WO2018100868A1 - 光学素子及びその製造方法 - Google Patents

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孝介 丹羽
近藤　順悟
山口　省一郎
浅井　圭一郎
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日本碍子株式会社
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    • H01S5/4031—Edge-emitting structures
    • H01S5/4062—Edge-emitting structures with an external cavity or using internal filters, e.g. Talbot filters

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical element and a manufacturing method thereof.
  • Patent Document 1 in order to etch a difficult-to-process optical material layer, a base layer is provided between the resin layer and the optical material layer, an opening is provided in the resin layer using a nanoimprint technique, and the resin layer is opened through the opening of the resin layer. It is disclosed that the base layer is etched and the optical material layer is etched through the opening of the base layer formed by etching, thereby forming a deep recess in the optical material layer.
  • Patent Document 1 When the optical waveguide layer is made of a difficult-to-etch material, it is difficult in the first place to form a deep groove in the optical waveguide layer.
  • a periodic structure of shallow grooves is formed in a thin optical waveguide layer.
  • grooves are formed only up to a depth of 100 nm in an optical material layer made of Ta 2 O 5. Not formed.
  • Paragraph 0041 of Patent Document 1 describes that the optical material layer has a layer thickness of 0.5 to 3 ⁇ m, but it covers a wide range of metal oxides listed in Paragraph 0039 of the same document, and is not necessarily highly sophisticated. It is not intended for difficult-to-etch materials.
  • the optical characteristics obtained from a certain number of grooves for example, the diffraction efficiency is low, and as a result, the number of grooves to achieve the desired optical characteristics. Increases, resulting in an increase in the size of the optical element.
  • the inventor of the present application has achieved both the achievement of the optical characteristics based on the periodic structure of the optical waveguide layer of the optical element and the reduction of the number of grooves included in the periodic structure of the optical waveguide layer simultaneously with respect to the above-described non-limiting example problem. I found a new meaning of achievement.
  • An optical element is an optical element including an optical waveguide layer provided with a periodic structure of grooves,
  • the optical waveguide layer has a layer thickness of 1.5 ⁇ m or more, Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , AlN, GaN, SiC, and yttrium aluminum garnet (YAG). Consisting of a material selected from the group consisting of When the groove depth of the periodic structure is D, the arrangement pitch of the grooves in the periodic structure is ⁇ , and the unit of D is the same as the unit of ⁇ , D / 0.5 ⁇ ⁇ 2.5 is satisfied.
  • the optical waveguide layer has a thickness of 1.5 ⁇ m or more, and has an aspect ratio of 2.5 or more and / or a depth of 200 nm or more. Are formed in the optical waveguide layer. Increasing the layer thickness of the optical waveguide layer allows an increase in the aspect ratio and / or depth of the groove, and increases the optical characteristics obtained from a certain number of grooves, for example, diffraction efficiency, thereby reducing the number of grooves. Is allowed, and the optical element can be miniaturized.
  • the layer thicknesses of various layers including the optical waveguide layer presented in this specification are determined by observing the cross sections of the layers with a scanning electron microscope. Specifically, when measuring the thickness of a specific layer of a certain product, in principle, a scanning electron microscope having a trade name FE-SEM, model number JSM-7401F manufactured by JEOL is used. However, if this scanning electron microscope is not commercially available no matter what the method is, use of another equivalent scanning electron microscope is permitted.
  • the groove pitch ⁇ in the periodic structure is 150 nm or more.
  • the groove pitch ⁇ in the periodic structure is 480 nm or less.
  • the groove pitch ⁇ in the periodic structure is 150 nm or more and 470 nm or less.
  • an arrangement pitch ⁇ of the grooves in the periodic structure is 167 nm or more and 435 nm or less.
  • the arrangement pitch ⁇ of the grooves in the periodic structure is not less than 175 nm and not more than 380 nm.
  • the depth D of the groove in the periodic structure is 200 nm or more.
  • the depth D of the groove in the periodic structure is 250 nm or more.
  • the depth D of the groove in the periodic structure is 300 nm or more.
  • the depth D of the groove in the periodic structure is 600 nm or less.
  • the depth D of the groove in the periodic structure is 550 nm or less.
  • the depth D of the groove in the periodic structure is 500 nm or less.
  • the effective length of the periodic structure when the effective length of the periodic structure is L, L ⁇ 100 ⁇ m is satisfied. In some embodiments, the effective length of the periodic structure is L ⁇ 90 ⁇ m, L ⁇ 80 ⁇ m, L ⁇ 70 ⁇ m, L ⁇ 60 ⁇ m, L ⁇ 50 ⁇ m, L ⁇ 40 ⁇ m, L ⁇ 30 ⁇ m, L ⁇ 20 ⁇ m, L ⁇ 15 ⁇ m, L ⁇ 15 ⁇ m. 10 ⁇ m.
  • the effective length of the periodic structure is L, 4.5 ⁇ L ⁇ 70.5 ⁇ m is satisfied.
  • the effective length of the periodic structure is L, 5.01 ⁇ L ⁇ 65.25 ⁇ m is satisfied.
  • the effective length of the periodic structure is L, 5.25 ⁇ L ⁇ 57 ⁇ m is satisfied.
  • the effective length of the periodic structure of the groove is understood from the viewpoint of exhibiting optical characteristics based on the periodic structure. For example, when a non-groove arrangement region is provided in the middle part of the periodic structure of grooves along the groove arrangement direction, the non-groove arrangement region is not counted as the effective length of the periodic structure of grooves.
  • the effective length of the periodic structure of the groove is measured excluding the size of the non-groove arrangement region.
  • the number of grooves in the periodic structure is 200 or less.
  • the groove of the periodic structure is defined by a pair of side surfaces facing substantially in parallel and a bottom surface provided between the side surfaces.
  • angle between the bottom surface and the side surface of the groove of the periodic structure is ⁇ , ⁇ ⁇ 80 °, or ⁇ ⁇ 82 °, or ⁇ ⁇ 84 °, or ⁇ ⁇ 86 °, or ⁇ ⁇ 88 ° are satisfied.
  • the average pitch error of the grooves in the periodic structure is ⁇ 0.5 nm or less.
  • the portion of the optical waveguide layer provided with a periodic structure extending in the direction in which the grooves are arranged has a ridge shape.
  • a laser assembly according to another aspect of the present disclosure includes an optical element of any one of the above or any combination of the above features;
  • the method for manufacturing an optical element according to an aspect of the present disclosure is selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , AlN, GaN, SiC, and yttrium aluminum garnet (YAG).
  • a wall having a periodic structure of walls arranged on the pressing surface with walls arranged in a second direction perpendicular to the first direction at a constant arrangement pitch is pressed against the second mask layer to generate energy rays.
  • the depth of the groove is D
  • the arrangement pitch of the grooves in the periodic structure is ⁇
  • the unit of D is the same as the unit of ⁇ , D / 0.5 ⁇ ⁇ 2.5 is satisfied.
  • the first opening is formed mainly based on pressing the second mask layer with a mold. Therefore, a mode in which the remaining film of the second mask layer is formed at the bottom of the first opening and the first opening does not completely penetrate the second mask layer is also assumed.
  • the remaining film is removed by an ashing process using oxygen plasma or the like.
  • dry etching is performed through the first opening while a remaining film is present in the first opening.
  • the arrangement pitch ⁇ and the groove depth D similar to those exemplified above are employed.
  • the groove of the periodic structure is defined by a pair of side surfaces facing substantially parallel and a bottom surface provided between the side surfaces, When the angle between the bottom surface and the side surface of the groove is ⁇ , ⁇ ⁇ 80 °, or ⁇ ⁇ 82 °, or ⁇ ⁇ 84 °, or ⁇ ⁇ 86 °, or ⁇ ⁇ 88 ° are satisfied.
  • the average pitch error of the grooves in the periodic structure is ⁇ 0.5 nm or less.
  • FIG. 1 It is a schematic perspective view of the laser assembly concerning one mode of this indication, and shows the state where the semiconductor laser element and the optical element were mounted on the silicon substrate.
  • FIG. 1 does not accurately illustrate the thickness of the silicon substrate or each element.
  • the illustration of the upper cladding layer of the optical element is omitted.
  • FIG. 4 is a partially enlarged schematic view of the periodic structure of the groove shown in FIG.
  • FIG. 6 is a manufacturing process diagram of an optical element according to an aspect of the present disclosure, showing a state in which a second mask layer made of a resin material is formed on a support substrate through a lower cladding layer, an optical waveguide layer, and a first mask layer.
  • FIG. 6 is a manufacturing process diagram of an optical element according to an aspect of the present disclosure, in which a wall periodic structure in which walls long in a first direction are arranged at a constant arrangement pitch in a second direction orthogonal to the first direction is provided on the pressing surface. The state just before pressing a 2nd mask layer with a type
  • 3 is a SEM cross-sectional photograph of the optical waveguide layer of the optical element according to Example 1.
  • 3 is a SEM cross-sectional photograph of an optical waveguide layer of an optical element according to Comparative Example 1.
  • FIGS. 1 to 15 Each feature included in one or more disclosed embodiments and example embodiments is not individually independent. Those skilled in the art can combine the exemplary embodiments and / or features without excessive explanation, and can also understand the synergistic effect of the combination. In principle, duplicate description between the embodiments is omitted.
  • the reference drawings are mainly for description of the invention, and may be simplified for convenience of drawing.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a laser assembly, showing a state where a semiconductor laser element and an optical element are mounted on a silicon substrate.
  • FIG. 1 does not accurately illustrate the thickness of the silicon substrate or each element.
  • FIG. 2 is a schematic side view showing one end face of the optical element.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of the optical element, showing that the periodic structure of the grooves is provided on the main surface of the optical waveguide layer. In FIG. 3, the illustration of the upper cladding layer of the optical element is omitted.
  • FIG. 4 is a partially enlarged schematic view of the periodic structure of the grooves shown in FIG. 3, schematically showing the arrangement pitch ⁇ , the groove depth D, and the angle ⁇ formed between the bottom surface and the side surface of the groove.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a laser assembly, showing a state where a semiconductor laser element and an optical element are mounted on a silicon substrate.
  • FIG. 1 does not accurately illustrate the thickness of the silicon substrate or each element.
  • FIG. 5 is a manufacturing process diagram of an optical element and shows a state in which a lower cladding layer is formed on a support substrate.
  • FIG. 6 is a manufacturing process diagram of an optical element and shows a state in which an optical waveguide layer is formed on a support substrate via a lower cladding layer.
  • FIG. 7 is a manufacturing process diagram of an optical element and shows a state in which a first mask layer is formed on a support substrate via a lower clad layer and an optical waveguide layer.
