JP2010079041A - Optical device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光入射面及び／又は光反射面が側面に形成されている回路基板同士又は回路基板と光ファイバーなどの伝送路との接合ロスを低減して小型化を図ることができる、光デバイス及びその製造方法に関する。 The present invention is an optical device capable of reducing the size by reducing the bonding loss between circuit boards having light incident surfaces and / or light reflecting surfaces formed on the side surfaces or between the circuit boards and a transmission line such as an optical fiber. And a manufacturing method thereof.
光通信システムや光計測システムは、光ファイバーを用いた伝送系と、回路基板内で分波、合波、光切り換えなどによる光処理系と、から構成されている。ここで、回路基板は光導波路が形成されているため光導波路チップとも呼ばれている。光ファイバーや光導波路における伝播損失に関する研究は、構造や材料などの各種の面からなされ、改善が図られている。一方、光処理系においても、光を平面内に閉じ込める導光板に微細加工を施すことにより、アレイ導波路型回折格子を用いた波長合分波器（非特許文献１）や、光導波層に回折格子が埋め込まれた小型分光器モジュール（非特許文献２）が開発され、小型化が図られている。Ｌａｓｔらが報告している小型分光器モジュールの作製では、ＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung）プロセスが用いられ、基板上面に対して垂直に回折格子が形成されている（非特許文献３）。しかしながら、光ファイバーの伝送系と光導波路の光処理系との接合において、依然として光損失が問題となっている。 An optical communication system and an optical measurement system are composed of a transmission system using an optical fiber and an optical processing system using demultiplexing, multiplexing, optical switching, etc. in a circuit board. Here, the circuit board is also called an optical waveguide chip because an optical waveguide is formed. Research on propagation loss in optical fibers and optical waveguides has been made and improved from various aspects such as structure and materials. On the other hand, in an optical processing system, a wavelength multiplexer / demultiplexer using an arrayed waveguide type diffraction grating (Non-patent Document 1) or an optical waveguide layer can be formed by finely processing a light guide plate that confines light in a plane. A small spectroscopic module (Non-Patent Document 2) in which a diffraction grating is embedded has been developed to achieve miniaturization. In the fabrication of a compact spectroscopic module reported by Last et al., A LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) process is used, and a diffraction grating is formed perpendicular to the upper surface of the substrate (Non-patent Document 3). However, the optical loss still remains a problem in joining the optical fiber transmission system and the optical waveguide optical processing system.
ところで、精密プレス成形によりポリマー表面にナノ構造体を形成するナノインプリントリソグラフィが開発され、基板上面に超微細構造が安価に大量に形成される技術として注目を浴びている（例えば非特許文献４〜８、特許文献３、４）。このナノインプリントリソグラフィでは１０ｎｍ以下のパターンを転写することができる。 By the way, nanoimprint lithography for forming a nanostructure on a polymer surface by precision press molding has been developed, and has attracted attention as a technique for forming a large amount of ultrafine structures on the upper surface of a substrate at a low cost (for example, Non-Patent Documents 4 to 8). Patent Documents 3 and 4). In this nanoimprint lithography, a pattern of 10 nm or less can be transferred.
前述のＬＩＧＡプロセスでは、直線状の溝を所定のピッチで形成することはできる一方で、曲線状の任意のパターン、特に深さ方向に湾曲した曲線状の任意のパターンを容易に形成することはできない。また、ＬＩＧＡプロセスでの分解能は１μｍ程度であり（非特許文献９）、それより小さい微細なパターン、例えばサブ波長の周期を有する格子やその他のナノパターン構造体を形成することはできない。また、ＬＩＧＡプロセスでは使用する装置が大型かつ高額でありパターン形成を簡便に行うことはできない。 In the above-described LIGA process, while it is possible to form straight grooves at a predetermined pitch, it is easy to form an arbitrary curved pattern, particularly an arbitrary curved pattern curved in the depth direction. Can not. Further, the resolution in the LIGA process is about 1 μm (Non-Patent Document 9), and a finer pattern smaller than that, for example, a lattice having a sub-wavelength period or other nanopattern structure cannot be formed. Moreover, in the LIGA process, the apparatus used is large and expensive, and pattern formation cannot be performed easily.
一方、ナノインプリントリソグラフィを用いた技術に関して、熱インプリントリソグラフィによる３次元積層構造（非特許文献６）、ソフトインプリントリソグラフィによる非平面基板へのパターニング（非特許文献７）、マルチレベルモールドによる３次元構造のインプリント（非特許文献８）が提案されているものの、被転写面は基板上面であって、構造の高さ、すなわちアスペクト比は限られる。すなわち、これら提案されている手法により３次元的な構造を形成することはできるものの、モールドを基板上面からプレスするため１層あたりのアスペクト比は６程度に留まる（非特許文献１０）。これらの３次元的な構造形成技術により複数の層を重ねてアスペクト比を稼ぐと、工程数が増加するばかりか、積層数の作製難易度の観点から制約される。 On the other hand, regarding technology using nanoimprint lithography, three-dimensional laminated structure by thermal imprint lithography (Non-patent Document 6), patterning on a non-planar substrate by soft imprint lithography (Non-patent Document 7), three-dimensional by multi-level mold Although a structure imprint (Non-Patent Document 8) has been proposed, the transfer surface is the upper surface of the substrate, and the height of the structure, that is, the aspect ratio is limited. That is, although a three-dimensional structure can be formed by these proposed methods, the aspect ratio per layer is only about 6 because the mold is pressed from the upper surface of the substrate (Non-patent Document 10). When an aspect ratio is increased by stacking a plurality of layers by these three-dimensional structure forming techniques, the number of steps is increased, and the number of layers is limited from the viewpoint of difficulty in manufacturing.
そこで、本発明は、従来のリソグラフィ技術ではパターニングが困難な接合部位に、高精度でかつ簡便な手法によりパターンを形成し、回路基板同士や光ファイバーとの接合ロスを減らし、小型化を図ることができる、光デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention can reduce the bonding loss between circuit boards and optical fibers by forming a pattern at a bonding site that is difficult to pattern by conventional lithography techniques by a highly accurate and simple method. An object of the present invention is to provide an optical device and a manufacturing method thereof.
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、光学素子が形成されている回路基板の側面に対するナノインプリントリソグラフィ技術（従来のナノインプリントリソグラフィと区別して「垂直ナノインプリントリソグラフィ技術」と呼ぶ。）を開発し、回路基板の側面に対し任意の形状のパターンを転写することで、本発明を完成するに至った。端面ナノインプリントは回路基板や導光板などの基板の垂直な側面にナノインプリントするため、製作された形状を基板上面から見たときのアスペクト比は数百、例えば２００となり、容易に形成することができる。 As a result of intensive studies, the present inventors have developed a nanoimprint lithography technique (referred to as “vertical nanoimprint lithography technique” in distinction from conventional nanoimprint lithography) for the side surface of a circuit board on which an optical element is formed. The present invention has been completed by transferring a pattern having an arbitrary shape to the side surface of the circuit board. Since the end face nanoimprint is nanoimprinted on a vertical side surface of a substrate such as a circuit board or a light guide plate, the aspect ratio when the manufactured shape is viewed from the upper surface of the substrate is several hundreds, for example, 200, and can be easily formed.
上記目的を達成するために、本発明の第１の光デバイスは、光入射部及び／又は光出射部を側面に有する回路基板と、回路基板における光入射部及び／又は光出射部に形成される周期構造体と、を備え、周期構造体が、サブ波長の周期で断面凹凸を繰り返してなる。ここで、回路基板には、半導体レーザ素子、光伝送素子、光合波素子、光分波素子の何れか又は組合せからなる光学素子が形成されている。
本発明の第２の光デバイスは、導光板と導光板の側面に設けられる周期構造体とを備えており、周期構造体が、サブ波長の周期で断面凹凸を繰り返してなる。
上記構成において、サブ波長の周期は、数ｎｍ以上で２μｍ以下の範囲である。
上記構成において、周期構造体は回折格子である。
上記構成において、周期構造体は、光の波長と同程度又は光の波長以下の周期で柱状体を有することにより、反射防止機能を有する。
上記構成において、周期構造体は、光の波長と同程度又は光の波長以下の周期で凹凸部を有することにより、波長分散機能を有する。
上記構成において、周期構造体は、光の波長と同程度又は光の波長以下の周期で凹凸部を有することにより、波長選択機能を有する。
上記構成において、周期構造体は、周期が異なる複数の回折格子と該複数の回折格子を連結する連結部とで構成されている。
上記構成において、周期構造体は、所定の周期で凹部又は凸部を有することにより、通過する光を集光する。
上記構成において、周期構造体は、所定の周期で凹部又は凸部を有することにより、透過する光の偏光を変える。
In order to achieve the above object, a first optical device of the present invention is formed on a circuit board having a light incident part and / or a light emitting part on a side surface, and on the light incident part and / or the light emitting part in the circuit board. A periodic structure, and the periodic structure is formed by repeating cross-sectional irregularities with a sub-wavelength period. Here, an optical element made of any one or a combination of a semiconductor laser element, an optical transmission element, an optical multiplexing element, and an optical demultiplexing element is formed on the circuit board.
The second optical device of the present invention includes a light guide plate and a periodic structure provided on a side surface of the light guide plate, and the periodic structure repeats cross-sectional irregularities with a period of sub-wavelength.
In the above configuration, the period of the sub-wavelength is in the range of several nm to 2 μm.
In the above configuration, the periodic structure is a diffraction grating.
In the above-described configuration, the periodic structure has a columnar body having a period equal to or less than the wavelength of light, and thus has an antireflection function.
In the above-described configuration, the periodic structure has a wavelength dispersion function by having an uneven portion with a period that is approximately equal to or less than the wavelength of light.
In the above-described configuration, the periodic structure has a wavelength selection function by having the concavo-convex portion with a period equal to or less than the wavelength of light.
In the above configuration, the periodic structure includes a plurality of diffraction gratings having different periods and a connecting portion that connects the plurality of diffraction gratings.
In the above configuration, the periodic structure collects light passing therethrough by having concave portions or convex portions at a predetermined cycle.
In the above configuration, the periodic structure has a concave portion or a convex portion at a predetermined cycle, thereby changing the polarization of the transmitted light.
一方、上記目的を達成するために、本発明の第１の光デバイス作製方法は、側面に光出射部及び／又は光入射部を有する回路基板を準備し、上面に所定のパターンを有するモールドを回路基板の側面に押圧して、回路基板の光出射部及び／又は光入射部にモールドのパターンを転写することで、周期構造体を形成する。その際、回路基板の側面又はモールドの上面の何れかに樹脂を塗布した後に、モールドを回路基板の側面に押圧してもよい。
本発明の第２の光デバイス作製方法は、上面に所定のパターンを有するモールドを導光板の側面に押圧して、導光板の側面にモールドのパターンを転写することで、周期構造体を形成する。その際、導光板の側面又はモールドの上面の何れかに樹脂を塗布した後に、モールドを導光板の側面に押圧してもよい。
上記構成において、モールドが押圧されている間、モールドが樹脂のガラス転移温度以上に加熱され、モールドが樹脂のガラス転移温度以下の所定の温度まで冷却されると、モールドの押圧を止めて離すとよい。
On the other hand, in order to achieve the above object, a first optical device manufacturing method of the present invention provides a circuit board having a light emitting portion and / or a light incident portion on a side surface, and a mold having a predetermined pattern on an upper surface. The periodic structure is formed by pressing against the side surface of the circuit board and transferring the pattern of the mold to the light emitting part and / or the light incident part of the circuit board. In that case, after apply | coating resin to either the side surface of a circuit board, or the upper surface of a mold, you may press a mold on the side surface of a circuit board.
