JP3965848B2

JP3965848B2 - Optical element, laser array, and method of manufacturing optical element

Info

Publication number: JP3965848B2
Application number: JP34334799A
Authority: JP
Inventors: 高幸山田; 睦也高橋; 匡紀廣田; 秀則山田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: JP2001160654A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光インターコネクション、オプトエレクトロニクス、光計測、レーザプリンタ等の分野に好適な光学素子、レーザアレイ、および光学素子の製造方法に関し、特に、部品点数を少なくして光回路の構成の簡素化を図り、屈折率周期構造体の構造の自由度の高い光学素子、レーザアレイ、および光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
屈折率の分布が光の波長と同程度のピッチの屈折率周期構造を有する媒質は、独特の光の伝播特性を有することが知られており、近年、２次元あるいは３次元的な屈折率周期構造の媒質中での光の振る舞いが注目を集めている。そのような媒質中では、ある特定の範囲の波数ベクトルを有する光は伝播が禁じられ、半導体中の電子のエネルギーバンドと同様のフォトニックバンドが形成される。このフォトニックバンドを形成する屈折率周期構造を「フォトニック結晶」という。
【０００３】
このようなフォトニック結晶の従来の製造方法として、例えば、特開平１０−３３５７５８号公報に示されるものがある。
【０００４】
図９は、そのフォトニック結晶の製造方法を示す。この製造方法では、まず、基板上に孔を六角格子状に周期的に形成し、表面凹凸構造の下地（図示せず）を用意する。次に、この下地の表面に、高周波スパッタリング法によってＳｉ薄膜１００とＳｉＯ₂薄膜１０１を交互に成膜するとともに、ＳｉＯ₂薄膜１０１の一部に高周波により電離したイオンによってエッチングを行うスパッタエッチングを行うことにより屈折率が異なる２種類の薄膜１００，１０１からなるフォトニック結晶を製造する。この構成によれば、基板表面に形成した凹凸構造を多層薄膜の上層にも保存できるので、極めて微細な３次元周期構造体を製造することができる。
【０００５】
フォトニックバンド構造を有する従来の垂直共振器レーザとして、例えば、特開平１０−２８４８０６号公報に開示されるものがある。
【０００６】
図１０は、その垂直共振器レーザを示す。この垂直共振器レーザは、２次元フォトニックバンド構造を有する半導体層１１０と、半導体層１１０の両側にそれぞれ形成された多層膜反射鏡１２０，１３０とを有するものであり、次にように製造される。まず、ＩｎＰ基板上に、活性層を含む半導体層１１０を形成し、反応性イオンエッチングにより半導体層１１０に２次元状にホール１１１を形成して２次元フォトニックバンド構造を形成する。一方、ガラス基板上に高周波スパッタリング法によりＡｌ₂Ｏ₃層およびＳｉ層からなる多層膜反射鏡１３０を成膜する。ＩｎＰ基板とガラス基板とを膜面を向かい合わせて加熱接合する。ＩｎＰ基板の裏面を研磨してＩｎＰ基板を薄くした後、選択エッチングによりＩｎＰクラッド層を露出させ、その露出したＩｎＰクラッド層上にガラス基板上に施したのと同様に多層膜反射鏡１２０を成膜する。このようにして垂直共振器レーザが製造される。この構成によれば、レーザ活性媒質からの発光を３次元空間で制御することで、発振閾値を低減し、かつ、高効率なレーザ動作を行うことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の図９に示したフォトニック結晶によると、発光ダイオード等の光素子とともに光回路を構成しなければならないため、部品点数が増加して光回路の構成を複雑化し、また、それぞれの部品を精度良く組み立てなくてはならないため、光回路のアセンブリが困難となる。
【０００８】
また、従来の図１０に示した垂直共振器レーザによると、活性層を含む半導体光素子の内部にフォトニックバンド構造を形成しているので、屈折率周期構造体の構造の自由度が低いという問題がある。
【０００９】
従って、本発明の目的は、部品点数を少なくして光回路の構成の簡素化を図り、屈折率周期構造体の構造の自由度の高い光学素子、レーザアレイ、および光学素子の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、基板上に形成され、受発光部を介して受光あるいは発光する光素子と、前記光素子が受光あるいは発光する光の波長に対して透明性を有し、前記受発光部の表面の凹凸を平坦化して前記受発光部上に常温接合可能に清浄化された平坦な結合面を形成する光結合層と、前記結合面に所定の２次元パターンを有し、表面が常温接合可能に清浄化された複数の層を積層して接合されたフォトニック結晶とを備えたことを特徴とする光学素子を提供する。
上記構成によれば、受発光部は、光結合層を介して屈折率周期構造体と光学的かつ機械的に結合される。受発光部の表面側に屈折率周期構造体を配置することにより、材料の選択の自由度が高くなる。
【００１１】
本発明は、上記目的を達成するため、第１面とこの第１面と対向する第２面を有する基板と、前記基板の前記第１面上に１次元状あるいは２次元状に配列され、前記第１面側に複数の発光部を有し、前記複数の発光部からレーザ光を出射する複数の面発光型レーザ素子と、前記レーザ光の波長に対して透明性を有し、前記基板の前記第１面側に前記複数の面発光型レーザ素子の表面の凹凸および前記面発光型レーザ素子間の凹凸を平坦化して常温接合可能に清浄化された平坦な結合面を形成する平坦化層と、前記結合面に所定の２次元パターンを有し、表面が常温接合可能に清浄化された複数の層を積層して形成されたフォトニック結晶とを備えたことを特徴とするレーザアレイを提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第1の実施の形態に係る光学素子を示す。この光学素子１は、アレイ基板２と、アレイ基板２上に通常の半導体プロセスを用いて１次元あるいは２次元状に形成された複数の受発光素子３と、アレイ基板２の表面を平坦化する光結合層４と、光結合層４上に形成されたフォトニック結晶５とを有する。
【００１３】
受発光素子３は、光を出射するレーザ素子，ＬＥＤ，ＥＬ素子等の発光素子、あるいはシリコンフォトダイオード，アバランシェ増幅型光センサ等の受光素子である。受発光素子３は、受発光部としての表面３ａを介して受光あるいは発光するが、その表面３ａには凹凸がある。本実施の形態では、受発光素子３として機能する部分は周囲に比べて台地状に凸形状となっている。受発光素子３の周囲に光結合層４を形成することにより、アレイ基板２の表面は平坦化される。
【００１４】
光結合層４は、複数の受発光素子３とフォトニック結晶５とを光学的かつ機械的に結合するものであり、受発光素子３が受光あるいは発光する光の波長に対して実質的な透明性を有する材料、例えば、シリコン窒化膜から形成される。
【００１５】
フォトニック結晶５は、使用する光の波長と同程度あるいはそれ以下の周期で屈折率が変化する屈折率周期構造体であり、１種類の薄膜材料と空気あるいは真空の部分、あるいは２種類以上の薄膜材料からなる所定のパターンを有する薄膜を、ラテラル方向に位置をずらしながら複数層積層してなるものであり、薄膜としては、例えば、Ｓｉを用いることができる。
【００１６】
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、フォトニック結晶５の製造工程を示す。まず、同図（ａ）に示すように、図１に示すアレイ基板２とは別の基板６上にフォトリソグラフィー法等により所定のパターンを有するパターン層５０Ａ，５０Ｂを形成する。同図の場合は、パターン層５０Ａは、縦方向にストライプ形状を有する複数の薄膜５１から構成され、パターン層５０Ｂは、横方向のストライプ形状を有する複数の薄膜５１から構成される。このようなパターン層５０Ａ，５０Ｂを基板６上にそれぞれ複数個形成しておく。次に、これらのパターン層５０Ａ，５０Ｂを、図２（ｂ）に示すように、順次アレイ基板２の光結合層４に接合・転写させて複数層（数層乃至数十層）積層することにより、図２（ｃ）に示すようなフォトニック結晶５を作製する。このフォトニック結晶５は、薄膜５１の材料の屈折率、薄膜５１以外の領域の屈折率（空気若しくは他の薄膜材料）、ストライプの線幅とピッチ、膜厚等を制御することにより、あるいは上記ストライプ構造以外の周期構造とすることにより、光学的機能を所望のものにすることが可能である。
【００１７】
このような第１の実施の形態によれば、自由に設計が可能な３次元のフォトニック結晶５と受発光素子３とを一体的に形成することにより、各種の機能を有する光学素子が実現できる。例えば、発光素子と、集光機能を有するフォトニック結晶５を組み合わせると、出射光束の方向や広がり角度を所望の範囲に揃えることが可能となる。また、受光素子と、フィルター機能を有するフォトニック結晶５を組み合わせると、特定の波長を有する信号光のみに感度を有し、外部からの雑音光を除去することが可能となるため、ＳＮ比に優れる受光素子が実現できたり、波長多重通信システム用の受光素子が実現できる。上述のようなフォトニック結晶５が有する光学的機能は、フォトニック結晶５の各パターン層を適切に設計することにより、自由に設定可能である。
また、光結合層４を挿入することで、既存の受発光素子３の製造プロセスを変更すること無く、その表面にフォトニック結晶５を積層することが可能となる。なお、パターン層のパターンは、上記のストライプパターン以外でもよく、例えば、薄膜の一部に周期的な孔が多数個形成されたパターンや、逆に周期的な島状領域が多数個形成されたパターン等が適用できる。また、周期的なパターン以外に、周期構造の中に周期性を乱したパターン（結晶欠陥）を導入してもよい。このような結晶部分は、光の導波経路として機能するため、受発光部と任意の部位を光学的に接続することが可能となる。
【００１８】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る光学素子を示す。第１の実施の形態では、光結合層４が受発光素子３の周囲だけでなく表面をも覆い込んでいるが、この第２の実施の形態は、光結合層４を受発光素子３の周囲のみに形成したものである。これにより、受発光素子３の表面３ａと光結合層４とが同一膜厚となるので、受発光素子３の表面３ａ、および光結合層４の表面にフォトニック結晶５が積層し易くなる。
【００１９】
【実施例】
図４（ａ），（ｂ）は、本発明の実施例１を示す。この実施例１は、第１の実施の形態の光学素子１を面発光型レーザアレイ１０に適用したものである。以下に、この面発光型レーザアレイ１０の製造方法の一例を説明する。まず、分子線エピタキシー技術を用いて、半絶縁性のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなるアレイ基板２上に、ｎ＋型のＧａＡｓからなる下部クラッド層３０と、それぞれの膜厚が媒質内波長の１／４であるＡｌＡｓとＧａＡｓとを交互に積層した総膜厚数μｍのｎ側多層反射膜３１と、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓで構成された量子井戸３層をＧａＡｓ１０ｎｍで挟んだ構造を有し、膜厚が媒質内波長のアンドープ活性領域３２と、それぞれの膜厚が媒質内波長の１／４であるＡｌＡｓとＧａＡｓとを交互に積層した総膜厚数μｍのｐ側多層反射膜３３とを順次成長させる。なお、ドーパントには、ＳｉおよびＢｅをそれぞれｎ側多層反射膜３１およびｐ側多層反射膜３３に用いている。
【００２０】
次に、ｎ側配線の分離のためにリアクティブイオンエッチング技術を用いて、配線分離用溝３４を作成し、縦方向に３２本の行を設ける。配線分離用溝３４の深さは下部クラッド層３０を貫通して半絶縁性のＧａＡｓのアレイ基板２に達しているが、これは各コラムの電気的分離を行うためである。配線分離用溝３４は、ポリイミド３５を用いて埋められ、次にフォトリソ工程と金属蒸着技術により、横方向に３２本の列、すなわちｐ側多層反射膜３３の上面に３２本の受発光部としてのｐ側金属配線３６を設ける。各列はプロトンを活性領域３２までインプランテーション（図示せず）することにより電気的に分離されている。各行の手前端は、下部クラッド層３０が表面に出る様にエッチングされ、その上面に電極パッド３７が設けられている。また、各列の右端にもｐ側金属（Ａｕ）配線３６上面に電極パッド３８が設けられている。ｉ列ｊ行面の発光点（ｉ，ｊ）を発光させる場合には，ｉ列の電極パッド３８とｊ行の電極パッド３７とを通して発光点（ｉ，ｊ）のレーザに必要な電流を注入し、他の配線をオープンにすればよい。なお、本面発光型レーザアレイ１０は、基板表面側（図４において上側）から光が出射するように上記多層反射膜３１，３３を構成してある。
【００２１】