  • FIG. 8 is a manufacturing process diagram of an optical element, and shows a state in which a second mask layer made of a resin material is formed on a support substrate through a lower cladding layer, an optical waveguide layer, and a first mask layer.
  • FIG. 9 is a manufacturing process diagram of an optical element, in which a wall having a periodic structure in which walls long in the first direction are arranged at a constant arrangement pitch in a second direction orthogonal to the first direction is provided on the pressing surface. The state just before pressing a 2nd mask layer is shown.
  • FIG. 10 is a manufacturing process diagram of the optical element, and shows a state after pressing the second mask layer with a mold.
  • FIG. 11 is a manufacturing process diagram of an optical element, and shows a state in which an array of second openings is formed in the first mask layer by dry etching through the first openings of the second mask layer.
  • FIG. 12 is a manufacturing process diagram of an optical element and shows a state in which a periodic structure of grooves is formed in the optical waveguide layer by dry etching through the second opening of the first mask layer.
  • FIG. 13 is a manufacturing process diagram of the optical element and shows a state in which the first mask layer is removed.
  • FIG. 14 is a SEM cross-sectional photograph of the optical waveguide layer of the optical element according to Example 1.
  • FIG. 15 is a SEM cross-sectional photograph of the optical waveguide layer of the optical element according to Comparative Example 1.
  • FIG. 1 shows a laser assembly 9 for one non-limiting application of the optical element 5 disclosed herein.
  • the laser assembly 9 includes a mounting substrate 1 such as silicon (Si), a semiconductor laser element 2 mounted on the mounting substrate 1, and an optical element 5 mounted on the mounting substrate 1.
  • the optical element 5 includes an optical waveguide layer provided with a periodic structure of grooves.
  • this periodic structure of the optical waveguide layer is used as a diffraction grating for returning the emitted light from the semiconductor laser element 2 to the semiconductor laser element 2, and the stability of the emitted light wavelength of the semiconductor laser element 2 is promoted. Is done.
  • the type of the semiconductor laser element 2 can be various. As an example, a Fabry-Perot type laser element is used. In some cases, the semiconductor laser element 2 has a non-reflective coating (AR coating) on its emission end face and does not oscillate alone. A single resonator is constructed by the semiconductor laser element 2 and the diffraction grating of this type, and output wavelength stability and output power stability can be improved.
  • a Fabry-Perot type laser element is used.
  • the semiconductor laser element 2 has a non-reflective coating (AR coating) on its emission end face and does not oscillate alone.
  • a single resonator is constructed by the semiconductor laser element 2 and the diffraction grating of this type, and output wavelength stability and output power stability can be improved.
  • a semiconductor laser element in which a diffraction grating is not incorporated in the laser element may be used.
  • this semiconductor laser element and the optical element according to the present disclosure it is possible to avoid the incorporation of a diffraction grating into the semiconductor laser element and to construct a stabilized single wavelength light source at a lower cost.
  • the longitudinal mode of laser oscillation can be made a single mode, and the stability or selectivity of the peak wavelength is improved.
  • optical elements 5 there is no limit to the number of optical elements 5 that can be combined in one semiconductor laser element 2. That is, two or more optical elements 5 may be optically coupled to one semiconductor laser element 2. The plurality of optical elements 5 optically coupled to the common semiconductor laser element 2 may have the same or different configurations.
  • the laser element 2 is a laser element array having a plurality of light emission points
  • one optical element 5 is used corresponding to one laser element array, or it corresponds to a plurality of light emission points.
  • a plurality of optical elements 5 can be used.
  • a plurality of diffraction gratings 6 may be formed in the optical element 5 combined with one semiconductor laser element 2. That is, two or more diffraction gratings 6 may be optically coupled to one semiconductor laser element 2.
  • the plurality of diffraction gratings 6 optically coupled to the common semiconductor laser element 2 may have the same or different configurations, such as period, groove depth, and the like.
  • the laser element 2 is a laser element array having a plurality of light emission points
  • one optical element 5 is used corresponding to the plurality of laser elements, and the plurality of diffraction gratings 6 are optically coupled to the optical element 5 respectively. Can be combined.
  • the semiconductor laser element 2 is a solid light source capable of emitting laser light by passing a current between a pair of electrodes.
  • the semiconductor laser element 2 includes an active layer, upper and lower cladding layers provided so as to sandwich the active layer, a first electrode electrically connected to the upper cladding layer, for example, in ohmic contact, and a lower cladding layer.
  • the second electrode is electrically connected.
  • the semiconductor laser element 2 has a light emitting end face 21 and a light reflecting end face 22.
  • the laser resonator in the semiconductor laser element 2 is defined between the light emitting end face 21 and the light reflecting end face 22 in the active layer of the semiconductor laser element 2. In some cases, a high reflection layer is formed on the light reflection end face 22, and a low reflection layer is formed on the light emission end face 21.
  • the wavelength of the laser light emitted from the semiconductor laser element 2 can be various, but belongs to, for example, the infrared band or the near infrared. In some cases, the wavelength of the laser light belongs to a range of 750 nm to 1500 nm, a range of 750 nm to 1000 nm, or a range of 750 nm to 900 nm. In certain cases, the wavelength of the laser light is 800 nm.
  • the semiconductor laser element 2 oscillates due to the temperature dependence of the band gap of the semiconductor material constituting the semiconductor laser element 2. Wavelength changes.
  • the optical element 5 of the present disclosure is particularly useful in combination with the semiconductor laser element 2.
  • FIG. 1 schematically shows the active layer 25 of the semiconductor laser element 2 for reference.
  • optically coupling the semiconductor laser element 2 and the optical element 5 can be employed.
  • the active layer 25 of the semiconductor laser element 2 and the optical waveguide layer of the optical element 5 are directly attached (butt joint).
  • an AR coating layer is formed on the end surface of the optical element 5 facing the light emitting end surface 21 of the semiconductor laser element 2. It is also assumed that an AR coating layer is formed on the light emitting end face 21 of the semiconductor laser element 2 and the end face of the optical element 5 facing this, and the resonator of the semiconductor laser element 2 is extended to the optical element 5.
  • An optical element 5 of a non-limiting example shown in FIG. 2 includes a support substrate 51, a lower clad layer 52 laminated on the support substrate 51, and an optical waveguide layer 53 laminated on the support substrate 51 via the lower clad layer 52.
  • the upper clad layer 54 is laminated on the support substrate 51 with the lower clad layer 52 and the optical waveguide layer 53 interposed therebetween.
  • the support substrate 51 is, for example, a silicon substrate, but is not necessarily limited thereto, and various other types of substrates can be used.
  • the support substrate can be, for example, glass such as lithium niobate, lithium tantalate, AlN, SiC, ZnO, quartz glass, synthetic quartz, or quartz. In the case of glass such as quartz glass, synthetic quartz, quartz, and silicon, workability is good.
  • the lower cladding layer 52 is, for example, silicon dioxide (SiO 2 ), but is not necessarily limited thereto, and various materials having a lower refractive index than the optical waveguide layer 53 can be used.
  • the upper clad layer 54 is, for example, silicon dioxide (SiO 2 ), but is not necessarily limited to this, and various materials having a lower refractive index than the optical waveguide layer 53 can be used.
  • Examples of the material for the cladding layer include tantalum oxide and zinc oxide in addition to silicon dioxide. It is also possible to adjust the refractive index of the cladding layer by adding a dopant to the cladding layer. For example, P, B, Al, and Ga can be illustrated as a dopant.
  • the optical waveguide layer 53 is made of a material selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , AlN, GaN, SiC, and yttrium aluminum garnet (YAG).
  • the refractive index of the optical waveguide layer 53 is 1.7 or more, and preferably 2.0 or more.
  • ⁇ ⁇ / (2n ⁇ p) where ⁇ is the groove arrangement pitch, ⁇ is the wavelength of the laser light, n is the refractive index, and p is the diffraction order.
  • the arrangement pitch ⁇ of grooves formed in the optical waveguide layer 53 is about 190 nm.
  • the optical waveguide layer 53 has a thickness of 1.5 ⁇ m or more. In some cases, the maximum thickness of the optical waveguide layer 53 is 5 ⁇ m.
  • One or more metal elements selected from the group consisting of magnesium (Mg), zinc (Zn), scandium (Sc), and indium (In) may be added to the optical waveguide layer 53, whereby the optical waveguide The light damage resistance of the layer 53 is improved.
  • the lower clad layer 52, the optical waveguide layer 53, and the upper clad layer 54 are formed by using various thin film forming techniques available at present or in the future. Physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD) can be used. In many cases, sputtering is employed.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • the optical waveguide layer 53 can be formed by thinning the base material.
  • the lower clad layer 52 is formed on one surface of the thinned optical waveguide layer by a thin film formation technique and then bonded to the support substrate 51, and the upper clad 54 is formed on the opposite surface of the thinned optical waveguide layer by the thin film formation technique.
  • the bonding method between the lower cladding layer 52 and the support substrate 51 may be resin or low-melting glass bonding, and normal temperature direct bonding may be used.
  • the optical waveguide layer 53 has a periodic structure 6 of grooves 61.
  • a periodic structure 6 including an array of grooves 61 is provided on the main surface 535 of the optical waveguide layer 53.
  • the main surface means a plane orthogonal to the stacking direction D1 of each layer in the optical element 5.
  • the grooves 61 are arranged at an arrangement pitch ⁇ along the groove arrangement direction D2.
  • Each groove 61 has a depth D along the stacking direction D1.
  • Each groove 61 extends in a lateral direction D3 orthogonal to the stacking direction D1 and the groove arrangement direction D2.
  • Each groove 61 is defined by a pair of side surfaces 611 and 613 facing each other substantially in parallel and a bottom surface 612 provided between the pair of side surfaces 611 and 613.
  • the first side surface 611 is located on the light incident side of the optical element 5, in other words, located on the side closer to the semiconductor laser element 2.
  • the second side surface 613 is located on the light emitting side of the optical element 5, in other words, located on the side far from the semiconductor laser element 2.
  • the bottom surface 612 is substantially orthogonal to the stacking direction D1.
  • the side surfaces 611 and 613 are substantially orthogonal to the groove arrangement direction D2. Note that the side surfaces 611 and 613 and the bottom surface 612 also extend in the lateral direction D3.
  • An angle ⁇ formed between the first side surface 611 and the bottom surface 612 and an angle ⁇ formed between the second side surface 613 and the bottom surface 612 are illustrated.
  • a wall 62 is formed between adjacent grooves 61 in the groove arrangement direction D2.
  • the wall 62 has a height equal to or close to the depth of the groove 61.
  • the wall 62 extends in the lateral direction D3 and is substantially orthogonal to the groove arrangement direction D2.
  • the arrangement pitch ⁇ is equal to the groove arrangement interval in the groove arrangement direction D2.
