JPH02188729A - 光学素子の回析格子製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光が伝播する光導波路を有する光学素子にお
いて、該光導波路内の導波光の制御や導波路の内部と外
部とを光学的に結合するために用いられる回折格子の製
造方法に関する。

（従来の技術） 近時、非線形光学材料を用いて光導波路を形成し、該光
導波路内に光を伝播させる光学素子が開発されている。

光導波路は、その断面の大きさが光の波長と同程度とき
わめて小さいにも拘らず。

光の損失が小さく、また、光の伝播に伴う光の広がりが
ないためコヒーレンス長全体で波長変換が可能となって
変換効率が高（なる等の長所を有しており２例えば、非
線形光学材料による第２高調波発生を利用して、基本波
の波長の２の第２高調波光を発生させる際には、特に好
適に用いられる。

第２高調波光を発生させるためには、基本波から第２高
調波への変換効率が基本波の光密度の２乗に比例するこ
とから、基本波をできるだけ狭い領域に低損失で閉じ込
めることが重要である。従って、非線形光学材料で光導
波路を形成した波長変換素子は該光導波路内に基本波を
閉じ込めて第２高調波光を発生させることができるため
、高効率にて波長変換し得る。

これに対し、光導波路は、その大きさが非常に小さいた
め基本波を入射させることがきわめて困難であり、また
、光導波路の形成により非線形光学材料の結晶性が悪く
なり、特に光導波路表面に凸凹が生じることにより基本
波を散乱させ、上述のように光波長変換素子の場合には
波長変換効率が低下するという欠点がある。

光導波路内への基本波の入射は、従来、第５図に示すよ
うに、非線形結晶材料にて構成される基板３１に形成さ
れた光導波路３２の端面３２ａを光学研磨し、開口数（
ＮＡ）の大きなレンズ５０にて例えば半導体レーザ装置
４０から発せられる基本波を集光することにより行われ
ている。光導波路３２内を伝播する基本波２１は１例え
ばチェレンコフ放射により、第２高調波光２２となる。

しかし、このようにして基本波を光導波路３２内へ入射
させるためには、非常に小さい光導波路３２の端面３２
ａとレンズ５０とを高精度にて光軸調整しなければなら
ない。

このような事情から、レンズ５０を用いることなく基本
波を導波光内に入射させるために１回折格子光結合器が
用いられる０回折格子光結合器は。

光導波路上に設けられた回折格子にて、該光導波路内に
光を入射させるものであり、レンズ等が不要となるため
波長変換装置を小型化でき、またレンズと光導波路との
光軸調整が不要となる。

回折格子光結合器では、高い結合効率を得ようとすれば
９回折格子の格子ピッチを非常に細かくする必要がある
。また、光学素子を用いた波長変換装置等の装置を小型
化するためには１回折格子光結合器を、レンズ等の機能
を併せ持った波面変換型にすることが望ましい。このよ
うなことから。

性および高速偏向性を有する電子ビーム露光法によるこ
とが望ましい。

（発明が解決しようとする課題） しかし９電子ビーム露光法により光導波路上に回折格子
を形成する場合には、非線形光学材料が。

通常、絶縁体であるため、該非線形光学材料上に積層さ
れたレジストに電子ビームを照射するとレジストがチャ
ージアップし、電子ビームの進路が曲げられてしまう。

このため、光導波路上に電子ビームにより微細パターン
を描くことができなくなる。レジストのチャージアップ
を防止するために光導波路上に金属薄膜を蒸着すること
が考えられる。しかし、金属薄膜を蒸着すれば、それを
除去する工程が必要になり、また、その除去に用いる薬
品が光導波路を侵すおそれもある。

本発明は上記従来の問題を解決するものであり。

その目的は、光導波路上に９回折格子を電子ビーム露光
法により、所定形状にきわめて容易に製造し得る方法を
提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の光学素子の回折格子製造方法は、光学素子の光
導波路上に透明導電膜を積層する工程と。

該透明導電膜に電子ビームレジストを塗布する工程と、
該電子ビームレジストに電子ビームにより回折格子パタ
ーンを描画する工程と、を包含してなり、そのことによ
り上記目的が達成される。

（実施例） 以下に本発明を実施例について説明する。

本発明の回折格子製造方法は１例えば、第２高調波発生
を利用した光波長変換素子に回折格子光結合器を形成す
る際に実施される。

光波長変換素子は、第１図（ａ）および（ｂ）に示すよ
うに、非線形光学材料であるＬｉＮｂＱｓ　（Ｌ　Ｎ　
）基板１１上の幅方向中央部に、ストライブ状の光導波
路１２が形成されたものである。該光導波路１２は、基
板ｌｌ上に８通常のホトリソグラフィ法により、ホトレ
ジストでストライプ状のマスクパターンを形成し、安息
香酸を用いて２２０　’Ｃで約３０分間の１通常のプロ
トン交換法により形成される。