In the second optical device manufacturing method of the present invention, a periodic structure is formed by pressing a mold having a predetermined pattern on the upper surface against the side surface of the light guide plate, and transferring the pattern of the mold to the side surface of the light guide plate. . In that case, after apply | coating resin to either the side surface of a light-guide plate, or the upper surface of a mold, you may press a mold on the side surface of a light-guide plate.
In the above configuration, when the mold is pressed, the mold is heated to a temperature higher than the glass transition temperature of the resin, and when the mold is cooled to a predetermined temperature lower than the glass transition temperature of the resin, the pressing of the mold is stopped and released. Good.
本発明の光デバイスによれば、回路基板の側面において光入射部及び／又は光出射部に断面凹凸の周期構造体を備えたり、導光板の側面に断面凹凸の周期構造体を備えたりしているので、周期構造体を各種機能が生じるように寸法形状を設定することで、回路基板や導光板の各側面にも分光、分散、反射防止の各機能を実現でき、容易に小型化できることに加え、光入射面や光出射面を通過する光がロスしないように他の光デバイスと接合することができる。 According to the optical device of the present invention, the light incident portion and / or the light emitting portion on the side surface of the circuit board is provided with a periodic structure with a cross-sectional unevenness, or the side surface of the light guide plate is provided with a periodic structure with a cross-sectional unevenness. Therefore, by setting the dimensions and shape of the periodic structure so that various functions are generated, the spectral, dispersion, and antireflection functions can be realized on each side of the circuit board and the light guide plate, and the size can be easily reduced. In addition, it can be joined to other optical devices so that light passing through the light incident surface and the light emitting surface is not lost.
本発明の光デバイスの作製方法によれば、回路基板や導光板の側面に容易かつ簡便に凹凸を有する周期構造体を設けることができる。また、周期構造体の凹凸は直線状のみならず、構造体の深さ方向、即ち端面に平行な方向に湾曲している複雑な形状も形成することができる。 According to the method for manufacturing an optical device of the present invention, it is possible to easily and simply provide a periodic structure having irregularities on the side surface of a circuit board or a light guide plate. The irregularities of the periodic structure can be formed not only in a straight line but also in a complicated shape that is curved in the depth direction of the structure, that is, in the direction parallel to the end face.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を幾つか説明するが、本発明の範囲を本質的に変更しない範囲で適宜変更して実施を行うことができることは言うまでもない。 Several embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, but it goes without saying that the present invention can be carried out with appropriate modifications without departing from the scope of the present invention.
〔光デバイスの第１実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態に係る光デバイス１０の一部を示す概略図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
光デバイス１０は、光入射部１１ａ及び／又は光出射部(図示せず)を側面に有する回路基板１１と、光入射部１１ａ及び／又は光出射部に形成される周期構造体１５と、を備える。周期構造体１５は、サブ波長の周期で断面凹凸を繰り返してなる。
ここで、光入射部１１ａと光出射部（図示せず）とは回路基板１１の外周の垂直な側面に備えられる。回路基板１１内に形成されている光学素子（図示せず）から光導波路１２を経由して光出射部から光を出射したり、光学素子に対して光導波路１２を経由して導かれるように光入射部１１ａから光が入射される。回路基板１１には、例えば半導体レーザ素子、光伝送素子、光合波素子、光分波素子の何れか又は組合せからなる光学素子（図示せず）が形成されている。なお、光学素子が有する光の出入口が直接回路基板１１の側面に形成されていてもよく、光学素子に光導波路１２を経由して光の出入口として回路基板１１の側面に光入射部１１ａや光出射部が形成されていてもよい。
[First Embodiment of Optical Device]
1A and 1B are schematic views showing a part of an optical device 10 according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a perspective view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line II.
The optical device 10 includes a circuit board 11 having a light incident part 11a and / or a light emitting part (not shown) on a side surface, and a periodic structure 15 formed on the light incident part 11a and / or the light emitting part. Prepare. The periodic structure 15 is formed by repeating cross-sectional irregularities with a sub-wavelength period.
Here, the light incident part 11 a and the light emitting part (not shown) are provided on the vertical side surface of the outer periphery of the circuit board 11. Light is emitted from the light emitting portion from an optical element (not shown) formed in the circuit board 11 via the optical waveguide 12 or guided to the optical element via the optical waveguide 12. Light enters from the light incident part 11a. On the circuit board 11, an optical element (not shown) made of any one or a combination of, for example, a semiconductor laser element, an optical transmission element, an optical multiplexing element, and an optical demultiplexing element is formed. The light entrance / exit of the optical element may be formed directly on the side surface of the circuit board 11, and the light entrance / exit portion 11 a or light enters the side face of the circuit board 11 as the light entrance / exit via the optical waveguide 12 to the optical element. An emission part may be formed.
光デバイス１０は、例えば、基板１３と基板１３上に形成されている光導波路１２と、光導波路１２の光入射部１１ａ、光出射部に断面凹凸の周期構造体１５を備える。具体的には、光デバイス１０は、基板１３上に形成されている下側のクラッド層１４ａと、下側のクラッド層１４ａ上に互いに離れて形成されている二つのクラッド層１４ｂ，１４ｃと、二つのクラッド層１４ｂ，１４ｃで挟まれて下側のクラッド層１４ａ上に形成されている光導波路１２としてのコア層１４ｄと、二つのクラッド層１４ｂ，１４ｃ及びコア層１４ｄの上に形成されている上側のクラッド層１４ｅと、を有する。光導波路１２としてのコア層１４ｄの端面は光入射部１１ａとなり、回路基板１１の外周側面に相当する。本実施形態では、コア層１４ｄの端面に断面凹凸の周期構造体１５が形成されている。周期構造体１５は、端面に垂直な２方向の断面が何れも凹部、凸部の何れか一方を有している。図示する例では、周期構造体１５は凸部１５ａとして複数の柱状体をサブ波長の周期で有しているが、凹部を有するようにしてもよい。ここで、周期構造体１５は、凹部又は凸部１５ａが光の波長と同程度かそれよりも周期の小さい、所謂サブ波長構造体となっているとよい。この周期構造体１５の存在により、等価的に、外部媒質として例えば空気と光導波路１２との間に中間の屈折率を有する層が介在していることになり、周期構造体１５に入射する光の反射率が減少し、周期構造体１５が反射防止機能を有する。ここで、凹凸の周期をΛとし、光の真空中の波長をλとすると、凹凸の周期Λは、Λ＜λを満たせば良く、凹凸の幅や高さは任意に設定することができる。 The optical device 10 includes, for example, a substrate 13, an optical waveguide 12 formed on the substrate 13, a light incident portion 11 a of the optical waveguide 12, and a periodic structure 15 having a concavo-convex section at a light emitting portion. Specifically, the optical device 10 includes a lower clad layer 14a formed on the substrate 13, and two clad layers 14b and 14c formed on the lower clad layer 14a apart from each other, A core layer 14d as the optical waveguide 12 formed on the lower cladding layer 14a sandwiched between the two cladding layers 14b and 14c, and formed on the two cladding layers 14b and 14c and the core layer 14d. And an upper clad layer 14e. The end surface of the core layer 14 d as the optical waveguide 12 serves as a light incident portion 11 a and corresponds to the outer peripheral side surface of the circuit board 11. In the present embodiment, the periodic structure 15 having an uneven cross section is formed on the end face of the core layer 14d. The periodic structure 15 has either one of a concave portion and a convex portion in the cross section in two directions perpendicular to the end face. In the illustrated example, the periodic structure 15 has a plurality of columnar bodies as the convex portions 15a at the sub-wavelength period, but may have concave portions. Here, the periodic structure 15 is preferably a so-called sub-wavelength structure in which the concave portion or the convex portion 15a has the same wavelength as the wavelength of light or a cycle shorter than that. Due to the presence of the periodic structure 15, equivalently, a layer having an intermediate refractive index is interposed as an external medium, for example, between air and the optical waveguide 12, and light incident on the periodic structure 15. Therefore, the periodic structure 15 has an antireflection function. Here, when the period of the unevenness is Λ and the wavelength in the vacuum of light is λ, the period Λ of the unevenness only needs to satisfy Λ <λ, and the width and height of the unevenness can be arbitrarily set.
次に、第１実施形態の変形例を説明する。
図２は、第１実施形態の変形例に係る光デバイス１０Ａの断面図である。図２は図１のＩ−Ｉ線に沿う断面図に対応する。図示するように、光デバイス１０Ａにおける周期構造体１５において、凸部１５ｂとしての柱状体の先端部がテーパー状を呈している。これにより、周期構造体１５の屈折率が凹凸の深さ方向、即ち光の進む方向に沿って徐々に変化する。よって、周期構造体１５に対する入射角が広くても、光の反射率が減少する。図１に示す例と同様、凸部１５ｂとしての柱状体がサブ波長周期で形成されていることで、周期構造体１５は反射防止機能を有する。
Next, a modification of the first embodiment will be described.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an optical device 10A according to a modification of the first embodiment. FIG. 2 corresponds to a cross-sectional view taken along the line II of FIG. As shown in the figure, in the periodic structure 15 in the optical device 10A, the tip of the columnar body as the convex portion 15b has a tapered shape. As a result, the refractive index of the periodic structure 15 gradually changes along the depth direction of the unevenness, that is, the light traveling direction. Therefore, even if the incident angle with respect to the periodic structure 15 is wide, the reflectance of light decreases. Similar to the example shown in FIG. 1, the columnar body as the convex portion 15 b is formed with a sub-wavelength period, so that the periodic structure 15 has an antireflection function.
なお、周期構造体が、図１（Ｂ）に示すような複数の柱状体で成っていたり、図２に示すような複数の柱状体でかつその先端部がテーパー状である場合には、光の反射率が変化するので当然透過率も変化する。よって、図１及び図２に示すような周期構造体１５は同時に光の透過量を制御することになる。 Note that when the periodic structure is composed of a plurality of columnar bodies as shown in FIG. 1B, or a plurality of columnar bodies as shown in FIG. Of course, the transmittance also changes because of the change in reflectance. Therefore, the periodic structure 15 as shown in FIGS. 1 and 2 controls the light transmission amount at the same time.
