JP2001504950A - 固体レーザと光導波管との光学的結合に使用する装置、およびそのような装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 固体レーザと光導波管との光学的結合に使用する装置のレンズ・システムは、射出表面に適用されるアナモルフィック・レンズと入射表面に適用される第２レンズで構成される。装置は、アナモルフィック・レンズ・システムを含み、これは固体レーザの射出表面と光導波管の入射表面との間に挿入され、固体レーザの主断面の異なるアパーチャを、光導波管の入射表面でほぼ同一のアパーチャに変換する。本発明の装置に加え、このような装置を作成する手順も提示する。

Description

【発明の詳細な説明】 固体レーザと光導波管との光学的結合に使用する装置、 およびそのような装置の製造方法 本発明は、固体レーザの射出表面と光導波管の入射表面との間に挿入されて、 固体レーザの主断面で異なるアパーチャを、光導波管の入射表面でほぼ等しいア パーチャに変換するアナモルフィック・レンズ系によって、固体レーザと光導波 管との光学的結合に使用する装置、およびそのような装置の製造方法に関する。 レーザ光を光導波管に、特に単モード・ファイバに効率的に結合するため、光 導波管をレーザに最小限の損失で結合する必要がある。これは、ファイバー端部 に適用されたレンズによって実行することができる。固体レーザの場合、レーザ をファイバに結合することによって生じる光の損失を最小限に抑えることも望ま n、G．Zesch、A．Kohl，A．Menschigの「Fabrication of optical bandwidth tr ansformers for guided waves on InP using wedge-shaped」(J．Vac．Sci．Tec hnol．B9(6)，(1991)3459)によって提案がなされている。その著者は、リソグラ フィーを用いて、この目的のために働く特別調整の結合テーパを規定し、これを レーザ材料に直接統合するよう示唆する。しかし、このようなテーパは、波の場 を一断面の位相にしか適応させることができない。エピタクシーの成長および平 面リソグラフィーにより、導波管に垂直に存在する他の断面にこれを適用するこ とは不可能である。 n Advanced Solidstate Lasers」(1995，Vol.24，253)の基本的概念に適合する 装置が知られるようになった。しかし、この装置は複雑な調整を必要とする。 本明細書で述べる発明は、固体レーザを光導波管に結合するのに適し、損失が 最小限で結合でき、両方の主断面の方向で波の場に適用することができ、十分な 精度で製造できる装置に関する。 この課題は、射出表面に適用されるアナモルフィック・レンズおよび入射表面 に適用される別のレンズで構成されるレンズ・システムで補助された装置によっ て達成される。 両方のレンズを非常に高精度で射出および入射表面に適用できることが、本発 明の装置の利点である。その結果、レーザの軸と導波管の軸との間で、１回の調 節しか必要でない。アナモルフィック・レンズと第２レンズは両方とも、周知の プロセスで従来通り製造することができる。 本明細書で提示する装置は、入射表面でのアナモルフィック・レンズの使用を 排除するものではないが、第２レンズは球面であることが好ましい。さらに、本 発明をこの実施例によると、２つの異なる構成が可能になり、したがってレーザ の射出表面に適用されるアナモルフィック・レンズは楕円形レンズであるか、２ 枚の交差した筒面構成要素レンズで構成される。楕円形レンズまたは少なくとも 構成要素レンズの一方を、フレネル・レンズとして設計することができる。 本発明の装置の別の便利な実施例は、大きい方のアパーチャの方向で必要な倍 率に対応する間隔層が、アナモルフィック・レンズを射出表面から切り離すこと を特徴とする。 レーザの射出瞳の実像とは別に、本発明の装置の場合は、レーザの射出瞳が円 形の仮想ソース画像を形成することが可能である。この配置構成によって、比較 的大きいレンズ焦点距離で、レンズ間または射出表面と入射表面との間に小さい 距離を選択することができる。レンズの焦点距離が大きい方が、微小技術の手順 に基づく生産には都合が良い。 