光栅元件的安装结构的制造方法与流程

本发明涉及利用了布拉格光栅的光栅元件的安装结构的制造方法。

背景技术：

希望通过批量生产形成了光波导的元件来降低其制造成本。根据专利文献1，在硅晶片上依次形成包层和光学材料层，接着，对光学材料层进行刻蚀，由此，切出细长带状的光波导。然后，贯穿光学材料层及包层，以刻蚀设置到达硅晶片的细长沟槽，从而，在硅晶片上切分出各光波导元件。接着，沿着所述沟槽分割硅晶片，由此，得到多个光波导元件的芯片。

但是，专利文献1中，虽然公开了在硅晶片上形成多个形成了光波导的光波导元件的方法，然而并未记载在各光波导元件上分别形成规定的光学微细图案的方法。

另一方面，研究了采用纳米压印法作为形成半导体激光器元件具有的衍射光栅、布拉格光栅的方法。专利文献1中，记载有使用纳米压印法制造分布反馈型半导体激光器的方法。该方法中，通过纳米压印法形成分布反馈型半导体激光器的衍射光栅用的半导体层的图案。另外，非专利文献1、2中，记载有利用纳米压印技术制作亚波长结构宽带波片的内容。进而，非专利文献3中，记载有为了制作光学器件而应用纳米压印技术的内容。作为这样的光学器件，可例示：波长选择元件、反射控制元件、蛾眼结构等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2002-277661

专利文献2:日本特开2013-016650

专利文献3:日本特开2009-111423

非专利文献

非专利文献1:「KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT」Vol.2(2005)97～100頁「ナノインプリント技術を利用したサブ波長構造広帯域波長板の製作」(“KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT”Vol.2(2005)97～100页“利用纳米压印技术制作亚波长结构宽带波片”)

非专利文献2:「Synthesiology」Vol.1,No.1(2008)24～30頁「高機能光学素子の低コスト製造へのチャレンジ―ガラスインプリント法によるサブ波長周期構造の実現―(“Synthesiology”Vol.1,No.1(2008)24～30页“对低成本制造高功能光学元件的挑战—利用玻璃压印法实现亚波长周期结构—”)

非专利文献3:古田著、「ナノインプリント技術と光学デバイスへの応用」、月刊ディスプレイ2007年6月号54～61頁(古田著、“纳米压印技术及在光学器件中的应用”、月刊显示器2007年6月号54～61页)

技术实现要素：

本发明的发明人研究：通过在多个晶片上设置光学元件来批量生产利用了微细图案的功能的光学元件，该光学元件在光波导表面形成有光学微细图案。已知有多种这样的光学微细图案，可例示：亚波长结构宽带波片、波长选择元件、反射控制元件、蛾眼结构及布拉格光栅等。

但是，已知：在光波导上形成有各种光学微细图案的情况下，根据微细图案的种类，导致其光学作用发生劣化，无法得到期望的出射光。

本发明的课题在于：能够批量生产具有光波导的光学元件，该光波导上形成有具有光学功能的微细图案。

本发明是制造安装结构的方法，该安装结构包括安装基板和设置在该安装基板上的多个光栅元件，其特征在于，包含以下工序：

在具有安装基板、形成在安装基板上的包层及形成在包层上的光学材料层的层叠体的规定位置形成多个布拉格光栅；

以至少包含各布拉格光栅的方式分别形成通道型光波导；

在光学材料层上形成掩模，该掩模被覆与光栅元件对应的区域；及

通过对所述光学材料层及所述包层进行刻蚀来成型所述各光栅元件的端面。

另外，本发明的特征在于，包含以下工序：

在具有安装基板、形成在安装基板上的包层及形成在包层上的光学材料层的层叠体的规定位置形成多个布拉格光栅；

以至少包含各布拉格光栅的方式分别形成通道型光波导；

在形成光波导后，在光学材料层上形成缓冲层；

在缓冲层上形成掩模，该掩模被覆与光栅元件对应的区域；及

通过对缓冲层、光学材料层及包层进行刻蚀来成型各光栅元件的端面。

本发明的发明人尝试：对安装多个光学元件的晶片进行切出加工而切出光学元件，然后，对光学元件的各光波导的端面进行镜面研磨加工。但是，该方法中，光学元件的操作、固定、对位困难，批量生产成本较高。

