JP2002536683A

JP2002536683A - 造形された光学要素を有する光ファイバ部材およびその製造方法

Info

Publication number: JP2002536683A
Application number: JP2000597649A
Authority: JP
Inventors: ビーダウェス，スティーヴン; ジェイハガーティー，ロバート
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2002-10-29
Also published as: WO2000046622A1; TW440719B; CN1341224A; US6488414B1; EP1157292A1; AU3474900A; CA2361817A1

Abstract

(57)【要約】光ファイバ(22)の末端(24)にその場で造形された光学要素(26)を製造する方法、および光ファイバの末端に入るまたはそこから出る光を操作するための得られた光ファイバ部材。その場で造形された光学要素は、好ましくは、光ファイバの末端に接着されており、光学要素または表面(32)を定義するように適所に造形されている、無機−有機ハイブリッドゾル−ゲル材料である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】関連出願の説明本出願は、米国特許法第120条に従う優先権の恩恵をここに主張し、その内容
の全てを文献としてここに引用する、1999年2月5日に出願された米国仮特許出願
第60/118,946号に基づくものである。

【０００２】発明の背景１．発明の分野本発明は、光ファイバ部材に関し、より詳しくは、光ファイバの末端に入るま
たはそこから出る光を操作する造形された光学要素に関する。

【０００３】２．技術背景光ファイバに沿って伝搬する光の光路にデバイスが導入される場合、光ファイ
バ中へのまたはそこからの光のビーム（光子）の結合が必要とされる。そのよう
な結合が必要とされる場合には、モードフィールド不整合、結合効率、および後
方反射を考慮しなければならない。

【０００４】光ファイバにより案内される光もしくは自由空間またはバルク光学部材中を案
内されずに伝搬する光を結合させるための、経済的かつ容易に用いられる方法を
提供することが、以前より課題となっている。アイソレータ、サーキュレータ、
および薄膜フィルタのようなフォトニックデバイスにおいて、光が第１の光ファ
イバから出て、該光が作用を受ける光学媒質中を通過し、該光を結合させて第２
の光ファイバに戻すことがしばしば必要である。個々のマイクロレンズおよびフ
ァイバ端部の研磨または溶融のような方法を使用しても、特に、自由空間および
バルク光学部材中への光、またはそこからの光を光ファイバの末端で結合させる
のに望まれているほど、単純で、効率的かつ経済的な手法が提供されない。

【０００５】上記を鑑みて、効率的に機能し、再現性が高く、低コストで製造できる、光フ
ァイバの末端中への、またはそこからの光を結合させるための光学素子が必要と
されている。

【０００６】発明の概要本発明は、造形された光学素子が光ファイバの末端上またはその近くに形成さ
れている光学成分およびその製造方法に関し、特に、前記光ファイバから出るま
たはその中に入る光ビームの操作において所望の性能または機能性を提供する光
学素子または光学表面を形成するためにその場で造形されるものに関する。

【０００７】本発明の追加の特徴および利点は、以下の説明に述べられており、一部には、
その説明から明らかとなり、もしくは本発明の実施により分かるであろう。本発
明の目的および他の利点は、記載された説明およびその特許請求の範囲並びに添
付された図面において特に指摘された、デバイス、方法、装置、および組成物に
より実施され、達成されるであろう。

【０００８】これらと他の利点を達成するために、具体化され、広く記載されたように、本
発明の目的によれば、本発明は、末端を有する光導波路、および該光導波路に付
着した光学素子を含む。この光学素子は、光ファイバの反対側の末端に造形され
た光学表面を有する。

【０００９】別の態様において、本発明は、光ファイバを通って案内される光子用のポート
を提供する末端を有する光ファイバ、および該光ファイバに付着したゾル−ゲル
光学素子を含む光導波路成分を含む。このゾル−ゲル光学素子は、前記光ファイ
バを通って案内される光子を、該光ファイバから出る際またはその中に入る際に
光学的に操作する。

【００１０】本発明のさらなる態様は、光ファイバ部材を製造する方法であって、前記光フ
ァイバの末端に粘性液体前駆体を粘着させ；該前駆体をある程度硬化させて、変
形可能な塑性固体光学素子を形成し；該変形可能な光学素子を、光学素子形状を
有する造形された変形可能な塑性固体に造形し；該変形可能な塑性固体を、完全
に硬化された変形できない固体光学素子に完全に硬化させる各工程を含む方法を
含む。

【００１１】前述した一般的な記載および以下の詳細な説明の両方は、例示的かつ説明的で
あり、請求項に記載された本発明をさらに説明することを意図するものであるこ
とが理解されよう。