〔光デバイスの第２実施形態〕
図３は、第２実施形態に係る光デバイス２０を示す図である。
光デバイス２０では、回路基板１１の外周の垂直な側面に周期構造体２５として回折格子が形成されてなる。周期構造体２５には直線的な縦方向又は横方向に溝２５ａが所定の周期で形成されている。なお、溝２５ａが前述の凹部に相当する。溝２５ａの周期、即ち凹凸の周期Λが、λ／ｎ≦Λ≦λの関係を満たすとき、特定の波長λを有する光だけを入射又は反射させることができ、周期構造体２５は波長選択機能を備える。ここで、ｎは周期構造体２５の素材の屈折率である。なお、凹凸の幅や高さは任意に設定される。
一方、溝２５ａの周期、即ち凹凸の周期が光の波長λよりも大きい場合、周期構造体２５に入射する光は回折する。よって、周期構造体２５は波長分散機能を備える。
[Second Embodiment of Optical Device]
FIG. 3 is a diagram illustrating an optical device 20 according to the second embodiment.
In the optical device 20, a diffraction grating is formed as a periodic structure 25 on a vertical side surface of the outer periphery of the circuit board 11. Grooves 25a are formed in the periodic structure 25 at a predetermined period in a straight vertical direction or horizontal direction. The groove 25a corresponds to the above-described recess. When the period of the groove 25a, that is, the period Λ of unevenness satisfies the relationship of λ / n ≦ Λ ≦ λ, only light having a specific wavelength λ can be incident or reflected, and the periodic structure 25 has a wavelength selection function. Is provided. Here, n is the refractive index of the material of the periodic structure 25. The width and height of the unevenness are arbitrarily set.
On the other hand, when the period of the groove 25a, that is, the period of unevenness is larger than the wavelength λ of light, the light incident on the periodic structure 25 is diffracted. Therefore, the periodic structure 25 has a wavelength dispersion function.
〔光デバイスの第３実施形態〕
図４は、第３実施形態に係る光デバイス３０を示す断面図である。光デバイス３０は、回路基板１１の外周の垂直な側面に周期構造体３５として、周期の異なる複数の回折格子３５ａ，３５ｂと、それらの回折格子３５ａ，３５ｂを回路基板１１側で連結する連結部３５ｃと、を備える。即ち、周期構造体３５は、回路基板１１の一側面の全面に形成される連結部３５ｃと、連結部３５ｃから光導波路１２の軸を挟んで両側にそれぞれ配置される第１の回折格子３５ａ及び第２の回折格子３５ｂと、を有する。ここで、第１の回折格子３５ａ、第２の回折格子３５ｂ及び連結部３５ｃは同一素材で構成されており、回折格子３５ａ，３５bは、それぞれ次式で表される周期Λの関係を満たすように溝部とそれ以外の部位とを一単位とした周期で構成される。
ｋ：波数（＝２π／λ）
λ：真空中での光の波長
θ：光の入射角（なお、光が垂直入射するときをθ＝０°とする。）
Ｎ：等価屈折率（０≦Ｎ≦ｎ）
ｍ：整数（０、±１、±２、・・）
Ｋ：格子定数（＝２π／Λ）
第１の回折格子３５ａは第１の光Ｌ１を回折し、第２の回折格子は第２の光Ｌ２を回折させる。なお、第１の光Ｌ１は第１の波長λ１を有し、第２の光Ｌ２は第２の波長λ２を有する。
[Third Embodiment of Optical Device]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an optical device 30 according to the third embodiment. The optical device 30 includes a plurality of diffraction gratings 35a and 35b having different periods as a periodic structure 35 on a vertical side surface of the outer periphery of the circuit board 11, and a connecting portion that connects the diffraction gratings 35a and 35b on the circuit board 11 side. 35c. That is, the periodic structure 35 includes a coupling portion 35c formed on the entire surface of one side surface of the circuit board 11, and first diffraction gratings 35a disposed on both sides of the optical waveguide 12 from the coupling portion 35c. A second diffraction grating 35b. Here, the first diffraction grating 35a, the second diffraction grating 35b, and the connecting portion 35c are made of the same material, and the diffraction gratings 35a and 35b each satisfy the relationship of the period Λ represented by the following equation. The groove portion and the other part are configured as a unit.
k: wave number (= 2π / λ)
λ: Wavelength of light in vacuum
θ: incident angle of light (when light is incident vertically, θ = 0 °)
N: Equivalent refractive index (0 ≦ N ≦ n)
m: integer (0, ± 1, ± 2,...)
K: Lattice constant (= 2π / Λ)
The first diffraction grating 35a diffracts the first light L1, and the second diffraction grating diffracts the second light L2. Note that the first light L1 has a first wavelength λ1, and the second light L2 has a second wavelength λ2.
光デバイス３０では、第１の回折格子３５ａに対して第１の光Ｌ１が入射し、第２の回折格子３５ｂに対して外周方向から第２の光Ｌ２が入射し、第１及び第２の回折格子３５ａ，３５ｂによりそれぞれの光Ｌ１，Ｌ２が回折により入射する。各光Ｌ１，Ｌ２が入射すると、連結部３５ｃにおいて、回路基板１１の端面と空気との間で反射が生じ、光導波路１２に対し光Ｌ１，Ｌ２が入射して導波する。よって、光デバイス３０の周期構造体３５では光の合波を行うことができる。 In the optical device 30, the first light L1 is incident on the first diffraction grating 35a, the second light L2 is incident on the second diffraction grating 35b from the outer circumferential direction, and the first and second light beams are incident on the first diffraction grating 35a. The respective lights L1 and L2 are incident by diffraction by the diffraction gratings 35a and 35b. When each of the lights L1 and L2 is incident, reflection occurs between the end face of the circuit board 11 and the air at the connecting portion 35c, and the lights L1 and L2 are incident on the optical waveguide 12 and guided. Therefore, the periodic structure 35 of the optical device 30 can multiplex light.
〔光デバイスの第４実施形態〕
図５は、第４実施形態に係る光デバイス４０の構造を示す図である。
光デバイス４０では、回路基板１１の側面に周期構造体４５として所定寸法形状の凸部４５ａが光導波路１２の延長上に設けられている。凸部４５ａは光を集光するよう所定の寸法形状に設定される。これにより、例えば、光デバイス４０の凸部４５ａに対向して光ファイバー４６の先端部を配置することで、光ファイバー４６から光デバイス４０に入射する光量が増加して、光ファイバー４６と光デバイス４０との接合ロスを減らすことができる。なお、周期構造体４５は次に説明するようにフレネルレンズ機能を有する寸法形状であってもよい。
[Fourth Embodiment of Optical Device]
FIG. 5 is a diagram illustrating the structure of the optical device 40 according to the fourth embodiment.
In the optical device 40, a convex portion 45 a having a predetermined dimension is provided on the side surface of the circuit board 11 as an extension of the optical waveguide 12 as a periodic structure 45. The convex portion 45a is set to have a predetermined size and shape so as to collect light. Thereby, for example, by arranging the tip portion of the optical fiber 46 so as to face the convex portion 45 a of the optical device 40, the amount of light incident on the optical device 40 from the optical fiber 46 increases, and the optical fiber 46 and the optical device 40 Bonding loss can be reduced. The periodic structure 45 may have a dimensional shape having a Fresnel lens function as described below.
第４実施形態の第１変形例として、構造体４５がフレネルレンズ体となっている場合を説明する。図６は、第４実施形態の第１変形例に係る光デバイス４０の一部を示す概略図で、（Ａ）はその模式的な斜視図であり、（Ｂ）はＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図の一例である。
光デバイス４０は、図６（Ｂ）に示す例では、回路基板１１の側面に、周期構造体４５Ａとして凸状の湾曲部４５ｂとそれを囲むように同心円状に形成された複数の帯部４５ｃとを備える。各帯部４５ｃの断面は湾曲部４５ｂ側では光入射部１１ａ又は光出射部にほぼ垂直になっているのに対して、外側では斜めに傾斜している。帯部４５ｃは、湾曲部４５ｂから順に第１の帯部４５ｃ、第２の帯部４５ｃ、・・と順に外側に形成されているが、各帯部４５ｃの外側の傾斜は徐々に大きくなっている。湾曲部４５ｂ、帯部４５ｃは何れも、実線で示すように滑らかでも、点線で示すようにそれぞれ高さの異なる複数のステップからなっていてもよい。ここで、周期構造体４５としてのフレネルレンズ体は、中央で凹凸の周期が大きく、外側になるに従い徐々に小さくなり、最小周期Λは周期構造体４５Ａの素材中の波長λ／ｎ以上である。即ち、λ／ｎ≦Λの関係を満たす。
As a first modification of the fourth embodiment, a case where the structure 45 is a Fresnel lens body will be described. 6A and 6B are schematic views showing a part of an optical device 40 according to a first modification of the fourth embodiment, in which FIG. 6A is a schematic perspective view thereof, and FIG. 6B is taken along line II-II. It is an example of sectional drawing.
In the example shown in FIG. 6B, the optical device 40 includes, on the side surface of the circuit board 11, a convex curved portion 45b as a periodic structure 45A and a plurality of strip portions 45c concentrically formed so as to surround the curved portion 45b. With. The cross section of each band portion 45c is substantially perpendicular to the light incident portion 11a or the light emitting portion on the curved portion 45b side, but is inclined obliquely on the outer side. The band part 45c is formed on the outer side in order from the first band part 45c, the second band part 45c,... In order from the curved part 45b, but the inclination of the outer side of each band part 45c gradually increases. Yes. Each of the curved portion 45b and the belt portion 45c may be smooth as indicated by a solid line, or may include a plurality of steps having different heights as indicated by a dotted line. Here, the Fresnel lens body as the periodic structure 45 has a period of unevenness at the center and gradually decreases toward the outside, and the minimum period Λ is not less than the wavelength λ / n in the material of the periodic structure 45A. . That is, the relationship of λ / n ≦ Λ is satisfied.
図７は、第４実施形態の第２変形例を示す光デバイス４０についての周期構造体４５Ｂの断面を模式的に示す図で、図６（Ｂ）の断面と同様の切り口で示している。
周期構造体４５Ｂとして、図６（Ｂ）に示す例とは異なり、複数の溝が同心円状に形成されている。図７に示すように、溝は、周期構造体４５Ｂの中心から外方向に向かうに従い、第１の溝群４６ａ、第２の溝群４６ｂ、第３の溝群４６ｃ、第４の溝群４６ｄ、・・を有している。ここで、各溝群４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄは外側に向かうに従いその溝群の幅（Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４と図示）が短く、例えば第２の溝群の幅Ｇ２は第１の溝群の幅Ｇ１より狭い。また、同じ溝群においても、外側に向かうに従い、溝の幅は大きくなっている。例えば図示するように、第１の溝群４６ａでは、中心側から外側に向けて間隔ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、・・がｄ１＜ｄ２＜ｄ３＜ｄ４なる関係を有する。これらの溝４７の間隔は何れも入射したり、出射する光の波長よりも短い。即ち、周期構造体４５Ｂとしてのサブ波長構造体の凹凸の周期Λは波長λより小さく、Λ＜λの関係を満たす。構造の幅や高さは任意に設定される。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross section of the periodic structure 45B of the optical device 40 according to the second modification of the fourth embodiment, and shows the same cut as the cross section of FIG. 6B.
