JP7061572B2 - 光学素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
前記光導波層が、1.5μm以上の層厚を有し、また、Ta2O5、Al2O3、LiNbO3、LiTaO3、AlN、GaN、SiC、及びイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)から成る群から選択される材料から成り、
前記周期構造の溝の深さをDとし、前記周期構造における前記溝の配列ピッチをΛとし、Dの単位とΛの単位が同一の時、D/0.5Λ≧2.5を満足する。
θ≧80°、又はθ≧82°、又はθ≧84°、又はθ≧86°、又はθ≧88°を満足する。
前記光学素子の前記光導波層に光学的に結合した活性層を有するレーザー素子を備える。
前記第1マスク層上に樹脂材料から成る第2マスク層を形成し、
第1方向に長い壁が前記第1方向に直交する第2方向に一定の配列ピッチで並んだ壁の周期構造が押圧面に設けられた型を前記第2マスク層に押圧してエネルギー線を照射することに基づいて前記第2マスク層に第1開口部の配列を形成し、
前記第2マスク層の第1開口部を介したドライエッチングにより前記第1マスク層に第2開口部の配列を形成し、
前記第1マスク層の第2開口部を介したドライエッチングにより前記光導波層に溝の周期構造を形成することを含み、
前記溝の深さをDとし、前記周期構造における前記溝の配列ピッチをΛとし、Dの単位とΛの単位が同一の時、D/0.5Λ≧2.5を満足する。
前記溝の底面と側面のなす角をθとする時、
θ≧80°、又はθ≧82°、又はθ≧84°、又はθ≧86°、又はθ≧88°を満足する。
Λ=λ/(2n×p)が成立し、ここで、Λが溝の配列ピッチであり、λがレーザー光の波長であり、nが屈折率であり、pが回折次数である
光導波層53がTa2O5の時、光導波層53の屈折率nは、n=2.105である。レーザー光の波長が800nmであり、p=1の時、光導波層53に形成される溝の配列ピッチΛ=約190nmとなる。光導波層53は、1.5μm以上の厚みを有する。光導波層53の最大層厚は、幾つかの場合、5μmである。
Ta2O5、Al2O3、LiNbO3、LiTaO3、AlN、GaN、SiC、及びイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)から成る群から選択される材料から成り、1.5μm以上の層厚を有する光導波層上に第1マスク層を形成し、
第1マスク層上に樹脂材料から成る第2マスク層を形成し、
第1方向に長い壁が第1方向に直交する第2方向に一定の配列ピッチで並んだ壁の周期構造が押圧面に設けられた型を第2マスク層に押圧してエネルギー線を照射することに基づいて第2マスク層に第1開口部の配列を形成し、
第2マスク層の第1開口部を介したドライエッチングにより第1マスク層に第2開口部の配列を形成し、
第1マスク層の第2開口部を介したドライエッチングにより光導波層に溝の周期構造を形成することを含み、
周期構造の溝の深さをDとし、配列ピッチをΛとし、Dの単位とΛの単位が同一の時、D/0.5Λ≧2.5を満足する。
換言すれば、型は、このアスペクト比の条件を満足するように構成され、ドライエッチングは、このアスペクト比の条件を満足するように行われる。
Siからなる支持基板上に、スパッタリングで、SiO2からなる下部クラッド層を1.0μm成膜した。次に、スパッタリングで、下部クラッド層の上面にTa2O5からなる光導波層を2.0μm成膜した。次に、スパッタリングで、光導波層の上面にAlからなる第1マスク層を50nm成膜した。次に、第1マスク層上に第2マスク層80nmを塗布した。次いで、第2マスク層に型を押圧し、第2マスク層の樹脂材料を紫外線硬化させた。そこから型を離し、第2マスク層に開口列を形成した。次に、塩素系ガス(BCl3)で第2マスク層の開口を介して第1マスク層をドライエッチングし、光導波層に到達する開口を形成する。このドライエッチングと同時に第2マスク層が除去される。次に、第1マスク層の開口を介して光導波層をフッ素系ガス(CHF3)で所定時間だけドライエッチングし、光導波層53に深さ350nmの溝を形成した。溝の配列ピッチΛは、185nmである。溝の側面と底面のなす角はほぼ90°である。続いて第1マスク層を除去した。この実施例に係るサンプルの一つのSEM写真を図14に示す(倍率100,000倍)。アスペクト比が約3.8である。実施例1において上方に開口した矩形溝が得られた。
第1マスク層の開口を介した光導波層のエッチング時間を上述の実施例1よりも短くすることによりアスペクト比=2.5が得られ、また、溝の側面と底面のなす角がほぼ90°になることが確認できた。
第1マスク層の開口を介した光導波層のエッチング時間を上述の実施例1よりも長くすることによりアスペクト比=5.7が得られ、また、溝の側面と底面のなす角がほぼ90°になることが確認できた。
実施例2では、実施例1とは異なり、光導波層53に形成されるべき溝の配列ピッチΛが239nmであり、光導波層としてAl2O3を用い、第1マスク層としてWを用い、第2マスク層の開口を介した第1マスク層のエッチング用のガスとしてフッ素系エッチングガス(CHF3)を用い、第1マスク層の開口を介した光導波層のエッチング用のガスとして塩素系エッチングガス(BCl3)を用いた。光導波層の層厚は、2.0μmであり、実施例1と同様である。光導波層の溝の配列ピッチΛは、239nmであり、溝の深さは、300nmであり、溝の側面と底面のなす角は、80°である。アスペクト比は、約2.5である。実施例2の場合、実施例1のものよりは劣るものの、それと同等の上方に開口した矩形溝が得られた。
