JPH0827405B2 - 回折格子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は回折格子の製造方法に関し、特に半導体基板
上へ回折格子を形成する際の回折格子の製造方法に関す
る。

（従来の技術） 近年、長距離大容量光通信システムの光源として単一
軸モード半導体レーザの研究・開発が活発に行われてい
る。その中で、分布帰還形（DFB）半導体レーザは、そ
の単一軸モードの制御性および動作温度範囲の広さなど
の安定性の面と、他の単一軸モード半導体レーザに比べ
て製作し易いという面から実用化に向けて急速に開発が
進められている。

DFBレーザは、素子内に均一な回折格子を有する構造
をとっており、この回折格子の周期で定まるブラッグ波
長近傍で単一軸モードで発振することを特徴としてい
る。しかしながら、両端面の端面反射率が小さく均一な
回折格子を有するDFBレーザでは、ブラッグ波長をはさ
んで発振し易い２本の発振可能なモードが存在する。こ
のことは、２軸モードで動作し易いことを意味し、単一
軸モードレーザとしては好ましくない。通常DFBレーザ
では、光をとり出すために一端は劈開面を用い、もう一
端はファブリ・ペローモードを抑制するために端面反射
を抑えた無反射コーティングを施した構造がとられる。
このように端面反射率が非対称である構造のDFBレーザ
の反射鏡損失特性はブラッグ波長に対して非対称にな
り、一つの縦モードが選択される傾向にある。ところ
が、反射鏡損失特性は回折格子が端面反射鏡の位置にお
いてどのような位相で終わるかにより著しく変化する。
そのため、主モードと次のモードとの間の反射鏡損失差
が小さい場合も多く２本のモードで発振する素子も多数
あった。そこで、このような不安定性を除去するために
DFBレーザの内部に回折格子の周期をλg/4（λｇは素子
内を伝播する光の波長）だけずらした構造のDFBレーザ
が試作された。これに関する文献の例として字高他著の
1984年11月22日発行のエレクトロニクス・レタース誌
（Electronics Letters）第20巻４号1008〜1010頁記載
の論文をあげることができる。このような構造のDFBレ
ーザをλ/4シフト型DFBレーザと呼んでいる。

λ/4シフト型DFBレーザは、ブラッグ波長に完全に一
致した１本の軸モードで発振することを特徴としてい
る。このため、従来の素子で見られた２軸モードで発振
するような素子は極めて少なくなり、歩留り向上の点で
非常に有望である。ところで、DFBレーザの回折格子の
周期Λは、発振波長λと次のような関係にある。

ここで、n_eは素子内の等価屈析率、ｍは回折格子の次
数、λ_ｇは素子内を伝播する光の波長である。従って、
１次の回折格子を使ったλ/4シフト型の回折格子は、シ
フト領域を鏡にして左右の回折格子の凹凸を反転させれ
ばよい。このλ/4シフト型の回折格子を用いたλ/4シフ
ト型DFBレーザは、先にも述べたように１本の軸モード
で発振するが、そのためには次のような条件が存在す
る。すなわち、両端面の反射率を０にしなければならな
い。このために、無反射コーティングやウィンドウ構造
などが実際の素子に採用されている。

上記のように両端面の反射率を０にすると、両端面か
らの光出力は、ほぼ等しくなり、これでは光の取り出し
効率が低い（最高で50％）という問題がある。そこで、
この光の取り出し効率を上げるために、シフト領域の両
側それぞれの長さおよび結合係数を非対称にすることが
江田他著の昭和59年度電子通信学会光・電波部門全国大
会予縞集271「非対称構成による活性分布反射型レーザ
の高効率化」の中で提案された。このように構造を非対
称にすれば、共振器内の電力分布が非対称になり一方向
への光の取り出し効率が改善される。結合係数を非対称
にするためには、回折格子の深さをシフト領域の両側で
変えればよいので、シフト位置の両側で深さが異なるよ
うなλ/4シフト型の回折格子の製造方法が要求される。

