CN1319191A - 阶梯状衍射光栅及光波导元件 - Google Patents

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Abstract

提供一种可以低成本制造且耐热性优良的阶梯状衍射光栅,和耐热性高、对近红外区的通信波长吸收少、可满足可靠性和光通信波段的低损失的要求的光波导。该阶梯状衍射光栅,由在基板及其表面上形成的1μm～1mm厚的有机聚硅氧烷膜构成,该有机聚硅氧烷膜上形成有多个具有1μm～500μm范围内的预定宽度和5～500μm范围内的预定高度的阶梯,上述有机聚硅氧烷膜以下式(1)表示的二甲基硅氧烷和下式(2)表示的苯基硅氧烷为主要成分,(CH3)2SiO2/2…(1)；PhSiO3/2…(2)其中P是苯基或取代苯基。

Description

阶梯状衍射光栅及光波导元件
本发明涉及在基板表面上具有平行的沟型凹凸的光学元件，尤其涉及衍射光栅及光波导。
衍射光栅、光波导等光学部件将光聚集或发散，进行光的传输，将它们组合起来具有集成光学元件的功能。
关于衍射光栅，已公知有以下的(1)～(6)：
(1)将厚度差为d的玻璃板层叠得到阶梯状衍射光栅(参见)A.A.Michelson:Astrophys.J.第8号，第36页，1893年)；
(2)用精密机械加工技术、硅的照相平版印刷技术和选择蚀刻技术制造的衍射光栅(参见Donald H.McMaon,Applied Optics，第26期，第11号，第2188页，1987年；日本专利特开昭63-33714；美国专利第4736360号)
(3)已有用以金属醇化物为原料的水解溶液压在转印模上用光或热硬化的方法(参见日本专利特开昭62-102445号公报、日本专利特开昭62-225273号公报、及特开平10-142410号公报)制造衍射光栅的方法。其中在日本专利特开昭62-102445号公报中记载了在玻璃板上涂敷含硅的醇盐的溶液，压上具有凹凸部分的成形模边加压边加热形成凹凸部分的所谓溶胶-凝胶法的制造方法。
(4)在基板上均匀铺开紫外线硬化树脂，压上具有凹凸部分的成形模并向树脂照射紫外线的方法(参见日本专利特开昭63-49702号公报)。
(5)在日本专利特开平6-242303号公报中记载了用溶胶-凝胶法形成厚为数微米以上的膜时，在基板上形成多个层的方法。此时，用溶液或溶胶将各层的构成成分展开，压上成形模边加压加热，然后在完全固化的层上继续施加溶液或溶胶以形成上面的层。
(6)在J.Am.Ceram.Soc.，第81卷，第11期，第2849～2852页，(1998)中公开了在基板上涂敷含甲基三乙氧基硅烷和四乙氧基硅烷的溶液，形成微细沟结构的光盘的制造方法。
另外，在光波导元件中，除使用无机材料以外，已知有用(7)PMMA(参见Ryoko Yoshimura,J.of Lightwave Technology，第16卷，第16期，1988)、(8)聚酰亚胺、(9)硅系高分子(参见Mitsuo Usui,J.ofLightwave Technology，第14卷，第10期，1996)等有机材料，通过光刻和刻蚀法制造的技术。
但是，在上述现有技术中存在以下问题：
首先，上述方法(1)中，以良好精度层叠薄的玻璃板的技术是困难的，可以说生产率不会太好。另外也不可能在具有凹面状光栅之类的透镜功能的衍射光栅中使用。
方法(2)是利用光刻法的方法，必需繁琐的工艺。而且得到的衍射光栅的表面形状与形成衍射光栅的晶格的晶面有关，不能设定阶梯高度的事实上限的范围。
在方法(3)中，形成衍射光栅的膜的厚度为几微米以下，且形成衍射光栅的凹凸周期和高度接近光通信用的光波长例如1.3μm、1.55μm，所以存在着衍射效率随光的偏振状态而增大的问题。若为了减少对偏振光的依赖性，具有形成比光的波长大的阶梯高度的衍射光栅必需的膜厚，则容易产生裂纹等，存在耐热性低劣的问题。
(4)中的紫外线硬化树脂耐热性低，在250℃以上时分解或变黄。因此，对于具有紫外线硬化树脂的凹凸部的基板，不能进行键合连接等的加热加工，难以装配到装置等中去。
而在方法(5)中，用依次形成有机聚硅氧烷层的多层化方法可以形成厚数十微米的、具有凹凸形状的有机聚硅氧烷层。但是由于制造工艺长，成本的上升成为主要原因，而且由于下层完全硬化后才注入下一层，在成形模和溶液或溶胶之间容易进入不必要的空气，降低凹凸的尺寸精度。
而且在方法(6)中，可以制造溶胶-凝胶膜的最大膜厚小于300nm的光盘。但是在形成500nm到几微米的厚度如衍射光栅时，如果将形成的膜加热到键合连接处理必需的温度如350℃后冷却，存在膜中产生裂纹等的问题。
另外，在光波导中用无机材料构成的光波导元件存在着可靠性、生产成本、批量等的问题。在采用上述(7)～(9)的有机材料的光波导元件中，满足耐热性的材料少，且为了形成传输光的芯部，必须采用光刻或蚀刻等的复杂工艺。
本发明正是鉴于这些现有技术中存在的问题而提出的。
因此，本发明的目的在于提供可以低成本制造的耐热性优良的阶梯状衍射光栅。
本发明的另一目的在于提供耐热性高、在近红外波段的通信波长吸收少、满足可靠性和光通信波段中低损失的光波导的简单制造方法。
本发明的其它目的和优点通过下面的说明将更加清晰易见。
根据本发明的可实现上述目的和优点的阶梯状衍射光栅，由在基板及其表面上形成的1μm～1mm厚的有机聚硅氧烷膜构成，该有机聚硅氧烷膜上形成有多个具有1μm～500μm范围内的预定宽度和5～500μm范围内的预定高度的阶梯，上述有机聚硅氧烷膜以下述化学式(1)表示的二甲基硅氧烷和下述化学式(2)表示的苯基硅氧烷为主要成分，
(CH3)2SiO2/2    …(1)
PhSiO3/2         …(2)其中P是苯基或取代苯基。