因此，本发明的发明人研究：在光学材料层上形成各种光学微细图案，接着，对光学材料层及包层进行刻蚀而形成光波导，接着，通过刻蚀在安装基板上形成各光学元件。但是，已知：在这种情况下，根据微细图案的种类，导致其光学作用发生劣化，无法得到期望的出射光。

例如在光学材料层形成亚波长光栅结构后，对光学材料层及包层进行刻蚀形成光波导而得到光学元件的情况下，如果将得到的光学元件与半导体激光器、光纤组合而构成光源模块，则最终得到的激光器的输出功率降低。

亚波长光栅结构的情况下，当使用波长为λ、该波长λ的光传播的材料的折射率为n(或者有效折射率为neff)时，微细图案的周期或者深度为λ/n(或者λ/neff)左右的尺寸，比较大。因此，在光波导中传播的光被该微细图案散射，自光波导辐射，损失增大。

在此，本发明的发明人在光学材料层上形成布拉格光栅后，对光学材料层及包层进行刻蚀而形成光波导，由此，得到光栅元件，接着，切断支撑基板，从而，切割开各光栅元件而得到芯片。然后，当尝试将得到的光栅元件与半导体激光器进行组合时，发现：能够以高输出功率得到期望波长的激光，特别是抑制了在光波导端面的反射回返光。

对于本结构，微细图案的周期Λ及深度优选相对于进行传播的光学材料层的折射率n(或者有效折射率neff)为λ/n(或者λ/neff)的1/2以下。

这意味着：通过刻蚀形成的光波导端面适度地成为镜面，使由半导体激光器、光纤入射的光以高效率与光波导耦合，以低反射率射出被布拉格光栅衍射的传播光，且使其以高效率与激光器、光纤再耦合。通过刻蚀形成的端面与通常的研磨面相比，镜面度较差，但是，认为通过适度地成为镜面，而发生由该端面反射的光不易再入射到激光器、光纤或者再入射到光波导的现象，说明特别适合制造光栅元件。

附图说明

图1(a)是表示光栅元件1的立体图，(b)是表示在安装基板3上安装有多个光栅元件1的状态的示意图。

图2(a)是示意性地表示安装基板3的主视图，(b)是表示在安装基板3上形成有包层4及光学材料层8的状态的主视图，(c)是表示形成有包层4及光学材料层8的安装基板3的俯视图。

图3(a)是表示在光学材料层8A上形成有布拉格光栅9的状态的俯视图，(b)是表示在光学材料层8A上形成有布拉格光栅9的状态的主视图。

图4(a)表示在树脂层11上设置有模具10的状态，(b)表示将模具10压在树脂层11上的状态，(c)表示将设计图案P2转印到了树脂层11A上的状态。

图5(a)表示形成有树脂掩模12的状态，(b)表示在光学材料层8A上形成有布拉格光栅的图案P3的状态。

图6(a)是表示形成有脊型光波导16及脊型沟槽7的状态的俯视图，(b)是示意性地表示形成有脊型光波导16及脊型沟槽7的状态的截面图。

图7(a)是示意性地表示在光学材料层8A上设置有与各光栅元件对应的掩模18的状态的俯视图，(b)是示意性地表示设置有与各光栅元件对应的掩模18的状态的截面图。

图8(a)是示意性地表示通过刻蚀形成有各光栅元件的外形的状态的俯视图，(b)是示意性地表示通过刻蚀形成有各光栅元件的外形的状态的截面图。

图9(a)是表示在各光栅元件的上表面形成有上侧缓冲层，且在各光波导的端面形成有单层膜26A、26B的状态的俯视图，(b)是表示在各光栅元件的上表面形成有上侧缓冲层的状态的截面图。

图10表示在安装基板3上还安装有激光源28的状态。

具体实施方式

如图1所示，本发明中，在安装基板3上安装有多个光栅元件1。一个安装基板3上所安装的光栅元件1的个数没有特别限定。在各光栅元件1上，例如形成有一对脊型沟槽7，在脊型沟槽7之间形成有脊型光波导16。