  • the arrangement pitch ⁇ is the distance between the first side surface 611 and the first side surface 611 of the second groove adjacent to each other in the groove arrangement direction D2 and / or the first first side adjacent in the groove arrangement direction D2. It is equal to the distance between the second side surface 613 of the groove and the second side surface 613 of the second groove.
  • the periodic structure 6 is used as a diffraction grating, and the arrangement pitch ⁇ of the grooves of the periodic structure 6 is set according to the wavelength of the laser light to be subjected to the diffraction action.
  • the refractive index of the optical waveguide layer 53 is 1.7 or more in some cases, and preferably 2.0 or more.
  • the arrangement pitch ⁇ of the grooves of the periodic structure 6 is 150 nm or more and / or 480 nm or less. In some cases, the arrangement pitch ⁇ of the grooves of the periodic structure 6 is 150 nm to 470 nm, 167 nm to 435 nm, or 175 nm to 380 nm.
  • the arrangement pitch ⁇ is 150 nm or more, 160 nm or more, 170 nm or more, 180 nm or more, 190 nm or more, 200 nm or more, 210 nm or more, 220 nm or more, 230 nm or more, 240 nm or more, 250 nm or more, 260 nm or more, 270 nm or more, 280 nm Above, it can be 290 nm or more, 300 nm or more, 310 nm or more, 320 nm or more, 330 nm or more, 340 nm or more, 350 nm or more, 400 nm or more, 450 nm or more.
  • the arrangement pitch ⁇ is 470 nm or less, 460 nm or less, 450 nm or less, 400 nm, 350 nm or less, 300 nm or less, 250 nm or less, or 200 nm or less.
  • any combination of the lower limit value and the upper limit value of the arrangement pitch described above is clearly disclosed in this specification.
  • various combinations such as 150 nm to 480 nm, 150 nm to 470 nm, 160 nm to 460 nm, 180 nm to 250 nm can be understood. All combinations of the lower limit value and the upper limit value of the arrangement pitch are not listed, but are substantially disclosed.
  • the array pitch ⁇ is 185 nm ⁇ 0.5 nm, or 239 nm ⁇ 0.5 nm.
  • the arrangement pitch of the grooves in the periodic structure varies, that is, tolerance or variation occurs in the arrangement pitch.
  • the pitch error represents the difference between the target constant pitch and the measured pitch.
  • an average pitch error that is an average value of pitch errors is ⁇ 0.5 nm or less.
  • an optical waveguide layer made of a material selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , AlN, GaN, SiC, and yttrium aluminum garnet (YAG). 53 has a layer thickness of 1.5 ⁇ m or more. Furthermore, when the groove depth of the periodic structure is D, the arrangement pitch is ⁇ , and the unit of D is the same as the unit of ⁇ , D / 0.5 ⁇ ⁇ 2.5 is satisfied.
  • the optical waveguide layer 53 has a thickness of 1.5 ⁇ m or more, and a periodic structure of grooves having an aspect ratio of 2.5 or more and / or a depth of 200 nm or more is formed in the optical waveguide layer 53.
  • the increase in the layer thickness of the optical waveguide layer 53 allows an increase in the aspect ratio and / or depth of the grooves 61, and the optical characteristics obtained from a certain number of grooves 61, for example, diffraction efficiency, are enhanced.
  • the number of optical elements can be reduced, and the optical element can be miniaturized.
  • the aspect ratio is 3 or more, 3.5 or more, 4 or more, 5 or more, or 5.5 or more.
  • the same effect can be obtained by setting the groove depth to 200 nm even at an aspect ratio of 2.5 or less.
  • the aspect ratio also increases.
  • a deep groove is formed in the optical waveguide layer 53 made of a material selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , AlN, GaN, SiC, and yttrium aluminum garnet (YAG). Forming itself is difficult and therefore there may be an upper limit on the aspect ratio. In some embodiments, 2.5 ⁇ D / 0.5 ⁇ ⁇ 6 is satisfied.
  • the optical waveguide layer 53 is made of a material selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , AlN, GaN, SiC, and yttrium aluminum garnet (YAG), the optical waveguide It is not easy to form the groove 61 in the layer 53 by dry etching, for example, reactive ion etching (RIE), and it is not easy to deeply dig the groove. When the grooves are arranged at a narrow pitch, deep digging of the grooves becomes more difficult. The deeper the groove, the smaller the angle between the side surface and the bottom surface that defines the groove is less than 90 °, such as 80 ° or 75 °.
  • RIE reactive ion etching
  • the rectangular groove is preferable in terms of diffraction efficiency.
  • the depth D of the groove of the periodic structure 6 is 200 nm or more and / or 600 nm or less. In some cases, the depth D of the groove of the periodic structure 6 is 250 nm or 300 nm or more. In some cases, the depth D of the groove of the periodic structure 6 is 550 nm or 500 nm or less.
  • the side surfaces 611 and 613 of the groove 61 are substantially vertical surfaces with respect to the bottom surface 612 or inclined surfaces close to 90 °.
  • the angle ⁇ between the side surfaces 611 and 613 and the bottom surface 612 satisfies ⁇ ⁇ 80 °, or ⁇ ⁇ 82 °, or ⁇ ⁇ 84 °, or ⁇ ⁇ 86 °, or ⁇ ⁇ 88 °. In such a case, the diffraction efficiency obtained from a certain number of grooves is increased, and as a result, the reduction of the number of grooves and the miniaturization of the optical element are promoted.
  • the effective length of the periodic structure when the effective length of the periodic structure is L, L ⁇ 100 ⁇ m is satisfied. In some cases, when the effective length of the periodic structure is L, 4.5 ⁇ L ⁇ 70.5 ⁇ m is satisfied. In some cases, when the effective length of the periodic structure is L, 5.01 ⁇ L ⁇ 65.25 ⁇ m is satisfied. In some cases, when the effective length of the periodic structure is L, 5.25 ⁇ L ⁇ 57 ⁇ m is satisfied.
  • the effective length L of the periodic structure 6 is the length of the groove arrangement portion along the groove arrangement direction D2. By shortening the effective length L, the length K of the optical element 5 along the groove arrangement direction D2 can be shortened.
  • the effective length L of the periodic structure 6 is equal to the total length of each divided groove forming portion and does not include the length of the non-groove forming portion.
  • the effective length L of the periodic structure 6 is less than the length K of the optical element 5 along the groove arrangement direction D2.
  • the effective length L of the periodic structure 6 is equal to the length K of the optical element 5 along the groove arrangement direction D2.
  • the optical element 5 is smaller than the semiconductor laser element 2 in the groove arrangement direction D2.
  • the number of grooves is 200 or less.
  • the small number of grooves means that the effective length L of the periodic structure 6 is shortened, and the optical element 5 can be downsized. In some cases, the number of grooves is between 30 and 150.
  • a pair of side grooves 56 extending along the groove arrangement direction D2 is formed so as to sandwich the periodic structure 6, and confinement of light in the optical waveguide layer 53 in the lateral direction D3 is promoted.
  • the portion of the optical waveguide layer 53 provided with the periodic structure 6 extending in the groove arrangement direction D2 becomes a ridge shape.
  • the portion of the optical waveguide layer 53 adjacent to the ridge portion of the optical waveguide layer 53 in the lateral direction D3 is removed.
  • the lower clad layer 52 is formed on the support substrate 51 by sputtering or the like (see FIG. 5).
  • an optical waveguide layer 53 is formed on the lower cladding layer 52 by sputtering or the like (see FIG. 6).
  • a first mask layer 71 is formed on the optical waveguide layer 53 by sputtering or the like (see FIG. 7).
  • a second mask layer 72 made of a resin material is formed on the first mask layer 71 in accordance with a coating method such as spin coating (see FIG. 8).
  • a mold 73 is prepared (see FIG.
  • an array of first openings 75j is formed in the second mask layer 72 based on pressing the mold 73 against the second mask layer 72 and irradiating energy rays. (See FIG. 10). If necessary, a release layer is formed on the pressing surface of the mold 73, and release from the second mask layer 72 is promoted. In some cases, a residual film of the second mask layer is formed at the bottom of the first opening, and the first opening does not completely penetrate the second mask layer. The remaining film has a thickness of 5 nm to 100 nm, for example.
  • a first periodic structure 74 that is finally transferred to the optical waveguide layer 53 is formed on the pressing surface of the mold 73 shown in FIG.
  • the long walls 74k in the first direction are arranged at a constant arrangement pitch in the second direction orthogonal to the first direction.
  • a groove 74j is formed between adjacent walls 74k.
  • the first direction matches the above-described lateral direction D3
  • the second direction matches the above-described groove arrangement direction D2.
  • the resin material of the second mask layer 72 flows into the.
  • energy rays that cure the resin material of the second mask layer 72 are irradiated.
  • the energy ray is, for example, ultraviolet rays, but is not necessarily limited thereto.
  • a second periodic structure 75 to which the first periodic structure 74 is transferred is formed on the second mask layer 72.
  • a first opening 75j corresponding to the wall 74k of the first periodic structure 74 is formed, and a first wall 75k corresponding to the groove 74j of the first periodic structure 74 is formed.
  • an array of second openings 76j is formed in the first mask layer 71 by dry etching through the first openings 75j of the second mask layer 72 (see FIG. 11).
  • a third periodic structure 76 to which the first periodic structure 74 is transferred is formed on the first mask layer 71.
  • a second opening 76j is formed immediately below the groove 75j between the walls 75k of the second periodic structure 75, and a second wall 76k is formed immediately below the wall 75k of the second periodic structure 75. Is done.
  • the second mask layer 72 is removed simultaneously with the dry etching or after the dry etching.
  • the dry etching is, for example, reactive ion etching (RIE).
  • an array of grooves 61 is formed in the optical waveguide layer 53 by dry etching through the second opening 76j of the first mask layer 71 (see FIG. 12).
  • the above-described periodic structure 6 to which the first periodic structure 74 is transferred is formed in the optical waveguide layer 53.
  • a groove 61 is formed immediately below the groove 76j between the walls 76k of the third periodic structure 76, and a wall 62 is formed immediately below the wall 76k of the third periodic structure 76.
  • the first mask layer 71 is removed (see FIG. 13).
  • the dry etching is, for example, reactive ion etching (RIE).
  • side grooves 56 are formed in the optical waveguide layer 53, and the upper clad layer 54 is formed on the optical waveguide layer 53 by sputtering or the like.
  • the side groove 56 forms a third mask layer made of Ti or the like except for a region where the side groove 56 is to be formed, and forms the side groove 56 by reactive ion etching through the opening of the third mask layer.
  • the upper cladding layer 54 By forming the upper cladding layer 54, the grooves 61 and the side grooves 56 of the optical waveguide layer 53 are filled with the material of the upper cladding layer 54.
