JP2006508376A - 機能性が拡張された光部品およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、それぞれが少なくとも1つの動作可能な面を備える各光デバイスの機能性を拡張する方法に関する。この方法は、上記の動作可能な各面のそれぞれの位置を揃えて1つの複合面を形成するようにこの光デバイスを積み重ねることと、複製を受け入れるように構成された膜を上記複合面に被覆することと、この加えられた膜にナノ構造のパターンを複製することとを含んでいる。実質上、動作可能な各面のそれぞれの面が十分な分の上記複製されたナノ構造パターンで複製されて、上記ナノ構造に伴うある機能を遂行することによりデバイスの動作を拡張する。
Description
本発明は、一般に光部品に関し、詳細に述べると機能性が拡張された光部品に関する。
本出願は、2002年6月18日に出願した、発明名称が「OPTICAL COMPONENTS EXHIBITING ENHANCED FUNCTIONALITY AND METHOD OF MAKING SAME」、発明者がJian Wang, Herbert KostalおよびYong Kewan Parkである米国特許仮出願第60/389,512号の利益を主張するものである。
光ネットワーク化、電気通信、光学用途およびフォトニクスの分野においては、デバイス性能の絶え間ない拡張ならびに製造、パッケージ化および組み立てのコスト低減が大いに望まれる。したがって、多機能光部品または拡張された機能性を示す光部品が非常に望まれている。たとえば、第3〜5種半導体化合物光レーザ、偏光子を含む化合物変調器およびLiNbO3変調器などの拡張された機能性を示す光集積回路(PIC)などに組み込むことができる単体の光部品を提供することが望まれている。
このような部品およびそれらを組み込んだPICSは、関連技術の状態を著しく改良するものだろう。
それぞれが少なくとも1つの動作可能な面を備える各光デバイスの機能性を拡張する方法であって、前記動作可能な各面のそれぞれの位置を揃えて1つの複合面を形成するように前記光デバイスを積み重ねることと、複製を受け入れるように構成された膜を前記複合面に被覆することと、前記加えられた膜にナノ構造のパターンを複製することとを含み、実質上、前記動作可能な各面のそれぞれの面が、前記ナノ構造に伴うある機能を遂行することにより前記デバイスの動作である方法。
本発明の理解は、添付の図面を参照して以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明を読めば容易になるであろう。図中同一の参照数字は同じ部品を指す。
本発明の図および説明は、本発明の明確な理解に関係する部品を説明するために簡略化されており、同時に代表的な光部品およびその製造方法に見られるその他多くの部品を、理解しやすいように除外していることを理解すべきである。当業者は、本発明を実施する際にその他の部品および/または手順が望まれるおよび/または要求されることを了解するだろう。しかしながら、このような部品および手順は従来技術でよく知られており、かつそれらは本発明のより良い理解には役立たないので、本明細書ではこのような部品および手順の検討はなされていない。本明細書の開示は、当業者に知られたこのような部品および方法に対するこのような変形形態および変更形態すべてに関する。
図1について説明すると、本発明の一態様による多機能光部品の生成方法100の流れ図が示されている。本発明の一態様によれば、一般に小さすぎてこのようなナノ構造をその上に効率的に複製するかまたは刻み込むことができないデバイスの表面上に、従来の方法を用いて一般に0.1ナノメートルから1000ナノメートルの大きさの構造であるナノ構造またはナノ部品などの波長以下の光学構造を複製することができる。本発明の一態様によれば、方法100は一般に、デバイスを形成する110ことと、形成されたデバイスを積み重ねる120ことと、デバイスのスタックの表面に薄膜を貼る130ことと、デバイスのスタックの前記薄膜を貼った表面にナノ構造を形成する140ことと、デバイスのスタックからデバイスを取り出す150こととを含んでいる。
このデバイスは、たとえば、エピタキシャル成長、フォトリソグラフィおよびエッチングなどの当業者に知られた任意の適切な方法を用いて形成する110ことができる。このデバイスは、たとえば、第3〜5種半導体化合物光デバイスの形態をとることができる。これらのデバイスは、たとえば、固体端面発光型レーザ、発光ダイオード(LED)、超発光ダイオード(SLED)、面発光型レーザ(VCSEL)、モジュレータ・スイッチ、可変光減衰器(VOA)または光検出器などの能動型でもよく、あるいはたとえば、導波路または導波路ベースの分配器、結合器、断路器またはカップラなどの受動型でもよい。このようなデバイスの製造および使用については当業者によく理解されている。
