JPH0815508A

JPH0815508A - 回折格子の製造方法

Info

Publication number: JPH0815508A
Application number: JP15214694A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Miura; 栄朗三浦; Hiroshi Sunakawa; 寛砂川
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 1994-07-04
Filing date: 1994-07-04
Publication date: 1996-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】光導波路上において、格子線幅が均一でか
つ、少なくとも格子領域の一部で格子高さが格子並び方
向に沿って次第に低下するように形成されて、導波光と
外部光とを結合する回折格子を、格子線幅を細くするこ
となく製造可能とする。【構成】光導波路12上に回折格子パターンに対応した
レジストパターン15ａを形成した後、このレジストパタ
ーン15ａの上から光導波路12に、格子高さが次第に低下
する領域では格子高さが大である側から偏って格子材料
17が蒸着されるように、該領域をマスク16で覆った上で
格子材料17を蒸着し、その際、格子高さが次第に低下す
る領域のレジストパターン15ａを、ピッチｐが一定で、
格子高さが低下する方向に沿ってレジスト間の間隔ｓが
次第に増大する形状としておき、この蒸着の後、レジス
トパターン15ａをリフトオフする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光導波路上に設けられ
て導波光と外部光とを結合する回折格子、特に詳細に
は、格子高さが格子並び方向に沿って次第に低下する回
折格子の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、基板上に光導波路を形成し、
この光導波路において光を導波モードで伝搬させるよう
にした光導波路素子が種々提供されている。この種の光
導波路素子においては、導波光を光導波路外に出力させ
るため、あるいは外部光を光導波路内に入力させるため
に、光導波路上に形成した回折格子（グレーティングカ
プラ）を利用することが多い。

【０００３】また、このように回折格子を用いて導波光
と外部光とを結合する場合、例えば特開平４−４０４０
４号公報に示されているように、回折格子の格子高さあ
るいは深さを格子並び方向に沿って次第に低下（逆方向
で考えれば次第に増大）させることにより、光導波路外
に出力される光ビームの強度分布を制御したり、外部光
の入力結合効率を向上させる試みもなされている。

【０００４】このように格子高さが変化する回折格子
（いわゆるテーパグレーティング）を製造する方法の一
つとして、例えば1991年春季第38回応用物理学関係連合
講演会講演予稿集No.3（p.975 ）２９ａ−ＳＦ−１１
「線形グレーティング高制御によるグレーティングカッ
プラ出射光のガウスビーム化」−砂川他に示されてい
るように、回折格子パターンに対応したレジストパター
ンを形成した後、このレジストパターンの上から、格子
高さが次第に低下する領域をマスクで覆った上で格子材
料を蒸着し、その後レジストパターンをリフトオフす
る、という方法が知られている。

【０００５】以下、この従来方法を図８を参照して詳し
く説明する。まず同図（１）に示されるように、基板１
上に形成された光導波路２の上にレジスト３が均一な厚
さに塗布される。次いで同図（２）に示されるように、
このレジスト３が例えば電子ビーム描画等により加工さ
れて、回折格子パターンに対応したレジストパターン３
ａが形成される。

【０００６】次に同図（３）に示されるように、レジス
トパターン３ａの上から光導波路２上に、格子高さが次
第に低下する領域では格子高さが大である側（図中右
側）から偏って斜めの向きに格子材料４が蒸着されるよ
うに、該領域をマスク５で覆った上で格子材料４を蒸着
する。その後レジストパターン３ａをリフトオフする
と、同図（４）に示されるように、上記格子材料４から
なる回折格子が形成される。

【０００７】この方法においては、マスク５を介して格
子材料４を蒸着しているため、マスク５の奥方（図中左
側）側に行くほど格子材料４の蒸着量が減少し、したが
って、回折格子の格子高さがこの方向に沿って次第に低
くなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしこの従来方法に
おいては、光導波路２から立ち上がっているレジストパ
ターン３ａによる遮蔽作用のために、格子材料４の斜め
向きの蒸着がマスク５の奥方（図中左側）側に行くほど
より大きく妨げられ、格子高さがかなり低くなる領域で
は格子線幅ｌも細くなってしまうことがある。このよう
にして格子線幅ｌが細くなって設計値から大きく外れる
と、回折格子の回折効率すなわち導波光と外部光との結
合効率が低下してしまう。