本例中，在脊型光波导16的整个长度上形成有布拉格光栅9。但是，可以在布拉格光栅9与光波导入射面16a之间设置没有衍射光栅的入射侧传播部。另外，还可以在布拉格光栅9与光波导出射面16b之间设置没有衍射光栅的出射侧传播部。

对本实施方式的安装基板的制造方法进一步进行说明。

如图2(a)所示，准备安装基板3。安装基板的具体材质没有特别限定，可例示：铌酸锂、钽酸锂、AlN、SiC、ZnO、石英玻璃等玻璃、合成石英、水晶、Si等。

对于安装基板的厚度，从操作的观点考虑，优选为250μm以上，另外，从小型化的观点考虑，优选为1mm以下。

接着，如图2(b)、(c)所示，在安装基板3的上表面3a上形成包层4，接着，在包层4的上表面4a上形成光学材料层8。8a是光学材料层8的上表面。

在此，包层是由折射率比光学材料层的材质低的材质形成的，例如可以通过氧化硅、氧化钽、氧化锌来形成。另外，通过在包层中进行掺杂，能够调整其折射率。作为这样的掺杂物，可例示：P、B、Al、Ga。

设置包层的情况下，通过加厚包层的厚度，能够抑制传播光向支撑基板渗透，因此，从该观点考虑，包层的厚度优选为0.5μm以上。

光学材料层优选由氧化硅、氧化锌、氧化钽、铌酸锂、钽酸锂、氧化钛、氧化铝、五氧化铌、氧化镁等光学材料形成。另外，光学材料层的折射率优选为1.7以上，进一步优选为2以上。

在光学材料层中，为了进一步提高光波导的耐光损伤性，可以含有选自由镁(Mg)、锌(Zn)、钪(Sc)及铟(In)构成的组中的一种以上金属元素，在该情况下，特别优选镁。另外，在结晶中，作为掺杂成分，可以含有稀土元素。作为稀土元素，特别优选Nd、Er、Tm、Ho、Dy及Pr。

光学材料层的厚度没有特别限定，从降低光的传播损失的观点考虑，优选为0.5～3μm。

另外，光学材料层、包层可以通过薄膜形成法成膜来形成。作为这种薄膜形成法，可例示：溅射、蒸镀、化学气相沉积(CVD)及有机金属化学气相沉积(MOCVD)。

接着，如图3所示，在光学材料层上形成布拉格光栅9，得到具有布拉格光栅的光学材料层8A。预先根据各目标光栅元件的各光波导的形成位置来设计各布拉格光栅的形成位置。

本发明中，布拉格光栅9的形成方法及结构没有特别限定，对于其图案的形成，可以通过电子束光刻(EB光刻)、步进曝光(stepper)、纳米压印、激光器直接曝光来形成。但是，从批量生产的观点考虑，优选通过纳米压印法来形成布拉格光栅。

例如如下实施纳米压印法。即，例如图4(a)所示，在光学材料层8的表面8a形成树脂层11，使模具10的成型面与树脂层11的表面11a对置。在模具10的成型面设置设计图案P1。本例中，设计图案P1由以一定周期交替形成的凹部10b和凸部10a构成。

在转印模具10的设计图案P1时，如图4(b)所例示，使模具10的成型面与树脂层11接触，将设计图案P1转印到树脂层上。然后，将模具从树脂层上剥离下来，如图4(c)所示，在树脂层11A上形成由凸部11b和凹部11c构成的转印图案P2。

在进行压印时，树脂层11由热塑性树脂形成的情况下，可以通过将树脂层11加热到树脂的软化点以上来使树脂层软化，按压模具，使树脂变形。在之后的冷却时，树脂层11A固化。树脂层11由热固性树脂形成的情况下，可以将模具按压在未固化的树脂层11上使树脂变形，接着，将树脂层加热到树脂的聚合温度以上而使其固化。通过光固化性树脂形成树脂层11的情况下，可以将模具按压在未固化的树脂层11上使其变形，转印设计图案，对树脂层照射光使其固化。

