JPH03296003A - 光学装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光情報記録再生装置に用いられる光ピツクア
ップや光学センサ等に用いられる光集積回路、光集積デ
バイス、光導波路光学系等の、光導波路を用いた光学装
置の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

光情報記録再生装置に用いられる光ピツクアップや、光
学センサ等の光学系を小型化するために、光集積回路、
光集積デバイス、光導波路光学系等、先導波路を用いた
光学装置が提案されている。

これら光学装置には、光源として半導体レーザが用いら
れているが、この半導体レーザは温度等による波長変動
が大きく、また、個々の波長にもばらつきがあるという
問題がある。

一般に、光集積デバイス等の光導波路の等価屈折−は波
長依存性の大きい特性を持っており、この等偏屈折率の
変化は、特に光導波路用レンズとして用いられるモード
インデックスレンズの焦点距離を変化させる原因となり
、実用上の重要な課題となっている。

そこで、この問題を解消する方法として、第２図（ａ）
、（ｂ）に示すような、基板１１、導波層１２、外部媒
質（空気）の３層からなる光導波路において、光導波路
の導波層中に作製されたレンズ部分１４とレンズ部以外
の導波層１２とで膜厚及び屈折率が異なるように構成す
ることが考えられている。

一般の光学系において、レンズ内とレンズ外の屈折率を
夫々Ｎ、、　Ｎ、　、レンズの焦点距離をｆ、屈折率Ｎ
２．Ｎ工が夫々ΔＮ２．ΔＮ１変化したときの焦点距Ｉ
ｉｆの変化をΔｆとしたとき、屈折率、焦点距離の間に
は次の関係がある。

部課質、レンズの材料の屈折率であり、光導波路におい
では、レンズ外の導波路、及びレンズ内の導波路の等偏
屈折率である。

尚、光導波路の構成材料の屈折率と等偏屈折率の関係に
ついて述べると、第２図に示すように基板１１、導波層
１２、外部媒質（例えば空気）の３Ｍからなる光導波路
では、基板１１の屈折率をｎ８、導波層１２の屈折率を
ｎ２、外部媒質の屈折率をｎｌとしたとき、導波層の等
偏屈折率Ｎ工は、ｎｚ＞Ｎ、＞ｗａｘ（ｎ、、　ｎ３） である。また、導波層への光の入射角をθとした場合、
Ｎ１＝　ｎ　２ｓｉｎθの関係があるが１等価屈折率Ｎ
工は外部媒質や基板の屈折率ｎｘｔ　ｎ３によって変化
し、またこの他、導波層の膜厚ｔ２や導波光の波長λに
よっても変化する。

ところで、通常のバルク型レンズでは、レンズ外の媒質
は空気なので、ΔＮ、＝０　となるため、ΔＮ２≠０の
材料の持つ屈折率の波長依存性（材料分散）は補正でき
ない。一方、導波路光学系は、材料分散よりもはるかに
等偏屈折率の波長依存性（構造分散）が大きいものの、
レンズ内外の構成材料の選択によって構造分散が制御で
き、しかも、光集積デバイス等で用いる半導体レーザの
波長変化やばらつきといった、ごく狭い範囲で補正でき
ればよい。

したがって、式（１）でΔｆ／ｆ＝ｏ、すなわち、ΔＮ
２　／　Ｎ２　＝ΔＮ１／Ｎ１の条件を先導波路のレン
ズ内外の等偏屈折率が満たすためには、第２図（ａＬ（
ｂ）に示すように、導波層１２のレンズ部１４内外の膜
厚ｔ！’ｔ　ｔ２　と構成材料の屈折率ｎ２″。

ｎ２が、レンズ部内外で同時に異なるような構造として
レンズ内外の等偏屈折率を制御すればよい。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したように、光導波路において光源の波長変動に対
する影響を解消するためには、第２図（ａＬ　（ｂ）に
示すような、導波層の膜厚と構成材料の屈折率が、レン
ズ部内外で同時に異なるような構造が必要となっている
が、ここで要求されているような、膜厚と屈折率をレン
ズ内外で同時に変えるような構成を行うための製造方法
は提案されていない。

また、従来から用いられているイオン交換や拡散等を利
用したモードインデックスレンズの作製法では、媒体材
料の屈折率差が大きくとれず、こず、屈折角の大きいレ
ンズは作れない。また、イオン交換や拡散等を利用した
モードインデックスレンズの作製法では、屈折率差を大
きくできてもレンズ部の膜厚の制御はできないため、屈
折率差を大きくしただけでは等偏屈折率の変化が大きく
なり、Δｆ／ｆも大きくなってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、導波
層の膜厚と構成材料の屈折率が、レンズ部内外で同時に
異なるような構造が達成でき、等偏屈折率の波長に対す
る変化の仕方が、式（１）のΔｆ／ｆ＝ｏ、すなわち、
ΔＮ２／Ｎ２＝ΔＮ、／Ｎ１の条件を満たすようなレン
ズ部構造を備えた光学装置及びそ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〕