【０００９】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、格子線幅を細くすることなく、格子高さが格子
並び方向に沿って次第に低下する回折格子を製造できる
方法を提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の回折
格子の製造方法は、前述したように光導波路上におい
て、格子線幅が均一でかつ、少なくとも格子領域の一部
で格子高さが格子並び方向に沿って次第に低下するよう
に形成されて、この光導波路を導波する光と外部光とを
結合する回折格子の製造方法において、光導波路上に回
折格子パターンに対応したレジストパターンを形成した
後、このレジストパターンの上から光導波路上に、格子
高さが次第に低下する領域では格子高さが大である側か
ら偏って格子材料が蒸着されるように、該領域をマスク
で覆った上で格子材料を蒸着し、その際、格子高さが次
第に低下する領域のレジストパターンを、ピッチ一定
で、格子高さが低下する方向（つまりマスクの奥方に向
かう方向）に沿ってレジスト間の間隔が次第に増大する
形状としておき、この蒸着の後、上記レジストパターン
をリフトオフすることを特徴とするものである。

【００１１】また本発明による第２の回折格子の製造方
法は、上記第１の方法とはレジストパターンの形状のみ
が異なるものであり、すなわち、格子高さが次第に低下
する領域のレジストパターンを、ピッチ一定で、格子高
さが低下する方向に沿ってレジスト間の間隔が次第に増
大し、この方向前方側の格子端部領域では逆にレジスト
間の間隔が次第に減少する形状としておくことを特徴と
するものである。

【００１２】なお本発明においてなされる上記の「蒸
着」は、物理蒸着法一般、すなわち真空蒸着法、スパッ
タ法、イオンプレーティング法、プラズマ法等を全て含
むものとする。

【００１３】

【作用および発明の効果】上記第１および第２の方法に
おいては、レジストパターンをリフトオフした後に光導
波路上に残る格子材料により回折格子が形成される。

【００１４】そして、格子高さが次第に低下する領域の
レジストパターンを、ピッチ一定で、格子高さが低下す
る方向に沿ってレジスト間の間隔が次第に増大する形状
としておくと、格子材料の蒸着がマスク奥方側に行くほ
どレジストパターンによってより大きく妨げられること
が、レジスト間間隔つまり光導波路上の蒸着スペースが
次第に増大することによって補償され、格子線幅が細く
なることが防止される。

【００１５】このようにして格子線幅が細くなることが
防止されれば、この格子線幅が設計値に保たれて、回折
格子の回折効率すなわち導波光と外部光との結合効率が
向上する。

【００１６】なお、マスクを用いる蒸着においては、マ
スクの奥深いところにある回折格子端部において格子高
さが全く、あるいはほとんど低下しないこともあり得
る。その場合は、例えば、この端部において格子高さを
０（ゼロ）まであるいはほぼ０まで落とすべきところ、
そのようにならないで、この回折格子端部が切り立った
形状となってしまう。そのような回折格子から導波光を
光導波路外に出力させると、所望の強度分布特性（例え
ばガウス分布）に制御すべき出射ビームが、回折格子端
部を経た部分においてはこの特性から外れた強度分布を
有するものとなってしまう。また、そのような回折格子
により外部光を光導波路内に入力させる場合は、入力結
合効率が低下することになる。

【００１７】本発明の第２の方法は、このような不具合
を回避するようにしたものである。すなわちこの第２の
方法においては、レジストパターンを、格子高さが低下
する方向前方側の格子端部領域では逆にレジスト間の間
隔が次第に減少する形状としておくことにより、この格
子端部領域において格子線幅を次第に低下させることが
できる。そしてこの格子線幅の低下により、格子高さが
低下しないことを補償できるので、この第２の方法によ
って形成された回折格子は、導波光出力に使用される場
合は、回折格子端部を経た部分においても出射ビームの
強度分布を所望の特性に設定でき、また外部光入力に使
用される場合は入力結合効率が高いものとなる。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は本発明の一実施例の方法により回折
格子を製造する工程を順を追って示しており、また図２
はこの方法により形成された回折格子を備える光導波路
素子を示している。まず図２を参照して、この光導波路
素子について説明する。

【００１９】この光導波路素子10は、透明な基板11と、
その上に形成されたスラブ状光導波路12と、この光導波
路12の表面において互いに離して設けられた光入力用線
状回折格子（Ｌinear Ｇrating Ｃoupler：以下ＬＧＣ
と称する）20および光出力用ＬＧＣ21とを有している。