原則的にこの目的に適切な種々の周知の手順は、高解像度の電子ビーム・リソ グラフィーおよびその後の反応型ドライ・エッチングによる製造によって、光導 波管の入射表面に筒面レンズを規定することを含む。このような手順は、例えば P．Unger、V．Boegli、P．Buchmann、R．Germannの「High resolution electron beam lithography for fabricating visible semiconductor lasers with curv ed mirrors and integrated holograms」(Microelectronic Eng．23，（1994）4 6l)およびP．Unger、V．Boegli、P．Buchmann、R．Germannの「Fabrication of curved mirrors for visible semiconductor lasers using electron-beam lith ography and chemical assisted ion beam etching」(J．Vac．Sci．Technol.， B. 11(6)(1993)2514-2518)に記載されている。製造は、入射または射出表面上に配 置したレジスト・レンズによっても可能である。 しかし、本発明を実施するのに特に都合の良いプロセスは、ドライ・レジスト 技術とその後の追加的リソグラフィーおよび特に電子ビーム・リソグラフィーを 使用した製造によって、レンズおよび／または間隔層および／または反射防止層 を規定することにある。この手順は、特にコンピュータ・プログラミングによっ てサポートされる場合に、大幅な改善となる。 例えばドイツ特許第DE 195 31 859.5 A1号に記載されたドライ・レジスト技術 は、電子感受性ポリマーで構成され規定された厚さの層によってレーザまたはフ ァイバー端部を覆うため、高真空での蒸発を用いる手順である。露光中に電子ビ ームに曝されたこの材料は、酸化シリコンが豊富で、屈折率がファイバー材料に 非常に近い（ｎ＝１．４８）ポリマーを獲得するため、架橋される。H.W．Koops 、S．Babin、M．Weber、G．Dahm、A．Holopkin、M．Lyakhovの「Evaluation of dry resist Viny-T8 and its application to optical microlenses」(Microele ctronic Engineering 30(1996)，539)を参照されたい。鏡とレンズ材料の屈折率 が非常に近い状態で、酸化シリコンで構成される鏡を、蒸着によってレーザ端部 に適用する。したがって、ドライ・レジストから製造されるレンズの挿入損は、 理論上無視できる。 電子ビーム重合および架橋により、さらに構造を事前に割り当てたり、その後 に現像する必要なくビームおよびドーズをコンピュータでコントロールすること により、先駆分子からレンズを直接生成するため、電子ビームで誘発した蒸着を 用いた追加のリソグラフィーを適用する。このような手順は、H.W.P．Koops、R. Weiel、D.P．Kern,．T.H．Baumの「High Resolution Electron Beam Induced De position」(J．Vac．Sci.，Technol．B 6(1)，(1988)，477)に記載されている。 しかし、レンズのドーズごとに必要な時間の長さは、正当と認められる限界を超 えないが、露光はレジスト技術の場合よりはるかに時間がかかる。 電子ラスター顕微鏡で容易に制御可能な電子ビームを使用すると、画像処理お よびラスター顕微鏡の助けで、露光視野をファイバー・コアおよびレーザの有効 ゾーンから最大１００ｎｍの距離に配置することができる。これは、例えばH.W. P．Koops、J．Kretz、M．Weberの「Combined Lithographies for the Reduction of Stitching Errors in Lithography」(Proc．EIPB94，J．Vac．Sci．Technol ．B12（6）(1994)3265-3269)に記載されている。調整および露光をマクロ制御す ることにより、プログラム制御し自動化した方法で露光プロセスを実行すること ができる。 