  • the end face of the optical element 5 is formed by a dicing apparatus. Subsequently, the end face of the optical element 5 is optically polished to form an AR coat.
  • the AR coat has, for example, a reflectance of 0.1%.
  • the first mask layer 71 is metal or metal silicide.
  • the first mask layer 71 is made of Ti, Cr, Mo, W, Ta, Si, Ni, Al, V, Fe, Nb, Re, Co, Pd, Pt, or an alloy thereof.
  • the first mask layer 71 is tungsten silicide, vanadium silicide, iron silicide, niobium silicide, molybdenum silicide, rhenium silicide, chromium silicide, cobalt silicide, nickel silicide, palladium silicide, or platinum silicide.
  • the first mask layer 71 is typically a single layer and is not necessarily limited to this.
  • the second mask layer 72 is a commercially available resin that can be used by the nanoimprint method (UV curable nanoimprint resin: Daicel Chemical Industries, Toyo Gosei Co., Ltd., etc.).
  • the viscosity of the resin of the second mask layer 72, the temperature at which the periodic structure of the mold is transferred, and the like are appropriately determined by those skilled in the art.
  • a halogen-based first etching gas is used in the dry etching of the first mask layer 71 performed through the first opening 75j of the second mask layer 72.
  • a halogen-based second etching gas is used in the dry etching of the optical waveguide layer 53 performed through the second opening 76j of the first mask layer 71.
  • the first etching gas and the second etching gas are the same, and in other cases they are different.
  • the first etching gas is chlorine-based and the second etching gas is fluorine-based.
  • the first etching gas is fluorine-based and the second etching gas is chlorine-based.
  • the groove 61 having an aspect ratio of 2.5 or more can be formed in the thickness of the optical waveguide layer 53 of 1.5 ⁇ m or more.
  • the first etching gas is chlorine-based
  • the second etching gas is fluorine-based.
  • the chlorine-based etching gas is, for example, BCl 3 .
  • the fluorine-based etching gas is, for example, CHF 3 .
  • the Al film is etched by the first etching gas, and a byproduct of AlCl 3 is generated.
  • the optical waveguide layer 53 is etched by the second etching gas, and a TaF 5 byproduct is generated. By-products remain in the grooves of the optical element 5 in some cases.
  • the first etching gas is fluorine-based
  • the second etching gas is chlorine-based.
  • the chlorine-based etching gas is, for example, BCl 3 .
  • the fluorine-based etching gas is, for example, CHF 3 .
  • the W film is etched by the first etching gas, and a WF 6 byproduct is generated.
  • the optical waveguide layer 53 is etched by the second etching gas, and an AlCl 3 byproduct is generated.
  • the groove 61 having an aspect ratio of 2.5 or more can be formed in the layer thickness of the optical waveguide layer 53 of 1.5 ⁇ m or more.
  • the first etching gas is chlorine-based
  • the second etching gas is fluorine-based.
  • the chlorine-based etching gas is, for example, BCl 3 .
  • the fluorine-based etching gas is, for example, CHF 3 .
  • the Al film is etched by the first etching gas, and a byproduct of AlCl 3 is generated.
  • the optical waveguide layer 53 is etched by the second etching gas, and a TaF 5 byproduct is generated. By-products remain in the grooves of the optical element 5 in some cases.
  • the first etching gas is fluorine-based
  • the second etching gas is chlorine-based.
  • the chlorine-based etching gas is, for example, BCl 3 .
  • the fluorine-based etching gas is, for example, CHF 3 .
  • the W film is etched by the first etching gas, and a WF 6 byproduct is generated.
  • the optical waveguide layer 53 is etched by the second etching gas, and an AlCl 3 byproduct is generated.
  • the optical waveguide layer 53 is made of AlN, GaN, SiC, or yttrium aluminum garnet (YAG), the material of the first mask layer 71 and the gas types of the first and second etching gases are appropriately selected.
  • the groove 61 having an aspect ratio of 2.5 or more and / or a depth of 200 nm or more can be formed in the thickness of the optical waveguide layer 53 of 1.5 ⁇ m or more.
  • the method of manufacturing the optical element 5 is as follows. It is made of a material selected from the group consisting of Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , AlN, GaN, SiC, and yttrium aluminum garnet (YAG), and has a layer thickness of 1.5 ⁇ m or more. Forming a first mask layer on the optical waveguide layer, Forming a second mask layer made of a resin material on the first mask layer; A wall having a periodic structure with walls arranged in a second direction perpendicular to the first direction and arranged at a constant pitch is pressed against the second mask layer and irradiated with energy rays.
  • YAG yttrium aluminum garnet
  • the first mask is Al
  • a chlorine-based etching gas is used for dry etching through the first opening of the second mask layer, and the first mask layer passes through the second opening.
  • a fluorine-based etching gas is used for dry etching. More detailed conditions are disclosed in Example 1.
  • the first mask is W
  • a fluorine-based etching gas is used for dry etching through the first opening of the second mask layer, and the second mask layer passes through the second opening.
  • a chlorine-based etching gas is used for dry etching. More detailed conditions are disclosed in Example 2.
  • the average pitch error of this periodic structure satisfies ⁇ 0.5 nm or less. It is assumed that the average pitch error is obtained by one of the following methods.
  • DUV light diffraction type pitch calibration capable of realizing calibration with an uncertainty of 0.04 nm is used.
  • Example 1 when an average pitch error of the periodic structure was examined by DUV light diffraction pitch calibration for an optical element having a groove depth of 500 nm and an array pitch of 185 nm, an error accuracy of ⁇ 0.03 nm was obtained. I was able to confirm.
  • An error value can be obtained by obtaining the difference between the value obtained by dividing the effective length of the periodic structure of the optical element by the number of grooves and the measured arrangement pitch ⁇ . An average value of the errors is obtained, and an average pitch error is obtained.
  • Example 1 On the support substrate made of Si, a lower clad layer made of SiO 2 was formed to a thickness of 1.0 ⁇ m by sputtering. Next, an optical waveguide layer made of Ta 2 O 5 was formed to 2.0 ⁇ m on the upper surface of the lower cladding layer by sputtering. Next, a first mask layer made of Al was formed to 50 nm on the upper surface of the optical waveguide layer by sputtering. Next, 80 nm of 2nd mask layers were apply
  • the first mask layer by dry etching through the opening of the second mask layer with a chlorine-based gas (BCl 3), to form an opening which reaches the optical waveguide layer. Simultaneously with this dry etching, the second mask layer is removed.
  • the optical waveguide layer was dry-etched with fluorine-based gas (CHF 3 ) for a predetermined time through the opening of the first mask layer to form a groove having a depth of 350 nm in the optical waveguide layer 53.
  • the groove pitch ⁇ is 185 nm.
  • the angle between the side surface and the bottom surface of the groove is approximately 90 °.
  • the first mask layer was removed.
  • FIG. 14 magnification 100,000 times). The aspect ratio is about 3.8. In Example 1, a rectangular groove opened upward was obtained.
  • Example 1 several samples were manufactured using the effective length of the periodic structure of the optical waveguide layer, in other words, the number of grooves 61 as a variable, and the optical characteristics thereof were evaluated.
  • a super luminescence diode which is a broadband wavelength light source
  • the light emitted from the SLD was input to the optical element, and the output light from the optical element was analyzed with an optical spectrum analyzer.
  • the reflection characteristics were evaluated from the transmission characteristics of the optical element.
  • the reflectance of the optical element was measured at a specific wavelength, here 800 ⁇ m. The results are as shown in Table 1 below.
  • the effective length of the periodic structure of the optical waveguide layer is about 13 ⁇ m in order to realize the reflectance of about 40% of the optical element. It was confirmed that the effective length of the periodic structure 6 can be significantly reduced, and the downsizing of the optical element can be promoted significantly.
  • Example 2 In the second embodiment, unlike the first embodiment, the arrangement pitch ⁇ of grooves to be formed in the optical waveguide layer 53 is 239 nm, Al 2 O 3 is used as the optical waveguide layer, and W is used as the first mask layer. Fluorine-based etching gas (CHF 3 ) is used as an etching gas for the first mask layer through the opening of the second mask layer, and chlorine is used as an etching gas for the optical waveguide layer through the opening of the first mask layer. A system etching gas (BCl 3 ) was used. The layer thickness of the optical waveguide layer is 2.0 ⁇ m, which is the same as in the first embodiment.
  • CHF 3 Fluorine-based etching gas
  • BCl 3 system etching gas
  • the groove arrangement pitch ⁇ of the optical waveguide layer is 239 nm, the groove depth is 300 nm, and the angle formed between the side surface and the bottom surface of the groove is 80 °.
  • the aspect ratio is about 2.5.
  • channel opened upwards equivalent to it was obtained.
  • several samples were manufactured using the effective length of the periodic structure of the optical waveguide layer, in other words, the number of grooves 61 as a variable, and the optical characteristics thereof were evaluated (Table 2). reference).
  • the effective length of the periodic structure of the optical waveguide layer needs to be about 55 ⁇ m in order to realize the reflectance of about 40% of the optical element.
  • Example 2 the aspect ratio is> 2.5, and even when compared with Comparative Example 1, it can be confirmed that the effective length of the periodic structure of the optical waveguide layer is advantageously reduced as in Example 1.
  • Example 3 On the support substrate made of Si, a lower clad layer made of SiO 2 was formed to a thickness of 1.0 ⁇ m by sputtering. Next, an optical waveguide layer made of LiTaO 3 was formed to a thickness of 2.0 ⁇ m on the upper surface of the lower cladding layer by sputtering. Next, a first mask layer made of Al was formed to 50 nm on the upper surface of the optical waveguide layer by sputtering. Next, 80 nm of 2nd mask layers were apply
  • the first mask layer is dry-etched through the opening of the second mask layer with chlorine-based gas (BCl 3 ) to form an opening reaching the optical waveguide layer. Simultaneously with this dry etching, the second mask layer is removed.
  • the optical waveguide layer was dry-etched with fluorine-based gas (CHF 3 ) for a predetermined time through the opening of the first mask layer to form a groove having a depth of 290 nm in the optical waveguide layer 53.
  • the groove pitch ⁇ is 185 nm.
  • the angle between the side surface and the bottom surface of the groove is approximately 90 °.
  • the first mask layer was removed.
  • the aspect ratio was about 3.1. In Example 3, a rectangular groove opened upward was obtained.
  • Example 4 On the support substrate made of Si, a lower clad layer made of SiO 2 was formed to a thickness of 1.0 ⁇ m by sputtering. Next, an optical waveguide layer made of LiNbO 3 was formed to 2.0 ⁇ m on the upper surface of the lower cladding layer by sputtering. Next, a first mask layer made of Al was formed to 50 nm on the upper surface of the optical waveguide layer by sputtering. Next, 80 nm of 2nd mask layers were apply
  • the first mask layer is dry-etched through the opening of the second mask layer with chlorine-based gas (BCl 3 ) to form an opening reaching the optical waveguide layer. Simultaneously with this dry etching, the second mask layer is removed.