では、次にλ/4シフト型回折格子の製造方法のうち、
代表的な４つの方法について述べる。

第１の方法として、ノボラック系ポジ型フォトレジス
トと環化ゴム系ネガ型フォトレジストを重ね塗りして干
渉露光を行い、ポジ型フォトレジストとネガ型フォトレ
ジストとの逆感光性を利用した方法がある。この方法の
文献として、宇高他著の1984年11月22日発行のエレクト
ロニクス・レターズ誌（Electronics Letters）第20巻
第４号1008〜1010頁記載の論文をあげることができる。

第２の方法としては、ノボラック系のポジ型フォトレ
ジストとノボラック系のネガ型フォトレジストとの間に
中間層をはさんで干渉露光を行う方法があり、この文献
としては昭和60年秋季応用物理学会学術講演会予縞集20
2頁記載の2a−Ｎ−９「ノボラック系ネガ・ポジレジス
トによるλ/4シフト回折格子」をあげることができる。

第３の方法としては、位相シフトに相当する段差を有
する石英板を光学系の中に組込んで、干渉露光を行う方
法があり、この方法の文献としては、辻他著の昭和60年
秋季第46回応用物理学会学術講演予会縞集202頁記載の2
a−Ｎ−10「位相面投影型干渉露光法によるπシフト回
折格子の作製」をあげることができる。

第４の方法としては、位相シフトに相当する段差を有
する石英板をフォトレジストを塗布した基板に密着させ
て干渉露光を行う方法があり、この方法の文献としては
白崎他著の電子通信学会技術報告OQE−85−60巻57〜64
頁記載の「DFBレーザ用1/4波長位相シフト回折格子の形
成方法の提案−位相マスクの考案とその効果−」をあげ
ることができる。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した回折格子の製造方法には次のような欠点が存
在する。

第１の方法では、シフト位置の両側で回折格子の深さ
をポジ型フォトレジスト、ネガ型フォトレジストそれぞ
れの現像時間を制御することによって変えることができ
るが、ネガ型フォトレジストとして解像度が悪い環化ゴ
ム系のフォトレジストを用いているので、形状が良好な
回折格子を得ることが難しい。

第２の方法では、第１の方法とは異なり形状が良好な
回折格子を得ることができる。また、ポジ型フォトレジ
スト、ネガ型フォトレジストそれぞれの現像時間および
中間層のエッチング時間を制御することによりシフト位
置の両側で回折格子の深さを変えることができるが、条
件の許容度が大変小さく歩留りか非常に悪い。

第３の方法では、位相シフト板の段差部分からの回折
光の影響で収差が大きくなり、この収差をレンズ系で補
正している。しかしながら、それでも充分に収差の影響
を打ち消すことができず、回折格子形成面積が〜7mm
²（半径1.5mmの円）と極端に小さくなるという欠点があ
る。また、この方法では、シフト領域の両側で回折格子
の深さを変えることはできない。

第４の方法では、位相シフトに相当する段差を有する
石英板とフォトレジストのついた基板を密着させる際に
干渉縞ができてしまい、基板全面に回折格子を形成する
ことができないという欠点がある。この方法でも、第３
の方法と同様、シフト領域の両側で回折格子の深さを変
えることはできない。

本発明の目的は、λ/4シフトDFBレーザに用いるため
の回折格子の製造方法であって、形状が良好で、かつシ
フト位置の両側で回折格子の深さが異なる１次のλ/4シ
フト型回折格子を再現性よく製造することのできる方法
を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 前述の問題点を解決するために本発明が提供する手段
は、所望の位相シフトを生じさせる位相板を斜入射の平
行光で照射して得られる回折波面を参照光束と干渉させ
てホログラムを製作する工程と、前記ホログラムを前記
参照光と共役な波面で照射して得られる波面を前記位相
板の配置されていた面で平行光束と干渉させて感光体に
干渉縞を記録する工程とを含み、前記感光体が塗布され
た基板に前記干渉縞を転写して回折格子を形成する回折
格子の製造方法であって、前記感光体がフォトレジスト
であり、当該フォトレジストの上部に所定の透過率を有
する膜を選択的に形成してから前記干渉縞記録工程を行
うことを特徴とする。

