特許 7061572 光学素子及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-04-20

(45)【発行日】2022-04-28

(54)【発明の名称】光学素子及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/18 20060101AFI20220421BHJP

   G02B 6/124 20060101ALI20220421BHJP

   H01S 5/022 20210101ALI20220421BHJP

【ＦＩ】

G02B5/18

G02B6/124

H01S5/022

【請求項の数】 22

(21)【出願番号】P 2018553685

(86)(22)【出願日】2017-09-29

(86)【国際出願番号】 JP2017035625

(87)【国際公開番号】W WO2018100868

(87)【国際公開日】2018-06-07

【審査請求日】2020-04-16

(31)【優先権主張番号】P 2016235394

(32)【優先日】2016-12-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】丹羽 孝介

(72)【発明者】

【氏名】近藤 順悟

(72)【発明者】

【氏名】山口 省一郎

(72)【発明者】

【氏名】浅井 圭一郎

【審査官】堀井 康司

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／１３３１６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／０７９９７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／０７９９３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００８－２９９０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０９９０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０７０８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１３５９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５３５１４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ５／１８、５／３０－５／３２

Ｇ０２Ｂ ６／１２４

Ｈ０１Ｓ ５／０２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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を満足し、
前記周期構造の有効長をＬとする時、Ｌ≦１００μｍを満足し、
当該光学素子が、２６％を超える反射率を有し、
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、
前記周期構造の各溝においてその底面とその側面のなす角を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、光学素子。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項13】

当該光学素子の反射率が４０％以上である、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光学素子。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項18】

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１７のいずれか一項に記載の光学素子。

【請求項19】

前記周期構造の溝の配列方向に延びる前記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１８のいずれか一項に記載の光学素子。

【請求項20】

請求項１乃至１９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。

【請求項21】

光学素子の製造方法であって、
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を満足し、
前記周期構造の有効長をＬとする時、Ｌ≦１００μｍを満足し、
前記光学素子が、２６％を超える反射率を有し、
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、光学素子の製造方法。

【請求項22】

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２１に記載の光学素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光学素子及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１６／１３３１６１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【0005】

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。

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【発明の効果】

【0038】

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。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】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4】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】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。

【図6】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。

【図7】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。

【図8】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。

【図9】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。

【図10】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。

【図11】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。

【図12】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。

【図13】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。

【図14】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】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。

【発明を実施するための形態】

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

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。

【0094】

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。

【0095】

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。

【0096】

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。

【0097】

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。

【0098】

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】

【0099】

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。

【0100】

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。

【0101】

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。

【表1】

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。

【0102】

－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。

【0103】

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）。

【表2】

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。

【0104】

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。

【0105】

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。

【0106】

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。

【0107】

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）。

【表3】

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。

【0108】

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）。

【表4】

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。

【0109】

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。

【符号の説明】

【0110】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】