根据本发明的可实现上述目的和优点的光波导元件，该光波导元件在基板表面上设置具有1～30μm的高度和宽度、和沿上述基板表面延伸的长度的用来传输光的芯部，以及围绕上述芯部或夹在上述芯部和基板之间的包层部分，上述芯部和包层部分的至少一个包含以由下述化学式(1)表示的二甲基硅氧烷和下述式(2)表示的苯基硅氧烷为主要成分的有机聚硅氧烷：
(CH3)2SiO2/2    …(1)
PhSiO3/2          …(2)其中Ph是苯基或取代苯基。
首先说明本发明的阶梯状衍射光栅。久保田广著的《波动光学》1971-2-2，岩波书店，第145～149页中记载了阶梯状衍射光栅。在阶梯状衍射光栅之外的常规衍射光栅中，角度分散由下式(3)表示(参见M.Born和E.Wolf著，光学原理，Macmillam，纽约，第408～411页)：
d θ/dλ=m/[W·cos(θ)]    …(3)基中dθ/dλ是波长的折射角变化率，m是折射次数，W是光栅的空间周期。
在通常的衍射光栅中，为了提高分辨率，必须提高光栅线的总条数N，即减小上式(3)的W。但是，在沟断面为锯齿状的反射型或透射型阶梯状衍射光栅中，通过增大光距长度的公差D(阶梯高度d)，增加次数m，可以提高分辨率。在采用反射型阶梯状衍射光栅时，若阶梯高度为d、光路差为D、次数为m、波长为λ则具有下述式(4)的关系。
m=D/λ=2d/λ    …(4)且若分辨率为R、次数为m、光栅线的总条数为N，则具有下述式(5)的关系：
R=mN    …(5)
另外，为了使m次的折射光与相邻的(m+1次的折射光不重叠，观测宽度Δλ用下列式(6)表示：
Δλ=λ/m    …(6)
在光纤通信的通信波长的波段中，通常选择被使用的光纤的最低损失波段(传输损失最小的波段)，即1.55μm或1.3μm。在该波段中，将该阶梯状衍射光栅作为波分复用通信的多重化/多重分离化光学元件使用时，阶梯状衍射光栅的阶梯高度d(μm)优选地满足下式(7)和(8)中的任何一个或两个：
d=m·λ1/2=0.775·m    …(7)
(其中，λ1=1.55μm,m是自然数)
d=m·λ2/2=0.65·m    …(8)
(其中，λ2=1.30μm,m是自然数)
如式(7)所示，通过选择阶梯高度d，可以提高1.55μm的光的效率，作为m次衍射光选择反射(blaze)。且如式(8)所示，通过选择阶梯高度d，可以提高1.30μm的光的效率，作为m次衍射光选择反射(blaze)。而且，通过以同时满足式(7)和(8)的方式选择阶梯高度，可同时选择反射1.55μm和1.30μm的光。阶梯状衍射光栅的次数m=1～43时的优选的阶梯高度d(μm)，如表1所示。m大于44时也是同样的。可以同时选择反射1.55μm波长的光和1.30μm波长的光的最优选阶梯高度d为20.15μm或其整数倍。另外，约7.75μm、约12.375μm、约16.262μm、约24.037μm和约27.925μm的阶梯高度d也能同时选择反射上述两波长的光。本发明的阶梯状衍射光栅的阶梯高度具有5～500μm范围内的规定值，优选的阶梯高度为10～100μm。
                        表1
                      阶梯高度(μm)
次数m     波长为1.30μm的光(d=0.775m)  波长为1.55μm的光(d=0.650·m)
12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243          0.7751.5502.3253.1003.8754.6505.4256.2006.9757.7508.5259.30010.07510.85011.62512.40013.17513.95014.72515.50016.27517.05017.82518.60019.37520.15020.92521.70022.47523.25024.02524.80025.57526.35027.12527.90028.67529.45030.22531.00031.77532.55033.325         0.6501.3001.9502.6003.2503.9004.5505.2005.8506.5007.1507.8008.4509.1009.75010.40011.05011.70012.35013.00013.65014.30014.95015.60016.25016.90017.55018.20018.85019.50020.15020.80021.45022.10022.75023.40024.05024.70025.35026.00026.65027.30027.950
在将本发明的阶梯状衍射光栅用作反射型时，优选地阶梯宽度W大于使用的通信波长λ。通过使阶梯宽度W大于通信波长λ，可以根据光的偏振状态改变衍射效率。偏振特性优良的反射型阶梯状衍射光栅的阶梯宽度W，优选为波长λ的3倍以上，更优选为其5倍以上。因此，本发明的阶梯状衍射光栅具有1～500μm范围内的规定的阶梯宽度，更优选地阶梯宽度为3～100μm。
可以将本发明的阶梯状衍射光栅和其它光学元件组合起来作为集成光学装置使用。例如可在光通信尤其是高密度多重化/多重分割化用波长管程模块中作为波分光学元件使用。高密度波分复用(DWDM)技术，是在单一光路上同时传送多个信号的技术，在光纤通信***中，由于可以不增加经费增大通信容量，所以是很重要的技术。即，通过增加用光纤搬送的通信沟道数目，增加***容量。光通信中使用的信号，采用波长为1.55μm和1.3μm的光。优选使用以高效率衍射这些波长的光，波长分辨率优良的衍射光栅。