Unlike the example shown in FIG. 6B, the periodic structure 45B has a plurality of grooves formed concentrically. As shown in FIG. 7, as the grooves go outward from the center of the periodic structure 45B, the first groove group 46a, the second groove group 46b, the third groove group 46c, and the fourth groove group 46d. ,··have. Here, each groove group 46a, 46b, 46c, 46d has a width of the groove group (shown as G1, G2, G3, G4) that decreases toward the outside. For example, the width G2 of the second groove group is the first It is narrower than the width G1 of the groove group. Even in the same groove group, the width of the groove increases toward the outside. For example, as shown in the figure, in the first groove group 46a, the distances d1, d2, d3, d4,... Have a relationship of d1 <d2 <d3 <d4 from the center side toward the outside. The interval between the grooves 47 is shorter than the wavelength of light that enters or exits. In other words, the uneven period Λ of the sub-wavelength structure as the periodic structure 45B is smaller than the wavelength λ and satisfies the relationship Λ <λ. The width and height of the structure are arbitrarily set.
図６に示す周期構造体４５Ａとしてのフレネルレンズ体や、図７に示すフレネルレンズ機能を発揮する周期構造体４５Ｂは、図５に示す集光レンズを位相差２πごとにスライスして同一層に再配置した形状をしている。位相差は、光の通過する物質の屈折率と通過長とで決定される。よって、図６に示すフレネルレンズのように、レンズ高さ、即ち光の入射又は出射する方向の幅を変えることにより、通過長を変化させてもよいし、また、通過長を変えないで屈折率を変えてあげても良い。一方、図７に示すサブ波長格子は格子の堆積占有率によって有効屈折率を変えることができる。よって、図７に示すように断面構造を持つ形状を光入出力端面に対して同心円状に形成することによって、フレネルレンズのような集光機能を持たせることができる。 The Fresnel lens body as the periodic structure 45A shown in FIG. 6 and the periodic structure 45B that exhibits the Fresnel lens function shown in FIG. 7 are obtained by slicing the condenser lens shown in FIG. It has a rearranged shape. The phase difference is determined by the refractive index and the passage length of the substance through which light passes. Therefore, as in the Fresnel lens shown in FIG. 6, the passage length may be changed by changing the lens height, that is, the width in the direction in which light enters or exits, and refraction is performed without changing the passage length. You may change the rate. On the other hand, the effective refractive index of the sub-wavelength grating shown in FIG. 7 can be changed according to the deposition occupation ratio of the grating. Therefore, by forming a shape having a cross-sectional structure concentrically with respect to the light input / output end face as shown in FIG. 7, it is possible to provide a light collecting function like a Fresnel lens.
〔光デバイスの第５実施形態〕
図８は第５実施形態に係る光デバイス５０を示す斜視図である。
図８に示すように、回路基板１１の光入射部１１ａに周期構造体５５を備える。周期構造体５５は、例えば図示した例では、上下又は左右に複数の板体５５ａが周期的に並置されている。板体５５ａの周期がサブ波長であることから、入射面又は出射面に垂直な電界成分を持つ偏光とそれに直交する偏光とで屈折率差が生じ、両者に位相差が生じる。ここで、発生する位相差は構造寸法により決定される。一般的な波長板として利用されている複屈折率材料を用いなくても図８に示す周期構造体５５により位相差を制御できる。光波に位相差を与えることで、直線偏光を円偏光や楕円偏光へ、円偏光から直線偏光への変換あるいは直線偏光の方位角の変換を行うことができる。例えば１／４波長板は直線偏光を円偏光へ変えることができる。ここで、周期構造体５５の凹凸、即ち板体５５ａの周期Λは波長λより小さく、Λ＜λの関係を満たせばよい。周期構造体の凹凸の幅や高さは任意に設定される。
[Fifth Embodiment of Optical Device]
FIG. 8 is a perspective view showing an optical device 50 according to the fifth embodiment.
As shown in FIG. 8, the light incident portion 11 a of the circuit board 11 includes a periodic structure 55. For example, in the illustrated example, the periodic structure 55 includes a plurality of plate bodies 55a that are periodically juxtaposed vertically and horizontally. Since the period of the plate body 55a is a sub-wavelength, a refractive index difference is generated between polarized light having an electric field component perpendicular to the incident surface or the output surface and polarized light orthogonal thereto, and a phase difference is generated between the two. Here, the generated phase difference is determined by the structural dimension. The phase difference can be controlled by the periodic structure 55 shown in FIG. 8 without using a birefringence material used as a general wave plate. By giving a phase difference to the light wave, it is possible to convert linearly polarized light into circularly polarized light or elliptically polarized light, convert circularly polarized light into linearly polarized light, or convert the azimuth angle of linearly polarized light. For example, a quarter wave plate can change linearly polarized light into circularly polarized light. Here, the irregularities of the periodic structure 55, that is, the period Λ of the plate body 55a is smaller than the wavelength λ, and the relationship of Λ <λ may be satisfied. The width and height of the irregularities of the periodic structure are arbitrarily set.
〔光デバイスの第６実施形態〕
図９は、第６実施形態に係る光デバイス６０の構造を示す図である。第６実施形態は、回路基板の側面に周期構造体が設けられず、導光板６１の側面に周期構造体６５が設けられる点で、前述の各実施形態とは異なる。
第６実施形態に係る光デバイス６０は、導光板６１の側面に周期構造体６５として回折格子が形成されている。図９に示す例では、導光板６１の一方の側面に光ファイバー６６が接合され、導光板６１の一方の側面に光ファイバー６６の端面に並んで、アレイ受光素子６７が配置されている。導光板６１の他方の側面、即ち光ファイバー６６やアレイ受光素子６７が配置されている側面に対向している面には、周期構造体６５として回折格子が形成されている。図示は省略するが、導光板６１には光ファイバー６６から入射される光を広げて周期構造体６５としての回折格子に入射し、回折格子から反射される光をアレイ受光素子６７に入射するよう、導光板６１が設計されている。
[Sixth Embodiment of Optical Device]
FIG. 9 is a diagram illustrating a structure of an optical device 60 according to the sixth embodiment. The sixth embodiment is different from the above-described embodiments in that the periodic structure is not provided on the side surface of the circuit board and the periodic structure 65 is provided on the side surface of the light guide plate 61.
In the optical device 60 according to the sixth embodiment, a diffraction grating is formed as a periodic structure 65 on the side surface of the light guide plate 61. In the example shown in FIG. 9, an optical fiber 66 is bonded to one side surface of the light guide plate 61, and an array light receiving element 67 is arranged on one side surface of the light guide plate 61 along the end surface of the optical fiber 66. A diffraction grating is formed as a periodic structure 65 on the other side surface of the light guide plate 61, that is, the surface facing the side surface on which the optical fiber 66 and the array light receiving element 67 are disposed. Although not shown in the drawing, the light incident from the optical fiber 66 is spread on the light guide plate 61 and is incident on the diffraction grating as the periodic structure 65, and the light reflected from the diffraction grating is incident on the array light receiving element 67. A light guide plate 61 is designed.
光デバイス６０は、光ファイバー６６から入射した混合波Ｌ１１が導光板６１内で周期構造体６５としての回折格子に向けて広げられ、回折格子への光の入射角に応じて特定の波長を有する光がそれぞれ所定の方向に向けて反射され、アレイ受光素子６７の各受光素子に特定の波長の光が入射され受光される。即ち、光デバイス６０では、周期構造体６５としての回折格子により波長分散される。 In the optical device 60, the mixed wave L11 incident from the optical fiber 66 is spread toward the diffraction grating as the periodic structure 65 in the light guide plate 61, and light having a specific wavelength according to the incident angle of the light to the diffraction grating. Are reflected in a predetermined direction, and light of a specific wavelength is incident on and received by each light receiving element of the array light receiving element 67. That is, in the optical device 60, the wavelength dispersion is performed by the diffraction grating as the periodic structure 65.
前述の実施形態に係る各光デバイスでは、回路基板、導光板などの光学部品の側面に周期構造体が所定の凹凸形状を周期的に有するように形成されている。この周期構造体は光学部品の外周側面に設けられ、しかも周期構造体が各種の機能を有するよう寸法形状が設定されているので、光デバイスの小型化を図ることができる。なお、何れの実施形態においても回路基板１１の側面に設けられている光入射部１１ａ又は光出射部、即ち、光導波路１２の端面に直接周期構造体が形成されていてもよい。 In each optical device according to the above-described embodiment, the periodic structure is periodically formed with a predetermined uneven shape on the side surface of an optical component such as a circuit board or a light guide plate. Since the periodic structure is provided on the outer peripheral side surface of the optical component and the dimension and shape are set so that the periodic structure has various functions, the optical device can be miniaturized. In any embodiment, the periodic structure body may be formed directly on the light incident portion 11 a or the light emitting portion provided on the side surface of the circuit board 11, that is, on the end surface of the optical waveguide 12.
〔光デバイス作製方法〕
本発明の実施形態に係る光デバイスの製造方法について説明する。
図１０は、光デバイスの作製方法を示す工程図である。本発明の実施形態に係る光デバイスは、次の第１及び第２のステップにより作製される。
[Optical device fabrication method]
An optical device manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 10 is a process diagram illustrating a method for manufacturing an optical device. The optical device according to the embodiment of the present invention is manufactured by the following first and second steps.
第１のステップでは、光の入射面及び／又は出射面を側面に有する回路基板１１０を準備し、回路基板１１０の入射面及び／又は出射面に樹脂、即ちポリマーを塗布して樹脂層１１１を形成する（図１０（Ａ）参照）。図では回路基板１１０内部の詳細は省略している。 In the first step, a circuit board 110 having a light incident surface and / or light exit surface on a side surface is prepared, and a resin, that is, a polymer is applied to the light incident surface and / or light exit surface of the circuit board 110 to form a resin layer 111. It is formed (see FIG. 10A). In the figure, details inside the circuit board 110 are omitted.