【００２０】本例においては、基板11にＸカットＬｉＮ
ｂＯ₃ウェハを用い、このウェハの表面にプロトン交換
層を設けることにより光導波路12を形成している。また
基板11の光入射面、光出射面となる両端面11ａ、11ｂ
は、光導波路12が形成される基板表面に対して共に64°
の角度をなすようにカットされている。なお基板11とし
てその他サファイア、Ｓｉ等からなる結晶性基板が用い
られてもよい。また光導波路12も上記のプロトン交換に
限らず、その他Ｔｉ拡散などによって形成することもで
きる。

【００２１】平行光である光ビーム（レーザビーム）13
は、斜めにカットされた基板端面11ａに垂直入射して基
板11内に入射し、光導波路12を透過して、その表面に形
成されたＬＧＣ20の部分に入射する。それにより光ビー
ム13はこのＬＧＣ20で回折して光導波路12内に入射し、
該光導波路12内を導波モードで図中右方に進行する。こ
の導波光13’はＬＧＣ21において回折して、光導波路12
から基板11側に出射し、基板端面11ｂから素子外に出射
する。

【００２２】ここで光入力用ＬＧＣ20は、格子高さＴg
が導波光13’の進行方向に沿って一定の変化率で漸次低
下するように設定されている。また光出力用ＬＧＣ21
は、形状そのもそのは光入力用ＬＧＣ20と同じである
が、向きが反対のもの、つまり格子高さＴg が導波光1
3’の進行方向と反対の方向に沿って漸次低下するもの
とされている。光出力用ＬＧＣ21がこのような形状とさ
れていることにより、出力光13”の光強度分布は略ガウ
ス分布となる。以下、この光出力用ＬＧＣ21を製造する
方法を、図１を参照して詳しく説明する。なお、特に説
明はしないが、光入力用ＬＧＣ20も同様の方法によって
形成される。

【００２３】本例ではＬＧＣ21の長さ（導波方向のサイ
ズ）Ｌ＝1300μｍで、その格子ピッチΛ＝2.1 μｍであ
る。そしてこのＬＧＣ21の格子高さＴg （設計値）は、
図３中に破線で示すように、格子後端で150 μｍ、格子
前端で1500μｍとなり、その間では一定の変化率で変化
するように設定される。このように格子高さＴg が変化
するＬＧＣ21を形成するために、図１に示すようにマス
ク（シャドウ・マスク）16を用いるスパッタ法が適用さ
れる。

【００２４】まず図１の（１）に示されるように、基板
11上に形成された光導波路12の上にレジスト15が均一な
厚さに塗布される。次いで同図（２）に示されるよう
に、このレジスト15が例えば電子ビーム描画等により加
工されて、ＬＧＣ21のパターンに対応したレジストパタ
ーン15ａが形成される。

【００２５】このレジストパターン15ａのピッチｐは一
定で、その値は上記格子ピッチΛと等しい2.1 μｍであ
る。またこのレジストパターン15ａの間隔（溝幅）ｓ
は、図３に実線ｃで示すように、格子後端からの距離が
750 〜1300μｍの領域では一定で、格子後端から前方に
750 μｍまでの領域では格子高さが低下する方向に沿っ
て次第に増大するように設定される。なおこの図３で
は、レジストパターン15ａの間隔の大きさを、そのピッ
チｐに対する間隔ｓの比で示してある。

【００２６】次に同図（３）に示されるように、レジス
トパターン15ａの上から光導波路12上に、格子高さが次
第に低下する領域では格子高さが大である側（図中右
側）から偏って斜めの向きに格子材料であるＺｎＳ17が
蒸着されるように、該領域をマスク16で覆った上でＺｎ
Ｓ17を成膜する。なお本実施例において、この成膜は高
周波スパッタ法によって行ない、スパッタリング装置内
部にはガス圧が１ｍTorrとなる状態にＡｒガスを封入
し、高周波パワーは100 Ｗとする。またマスク16は図３
に示す通り、格子後端から前方に650 μｍまでの領域に
かけられる。

【００２７】その後レジストパターン15ａをリフトオフ
すると、同図（４）に示されるように、上記ＺｎＳ17か
らなるＬＧＣ21が形成される。

【００２８】この方法においては、マスク16を介してＺ
ｎＳ17を蒸着しているため、マスク16の奥方（図中左
側）側に行くほどＺｎＳ17の蒸着量が減少し、またマス
ク16によって直接覆われていない領域でも、このマスク
16に近い部分ほど図中左上から右下方向の斜め向きの蒸
着がより抑えられるので、ＬＧＣ21の格子高さＴg が図
中右から左方向に向かって次第に低くなる。そしてスパ
ッタ条件を適当に制御することにより、格子高さＴg を
前述の設計値に設定することができる。