本发明的衍射光栅由于耐热性和耐环境性优良，优选用作要求高精度的微小光学元件。在本发明的衍射光栅用作高密度多重化/多重分割用波长管程模块的情况下，可以与光纤、准直透镜、光敏性半导体元件等组合使用。另外当通常的衍射光栅用作反射型光学元件时，存在因光的偏振状态，衍射效率显著降低的情况。此时必需通过在准直透镜和衍射光栅之前***偏振滤光片、偏振变换器，改善偏振特性。本发明的阶梯状衍射光栅由于将阶梯状衍射光栅的阶梯宽度设定为大于使用的光的波长，可制作没有偏振依赖性，偏振光特性优良，即，即使偏振状态变化也能维持高衍射效率的集成光学元件。另外，也可以依次配置本发明的阶梯状衍射光栅、准直透镜、和阵列状光敏半导体元件，在准直透镜和阵列状光敏半导体元件之间以与光敏性半导体元件相邻接的方式配置阵列状的微型透镜。该阵列状的微型透镜在市场上有NSG美国公司的“PML”(商品名)。通过使用这样的阵列状微型透镜，可以减小阵列状光敏半导体元件的邻接串扰。通过与其它的衍射光栅或棱镜等光学元件组合，本发明的阶梯状衍射光栅的衍射光可以在上下方向上进行不同次数的反复，发散，可以得到较大范围内的分辨率优良的波谱。
下面说明本发明的阶梯状衍射光栅的形成材料。
形成本发明的阶梯状衍射光栅的聚有机硅氧烷膜，其特征在于含有上述式(1)表示的二甲基硅氧烷和上述式(2)表示的苯基硅氧烷基(苯基的一部分氢被卤素原子(如氯、氟)；甲基、乙基、丙基等的烃基；或乙烯基、丙烯基等的烯烃基取代也是可以的)。该聚有机硅氧烷膜，通过选择借助于加水分解和脱水缩聚反应提供上述式(1)表示的二甲基硅氧烷和上述式(2)表示的苯基硅氧烷类的溶胶-凝胶材料的原料而形成。
作为提供上述式(1)表示的二甲基硅氧烷的溶胶-凝胶材料的原料(下称(A)成分)，例如可举出优选的几种，即诸如二甲基二乙氧基硅烷和二甲基二甲氧基硅烷的二甲基二烷氧基硅烷、诸如二甲基二氯化硅烷和二甲基二溴化硅烷的二甲基二卤化硅烷。另外还可使用二甲基硅倍半氧基(dimethylsilsequioxy)的缩聚物，如六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷、十甲基环戊硅氧烷等。如果用重氢原子(O)置换二甲基硅氧烷中的氢原子(H)而得到的二甲基硅氧烷-d6作为光波导的芯材，由于可增加波长1.55μm的光的透射性，是优选的。而且二甲基硅氧烷-d6作为透射型衍射光栅的材料使用也是优选的。
作为提供上述式(2)表示的苯基硅氧烷类的溶胶-凝胶材料的原料(以下称为(B)成分)，可以举出具有苯基或取代苯基的三烷氧基硅烷如苯基三乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷；用如氯原子取代五个氢原子中的部分如1～4个的具有含卤原子的取代苯基的三乙氧基硅烷；具有同样的取代苯基的三甲氧基硅烷；苯基的五个氢原子中的1～4个被卤素如氯原子取代后的苯基三氯硅烷和三氯硅烷；双苯基三甲氧基硅烷、双苯基三乙氧基硅烷、双苯基三氯硅烷等。若将用重氢(D)或氟原子(F)取代苯基的氢原子(H)得到的苯基三乙氧基硅烷-d5，或五氟苯基三乙氧基硅烷等用作光波导的芯材和透射型衍射光栅的材料，由于可增加波长1.55μm的光的透射性，是优选的。
当烷氧基硅烷如甲氧基硅烷或乙氧基硅烷用作成分(A)和(B)时，水解反应生成的醇易于挥发，所以是优选的。作为溶胶-凝胶材料的成分(A)和(B)的优选组合，可以用二甲基二烷氧基硅烷和苯基三烷氧基硅烷。
在本发明中，作为溶胶-凝胶材料的原料，若使用(A)成分和(B)成分，在用其覆盖基板材料最终得到的膜内残余有大量的甲基和苯基(或取代苯基)。由于甲基和苯基(或取代苯基)可减小膜的脆性并增加弹性，可以抑制在膜内部生成的热应力，因此可防止膜的裂纹产生和膜从基板上剥离。
下面以(A)成分为二甲基二烷氧基硅烷，(B)成分为含苯基的三烷氧硅烷的情况为例进行说明。
推测认为本发明的膜结构是，通过将二甲基硅烷和三烷氧基硅烷混合，使三烷氧基硅烷在三维空间上与呈纤维状延伸的直链状二甲基硅烷的末端连接，在三维骨架中形成空间，由此提供膜以弹性，降低膜的脆性，可以形成厚的膜。
根据本发明的膜含有苯基(或取代苯基)意味着，与其它有机基团相比，在膜的氧化物骨架中，苯基在抑制膜脆性、增加膜弹性方面，有足够的体积，而且与其它有机基团相比由于它具有共轭系而在高温下具有更高的稳定性。例如，用没有共轭系的环己基取代苯基得到的含有环己基三烷氧基硅烷和二甲基二烷氧基硅烷的膜在2～300℃下变色并生成龟裂。
溶胶-凝胶材料优选具有(A)成分和(B)成分两种成分，且二者的比例为1摩尔(A)成分对0.3～9摩尔(B)成分，其中(B)成分是含苯基的三烷氧基硅烷和含取代苯基的三烷氧基硅烷。(B)成分小于0.3摩尔时，膜难以硬化，在最加热(烧结)时，大量成分挥发，很难最终成膜。而(B)成分大于9摩尔时，损害膜的柔软性，对于20μm以上的厚度的膜在最终加热时或在最终加热后的冷却中易于产生龟裂(裂纹)。更优选地，相对于1摩尔(A)成分，(B)成分为0.4～1.0摩尔。
在本发明中，作为溶胶-凝胶的原料，优选地，向(A)成分和(B)成分的混合液中加入作为溶剂的醇。所加的醇，优选为C原子1～4个的低元醇，尤其是沸点小的甲醇、乙醇。原因是在加水分解后，用较低的温度热处理就可以从溶液中迅速除去醇。所加的醇的量用摩尔表示，优选为(A)成分和(B)成分之和的0.3～3倍，更优选为0.5～1.5倍。
为了使(A)成分和(B)成分加水分解，向该原料溶液中加入催化剂。作为催化剂优选使用酸催化剂。作为酸催化剂，优选使用从蚁酸、乙酸、四氟乙酸、丙酸、草酸、盐酸、硝酸和硫酸中选出的至少一个的水溶液。酸催化剂的添加量因酸的种类和作为质子酸的强弱(弱酸、强酸)而异。如果太少则加入分解和脱水缩聚反应迟缓，过多则缩聚反应进行得过分，分子量太大，且容易生成沉淀或涂敷液的凝胶化，这是不希望看到的。为了容易得到分别相对于上述原料溶液中的上述硅烷化合物(A)和(B)的含量，上述膜形成用液未加水分解前的硅烷(A)和(B)的含量为0.5～40％和0.5～60％，优选采用这些酸中的弱酸即有机酸。有机酸中尤其是蚁酸，分子量小且易于挥发，优选采用。所添加的酸催化剂的量，例如在酸催化剂采用蚁酸时，用摩尔表示，相对于(A)成分和(B)成分之和的1摩尔，优选为0.5～5毫摩尔，更优选为0.7～2毫摩尔。另外，水的添加量优选地应大于加水分解的必需的化学计量比。如果加水量小于化学计量比，则在为了凝胶化而进行的热处理时未反应的硅烷化合物(A)和(B)难以挥发。通常，水的添加量，若包括催化剂水溶液中的水，是必需的化学计量比的1.1～30倍，若用摩尔比表示，优选为(A)成分和(B)成分之和的2～20倍，更优选为3～10倍。在本发明的光学元件和各种存储元件和其他电子电路接近时，若本发明的光学元件含有氯元素，则这些电子电路的寿命降低，因此作为上述酸催化剂优选采用不含氯元素的酸。