第２のステップでは、上面に所定のパターンを有するモールド１１２を準備した後、回路基板１１０の側面に塗布されている樹脂１１１に対してモールド１１２を押し当てることにより、回路基板１１０の側面にパターンを転写する。転写の際には、樹脂１１１を所定の温度以上に加熱して所定時間経過した後、樹脂１１１が所定温度、即ちガラス転移点以下になるとモールド１１２を回路基板１１０から離す。具体的には、先ず、回路基板１１０やモールド１１２、樹脂１１１をそのガラス転移点より高い温度まで加熱する。これと相前後して、回路基板１１０の側面に均一に荷重がかかるように回路基板１１０の側面とモールド面との平行度を調整する。その後、モールド１１２を回路基板１１０の側面に対し所定の圧力で一定時間プレスする。この工程においては、回路基板１１０の上面とモールド１１２の型面とは垂直に保たれている（図１０（Ｂ）参照）。次に、樹脂１１１のガラス転移点より低い温度まで冷却した後、モールド１１２を回路基板１１０側から離すことで、モールド１１２の反転パターンが樹脂層１１１ａに転写される（図１０（Ｃ）参照）。 In the second step, a mold 112 having a predetermined pattern on the upper surface is prepared, and then the mold 112 is pressed against the resin 111 applied to the side surface of the circuit board 110, whereby the pattern is formed on the side surface of the circuit board 110. Transcript. At the time of transfer, after the resin 111 is heated to a predetermined temperature or more and a predetermined time elapses, the mold 112 is separated from the circuit board 110 when the resin 111 becomes a predetermined temperature, that is, a glass transition point or less. Specifically, first, the circuit board 110, the mold 112, and the resin 111 are heated to a temperature higher than the glass transition point. Before and after this, the parallelism between the side surface of the circuit board 110 and the mold surface is adjusted so that a load is uniformly applied to the side surface of the circuit board 110. Thereafter, the mold 112 is pressed against the side surface of the circuit board 110 at a predetermined pressure for a predetermined time. In this step, the upper surface of the circuit board 110 and the mold surface of the mold 112 are kept vertical (see FIG. 10B). Next, after cooling to a temperature lower than the glass transition point of the resin 111, the mold 112 is separated from the circuit board 110 side, whereby the reverse pattern of the mold 112 is transferred to the resin layer 111a (see FIG. 10C). .
なお、回路基板１１０の代わりに導光板を用いても、第１及び第２のステップを行うことで、光デバイスを作製することができる。第１のステップで回路基板１１０の側面に樹脂層を形成せず、第２のステップにおいて、モールド１１２の型面に樹脂を塗布し、モールド１１２の上方に回路基板１１０や導光板の側面を対向させかつモールド１１２と回路基板１１０や導光板とが垂直になるように配置し、回路基板１１０や導光板とモールドとの距離を狭めて回路基板１１０や導光板の側面に転写パターンを有する樹脂層を形成してもよい。
また、第１のステップにおいて樹脂をモールド１１２の型面や回路基板１１０の側面に塗布せず、第２のステップにおいて回路基板１１０の光導波路の端面近傍そのものを加熱し、光導波路端面それ自体にモールド１１２の型面を押し当て、光導波路端部にパターンを転写して、光導波路端部に転写パターンを形成してもよい。
In addition, even if it uses a light-guide plate instead of the circuit board 110, an optical device can be produced by performing a 1st and 2nd step. In the first step, the resin layer is not formed on the side surface of the circuit board 110. In the second step, the resin is applied to the mold surface of the mold 112, and the side surfaces of the circuit board 110 and the light guide plate are opposed to the mold 112. And the mold 112 and the circuit board 110 or the light guide plate are arranged so as to be vertical, and the distance between the circuit board 110 or the light guide plate and the mold is reduced, and the resin layer having a transfer pattern on the side surface of the circuit board 110 or the light guide plate. May be formed.
Also, in the first step, the resin is not applied to the mold surface of the mold 112 or the side surface of the circuit board 110, and in the second step, the vicinity of the end face of the optical waveguide of the circuit board 110 is heated and the end face of the optical waveguide itself is heated. The mold surface of the mold 112 may be pressed to transfer the pattern to the end portion of the optical waveguide, thereby forming the transfer pattern at the end portion of the optical waveguide.
ここで、第２のステップにおいて必要となる調整機構、即ち回路基板１１０の側面に均一に荷重がかかるように平行度を調整する機構について説明する。従来の、基板上面へのナノインプリントリソグラフィと比較すると、基板側面の面積が小さいため自己整合的に平行出しを行うことが極めて難しい。また、市販されているナノプリント装置では、基板とモールドの上面とを向かい合わせて固定する方式であるので、従来のナノプリント装置では対応することができない。 Here, an adjustment mechanism required in the second step, that is, a mechanism for adjusting the parallelism so that a load is uniformly applied to the side surface of the circuit board 110 will be described. Compared with conventional nanoimprint lithography on the upper surface of the substrate, it is extremely difficult to perform parallel alignment in a self-aligned manner because the area of the side surface of the substrate is small. Further, since a commercially available nanoprint apparatus is a system in which the substrate and the upper surface of the mold are fixed to face each other, the conventional nanoprint apparatus cannot cope with it.
図１１は、回路基板や導光板などの光学部品の側面へのナノインプリントを行うナノインプリント装置の構成図である。ナノインプリント装置２００は、上側プレート２０１と下側プレート２０２とが上下に対向するように配置され、上側プレート２０１、下側プレート２０２の少なくとも一方が油圧により上下動し、上側プレート２０１に保持されている回路基板１１０と下側プレート２０２に載置されているモールド１１２とをプレスする。なお，上下動は油圧だけに限らず，空圧あるいはモーターであっても良い。モールドとサンプルの上下関係は前述とは逆、即ちモールドが上でサンプルが下であっても良い。 FIG. 11 is a configuration diagram of a nanoimprint apparatus that performs nanoimprinting on the side surface of an optical component such as a circuit board or a light guide plate. The nanoimprint apparatus 200 is arranged so that the upper plate 201 and the lower plate 202 face each other vertically, and at least one of the upper plate 201 and the lower plate 202 is moved up and down by hydraulic pressure and is held by the upper plate 201. The circuit board 110 and the mold 112 placed on the lower plate 202 are pressed. Note that the vertical movement is not limited to hydraulic pressure but may be pneumatic pressure or a motor. The upper and lower relationship between the mold and the sample may be opposite to the above, that is, the mold may be on and the sample may be on the bottom.
ナノインプリント装置２００の具体的な構成を説明する。
水平台２０３に二本の案内ロッド２０４が間隔を開けて立設され、油圧機構２１０で上下動する支持台２０６が案内ロッド２０４に挿入されている。上板２０５が二つの案内ロッド２０４の上端に掛け渡され、支持台２０６が上板２０５と平行を保ちながら案内ロッド２０４に沿って上下動する。下側プレート２０２が支持台２０６の上面に配置され、上側プレート２０１が上板２０５の下面に取り付けられている。下側プレート２０２の上面には例えばグラファイト製のシート２０７が敷設され、シート２０７上に所定のモールド１１２が載置されている。一方、上側プレート２０１には、一対のＬ字ブロック２０８が螺子などで取り付けられている。図では、奥側のＬ字ブロックのみ示しており、手前側のＬ字ブロックは示していない。
A specific configuration of the nanoimprint apparatus 200 will be described.
Two guide rods 204 are erected on the horizontal base 203 with a gap therebetween, and a support base 206 that moves up and down by the hydraulic mechanism 210 is inserted into the guide rod 204. The upper plate 205 is stretched over the upper ends of the two guide rods 204, and the support base 206 moves up and down along the guide rods 204 while keeping parallel to the upper plate 205. The lower plate 202 is disposed on the upper surface of the support base 206, and the upper plate 201 is attached to the lower surface of the upper plate 205. For example, a graphite sheet 207 is laid on the upper surface of the lower plate 202, and a predetermined mold 112 is placed on the sheet 207. On the other hand, a pair of L-shaped blocks 208 are attached to the upper plate 201 with screws or the like. In the figure, only the L-shaped block on the back side is shown, and the L-shaped block on the near side is not shown.
下側プレート２０２には加熱用のヒータが内蔵され、温度制御部２０９からヒータに電流が流れることで加熱される。下側プレート２０２は、支持台２０６が油圧機構２１０により加圧されたり減圧されたりすることで、下側プレート２０２は上下動する。なお、図示しないが、光学部品などの回路基板１１０のモールド１１２側の先端に向けて冷却用のファンが設置され、強制冷却も可能となっている。
油圧調整部２１１は、図示しないバルブで切り替え、油圧機構２１０を高圧領域と低圧領域とでそれぞれ使用することができる。油圧計測部２１２は、低圧用ゲージと高圧用ゲージとを切り換えて使用される。
ここで、上側プレート２０１と下側プレート２０２の平行度は，上側プレート２０１を上板２０５に固定している複数本、例えば４箇所の螺子を微調整することにより上側プレート２０１の傾斜を調整する。例えば、Ｌ字ブロック２０８を上側プレート２０１に取り付けていない状態で、下側プレート２０２上に圧力測定フィルムを置き、均一な圧力が下側プレート２０２と上側プレート２０１との間に付与されているように上側プレート２０１の傾斜を螺子により調整する。
The lower plate 202 includes a heater for heating, and is heated by a current flowing from the temperature control unit 209 to the heater. The lower plate 202 moves up and down as the support base 206 is pressurized or depressurized by the hydraulic mechanism 210. Although not shown, a cooling fan is installed toward the tip of the circuit board 110 such as an optical component on the mold 112 side, and forced cooling is also possible.
The hydraulic pressure adjusting unit 211 can be switched by a valve (not shown), and the hydraulic mechanism 210 can be used in a high pressure region and a low pressure region, respectively. The hydraulic pressure measuring unit 212 is used by switching between a low pressure gauge and a high pressure gauge.
Here, the parallelism between the upper plate 201 and the lower plate 202 adjusts the inclination of the upper plate 201 by finely adjusting a plurality of screws, for example, four screws, that fix the upper plate 201 to the upper plate 205. . For example, a pressure measurement film is placed on the lower plate 202 without the L-shaped block 208 attached to the upper plate 201, and uniform pressure is applied between the lower plate 202 and the upper plate 201. The inclination of the upper plate 201 is adjusted by a screw.
上側プレート２０１には回路基板１１０を垂直に固定する冶具として、一対のＬ字ブロック２０８が取り付けられている。ここでは、２つのＬ字ブロック２０８が対向して上側プレート２０１に取り付けられ、Ｌ字ブロック２０８の垂直部同士で回路基板１１０がクランプされる。
下側プレート２０２は支持台２０６上に載置される。下側プレート２０２上に敷設されるシート２０７はモールド１１２を保護するためである。シート２０７として厚み０．５ｍｍ程度のグラファイトシートを用いるとよい。グラファイトシートであれば高い熱伝導率と、例えば４００℃程度の耐熱性と柔軟性とを有するため、温度分布も圧力分布も共に均一となり、モールド１１２が保護される。
A pair of L-shaped blocks 208 is attached to the upper plate 201 as a jig for fixing the circuit board 110 vertically. Here, the two L-shaped blocks 208 face each other and are attached to the upper plate 201, and the circuit board 110 is clamped between the vertical portions of the L-shaped blocks 208.
The lower plate 202 is placed on the support table 206. The sheet 207 laid on the lower plate 202 is for protecting the mold 112. A graphite sheet having a thickness of about 0.5 mm may be used as the sheet 207. Since the graphite sheet has high thermal conductivity, heat resistance and flexibility of, for example, about 400 ° C., both the temperature distribution and the pressure distribution are uniform, and the mold 112 is protected.