在设计图案转印到树脂层上后，通过刻蚀在光学材料层上成型微细图案。此时，可以以树脂层为掩模，还可以在树脂层与光学材料层之间另行设置掩模材料层。

首先，对利用树脂层作为掩模的情形进行说明。如图4(c)所示，在树脂层11A的凹部11c的底部残留有树脂。通过灰化除去该残留树脂，使其成为图5(a)所示的形态。图5(a)中，在树脂掩模12上形成有多个贯通孔12a，使光学材料层8的表面8a暴露在该贯通孔12a的下方。接着，以树脂掩模12为掩模进行刻蚀，除去光学材料层8的材质的一部分，形成凹部15。树脂掩模12的正下方没有被刻蚀，因此，以凸部14的形式保留下来(图5(b))。

接着，除去树脂掩模，得到图5(b)所示的光学材料层8A。在光学材料层8A上形成有由周期性形成的凸部14和凹部15构成的布拉格光栅图案P3。

另外，对在树脂层与光学材料层之间另行设置掩模材料层的情形进行说明。在这种情况下，也如上所述地将设计图案转印到树脂层上。接着，通过灰化除去残留在树脂层的凹部的底部的树脂，使作为基底的掩模材料层暴露出来。掩模材料层通过形成在树脂层上的贯通孔而暴露在空间中。

作为掩模材料层的材质，可例示：Cr、Ni、Ti、W、Si、Al及其多层膜。

接着，对掩模材料层进行刻蚀，对应于设计图案而在掩模材料层上形成多个贯通孔，得到掩模。接着，通过刻蚀除去掩模的贯通孔正下方的光学材料层的材质，形成图5(b)所示的凹部15。支撑基板原样残留在掩模的正下方，形成凸部14。接着，除去不需要的树脂层及掩模，得到图5(b)所示的光学材料层8A。

作为光学材料层的刻蚀方法，可例示：干法刻蚀及湿法刻蚀。

干法刻蚀例如有反应性刻蚀等，作为气体种类，可例示：氟系·氯系。

对于湿法刻蚀，例如可例示：氢氟酸系、TMAH系。

接着，在光学材料层上形成包含布拉格光栅的光波导。光波导优选为脊型光波导，也可以为质子交换型光波导、钛扩散型光波导等。另外，还可以为平板光波导。

例如，图6的例子中，在光学材料层上形成一对脊型沟槽7，通过一对脊型沟槽7来形成脊型光波导16。本例中，在脊型光波导16的整个长度上形成有布拉格光栅9。这样的脊型光波导的形成方法没有特别限定，可例示：利用掩模对准机的光刻法、激光烧蚀法、磨削加工、纳米压印法。

接着，在与各光栅元件对应的区域形成掩模，通过掩模来被覆光学材料层。例如，图7的例子中，在光学材料层8A上的规定区域分别形成掩模18，被覆对应的各元件区域。使各光波导及布拉格光栅分别位于各掩模18的下方。

接着，通过进行刻蚀来除去未被掩模被覆的区域，将光栅元件成型。例如，通过刻蚀来除去光学材料层8A及包层4中的未被掩模18被覆的部分，由此，如图8所示，形成空隙24。结果，光栅元件1的侧面1a、端面1b成型，并且，其光学材料层23、包层22也成型。23b是脊型沟槽下的薄层部，23a是设置在薄层部的外侧的延伸部。

在安装基板3上形成有多个本光栅元件1，在相邻的光栅元件1之间形成有空隙24。本例中，安装基板3的表面3a暴露在空隙24中，暴露在空隙24中的暴露面3a是平坦的。应予说明，本例中，显示了三个光栅元件，但是，一个安装基板上所形成的光栅元件的个数没有限定，遵从设计规格。