  • the optical waveguide layer through the opening of the first mask layer is dry etched to a predetermined time, fluorine gas (CHF 3), to form the depth 260nm grooves on the optical waveguide layer 53.
  • the groove pitch ⁇ is 185 nm.
  • the angle between the side surface and the bottom surface of the groove is approximately 90 °.
  • the first mask layer was removed.
  • the aspect ratio was about 2.8. In Example 4, a rectangular groove opened upward was obtained.
  • Comparative Example 1 In Comparative Example 1, unlike Example 1, Ti is used as the first mask layer, and fluorine-based etching gas (CHF 3 ) is used as the etching gas for the first mask layer through the opening of the second mask layer. It was.
  • the layer thickness of the optical waveguide layer is 2.0 ⁇ m, which is the same as in the first embodiment.
  • a fluorine-based etching gas (CHF 3 ) was used as a gas for etching the optical waveguide layer through the opening of the first mask layer.
  • the groove arrangement pitch ⁇ of the optical waveguide layer is 185 nm, the groove depth is 150 nm, and the angle formed between the side surface and the bottom surface of the groove is 75 °.
  • the aspect ratio is about 1.6.
  • FIG. 15 One SEM photograph of a sample according to this comparative example is shown in FIG. 15 (magnification 100,000 times).
  • the rectangular groove opened upward like Example 1 was not obtained, but the V-shaped groove opened upward was formed.
  • Comparative Example 1 as in Example 1, several samples were manufactured using the effective length of the periodic structure of the optical waveguide layer, in other words, the number of grooves 61 as a variable, and the optical characteristics thereof were evaluated (Table 3). reference).
  • the effective length of the periodic structure needs to be about 140 ⁇ m in order to realize a reflectance of about 40% of the optical element.
  • Comparative Example 2 In Comparative Example 2, unlike Example 2, Ti was used as the first mask layer. Similar to the second embodiment, the arrangement pitch ⁇ of grooves to be formed in the optical waveguide layer 53 is 239 nm. As in Example 2, the etching of the optical waveguide layer through the opening of the first mask layer is performed using fluorine-based etching gas (CHF 3 ) as the etching gas for the first mask layer through the opening of the second mask layer. Chlorine-based etching gas (BCl 3 ) was used as the gas for use. The layer thickness of the optical waveguide layer is 2.0 ⁇ m, which is the same as that of the second embodiment.
  • fluorine-based etching gas CHF 3
  • Chlorine-based etching gas BCl 3
  • the layer thickness of the optical waveguide layer is 2.0 ⁇ m, which is the same as that of the second embodiment.
  • the depth of the groove of the optical waveguide layer is 190 nm, and the angle formed between the side surface and the bottom surface of the groove is 60 °.
  • the aspect ratio is about 1.6.
  • the rectangular groove opened upward like Example 2 was not obtained, but the V-shaped groove opened upward was formed.
  • Comparative Example 2 as in Example 1, several samples were manufactured with the effective length of the periodic structure of the optical waveguide layer, in other words, the number of grooves 61 as a variable, and the optical characteristics were evaluated (Table 4). reference). In the case of Comparative Example 2, it can be seen that the effective length of the periodic structure of the optical waveguide layer is required to be about 140 ⁇ m in order to realize the reflectance of about 40% of the optical element.
  • Support substrate 52 Lower clad layer 53 Optical waveguide layer 54 Upper clad layer 56 Side groove

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Abstract

光学素子の光導波層の周期構造に基づく光学特性の達成と、光導波層の周期構造に含まれる溝の個数の低減の両方を同時に達成すること。光学素子５は、溝６１の周期構造６が設けられた光導波層５３を備える。光導波層５３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る。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。

Description

光学素子及びその製造方法
　本開示は、光学素子及びその製造方法に関する。
　特許文献１は、難加工性の光学材料層をエッチングするため、樹脂層と光学材料層の間に下地層を設け、ナノインプリント技術を用いて樹脂層に開口を設け、樹脂層の開口を介して下地層をエッチングし、エッチングにより形成された下地層の開口を介して光学材料層をエッチングし、これにより、光学材料層により深い凹部を形成することを開示する。
国際公開第２０１６／１３３１６１号
　光導波層が難エッチング材料から成る場合、光導波層に深溝を形成することはそもそも困難である。特許文献１では、薄層の光導波層に浅溝の周期構造を形成することが行われているが、その実施例において、Ｔａ2Ｏ5から成る光学材料層に１００ｎｍの深さまでしか溝が形成できていない。なお、特許文献１の段落００４１は、光学材料層が０．５～３μｍの層厚を有することを記述するが、同文献の段落００３９に列挙した広範囲な金属酸化物を対象としており、必ずしも高度の難エッチング材料を対象としていない。
　難エッチング材料から成る薄層の光導波層に浅溝を形成する場合、ある個数の溝から得られる光学特性、例えば、回折効率が低く、結果として所望の光学特性を達成するために溝の個数が増加し、光学素子のサイズの大型化に帰結してしまう問題がある。
　本願発明者は、上述の非限定の一例の課題に関して、光学素子の光導波層の周期構造に基づく光学特性の達成と、光導波層の周期構造に含まれる溝の個数の低減の両方を同時に達成することの意義を新たに見出した。
　本開示の一態様に係る光学素子は、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。
　本願明細書においては、Ｄ／０．５Λを「アスペクト比」と呼ぶ。従来の手法に反し、本開示の一態様に係る光学素子では、光導波層が１．５μｍ以上の厚みを有し、また、２．５以上のアスペクト比及び／又は２００ｎｍ以上の深さの溝の周期構造を光導波層に形成する。光導波層の層厚の増加により溝のアスペクト比及び／又は深さの増加が許容され、ある個数の溝から得られる光学特性、例えば、回折効率が高められ、これにより、溝の個数の低減が許容され、光学素子の小型化が可能となる。
　特許文献１の実施例１に記載の場合、凹部の配置間隔に一致するピッチΛが２００ｎｍであり、凹部の深さＤが１００ｎｍである。この場合、Ｄ／０．５Λ＝１を満足する。
　本明細書に提示される光導波層を含む様々な層の層厚は、層の断面を走査電子顕微鏡で観察することにより求めるものとする。具体的には、ある製品の特定の層の厚みの測定に際しては、原則として、ＪＥＯＬ社製の商品名ＦＥ－ＳＥＭ、型番ＪＳＭ－７４０１Ｆの走査電子顕微鏡を用いるものとする。但し、この走査電子顕微鏡が如何なる方法を尽くしても商業的に入手不可能であれば、これと同等の他の走査電子顕微鏡の使用が許容されるものとする。
　幾つかの実施形態においては、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。
　幾つかの実施形態においては、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。
　幾つかの実施形態においては、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。
　幾つかの実施形態においては、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。
　幾つかの実施形態においては、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。
　幾つかの実施形態においては、前記周期構造における前記溝の深さＤが、２００ｎｍ以上である。
　幾つかの実施形態においては、前記周期構造における前記溝の深さＤが、２５０ｎｍ以上である。
　幾つかの実施形態においては、前記周期構造における前記溝の深さＤが、３００ｎｍ以上である。
　幾つかの実施形態においては、前記周期構造における前記溝の深さＤが、６００ｎｍ以下である。
　幾つかの実施形態においては、前記周期構造における前記溝の深さＤが、５５０ｎｍ以下である。
　幾つかの実施形態においては、前記周期構造における前記溝の深さＤが、５００ｎｍ以下である。
　幾つかの実施形態においては、前記周期構造の有効長をＬとする時、Ｌ≦１００μｍを満足する。実施形態によっては、周期構造の有効長は、Ｌ≦９０μｍ、Ｌ≦８０μｍ、Ｌ≦７０μｍ、Ｌ≦６０μｍ、Ｌ≦５０μｍ、Ｌ≦４０μｍ、Ｌ≦３０μｍ、Ｌ≦２０μｍ、Ｌ≦１５μｍ、Ｌ≦１０μｍである。