【００２９】また本方法では、レジストパターン15ａの
間隔ｓを前述のように設定しておくことにより、ＬＧＣ
21の線幅ｌがマスク16の奥方側で細くなってしまうこと
を防止して、この線幅ｌをほぼ一定にすることができ
る。その理由は、先に詳しく述べた通りである。

【００３０】図４のｃは、このＬＧＣ21の線幅ｌをＬＧ
Ｃ長さ方向（導波方向）に亘って測定した結果を示すも
のである。この場合、線幅ｌと格子ピッチΛを原子間力
顕微鏡により測定し、図４ではこれら両者の比ｌ／Λを
示してある。またこの図４には、レジストパターン15ａ
のピッチｐに対する間隔ｓ（ｓ／ｐ）を図３のａ、ｂお
よびｄに示すように設定した場合のＬＧＣ21の線幅測定
結果をそれぞれａ、ｂおよびｄとして併せて示してあ
る。

【００３１】ここに示される通り、従来方法による場
合、つまりｓ／ｐを図３のａに示すように設定した場合
は、ほぼマスク16がかけられた領域において、格子高さ
Ｔg の低下にともなって格子線幅ｌも漸次著しく減少し
ている。それに対して本実施例の方法によれば、ｌ／Λ
の値がＬＧＣ21のほぼ全長に亘って設計値の0.5 に近い
値を取り、格子線幅ｌが均一化されていることが明らか
である。

【００３２】上述のようにしてＬＧＣ21の格子線幅ｌが
均一化されれば、そこにおける回折効率つまり出力結合
効率が向上する。具体的に、図２のレーザビーム13とし
て波長477 ｎｍのアルゴンレーザビームを用いた場合、
上記従来方法により形成されたＬＧＣの回折効率が32.9
％であるのに対し、本実施例のＬＧＣ21における回折効
率は40.5％と著しく高くなっている。

【００３３】また、レジストパターン15ａの間隔ｓの補
正量（変化率）が本実施例よりも小さい場合、つまりｓ
／ｐを図３のｂに示すように設定した場合は、格子線幅
ｌの減少を抑える効果が小さくなっている。一方レジス
トパターン15ａの間隔ｓの補正量が本実施例よりもかな
り大きい場合、つまりｓ／ｐを図３のｄに示すように設
定した場合は、ほぼマスク16がかけられた領域におい
て、格子高さＴg の低下にともなって格子線幅ｌが逆に
増大してしまう。

【００３４】なお、光入力用ＬＧＣ20を形成するに当た
っても、上述と同様にして格子線幅ｌが均一化されれ
ば、そこにおける回折効率つまり入力結合効率が向上す
ることになる。

【００３５】ここで図５に、本実施例で形成されたＬＧ
Ｃ21により光導波路12外に出射した出力光13”（図２参
照）の光強度分布を測定した結果を示す。図示される通
り、出力光13”の光強度分布は、ほぼガウス分布となっ
ている。また図６には、上記従来方法により形成された
ＬＧＣ21から出射した出力光13”の光強度分布を測定し
た結果を示す。なおこれら図５および図６の横軸は、出
力光13”のＬＧＣ21上の出射位置を示す。

【００３６】図５から明らかなように、本実施例で形成
されたＬＧＣ21により光導波路12外に出射した出力光1
3”の光強度分布は、図中Ａで示す部分、つまりＬＧＣ2
1の後端に近い位置から出射した部分において、ガウス
分布からかなり外れた特性となっている。これは、図１
に示したマスク16の奥深いところにあったＬＧＣ21の端
部において、格子高さＴg が全くあるいはほとんど変化
しないで、最端で設計値の150 μｍまで低下していない
ことによるものと考えられる。もし、光入力用ＬＧＣ20
もこの光出力用ＬＧＣ21と同形状であれば、通常はガウ
スビームである光ビーム13の、ＬＧＣ20による入力結合
効率が低下してしまう。

【００３７】図７は、このような不具合を回避するよう
にしたレジストパターン15ａの形状を示すものである。
なおこの図７におけるレジストパターン形状の表示の仕
方は、図３におけるのと同様である。このように、格子
高さＴg が低下する方向前方側のＬＧＣ端部領域では、
逆にレジスト間の間隔ｓが次第に減少する形状としてお
くことにより、このＬＧＣ端部領域においては格子線幅
ｌを次第に低下させることができる。そしてこの格子線
幅低下により、格子高さＴg が低下しないことを補償で
きるので、この場合の出力光13”は、ＬＧＣ21の後端に
近い位置から出射した部分においても、ガウス分布に近
い光強度分布特性を有するものとなる。