このような面発光型レーザアレイ１０は、配線分離用溝３４をポリイミド３５で埋めてはあるものの、その後のｐ側金属配線３６の形成により表面には凹凸があるため、この状態のままでは次工程でフォトニック結晶５を積層できない。そこでこの凹凸を完全に平坦化するため、スパッタリング法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法により絶縁性薄膜を光結合層４として着膜する。着膜条件を適当に選択することにより下地に凹凸があっても薄膜の表面を平坦にすることができる。また、必ずしも表面が十分に平坦にならなくても、ＣＭＰ（化学的機械的研磨法）による表面研磨法や、エッチバック法により、完全な平面に仕上げてもよい。着膜する薄膜としては、発光波長に対して透明であり、レーザアレイの個別素子の電気的絶縁性が満足でき、しかも後で述べる常温接合可能な材料であれば、何でもよい。本実施例では、プラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜を用いた。この膜を用いれば、ガスの流量や圧力、放電電力を適当に制御することにより、表面を平坦にすることが比較的容易である。
【００２２】
図５（ａ）〜（ｇ）は、面発光型レーザアレイ１０の製造工程を示す。まず、同図（ａ）に示すように、Ｓｉウエハからなる基板６を準備し、この表面にポリイミドをスピンコーティング法にて５μｍ塗布し、これを硬化させて、表面にフッ化処理を施して離型層７を形成する（工程ａ）。次に、この離型層７の上にスパッタリング法によりＳｉ薄膜５１を０．１乃至０．５μｍ着膜する。膜厚は、水晶振動子でモニターすることにより正確に設定できる。
【００２３】
次に、同図（ｂ）に示すように、通常のフォトリソグラフィーを用いてＳｉ薄膜５１をパターニングして図５（ｂ）に示すようにフォトニック結晶５の各パターン層５０Ａ，５０Ｂを一括して形成する（工程ｂ）。このパターン層５０Ａ，５０Ｂは、図２（ａ）で示した縦方向及び横方向のストライプパターンのアレイである。ストライプのピッチは利用波長の半分程度であり、ストライプの線幅はピッチの２割から８割程度である。Ｓｉ薄膜５１のエッチングは、湿式エッチングよりもドライエッチング、望ましくは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）の方が、パターンの角が丸まらず基板６の表面に対して端面が垂直となるので好ましい。
【００２４】
次に、図５（ｃ）に示すように、パターン層５０Ａ，５０Ｂを形成した基板６を真空チャンバーに導入し、アレイ基板２と対向させ（光結合層４側が図中下向き）、高真空、望ましくは超高真空に排気する。そしてパターン層５０Ａ，５０Ｂとアレイ基板２上の光結合層４の両方の面にＦＡＢ(Fast Atom Beam)８を照射して表面を清浄化する（工程ｃ）。ＦＡＢ８はアルゴンガスを源とし、加速電圧０.５乃至１.５ｋＶ、電流値５乃至１５ｍＡで５分間照射した。ＦＡＢ８により表面の酸化膜や汚染層が除去されるが、その膜厚は高々５ｎｍ程度なので膜厚精度に対する影響は軽微である。また、この除去量を予め考慮し、上記工程ａで着膜するＳｉ薄膜５１の膜厚に上乗せしておくことも可能である。
【００２５】
引き続き、図５（ｄ）に示すように、基板２，６同士を圧接すると、パターン層５０Ａとアレイ基板２上のシリコン窒化膜からなる光結合層４が常温接合により強固に接合される（工程ｄ）。ここで、「常温接合」とは、真空中で原子レベルで清浄な面同士を圧接することで、実現される接合方法である。加熱を必要としないため、熱膨張率の異なる材料でも歪なく強固に接合できるという特徴を有する。
【００２６】
更に、図５（ｅ）に示すように、アレイ基板２を上方へ引き離すと、基板６上のパターン層５０Ａはアレイ基板２側に転写される（工程ｅ）。これは離型層７とパターン層５０Ａの密着力が光結合層４であるシリコン窒化膜とパターン層５０Ａとの接合力よりも小さいためである。この工程によりフォトニック結晶５の第１層がアレイ基板２上に形成されたことになる。転写された第１層のパターン層５０Ａの表面は、それまで離型層７と接触していた面であり、この表面粗さはポリイミドの表面粗さと同程度（Ｒａ＜１ｎｍ）で非常に良好である。従って、このフォトニック結晶５は、散乱による損失が少ないという特徴を有することになる。
【００２７】
次に、第１層のパターン層５０Ａが転写されたアレイ基板２を移動し、今度は第２層のパターン層５０Ｂの直上に来るようにする。そして上記ｃ、ｄ、ｅの各工程を繰り返すと、図５（ｆ）に示すように、各個アレイ基板２上の第1層のパターン層５０Ａと基板６上の第２層のパターン層５０Ｂが常温接合・転写し、第２層のパターン層５０Ｂは第1層のパターン層５０Ａ上に積層される。この状態でパターン層５０Ｂ側から立体的に見ると、前記図２の（ｂ）のようになっている。
【００２８】
同様に引き続き上記ｃ、ｄ、ｅの各工程を後６回繰り返すことにより、８層のＳｉのパターン層５０Ａ，５０Ｂを積層したフォトニック結晶５が作製できる。
【００２９】
なお、本実施例では、スパッタリングによりＳｉ薄膜を形成したが、シランガスやジシランガスを原料とする減圧ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法によりＳｉ薄膜を形成してもよい。これらの場合、基板温度を高くする必要があるが、離型層としてはポリイミドの替わりに、より耐熱性の高いＳｉＯ₂（二酸化珪素）膜やＳｉＯＦ（酸化フッ化珪素）膜を用いてもよい。また、薄膜材料はＳｉ以外でも、所望の波長に対して適当な屈折率を有する誘電体材料、半導体材料であればよい。また、本実施例では、発光素子として既に個別発光部間の溝をポリイミド膜で埋めてある面発光型レーザ素子の２次元アレイを用いたため、発光素子表面の凹凸は比較的少なかったが、発光部間を埋めていない１次元アレイ素子や個別発光素子の場合は、凹凸が大きいため、素子の断面形状は図１により近い形状となる。
【００３０】
図６は、本発明の実施例２の面発光型レーザアレイを示す。この実施例２の面発光型レーザアレイ１０は、実施例１における光結合層４を平坦化の機能を有する下層の光結合層４０と、常温接合可能な機能を有する上層の光結合層４１の２層構造に分けて構成したものである。
【００３１】
以下に、実施例２の製造方法の一例を説明する。まず、実施例１と同様に、基板２上に面発光型レーザ素子１３をアレイ状に形成する。金属配線パターンが形成された後、ポリイミドからなる下層の光結合層４０をスピンコーティング法により基板２全面に塗布して表面の凹凸形状を平坦にする。ポリイミドの前駆体は適度な粘度を有する液体なので、基板２の表面に凹凸があっても、塗布後のポリイミドの表面は完全に平坦化される。ポリイミドを塗布後、それを２５０℃乃至３５０℃でキュアし、下層の光結合層４０を完成させる。下地の段差の程度により、必要により複数回のポリイミドの塗布を繰り返して、完全な平坦面を得ることもできる。一般に凹凸面の平坦化の効率は、実施例１に示した薄膜の着膜よりも、ポリイミドのスピンコーティング法の方が優れている。
【００３２】
次に、下層の光結合層４０の表面にシリコンからなる上層の光結合層４１をスパッタリング法により１００ｎｍ着膜する。この上層の光結合層４１は、後の工程で積層するフォトニック結晶５と常温接合可能とするためのものである。着膜する薄膜としては、シリコン以外でも常温接合可能であればなんでもよく、薄い金属、例えば、金やプラチナ、望ましくは誘電体、例えばシリコン窒化膜、シリコン酸化膜等が選択可能である。膜厚は所望の値以上の光の透過率が得られるように十分薄いことが必要であるが、金属の場合は数１０ｎｍ程度以下にすることが望ましい。一方、常温接合を実現するためには、１０ｎｍ程度の膜厚以上あれば十分なので、これらの条件を満足する構成は多種多様である。
【００３３】
図７は、本発明の実施例３の面発光型レーザアレイを示す。この実施例３の面発光型レーザアレイ１０は、実施例２の変形であり、面発光型レーザ素子１３として裏面発光型のものを用いたものである。
【００３４】
以下に、この実施例３の製造方法の一例について説明する。まず、実施例１と同様に基板２上に面発光型レーザ素子１３をアレイ状に形成する。なお、この素子１３は、多層反射膜の構成を変更して基板２の裏側からビーム光が出射する構造を有する。このような構成の場合、基板２中でのレーザ光の吸収を避けるため、出射位置に対応する基板２をエッチングして受発光部としての出射孔２ａを形成することが多い。このような構造のレーザ光の出射面となる出射孔２ａにフォトニック結晶５を積層することは困難である。そこで実施例２と同様に、平坦化層としてまずポリイミドからなる下層の光結合層４０をスピンコーティング法により塗布する。実施例２との違いは、基板２の裏面側に塗布して出射孔２ａを十分に埋めることである。出射孔２ａは、１００μｍ以上の深さがあることが多いため、塗布は複数回繰り返す。ポリイミドをキュアし、その後の工程は、実施例２と同様であり、平坦な光結合層４０の表面に常温接合が可能な層としてＳｉからなる上層の光結合層４１を着膜する。その後、上層の光結合層４１上にフォトニック結晶５を積層する。
【００３５】
図８は、本発明の実施例４の面発光型レーザアレイを示す。この実施例４の面発光型レーザアレイ１０は、実施例２の変形であり、図３に示す構造を実現するものである。面発光レーザ素子１３及び光結合層４としてのポリイミド塗布までの工程は実施例２と同様である。ポリイミドのキュア後にドライエッチング法によりポリイミドの表面を少しエッチバックして、図３に示したように、レーザの最表面と同一高さになるようする。ドライエッチングとしては、酸素ガスとＣＦ₄ガスを用いて、平行平板型のドライエッチング装置により容易に実現できる。
【００３６】
この実施例４によれば、光結合層としての上層が不要となる。すなわち、面発光型レーザ素子の最上層は、例えば、金やアルミニウムの配線層であるが、この材料とフォトニック結晶５を構成する薄膜材料が常温接合可能であれば、光結合層の上層は不要となる。例えば、本実施例のように、フォトニック結晶５をシリコンで形成し、面発光型レーザ素子の配線層がアルミニウムを主成分とする材料であれば、これらは互いに常温接合可能であるため、光結合層の上層を着膜すること無くフォトニック結晶５の積層が可能となる。
【００３７】
なお、上記実施の形態および上記実施例では、複数の受発光素子を有する光学素子について説明したが、単一の受発光素子を有するものでもよい。また、同一基板上に発光素子と受光素子を一体形成し、その表面に同様な方法により光結合層４とフォトニック結晶５を形成してもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学素子、レーザアレイ、および光学素子の製造方法によれは、受発光部は、光結合層を介して屈折率周期構造体と光学的かつ機械的に結合されるので、光回路を構成する部品点数を低減して光回路の構成の簡素化を図ることができ、また、光回路を簡単に構成することができる。また、受発光部の表面側に屈折率周期構造体を結合して配置しているので、屈折率周期構造体の構造の自由度が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1の実施の形態に係る光学素子を示す断面図
【図２】フォトニック結晶の製造工程を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ），（ｃ）は斜視図
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る光学素子を示す断面図
【図４】本発明の実施例１の面発光レーザアレイを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図
【図５】（ａ）〜（ｇ）は、本発明の実施例１の製造工程を示す断面図
【図６】本発明の実施例２の面発光レーザアレイを示す断面図
【図７】本発明の実施例３の面発光レーザアレイを示す断面図
【図８】本発明の実施例４の面発光レーザアレイを示す断面図
【図９】従来のフォトニック結晶の製造方法を示す斜視図
【図１０】従来の垂直共振器レーザを示す斜視図
【符号の説明】
１光学素子
２アレイ基板
２ａ出射孔
３受発光素子
３ａ表面
４光結合層
５フォトニック結晶
６基板
７離型層
８ＦＡＢ(Fast Atom Beam)
１０面発光型レーザアレイ
１３面発光型レーザ素子
３０下部クラッド層
３１側多層反射膜
３２アンドープ活性領域
３２活性領域
３３側多層反射膜
３４配線分離用溝
３５ポリイミド
３６側金属配線
３６配線
３７電極パッド
３８電極パッド
４０光結合層
４１光結合層
５０Ａ，５０Ｂパターン層
５１薄膜
１００Ｓｉ薄膜
１０１ＳｉＯ₂薄膜
１１０半導体層
１１１ホール
１２０，１３０多層膜反射鏡[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical element, a laser array, and an optical element manufacturing method suitable for the fields of optical communication, optical interconnection, optoelectronics, optical measurement, laser printers, and the like. The present invention relates to an optical element having a high degree of freedom in the structure of a refractive index periodic structure, a laser array, and a method for manufacturing the optical element.
[0002]
[Prior art]