【００１２】添付した図面は、本発明をさらに理解するために添付されており、本明細書に
含まれ、その一部を構成し、本発明のいくつかの実施の形態を示し、前記記載と
共に、本発明の原理を説明するように働く。本発明は、ここに記載された方法に
より製造されたデバイス、およびこれらデバイスを製造するために用いられた方
法の両方を包含する。

【００１３】好ましい実施の形態の詳細な説明本明細書に含まれ、その一部を構成する添付の図面は、本発明の実施の形態を
示し、前記記載と共に、本発明の目的、利点、および原理を説明するように働く
。

【００１４】本発明は、末端を有する光導波路およびその場で造形された光学表面を画成す
る光学素子を備えた光導波路デバイスを含む。この光学表面は、光学素子が光導
波路に付着され、硬化される時またはされている間に造形される。

【００１５】本発明の現在好ましい実施の形態をここで詳細に参照し、その実施例が添付の
図面に示されている。

【００１６】本発明の光導波路デバイスの例示としての実施の形態が図１に示され、参照番
号20により一般的に称されている。

【００１７】ここに具体化され、図１に示されているように、光導波路デバイス20は、末端
24を有する光導波路22を含む。光導波路22は、好ましくは、単一モード光ファイ
バまたは多モード光ファイバのような、光導波路ファイバである。光導波路デバ
イス20は光学素子26を含む。光導波路22は、第１の材料、好ましくは、硬質のも
ろい絶縁性無機ガラス材料からなり、光学素子26は、第２の材料、好ましくは、
付着性の変形可能な塑性材料からなり、この材料は、第１の材料がもろくかつ硬
質である所定の周囲温度で柔軟である。第２の材料は、第１の材料とは異なり、
第１の材料に対して付着性である。好ましくは、第１の材料はシリカガラスであ
り、第２の材料はシリカゾル−ゲル材料である。最も好ましくは、光導波路22は
、シリカガラスコアおよびクラッドを含む光ファイバである。ここに用いたよう
に、光学の分野において、光学素子は、光を操作、制御、方向付ける、または集
束させる（前記光導波路に入るおよび／またはそこから出る光子に動作する）光
学的透過性製品を称する。好ましくは、その光学的透過性製品は、光学的に均質
な１つの単体一体材料のものである。光学素子26は近接端28および遠方端30を有
する。近接端28は末端24に隣接している。近接端28は光導波路の末端24に付着し
ている。光学素子26の遠方端30は、図２および３に示したように、それぞれの光
学部材に特に適した、後で付着されその場で造形される光学表面32から構成され
る。

【００１８】光学素子26は、末端24に付着した１つの光学的に均質な光学素子である。その
場で造形される光学表面32は、光学素子26が光導波路22および末端24に接触して
付着されている間に造形される。その場で造形される光学表面32は、図１に示し
たように、エンボスを施すことによりその場で造形して、回折光学部材に特に適
したその場でエンボスが施された光学表面32を提供してもよい。その場で造形さ
れる光学表面32は、成形型によりその場で造形して、その場で成形された光学表
面32を提供してもよい。

【００１９】光学素子26は、好ましくは、変形可能な塑性固体であり、ここで、この変形可
能な塑性固体は、変形できない固体に硬化される。好ましくは、光学素子26は、
変形可能な塑性固体質量Ｄを有する変形可能な塑性固体から構成され、この変形
可能な塑性固体は、変形できない固体質量ＮＤを有する変形できない固体に硬化
され、ここで、Ｄ≧ＮＤ≧0.95Ｄである。好ましくは、光学素子26は、容積Ｖ２
を有する変形可能な塑性固体から構成され、ここで、容積Ｖ２を有する変形可能
な塑性固体は、容積Ｖ１を有する粘性溶剤を含まない前駆体液体をある程度硬化
させることにより得られ、容積Ｖ２を有する変形可能な塑性固体は、容積Ｖ３を
有する変形できない固体に硬化され、ここで、Ｖ２≧(0.95)Ｖ１、好ましくは、
Ｖ３≧(0.90)Ｖ１、好ましくは、Ｖ３≧(0.95)Ｖ２である。最も好ましくは、容
積Ｖ１を有する粘性溶剤を含まない前駆体液体は、容積Ｖ０を有する流動性溶剤
を含有する前駆体液体から得られ、ここで、0.5Ｖ０≧Ｖ１である。