図2aについて説明すると、本発明の態様によって拡張することができる第3〜5種半導体化合物レーザ・デバイス210が示されている。デバイス210は、フェーセットまたはインターフェースAおよびBを含め動作可能な面を含んでいる。一般に、動作可能な面は、たとえばデバイス210の光学動作に利用され、面積が、たとえばほぼ10から100μm2程度の小さいものである。図2bについて説明すると、従来技術でもよく知られているように、デバイス210は複数デバイス210のバー215の形に形成されている。いくつかのバー215がまとまって、たとえば、各デバイス210が最初にそれから形成されて110(図1)きたウェーハの大部分を形成することができる。バー215は、加工110(図1)後に分離して動作可能なデバイス210を形成してもよく、または積み重ねたスタックから取り出す150(図1)後までそのままにしてもよい。
図1および図2a、2bおよび2cについて説明すると、形成された110デバイス210を類似のデバイス上に積み上げる120か、または別法として、形成されたデバイスのスタックを生成できるその他任意のデバイス上に積み上げる120ことができる。複合デバイス210、またはバー215を積み重ねて各デバイスの複合スタック220を生成することができる。この複合スタック220において、個々のデバイス210、またはバー215の面AおよびBはそれぞれまっすぐに並べて全体的なスタック面A'およびB'をそれぞれ形成することができる。本発明の一態様によれば、この面A'および/またはB'を用い、面AおよびBの少なくとも1つの上に形成される予定のナノ構造パターンを受け入れることによって、積み重ねられた各デバイス210に対し拡張された機能性を与えることができる。
当業者によって理解されるように、スタック220を形成するためのデバイス210、またはバー215の位置合わせおよび積み重ねは、その上にナノ構造を形成する、面AおよびBと比べてより大きな表面積のA'またはB'を生成する。すなわち、面AまたはBは面積が小さすぎて十分な複製ができないのに対して、本発明の一態様によれば、面A'またはB'は複製するのに十分な表面積を持つことができる。
この位置合わせおよび積み重ね120は、反射防止(AR)膜をたとえば複合デバイスに同時に被覆する場合に従来用いられた方法などの当業者に知られた従来のどんなやり方で実施してもよい。従来の積み重ね手法により位置合わせされたデバイスの高さのズレに起因する平坦でない面を考慮に入れるために、その開示全体が参照により本明細書に記載したように組み込まれている、Xiaoyun Sun、Lei Zhuang、Wei ZhangおよびStephen Y. Chou共著、J. Vac. Sci. Tech B誌、3922頁(1998)、「Multilayer Resist Methods for Nanoimprint Lithography on Nonflat Surfaces」の論文に開示されている手法などの当業者に知られた手法を用いることができる。この論文は、このような表面のズレに対処する1つの方法、たとえば、表面平坦化層を使用する方法を教示している。この表面平坦化は、たとえば、各種デバイスの段差よりも大きな厚さのレジスト層を塗布することによって達成できる。この層は、表面に複製可能な層を被覆する前に塗布することができる。そのようにして、平坦化層は、空隙に充填することによりいつでも複製でき、たとえば位置合わせに伴う各工程の準備ができた実質的に平坦な表面を形成することができる。
再び図1について説明すると、面A'および/またはB'に薄膜を被覆する130ことができる。この薄膜は、リソグラフィ140時に形成されたナノ構造を受け入れるのに適したものにできる。たとえば、薄膜は、フォトレジスト、ポリメチルメタクリレート、紫外線硬化性重合体層または熱可塑性物質層の形態をとることができる。この膜は、より簡単に形成することを考慮して型と比較して硬くする代わりに多少柔らかくすることができる。
図1についてさらに説明すると、ナノ構造は、フォトリソグラフィ、ホログラフィ・リソグラフィ、干渉リソグラフィ、電子線リソグラフィ、またはその開示全体が参照により本明細書に記載されたように組み込まれている、発明名称がNANOIMPRINT LITHOGRAPHYの米国特許第5772905号に開示されたリソグラフィなどのリソグラフィ法を用いて面A'またはB'に形成する140ことができる。この特許は、ナノインプリンティング法で成形されたパターンを受け入れる表面上に被覆された薄膜を使用することにより、表面上にたとえば25ナノメートル以下の超微細なパターンを生成するリソグラフィ法を教示している。完璧性を期すためではあるが、少なくとも1つの突出した形を有する型をA'またはB'に加えられた130薄膜内に押し込んでもよい。この型内の少なくとも1つの突出した形が薄膜内に少なくとも1つの対応したくぼみを作り出す。複製した後、この型を膜から取り除き、薄膜内のパターンが動作可能な面に転写されるようにこの薄膜を加工し、表面加工することができる。このようにして、型内のパターンがデバイスの面内に複製される。当然のことながら、デバイスのスタック220の動作可能な面A'またはB'内またはA'またはB'上に1つの構造を形成する適切な方法はどれでも利用することができる。
