有し、レーザ発光面を最大限に有効利用できる微小光学素子およびその製造方法を提供することができる。

［微小光学素子］
図１の本発明の微小光学素子の部分断面図を示す。図１に示すように、基板２上に段差部４が複数形成された面発光レーザ１０の当該段差部４の頂上面の全面にレンズ６が一体的に形成されている。なお、本発明の微小光学素子の構成の詳細については、後述の微小光学素子の製造方法で説明する。

ここで、「段差部の頂上面の全面にレンズが一体的に形成されている」とは、少なくとも当該段差部の発光領域（レーザ発光面）がすべてレンズにより覆われていることをいう。また、「一体的に形成されている」とは、段差部の頂上面とレンズとが通常の使用状態では分離不可能なように密着した状態をいう。さらに、「段差部」とは、基板の一主面に対し垂直方向に突出している柱状部で、その頂上部にレーザ発光面が設けられている。

面発光レーザとレンズとを別々に作製した場合には、レンズの光軸とレーザ光の光軸とを位置合わせする工程が必要となる。しかし、本発明では、レンズと面発光レーザとが一体化しているため、かかる位置合わせは不要となる。その結果、コストの低減を図ることも可能となり、生産性の高い微小光学素子とすることができる。さらに、一体型となっているため、コンパクトな形態となり装置の小型化に寄与することができる。

また、段差部の頂上面の全面にレンズが設けられているため、発光領域からのレーザを無駄なく完全にレンズに通すことができる。これは、後述のような本発明の製造方法によりレンズを設けるためであり、例えば、インクジェットを使用したレンズの形成方法では、発光領域の全面にレンズを形成することは困難であり、これを実現しようとすると、コストが高くなって生産性の低い微小光学素子となってしまう。すなわち、本発明の微小光学素子は、高い生産性とレーザ発光面の有効利用とを両立させることができる。

［微小光学素子の製造方法］
本発明の微小光学素子は、基板上に複数の段差部を形成する段差部形成処理を行い、面発光レーザを作製する面発光レーザ作製工程と、それぞれの前記段差部の頂上面の全面にレンズを一体的に形成するレンズ形成工程とを経て製造される。以下、各工程について図２を参照しながら説明する。

（面発光レーザ作製工程）
図２（Ａ）に示すように、基板２上に例えば、ｎ型半導体ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）２０とＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸層２１からなる利得領域とｐ型半導体ＤＢＲ２２からなる面発光レーザ用能動層２３を形成する。

その後、公知のレジストを塗布し、露光装置でパターニングを行った後、レーザ領域を残して不要な周辺部をエッチングにより除去し、図２（Ｂ）に示すように、段差部２４を形成する（段差部形成処理）。当該段差部の高さは、１〜１０μｍとすることが好ましい。

次に、図２（Ｃ）に示すように、ｐ型半導体に接し、レーザ光の出射を妨げないような開口を有する電極２５を形成する。また、基板の裏面を電極２６で覆う。以上のようにして、面発光レーザを作製する。

（レンズ形成工程）
次に、レンズ材料２７を面発光レーザ上に塗布する。塗布されたレンズ材料２７は、基板上の段差部により、当該段差部の上で凸状の膜厚分布を形成する。その後、熱処理によりレンズ材料２７を硬化させることにより、段差部の頂上面の全面にレンズ２８を一体的に形成することができる。

レンズ材料としては、その前駆体の粘度が２０〜１５００ｍＰａであることが好ましく、具体的には、フッ素化ポリイミド、ポリシラン、ポリメチルメタクリレートなどが挙げられる。

塗布方法としては、スピンコート法を適用することが好ましい。スピンコート法の条件としては、レンズ材料の塗布時の回転数を１０００〜５０００ｒｐｍとすることが好ましい。かかる範囲とすることで、レンズ作用を実現するのに適した凸形状を形成することができる。塗布液の量は、少なくとも、塗布時に段差部に塗布液を供給できる量とする。また、熱処理による硬化温度は、４００℃以下とすることが好ましい。