　幾つかの実施形態においては、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。
　幾つかの実施形態においては、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。
　幾つかの実施形態においては、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。
　溝の周期構造の有効長は、周期構造に基づく光学特性の発揮という観点から理解される。例えば、溝の配列方向に沿って溝の周期構造の中間部に非溝配置領域が設けられる場合、この非溝配置領域は溝の周期構造の有効長にカウントされない。溝の周期構造の有効長は、非溝配置領域のサイズを除いて測定される。
　幾つかの実施形態においては、前記周期構造の溝の個数は、２００個以下である。
　幾つかの実施形態においては、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る。
　幾つかの実施形態においては、前記周期構造の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。
　幾つかの実施形態においては、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。
　幾つかの実施形態においては、前記溝の配列方向に延びる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。
　本開示の別態様に係るレーザーアセンブリは、上述のいずれか一つ又は上述の特徴の任意の組み合わせの光学素子と、
　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。
　本開示の一態様に係る光学素子の製造方法は、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。
　第１開口部は、主として第２マスク層を型で押すことに基づいて形成される。従って、第１開口部の底部に第２マスク層の残膜が形成され、第１開口部が第２マスク層を完全に貫通しない態様も想定される。幾つかの場合、酸素プラズマ等によるアッシングプロセスにより残膜が除去される。幾つかの場合、第１開口部に残膜が存在するまま第１開口部を介したドライエッチングが行われる。
　幾つかの実施形態においては、上述に例示したものと同様の前記配列ピッチΛと前記溝深さＤが採用される。
　幾つかの実施形態においては、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。
　幾つかの実施形態においては、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。
　本開示の一態様によれば、光学素子の光導波層の周期構造に基づく光学特性の達成と、光導波層の周期構造に含まれる溝の個数の低減の両方を同時に達成することを促進することができる。
本開示の一態様に係るレーザーアセンブリの概略斜視図であり、シリコン基板上に半導体レーザー素子と光学素子が実装された状態を示す。図１は、シリコン基板や各素子の厚みを正確に図示するものではない。 本開示の一態様に係る光学素子の一端面を示す概略側面図である。 本開示の一態様に係る光学素子の概略斜視図であり、溝の周期構造が光導波層の主面に設けられることを示す。図３は、光学素子の上部クラッド層の図示を省略している。 図３に示した溝の周期構造の部分拡大模式図であり、配列ピッチΛ、溝の深さＤ、溝の底面と側面のなす角θが模式的に示される。 本開示の一態様に係る光学素子の製造工程図であり、支持基板上に下部クラッド層を形成した状態を示す。 本開示の一態様に係る光学素子の製造工程図であり、支持基板上に下部クラッド層を介して光導波層を形成した状態を示す。 本開示の一態様に係る光学素子の製造工程図であり、支持基板上に下部クラッド層及び光導波層を介して第１マスク層を形成した状態を示す。 本開示の一態様に係る光学素子の製造工程図であり、支持基板上に下部クラッド層、光導波層、及び第１マスク層を介して樹脂材料から成る第２マスク層を形成した状態を示す。 本開示の一態様に係る光学素子の製造工程図であり、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で第２マスク層を押圧する直前の状態を示す。 本開示の一態様に係る光学素子の製造工程図であり、型で第２マスク層を押圧した後の状態を示す。 本開示の一態様に係る光学素子の製造工程図であり、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た状態を示す。 本開示の一態様に係る光学素子の製造工程図であり、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した状態を示す。 本開示の一態様に係る光学素子の製造工程図であり、第１マスク層を除去した状態を示す。 実施例１に係る光学素子の光導波層のＳＥＭ断面写真である。 比較例１に係る光学素子の光導波層のＳＥＭ断面写真である。
　以下、図１乃至図１５を参照しつつ、本発明の非限定の実施形態例及び実施例について説明する。開示の１以上の実施形態例及び実施形態例に包含される各特徴は、個々に独立したものではない。当業者は、過剰説明を要せず、各実施形態例及び／又は各特徴を組み合わせることができ、また、この組み合わせによる相乗効果も理解可能である。実施形態例間の重複説明は、原則的に省略する。参照図面は、発明の記述を主たる目的とするものであり、作図の便宜のために簡略化されている場合がある。
　図１は、レーザーアセンブリの概略斜視図であり、シリコン基板上に半導体レーザー素子と光学素子が実装された状態を示す。図１は、シリコン基板や各素子の厚みを正確に図示するものではない。図２は、光学素子の一端面を示す概略側面図である。図３は、光学素子の概略斜視図であり、溝の周期構造が光導波層の主面に設けられることを示す。図３は、光学素子の上部クラッド層の図示を省略している。図４は、図３に示した溝の周期構造の部分拡大模式図であり、配列ピッチΛ、溝の深さＤ、溝の底面と側面のなす角θが模式的に示される。図５は、光学素子の製造工程図であり、支持基板上に下部クラッド層を形成した状態を示す。図６は、光学素子の製造工程図であり、支持基板上に下部クラッド層を介して光導波層を形成した状態を示す。図７は、光学素子の製造工程図であり、支持基板上に下部クラッド層及び光導波層を介して第１マスク層を形成した状態を示す。図８は、光学素子の製造工程図であり、支持基板上に下部クラッド層、光導波層、及び第１マスク層を介して樹脂材料から成る第２マスク層を形成した状態を示す。図９は、光学素子の製造工程図であり、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で第２マスク層を押圧する直前の状態を示す。図１０は、光学素子の製造工程図であり、型で第２マスク層を押圧した後の状態を示す。図１１は、光学素子の製造工程図であり、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た状態を示す。図１２は、光学素子の製造工程図であり、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した状態を示す。図１３は、光学素子の製造工程図であり、第１マスク層を除去した状態を示す。図１４は、実施例１に係る光学素子の光導波層のＳＥＭ断面写真である。図１５は、比較例１に係る光学素子の光導波層のＳＥＭ断面写真である。
　図１は、本願に開示の光学素子５の非限定の一つの用途のレーザーアセンブリ９を示す。レーザーアセンブリ９は、シリコン（Ｓｉ）などの実装基板１、実装基板１上に実装された半導体レーザー素子２、実装基板１上に実装された光学素子５を有する。後述の説明から分かるように、光学素子５は、溝の周期構造が設けられた光導波層を含む。一例のレーザーアセンブリ９において、この光導波層の周期構造が半導体レーザー素子２からの出射光を半導体レーザー素子２に帰還させる回折格子として用いられ、半導体レーザー素子２の出射光波長の安定性が促進される。
　半導体レーザー素子２の種類は様々であり得る。例として、ファブリペロー型レーザー素子が用いられる。幾つかの場合、半導体レーザー素子２は、その出射端面に無反射コート（ＡＲコート）を有し、単独ではレーザー発振しない。この種類の半導体レーザー素子２と回折格子により単独の共振器が構築され、出力波長安定性及び出力パワー安定性が高められ得る。
　回折格子がレーザー素子に組み込まれていない半導体レーザー素子が用いられる場合も想定される。この半導体レーザー素子と本開示に係る光学素子の組み合わせにより半導体レーザー素子への回折格子の組み込みを回避し、安定化された単一波長光源をより安価に構築することが可能となる。
　複数のピーク波長のレーザー光を出射する半導体レーザー素子が用いられる場合も想定される。この半導体レーザー素子と本開示に係る光学素子の組み合わせによりレーザー発振の縦モードを単一モードとすることができ、ピーク波長の安定性又は選択性が向上する。
　留意すべきは、１つの半導体レーザー素子２に組み合わされる光学素子５の個数に制限はないことである。つまり、１つの半導体レーザー素子２に対して２以上の光学素子５を光学的に結合させてもよい。共通の半導体レーザー素子２に光学的に結合される複数の光学素子５は、各々、同一又は異なる構成を有し得る。
　更に留意すべきは、レーザー素子２が複数の光出射点を有するレーザー素子アレイである場合、一つのレーザー素子アレイに対応して一つの光学素子５が用いられ、若しくは複数の光出射点に対応して複数の光学素子５が用いられ得る。
　１つの半導体レーザー素子２に組み合わされる光学素子５の中に、複数の回折格子６を形成してもよい。つまり、１つの半導体レーザー素子２に対して２以上の回折格子６を光学的に結合させてもよい。共通の半導体レーザー素子２に光学的に結合される複数の回折格子６は、周期、溝深さ、等、各々、同一又は異なる構成を有し得る。
　レーザー素子２が複数の光出射点を有するレーザー素子アレイである場合、複数のレーザー素子に対応して一つの光学素子５が用いられ、この光学素子５で複数の回折格子６がそれぞれ光学的に結合し得る。
　半導体レーザー素子２は、一対の電極間に電流を流すことによりレーザー光を出射可能な固体光源である。半導体レーザー素子２は、活性層と、この活性層を挟むように設けられる上部及び下部クラッド層と、上部クラッド層に電気的に接続した、例えば、オーミック接触した第１電極と、下部クラッド層に電気的に接続した第２電極を有する。半導体レーザー素子２は、光出射端面２１と光反射端面２２を有する。半導体レーザー素子２内のレーザー共振器は、半導体レーザー素子２の活性層において光出射端面２１と光反射端面２２の間で規定される。幾つかの場合、光反射端面２２上には高反射層が形成され、光出射端面２１には低反射層が形成される。
　半導体レーザー素子２から出射されるレーザー光の波長は、様々であり得るが、例えば、赤外帯域に属し、又は、近赤外線に属する。幾つかの場合、レーザー光の波長は、７５０ｎｍ～１５００ｎｍの範囲、７５０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲、又は７５０ｎｍ～９００ｎｍの範囲に属する。ある特定の場合、レーザー光の波長は、８００ｎｍである。半導体レーザー素子２から出射されるレーザー光の波長が近赤外帯域に属する時、半導体レーザー素子２は、半導体レーザー素子２を構成する半導体材料のバンドギャップの温度依存性により半導体レーザー素子２の発振波長が変化する。必ずしもこの限りではないが、本開示の光学素子５は、かかる半導体レーザー素子２との組み合わせに特に有益である。なお、図１は、参考までに、半導体レーザー素子２の活性層２５を模式的に示す。
　半導体レーザー素子２と光学素子５を光学的に結合する既知の様々な手法を採用することができる。幾つかの場合、半導体レーザー素子２の活性層２５と光学素子５の光導波層が直付け（バットジョイント）される。オプションとして、半導体レーザー素子２の光出射端面２１に対面する光学素子５の端面にはＡＲコート層（反射防止コート層）が形成される。半導体レーザー素子２の光出射端面２１と、これに対向する光学素子５の端面にＡＲコート層が形成され、半導体レーザー素子２の共振器が光学素子５まで延長される形態も想定される。
　図２に示す非限定の一例の光学素子５は、支持基板５１、支持基板５１上に積層された下部クラッド層５２、下部クラッド層５２を介して支持基板５１上に積層された光導波層５３、下部クラッド層５２及び光導波層５３を介して支持基板５１上に積層された上部クラッド層５４を有する。
　支持基板５１は、例えば、シリコン基板であるが、必ずしもこの限りではなく、他の様々な種類の基板を利用可能である。支持基板は、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、石英ガラスなどのガラス、合成石英、水晶であり得る。石英ガラスなどのガラス、合成石英、水晶、シリコンの場合、加工性が良好である。
　下部クラッド層５２は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）であるが、必ずしもこの限りではなく、光導波層５３よりも低屈折率の様々な材料を利用可能である。上部クラッド層５４は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）であるが、必ずしもこの限りではなく、光導波層５３よりも低屈折率の様々な材料を利用可能である。クラッド層の材料例としては、二酸化シリコンの他、酸化タンタル、酸化亜鉛が例示できる。クラッド層にドーパントを添加し、クラッド層の屈折率を調整することもできる。例えば、ドーパントとして、Ｐ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａが例示できる。