一対のＬ字ブロック２０８は上側プレート２０１に取り付けられるが、回路基板１１０などの光学部品はその上下面に傷が付かない程度で一対のＬ字ブロック２０８に挟んで保持する。一対のＬ字ブロック２０８の間で、上側プレート２０１と光学部品１１０の上端面との間にはグラファイトシートを２１２介在させる。上側プレート２０１と下側プレート２０２との間に上下方向の圧力が作用している間、荷重をグラファイトシート越しに上側プレート２０１で受け止めるためである。 The pair of L-shaped blocks 208 are attached to the upper plate 201, but optical components such as the circuit board 110 are held between the pair of L-shaped blocks 208 to the extent that the upper and lower surfaces are not damaged. Between the pair of L-shaped blocks 208, a graphite sheet 212 is interposed between the upper plate 201 and the upper end surface of the optical component 110. This is because the load is received by the upper plate 201 through the graphite sheet while the vertical pressure is acting between the upper plate 201 and the lower plate 202.
光学部品としての導光板の側面に、例えば回折格子などの所定パターンを形成する方法について説明する。図１２は本発明の実施形態に係る光デバイスの作製工程を示す図である。図では、導光板端面に回折格子を作製する方法を例に挙げて示している。光デバイスの作製方法は、モールドを作製する工程と、インプリントリソグラフィ工程とに大別される。 A method of forming a predetermined pattern such as a diffraction grating on the side surface of the light guide plate as an optical component will be described. FIG. 12 is a diagram showing a manufacturing process of the optical device according to the embodiment of the present invention. In the figure, a method for producing a diffraction grating on the end face of the light guide plate is shown as an example. Optical device manufacturing methods are roughly divided into a mold manufacturing process and an imprint lithography process.
モールド１３０Ａを作製する工程について説明する。先ず、基板１３０上にフォトレジスト１３１を塗布する。例えば厚さ１ｍｍのシリコン基板１３０上にフォトレジスト１３１をスピンコートする（図１２（Ａ））。次に、フォトリソグラフィによりフォトレジスト１３１にパターンを形成する（図１２(Ｂ)）。続いて、レジストパターン１３１Ａをマスクにしてドライエッチングやウェットエッチングにより基板１３０に回折格子のパターンを形成し、レジスト１３１Ａを除去することにより、モールド１３０Ａが完成する（図１２（Ｃ））。その後、モールド１３０Ａに対して離型処理を行う。離型処理は、モールド１３０Ａの型面に対して表面エネルギーの小さいフッ素ポリマーの離型剤を塗布する。これより後述のインプリントリソグラフィ工程において、モールド１３０Ａを光学部品の側面に塗布した樹脂から離す際、モールド１３０Ａと転写パターンが形成されている樹脂層との剥離性を高めることができる。 A process for producing the mold 130A will be described. First, a photoresist 131 is applied on the substrate 130. For example, a photoresist 131 is spin-coated on a silicon substrate 130 having a thickness of 1 mm (FIG. 12A). Next, a pattern is formed in the photoresist 131 by photolithography (FIG. 12B). Subsequently, using the resist pattern 131A as a mask, a diffraction grating pattern is formed on the substrate 130 by dry etching or wet etching, and the resist 131A is removed to complete the mold 130A (FIG. 12C). Thereafter, a mold release process is performed on the mold 130A. In the mold release process, a fluoropolymer mold release agent having a small surface energy is applied to the mold surface of the mold 130A. Thus, in the imprint lithography process described later, when the mold 130A is separated from the resin applied to the side surface of the optical component, the releasability between the mold 130A and the resin layer on which the transfer pattern is formed can be improved.
インプリントリソグラフィ工程について説明する。先ず、光学部品としての導光板１３２側面に回折格子の素材１３３を塗布する。導光板端面への素材１３３の塗布は、スピンコートでは困難であるので、例えば、ＰＭＭＡ（polymethyl methacrylate）溶液を用いてディップコートし、オーブンで加熱することでＰＭＭＡを端面に塗布する（図１２（Ｄ））。次に、モールド１３０Ａを用いて、ＰＭＭＡをプレスする（図１２（Ｅ））。その際、ＰＭＭＡはガラス転移点の温度以上に加熱してプレスする。その後、ＰＭＭＡのガラス転移点以下まで冷却し、モールド１３０Ａを導光板１３２及び樹脂１３３からリリースする（図１２（Ｆ））。以上の工程を経ることにより、導光板１３２の側面に回折格子を作製することができる。 The imprint lithography process will be described. First, a diffraction grating material 133 is applied to the side surface of the light guide plate 132 as an optical component. Since it is difficult to apply the material 133 to the end face of the light guide plate by spin coating, for example, PMMA (polymethyl methacrylate) solution is used for dip coating, and PMMA is applied to the end face by heating in an oven (FIG. 12 ( D)). Next, PMMA is pressed using a mold 130A (FIG. 12E). At that time, PMMA is heated to a temperature above the glass transition point and pressed. Then, it cools below to the glass transition point of PMMA, and mold 130A is released from the light-guide plate 132 and resin 133 (FIG.12 (F)). Through the above steps, a diffraction grating can be formed on the side surface of the light guide plate 132.
以上の作製方法は、第５実施形態に係る光デバイス５０の作製方法であるが、他の実施形態の光デバイスも同様にして作製することができる。すなわち、光学素子や光導波路が構築されている回路基板の端面を鏡面研磨する。次に、回路基板の端面に樹脂を塗布する。その後、上面に所定のパターンを有するモールドを準備して、前述と同様に行うことができる。 The above manufacturing method is a manufacturing method of the optical device 50 according to the fifth embodiment, but the optical devices of other embodiments can be manufactured in the same manner. That is, the end surface of the circuit board on which the optical element and the optical waveguide are constructed is mirror-polished. Next, a resin is applied to the end surface of the circuit board. Thereafter, a mold having a predetermined pattern on the upper surface can be prepared and performed in the same manner as described above.
導光板の端面に回折格子を形成されている光デバイスについて、実施例を挙げてさらに説明する。
モールド１３０Ａを次の要領で作製した。図１２（Ａ）に示すように、厚さ１ｍｍのシリコン基板１３０上面にフォトレジスト１３１をスピンコートし、図１２（Ｂ）に示すようにフォトリソグラフィにより回折格子のパターン１３１Ａを形成した。図１２（Ｃ）に示すようにパターン１３１Ａをマスクしてドライエッチングによりシリコン基板１３０上面に回折格子の溝を形成した。その上にモールドに離型処理を施した。
２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍの導光板端面に鏡面研磨を施した。その後、導光板１３２端面をＰＭＭＡ溶液（ＯＥＢＲ−１０００ＬＢ：東京応化）に漬けて取り出し、１７０℃で２０分間加熱することにより、ＰＭＭＡを端面に塗布した（図１２（Ｄ）参照）。その後、図１１に示すナノインプリント装置を用い、モールド１３０Ａを下側プレート２０２に敷かれているシート２０７上に載せ、上側プレート２０１側の一対のＬ字ブロック２０８で、導光板１１０を挟んで保持した。その後、下側プレート２０２と上側プレート２０１との平行を保ちつつ油圧で下側プレート２０２を上昇し、ＰＭＭＡ１３３をモールド１３０Ａで押圧した（図１２（Ｅ）参照）。プレス条件は、１６０℃の加熱温度により２０ＭＰａで１０分間加圧した。最後にＰＭＭＡのガラス転移点である１０５℃以下まで冷却した後、モールド１３０Ａを導光板１３２側から離した（図１２（Ｆ）参照）。
An optical device in which a diffraction grating is formed on the end face of the light guide plate will be further described with reference to examples.
Mold 130A was produced in the following manner. As shown in FIG. 12A, a photoresist 131 was spin-coated on the top surface of a silicon substrate 130 having a thickness of 1 mm, and a diffraction grating pattern 131A was formed by photolithography as shown in FIG. 12B. As shown in FIG. 12C, a diffraction grating groove was formed on the upper surface of the silicon substrate 130 by dry etching using the pattern 131A as a mask. A mold release treatment was performed on the mold.
Mirror polishing was applied to the end face of the light guide plate of 20 mm × 20 mm × 1 mm. Thereafter, the end face of the light guide plate 132 was dipped in a PMMA solution (OEBR-1000LB: Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) and heated at 170 ° C. for 20 minutes to apply PMMA to the end face (see FIG. 12D). After that, using the nanoimprint apparatus shown in FIG. 11, the mold 130A was placed on the sheet 207 laid on the lower plate 202, and held by the pair of L-shaped blocks 208 on the upper plate 201 side with the light guide plate 110 interposed therebetween. . Thereafter, the lower plate 202 was raised by hydraulic pressure while keeping the lower plate 202 and the upper plate 201 parallel, and the PMMA 133 was pressed by the mold 130A (see FIG. 12E). The pressing condition was a pressure of 10 MPa at a heating temperature of 160 ° C. for 10 minutes. Finally, after cooling to 105 ° C. or lower which is the glass transition point of PMMA, the mold 130A was separated from the light guide plate 132 side (see FIG. 12F).
作製結果について説明する。
図１３（Ａ）は、実施例１で作製したモールドの光学顕微鏡像であり、（Ｂ）は共焦点レーザ顕微鏡像である。図１３（Ａ）に示す像から、１０μｍの間隔で幅５μｍの溝が一様に形成されていることが分かる。用いた共焦点レーザ顕微鏡の高さ方向の計測分解能は１０ｎｍである。図１３（Ｂ）に示す像から、格子高さはおおよそ１００ｎｍであることが分かる。
The production result will be described.
FIG. 13A is an optical microscope image of the mold produced in Example 1, and FIG. 13B is a confocal laser microscope image. From the image shown in FIG. 13A, it can be seen that grooves having a width of 5 μm are uniformly formed at intervals of 10 μm. The measurement resolution in the height direction of the confocal laser microscope used is 10 nm. From the image shown in FIG. 13B, it can be seen that the grating height is approximately 100 nm.
導光板１３２の端面を走査電子顕微鏡で確認した。鏡面研磨を施す前では端面は荒れていたのに対し、鏡面研磨を施した後では端面には、回折格子の凹凸寸法と比較して十分小さな凹凸しか生じていないことを確認した。これにより、光学散乱やパターン転写欠損による性能劣化が生じることがなく、或いはプレス時に圧力分布のムラが生じないことが推察できる。 The end surface of the light guide plate 132 was confirmed with a scanning electron microscope. The end face was rough before the mirror polishing, but after the mirror polishing, it was confirmed that the end face had sufficiently small unevenness compared with the uneven size of the diffraction grating. Accordingly, it can be inferred that performance degradation due to optical scattering and pattern transfer defects does not occur, or uneven pressure distribution does not occur during pressing.