このように、面発光レーザの光出射面にレーザ光の光軸に合わせてマイクロレンズを装着する場合において、段差部を利用することにより、レンズ用材料をスピンコートするだけで、レンズ作用に必要とされる凸面形状が段差部の頂上面の全面に得られると同時に、レーザ光とレンズとの光軸を合わせることが可能となる。特に、多数の光源に対しレンズを位置合わせする場合において、従来のような煩雑な位置合わせが不要となる。

スピンコート後は、不要な部分のフッ素化ポリイミドを除去するため、レジストを用いたパターニングを行い、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いて電極パッド上の当該フッ素化ポリイミドを除去する。

このようにして作製された微小光学素子は、通電によりレーザ発振するとともに、フッ素化ポリイミドで形成された平凸レンズによりコリメートされたレーザ光を得ることができる。これらをアレイ化することで、平行度の高い複数のコリメートされたレーザ光を容易に得ることができる。本発明の微小光学素子は、種々の用途に適用可能であり、例えば、大容量の並列光通信などに適用することができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

エピタキシャル成長により、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型半導体ＤＢＲ（Ｄｉｓｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）とＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸層からなる利得領域とｐ型半導体ＤＢＲからなる面発光レーザ用能動層を形成した。

ここで、半導体ＤＢＲは、２種類のＡｌＡｓモル比の異なるＡｌＧａＡｓからなるものを使用した。上記層を形成した後、レジストを塗布し、露光装置でパターニングを行った。その後、レーザ領域を残して不要な周辺部をエッチングにより除去し、段差部（高さ：５μｍ）を形成した（段差部形成処理）。

次に、ｐ型半導体に接し、レーザ光の出射を妨げないような開口を有する電極を形成した。また、ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面は全面を電極で覆い、面発光レーザを作製した（以上、面発光レーザ作製工程）。

フッ素化ポリイミド（粘度：５０ｍＰａ）をスピンコート法により面発光レーザ上に塗布した。スピンコートによる塗布時の回転数は、２５００ｒｐｍとした。塗布後、窒素ガス流通下（流量：１リットル／ｍｉｎ）３５０℃で６０分間の熱処理を施し、段差部の頂上面の全面にレンズを一体的に形成した（以上、レンズ形成工程）。

その後は、不要な部分のフッ素化ポリイミドを除去するため、レジストを用いたパターニングを行い、ＲＩＥを用いて電極パッド上のフッ素化ポリイミドを除去し、微小光学素子を作製した。

作製した微小光学素子のレンズが形成された面を光学顕微鏡により観察したところ、少なくとも段差部の発光領域がすべてレンズにより覆われていることが確認できた。

また、この微小光学素子を用いて、レーザ光を平行光化し、集光レンズで集光を行ったところ、レーザ発光面の直上にレンズが形成されているため、レンズの光軸とレーザ光の光軸とを位置合わせする必要がなく、実用上問題なく使用することができた。

本発明の微小光学素子の概略構成を示す部分断面図である。 本発明の微小光学素子の製造工程を説明する説明図である。 マイクロレンズの位置を調整するアクティブアライメントを説明する説明図である。 マイクロレンズアレイの製造工程を説明する説明図である。 インクジェット用のノズルを使用してレンズを形成する方法を説明する説明図である。

符号の説明

２・・・基板
４，２４・・・段差部
６・・・レンズ
１０・・・面発光レーザ
２０・・・ｎ型半導体ＤＢＲ
２１・・・量子井戸層
２２・・・ｐ型半導体ＤＢＲ
２３・・・能動層
２５，２６・・・電極
２７・・・レンズ材料
２８・・・レンズ

Claims (3)

1. 基板上に複数の段差部が形成され、それぞれの前記段差部の頂上面の全面にレンズが一体的に形成されていることを特徴とする微小光学素子。
2. 基板上に複数の段差部を形成する段差部形成処理を行い、面発光レーザを作製する面発光レーザ作製工程と、それぞれの前記段差部の頂上面の全面にレンズを一体的に形成するレンズ形成工程とを含むことを特徴とする微小光学素子の製造方法。
3. 前記レンズ形成工程における前記レンズを一体的に形成する処理が、スピンコート処理を含むことを特徴とする請求項２に記載の微小光学素子の製造方法。

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