【００２０】光導波路デバイス20は、塑性材料から形成された光学素子26を含み、この塑性
材料は光導波路の末端24に付着している。好ましくは、この塑性材料は、硬化可
能で変形可能な塑性材料から構成され、ここで、光学素子26の変形可能な遠方端
の表面が造形レリーフ成形型により造形され、造形された変形可能な遠方端30の
表面は硬化されて、造形光学表面32を形成する。光学素子26の変形可能な遠方端
30の表面は、エンボス形成レリーフ成形型によりエンボスを形成し、次いで、エ
ンボスの形成された変形可能な遠方端30の表面を硬化させて、エンボスの形成さ
れた造形光学表面32を形成しても差支えない。

【００２１】光学素子26は、光導波路22の末端24に入る／そこから出る、そこを通って透過
される光を操作し／方向付ける光学形状を有する。好ましくは、光学素子26は自
由空間のバルク光学部材である。光学素子26は、好ましくは、屈折レンズ、球面
レンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ、または回折レンズのようなレンズから
構成される。図３は光導波路デバイス20を示し、ここで、光学素子26は、半球形
状を有する造形光学表面32を備えた屈折球面レンズから構成されている。図２お
よび図４に示されたように、光学素子26は光学テーパー角で構成される。図４の
光学テーパー角は三角形であり、図２の光学テーパー角は台形である。そのよう
な光学テーパー角の光学要素は、光ファイバ末端の後方反射を最小にするために
用いることができる。図１に示したように、光学素子26は、マイクロパターンの
特徴形状から構成され、これは好ましくは、造形された光学表面32中にエンボス
として形成される。光学素子26には、その光学素子の光学表面32により回折格子
が提供されるようにマイクロパターンの特徴形状によりエンボスを形成できる。

【００２２】好ましくは、光学素子26は、シリカゾル−ゲルのようなゾル−ゲル材料から形
成される。最も好ましくは、光学素子26は無機−有機ハイブリッドゾル−ゲル材
料から形成され、好ましくは、光学素子26は溶剤を含まないポリシルセキオキサ
ン(polysilsequioxane)からなる。光学素子26の無機−有機ハイブリッドゾル−
ゲル材料は、ケイ素および酸素の原子を含有する伸長マトリクスからなり、この
伸長マトリクス中のケイ素原子の少なくとも一部が、置換または非置換炭化水素
部位に直接結合している。この光学素子の無機−有機ハイブリッドゾル−ゲル材
料は、好ましくは、ケイ素原子から構成され、ここで、少なくとも1％のケイ素
原子が少なくとも１つの有機改質剤に共有結合している。好ましくは、有機改質
剤は炭素原子から構成される。好ましくは、有機改質剤は、1から18までの炭素
原子を有する有機基である。そのような有機基は、エチル、アルキル、フェニル
、アリール、およびメチルであり、光硬化性有機基のようなメタクリロキシプロ
ピルでもある。前記無機−有機ハイブリッドゾル−ゲル材料は、好ましくは、ポ
リジメチルシロキサン、エチルトリエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン
、メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン（光硬化性）、フェニルトリエト
キシシラン、およびフェニルトリフルオロシラン（ＰＴＦＳ）のようなフッ素原
子を含有する構造的改質剤からなる群より選択される少なくとも１つの前駆体か
ら形成される。

【００２３】本発明はさらに、光ファイバにより案内される複数の光子のためのポートを提
供する末端24を有する光導波路ファイバ22から構成される光導波路デバイス20を
含む。光導波路デバイス20はさらに、光ファイバに取り付けられたゾル−ゲル光
学素子26を含み、ここで、ゾル−ゲル光学素子26は必要に応じて、光ファイバに
より案内された光子を操作する。好ましくは、ゾル−ゲル光学素子26は、球面、
フレネル、または回折レンズのような、光子を集束させる自由空間レンズである
。図５−８に示したように、光導波路デバイス20はコリメータであり、好ましく
は、光学素子26は屈折レンズである。コリメータ20の光ファイバの末端24はビー
ム拡大器34から構成され、これは、光ファイバ22のコア36により案内された光子
の光ビームを、ビームを拡大する点線38により示されたように、外側に拡大し、
広げることができる。