作为这样的光栅元件的刻蚀方法，优选以下方法。例如，可例示：反应性刻蚀等干法刻蚀，作为气体种类，可例示：氟系、氯系。

已知：利用刻蚀切出光栅元件的端面，由此，无需对端面进行镜面研磨或光学研磨就能够在光波导的各端面上形成与对端面进行镜面研磨的情形大致同等的加工面。

这样得到的光波导端面相对于光轴的角度优选为90°±10°。

优选的实施方式中，在安装基板上，在相邻的光栅元件之间设置有空隙，安装基板在空隙中的暴露面为平坦面。在这种情况下，因为能够在该空隙的任意位置切割开相邻的光栅元件，所以不需要使光栅元件的平面尺寸和与其接合的安装基板芯片的平面尺寸一致。因此，能够提高光栅元件刻蚀时的加工裕度，能够降低制造成本。

优选的实施方式中，在形成各光栅元件的端面后，在光栅元件的上表面形成上侧包层，并且，在光栅元件的端面形成单层膜。

还可以在通过刻蚀来形成元件的端面时，同时形成元件的侧面。由此，成为光栅元件以岛状散在的结构，能够缓和光栅元件形成所产生的应力，能够形成翘曲较少的晶片。

例如可以如图8所示，在安装基板3上成型多个光栅元件1后，如图9所示，在元件的上表面形成上侧包层25。该成膜方法没有特别限定，可例示：溅射、蒸镀、化学气相沉积(CVD)、有机金属化学气相沉积(MOCVD)。

在通过薄膜形成法来形成上侧包层时，将各元件的入射侧端面16a及出射侧端面16b均暴露在气氛中，由此，能够在光波导的入射侧端面及出射侧端面上分别形成单层膜26A、26B。由此，能够进一步降低在光波导的入射侧端面、出射侧端面处的反射回返量，能够进一步稳定由元件射出的期望波长的光输出功率。

上述的例子中，在形成光波导，且在光学材料层上形成掩模后，对光学材料层及包层进行刻蚀，由此，成型各光栅元件的侧面及端面。

但是，也可以是，在光学材料层上形成缓冲层后，在缓冲层上形成被覆与光栅元件对应的区域的掩模，接着，对缓冲层、光学材料层及包层进行刻蚀，由此，成型各光栅元件的侧面及端面。在这种情况下，也能够得到与上述的例子同样的效果。

本实施方式中，可以通过在缓冲层上形成上侧包层，同时在端面也形成单层膜来减小端面的反射率。此时，上侧包层的厚度因为依赖于端面的膜厚而受到制约，有时无法得到作为包层起作用的足够的厚度。缓冲层能够作为包层起作用，可以在缓冲层的工序中形成需要的厚度。因此，可以将上部的包层和端面的膜厚分别设定为最佳数值。必须是端面的反射率小于光栅所产生的反射率的厚度，由此，能够同时实现提高光栅特性并降低端面反射率。

光学材料层、包层、缓冲层、上侧包层分别优选为单层，但是，也可以为多层膜。另外，对于包层、缓冲层、上侧包层的材质，必须使其折射率小于光学材料层，例如可以采用氧化硅、氧化钽、氧化锌。

上侧包层的折射率进一步优选为与缓冲层的折射率同等或者缓冲层的折射率以下。由此，能够使端面的反射率确实小于光学材料层。

另外，如图10所示，在安装基板3上，除了安装本例的光栅元件1(或者1A)，还可以安装光源28。然后，通过使光源28和光栅元件1(1A)对准光轴，能够提供射出规定波长的激光的光源装置。应予说明，箭头A为朝向元件的入射光，箭头B为来自元件的出射光。

实施例

(实施例1)

通过参照图2～图8进行说明的方法来制造图8所示的光学元件。

其中，具体而言，作为安装基板3，使用石英基板。接着，在安装基板3上形成包层4。作为包层材料，使用SiO₂，使包层的厚度为1μm，通过溅射法来形成包层。

接着，在包层4上形成光学材料层8，该光学材料层8是由Ta₂O₅形成的。使该光学材料层的厚度为2μm，对于成膜方法，采用溅射法。

接着，在光学材料层8上形成布拉格光栅9。即，通过纳米压印法以间距205nm在树脂层上形成凹凸的图案，利用氟系气体的干法刻蚀形成深度100nm的光栅9。使光栅9的长度为50μm。凹部的深度依赖于反射量，但是，为了稳定激光器的振荡波长，只要形成100nm左右即可。