本发明中，溶胶-凝胶材料的原料即(A)成分、(B)成分、醇溶剂、水和催化剂构成的溶液通过在室温下搅拌90～100分钟，放置，使两烷氢基硅烷加水分解而制成。作为其它成分，可加入粒径分别为1μm以下，优选为0.5μm以下的氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锆、二氧化铈等的金属氧化物粒子、碳酸钙等的无机粒子等作为热收缩阻止剂，其总量相对于上述溶液中的全部固形物为30重量％以下。另外，作为折射率调整剂，可加入硅的四元醇盐、钛的四元醇盐、锆的四元醇盐、镉的四元醇盐和铝的三元醇盐，其总量相对于(A)成分和(B)成分之和为30摩尔％以下。之后，在室温～140℃，优选在70～100℃下保持6～30个小时，进行脱水缩聚反应，优选地，同时溶液中的溶剂、水和脱水缩聚反应生成物即醇和水气化蒸发。结果，溶液的质量和体积减少到当和调制时的25～35％重量％和体积％。由此，可以抑制成膜时的收缩并防止膜中产生裂纹，同时形成硬化膜，而且在最终加热时在膜中不产生气泡。如果该膜水缩聚反应进行得过分，溶液的粘度太大，难以覆盖成形模或基板材料表面。而如果相反地，脱水缩聚反应进行得不够，不能防止在最终加热时在膜中产生气泡。优选地，通过以使溶液粘度为103泊以下的方式选择温度和保温时间，调整脱水缩聚反应的进行。
下面说明本发明的阶梯状衍射光栅的形成方法。
本发明的阶梯状衍射光栅，在用形成本发明的阶梯状衍射光栅的材料形成聚有机硅氧烷膜之后，用光刻、反应离子蚀刻等方法可以加工成任意的阶梯形状。或者如下所述那样，可用具有相反的阶段形状的成形模如阶梯状衍射光栅那样的成形模，与聚有机硅氧烷膜接触，然后加热硬化加工成阶梯形状。
作为将上述溶胶-凝胶材料在基板材料和成形模之间以紧密结合的膜状配置，加热，使凝胶膜具有与上述成形模表面形状相反的表面，并覆盖该凝胶膜的光学元件的形成方法，可以举出以下两种代表性的方法。
第一种方法(下称注入模法)是，向成形模注入溶胶-凝胶材料液，加热，使其与物品基板材料接触并继续加热，使基板材料和成形模接合，脱模后再进行最终加热。即，将具有微小凹凸形状的成形模水平放置，向该成形模上注入粘度为103泊以下的液体状溶胶-凝胶材料，使溶胶-凝胶材料尽量填满成形模的凹坑。另外，除了注入之外，也可以例如将该成形模浸入溶胶-凝胶材料中，或用毛刷将溶胶-凝胶材料液涂敷在该成形模表面上。在该状态下，在成形模上装满的溶胶-凝胶材料放置到粘度为104～108泊，在140～180℃下保温20～120分钟，进行脱水和重缩聚反应。
然后，使基板材料在成形模上紧密结合地接触，使溶胶-凝胶材料在基板材料表面上以之间无缝隙的方式接触，在该状态下再在140～180℃下保温10～120分钟，使溶胶-凝胶材料的脱水和重缩聚反应基本结束进行凝胶化。接着，通过与成形模剥离进行脱模，得到在基板材料表面上接合有凝胶膜的状态，该凝胶膜是具有将成形模的凹凸形状反转的凹凸形态的表面的柔软的聚硅氧烷膜。如果上述脱模进行得太早，聚硅氧烷膜柔软因自重使其表面的凹凸形状变形，所以为避免这种变形应进行上述加热。
然后，通过最终将其在180～350℃之间加热10～150分钟，使聚硅氧烷膜的残留硅醇基重聚合，同时使重聚合产生的水分气化，使膜在厚度方向上体积收缩得到致密的膜。由此，得到覆盖有具有将成形模的表面形状反转的形状的表面的膜的光学元件。
第二种成形方法(下称注入基板材料法)是，把溶胶-凝胶材料液直接注到基板表面上，加热，在该液膜具有可塑性时(液体粘度为104～108泊时)，把成形膜正压在物品基板表面的膜上，在该状态下加热，转印成形成，脱模，进行最终加热。即，将物品基板材料的将被覆盖的表面水平放置，在该基板材料上注入预定厚度的粘度为103泊以下的液状溶胶-凝胶材料，在基板材料上以膜的形状摊开溶胶-凝胶材料。在该状态下将注入的溶胶-凝胶材料放置到粘度为104～108泊，在140～180℃下保温20～120分钟，进行脱水和重缩聚反应。接着将具有微小凹凸形成的成形模压在膜状的溶胶-凝胶材料上在0.5～120kg/cm2的压力和160～350℃的温度下保温60秒～60分钟，使溶胶-凝胶材料的脱水和重缩聚反应基本结束进行凝胶化。然后通过将成形模剥离，得到具有将成形模的凹凸形状反转的凹凸形状的表面的凝胶膜即聚硅氧烷膜与基板材料表面相接合的状态。然后，通过最终将其在180～350℃之间加热10～150分钟，使聚硅氧烷膜的残留硅醇基重聚合，同时使重聚合产生的水分气化，使膜在厚度方向上体积收缩得到致密的膜。由此，得到覆盖有具有将成形模的表面形状反转的形状的表面的膜的光学元件。
上述成形模通过例如精密蚀刻表面平坦的玻璃基板表面，形成的具有所期望形状的如凹模。这种模子可用无电解镀或电解镀得到的凸型的金属母模制作。若以上述凹模为母模用上述电镀法制成凸型的金属模，可再以该金属模用上述电镀法制成凹型的金属母模。这样的凹型的或凸型的母模可作为成形模使用。且上述电镀法优选用镍、铬等金属。另外，用上述方法制作的金属模，通过用紫外线硬化树脂借助于2P成形法制成的树脂母模，也可以用作成形模。