It is known that a medium having a refractive index periodic structure with a refractive index distribution having the same pitch as the wavelength of light has a unique light propagation characteristic. In recent years, a two-dimensional or three-dimensional refractive index period is known. The behavior of light in a structured medium is attracting attention. In such a medium, light having a wave vector in a specific range is prohibited from propagating, and a photonic band similar to the energy band of electrons in the semiconductor is formed. The refractive index periodic structure forming this photonic band is called “photonic crystal”.
[0003]
As a conventional method for producing such a photonic crystal, for example, there is a method disclosed in JP-A-10-335758.
[0004]
FIG. 9 shows a method for manufacturing the photonic crystal. In this manufacturing method, first, holes are periodically formed in a hexagonal lattice pattern on a substrate to prepare a base (not shown) having a surface uneven structure. Next, the Si thin film 100 and the SiO ₂ thin film 101 are alternately formed on the surface of the underlayer by high frequency sputtering, and sputter etching is performed in which a portion of the SiO ₂ thin film 101 is etched by ions ionized by high frequency. Thus, a photonic crystal composed of two types of thin films 100 and 101 having different refractive indexes is manufactured. According to this configuration, since the concavo-convex structure formed on the substrate surface can be stored in the upper layer of the multilayer thin film, an extremely fine three-dimensional periodic structure can be manufactured.
[0005]
An example of a conventional vertical cavity laser having a photonic band structure is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-284806.
[0006]
FIG. 10 shows the vertical cavity laser. This vertical cavity laser has a semiconductor layer 110 having a two-dimensional photonic band structure, and multilayer reflectors 120 and 130 formed on both sides of the semiconductor layer 110, respectively, and is manufactured as follows. The First, a semiconductor layer 110 including an active layer is formed on an InP substrate, and holes 111 are formed two-dimensionally in the semiconductor layer 110 by reactive ion etching to form a two-dimensional photonic band structure. On the other hand, a multilayer film reflecting mirror 130 made of an Al ₂ O ₃ layer and a Si layer is formed on a glass substrate by high frequency sputtering. The InP substrate and the glass substrate are heat-bonded with their film surfaces facing each other. After polishing the back surface of the InP substrate to make the InP substrate thinner, the InP cladding layer is exposed by selective etching, and the multilayer mirror 120 is formed on the exposed InP cladding layer on the glass substrate. Film. In this way, a vertical cavity laser is manufactured. According to this configuration, by controlling the light emission from the laser active medium in a three-dimensional space, it is possible to reduce the oscillation threshold and perform highly efficient laser operation.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the conventional photonic crystal shown in FIG. 9, since the optical circuit must be configured together with an optical element such as a light emitting diode, the number of parts is increased and the configuration of the optical circuit is complicated. Since the parts must be assembled with high precision, it is difficult to assemble the optical circuit.
[0008]
Further, according to the conventional vertical cavity laser shown in FIG. 10, since the photonic band structure is formed inside the semiconductor optical device including the active layer, the degree of freedom of the structure of the refractive index periodic structure is low. There's a problem.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical element, a laser array, and a method of manufacturing an optical element that reduce the number of parts, simplify the configuration of an optical circuit, and have a high degree of freedom in the structure of a refractive index periodic structure. There is to do.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has an optical element that is formed on a substrate and receives or emits light through a light emitting / receiving section, and is transparent to the wavelength of light received or emitted by the optical element. An optical coupling layer for flattening irregularities on the surface of the light emitting / receiving unit to form a flat coupling surface that can be bonded at room temperature on the light emitting / receiving unit; and a predetermined two-dimensional pattern on the coupling surface. And a photonic crystal in which a plurality of layers whose surfaces are cleaned so as to be bonded at room temperature are laminated and bonded .
According to the above configuration, the light emitting / receiving unit is optically and mechanically coupled to the refractive index periodic structure through the optical coupling layer. By disposing the refractive index periodic structure on the surface side of the light emitting / receiving unit, the degree of freedom in selecting the material is increased.
[0011]
In order to achieve the above object, the present invention is arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner on a substrate having a first surface and a second surface facing the first surface, and on the first surface of the substrate, a plurality of light emitting portions on the first surface side, and a plurality of surface emitting laser element which emits laser light from the plurality of light emitting portions, has transparency to the wavelength of the laser beam, before Symbol A flat surface is formed on the first surface side of the substrate so as to flatten the unevenness of the surface of the plurality of surface emitting laser elements and the unevenness between the surface emitting laser elements to form a flat bonding surface that is cleaned so as to be bonded at room temperature. laser, wherein the layer has a predetermined two-dimensional pattern on the coupling face, that the surface has a photonic crystal formed by stacking a plurality of layers bonded at room temperature can be cleaned Provide an array.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an optical element according to the first embodiment of the present invention. This optical element 1 flattens the surface of an array substrate 2, a plurality of light emitting / receiving elements 3 formed on the array substrate 2 in a one-dimensional or two-dimensional manner using a normal semiconductor process, and the array substrate 2. It has an optical coupling layer 4 and a photonic crystal 5 formed on the optical coupling layer 4.