光導波路１２内に基本波２１が伝播されると１例えばチ
ェレンコフ放射により、該基本波２１の雅の波長の第２
高調波光２２が発生する。例えば、基本波として波長１
１０６０ｎのＹＡＧレーザ光を光導波路１２内に伝播さ
せると、波長５３０ｎｍの第２高調波光が発生する。

本発明方法は、このような光波長変換素子に回折格子光
結合器を形成する際に実施され、まず。

光導波路１２上および基板１１１：、　１ｎｘＯｓニ５
ｎＯｚを１０％混合して焼結させたターゲートを用い−
で１通常のＲＦスパッタ法により、透明導電膜としてＩ
ＴＯ膜１３を約０．１ｐ−の厚さに蒸着する。この場合
、　ＩＴＯ膜１３の透明度を向上させるために、基板１
１の温度をできるだけ高くすることが好ましいが、基板
１１の温度を高くし過ぎると、光導波路１２がプロトン
の拡散により広がるおそれがある。このため、　ＩＴＯ
膜１３蒸着時の基板１１温度は２００°Ｃ程度が好まし
い。

本実施例では、蒸着時の基板１１温度を２００°Ｃとし
た。

次いで、該ＩＴＯ膜１膜上３上子ビームレジストとして
ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）膜１４を塗布し
、　１８０　’Ｃで２０分間プリベークすることにより
適当に硬化させる。その後に、電子ビーム露光装置にて
９回折格子パターンを描画し、　ＰＭＭＡ膜１４を現像
することにより、　ＰＭＭＡ膜１４の回折格子１５が形
成される。

本実施例により、格子ピッチ０．５μｍ、一定の格子幅
の回折格子パターンを形成すべく、電子ビームを操作し
たところ、第２図に示す回折格子パターンが得られた。

比較のために、　ＩＴＯ膜製の透明導電膜を設けること
なく、電子ビーム露光法により、同様の形状の回折格子
パターンを形成したところ、第２図（ａ）に示す回折格
子パターンが得られた。第２図（ａ）に示す本実施例の
回折格子パターンでは１回折格子の幅がほぼ揃っている
のに対し。

第２図（ｂ）に示す比較例では、格子幅が徐々に広がっ
ており、レジストがチャージアップしたことにより電子
ビームの進路が曲げられていることがわかる。また２本
実施例の回折格子パターンでは。

全体にわたって略０．５μｍの格子ピッチが得られてい
るのに対し、比較例では、最大０．８μｍと格子ピッチ
が広がっていた。

このようにして得られた回折格子光結合器を有する光波
長変換素子では１例えば３点光源である半導体レーザ装
置４０から出射されたレーザ光を。

回折格子光結合器により光導波路１２内へ導入している
が、該回折格子光結合器の結合効率を向上させるために
、半導体レーザ装置４０から出射されるレーザ光を、光
導波路１２内にて平行光とすることが好ましい。そのた
めには２回折格子の中心点を原点Ｏとし、また、原点０
から半導体レーザ装置（点光源）４０の光出射位置まで
の距離をｒ、半導体レーザ光の波長をλ、光導波路１２
の等偏屈折率をＮ、原点０に入射されるレーザ光の入射
角をθとすると９回折格子パターンは。

ｘ十ｙ−ｆｓｉｎθ　＋ｆｃｏｓθ　＋Ｎｙ＝ｍλ（ｍ
＝整数） で表される曲線の集まりとなる。ただし、Ｘは光導波路
内における光の伝播方向の座標、ｙは光導波路内でのそ
の方向と直交する方向の座標を表わす。

また１回折格子光結合器による結合効率を向上させるた
めには２回折格子の長さ（ピッチ方向長さ）を長クシ、
また回折格子部分での等偏屈折率の変化をできるだけ大
きくすればよい。

回折格子の長さは、電子ビーム露光装置の収差から１通
常、１ｍｍ以下とされる。回折格子パターンの格子幅は
、半導体レーザ装置４０から出射されるレーザ光の強度
が１／ｅ２となる範囲を取り込めることが望ましいが、
光源から出射される光の広がり角度および焦点距離によ
り変化する。半導体レーザ装置４０によりレーザ光の発
振波長８３０ｎｍ　、焦点路＠　３　ｍｍ　、　レーザ
光の広がり角度（１／ｅ”）が１５゜の場合には１回折
格子の幅は７９０μｍ以下となる。

回折格子部分での等偏屈折率の変化を大きくするために
は、　ＰＭＭＡ膜１４の膜厚を大きくすればよく。

また、光導波路１２の厚さを変更してもよい。ＰＭＭＡ
膜１４の膜厚を大きくすれば、露光時間が長くなる欠点
があるため１回折格子部分での等偏屈折率変化を大きく
するためには、光導波路の厚さを変更することが好まし
い。本実施例では、電子ビームレジスト（ＰＭＭＡ）の
膜厚を０．１　μｍとした。第３図（ａ）は９回折格子
部分における電子ビームレジストであるＰＭＭＡ膜があ
る部分の光導電路の層厚と等偏屈折率との関係を示すグ
ラフであり、第３図（′ｂ）は同じ（、ＰＭＭＡ膜がな
い部分での先導μ路の層厚と等偏屈折率の関係を示すグ
ラフ、さらに第３図（Ｃ）は両グラフの等偏屈折率差を
示すグラフである。