【００２４】好ましくは、ビーム拡大器34は、ビーム拡大ハウジング35内に収容されたゾル
−ゲル光学素子26のビーム拡大部分により設けられる。図７に示したように、ビ
ーム拡大ハウジング35は、光ファイバ収容端21および光ファイバ22をビーム拡大
ハウジング35中に挿入し、その中に固定できるような大きさのファイバ収容管間
隙23を含む。ハウジング35は、光学素子端27および光学素子収容間隙29を有する
。光学素子収容間隙29は、末端24の近接した第１の端31および前記ハウジングの
光学素子端27に位置する第２の遠方端33を含む。図７に示したように、光学素子
収容間隙29は、ハウジングの間隙29により収容された光学素子26のビーム拡大部
分が拡大するように、第１の端31から第２の端33まで拡大する。好ましくは、光
学素子収容間隙29および光学素子26のそれぞれ一致するビーム拡大部分は、円錐
形である。

【００２５】あるいは、ビーム拡大器34は、拡大コアを有するシリカ導波路部材40から構成
され、したがって、拡大コアの直径は、光導波路ファイバコア36の直径よりも大
きい。好ましくは、拡大コアシリカ導波路部材40は、光ファイバ22に付着したシ
リカブランク円柱スタブ(stub)から構成される。そのようなシリカブランク円柱
スタブは、半径方向に均質な円柱状シリカ部材である。このシリカブランクは、
ドープされていないシリカ、または標準的な光ファイバのコアを構成するゲルマ
ニウムドープシリカのような、ドープシリカである。最も好ましくは、シリカブ
ランクファイバは、融着接続により光導波路ファイバ22およびファイバコア36に
付着している。シリカブランクは、ビームの切詰めを避けながらビームを有益に
拡大するために、図５に示したように、光ファイバ22に一致する外径を有しても
、または図６に示したように、光ファイバ22よりも大きい外径を有しても差し支
えない。シリカブランクを融着する代わりに、シリカブランクを、ゾル−ゲルの
ような接着剤組成物により接着しても差し支えない。あるいは、コアが拡大され
るシリカ導波路部材40は、コア36が半径方向外側に拡大または拡散するように、
シリカ光ファイバ22の端部を熱処理することにより得られるような、熱により拡
大されたコアから構成されていてもよい。

【００２６】好ましくは、ゾル−ゲル光学素子26は造形光学素子から構成され、特に、ここ
で、造形される光学素子が末端24に取り付けられている間に造形され、したがっ
て、取付後その場で造形された光学素子26が提供される。好ましくは、ゾル−ゲ
ル光学素子26は図５−７におけるような成形された屈折光学部材レンズ形状を有
する。図８に示したように、コリメートする光導波路デバイス20は、エンボスの
形成された表面42から構成されるゾル−ゲル光学素子26を含んでもよい。ゾル−
ゲル光学素子26は、最も好ましくは、変形可能な塑性状態において、末端24で光
ファイバ22に取り付けられ、光学素子26は、光ファイバ22に取り付けられている
間に、成形および／またはエンボス形成等により造形される。図２および図４の
ゾル−ゲル光学素子26は光学テーパーを構成する。図１、図８および図９のゾル
−ゲル光学素子26は、エンボスの形成されたマイクロパターンの特徴形状から構
成される。

【００２７】本発明の好ましい実施の形態において、ゾル−ゲル光学素子26は、約70重量％
から80重量％までの無機のような、実質的に無機である。最も好ましくは、ゾル
−ゲル光学素子26は、無機−有機ハイブリッドゾル−ゲルである。この無機−有
機ハイブリッドゾル−ゲルは、好ましくは、ケイ素および酸素の元素を含有する
伸長マトリクスから構成され、該伸長マトリクス中のケイ素原子の少なくとも一
部は、置換または非置換炭化水素部位に直接結合されている。好ましくは、該無
機−有機ハイブリッドゾル−ゲルはケイ素原子を含有し、ここで、少なくとも1
％のケイ素原子が少なくとも１つの有機改質剤に共有結合しており、その有機改
質剤は炭素原子から構成されている。好ましくは、有機改質剤は、最も好ましく
は、アルキル、フェニル、アリール、エチル、メチルまたはメタクリロキシプロ
ピルのような、1から18までの炭素原子を有する有機基である。この無機−有機
ハイブリッドゾル−ゲルは、好ましくは、エチルシロキサン基、メチルシロキサ
ン基、フェニルシロキサン基、メタクリロキシプロピル基およびフッ素から構成
され、特に、ここで、該ゾル−ゲルは、ポリジメチルシロキサン、エチルトリエ
トキシシラン、メチルトリエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、メタ
クリロキシプロピルトリエトキシシランおよびフッ素原子を含有する構造改質剤
（ＰＴＦＳのような）からなる群より選択される少なくとも１つの前駆体から形
成される。