（作用） 本発明の原理を説明する。形状が良好な回折格子を形
成するためには、解像度のよいフォトレジストを使えば
よい。本発明の方法を使えば、解像度のよいフォトレジ
ストを１種類用いるだけでよいので、形状の良好な回折
格子を作製することができるばかりでなく、現像・エッ
チング工程も各１回で済むからプロセスのステップ数が
少なく、また製作条件の許容度も大きく歩留りがよくな
る。従って、本発明の方法を用いることで前記第1,第２
の方法における欠点は克服される。

前記第３の方法では、収差の影響で回折格子の形成面
積が極めて小さくなってしまうが、本発明のようにホロ
グラムからの回折波面を用いれば収差は補正され基板全
面に回折格子を形成することができる。

また、前記第４の方法では、基板と石英板を密着させ
る際にモアレ縞ができてしまい、そのために回折格子形
成面積が狭くなっていたが、本発明の方法では基板と石
英板を密着させる必要がないので上記のような欠点は存
在しない。

次にホログラムを用いた場合に収差が補正される理由
について述べる。ホログラムには波面を凍結し、再生で
きる特徴がある。本発明の方法では、所望の位相シフト
を生じさせる位相板を平行光で照射して得られる波面を
参照波面と干渉させてホログラムを形成しているが、こ
のホログラムは位相板からの回折波面を記録している。
ホログラムを製作した時の参照波面と共役な照明光でこ
のホログラムを裏面から照射すると位相板からの波面の
逆進波面が再生されるので、ホログラム製作時に位相板
がおかれていた面上では、位相板透過直後の、すなわち
所望の位相シフトした波面の逆進波面が得られる。この
ため、収差の影響が打ち消されるのである。

最後に、位相シフト位置の両側で回折格子の深さを変
えるために本方法では所定の透過率を有する膜を選択的
に形成したが、ここではその原理について述べる。第２
図に基板の全面に塗布したフォトレジストの上部に所定
の透過率を有する膜を選択的に形成してなる構造の断面
を示す。第３図は、フォトレジストと膜との間に中間層
を入れた構造の断面図である。所定の透過率を有する膜
22の下の領域24と、膜22がない領域23とでは、領域23の
フォトレジスト21の方が露光量が多い。従って、膜22の
厚みと露光時間とを適切に調節することによって、領域
23では露光オーバ、領域24では露光時間適正の状態にす
ることができる。露光オーバの状態であれば、回折格子
の深さは露光時間適正の場合よりも浅くなる。その時の
回折格子の形状は、フォトレジスタ21がネガ型のときは
台形、ポジ型のときは回折格子の谷の部分がなまって平
らになる。

また、第３図のようにフォトレジスト21と膜22との間
に中間層30を入れることにより、フォトレジスト21と膜
22との間に変成層ができたり、フォトレジスト21と膜22
が混合することを防ぐことができる。従って、中間層30
を用いることによって、フォトレジスト21と膜22の選び
方の許容範囲が大きくなる。

（実施例） 以下に本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明
する。第１図は、本発明の回折格子の製造方法に用いる
光学系の一例を示す図である。

He−Cdレーザ１から出射された波長3250Åのレーザビ
ーム50は、ミラー２で反射され、シャッタ３を通った
後、再びミラー４で反射され、ハーフミラー５によって
反射光51と透過光52とに分けられる。反射光51はミラー
６で反射された後、ビームエキスパンダ10によって拡大
され参照光束53となる。参照光束53は、ミラー12,ミラ
ー13で反射された後、水平面に対する入射角42.6℃で感
光体に入射する。この感光体は、InP基板20全面にノボ
ラック系ネガ型フォトレジストODUR−120膜21（東京応
化社製）を膜厚1500Åとなるように塗布し、その上に選
択的に環化ゴム系ネガ型フォトレジストであるNNR膜22
（ナガセ社製）を膜厚１μｍとなるように形成したもの
である。