第３図（Ｃ）から１回折格子部分において等偏屈折率の
変化をできるだけ大きくするためには、　ＰＨＭＡ膜１
４膜島４部分では、１次光の等偏屈折率が基板の屈折率
より低くなる。いわゆるカットオフ点になる光導波路の
層厚にできるだけ近いことが好ましい。このような単一
モードの光導波路とすることより、モードロスが小さく
なり、波長変換効率も向上する。本実施例では光導波路
の厚さを０．５μｍとした。

第４図は２本発明方法の他の実施例により得られる光波
長変換素子の断面図である。本実施例では、前記実施例
と同様に、電子ビームレジストであるＰＭＭＡ膜（図示
せず）に回折格子パターンを形成し、この回折格子パタ
ーンをマスクとして、　ＩＴＯ膜１３をエツチングして
回折格子を形成したものである。

本実施例の回折格子の製造方法をさらに具体的に説明す
ると、前記実施例と同様に、　ＬｉＮｂＯ３基板ｌｌ上
に通常のホトリソグラフィ法によりストライプ状のマス
クパターンを形成し、安息香酸を用いてプロトン変換法
により、光導波路１２を形成する。

次いで、該ホトレジストマスクを除去した後に。

ＲＦスパッタ法により透明導電膜であるＩＴＯ膜１３を
蒸着する。そして、このＩＴＯ膜１膜上３上子ビームレ
ジストとしてのＰＨＭＡ膜（図示せず）を塗布する。

その後に、該ＰＭＭＡ膜に電子ビームにより回折格子パ
ターンを描画して現像し、マスクパターンを形成する。

次いで、電子ビームレジストであるＰＭＭＡ膜をマスク
として＾ｒイオン用いて１通常のイオンビームエツチン
グ（ＲＩＢ　）法によりＩＴＱ膜１３をエツチングし、
その後に、電子ビームレジストであるＰＨＭＡ膜をアセ
トン等の有機溶媒で除去する。これにより、第４図に示
す光波長変換素子が得られる。

本実施例では９例えば回折格子を直線回折格子とし、グ
レーティングレンズにより集光して、基本波の光密度を
高くすれば、波長変換効率を高くし得る。

なお、上記実施例では、透明導電膜としてＩＴＯ膜を用
いたが、　５ｎ０２膜を用いてもよい。該ＳｎＯ□膜を
用いる場合も、前記実施例と同様に９通常のスパッタ法
により形成し得る。ＳｎＯ，膜は回折格子の光伝播損失
を低減させることができる反面、電気抵抗が高くしかも
加工性が悪いことから、光伝播損失を特に低減させる場
合に使用することが好ましい。

また、上記実施例では、光波長変換素子の回折格子光結
合器を形成する場合について説明したが。

光位相変調素子、光強度変調素子等の光学素子において
１回折格子光結合器１回折格子レンズ、回折格子プリズ
ム、ブラッグ反射器等の回折格子を製造する場合にも本
発明は適用できる。

（発明の効果） 本発明方法によれば、電子ビーム露光法により。

０．５μ菖オーダの高精度寸法を有する回折格子が。

非線形光学材料を用いて形成された光導波路上に。

きわめて容易に製造することができる。

４　　　　　の　　　な量゛ 第１図（ａ）は本発明方法により製造された回折格子を
有する光波長変換素子の斜視図、第１図（ロ）はその断
面図、第２図（ａ）は本発明方法により得られた回折格
子のパターン図、第２図（ロ）は従来方法により得られ
た回折格子のパターン図、第３図（ａ）はＰＭＭＡ膜を
有する回折格子部分の光導波路の厚さと等価屈折率の関
係を示すグラフ、第３図（ｂ）はＰＭＭＡ膜を有さない
回折格子部分の先導路の厚さと等価屈折率の関係を示す
グラフ、第３図（Ｃ）は第３図（ａ）と［有］）との差
を示すグラフ、第４図は本発明方法の他の実施例により
得られた回折格子を有する光波長変換素子の断面図、第
５図は従来の光波長変換素子の一例を示す断面図である
。

１１・・・基板、１２・・・光導電路、１３・・・ＩＴ
Ｏ膜、１４・・・Ｐ聞Ａ膜、１５・・・回折格子。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光学素子の光導波路上に透明導電膜を積層する工程
   と、 該透明導電膜に電子ビームレジストを塗布する工程と、 該電子ビームレジストに電子ビームにより回折格子パタ
   ーンを描画する工程と、 を包含する光学素子の回折格子製造方法。