[0013]
The light emitting / receiving element 3 is a light emitting element such as a laser element that emits light, an LED, or an EL element, or a light receiving element such as a silicon photodiode or an avalanche amplification type optical sensor. The light emitting / receiving element 3 receives or emits light through the surface 3a as a light emitting / receiving unit, but the surface 3a has irregularities. In the present embodiment, the portion functioning as the light emitting / receiving element 3 has a plate-like convex shape as compared to the surroundings. By forming the optical coupling layer 4 around the light emitting / receiving element 3, the surface of the array substrate 2 is planarized.
[0014]
The optical coupling layer 4 optically and mechanically couples the plurality of light emitting / receiving elements 3 and the photonic crystal 5 and is substantially transparent to the wavelength of light received or emitted by the light emitting / receiving element 3. It is made of a material having a property, for example, a silicon nitride film.
[0015]
The photonic crystal 5 is a refractive index periodic structure in which the refractive index changes at a period similar to or less than the wavelength of light to be used. One type of thin film material and air or vacuum part, or two or more types A thin film having a predetermined pattern made of a thin film material is formed by laminating a plurality of layers while shifting the position in the lateral direction. For example, Si can be used as the thin film.
[0016]
2A, 2 </ b> B, and 2 </ b> C show the manufacturing process of the photonic crystal 5. First, as shown in FIG. 1A, pattern layers 50A and 50B having a predetermined pattern are formed on a substrate 6 different from the array substrate 2 shown in FIG. 1 by a photolithography method or the like. In the case of the figure, the pattern layer 50A is composed of a plurality of thin films 51 having a stripe shape in the vertical direction, and the pattern layer 50B is composed of a plurality of thin films 51 having a stripe shape in the horizontal direction. A plurality of such pattern layers 50A and 50B are formed on the substrate 6 respectively. Next, as shown in FIG. 2B, these pattern layers 50A and 50B are sequentially bonded and transferred to the optical coupling layer 4 of the array substrate 2 to laminate a plurality of layers (several to several tens of layers). Thus, the photonic crystal 5 as shown in FIG. The photonic crystal 5 is formed by controlling the refractive index of the material of the thin film 51, the refractive index of the region other than the thin film 51 (air or other thin film material), the line width and pitch of the stripe, the film thickness, etc. By using a periodic structure other than the stripe structure, the optical function can be made desired.
[0017]
According to the first embodiment, an optical element having various functions can be realized by integrally forming the three-dimensional photonic crystal 5 and the light emitting / receiving element 3 that can be freely designed. it can. For example, when the light emitting element and the photonic crystal 5 having a condensing function are combined, it becomes possible to align the direction and the spread angle of the emitted light beam within a desired range. Further, when the light receiving element and the photonic crystal 5 having a filter function are combined, only the signal light having a specific wavelength is sensitive, and noise light from the outside can be removed. An excellent light receiving element can be realized, or a light receiving element for a wavelength division multiplexing communication system can be realized. The optical function of the photonic crystal 5 as described above can be freely set by appropriately designing each pattern layer of the photonic crystal 5.
Further, by inserting the optical coupling layer 4, it is possible to stack the photonic crystal 5 on the surface without changing the existing manufacturing process of the light emitting and receiving element 3. Note that the pattern of the pattern layer may be other than the stripe pattern described above, for example, a pattern in which a large number of periodic holes are formed in a part of the thin film, and conversely, a large number of periodic island-shaped regions are formed. Patterns can be applied. In addition to the periodic pattern, a pattern (crystal defect) having a disturbed periodicity may be introduced into the periodic structure. Since such a crystal portion functions as a light waveguide path, it is possible to optically connect the light emitting / receiving portion to an arbitrary portion.
[0018]
FIG. 3 shows an optical element according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the optical coupling layer 4 covers not only the periphery of the light emitting / receiving element 3 but also the surface thereof. In the second embodiment, the optical coupling layer 4 is formed on the light emitting / receiving element 3. It was formed only around. As a result, the surface 3 a of the light emitting / receiving element 3 and the optical coupling layer 4 have the same film thickness, so that the photonic crystal 5 is easily laminated on the surface 3 a of the light emitting / receiving element 3 and the surface of the optical coupling layer 4.