さらに、この面A'またはB'は、複製された形のパターンを受け入れるのに使用することができると同時に、ナノ構造の特徴は面AまたはBに比較して寸法が非常に小さいので、十分な分の複製されたパターンをそれぞれの面AまたはBにも同様に機能的に複製することができる。たとえば、偏光機能に対応したパターンを面A'上に複製することができる。複製されたパターン内の形の選別によって、そのパターンを各単一面A上にも同様に機能的に形成することができる。25ナノメートル特性を備えた周期的パターンを、あるデバイスの面Aを含む面A'内に複製することができる。たとえば、面Aの大きさがほぼ50μm2であれば、面Aは面A'内に複製されたパターンを、機能性の拡張に十分な量のほぼ1000サイクル受け入れることができる。このようにして、面Aがその内部に個々にパターンを複製するのに十分な面積を有していない場合でも、拡張された機能性がもたらされる。したがって、このようなやり方で面A'を複製し、その結果面Aを複製することによりデバイス210の拡張された機能性を達成することができる。
図1についてさらに説明すると、面A'またはB'上にナノ構造が複製されると、個別に使用するためにこの積み重ねたスタックからデバイスを取り出す150ことができる。
さらに、複製されたデバイスの部分集合、たとえば、そのうちの1つ、全部またはいくらかの量を試験に使用してもよい。すなわち、複製されたナノ構造が所望の機能を確実に遂行するように複製された特性のパターンに対応する拡張された機能性を備えた1つのデバイス210、またはデバイスの集合をテストすることができる。
当業者が理解するように、各種のパターンをデバイスに複製することができる。これらのパターンは様々な光学的または光の機能を果たす。このようなパターンは、たとえば、ホール、ストリップ、トレンチまたは柱状構造の形態をとることができ、これらはすべて共通の周期を有してもまた有しなくてもよく、また種々様々な高さや幅が可能である。ストリップは、たとえば矩形の溝、または三角形の溝あるいは半円形の溝の形にすることができる。同様に、基本的にホールの逆である柱状構造のパターンを作成してもよい。この柱状構造は、一方の軸または両方の軸の周期を変えることにより両方の軸で共通の周期を備えたパターンまたは別のパターンを作成することができる。柱状構造は、たとえば、高くした段差状、丸くした半円状、または三角形の形にすることができる。柱状構造は、一方の軸で1つの円錐形にしかつ他の軸で別の円錐形にしてもよい。
したがって、デバイス上にパターンを形成されたナノ構造は、たとえば、偏光子、偏光ビーム・スプリッタおよび偏光ビーム結合器、狭帯域フィルタ、人工複屈折波長板、広帯域偏光反射板、レンズまたは可変フィルタなどの加えられたパターンによって実現できるどのような光学素子としても実質的に機能することができる。
ナノ構造の使用例は、たとえば偏光子または偏光ビーム・スプリッタなどの偏光管理用である。ナノ構造はグリッドまたは格子型デバイスとしてパターンを作成することができる。従来技術で知られているように、グリッド構造は、波長がグリッド間隔よりずっと大きいと仮定してグリッドまたは格子線に垂直なEベクトル振動を備えた放射を透過し、平行な放射を反射する。現在の方法は、波長と比較して小さなナノ構造を形成することができるので、偏光管理を実現することができる。たとえば、デバイスがレーザの形態であり、複製されたパターンが偏光子に対応し、上に複製された面がレーザのフェーセットであり、偏光子がレーザ波長で高い反射率を有する場合、定偏波でレーザ発振するレーザを実現することができる。
ナノ構造の別の使用例は、たとえば、狭帯域フィルタまたは可変フィルタのような波長管理用である。このナノ構造は、たとえば、グリッドの形態をとることができる。このようなグリッド間隔を用いるフィルタの機能性は従来技術で知られている。共振作用を使用することができ、たとえば、所望の結果を得るために格子厚さ、波長、入射角が変えられる。模範的な実施形態において、たとえば、前方および後方だけに伝播するゼロ次波を中に通すように設計することにより、エネルギー的に効率的なフィルタを生成することができる。共振時は、前方伝播のゼロ次波の回折効率はゼロに近づき、後方伝播の波の回折効率は1に近づく。この原理に従って、高効率、狭帯域幅で小型のフィルタを、たとえば、他の光デバイスに応用することができる。