導光板１３２の端面上に塗布されたＰＭＭＡに対してインプリントを行った結果を図１４に示す。図１４（Ａ）は、導光板１３２端面に形成されている回折格子の光学顕微鏡像であり、（Ｂ）は共焦点レーザ顕微鏡像である。図１５は、共焦点顕微鏡による表面形状特性である。図１５の横軸は構造長さ（μｍ）、縦軸は構造高さ（ｎｍ）であり、実線はモールドの表面形状、点線は樹脂層の表面形状である。図示する像から、周期１０μｍで高さ１００ｎｍの回折格子が形成されていることが分かる。また、図１５の表面形状のグラフから、モールド１３０Ａと転写後の構造が等しく周期１０μｍで転写されており、図１４に示す像からもモールド１３０Ａの反転パターンが精度良く製作されていると言える。また、図示した以外の領域においても導光板端面全域に亙って精度よくパターンが形成されていることを確認した。 FIG. 14 shows the result of imprinting the PMMA applied on the end face of the light guide plate 132. As shown in FIG. 14A is an optical microscope image of the diffraction grating formed on the end face of the light guide plate 132, and FIG. 14B is a confocal laser microscope image. FIG. 15 shows surface shape characteristics by a confocal microscope. The horizontal axis in FIG. 15 is the structural length (μm), the vertical axis is the structural height (nm), the solid line is the surface shape of the mold, and the dotted line is the surface shape of the resin layer. From the image shown, it can be seen that a diffraction grating having a period of 10 μm and a height of 100 nm is formed. From the graph of the surface shape of FIG. 15, it can be said that the mold 130A and the transferred structure are equally transferred with a period of 10 μm, and the reverse pattern of the mold 130A is accurately manufactured from the image shown in FIG. Further, it was confirmed that the pattern was formed with high precision over the entire end face of the light guide plate in the region other than the illustrated region.
周期４００ｎｍの微細構造を有するモールドを用いてナノインプリントを同様に行ったところ、導光板端面にナノパターンが転写できていることを確認した。 When nanoimprinting was performed in the same manner using a mold having a fine structure with a period of 400 nm, it was confirmed that the nanopattern was transferred to the end face of the light guide plate.
導光板１３２の端部に形成した回折格子の回折パターンを評価した。評価手法は以下のとおりである。導光板１３２の端部の回折格子に対しレーザ光を垂直に入射させ、反射回折パターンをスクリーン上に投射することにより、回折パターン及び回折角度を計測した。用いたレーザ光は、波長６３２．８ｎｍを有するＨｅ−Ｎｅレーザ光である。 The diffraction pattern of the diffraction grating formed at the end of the light guide plate 132 was evaluated. The evaluation method is as follows. The diffraction pattern and the diffraction angle were measured by causing the laser beam to enter perpendicularly to the diffraction grating at the end of the light guide plate 132 and projecting the reflected diffraction pattern onto the screen. The used laser beam is a He—Ne laser beam having a wavelength of 632.8 nm.
スクリーン上に明瞭な回折パターンを確認できた。肉眼では±１０次以上の回折光を確認できた。表１は、実測した回折角と次の理論式により計算で求めた回折角である。
表１から分かるように、計測と計算は良く一致しており、高い精度で回折格子が形成できていることが分かる。−３〜６次回折光における回折角の最大誤差は０．２２％であった。 As can be seen from Table 1, the measurement and calculation agree well, and it can be seen that the diffraction grating can be formed with high accuracy. The maximum error of the diffraction angle in the −3 to 6th order diffracted light was 0.22%.
モールドを次の要領で作製した。図１６は、モールドの作製工程を示す図である。
１ｍｍ厚のＳｉウェハ３００にレジストをスピンコートにより塗布した。具体的には、レジストにはＥＢポジレジストＺＥＰ５２０Ａを用い、６０００ｒｐｍでスピンコートし、厚さ３００ｎｍのレジスト膜３１１を形成した。
その後、電子線（EB:Electron Beam）描画装置を用いて、レジスト膜３１１に周期４００ｎｍ、線幅５０ｎｍで２次元のサブ波長構造のパターン３１１ａを形成した（図１６（Ａ）参照）。パターニング後のレジストパターン３１２をＳＥＭで観察したところ、対角線長さが２６０〜３００ｎｍの菱形状に露光され、周期４００ｎｍの２次元構造が形成されていることを確認した。
その後、Ｓｉのエッチングを行った。具体的には、先ず選択比の低い高速原子線（FAB:Fast Atom Beam）でＥＢ描画後の残存レジスト３１１ａを除去した（図１６（Ｂ）参照）。エッチングガスにはＳＦ６を用いた。高速原子線によるエッチングを行ったのは、後に行うＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching）などのイオンビームエッチングで影響を受けるウェハ表面のチャージアップの影響を受けないため、より鋭利で微細なパターンを形成することができるためである。次に、ＩＣＰ−ＲＩＥでＳｉのエッチングを行った（図１６（Ｃ）参照）。その際、ＳＦ６とＯ２のガスを同時に流し、Ｏ２ガスによりレジスト３１３を溶かし、徐々にエッチング面積を増やすことにより、Ｓｉをテーパー形状にエッチングした。その後、レジストを硫酸と過酸化水素水で除去した（図１６（Ｄ）参照）。最後にＦＡＢにより構造上部に残ったＳｉ部分３０１Ａをエッチングした（図１６（Ｅ）参照）。これにより菱形状の窪み３０２Ａを有するモールド３０２を作製した。
The mold was produced as follows. FIG. 16 is a diagram illustrating a mold manufacturing process.
A resist was applied onto a 1 mm thick Si wafer 300 by spin coating. Specifically, an EB positive resist ZEP520A was used as the resist, and spin coating was performed at 6000 rpm to form a resist film 311 having a thickness of 300 nm.
After that, a two-dimensional subwavelength structure pattern 311a having a period of 400 nm and a line width of 50 nm was formed on the resist film 311 using an electron beam (EB) drawing apparatus (see FIG. 16A). When the resist pattern 312 after patterning was observed with an SEM, it was exposed to a rhombus with a diagonal length of 260 to 300 nm, and it was confirmed that a two-dimensional structure with a period of 400 nm was formed.
Thereafter, Si was etched. Specifically, first, the residual resist 311a after EB writing was removed with a fast atom beam (FAB) having a low selection ratio (see FIG. 16B). SF 6 was used as an etching gas. Etching with high-speed atomic beam is not affected by the charge-up of the wafer surface that is affected by ion beam etching such as ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching) to be performed later. This is because a pattern can be formed. Next, Si was etched by ICP-RIE (see FIG. 16C). At that time, SF 6 and O 2 gases were simultaneously flowed, the resist 313 was dissolved with the O 2 gas, and the etching area was gradually increased to etch Si into a tapered shape. Thereafter, the resist was removed with sulfuric acid and hydrogen peroxide (see FIG. 16D). Finally, the Si portion 301A remaining in the upper part of the structure was etched by FAB (see FIG. 16E). Thereby, a mold 302 having a diamond-shaped depression 302A was produced.
以上の工程により作製したモールド３０２を用いて光導波路端面にナノプリントを行った。図１７は光導波路端面にナノプリントを行って作製したサンプル３３０の模式図であり、図１８はナノインプリントの工程図である。光導波路基板３２０は、２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．６ｍｍのポリマー性の光導波路３２１がＳｉ基板３２２上にクラッド３２３を介して形成され、光導波路３２１上にクラッド３２４が形成されている。波長８５０ｎｍの光が導波するように、光導波路コアは大きさ５０μｍ□、長さ２０ｍｍで一対一の光路を持ち、１２５μｍの間隔で並んでいる。
図１８（Ａ）に示すように、モールド３０２の型面にＰＭＭＡ３３２を載せて１４５℃に加熱し、その後光導波路基板３２０の端面をＰＭＭＡ３３２に直接押し付けて約２０ＭＰａで加圧して１０分間保持した（図１８（Ｂ））。次いで、ガラス転移温度より僅かに下の１００℃まで冷却して素早く減圧した後、モールド３０２から光導波路基板３２０を離した（図１８（Ｃ））。
Nanoprinting was performed on the end face of the optical waveguide using the mold 302 produced by the above steps. FIG. 17 is a schematic diagram of a sample 330 produced by performing nanoprinting on the end face of the optical waveguide, and FIG. 18 is a process diagram of nanoimprinting. In the optical waveguide substrate 320, a polymer optical waveguide 321 of 20 mm × 20 mm × 0.6 mm is formed on a Si substrate 322 via a cladding 323, and a cladding 324 is formed on the optical waveguide 321. The optical waveguide cores have a size of 50 μm □, a length of 20 mm, a one-to-one optical path, and are arranged at intervals of 125 μm so that light with a wavelength of 850 nm is guided.
As shown in FIG. 18A, PMMA 332 was placed on the mold surface of the mold 302 and heated to 145 ° C., and then the end surface of the optical waveguide substrate 320 was directly pressed against the PMMA 332 and pressurized at about 20 MPa and held for 10 minutes ( FIG. 18 (B)). Next, after cooling to 100 ° C. slightly below the glass transition temperature and quickly depressurizing, the optical waveguide substrate 320 was separated from the mold 302 (FIG. 18C).
図１９は、作製したサンプル３３０の端面の光学顕微鏡像である。図１９に示す光学顕微鏡像から一方の導波路コア端面にサブ波長構造体３３１が転写でき、他方の導波路コア端面３３２には何ら形成されていない。 FIG. 19 is an optical microscope image of the end face of the sample 330 that was produced. The sub-wavelength structure 331 can be transferred to one waveguide core end face from the optical microscope image shown in FIG. 19 and is not formed on the other waveguide core end face 332 at all.
実施例２で作製したモールド３０２と転写後のＰＭＭＡ３３３の様子をＳＥＭ（Scanning Electron Micrscope）で観察した。図２０（Ａ）はモールド３０２の第１のＳＥＭ像、（Ｂ）はモールド３０２の第２のＳＥＭ像であり、（Ｃ）は転写後のＰＭＭＡの第１のＳＥＭ像、（Ｄ）は転写後のＰＭＭＡの第２のＳＥＭ像である。図２０から、ＰＭＭＡ３３３に精度良く転写されていることが分かる。 The state of the mold 302 produced in Example 2 and the transferred PMMA 333 were observed with a scanning electron microscope (SEM). 20A is a first SEM image of the mold 302, FIG. 20B is a second SEM image of the mold 302, FIG. 20C is a first SEM image of PMMA after transfer, and FIG. 20D is a transfer. It is a 2nd SEM image of PMMA after. From FIG. 20, it can be seen that the image is transferred to PMMA 333 with high accuracy.
光導波路コアの端面に形成したサブ波長構造体３３１による反射率の評価を行った。サブ波長構造体３３１が形成されている光導波路３２１のコア端面と形成されていない光導波路３２１のコア端面とにそれぞれレーザ光を入射させ、光の反射率を測定した。
図２１は光の反射率を示すグラフであり、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は反射率の相対値（％）である。反射率の相対値は、サブ波長構造体３３１が形成されている光導波路コアからの光の反射率を、サブ波長構造体３３１が形成されていない光導波路コアからの光の反射率で割って求めた値である。
図２１から、サブ波長構造体３３１の有無により反射率が異なり、サブ波長構造体３３１が光導波路コアに形成されていることで、光導波路コアに入射する光の反射率が最大で約８０％減少していることが分かった。
The reflectance was evaluated by the sub-wavelength structure 331 formed on the end face of the optical waveguide core. Laser light was incident on the core end face of the optical waveguide 321 where the sub-wavelength structure 331 was formed and the core end face of the optical waveguide 321 where it was not formed, and the reflectance of the light was measured.