[0019]
【Example】
4 (a) and 4 (b) show Example 1 of the present invention. In Example 1, the optical element 1 according to the first embodiment is applied to a surface emitting laser array 10. Below, an example of the manufacturing method of this surface emitting laser array 10 is demonstrated. First, using a molecular beam epitaxy technique, on the array substrate 2 made of semi-insulating gallium arsenide (GaAs), a lower cladding layer 30 made of n + type GaAs and each film thickness is 1 / of the wavelength in the medium. 4 having a structure in which an n-side multilayer reflective film 31 having a total thickness of several μm, in which AlAs and GaAs are alternately stacked, and three quantum well layers composed of In0.2Ga0.8As are sandwiched by GaAs 10 nm, An undoped active region 32 having a thickness in the medium wavelength, and a p-side multilayer reflective film 33 having a total thickness of several μm, in which AlAs and GaAs each having a thickness of ¼ of the wavelength in the medium are alternately stacked. Grow. As dopants, Si and Be are used for the n-side multilayer reflective film 31 and the p-side multilayer reflective film 33, respectively.
[0020]
Next, using the reactive ion etching technique for the separation of the n-side wiring, the wiring separation groove 34 is formed, and 32 rows are provided in the vertical direction. The depth of the wiring isolation groove 34 penetrates the lower cladding layer 30 and reaches the semi-insulating GaAs array substrate 2 in order to electrically isolate each column. The wiring isolation trenches 34 are filled with polyimide 35, and then, by photolithography process and metal deposition technique, 32 rows in the lateral direction, that is, 32 light receiving and emitting portions on the upper surface of the p-side multilayer reflective film 33 are formed. The p-side metal wiring 36 is provided. Each row is electrically isolated by implanting protons (not shown) into the active region 32. The front end of each row is etched so that the lower clad layer 30 is exposed on the surface, and an electrode pad 37 is provided on the upper surface thereof. An electrode pad 38 is also provided on the upper surface of the p-side metal (Au) wiring 36 at the right end of each column. When the light emitting point (i, j) on the i-th column and j-th row is caused to emit light, the current necessary for the laser at the light-emitting point (i, j) is injected through the i-th electrode pad 38 and the j-th electrode pad 37 Then, other wiring may be opened. In addition, the surface emitting laser array 10 includes the multilayer reflective films 31 and 33 so that light is emitted from the substrate surface side (upper side in FIG. 4).
[0021]
In such a surface emitting laser array 10, although the wiring separation groove 34 is filled with polyimide 35, the surface is uneven due to the subsequent formation of the p-side metal wiring 36. The photonic crystal 5 cannot be stacked in the process. Therefore, in order to completely flatten the unevenness, an insulating thin film is deposited as the optical coupling layer 4 by sputtering or CVD (Chemical Vapor Deposition). By appropriately selecting the deposition conditions, the surface of the thin film can be flattened even if the substrate has irregularities. Further, even if the surface does not necessarily become sufficiently flat, a completely flat surface may be finished by a surface polishing method by CMP (chemical mechanical polishing method) or an etch back method. The thin film to be deposited may be any material as long as it is transparent to the emission wavelength, can satisfy the electrical insulation of the individual elements of the laser array, and can be bonded at room temperature described later. In this embodiment, a silicon nitride film formed by plasma CVD is used. If this film is used, it is relatively easy to flatten the surface by appropriately controlling the gas flow rate, pressure, and discharge power.
[0022]
5A to 5G show the manufacturing process of the surface emitting laser array 10. First, as shown in FIG. 1A, a substrate 6 made of a Si wafer is prepared, and polyimide is applied to this surface by spin coating, 5 μm is cured, and the surface is subjected to fluorination treatment. A release layer 7 is formed (step a). Next, a Si thin film 51 is deposited on the release layer 7 by sputtering to a thickness of 0.1 to 0.5 μm. The film thickness can be accurately set by monitoring with a crystal resonator.
[0023]
Next, as shown in FIG. 5B, the Si thin film 51 is patterned by using normal photolithography, and the pattern layers 50A and 50B of the photonic crystal 5 are bundled as shown in FIG. (Step b). The pattern layers 50A and 50B are arrays of stripe patterns in the vertical direction and the horizontal direction shown in FIG. The pitch of the stripe is about half of the wavelength used, and the line width of the stripe is about 20% to 80% of the pitch. Etching of the Si thin film 51 is more dry etching than wet etching, preferably reactive ion etching (RIE) because the corners of the pattern are not rounded and the end face is perpendicular to the surface of the substrate 6. preferable.
[0024]
Next, as shown in FIG. 5 (c), the substrate 6 on which the pattern layers 50A and 50B are formed is introduced into the vacuum chamber and is opposed to the array substrate 2 (the optical coupling layer 4 side is downward in the drawing). Desirably, the vacuum is evacuated. Then, both surfaces of the pattern layers 50A and 50B and the optical coupling layer 4 on the array substrate 2 are irradiated with FAB (Fast Atom Beam) 8 to clean the surface (step c). FAB8 was irradiated with argon gas at an acceleration voltage of 0.5 to 1.5 kV and a current value of 5 to 15 mA for 5 minutes. Although the surface oxide film and the contamination layer are removed by FAB8, since the film thickness is about 5 nm at most, the influence on the film thickness accuracy is slight. It is also possible to consider this removal amount in advance and add it to the film thickness of the Si thin film 51 deposited in the step a.