　光導波層５３は、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る。光導波層５３の屈折率は、幾つかの場合、１．７以上であり、好ましくは２．０以上である。
　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。
　光導波層５３に、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）、及びインジウム（Ｉｎ）から成る群より選択される１以上の金属元素を添加しても良く、これにより、光導波層５３の耐光損傷性が高められる。
　現時点又は将来利用可能な様々な薄膜形成技術を用いることで、下部クラッド層５２、光導波層５３、及び上部クラッド層５４が形成される。物理的気相成長法（ＰＶＤ）や、化学的気相成長法（ＣＶＤ）を利用できる。多くの場合、スパッタリングが採用される。
　光導波層５３は基材を薄厚化して形成することも可能である。この場合、薄厚化した光導波層の一面に下部クラッド層５２を薄膜形成技術により形成した後に支持基板５１に接合し、さらに薄厚化した光導波層の反対面に上部クラッド５４を薄膜形成技術により形成できる。下部クラッド層５２と支持基板５１の接合方法は、樹脂や低融点ガラス接合であってよく、常温直接接合を利用してもよい。
　図３及び図４に模式的に示すように、光導波層５３は、溝６１の周期構造６を有する。光導波層５３の主面５３５には、溝６１の配列から成る周期構造６が設けられる。主面は、光学素子５における各層の積層方向Ｄ１に直交する平面を意味する。周期構造６において、溝６１が溝配列方向Ｄ２に沿って配列ピッチΛで配列される。各溝６１は、積層方向Ｄ１に沿う深さＤを有する。各溝６１は、積層方向Ｄ１及び溝配列方向Ｄ２に直交する横方向Ｄ３に延びる。
　各溝６１は、実質的に平行に対面した一対の側面６１１、６１３と、一対の側面６１１、６１３の間に設けられる底面６１２により画定される。ある溝６１において、第１の側面６１１は、光学素子５の光入射側に位置し、換言すれば、半導体レーザー素子２に近い側に位置する。第２の側面６１３は、光学素子５の光出射側に位置し、換言すれば、半導体レーザー素子２から遠い側に位置する。底面６１２は、積層方向Ｄ１に実質的に直交する。各側面６１１、６１３は、溝配列方向Ｄ２に実質的に直交する。なお、側面６１１、６１３及び底面６１２も横方向Ｄ３に延びる。第１の側面６１１と底面６１２のなす角θや第２の側面６１３と底面６１２のなす角θが図示される。
　溝配列方向Ｄ２において隣り合う溝６１の間には壁６２が形成される。壁６２は、溝６１の深さと同一又は近傍の高さを有する。壁６２は、横方向Ｄ３に延び、溝配列方向Ｄ２に実質的に直交する。
　配列ピッチΛは、溝配列方向Ｄ２における溝の配置間隔に等しい。配列ピッチΛは、溝配列方向Ｄ２において隣り合う第１の溝の第１の側面６１１と第２の溝の第１の側面６１１の間隔、及び／又は、溝配列方向Ｄ２において隣り合う第１の溝の第２の側面６１３と第２の溝の第２の側面６１３の間隔に等しい。
　周期構造６が回折格子として用いられ、周期構造６の溝の配列ピッチΛが回折作用を受けるべきレーザー光の波長に応じて設定される。上述のように、光導波層５３の屈折率は、幾つかの場合、１．７以上であり、好ましくは２．０以上である。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。溝配列方向Ｄ２における溝の狭ピッチ配置により溝の必要数を短距離で確保できる。
　幾つかの実施形態において、周期構造６の溝の配列ピッチΛが、１５０ｎｍ以上であり、及び／又は、４８０ｎｍ以下である。幾つかの場合、周期構造６の溝の配列ピッチΛが、１５０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下、又は、１６７ｎｍ以上４３５ｎｍ以下、又は、１７５ｎｍ以上３８０ｎｍ以下である。実施形態によっては、配列ピッチΛが、１５０ｎｍ以上、１６０ｎｍ以上、１７０ｎｍ以上、１８０ｎｍ以上、１９０ｎｍ以上、２００ｎｍ以上、２１０ｎｍ以上、２２０ｎｍ以上、２３０ｎｍ以上、２４０ｎｍ以上、２５０ｎｍ以上、２６０ｎｍ以上、２７０ｎｍ以上、２８０ｎｍ以上、２９０ｎｍ以上、３００ｎｍ以上、３１０ｎｍ以上、３２０ｎｍ以上、３３０ｎｍ以上、３４０ｎｍ以上、３５０ｎｍ以上、４００ｎｍ以上、４５０ｎｍ以上であり得る。実施形態によっては、配列ピッチΛが、４７０ｎｍ以下、４６０ｎｍ以下、４５０ｎｍ以下、４００ｎｍ、３５０ｎｍ以下、３００ｎｍ以下、２５０ｎｍ以下、２００ｎｍ以下である。
　上記した配列ピッチの下限値と上限値の任意の組み合わせが本明細書に明確に開示される。配列ピッチΛの範囲として、１５０ｎｍ～４８０ｎｍ、１５０ｎｍ～４７０ｎｍ、１６０ｎｍ～４６０ｎｍ、１８０ｎｍ～２５０ｎｍ等の様々な組み合わせが理解できる。配列ピッチの下限値と上限値の全ての組み合わせは列挙しないが、実質的に開示されている。ある特定の実施形態では、配列ピッチΛは、１８５ｎｍ±０．５ｎｍ、又は２３９ｎｍ±０．５ｎｍである。
　様々な要因から周期構造における溝の配列ピッチが変動を受け、つまり、配列ピッチに公差或いはばらつきが生じる。ピッチ誤差は、目標とする一定値のピッチと計測されたピッチの差分を表す。幾つかの場合、ピッチ誤差の平均値である平均ピッチ誤差が、±０．５ｎｍ以下である。
　本実施形態においては、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る光導波層５３が、１．５μｍ以上の層厚を有する。更には、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。
　本実施形態においては、光導波層５３を１．５μｍ以上の厚みとし、２．５以上のアスペクト比及び／又は２００ｎｍ以上の深さの溝の周期構造を光導波層５３に形成する。光導波層５３の層厚の増加により溝６１のアスペクト比及び／又は深さの増加が許容され、ある個数の溝６１から得られる光学特性、例えば、回折効率が高められ、これにより、溝６１の個数の低減が許容され、光学素子の小型化が可能となる。
　実施形態によっては、アスペクト比は、３以上、又は３．５以上、４以上、又は５以上、又は５．５以上である。実施形態によっては、２．５以下のアスペクト比においても溝の深さを２００ｎｍとすることで同様の効果が得られる。
　同一の配列ピッチΛにおいて溝６１の深さＤが増加すればアスペクト比も増加する。しかしながら、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る光導波層５３に深溝を形成すること自体に困難が伴い、従って、アスペクト比に上限が存在し得る。幾つかの実施形態においては、２．５≦Ｄ／０．５Λ≦６が満足される。
　光導波層５３が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る場合、光導波層５３にドライエッチング、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で溝６１を形成すること自体が容易ではなく、特に溝の深掘りは容易ではない。溝が狭ピッチで配列される時、溝の深掘りはより困難になる。溝を深く掘れば掘るほど、溝を規定する側面と底面のなす角が８０°、７５°といったように９０°よりも小さくなる。つまり、断面において上方に開口した矩形溝ではなく上方に開口したＶ字溝となってしまう。Ｖ字溝によりアスペクト比又は溝最大深さに上限が課されるため回折効率の点では矩形溝となっているほうが好ましい。
　幾つかの実施形態では、周期構造６の溝の深さＤが、２００ｎｍ以上であり、及び／又は、６００ｎｍ以下である。幾つかの場合、周期構造６の溝の深さＤが、２５０ｎｍ又は３００ｎｍ以上である。幾つかの場合、周期構造６の溝の深さＤが、５５０ｎｍ又は５００ｎｍ以下である。
　幾つかの実施形態においては、溝６１の側面６１１、６１３は、底面６１２に関して実質的には垂直面であり、若しくは、９０°に近い傾斜面である。幾つかの場合、側面６１１、６１３と底面６１２のなす角θは、θ≧８０°、又はθ≧８２°、又はθ≧８４°、又はθ≧８６°、又はθ≧８８°を満足する。かかる場合、ある個数の溝から得られる回折効率が高められ、結果として、溝の個数の低減及び光学素子の小型化が促進される。
　幾つかの場合、周期構造の有効長をＬとする時、Ｌ≦１００μｍを満足する。幾つかの場合、周期構造の有効長をＬとする時、４．５≦Ｌ≦７０．５μｍを満足する。幾つかの場合、周期構造の有効長をＬとする時、５．０１≦Ｌ≦６５．２５μｍを満足する。幾つかの場合、周期構造の有効長をＬとする時、５．２５≦Ｌ≦５７μｍを満足する。
　周期構造６の有効長Ｌは、溝配列方向Ｄ２に沿う溝の配列部分の長さである。有効長Ｌの短縮により溝配列方向Ｄ２に沿う光学素子５の長さＫを短くすることができる。なお、周期構造６が非溝形成部分により２分割される場合、周期構造６の有効長Ｌは、分割された各溝形成部分の合計長に等しく、非溝形成部分の長さは含まない。周期構造６の有効長Ｌは、溝配列方向Ｄ２に沿う光学素子５の長さＫ未満である。別例においては、周期構造６の有効長Ｌが、溝配列方向Ｄ２に沿う光学素子５の長さＫに等しい。図１に模式的に示す特定の場合、溝配列方向Ｄ２において半導体レーザー素子２よりも光学素子５が小さい。
　幾つかの場合、溝の個数は、２００個以下である。溝の個数が小さいことは、周期構造６の有効長Ｌの短縮を意味し、光学素子５の小型化が可能になる。幾つかの場合、溝の個数は、３０～１５０個である。
　必ずしもこの限りではないが、周期構造６を挟むように溝配列方向Ｄ２に沿って延びる一対のサイド溝５６が形成され、横方向Ｄ３における光導波層５３での光の閉じ込めが促進される。この一対のサイド溝５６により、溝配列方向Ｄ２に延びる周期構造６が設けられた光導波層５３の部分がリッジ状になる。幾つかの場合、この光導波層５３のリッジ部に横方向Ｄ３で隣接する光導波層５３の部分が除去される。
　以下、図５乃至図１３を参照して光学素子５の非限定の一例の製造方法について説明する。まず、支持基板５１上に下部クラッド層５２をスパッタリング等で形成する（図５参照）。次に、下部クラッド層５２上に光導波層５３をスパッタリング等で形成する（図６参照）。光導波層５３上に第１マスク層７１をスパッタリング等で形成する（図７参照）。次に、第１マスク層７１上に樹脂材料から成る第２マスク層７２をスピンコート等のコーティング法に即して形成する（図８参照）。次に、型７３を用意し（図９参照）、型７３を第２マスク層７２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７２に第１開口部７５ｊの配列を形成する（図１０参照）。必要ならば、型７３の押圧面に離型層を形成し、第２マスク層７２からの離型が促進される。幾つかの場合、第１開口部の底部に第２マスク層の残膜が形成され、第１開口部が第２マスク層を完全に貫通しない。残膜は、例えば、５ｎｍ～１００ｎｍの厚みを有する。
　図９に示す型７３の押圧面には、最終的に光導波層５３に転写される第１周期構造７４が形成されている。第１周期構造７４では、第１方向に長い壁７４ｋ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でいる。隣り合う壁７４ｋの間には溝７４ｊが形成される。第１方向は、上述の横方向Ｄ３に一致し、第２方向は、上述の溝配列方向Ｄ２に一致する。第２マスク層７２の樹脂材料が軟化する条件で第２マスク層７２に型７３を押圧すると、型７３の壁７４ｋが第２マスク層７２の樹脂材料を排除し、壁７４ｋに隣接する溝７４ｊに第２マスク層７２の樹脂材料が流入する。この状態で第２マスク層７２の樹脂材料を硬化させるエネルギー線を照射する。エネルギー線は、例えば、紫外線であるが、必ずしもこの限りではない。このようにして第２マスク層７２には第１周期構造７４が転写された第２周期構造７５が形成される。第２マスク層７２には、第１周期構造７４の壁７４ｋに対応する第１開口部７５ｊが形成され、第１周期構造７４の溝７４ｊに対応する第１壁７５ｋが形成される。
　次に、第２マスク層７２の第１開口部７５ｊを介してドライエッチングにより第１マスク層７１に第２開口部７６ｊの配列を形成する（図１１参照）。このようにして第１マスク層７１には第１周期構造７４が転写された第３周期構造７６が形成される。第１マスク層７１には、第２周期構造７５の壁７５ｋの間の溝７５ｊの直下に第２開口部７６ｊが形成され、第２周期構造７５の壁７５ｋの直下に第２壁７６ｋが形成される。ドライエッチングと同時、又はドライエッチングの後、第２マスク層７２を除去する。ドライエッチングは、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）である。
　次に、第１マスク層７１の第２開口部７６ｊを介したドライエッチングにより光導波層５３に溝６１の配列を形成する（図１２参照）。このようにして光導波層５３には第１周期構造７４が転写された上述の周期構造６が形成される。光導波層５３には、第３周期構造７６の壁７６ｋの間の溝７６ｊの直下に溝６１が形成され、第３周期構造７６の壁７６ｋの直下に壁６２が形成される。ドライエッチングと同時、又はドライエッチングの後、第１マスク層７１を除去する（図１３参照）。ドライエッチングは、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）である。