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、光導
波路を用いた光学装置であって、光導波路の導波層中に
導波層とは屈折率の異なる材料からなるレンズ部を備え
、該レンズ部が導波層の厚さ方向に対して、導波層の一
部若しくは全部、あるいは導波層だけでなく導波層の下
の層まで食い込んだ構造を持つことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、上記光学装置の製造方法
であって、基板若しくはクラッド層上に光導波路の導波
層を作製した後、この導波層上にレジストによるレンズ
のパターンを形成し、導波層の一部若しくは全部、ある
いは導波層だけでなく導波層の下の層までをエツチング
した後、上記レジストパターン上及びエツチング部に上
記導波層とは屈折率の異なる膜を成膜し、次に、リフト
オフ法によりレジスト及びレジスト上の膜を除去するこ
とにより、レンズ部分とレンズ部以外の導波層の膜厚及
び屈折率が異なる構造を持った光導波路を作製すること
を特徴とする。

〔作　　用〕

請求項１記載の光学装置では、光導波路の導波層中に導
波層とは屈折率の異なる材料からなるレンズ部を備え、
該レンズ部が導波層の厚さ方向に対して、導波層の一部
若しくは全部、あるいは導波層だけでなく導波層の下の
層まで食い込んだ構造を持つことにより、光導波路のレ
ンズ部とレンズ部以外の導波層部分の膜厚及び屈折率が
同時に異なる構造となり、レンズ部内外の等側屈折率差
を大きくとることができ、光源波長の変化に対するΔｆ
／ｆを非常に小さくすることができる。

請求項２記載の製造方法によれば、１つのレジストパタ
ーンにより導波層のエツチングと成膜及びリフトオフと
が行われるため、成膜時にパターンの位置合わせをする
ことなく、屈折率の異なる材料を導波層のエツチングさ
れた部分に埋め込むことができ、しかも、その部分の膜
厚を他方の部分と異なるようにすることができる。

〔実　施　例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明による光学装置の構造及びその製造方法
を示す説明図であって、同図（１−ｈ）　、　（２−ｈ
）、　（３−ｈ）　、　（４−ｈ）　、　（５−ｈ）　
、　（６−ｈ）は本発明による光学装置の光導波路部分
の構造例を夫々示す側断面図である。ここで、（１−ｈ
）はレンズ部（屈折率ｎ２を膜厚ｔ２）４が導波層（屈
折率ｎａｐ膜厚ｔ３）２の一部に食い込んで形成されて
いる場合の例、（２−ｈ）は（１−ｈ）と同様にレンズ
部４が導波層２の一部に食い込んで形成されている場合
であり、レンズ部４の膜厚ｔ２を導波層２の膜厚より薄
くした場合の例、（３−ｈ）、　（４−ｈ）はレンズ部
４が導波層２だけでなく導波層２の下の基板層（又はク
ラッド層）１まで食い込んで形成されている場合の例で
、（３−ｈ）はレンズ部４の膜厚ｔ２　を導波層２側よ
りかなり厚くした例、（４−ｈ）は（３−ｈ）より膜厚
が薄い場合の例である。また、　（５−ｈ）はレンズ部
４が導波層２の全部に食い込んで形成されている場合で
あり、第２図（ｂ）と同様の構造であり、（６−ｈ）は
（５−ｈ）の場合の膜厚が薄い場合の例である。

尚、光導波路部分の平面構造は第２図（ａ）に示したも
のと同様であり、光導波路は等偏屈折率Ｎ工の導波層と
等偏屈折率Ｎ２のレンズ部によって構成される。また、
レンズ部４は導波層２とは屈折率が異なる材料を埋め込
んで構成されている。

次に、（１−ｈ）　、　（２−ｈ）　、　（３−ｈ）　
、　（４−ｈ）　、　（５−ｈ）　、　（６−ｈ）の各
構造の光導波路を有する光学装置の製造方法について説
明する。

先ず第１図（Ａ）の工程に示すように、（ａ）ＳｉＯ□
等からなる基板（若しくはクラッド層）ｌを作製し、（
ｂ）この基板（屈折率ｎ４を膜厚ｔ４）１上に５ｉＯＮ
等の、基板より屈折率の高い材料からなる導波層（屈折
率ｎ２）等偏屈折率Ｎ□）２を蒸着やスパッタリング等
の成膜法により作製する。