[0025]
Subsequently, as shown in FIG. 5D, when the substrates 2 and 6 are pressed together, the pattern layer 50A and the optical coupling layer 4 made of the silicon nitride film on the array substrate 2 are firmly bonded by room temperature bonding (steps). d). Here, “room temperature bonding” is a bonding method realized by pressure-contacting clean surfaces at the atomic level in a vacuum. Since heating is not required, materials having different thermal expansion coefficients can be firmly joined without distortion.
[0026]
Further, as shown in FIG. 5E, when the array substrate 2 is pulled upward, the pattern layer 50A on the substrate 6 is transferred to the array substrate 2 side (step e). This is because the adhesive force between the release layer 7 and the pattern layer 50A is smaller than the bonding force between the silicon nitride film as the optical coupling layer 4 and the pattern layer 50A. With this process, the first layer of the photonic crystal 5 is formed on the array substrate 2. The surface of the transferred first pattern layer 50A is the surface that has been in contact with the release layer 7 until then, and this surface roughness is almost the same as the surface roughness of polyimide (Ra <1 nm) and is very good. It is. Therefore, the photonic crystal 5 has a feature that there is little loss due to scattering.
[0027]
Next, the array substrate 2 to which the first pattern layer 50A has been transferred is moved so that it now comes directly above the second pattern layer 50B. When the above steps c, d, and e are repeated, as shown in FIG. 5 (f), the first pattern layer 50A on each array substrate 2 and the second pattern layer 50B on the substrate 6 are obtained. The second pattern layer 50B is laminated on the first pattern layer 50A. In this state, when viewed three-dimensionally from the pattern layer 50B side, it is as shown in FIG.
[0028]
Similarly, the above steps c, d, and e are repeated six times thereafter, whereby the photonic crystal 5 in which the eight Si pattern layers 50A and 50B are stacked can be manufactured.
[0029]
In this embodiment, the Si thin film is formed by sputtering. However, the Si thin film may be formed by a low pressure CVD method or a plasma CVD method using silane gas or disilane gas as a raw material. In these cases, it is necessary to raise the substrate temperature, but instead of polyimide, a higher heat-resistant SiO ₂ (silicon dioxide) film or SiOF (silicon oxyfluoride) film may be used as the release layer. . The thin film material may be other than Si as long as it is a dielectric material or semiconductor material having an appropriate refractive index for a desired wavelength. In this example, since the two-dimensional array of surface-emitting laser elements in which the grooves between the individual light-emitting portions were already filled with the polyimide film was used as the light-emitting element, the unevenness on the surface of the light-emitting element was relatively small. In the case of a one-dimensional array element or an individual light-emitting element that does not fill the gap, the cross-sectional shape of the element is closer to that shown in FIG.
[0030]
FIG. 6 shows a surface emitting laser array according to Example 2 of the present invention. The surface emitting laser array 10 of Example 2 includes a lower optical coupling layer 40 having a function of flattening the optical coupling layer 4 in Example 1, and an upper optical coupling layer 41 having a function capable of being bonded at room temperature. The structure is divided into a two-layer structure.
[0031]
Below, an example of the manufacturing method of Example 2 is demonstrated. First, as in the first embodiment, surface emitting laser elements 13 are formed in an array on the substrate 2. After the metal wiring pattern is formed, a lower optical coupling layer 40 made of polyimide is applied to the entire surface of the substrate 2 by a spin coating method to flatten the surface uneven shape. Since the polyimide precursor is a liquid having an appropriate viscosity, even if the surface of the substrate 2 is uneven, the surface of the polyimide after coating is completely flattened. After the polyimide is applied, it is cured at 250 ° C. to 350 ° C. to complete the lower optical coupling layer 40. Depending on the degree of the level difference of the base, it is possible to obtain a completely flat surface by repeating the application of polyimide a plurality of times as necessary. In general, the polyimide spin coating method is superior to the thin film deposition shown in Example 1 in terms of planarization efficiency of the uneven surface.
[0032]
Next, an upper optical coupling layer 41 made of silicon is deposited on the surface of the lower optical coupling layer 40 by a sputtering method to a thickness of 100 nm. This upper optical coupling layer 41 is for allowing room temperature bonding to the photonic crystal 5 to be laminated in a later step. The thin film to be deposited may be anything other than silicon as long as it can be bonded at room temperature, and a thin metal such as gold or platinum, preferably a dielectric such as a silicon nitride film or a silicon oxide film can be selected. The film thickness needs to be sufficiently thin so that a light transmittance equal to or higher than a desired value is obtained. On the other hand, in order to realize room temperature bonding, a film thickness of about 10 nm or more is sufficient, and there are various configurations that satisfy these conditions.
[0033]
FIG. 7 shows a surface emitting laser array according to Example 3 of the present invention. The surface-emitting laser array 10 of Example 3 is a modification of Example 2, and uses a back-emitting type as the surface-emitting laser element 13.