FIG. 21 is a graph showing the reflectance of light, where the horizontal axis represents the wavelength (nm) and the vertical axis represents the relative value (%) of the reflectance. The relative value of the reflectance is obtained by dividing the reflectance of light from the optical waveguide core where the sub-wavelength structure 331 is formed by the reflectance of light from the optical waveguide core where the sub-wavelength structure 331 is not formed. This is the calculated value.
From FIG. 21, the reflectance varies depending on the presence / absence of the sub-wavelength structure 331, and the sub-wavelength structure 331 is formed on the optical waveguide core, whereby the reflectance of light incident on the optical waveguide core is about 80% at the maximum. It turns out that it is decreasing.
サブ波長構造体３３１の有無により光の取り出し効率がどのように影響するかについて検討した。図２２は光の取り出し効率を評価するための測定系３４０を模式的に示す図である。光源３４１とサンプル３３０との間に光ファイバー３４６を介在させ、サンプル３３０と検出器３４２との間に光ファイバー３４７を介在させた。図中、３４４、３４５は、光ファイバー３４６、３４７の端面をＸＹＺ軸方向に移動制御するＸＹＺステージであり、３４３はサンプル３３０を載置する台である。図２２に示す測定系３４０を用いて、光導波路コアに対し光源３４１からの光を光ファイバー３４６で導入し、光導波路コアから出力される光を光ファイバー３４７を介して検出器に入射して、光強度を測定した。すると、光導波路コア端面にサブ波長構造体３３１を設けた方が、光の取り出し効率が高かった。 The influence of the light extraction efficiency depending on the presence or absence of the sub-wavelength structure 331 was examined. FIG. 22 is a diagram schematically showing a measurement system 340 for evaluating the light extraction efficiency. An optical fiber 346 is interposed between the light source 341 and the sample 330, and an optical fiber 347 is interposed between the sample 330 and the detector 342. In the figure, 344 and 345 are XYZ stages for controlling movement of the end faces of the optical fibers 346 and 347 in the XYZ axis directions, and 343 is a table on which the sample 330 is placed. Using the measurement system 340 shown in FIG. 22, the light from the light source 341 is introduced into the optical waveguide core by the optical fiber 346, and the light output from the optical waveguide core is incident on the detector through the optical fiber 347, The strength was measured. Then, the light extraction efficiency was higher when the subwavelength structure 331 was provided on the end face of the optical waveguide core.
１０，１０Ａ，２０，３０，４０，５０，６０：光デバイス
１１，１１０：回路基板（光学部品）
１１ａ：光入射部
１２：光導波路
１３：基板
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ：クラッド層
１４ｅ：クラッド層
１５，２５，３５，４５，４５Ａ，４５Ｂ，５５，６５：周期構造体
１５ａ，１５ｂ，４５ａ：凸部
２５ａ，４７：溝
３５ａ，３５ｂ：回折格子
３５ｃ：連結部
４５ｂ：湾曲部
４５ｃ：帯部
４６，６６：光ファイバー
４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ：溝群
５５ａ：板体
６１，１１０，１３２：導光板
６７：アレイ受光素子
１１１：樹脂
１１１ａ：樹脂層
１１２，１３０Ａ：モールド
１３０：基板（シリコン基板）
１３１：フォトレジスト
１３１Ａ：パターン（レジストパターン）
１３３：素材（樹脂層）
２００：ナノインプリント装置
２０１：上側プレート
２０２：支持台
２０２：下側プレート
２０３：水平台
２０４：案内ロッド
２０５：上板
２０６：支持台
２０７：シート
２０８：Ｌ字ブロック
２０９：温度制御部
２１０：油圧機構
２１１：油圧調整部
２１２：油圧計測部
３００：Ｓｉウェハ
３０１Ａ：Ｓｉ部分
３０２：モールド
３１１：レジスト膜
３１１ａ 残存レジスト
３１２：レジストパターン
３１３：レジスト
３２０：光導波路基板
３２１：光導波路
３２２：Ｓｉ基板
３２３，３２４：クラッド
３３０：サンプル
３３１：サブ波長構造体
３３２：導波路コア端面
３３２，３３３：ＰＭＭＡ
３４０：測定系
３４１：光源
３４２：検出器
３４６，３４７：光ファイバー
10, 10A, 20, 30, 40, 50, 60: Optical device 11, 110: Circuit board (optical component)
11a: Light incident part 12: Optical waveguide 13: Substrate 14a, 14b, 14c, 14d: Clad layer 14e: Clad layer 15, 25, 35, 45, 45A, 45B, 55, 65: Periodic structure 15a, 15b, 45a : Protrusions 25a, 47: Grooves 35a, 35b: Diffraction gratings 35c: Connection portions 45b: Curved portions 45c: Band portions 46, 66: Optical fibers 46a, 46b, 46c, 46d: Groove groups 55a: Plate bodies 61, 110, 132 : Light guide plate 67: Array light receiving element 111: Resin 111 a: Resin layer 112, 130 A: Mold 130: Substrate (silicon substrate)
131: Photo resist 131A: Pattern (resist pattern)
133: Material (resin layer)
200: Nanoimprint apparatus 201: Upper plate 202: Support table 202: Lower plate 203: Horizontal table 204: Guide rod 205: Upper plate 206: Support table 207: Seat 208: L-shaped block 209: Temperature controller 210: Hydraulic mechanism 211: Hydraulic adjustment unit 212: Hydraulic measurement unit 300: Si wafer 301A: Si part 302: Mold 311: Resist film 311a Residual resist 312: Resist pattern 313: Resist 320: Optical waveguide substrate 321: Optical waveguide 322: Si substrate 323 324: Clad 330: Sample 331: Subwavelength structure 332: Waveguide core end face 332, 333: PMMA
340: Measurement system 341: Light source 342: Detector 346, 347: Optical fiber
Claims (16)
上記周期構造体が、サブ波長の周期で断面凹凸を繰り返してなる、光デバイス。 A circuit board having a light incident part and / or a light emitting part on a side surface, and a periodic structure formed on the light incident part and / or the light emitting part in the circuit board,
An optical device in which the periodic structure has cross-sectional irregularities with a sub-wavelength period.
上記周期構造体が、サブ波長の周期で断面凹凸を繰り返してなる、光デバイス。 A light guide plate, and a periodic structure provided on a side surface of the light guide plate,
An optical device in which the periodic structure has cross-sectional irregularities with a sub-wavelength period.
前記モールドが前記樹脂のガラス転移温度以下の所定の温度まで冷却されると、前記モールドの押圧を止めて離す、請求項１３又は１５に記載の光デバイスの作製方法。 While the mold is being pressed, the mold is heated above the glass transition temperature of the resin,
The method for producing an optical device according to claim 13 or 15, wherein when the mold is cooled to a predetermined temperature not higher than the glass transition temperature of the resin, the pressing of the mold is stopped and released.
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101290207B1 (en) | 2011-10-12 | 2013-07-30 | (주)휴넷플러스 | High efficiency illumination apparatus using nano pattern and manufacturing method for the same illumination apparatus |
| KR20130143666A (en) * | 2011-04-20 | 2013-12-31 | 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피. | Sub-wavelength grating-based optical elements |
| EP2947698A1 (en) * | 2014-05-22 | 2015-11-25 | ams AG | Photonic semiconductor device for enhanced propagation of radiation and method of producing such a semiconductor device |
| JP2015212765A (en) * | 2014-05-02 | 2015-11-26 | Hoya株式会社 | Coloring structure and component |
| US9354401B2 (en) | 2013-01-30 | 2016-05-31 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Optical connector having a cleaning element |
| US9522819B2 (en) | 2011-04-20 | 2016-12-20 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Light detection system including a chiral optical element and optical elements with sub-wavelength gratings having posts with varying cross-sectional dimensions |
| WO2017068847A1 (en) * | 2015-10-22 | 2017-04-27 | 日本碍子株式会社 | Optical waveguide substrate |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03230106A (en) * | 1990-02-05 | 1991-10-14 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Wavelength demultiplexer/multiplexer |
| JP2002536683A (en) * | 1999-02-05 | 2002-10-29 | コーニング インコーポレイテッド | Optical fiber member having shaped optical element and method of manufacturing the same |
| JP2004079461A (en) * | 2002-08-22 | 2004-03-11 | Sanyo Electric Co Ltd | Surface light source device |
| JP2004264446A (en) * | 2003-02-28 | 2004-09-24 | Hitachi Cable Ltd | Diffraction grating, demultiplexer and wavelength multiplexed optical transmission module |
-
2008
- 2008-09-26 JP JP2008248567A patent/JP2010079041A/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03230106A (en) * | 1990-02-05 | 1991-10-14 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Wavelength demultiplexer/multiplexer |
| JP2002536683A (en) * | 1999-02-05 | 2002-10-29 | コーニング インコーポレイテッド | Optical fiber member having shaped optical element and method of manufacturing the same |
| JP2004079461A (en) * | 2002-08-22 | 2004-03-11 | Sanyo Electric Co Ltd | Surface light source device |
| JP2004264446A (en) * | 2003-02-28 | 2004-09-24 | Hitachi Cable Ltd | Diffraction grating, demultiplexer and wavelength multiplexed optical transmission module |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130143666A (en) * | 2011-04-20 | 2013-12-31 | 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피. | Sub-wavelength grating-based optical elements |
| US9103973B2 (en) | 2011-04-20 | 2015-08-11 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Sub-wavelength grating-based optical elements |
| KR101593506B1 (en) | 2011-04-20 | 2016-02-12 | 휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피. | Sub-wavelength grating-based optical elements |
| US9522819B2 (en) | 2011-04-20 | 2016-12-20 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Light detection system including a chiral optical element and optical elements with sub-wavelength gratings having posts with varying cross-sectional dimensions |
| KR101290207B1 (en) | 2011-10-12 | 2013-07-30 | (주)휴넷플러스 | High efficiency illumination apparatus using nano pattern and manufacturing method for the same illumination apparatus |
| US9354401B2 (en) | 2013-01-30 | 2016-05-31 | Hewlett Packard Enterprise Development Lp | Optical connector having a cleaning element |
| JP2015212765A (en) * | 2014-05-02 | 2015-11-26 | Hoya株式会社 | Coloring structure and component |
| EP2947698A1 (en) * | 2014-05-22 | 2015-11-25 | ams AG | Photonic semiconductor device for enhanced propagation of radiation and method of producing such a semiconductor device |
| WO2017068847A1 (en) * | 2015-10-22 | 2017-04-27 | 日本碍子株式会社 | Optical waveguide substrate |
| US10746926B2 (en) | 2015-10-22 | 2020-08-18 | Ngk Insulators, Ltd. | Optical waveguide substrate |
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