由此，根据本发明，在平坦板状或曲面板状的基板材料上形成在350℃下耐热性优良的、最大厚度(在表面凹凸的凸部测得的厚度)为1μm～1mm且优选为20～100μm的、具有接近一般玻璃的折射率的1.50～1.54的折射率、在主表面上沿与主表面垂直的方向形成有微细凹凸形成的聚有机硅氧烷膜构成的膜。阶梯状衍射光栅的阶梯沿该聚有机硅氧烷膜的主表面形成也是可以的，且沿与聚有机硅氧烷膜的主表面垂直的方向，如日本专利特开昭62-287210号公报的图3或4所示地形成也是可以的。构成该膜的有机聚硅氧烷，含有二甲基硅氧烷和苯基硅氧烷类，二者的比例为1摩尔二甲基硅氧烷对0.3～9摩尔苯基硅氧烷类，优选地，含有10～75摩尔％二甲基硅氧烷和25～90摩尔％苯基硅氧烷。而且构成该膜的有机聚硅氧烷含有5～25重量％、优选为15～22重量％的甲基、和5～40重量％、优选为26～37重量％的苯基(或取代苯基)。该膜的弹性好(脆性小)，且强度高，难以发生龟裂。且在膜内部成形时不发泡，可以实现膜表面的微细凹凸形成的尺寸精度极高的优良的转印性。具体地，例如在形成多个高为20～100μm的凸部时，膜表面凸部的高度偏差为1μm以下。而膜表面的凸部间隔的与成形模的偏离在测量精度(0.2μm)以下。
本发明中使用的基板材料，优选具有平板状、曲板状等的形状。优选地，希望在200℃和20℃时的基板材料表面的反弹量(基板材料表面方向的每单位长度的与该表面垂直方向的热变形长度)为每1cm在±5μm以内。若反弹量越过该范围，由于在膜的成形过程中在基板和膜的界面处发生剥离或膜发生龟裂，优选地对基板材料的材料、尺寸、形状进行选择。
另外，优选地，该基板具有1.5×10-5/℃以下的热膨胀系数，若基板材料的热膨胀系数大于1.5×10-5/℃，例如热膨胀系数高的聚丙烯(9～15×10-5/℃)之类的塑料基板材料的情况下，在有机聚硅氧烷膜的成形过程中在基板和膜的界面处剥离，膜产生龟裂。通常的无机玻璃具有1.5×10-5/℃以下的热膨胀系数。另外，优选地，至少基板材料的表面是氧化物。若与有机聚硅氧烷膜相接的基板表面不是氧化物，在膜的成形过程中结合强度低，在有些情况下在基板材料和膜的界面处发生剥离。优选的基板材料例如可举出硅酸盐系玻璃、硼酸盐系玻璃、磷酸盐系玻璃、石英、陶瓷、硅、金属、环氧树脂、玻璃纤维强化聚苯乙烯等。对于透过型的且其阶梯沿上述有机聚硅氧烷膜的主表面形成的阶梯状衍射光栅的基板材料，优选采用对所用波长的光透射率高的玻璃、石英等构成的0.5～5mm厚的板。金属不能直接与有机聚硅氧烷膜相接合，可以将待使用的金属表面用氧化剂处理后再用作基板材料。
下面说明本发明的光波导元件的材料。
本发明的光波导元件的材料，优选地，可采用与形成本发明的阶梯状衍射光栅的材料相同的材料。含上述式(1)表示的二甲基硅氧烷的聚有机硅氧烷比含上述式(2)表示的苯基硅氧烷(或取代苯基硅氧烷)的聚有机硅氧烷的折射率低。因此，若是本发明的光波导元件的包层部分，可采用含上述式(1)表示的二甲基硅氧烷较多的材料；若用作芯部，则可采用含上述式(2)表示的苯基硅氧烷(或取代苯基硅氧烷)较多的材料。由此，可以使得到的光波导元件的芯部的折射率比包层部分大0.002～0.10。另外，苯基三乙氧基硅烷的折射率为1.4718，二甲基二乙氧基硅烷的折射率为1.3805。
把本发明的聚有机硅氧烷用作光波导、透射型衍射光栅时，为了改善因CH基吸光(1.63μm)造成的波长1.55μm的光的吸收损失，优选地采用提供用CD基或CF基取代CH基的取代苯基硅氧烷和取代二甲基硅氧烷的原料。
另外，由上述式(1)表示的二甲基硅氧烷和上述式(2)表示的苯基(或取代苯基)硅氧烷构成的溶胶-凝胶材料具有耐热性。因此，在制造时可提高处理温度，使脱水和缩聚反应充分进行，由于防止了吸收1.42μm光的OH基的残留，可以得到对波长1.55μm的光损失更低的材料。
下面说明本发明的光波导元件的形成方法。
第一种方法(上述注入模法)是，向具有凹部沟的成形模注入溶胶-凝胶液，加热，通过将其与基板材料接触并进一步加热使基板材料与成形模接合，脱模然后进行最终加热。由此在基板材料表面上接着形成的本发明的有机聚硅氧烷膜，得到具有转印上述成形模的凹部沟的细长凸部线状(脊)的芯部的沟道型光波导。此时，作为基板材料，优选地使用折射率比上述有机聚硅氧烷膜的折射率小的材料。基板材料采用上述材料之外的材料时，在待使用的基板材料的整个表面上或设置有上述芯部的表面部分上，用折射率比上述有机聚硅氧烷膜的折射率小的材料覆盖也是可以的。作为该覆盖层，可以使用本发明的有机聚硅氧烷膜。
第二种方法(上述注入模法)是，向具有细长凸部的成形模中注入含比较多的二甲基硅氧烷的溶胶-凝胶材料液，加热，通过使其与基板材料接触并进一步加热将基板材料和成形膜接合，脱模，然后加热。这样的在基板表面上接着形成的有机聚硅氧烷膜，具有转印上述成形模得到的凹部沟。通过用比形成该凹部的材料折射率高的材料(比形成凹部的材料含更多苯基硅氧烷的溶胶-凝胶材料)充填该凹部并加热，得到阶梯型光波导。
第三种方法(上述注入模法)是，向具有细长凸部的成形模注入含有较多的有甲基的硅倍半氧基的溶胶-凝胶液，加热，通过将其与基板材料接触并进一步加热使基板材料与成形膜接合。将其脱模，加热，形成具有凹部形状的有机聚硅氧烷膜。通过用比形成凹部的材料折射率高的材料(比形成凹部的材料含更多的苯基硅氧烷的溶胶-凝胶材料)充填该凹部，加热形成芯部，并用与该凹部折射率相同的材料再涂敷(overcoat)，加热。由此得到由在基板材料上形成的芯部和其周围的包层部分的有机聚硅氧烷膜构成的埋入型光波导。
下面，详细说明本发明的实施方案。
微细凹凸物品的制造方法，概略地说进行以下工序：(1)调制有机聚硅氧烷溶液；(2)向成形模或基板材料涂敷溶液并热处理；(3)接合、热处理并脱模；(4)最终加热(烧结)。有机聚硅氧烷溶液(溶液A)的调制：