接着，如图6所示，在规定区域分别形成一对脊型沟槽7，由此，形成脊部16。本例中，使脊部的宽度为3μm，使脊型沟槽的深度为1μm。在形成脊型沟槽时，形成金属掩模，涂布抗蚀剂后，通过掩模对准机形成脊型沟槽的图案，利用氟系气体的干法刻蚀形成各光波导。

接着，形成图7所示的金属掩模18，涂布抗蚀剂后，通过掩模对准机形成元件长度10mm、宽度2mm的图案，利用氟系气体的干法刻蚀进行刻蚀直至石英基板上，形成各光栅元件1。确认到各光波导的入射侧端面及出射侧端面相对于光轴呈89°以上的角度，且为镜面。

对于得到的光栅元件的光学特性，使用作为宽带波长光源的超发光二极管(SLD)，向光栅元件输入光而利用光谱分析仪分析输出光，由此，根据其透过特性评价了反射特性。结果，得到以下特性：对于TE偏振光，中心波长为848.3nm，最大反射率为15％，半高宽△λ_G为4nm。另外，测定输入和输出的传播损失，结果为1dB/cm。

(实施例2)

如实施例1所记载，在安装基板3上制作多个光栅元件。

接着，利用溅射法自上表面侧形成由SiO₂形成的厚度250nm的上侧包层25。此时，在光波导的入射侧端面及出射侧端面均形成有厚度79nm的单层膜26A、26B。

对于得到的光栅元件的光学特性，使用作为宽带波长光源的超发光二极管(SLD)，向光栅元件输入光而利用光谱分析仪分析输出光，由此，根据其透过特性评价了反射特性。结果，得到以下特性：对于TE偏振光，中心波长为848.3nm，最大反射率为20％，半高宽△λ_G为3nm。另外，测定输入和输出的传播损失，结果为0.8dB/cm。

通过将本例的元件与例如波长850nm的半导体激光源组合，能够得到在规定波长下振荡波长稳定的光源。另外，通过将该元件与在848.3nm处相位匹配的波长变换元件组合，能够得到输出波长、输出功率稳定的蓝绿色的第二高次谐波发生(SHG)光源。

(比较例1)

通过参照图2～图8进行说明的方法来制造具有亚波长光栅结构的波长变换元件。

作为安装基板3，使用石英基板。接着，在安装基板3上形成包层4。作为包层材料，使用SiO₂，使包层的厚度为1μm，通过溅射法形成包层。

接着，通过直接接合法在包层4上贴合由铌酸锂形成的光学材料层8，然后，精密研磨至3μm。

接着，在光学材料层8上形成亚波长光栅结构。通过纳米压印法以间距1.5μm在树脂层上形成凹凸的图案，利用氟系气体的干法刻蚀形成深度1.5μm的亚波长光栅结构。使亚波长光栅结构的长度为8mm。

接着，如图6所示，通过在规定区域分别形成一对脊型沟槽7来形成脊部16。本例中，使脊部的宽度为7μm，使脊型沟槽的深度为2μm。在形成脊型沟槽时，形成金属掩模，涂布抗蚀剂后，通过掩模对准机形成脊型沟槽的图案，利用氟系气体的干法刻蚀形成各光波导。

接着，形成图7所示的金属掩模18，涂布抗蚀剂后，通过掩模对准机形成元件长度10mm、宽度2mm的图案，利用氟系气体的干法刻蚀进行刻蚀直至石英基板上，形成各元件。确认到各光波导的入射侧端面及出射侧端面相对于光轴呈89°以上的角度，且为镜面。

向得到的波长变换元件入射波长780nm和波长1064nm的半导体激光，利用差频生成而产生2.92μm的中红外线。通常，该红外光被设计成通过切伦科夫辐射而沿着46°的方向进行辐射，成为通过亚波长光栅结构抑制端面的菲涅尔反射的结构。但是，测定相对于输入的2个波长的传播损失，结果为5dB/cm。因此，也抑制了因差频波而产生的中红外光，与没有亚波长光栅的波长变换元件相比，输出功率较低。

即，制造具有亚波长光栅结构的波长变换元件的情况下，无法得到本发明的效果。