【００３８】なお、光入力用ＬＧＣ20と光出力用ＬＧＣ
21は必ずしも互いに同形状とする必要はなく、各々の格
子ピッチΛ、格子高さＴg 、長さＬ等は、目的に応じて
それぞれ独自に最適に決めればよい。例えば、光ビーム
13を発生する光源として半導体レーザを使用する場合
は、光入力用ＬＧＣ20を比較的長さＬが短くて格子高さ
Ｔg が高い強結合のものとして、光ビーム13の波長変動
による入力結合効率の変動を抑えるようにし、その一方
光出力用ＬＧＣ21の長さＬは、使用光となる出力光13”
に望まれるビーム径に合わせた値とすることができる。

【００３９】また基板11の両端面11ａ、11ｂのカット角
も、必ずしも互いに同じである必要はなく、互いに異な
る角度として基板11の対称性をなくすことにより、基板
11の上表面と下表面との間で多重反射を繰り返して端面
11ｂから出力光13”と同じ角度で出射する迷光の発生を
防止するようにしてもよい。さらに、基板11の下表面11
ｃを粗面加工することにより、上述のような多重反射を
防止することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の方法により回折格子を製造
する工程を示す概略図

【図２】上記方法により製造された回折格子を備える光
導波路素子の概略側面図

【図３】上記方法で用いられるレジストパターンの間隔
変化特性と、この方法により製造される回折格子の格子
高さ変化特性とを示すグラフ

【図４】上記方法により製造された回折格子の線幅変化
特性を、他の回折格子の線幅変化特性と併せて示すグラ
フ

【図５】上記方法により製造された回折格子から出射し
た光ビームの光強度分布特性を示すグラフ

【図６】従来方法により製造された回折格子から出射し
た光ビームの光強度分布特性を示すグラフ

【図７】本発明の方法で用いられる別のレジストパター
ンの間隔変化特性と、この方法により製造される回折格
子の格子高さ変化特性とを示すグラフ

【図８】従来方法により回折格子を製造する工程を示す
概略図

【符号の説明】

10 光導波路素子 11 基板 12 光導波路 13 光ビーム 13’ 導波光 13” 出力光 15 レジスト 15ａレジストパターン 16 マスク 17 ＺｎＳ（格子材料） 20 光入力用ＬＧＣ 21 光出力用ＬＧＣ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路上において、格子線幅が均一で
かつ、少なくとも格子領域の一部で格子高さが格子並び
方向に沿って次第に低下するように形成されて、この光
導波路を導波する光と外部光とを結合する回折格子の製
造方法であって、前記光導波路上に回折格子パターンに対応したレジスト
パターンを形成した後、このレジストパターンの上から前記光導波路上に、前記
格子高さが次第に低下する領域では格子高さが大である
側から偏って格子材料が蒸着されるように、該領域をマ
スクで覆った上で格子材料を蒸着し、その際、前記格子高さが次第に低下する領域のレジスト
パターンを、ピッチ一定で、格子高さが低下する方向に
沿ってレジスト間の間隔が次第に増大する形状としてお
き、この蒸着の後、前記レジストパターンをリフトオフする
ことを特徴とする回折格子の製造方法。
【請求項２】光導波路上において、格子線幅が均一で
かつ、少なくとも格子領域の一部で格子高さが格子並び
方向に沿って次第に低下するように形成されて、この光
導波路を導波する光と外部光とを結合する回折格子の製
造方法であって、前記光導波路上に回折格子パターンに対応したレジスト
パターンを形成した後、このレジストパターンの上から前記光導波路上に、前記
格子高さが次第に低下する領域では格子高さが大である
側から偏って格子材料が蒸着されるように、該領域をマ
スクで覆った上で格子材料を蒸着し、その際、前記格子高さが次第に低下する領域のレジスト
パターンを、ピッチ一定で、格子高さが低下する方向に
沿ってレジスト間の間隔が次第に増大し、この方向前方
側の格子端部領域では逆にレジスト間の間隔が次第に減
少する形状としておき、この蒸着の後、前記レジストパターンをリフトオフする
ことを特徴とする回折格子の製造方法。