将0.1摩尔苯基三乙氧基硅烷和0.15摩尔二甲基二乙氧基硅烷加入烧杯内搅拌。向该液体中加入0.25摩尔乙醇搅拌，再加入将0.1重量％的蚁酸溶入1.75摩尔(31.5g)水中得到的水溶液，搅拌2小时。搅拌初期液体分成两层，搅拌两小时后成为透明均匀的溶液。将该溶液在烤箱内在80℃下加热12小时，使乙醇、乙酸水溶液和重缩聚反应中生成的水分等挥发掉。结果，当初具有约91.2g的重量和约100cm3的体积的溶液体积和重量减少到约30％，成为重量约27g、体积约30cm3。将这样得到的液体作为溶液A。溶液A中几乎不含乙醇和水，苯基三乙氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷中所含的乙氧基只有约50％作为OH基残留下来。有机聚硅氧烷溶液(溶液B)的调制：
将0.2摩尔苯基三乙氧基硅烷和0.1摩尔二甲基二乙氧基硅烷加入烧杯内搅拌。向该液体中加入0.25摩尔乙醇搅拌，再加入将0.1重量％的蚁酸溶入1.75摩尔(31.5g)水中得到的水溶液，搅拌2小时。搅拌初期液体分成两层，搅拌两小时后成为透明均匀的溶液。将该溶液在烤箱内在80℃下加热12小时，使乙醇、乙酸水溶液和重缩聚反应中生成的水分等挥发掉。结果，当初具有约91.2g的重量和约100cm3的体积的溶液体积和重量减少到约30％，成为重量约27g、体积约30cm3。将这样得到的液体作为溶液A。溶液A中几乎不含乙醇和水，苯基三乙氧基硅烷和二甲基二乙氧基硅烷中所含的乙氧基只有约50％作为OH基残留下来。向成形模或基板材料涂敷溶液并热处理：
将上述溶液A，用注入模法注入成形模的表面，或用注入基板材料法注入基板材料的表面，形成厚度为50μm以上1mm以下的层，在140～180℃温度下加热20～120分钟。热处理的温度因溶液的种类而异，对于溶液A从140～160℃开始热处理，20分钟后缓慢加热到180℃保温40分钟。通过这样的热处理可以在成形模或基板材料上形成可塑性变形的凝胶膜(粘度104～108泊)。接合、热处理和脱模：
在注入模法的情况下，之后，将基板材料表面与上述涂敷面(凝胶膜)接触，在该状态下进行160～250℃×20～60分钟的加热使其与基板材料接合。当涂敷膜完全凝胶化之后，使基板材料从成形模上脱离，进行脱模。结果得到在基板材料表面上贴附有转印了成形模的形状的膜的微细凹凸板。
在注入基体法的情况下，在上述凝胶模上压上成形模，用2kg/cm2的压力加压，进行250℃×20分钟的加热处理。之后脱模。结果得到在基板材料表面上贴附有转印了成形模形状的膜的微细凹凸板。最终加热：
将脱模后得到的微细凹凸板在350℃下加热15分钟，得到有凹凸表面的物品。
用下述方法评价得到的有凹凸表面的物品的性能和特性。测量凸部高度的偏差：
通过用激光显微镜测量高度，测量最外层的凸部高度的偏差。测量耐热性和光学特性：
对于在实施例和比较例中制造的具有凹凸表面的物品，进行300℃×2小时的耐热试验后，返回室温，观察有无龟裂(裂纹)发生，评价耐热性。另外，用He-Ne激光，在耐热试验前后测量评价衍射光栅的衍射图案。
实施例1
将作为玻璃基板的厚为3.0mm、2.5cm见方的碱石灰(soda-lime)玻璃的基板(线膨胀系数：1.0×10-5/℃)用超声波碱溶液洗净，并用水清洗。另外，作为成形模，制备平均厚度为2.0mm、2.5cm见方的硅制的阶梯状衍射光栅，其中用掩模和蚀刻在硅基板的表面上形成约1000个“山”型凹凸(线状突起)，“山”的两侧的倾斜面与硅晶体的(111)面一致，阶梯高度为20.15μm，阶梯宽度为14.3μm，相邻格子线的间隔(在峰处测量)为约24.7μm，峰上的平坦部分(蚀刻后残余的长度)为约5μm。用上述基板、上述成形模和溶液A，以平坦部分(未设置线状突起的部分)的膜厚为约40μm的方式，用注入基板材料法形成反射型阶梯状衍射光栅即微细凹凸板。另外，溶液的涂敷厚度为约60μm，涂敷后的热处理从160℃加热开始，20分钟后缓缓加热到180℃保温40分钟。在2kg/cm2压力和250℃×20分钟下加压，最终加热条件为350℃×15分钟。
如上制作的有机聚硅氧烷膜是透明的，平坦部分的厚度为约40μm，折射率为1.51。膜中分别含有18重量％的甲基和31重量％的苯基。另外，膜中包含60摩尔％的二甲基硅氧烷和40摩尔％的苯基硅氧烷。该微细凹凸板的阶梯高度为，在随机选取的10条线状凸部的长度方向上每隔9mm共测100个点得到的平均高度为20.2μm，标准偏差为0.05μm。由此，可以得到由1.55μm的光和1.30μm的光分别作为26次衍射光和31次衍射光，可高效率地选择反射的微细凹凸板构成的反射型阶梯状衍射光栅。对该微细凹凸板的耐热性评价的结果为在膜中不发生龟裂，外观、膜的凸部高度及其标准偏差、衍射图样与耐热试验前的值相比看不到有什么变化。比较例1
将甲基三乙氧基硅烷、乙醇和水以摩尔浓度1∶1∶4混合，向其加入作为催化剂的0.01摩尔盐酸，在室温下进行约30分钟的搅拌，调制成溶胶溶液。
除了用上述溶胶状溶液取代实施例1用的溶液A之外，用与实施例1记载的相同的方法形成微细凹凸板。但是，在350℃的最终加热后的冷却中膜中发生龟裂，膜的一部分剥落，无法进行尺寸的评价。对该微细凹凸板的耐热性评价的结果，膜中的龟裂进一步增大，膜的一部分进一步剥落。因此耐热性试验后的膜的凸部的高度及其标准偏差不能测量，衍射图样与耐热试验前相比有很大变化。比较例2
将甲基三乙氧基硅烷、乙醇和水以摩尔浓度1∶1∶4混合，向其加入作为催化剂的0.01摩尔盐酸，在室温下进行约30分钟的搅拌，调制成溶胶溶液。
除了用上述溶胶状溶液取代实施例1用的溶液A之外，用与实施例1记载的相同的方法形成微细凹凸板。但是，在350℃的最终加热后的冷却中膜中发生龟裂，与比较例1的甲基三乙氧基硅烷同样地，膜的一部分剥落，无法评价。该微细凹凸板的衍射图样与耐热试验前相比有很大变化。
实施例2
将作为基板的厚为1.0mm、2.5cm见方的硅基板用超声波碱溶液洗净，并用水清洗。另外，作为成形膜，制备平均厚度为2.0mm、2.5cm见方的铝板。用上述基板、上述成形模和溶液A，以最低部分(与上述成形模凸部相接的部分)为10μm的方式，用注入基板材料法形成作为包层部分的有凹部的板。涂敷后的热处理从160℃加热开始，20分钟后缓缓加热到180℃保温40分钟。加热条件为2kg/cm2压力和250℃×20分钟。之后将成形模脱模，向凹部注入成为芯部的溶液B，在160℃下开始加热，20分钟后缓缓加热到180℃保温20分钟。并涂覆(overcoat)约10μm厚的成为包层部分的溶液A，在250℃下加热20分钟。