[0034]
Below, an example of the manufacturing method of this Example 3 is demonstrated. First, as in the first embodiment, surface emitting laser elements 13 are formed in an array on the substrate 2. The element 13 has a structure in which beam light is emitted from the back side of the substrate 2 by changing the configuration of the multilayer reflective film. In such a configuration, in order to avoid absorption of laser light in the substrate 2, the substrate 2 corresponding to the emission position is often etched to form the emission hole 2a as a light receiving and emitting part. It is difficult to stack the photonic crystal 5 in the emission hole 2a that becomes the emission surface of the laser beam having such a structure. Therefore, as in the second embodiment, first, a lower optical coupling layer 40 made of polyimide is applied as a planarizing layer by a spin coating method. The difference from Example 2 is that it is applied on the back side of the substrate 2 to sufficiently fill the emission hole 2a. Since the exit hole 2a often has a depth of 100 μm or more, the application is repeated a plurality of times. The polyimide is cured, and the subsequent steps are the same as in Example 2. The upper optical coupling layer 41 made of Si is deposited on the surface of the flat optical coupling layer 40 as a layer that can be bonded at room temperature. Thereafter, the photonic crystal 5 is laminated on the upper optical coupling layer 41.
[0035]
FIG. 8 shows a surface-emitting laser array according to Example 4 of the present invention. The surface-emitting type laser array 10 of the fourth embodiment is a modification of the second embodiment and realizes the structure shown in FIG. The steps up to the application of the surface emitting laser element 13 and the polyimide as the optical coupling layer 4 are the same as those in the second embodiment. After the polyimide is cured, the polyimide surface is slightly etched back by a dry etching method so as to have the same height as the outermost surface of the laser as shown in FIG. The dry etching can be easily realized by a parallel plate type dry etching apparatus using oxygen gas and CF ₄ gas.
[0036]
According to the fourth embodiment, the upper layer as the optical coupling layer becomes unnecessary. That is, the uppermost layer of the surface emitting laser element is, for example, a wiring layer of gold or aluminum. If this material and the thin film material constituting the photonic crystal 5 can be bonded at room temperature, the upper layer of the optical coupling layer is It becomes unnecessary. For example, if the photonic crystal 5 is formed of silicon and the wiring layer of the surface-emitting laser element is a material mainly composed of aluminum as in this embodiment, they can be bonded to each other at room temperature. The photonic crystal 5 can be stacked without depositing the upper layer of the coupling layer.
[0037]
Although the optical element having a plurality of light emitting / receiving elements has been described in the above embodiment and the above examples, a single light receiving / emitting element may be used. Alternatively, the light emitting element and the light receiving element may be integrally formed on the same substrate, and the optical coupling layer 4 and the photonic crystal 5 may be formed on the surface by the same method.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the optical element, the laser array, and the manufacturing method of the optical element of the present invention, the light emitting and receiving unit is optically and mechanically coupled to the refractive index periodic structure through the optical coupling layer. Therefore, the number of parts constituting the optical circuit can be reduced to simplify the configuration of the optical circuit, and the optical circuit can be easily configured. In addition, since the refractive index periodic structure is coupled and arranged on the surface side of the light emitting / receiving section, the degree of freedom of the structure of the refractive index periodic structure is increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an optical element according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a view showing a photonic crystal manufacturing process, (a) is a plan view, and (b), (c) ) Is a perspective view. FIG. 3 is a cross-sectional view showing an optical element according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a view showing a surface emitting laser array of Example 1 of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of Example 1 of the present invention. FIG. 6 is a surface emitting laser array of Example 2 of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a surface-emitting laser array according to Example 3 of the present invention. FIG. 8 is a cross-sectional view showing a surface-emitting laser array according to Example 4 of the present invention. FIG. 10 is a perspective view showing a crystal manufacturing method. FIG. 10 is a perspective view showing a conventional vertical cavity laser.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical element 2 Array substrate 2a Outgoing hole 3 Light receiving / emitting element 3a Surface 4 Optical coupling layer 5 Photonic crystal 6 Substrate 7 Release layer 8 FAB (Fast Atom Beam)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Surface emitting type laser array 13 Surface emitting type laser element 30 Lower clad layer 31 Side multilayer reflective film 32 Undoped active region 32 Active region 33 Side multilayer reflective film 34 Wiring isolation groove 35 Polyimide 36 Side metal wiring 36 Wiring 37 Electrode pad 38 Electrode pad 40 Optical coupling layer 41 Optical coupling layer 50A, 50B Pattern layer 51 Thin film 100 Si thin film 101 SiO ₂ thin film 110 Semiconductor layer 111 Hole 120, 130 Multilayer reflector