次に、（ｃ）導波ＪｉＦＺ上にフォトレジストや電子線
用レジスト等のレジスト３を塗布した後、（ｄ）紫外線
や電子線等によってレンズのパターンを露光し、露光後
、（ｅ）現像により、レンズ形成部分３ａ゛のレジスト
を除去する。尚、図ではレンズ形成部分のレジストが取
り除かれるように示したが、レンズ形成部分のレジスト
が残るようにしてもよい。

次に、（１−ｈ）の構造に対しては、第１図（Ｂ）の工
程に従い、先ず、（１−ｆ）のように、パターニングさ
れたレジスト３をマスクとして用い、導波層２の一部を
エツチングして導波層２にレンズ形成部Ｅを形成する。

次に、（１−ｇ）に示すように、同一のレジスト３を成
膜用のマスクとして利用し、蒸着やスパッタリング等に
より導波層２とは屈折率の異なる材料または組成の膜４
を作製する。成膜後、リフトオフによりレジスト３及び
レジスト上に堆積した膜を取り除くことにより、　（１
−ｈ）に示すように、導波層２中に導波層とは屈折率・
膜厚（ｎｚｔ　ｔｚ）が同時に異なるレンズ部４を備え
た光導波路が作製される。また（２−ｈ）の構造の場合
は、（１−ｆ）のエツチング後、第１図（Ｃ）の工程に
従い、（２−ｇ）の成膜時に膜厚を薄く成膜して形成す
る。

次に、（３−ｈ）の構造に対しては、（ｅ）のパタニン
グ終了後、第１図（Ｄ）の工程に従い、（３−ｆ）で基
板層３も一部堀込むようにエツチングし、エツチング後
、（３−ｇ）のように、同一のレジスト３を成膜用のマ
スクとして利用し、蒸着やスパッタリング等により導波
層２とは屈折率の異なる材料または組成の膜４を作製す
る。そして、成膜後、リフトオフによりレジスト３及び
レジスト上に堆積した膜を取り除くことにより、（３−
ｈ）に示すように、導波層２中に屈折率・膜厚（ｎａｔ
　ｔｚ）が同時に異なるレンズ部４を備えた光導波路が
作製される。また、　（４−ｈ）の構造の場合は、（３
−ｆ）のエツチング後、第１図（Ｅ）の工程に従い、（
４−ｇ）の成膜時に膜厚を薄く成膜して形成する。

次に、（ｓ−ｈ）の構造に対しては、（ｅ）のパタニン
グ終了後、第１図（Ｆ）の工程に従い、（５−ｆ）でレ
ンズ形成部分の導波層を全部エツチングし、エツチング
後、（５−ｇ）のように、同一のレジスト３を成膜用の
マスクとして利用し、蒸着やスパッタリング等により導
波層２とは屈折率の異なる材料または組成の膜４を作製
する。そして、成膜後、リフトオフによりレジスト３及
びレジスト上に堆積した膜を取り除くことにより、（ｓ
−ｈ）に示すように、導波層２中に屈折率・膜厚（ｎｚ
ｓ　ｉＪが同時に異なるレンズ部４を備えた光導波路が
作製される。また、（６−ｈ）の構造の場合は、（５−
ｆ）のエツチング後、第１図（Ｇ）の工程に従い、（６
−ｇ）の成膜時に膜厚を薄く成膜して形成する。

以上のように、第１図に示す製造方法では、１つのレジ
ストパターン３により導波層２のエツチングと成膜とが
行われるため、成膜時にパターンの位置合わせをするこ
となく、屈折率の異なる材料を導波層２のエツチングさ
れた部分２ａに埋め込むことができ、しかも、その部分
の膜厚を他方の部分と異なるようにすることができる。

また、エツチング時の深さと成膜時の膜厚を調整するこ
とにより、（１−ｈ）　、　（２−ｈ）　、　（３−ｈ
）　、　（４−ｈ）　、　（５−ｈ）　、　（６−ｈ）
に示すような、種々のレンズ部構造の異なる光導波路の
製造が可能となる。