如上制作的有机聚硅氧烷膜是透明的，形成有高度为8μm、宽度8μm、长为20mm的尺寸，且具有折射率为1.440的高折射率芯部和折射率为1.420的低折射包层部分的埋入型光波导。对该微细凹凸板的耐热性评价的结果为在膜中不发生龟裂，外观、膜的凸部高度及其标准偏差、衍射图样与耐热试验前的值相比看不到有什么变化。
实施例3
调制上述溶液A时，除了不用0.1摩尔的苯基三乙氧基硅烷和0.15摩尔的二甲基二乙氧基硅烷，而是用0.1摩尔的苯基三乙氧基硅烷和0.175摩尔的二甲基二乙氧基硅烷以外，用与上述相同的操作调制有机聚硅氧烷溶液(溶液C)。
作为成形模，制备具有深2μm、宽2μm、长20mm的凹部沟、厚2.0mm的2.5cm×2.5cm的铝板。将该成形模水平载置在凹部沟的上面，向该凹部沟中注入上述溶液C在150℃下加热15分钟，并在上述成形模上放置厚为1.0mm、2.5cm×2.5cm的石英玻璃(折射率：1.460)基板，将成形模和石英基板一起上下翻转。然后在使成形模的凹部沟中的成形膜与基板表面相接触的状态下在200℃温度下保温30分钟，然后脱模，得到在石英玻璃基板上贴附形成有高1.8μm、宽2μm、长20mm的有机聚硅氧烷的光传送部分(折射率1.48)的沟道型光波导。
实施例4
用与实施例2同样的硅基板、成形模和溶液A和溶液B，用与实施例2同样的操作，用溶液A形成有凹部的板，然后向该凹部注入溶液B。
从160℃开始加热，20分钟后缓缓加热到180℃，保持20分钟。由此形成高度为8μm、宽为8μm、长为20mm、且具有折射率1.440的高折射率芯部和在其周围的(芯部上面除外)的折射率为1.420的低折射率包层部分的阶梯型光波导。
实施例5
将1摩尔甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(methacryloxypropyltrimethoxysilane)和3摩尔0.1N盐酸水溶液在室温下搅拌两小时得到均匀溶液(溶液D)。在1摩尔四-n-丁醇化锆(zirconium tetra-n-butoxide)中加入甲基丙烯酸在室温下搅拌两小时得到均匀溶液(溶液E)。将溶液D和溶液E以1∶2(重量比)混合，添加占全部重量的1％的作为光起始剂的2-氢氧基-2-甲基-1-phenylpropan-on(米克公司制“Darocure1173”)，得到光敏膜形成溶液(溶液F)。在厚为1.0mm的2.5cm×2.5cm的硅基板的表面上，以最终厚度为8μm的方式旋涂溶液A，进行120℃×5分钟的干燥(第一层)。在其上以最终厚度为8μm的方式用旋涂溶液F，进行120℃×5分钟的干燥(第二层)。然后以最终厚度为8μm的方式再旋涂溶液A，进行120℃×5分钟的干燥形成第三层，得到三层结构的层叠膜。将该层叠膜的表面与具有宽8μm长约20mm的线状曝光部分的2.5cm×2.5cm大小的热掩模接触，从其上用高压汞灯照射发光极限为360nm的紫外线30分钟。通过该紫外线照射，光敏膜层(第二层)的曝光部分由于其中的光敏基(甲基丙烯酰基)光聚合密度增加而形成折射率增加的芯部(折射率1.50)。而光敏膜层(第二层)的非曝光部分由于其中的光敏基(甲基丙烯酰基)未光聚合，密度不增加而形成折射率低的包层部分(折射率1.48)。第一层和第三层的折射率都是1.48。由此得到具有高8μm、宽约8μm、长约20μm的芯部(折射率1.50)、和该芯部周围的具有1.48的折射率的第一层、第二层的非曝光部分和第三层的包层部分的埋入型光波导。
实施例6
除了调制上述溶液A时不用0.1摩尔的苯基三乙氧基硅烷，而是代之以0.1摩尔的氯苯基三乙氧基硅烷之外，与调制上述溶液A同样地调制溶液，用该溶液取代溶液A，与实施例1同样地制造阶梯状衍射光栅。得到的阶梯状衍射光栅具有与实施例1基本相同的特性。
如上所述，根据本发明，可以获得由于聚硅氧烷膜硬化时体积收缩小且膜中残存有大量甲基和苯基而导致膜的弹性大，膜的强度高且难以发生膜的龟裂的阶梯状衍射光栅。因此，可以廉价地得到用厚的有机聚硅氧烷膜构成的耐热性高的衍射光栅和光波导。
权利要求书
按照条约第19条的修改
1．一种阶梯状衍射光栅，由在基板及其表面上形成的1μm～1mm厚的有机聚硅氧烷膜构成，该有机聚硅氧烷膜上形成有多个具有1μm～500μm范围内的预定宽度和5～500μm范围内的预定高度的阶梯，上述有机聚硅氧烷膜以下述化学式(1)表示的二甲基硅氧烷和下述化学式(2)表示的苯基硅氧烷为主要成分，
(CH3)2SiO2/2    …(1)
PhSiO3/2          …(2)其中P是苯基或取代苯基。
2．如权利要求1所述的阶梯状衍射光栅，其中：上述有机聚硅氧烷膜含有的所述二甲基硅氧烷基和所述苯基硅氧烷类的比例为1摩尔二甲基硅氧烷对0.3～9摩尔的苯基硅氧烷。
3．如权利要求1或2所述的阶梯状衍射光栅，其中：上述阶梯的面是沿上述有机聚硅氧烷膜的主表面形成的。
4．如权利要求1或2所述的阶梯状衍射光栅，其中：上述阶梯的面是沿与上述有机聚硅氧烷膜的主表面垂直的方向形成的。
5．如权利要求1～4中任一项所述的阶梯状衍射光栅，其中：上述阶梯的高度适合使波长1.55μm和波长1.3μm中的任一个选择反射，或同时使这两种波长的光都选择反射。
6．一种沟道型光波导的制造方法，其中：
将含有下述化学式(1)表示的提供二甲基硅氧烷类的溶胶-凝胶材料的原料，即(A)成分、下述化学式(2)表示的提供苯基硅氧烷类的溶胶-凝胶材料的原料，即(B)成分、醇溶剂、水和催化剂的溶液搅拌放置，使(A)成分和(B)成分加水分解而制备的溶胶-凝胶材料液，注入具有凹部沟的成形模，加热，通过使其与基板材料接触并进一步加热，使上述液硬化而成的成形膜与基板材料接合，然后脱模，再进一步加热，