Claims

An optical element that is formed on the substrate and receives or emits light through the light emitting and receiving unit;
A flat coupling surface that is transparent with respect to the wavelength of light received or emitted by the optical element, and is flattened so that the surface of the light receiving and emitting part is flattened and can be bonded to the light emitting and receiving part at room temperature. An optical coupling layer to form
An optical element comprising: a photonic crystal having a predetermined two-dimensional pattern on the bonding surface, and a plurality of layers whose surfaces are cleaned so as to be bonded at room temperature .

The optical element is a plurality of light receiving elements or light emitting elements arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner on the substrate and receiving or emitting light through the plurality of light emitting units,
The optical element according to claim 1, wherein the optical coupling layer is formed on the entire surface of the substrate on which the plurality of light emitting / receiving portions are formed.

The optical element according to claim 1, wherein the optical coupling layer is made of a material that can be bonded to the photonic crystal at room temperature.

The optical element according to claim 3 , wherein the optical coupling layer is made of a silicon nitride film.

The optical coupling layer includes a planarization layer that forms the planar coupling surface on the light emitting and receiving unit, and a room temperature bonding layer that is bonded to the planarization layer and the photonic crystal by room temperature bonding. The optical element according to claim 1.

A substrate second surface possess, with a concave exit aperture in the second surface facing the first surface and the first surface,
An optical element provided at a position facing the emission hole on the first surface side of the substrate and receiving or emitting light on the second surface side;
A flattening layer for flattening irregularities due to the emission holes on the second surface side of the substrate to form a flat bonding surface that is cleaned so as to be bonded at room temperature ;
An optical element comprising: a photonic crystal having a predetermined two-dimensional pattern on the bonding surface, and a plurality of layers whose surfaces are cleaned so as to be bonded at room temperature .

The optical coupling layer includes a planarization layer that forms the planar coupling surface on the second surface of the substrate, and a room temperature bonding layer that is bonded to the planarization layer and the photonic crystal by room temperature bonding. The optical element according to claim 6 having the above structure.

The optical element according to claim 5 , wherein the planarizing layer is made of polyimide.

A substrate having a first surface and a second surface opposite the first surface;
A plurality of surface-emitting types arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner on the first surface of the substrate, having a plurality of light emitting portions on the first surface side , and emitting laser light from the plurality of light emitting portions. A laser element;
Having transparency to the wavelength of the laser light, and before Symbol flattening irregularities between uneven and the surface emitting laser element of the surface of said plurality of surface-emitting laser element on the first surface side of the substrate A flattening layer that forms a flat bonding surface that is cleaned so that it can be bonded at room temperature ;
A laser array comprising: a photonic crystal formed by laminating a plurality of layers having a predetermined two-dimensional pattern on the coupling surface and the surfaces cleaned so as to be bonded at room temperature .

Forming an optical element that receives or emits light on the first substrate via the light emitting and receiving unit;
A flat coupling surface which is bonded at room temperature can be cleaned on the light receiving and emitting unit to flatten the irregularities on the surface of the optical element of a material having transparency to the wavelength of light which the light element is a light receiving or light emitting Forming,
Forming a plurality of thin films having a predetermined two-dimensional pattern on a second substrate;
By repeatedly pressing and separating between the first substrate and the second substrate, the plurality of thin films are transferred from the second substrate onto the bonding surface of the first substrate and laminated. A method of manufacturing an optical element, comprising forming a photonic crystal .

A first surface having a first surface and a second surface opposite to the first surface, the first surface of the first substrate having a concave emission hole on the second surface, receiving light on the second surface side or Forming an optical element that emits light;
The unevenness including the emission hole on the second surface side of the first substrate is flattened by a material having transparency with respect to the wavelength of light received or emitted by the optical element, and room temperature bonding is performed on the light emitting / receiving unit. Form a flat bonded surface that is cleaned as possible,
Forming a plurality of thin films having a predetermined two-dimensional pattern on the second substrate;
By repeatedly pressing and separating between the first substrate and the second substrate, the plurality of thin films are transferred from the second substrate onto the bonding surface of the first substrate and laminated. A method of manufacturing an optical element, comprising forming a photonic crystal.

The stack of a plurality of thin films, manufacturing method for an optical element according to claim 10 or 11, wherein the configuration performed by room-temperature bonding.