一方、透過光52はミラー7,ミラー８で反射された後ビ
ームエキスパンダ９で拡大されて平行光束54となる。平
行光束54はミラー11で反射された後にホログラム14に入
射する。ホログラム14からの回折波面55が水平面に対す
る入射角42.6゜で感光体に入射する。

露光後、ODUR−120現像液（東京応化社製）を用いて
現像し、臭化水素系のエッチャントを用いてInP基板20
に転写したところ、不整や架橋のない周期2400Å、シフ
ト位置の両側での深さがそれぞれ500Å,1000Åのλ/4シ
フト回折格子を形成することができた。

また、第３図に示すように中間層30としてOBC（東京
応化社製）を膜厚１μｍとなるように塗布し、フォトレ
ジスト21としてODUR−120（膜厚1300Å）、膜22としてA
Z1350（ヘキスト社製，膜厚4000Å）を用いた場合に
は、前記実施例に比べて製作が容易となり、歩留りが改
善された。

本実施例では、膜22としてフォトレジストを用いた
が、これは他の物質からなってもよい。また、中間層30
も何もOBCである必要はなく、例えばECRプラズマCVD装
置を用いて製作したSiN膜やSiO₂膜などであってもよ
い。

（発明の効果） 本発明の回折格子の製造方法は、所定の透過率を有す
る膜をフォトレジスト上に選択的に形成することによっ
て、シフト位置の両側で深さの異なるλ/4シフト回折格
子を形成することに特徴がある。

本発明の方法により、不整や架橋のない周期2400Å、
シフト位置の両側でそれぞれ深さが500Å,1000Åの回折
格子を得ることができた。また、中間層を用いることに
より、歩留りは90％以上となった。

この回折格子を用いてλ/4シフトDFBレーザを製作し
たところ、従来の方法で形成された回折格子に比べて光
の取り出し効率の前後比が２倍となり、本発明の方法が
有効であることがわかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に用いる光学系を示す図であ
る。第２図および第３図は基板上へフォトレジスト及び
膜を形成した構造を示す断面図である。 １……He−Cdレーザ、2,4,6,7,8,11,12,13……ミラー、
３……シャッタ、５……半透明鏡、9,10……ビームエキ
スパンダ、14……ホログラム、20……基板、21……フォ
トレジスト、22……膜、23……膜22のない領域、24……
膜22のある領域、30……中間層、50……レーザビーム、
51……反射光、52……透過光、53……参照光束、54……
平行光束、55……回折波面。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所望の位相シフトを生じさせる位相板を斜
   入射の平行光で照射して得られる回折波面を参照光束と
   干渉させてホログラムを製作する工程と、前記ホログラ
   ムを前記参照光と共役な波面で照射して得られる波面を
   前記位相板の配置されていた面で平行光束と干渉させて
   感光体に干渉縞を記録する工程とを含み、前記感光体が
   塗布された基板に前記干渉縞を転写して回折格子を形成
   する回折格子の製造方法において、前記感光体がフォト
   レジストであり、当該フォトレジストの上部に所定の透
   過率を有する膜を選択的に形成してから前記干渉縞記録
   工程を行うことを特徴とする回折格子の製造方法。
2. 【請求項２】前記フォトレジストの上面に前記フォトレ
   ジストと前記膜との混合または反応を防止する中間層を
   形成してから前記膜を形成することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の回折格子の製造方法。
3. 【請求項３】前記膜が前記フォトレジストと同じか又は
   異なる組成のフォトレジストであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の回折格子の製造
   方法。