　その後、光導波層５３にサイド溝５６を形成し、スパッタリング等で光導波層５３上に上部クラッド層５４を形成する。サイド溝５６は、サイド溝５６が形成されるべき領域を除いてＴｉ等の第３マスク層を形成し、第３マスク層の開口を介して反応性イオンエッチングでサイド溝５６を形成する。上部クラッド層５４の形成により、光導波層５３の溝６１やサイド溝５６が上部クラッド層５４の材料で埋まる。ダイシング装置により光学素子５の端面を形成する。続いて、光学素子５の端面を光学研磨し、ＡＲコートを形成する。ＡＲコートは、例えば、０．１％の反射率を有する。一枚の支持基板５１上に多数の光学素子５を製作する場合、ダイシングにより積層体が切断され、チップ状の複数の光学素子５が得られる。
　第１マスク層７１は、幾つかの場合、金属又は金属シリサイドである。例えば、第１マスク層７１は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ又はこれらの合金である。例えば、第１マスク層７１は、タングステンシリサイド、バナジウムシリサイド、鉄シリサイド、ニオブシリサイド、モリブデンシリサイド、レニウムシリサイド、クロムシリサイド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイド、パラジウムシリサイド、白金シリサイドである。第１マスク層７１は、典型的には単層であり、必ずしもこの限りではない。
　第２マスク層７２は、ナノインプリント法により利用できる市販の樹脂である（ＵＶ硬化型ナノインプリント樹脂：ダイセル化学工業、東洋合成工業等）。第２マスク層７２の樹脂の粘度や、型の周期構造の転写時の温度等は当業者により適切に決定される。
　第２マスク層７２の第１開口部７５ｊを介して行う第１マスク層７１のドライエッチングに際して、ハロゲン系の第１エッチングガスが用いられる。第１マスク層７１の第２開口部７６ｊを介して行う光導波層５３のドライエッチングに際して、ハロゲン系の第２エッチングガスが用いられる。幾つかの場合、第１エッチングガスと第２エッチングガスが同一であり、別の場合、異なる。ある場合、第１エッチングガスが塩素系であり、第２エッチングガスがフッ素系である。別の場合、第１エッチングガスがフッ素系であり、第２エッチングガスが塩素系である。
　光導波層５３がＴａ2Ｏ5から成り、第１マスク層７１がＡｌ膜の時、１．５μｍ以上の光導波層５３の層厚において２．５以上のアスペクト比の溝６１を形成できることが確認できている。第１エッチングガスが塩素系であり、第２エッチングガスがフッ素系である。塩素系のエッチングガスは、例えば、ＢＣｌ3である。フッ素系エッチングガスは、例えば、ＣＨＦ3である。第１エッチングガスによりＡｌ膜がエッチングされ、ＡｌＣｌ3の副生成物が生じる。第２エッチングガスにより光導波層５３がエッチングされ、ＴａＦ5の副生成物が生じる。副生成物は、幾つかの場合、光学素子５の溝に残留する。
　光導波層５３がＡｌ2Ｏ3から成り、第１マスク層７１がＷ膜の時、１．５μｍ以上の光導波層５３の層厚において２００ｎｍ以上の深さの溝６１を形成できることが確認できている。第１エッチングガスがフッ素系であり、第２エッチングガスが塩素系である。塩素系のエッチングガスは、例えば、ＢＣｌ3である。フッ素系エッチングガスは、例えば、ＣＨＦ3である。第１エッチングガスによりＷ膜がエッチングされ、ＷＦ6の副生成物が生じる。第２エッチングガスにより光導波層５３がエッチングされ、ＡｌＣｌ3の副生成物が生じる。
　光導波層５３がＬｉＴａＯ3から成り、第１マスク層７１がＡｌ膜の時、１．５μｍ以上の光導波層５３の層厚において２．５以上のアスペクト比の溝６１を形成できることが確認できている。第１エッチングガスが塩素系であり、第２エッチングガスがフッ素系である。塩素系のエッチングガスは、例えば、ＢＣｌ3である。フッ素系エッチングガスは、例えば、ＣＨＦ3である。第１エッチングガスによりＡｌ膜がエッチングされ、ＡｌＣｌ3の副生成物が生じる。第２エッチングガスにより光導波層５３がエッチングされ、ＴａＦ5の副生成物が生じる。副生成物は、幾つかの場合、光学素子５の溝に残留する。
　光導波層５３がＬｉＮｂＯ3から成り、第１マスク層７１がＷ膜の時、１．５μｍ以上の光導波層５３の層厚において２００ｎｍ以上の深さの溝６１を形成できることが確認できている。第１エッチングガスがフッ素系であり、第２エッチングガスが塩素系である。塩素系のエッチングガスは、例えば、ＢＣｌ3である。フッ素系エッチングガスは、例えば、ＣＨＦ3である。第１エッチングガスによりＷ膜がエッチングされ、ＷＦ6の副生成物が生じる。第２エッチングガスにより光導波層５３がエッチングされ、ＡｌＣｌ3の副生成物が生じる。
　光導波層５３が、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＣ、又はイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）から成る場合にも、第１マスク層７１の材料、並びに第１及び第２エッチングガスのガス種を適切に選定することにより、１．５μｍ以上の光導波層５３の層厚において２．５以上のアスペクト比及び／又は２００ｎｍ以上の深さの溝６１を形成できる。
　上述の記述から分かるように、本開示の一態様に係る光学素子５の製造方法は、
　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。
　ある条件例としては、第１マスクがＡｌであり、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際して、塩素系エッチングガスが用いられ、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際してフッ素系エッチングガスが用いられる。より詳細な条件が実施例１に開示される。
　別の条件例としては、第１マスクがＷであり、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際して、フッ素系エッチングガスが用いられ、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際して塩素系エッチングガスが用いられる。より詳細な条件が実施例２に開示される。
　配列ピッチΛからなる光学素子については、この周期構造の平均ピッチ誤差が±０．５ｎｍ以下を満足することが好ましい。以下のいずれかの方法により平均ピッチ誤差を求めるものとする。
　まず、０．０４ｎｍの不確かさでの校正を実現することができるＤＵＶ光回折式ピッチ校正が用いられる。
　後述の実施例１において、溝深さ５００ｎｍ、配列ピッチ１８５ｎｍからなる光学素子についてＤＵＶ光回折式ピッチ校正により、周期構造の平均ピッチ誤差を調べたところ、±０．０３ｎｍの誤差精度となっていることが確認できた。
　光学素子の周期構造の有効長を溝の個数で除算して得られる値と計測された配列ピッチΛの差を求めることで誤差の値が得られる。この誤差の平均値を求め、平均ピッチ誤差が求められる。
実施例１
　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。
　続いて、光導波層に、幅２μｍ、深さ１．６μｍのサイド溝を形成し、光導波層５３をリッジ状とした。次に、スパッタリングでＳｉＯ2からなる上部クラッド層を０．５μｍ成膜した。次に、ダイシング装置にて積層体をバー状に切断し、切断により形成された両端面を光学研磨した。次に、角端面に０．１％の反射率のＡＲコートを形成した。バー状の積層体を切断し、チップ状の光学素子を得た。光学素子のサイズは、幅１ｍｍ、長さは５００μｍである。
　実施例１では、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。評価に際しては、広帯域波長光源であるスーパ・ルミネッセンス・ダイオード（ＳＬＤ）を使用した。光学素子にＳＬＤの出射光を入力し、光学素子からの出力光を光スペクトルアナライザで分析した。光学素子の透過特性から反射特性を評価した。ある特定波長、ここでは８００μｍについて光学素子の反射率を測定した。この結果は、次の表１の通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　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１３μｍ程度あれば足りることが分かる。顕著に周期構造６の有効長を低減し、光学素子の小型化を顕著に促進可能であることが確認できた。
－実施例１の変形例－
　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
　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）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　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。
　実施例２の場合、アスペクト比＞２．５であり、比較例１と比較しても実施例１と同様、光導波層の周期構造の有効長を有利に低減することが確認できる。
実施例３
　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。
実施例４
　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
　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）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 　比較例１の場合、光学素子の４０％程度の反射率を実現するため、周期構造の有効長は１４０μｍ程度必要であることが分かる。
比較例２
　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）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 　比較例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１４０μｍ程度必要であることが分かる。
　上述の教示を踏まえると、当業者をすれば、各実施形態に対して様々な変更を加えることができる。請求の範囲に盛り込まれた符号は、参考のためであり、請求の範囲を限定解釈する目的で参照されるべきものではない。
５１　　　　　　支持基板
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 (25)

  1. 　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を満足する、光学素子。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　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。
  13. 　前記周期構造の有効長をＬとする時、Ｌ≦１００μｍを満足する、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光学素子。
  14. 　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。
  15. 　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。
  16. 　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。
  17. 　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。
  18. 　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る、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光学素子。
  19. 　前記周期構造の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、請求項１８に記載の光学素子。
  20. 　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１９のいずれか一項に記載の光学素子。
  21. 　前記周期構造の溝の配列方向に延びる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１９のいずれか一項に記載の光学素子。
  22. 　請求項１乃至２１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。
  23. 　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を満足する、光学素子の製造方法。
  24. 　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、請求項２３に記載の光学素子の製造方法。
  25. 　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２３又は２４に記載の光学素子の製造方法。
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