実施例2についても実施例1と同様、光導波層の周期構造の有効長、換言すれば、溝61の個数を変数とした幾つかのサンプルを製造し、その光学特性を評価した(表2参照)。
実施例2の場合、光学素子の40%程度の反射率を実現するため、光導波層の周期構造の有効長は55μm程度必要であることが分かる。
Siからなる支持基板上に、スパッタリングで、SiO2からなる下部クラッド層を1.0μm成膜した。次に、スパッタリングで、下部クラッド層の上面にLiTaO3からなる光導波層を2.0μm成膜した。次に、スパッタリングで、光導波層の上面にAlからなる第1マスク層を50nm成膜した。次に、第1マスク層上に第2マスク層80nmを塗布した。次いで、第2マスク層に型を押圧し、第2マスク層の樹脂材料を紫外線硬化させた。そこから型を離し、第2マスク層に開口列を形成した。次に、塩素系ガス(BCl3)で第2マスク層の開口を介して第1マスク層をドライエッチングし、光導波層に到達する開口を形成する。このドライエッチングと同時に第2マスク層が除去される。次に、第1マスク層の開口を介して光導波層をフッ素系ガス(CHF3)で所定時間だけドライエッチングし、光導波層53に深さ290nmの溝を形成した。溝の配列ピッチΛは、185nmである。溝の側面と底面のなす角はほぼ90°である。続いて第1マスク層を除去した。アスペクト比が約3.1であった。実施例3において上方に開口した矩形溝が得られた。
Siからなる支持基板上に、スパッタリングで、SiO2からなる下部クラッド層を1.0μm成膜した。次に、スパッタリングで、下部クラッド層の上面にLiNbO3からなる光導波層を2.0μm成膜した。次に、スパッタリングで、光導波層の上面にAlからなる第1マスク層を50nm成膜した。次に、第1マスク層上に第2マスク層80nmを塗布した。次いで、第2マスク層に型を押圧し、第2マスク層の樹脂材料を紫外線硬化させた。そこから型を離し、第2マスク層に開口列を形成した。次に、塩素系ガス(BCl3)で第2マスク層の開口を介して第1マスク層をドライエッチングし、光導波層に到達する開口を形成する。このドライエッチングと同時に第2マスク層が除去される。次に、第1マスク層の開口を介して光導波層をフッ素系ガス(CHF3)で所定時間だけドライエッチングし、光導波層53に深さ260nmの溝を形成した。溝の配列ピッチΛは、185nmである。溝の側面と底面のなす角はほぼ90°である。続いて第1マスク層を除去した。アスペクト比が約2.8であった。実施例4において上方に開口した矩形溝が得られた。
比較例1では、実施例1とは異なり、第1マスク層としてTiを用い、第2マスク層の開口を介した第1マスク層のエッチング用のガスとしてフッ素系エッチングガス(CHF3)を用いた。光導波層の層厚は、2.0μmであり、実施例1と同様である。実施例1と同様、第1マスク層の開口を介した光導波層のエッチング用のガスとしてフッ素系エッチングガス(CHF3)を用いた。光導波層の溝の配列ピッチΛは、185nmであり、溝の深さは、150nmであり、溝の側面と底面のなす角は、75°である。アスペクト比は、約1.6である。この比較例に係るサンプルの一つのSEM写真を図15に示す(倍率100,000倍)。比較例1の場合、実施例1のような上方に開口した矩形溝が得られず、上方に開口したV字溝が形成されてしまった。
比較例1についても実施例1と同様、光導波層の周期構造の有効長、換言すれば、溝61の個数を変数とした幾つかのサンプルを製造し、その光学特性を評価した(表3参照)。
比較例2では、実施例2とは異なり、第1マスク層としてTiを用いた。実施例2と同様、光導波層53に形成されるべき溝の配列ピッチΛが239nmである。実施例2と同様、第2マスク層の開口を介した第1マスク層のエッチング用のガスとしてフッ素系エッチングガス(CHF3)を用い、第1マスク層の開口を介した光導波層のエッチング用のガスとして塩素系エッチングガス(BCl3)を用いた。光導波層の層厚は、2.0μmであり、実施例2と同様である。光導波層の溝の深さは、190nmであり、溝の側面と底面のなす角は、60°である。アスペクト比は、約1.6である。比較例2の場合、実施例2のような上方に開口した矩形溝が得られず、上方に開口したV字溝が形成されてしまった。
比較例2についても実施例1と同様、光導波層の周期構造の有効長、換言すれば、溝61の個数を変数とした幾つかのサンプルを製造し、その光学特性を評価した(表4参照)。
52 下部クラッド層
53 光導波層
54 上部クラッド層
56 サイド溝
Claims (22)
- 溝の周期構造が設けられた光導波層を備える光学素子であって、
前記光導波層が、1.5μm以上の層厚を有し、また、Ta2O5、Al2O3、LiNbO3、LiTaO3、AlN、GaN、SiC、及びイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)から成る群から選択される材料から成り、
前記溝の深さをDとし、前記周期構造における前記溝の配列ピッチをΛとし、Dの単位とΛの単位が同一の時、D/0.5Λ≧2.5を満足し、
前記周期構造の有効長をLとする時、L≦100μmを満足し、
当該光学素子が、26%を超える反射率を有し、