(CH3)2SiO2/2    …(1)
PhSiO3/2          …(2)其中Ph是苯基或取代苯基。
7．一种沟道型光波导的制造方法，其中：
将含有下述化学式(1)表示的提供二甲基硅氧烷类的溶胶-凝胶材料的原料，即(A)成分、下述化学式(2)表示的提供苯基硅氧烷类的溶胶-凝胶材料的原料，即(B)成分、醇溶剂、水和催化剂的第一溶液搅拌放置，使(A)成分和(B)成分加水分解而制备第一溶胶-凝胶材料液；将含有(A)成分、(B)成分、醇溶剂、水和催化剂的第二溶液搅拌放置，该第二溶液的(B)成分含量/(A)成分含量的值比上述第一溶液的该比值大，并使(A)成分和(B)成分加水分解而得到第二溶胶-凝胶材料液；将第一溶胶-凝胶材料液注入具有细长凸部的成形模，加热，通过使其与基板材料接触并进一步加热，使上述液硬化而成的成形膜与基板材料接合，然后脱模；然后向在基板材料表面的成形膜上形成的凹部沟中注入第二溶胶-凝胶材料液，再进一步加热，
(CH3)2SiO2/2    …(1)
PhSiO3/2           …(2)其中Ph是苯基或取代苯基。
8．一种埋入型光波导的制造方法，其中：
将含有下述化学式(1)表示的提供二甲基硅氧烷类的溶胶-凝胶材料的原料，即(A)成分、下述化学式(2)表示的提供苯基硅氧烷类的溶胶-凝胶材料的原料，即(B)成分、醇溶剂、水和催化剂的第一溶液搅拌放置，使(A)成分和(B)成分加水分解而制备第一溶胶-凝胶材料液；将含有(A)成分、(B)成分、醇溶剂、水和催化剂的第二溶液搅拌放置，该第二溶液的(B)成分含量/(A)成分含量的值比上述第一溶液的该比值大，并使(A)成分和(B)成分加水分解而得到第二溶胶-凝胶材料液；将第一溶胶-凝胶材料液注入具有细长凸部的成形模，加热，通过使其与基板材料接触并进一步加热，使上述液硬化而成的成形膜与基板材料接合，然后脱模；然后向在基板材料表面的成形膜上形成的凹部沟中注入第二溶胶-凝胶材料液，加热；再在其上涂敷第一溶胶-凝胶材料液，加热，
(CH3)2SiO2/2    …(1)
PhSiO3/2          …(2)其中Ph是苯基或取代苯基。
9．一种埋入型光波导的制造方法，其中：
将含有下述化学式(1)表示的提供二甲基硅氧烷类的溶胶-凝胶材料的原料，即(A)成分、下述化学式(2)表示的提供苯基硅氧烷类的溶胶-凝胶材料的原料，即(B)成分、醇溶剂、水和催化剂的溶液搅拌放置，使(A)成分和(B)成分加水分解而制备溶胶-凝胶材料液；将其涂敷在基板材料上、干燥而形成第一层；然后向第一层上涂敷光敏膜形成溶液、干燥而形成第二层；再在第二层上涂敷上述溶胶-凝胶材料液、干燥而形成第三层；再在第三层上配置具有线状露光部的热掩膜，用紫外线照射，
(CH3)2SiO2/2    …(1)
PhSiO3/2          …(2)其中Ph是苯基或取代苯基。

Claims (11)

1．一种阶梯状衍射光栅，由在基板及其表面上形成的1μm～1mm厚的有机聚硅氧烷膜构成，该有机聚硅氧烷膜上形成有多个具有1μm～500μm范围内的预定宽度和5～500μm范围内的预定高度的阶梯，上述有机聚硅氧烷膜以下述化学式(1)表示的二甲基硅氧烷和下述化学式(2)表示的苯基硅氧烷为主要成分，
(CH3)2SiO2/2    …(1)
PhSiO3/2           …(2)其中P是苯基或取代苯基。
2．如权利要求1所述的阶梯状衍射光栅，其中：上述有机聚硅氧烷膜含有的所述二甲基硅氧烷基和所述苯基硅氧烷类的比例为1摩尔二甲基硅氧烷对0.3～9摩尔的苯基硅氧烷。
3．如权利要求1或2所述的阶梯状衍射光栅，其中：上述阶梯的面是沿上述有机聚硅氧烷膜的主表面形成的。
4．如权利要求1或2所述的阶梯状衍射光栅，其中：上述阶梯的面是沿与上述有机聚硅氧烷膜的主表面垂直的方向形成的。
5．如权利要求1～4中任一项所述的阶梯状衍射光栅，其中：上述阶梯的高度适合使波长1.55μm和波长1.3μm中的任一个选择反射，或同时使这两种波长的光都选择反射。
6．一种光波导元件，该光波导元件在基板表面上设置具有1～30μm的高度和宽度、和沿上述基板表面延伸的长度的用来传输光的芯部，以及围绕上述芯部或夹在上述芯部和基板之间的包层部分，上述芯部和包层部分的至少一个包含以由下述化学式(1)表示的二甲基硅氧烷和下述式(2)表示的苯基硅氧烷为主要成分的有机聚硅氧烷：
(CH3)2SiO2/2    …(1)
PhSiO3/2             …(2)其中Ph是苯基或取代苯基。
7．如权利要求6所述的光波导元件，其中：上述有机聚硅氧烷膜的芯部和包层部分中的一个以由上述化学式(1)表示的二甲基硅氧烷和上述化学式(2)表示的苯基硅氧烷为主要成分。
8．如权利要求6所述的光波导元件，其中：上述有机聚硅氧烷膜的芯部和包层部分中的任何一个含有的所述二甲基硅氧烷类和所述苯基硅氧烷类的比例为1摩尔二甲基硅氧烷对0.3～9摩尔的苯基硅氧烷。
9．如权利要求8所述的光波导元件，其中：上述芯部和上述包层部分包含二甲基硅氧烷和苯基硅氧烷，关于相对于1摩尔二甲基硅氧烷的苯基硅氧烷摩尔数，上述芯部比上述包层部分至少多0.5摩尔。
10．如权利要求6～9中任一项所述的光波导元件，其中：上述芯部的折射率比上述包层部分的折射率大0.002～0.10。
11．一种光波导元件，该光波导元件在基板表面上设置具有1～30μm的高度和宽度、和沿上述基板表面延伸的长度的用来传输光的芯部，上述芯部以由下述化学式(1)表示的二甲基硅氧烷和下述式(2)表示的苯基硅氧烷为主要成分，且上述基板的折射率比上述芯部大，
(CH3)2SiO2/2    …(1)
PhSiO3/2           …(2)其中Ph是苯基或取代苯基。
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