それゆえに、光デバイス、光学デバイスまたは光電子デバイスまたは部品のフェーセットまたはインターフェースなどの動作可能な面上にナノ構造のパターンを作成することにより、加えられたパターンの機能性が下にあるデバイスの動作を効果的に拡張するので、このデバイスまたは部品の機能性を向上することができ、自由空間のパッケージ化および組み立てに伴うコストを低減することができる。
さて図3について説明すると、図1の方法を実施するのに適した装置300が示されている。装置300は、デバイスのスタック220および型320が内部に取り付けることができる複製器の形態をとってもよい。複製器300はこのスタック220に薄膜を被覆する130(図1)手段を備えることができる。複製器300はデバイスのスタック220を支える固定されたブロック330および型320を支える移動可能な成形ブロック340を含むことができる。X-Yポジショナ360およびzポジショナ370に結合された制御器350はスタック220に対する型320の適用を制御することができる。
位置合わせ目印380を型320上に設け、一方相補形の目印385をデバイススタック220上に設けることができる。位置合わせ目印380および385の位置を合わせ、制御器350に位置合わせ信号を供給するためにセンサ390を使用することができる。制御器350には、たとえば、制御に使用する入出力回路400を設けることもできる。
動作において、制御器350は、zポジショナ370を作動し、これによってデバイスブロック330の積み重ねられた集合に対してz方向に成形ブロック340を移動することによってデバイススタック220に加えられた130(図2)膜への型320の複製を制御することができる。
型320とデバイススタック220との位置合わせは、たとえば、X-Yポジショナ360で光学的または電気的位置合わせ手法を用いて実現することができる。センサ390および位置合わせ目印380および385は、たとえばスタック220に対して型320の位置を定めるのにモアレ位置合わせ手法を用いることができるようにモアレ位置合わせパターンを発生する位置合わせ光検出器および光学的位置合わせ目印の形態をとることができる。このような手法は当業者に知られている。制御器350は、センサ390によってもたらされた位置合わせ情報を処理し、X-Yポジショナ360を用いて膜に対してX-Y平面上で成形ブロック340の位置を調整することができる。当然のことながら、当業者に知られたその他の適当な位置合わせ手法を使用してもよい。
当業者は、本発明の精神と範囲を逸脱せずに本発明の数多の変更および変形形態を実施することができることを理解するだろう。それゆえ、これらの本発明の変更および変形形態が添付の請求項およびこれと同等のものの範囲内に入るとして本発明がこれらを網羅しているものとする。
Claims (40)
- それぞれが少なくとも1つの動作可能な面を備える各光デバイスの機能性を拡張する方法であって、
前記動作可能な各面のそれぞれの位置を揃えて1つの複合面を形成するように前記光デバイスを積み重ねることと、
複製を受け入れるように構成された膜を前記複合面に被覆することと、前記被覆された膜にナノ構造のパターンを複製することとを含み、
実質上、前記動作可能な各面のそれぞれの面が十分な分の前記複製されたナノ構造パターンで複製されて前記ナノ構造に伴うある機能を遂行することにより前記デバイスの動作を拡張する方法。 - 前記ナノ構造のパターンを示す複数の特徴を備えた型を形成することと、
前記型を用いて前記複合面の位置を揃えることとをさらに含む請求項1に記載の方法。 - 前記調整された型を前記複合面に適用することをさらに含む請求項2に記載の方法。
- 前記膜を被覆することが前記薄膜の堆積を含む請求項1に記載の方法。
- 堆積は熱可塑性物質層を堆積させる請求項4に記載の方法。
- 堆積は紫外線硬化性重合体を堆積させる請求項4に記載の方法。
- 前記膜を被覆することがスピンコータで膜を塗布することを含む請求項1に記載の方法。
- 前記スピンコータにより膜を塗布することがポリメチルメタクリレートの熱可塑性物質およびフォトレジストの少なくとも1つを塗布することを含む請求項7に記載の方法。
- 前記スピンコータにより膜を塗布することが紫外線硬化性重合体を塗布することを含む請求項7に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの動作可能な面が少なくとも1つのフェーセットを備える請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの動作可能な面が少なくとも1つのインターフェースを備える請求項1に記載の方法。
- 前記各光デバイスの少なくとも1つを形成することをさらに含む請求項1に記載の方法。
- 前記形成することが、エッチング、エピタキシャル成長、ホログラフィ・リソグラフィ、およびフォトリソグラフィの少なくとも1つを含む請求項12に記載の方法。