前記周期構造の溝は、実質的に平行に対面した一対の側面と、前記側面の間に設けられる底面により画定され、
前記周期構造の各溝においてその底面とその側面のなす角をθとする時、
θ≧80°、又はθ≧82°、又はθ≧84°、又はθ≧86°、又はθ≧88°を満足する、光学素子。 - 前記周期構造における前記溝の配列ピッチΛが、150nm以上である、請求項1に記載の光学素子。
- 前記周期構造における前記溝の配列ピッチΛが、480nm以下である、請求項1又は2に記載の光学素子。
- 前記周期構造における前記溝の配列ピッチΛが、150nm以上470nm以下である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造における前記溝の配列ピッチΛが、167nm以上435nm以下である、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造における前記溝の配列ピッチΛが、175nm以上380nm以下である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造における前記溝の深さDが、200nm以上である、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造における前記溝の深さDが、250nm以上である、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造における前記溝の深さDが、300nm以上である、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造における前記溝の深さDが、600nm以下である、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造における前記溝の深さDが、550nm以下である、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造における前記溝の深さDが、500nm以下である、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の光学素子。
- 当該光学素子の反射率が40%以上である、請求項1乃至12のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造の有効長をLとする時、4.5≦L≦70.5μmを満足する、請求項1乃至13のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造の有効長をLとする時、5.01≦L≦65.25μmを満足する、請求項1乃至14のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造の有効長をLとする時、5.25≦L≦57μmを満足する、請求項1乃至15のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造の溝の個数は、200個以下である、請求項1乃至16のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造における溝の平均ピッチ誤差が±0.5nm以下である、請求項1乃至17のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記周期構造の溝の配列方向に延びる前記周期構造が設けられた前記光導波層の部分がリッジ状である、請求項1乃至18のいずれか一項に記載の光学素子。
- 請求項1乃至19のいずれか一項に記載の光学素子と、
前記光学素子の前記光導波層に光学的に結合した活性層を有するレーザー素子を備えるレーザーアセンブリ。 - 光学素子の製造方法であって、
Ta2O5、Al2O3、LiNbO3、LiTaO3、AlN、GaN、SiC、及びイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)から成る群から選択される材料から成り、1.5μm以上の層厚を有する光導波層上に第1マスク層を形成し、
前記第1マスク層上に樹脂材料から成る第2マスク層を形成し、
第1方向に長い壁が前記第1方向に直交する第2方向に一定の配列ピッチで並んだ壁の周期構造が押圧面に設けられた型を前記第2マスク層に押圧してエネルギー線を照射することに基づいて前記第2マスク層に第1開口部の配列を形成し、
前記第2マスク層の第1開口部を介したドライエッチングにより前記第1マスク層に第2開口部の配列を形成し、
前記第1マスク層の第2開口部を介したドライエッチングにより前記光導波層に溝の周期構造を形成することを含み、
前記周期構造の溝の深さをDとし、前記周期構造における前記溝の配列ピッチをΛとし、Dの単位とΛの単位が同一の時、D/0.5Λ≧2.5を満足し、
前記周期構造の有効長をLとする時、L≦100μmを満足し、
前記光学素子が、26%を超える反射率を有し、
前記周期構造の溝は、実質的に平行に対面した一対の側面と、前記側面の間に設けられる底面により画定され、
前記溝の底面と側面のなす角をθとする時、
θ≧80°、又はθ≧82°、又はθ≧84°、又はθ≧86°、又はθ≧88°を満足する、光学素子の製造方法。 - 前記周期構造における溝の平均ピッチ誤差が±0.5nm以下である、請求項21に記載の光学素子の製造方法。
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