レジストまたは蒸着プロセスの測定値の階調曲線に従って露光をコンピュータ 制御し、ドーズ分布を予備計算するおかげで、円形、楕円、球面および双曲レン ズの組合せ、および偏差プリズムを設けたレンズの組合せを、屈折表面で共同で 製造して、精密に調整し、想定した標的にレーザ・ビームを誘導することが可能 である。１つのプロセスに統合された調整および製造ステップは、少なくとも１ 桁、従来通りの手順より優れている。電子ビームの露光が容易に制御可能で、画 像を回転できるので、この手順は、レンズの構造に関して、例えばレーザ研磨よ り優れている。これらの手順は、生産プロセス用に容易に自動化することができ る。 本発明の実施例を、種々の図で概略的に示し、以下の記述で詳細に説明する。 図１は、実施例のｙ−ｚ断面を示す。 図２は、適切に変形したスケールで実施例のｘ−ｙ断面を示す。 図３は、別の実施例のｘ−ｙ断面を示す。 平面１には、焦点Ｆ_yおよび−Ｆ_yがあるアナモルフィック平凸レンズ２がある 。平面３は固体レーザの光射出表面を含み、その残りは図では削除されている。 ソース画像は４に位置し、その結果、ソース画像の拡大した仮想画像が５にある 。 図１に示すｙ−ｚ断面の射出表面３から出る光は、事実上は焦点が合わないの で、光束全体の最大部分を収集するのに、大きいアパーチャが必要である。図に 示す例では、これは、大きすぎないレンズを使用し、射出表面３に可能な限り近 く、つまり仮想画像が可能になるのに十分なほど近く配置することによって達成 される。 光導波管は、部分的にしか輪郭が描かれていないが、光学活性コア６およびク ラッディング７で構成される。光入射表面８に適用された球面レンズ９がコア６ に仮想画像５の実像を生成する。 明快さを期して、概略図は一定の比率で拡大／縮小されていない。以下の寸法 は、例として与えられる。 レンズ２と平面３の間の間隔層の厚さとほぼ等しく、レンズの焦点距離はｆ＝１ ．４３μｍ、アナモルフィック・レンズ２の屈折率はｎ＝２．７５、および半径 Ｒ＝３．９μｍである。射出表面の幅はｄ0＝３μｍで、コア６の直径はｄ₁＝１ ０μｍである。アパーチャはａ₀＝４５°およびａ₁＝１０°、倍率はＶ＝１４＝ Ｂ／ｇ＝２０／ｆである。 図２は同じ実施例のｘ−ｙ断面を示す。ここで、ｘ−ｚ断面で大きい焦点距離 を有するレンズまたはフレネル・レンズ（図３に示す実施例の場合）をレーザの 射出表面に適用し、このレンズをレンズ９上に低アパーチャａ₀の光の焦点を合 わせるのに使用する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．アナモルフィック・レンズ・システムによって固体レーザを光導波管を光学 的に結合するのに使用し、固体レーザの射出表面と光導波管の入射表面との間 に挿入されて、固体レーザの主断面の異なるアパーチャを、光導波管の入射表 面でほぼ同一のアパーチャに変換する装置であって、レンズ・システムが射出 表面（３）に適用されたアナモルフィック・レンズ（２）と入射表面（８）に 適用された第２レンズ（９）とで構成されることを特徴とする装置。 ２．第２レンズ（９）が球面形状であることを特徴とする、請求項１に記載の装 置。 ３．アナモルフィック・レンズ（２）が楕円形状であることを特徴とする、請求 項１または２のいずれか１項に記載の装置。 ４．楕円レンズがフレネル・レンズ（２１）として設計されることを特徴とする 、請求項３に記載の装置。 ５．アナモルフィック・レンズが２枚の交差した筒面構成要素レンズで構成され ることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項に記載の装置。 ６．少なくとも構成要素レンズの１つがフレネル・レンズとして設計されること を特徴とする、請求項５に記載の装置。 ７．大きい方のアパーチャの方向に必要な倍率に対応する間隔層が、アナモルフ ィック・レンズ（２）を射出表面（３）から分離することを特徴とする、請求 項１から６のいずれか１項に記載の装置。 ８．レーザの射出瞳が仮想円形ソース画像を形成することを特徴とする、請求項 １から７のいずれか１項に記載の装置。 ９．レンズおよび／または間隔層および／または反射防止層が、ドライ・レジス ト技術によって規定され、追加的リソグラフィーおよび特に電子ビーム・リソ グラフィーの助けで作成されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか １項に記載の装置の製造手順。