- 前記積み重ねることが前記光デバイスのバーを積み重ねることを含む請求項1に記載の方法。
- 前記動作可能な各面のそれぞれの位置を揃えて1つの複合面を形成するように前記光デバイスを積み重ねることと、
複製を受け入れるように構成された膜を前記複合面に被覆することと、前記被覆された膜にナノ構造のパターンを複製することとを含み、
実質上、前記動作可能な各面のそれぞれの面が十分な分の前記複製されたナノ構造パターンで複製されて前記ナノ構造に伴うある機能を遂行することにより前記デバイスの動作を拡張する工程により複製される光デバイスの面上に形成されたナノ構造。 - 前記構造が偏光の管理する請求項15に記載の製品。
- 前記構造が波長の管理する請求項15に記載の製品。
- 前記光デバイスがＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物能動型光デバイスの少なくとも1つを備える請求項15に記載の製品。
- 前記光デバイスがＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物受動型光デバイスの少なくとも1つを備える請求項15に記載の製品。
- 少なくとも1つの動作可能な面を備える光デバイスに拡張された機能性を与える方法であって、
前記デバイスに他のデバイスを積み重ねこれによって1つの複合面を作成することと、
複製を受け入れるように構成された膜を前記複合面に被覆することと、前記被覆された膜にナノ構造のパターンを複製することとを含み、
実質上、前記光デバイスの前記面が十分な分の前記複製されたナノ構造パターンで複製されて前記ナノ構造に伴うある機能を遂行することにより前記デバイスの動作を拡張する方法。 - 前記少なくとも1つの動作可能な面が少なくとも１つのフェーセットを備える請求項20に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの動作可能な面が少なくとも1つのインターフェースを備える請求項20に記載の方法。
- 前記光デバイスを形成することをさらに含む請求項20に記載の方法。
- 前記形成することが、エッチング、エピタキシャル成長、ホログラフィ・リソグラフィ、およびフォトリソグラフィの少なくとも1つを含む請求項23に記載の方法。
- 前記光デバイスがＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物能動型光デバイスの少なくとも1つを備える請求項20に記載の方法。
- 前記光デバイスがＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物受動型光デバイスの少なくとも1つを備える請求項20に記載の方法。
- 前記積み重ねることが、前記光デバイスのバーの一部として前記光デバイスを積み重ねることを含む請求項20に記載の方法。
- 前記積み重ねたスタックから光デバイスを取り出すことをさらに含む請求項20に記載の方法。
- 少なくとも1波長を有する伝送で使用するのに適した拡張された機能性を示す光電子デバイスであって、
前記伝送で機能するように構成された面と、
前記面に形成された複数のナノ構造とを備え、
前記ナノ構造が、前記面に拡張された機能性をもたらすように構成されている光電子デバイス。 - 前記面が少なくとも1つのガーネット材料を含む請求項29に記載のデバイス。
- 前記複数のナノ構造はホール、ストリップ、トレンチおよび柱状構造のうち少なくとも1つを備える請求項29に記載のデバイス。
- 前記面が1つのフェーセットを備える請求項29に記載のデバイス。
- 前記面が1つのインターフェースを備える請求項29に記載のデバイス。
- 前記面が光デバイスの動作可能な面を備える請求項29に記載のデバイス。
- 前記光デバイスがガーネット磁気回転子を含む請求項34に記載のデバイス。
- 前記光デバイスが能動型である請求項34に記載のデバイス。
- 前記光デバイスが受動型である請求項34に記載のデバイス。
- 前記拡張された機能性が偏光の管理を含む請求項29に記載のデバイス。
- 前記拡張された機能性が波長の管理を含む請求項29に記載のデバイス。
- それぞれが少なくとも1つの動作可能な面を備える光デバイスに拡張された機能性を与える方法であって、
前記動作可能な各面のそれぞれの位置を揃えて1つの複合面を形成するように前記光デバイスを積み重ねることと、
複製を受け入れるように構成された膜を前記複合面に被覆することと、前記被覆された膜にナノ構造のパターンを複製することとを含み、
実質上、前記動作可能な各面のそれぞれの面が十分な分の前記複製されたナノ構造パターンで複製されて前記ナノ構造に伴うある機能を遂行することにより前記デバイスの動作を拡張する方法。
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