さて、以上のようにして製造された（１−ｈ）　、　（
２−ｈ）、　（３−ｈ）　、　（４−ｈ）　、　（５−
ｈ）　、　（６−ｈ）の光導波路では、材料自身がレン
ズ部４内外で異なることから、レンズ部内とレンズ部外
の導波層２の等偏屈折率差は、従来の拡散やイオン交換
で製造されたものより大きくとることができる。しかも
、構成材料の屈折率と膜厚とが同時に異なるような構造
が容易に達成でき名ため、等偏屈折率の波長に対する変
化の仕方が、前記（１）式のΔｆ／ｆ＝ｏ、すなわち、
ΔＮ２１　Ｎ２　＃ΔＮｉ／Ｎ□の条件を満たすように
構成することができ、焦点距離の波長依存性が低減され
た性能のよいレンズ部を備えた光導波路を作製すること
ができる。

尚、（１−ｈ）　、　（２−ｈ）　、　（３−ｈ）　、
　（４−ｈ）　、　（５−ｈ）　、　（６−ｈ）に示す
各構造の内、（５−ｈ）　、　（６−ｈ）の構造のよう
にレンズ形成部の導波層のみを正確にエツチングして除
去することは実際上置しいため、（１−ｈ）、　（ｚ−
ｈ）に示すように、レンズ形成部分の導波層を一部エッ
チングして、レンズ部４の下層に導波層構成材料を一部
残してクラッド層とし、レンズ部領域を基板１、クラッ
ド層、レンズ部４、外部媒質の４層構造としたり、また
、（３−ｈ）、　（４−ｈ）に示すように、レンズ形成
部分の導波層のみならず基板層までオーバーエツチング
してレンズ部４構成材料が基板層側まで食い込んだ構造
とするほうが、製造時の制約も緩和され、且つ、設計の
自由度も大きくなる。

また、特に、（３−ｈ）の構造のように、レンズ部４が
レンズ部外の導波層２よりも上下の層側に突出した構造
の場合、レンズ部４の境界での光の散乱が少なくなり、
導波光の結合効率を高くすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、請求項１記載の光学装置では、光
導波路の導波層中に導波層とは屈折率の異なる材料から
なるレンズ部を備え、該レンズ部が導波層の厚さ方向に
対して、導波層の一部若しくは全部、あるいは導波層だ
けでなく導波層の下の層まで食い込んだ構造を持つこと
により、光導波路のレンズ部とレンズ部以外の導波層部
分の膜厚及び屈折率が同時に異なる構造となり、レンズ
部内外の等価屈折率差を従来の拡散やイオン交換で製造
されたものより大きくとることができ、光源波長の変化
に対するΔｆ／ｆを非常に小さくすることかできる。従
って、半導体レーザのような波長の変化やばらつきの有
る光源も有効につかえるようになり、高性能な光学装置
の実現が可能となる。

また、請求項２記載の製造方法によれば、１つのレジス
トパターンにより導波層のエツチングと成膜及びリフト
オフとが行われるため、成膜時にパターンの位置合わせ
をすることなく、屈折率の異なる材料を導波層のエツチ
ングされた部分に埋め込むことができ、しかも、その部
分の膜厚を他方の部分と異なるようにすることができる
。また、エツチングの深さを調整することにより、レン
ズ部が導波層の厚さ方向に対して、導波層の一部若しく
は全部、あるいは導波層だけでなく導波層の下の層まで
食い込んだ構造を持たせることができ、光導波路のレン
ズ部の作製に関する自由度を大幅に向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学装置の構造及びその製造方法
を示す説明図、第２図は光源波長の変動に対する影響が
少ないレンズ部構造の光導波路の構成例を示す図であっ
て、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は側断面図である
。 １．１１・・・・基板、２，１２・・・・導波層、３・
・・・レジスト、４，１４・・・レンズ部。 外２　図 （ム） （ｆ）） ４ 図 （Ｅ） （（、）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光導波路を用いた光学装置であって、光導波路の導
   波層中に導波層とは屈折率の異なる材料からなるレンズ
   部を備え、該レンズ部が導波層の厚さ方向に対して、導
   波層の一部若しくは全部、あるいは導波層だけでなく導
   波層の下の層まで食い込んだ構造を持つことを特徴とす
   る光学装置。 ２、請求項１記載の光学装置の製造方法であって、基板
   若しくはクラッド層上に光導波路の導波層を作製した後
   、この導波層上にレジストによるレンズのパターンを形
   成し、導波層の一部若しくは全部、あるいは導波層だけ
   でなく導波層の下の層までをエッチングした後、上記レ
   ジストパターン上及びエッチング部に上記導波層とは屈
   折率の異なる膜を成膜し、次に、リフトオフ法によりレ
   ジスト及びレジスト上の膜を除去することにより、レン
   ズ部分とレンズ部以外の導波層の膜厚及び屈折率が異な
   る構造を持った光導波路を作製することを特徴とする光
   学装置の製造方法。