【００２８】本発明はさらに、光導波路ファイバデバイスを製造する方法であって、末端を
有する光導波路ファイバを提供し、該光ファイバ末端に、質量を有する粘性液体
光学素子前駆体を付着させる各工程を含む方法を含む。ビーム拡大器を形成する
ためにビーム拡大ハウジング35を利用する場合、前記方法は、光導波路ファイバ
収容間隙23を有するハウジング35を提供し、該光ファイバ収容間隙中に光導波路
ファイバ末端24を挿入する各工程を含む。次いで、光学素子収容間隙29に粘性液
体光学素子前駆体を満たすことにより、該粘性液体光学素子前駆体を末端24に付
着させる。図１１に示すように、ビーム拡大ハウジングを利用しない場合、ファ
イバ保持チャック44内に保持する等により、光導波路ファイバ22を提供し、末端
24は、末端24に対して粘着性である粘性液体光学素子前駆体の液滴48に近接して
向けられている。液滴48は、ガラススライドまたは他の平面支持基板上に都合よ
く提供することができる。光ファイバの末端24への多量の粘性液体光学素子前駆
体の付着は、末端24を液滴48の頂部に接触させることにより行うことができる。

【００２９】光ファイバ22を提供し、質量を有する粘性液体光学素子前駆体50を末端24に付
着させた後、前記方法は、この粘性液体光学素子前駆体50をある程度硬化させて
、質量を有する変形可能な塑性固体光学素子前駆体52を形成する工程を含む。本
発明はさらに、そのある程度硬化された変形可能な塑性固体光学素子前駆体52を
、好ましくは完全に硬化されたときに、光学素子の形状、特に、光を光学的に操
作できる光学素子の形状を有する、造形された変形可能な塑性固体光学素子54に
造形する工程を含む。本発明はさらに、この造形された変形可能な塑性固体光学
素子54を、質量を有する完全に硬化された変形できない固体光学素子に完全に硬
化させる工程を含み、特に、ここで、この完全に硬化された変形できない固体光
学素子は、前記光ファイバ22により案内された光子を光学的に操作する。

【００３０】末端を有する光導波路ファイバを提供する工程は、第１の光導波路ファイバ58
を提供し、第１の光導波路ファイバを切断し、切断された第１の光導波路ファイ
バ58に第２の光導波路シリカブランク60を融着接続し、第２の光導波路シリカブ
ランク60を切断して、光導波路ファイバ22の末端24を形成する各工程を含む。第
１の光導波路ファイバ58および融着接続された第２の光導波路シリカブランク60
が図１１−１３に示されている。好ましくは、第２の光導波路シリカブランク60
は、このシリカブランクが、屈折率の上昇したドープコアプロファイルを有さな
いことを除いて、第１の光導波路ファイバ58（シリカクラッドにより被覆された
、ゲルマニウムドープコアのような、屈折率の上昇したドープコア36を有する標
準的な光ファイバ）と類似のシリカブランクからなる。本発明では、第２の光導
波路シリカブランク60を、第１の光導波路ファイバ58の屈折率の上昇したドープ
コアにより案内された光のビームを広げるためのビーム拡大器として利用する。
光を広げるのは、好ましくは、第２の光導波路シリカブランク60を、第１の光導
波路ファイバ58により案内された光ビームを有益に広げる光導波路ファイバ58か
らの距離で切断することにより行われる。

【００３１】粘性液体光学素子前駆体を光ファイバの末端に付着させる工程は、好ましくは
、粘性液体のゾル−ゲル、最も好ましくは、無機−有機ハイブリッドゾル−ゲル
を光ファイバの末端24に付着させる工程を含む。末端に付着されたこの無機−有
機ハイブリッドゾル−ゲルは、好ましくは、ケイ素および酸素の原子を含有する
伸長マトリクスからなり、この伸長マトリクス中のケイ素原子の少なくとも一部
が置換または非置換炭化水素部位に直接結合している。付着したハイブリッドゾ
ル−ゲルの少なくとも1％のケイ素原子は、少なくとも１つの有機改質剤に共有
結合しており、特に、ここで、有機改質剤は炭素原子から構成され、最も好まし
くは、有機改質剤は1から18までの炭素原子を有する有機基である。

【００３２】粘性液体光学素子前駆体を付着させる方法は、ポリジメチルシロキサン、メタ
クリロキシプロピルシラン、トリエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン
、およびＰＴＦＳのような、フッ素原子を含有する構造改質剤からなる群より選
択される少なくとも１つの前駆体化学物質から無機−有機ハイブリッドゾル−ゲ
ルを形成する工程を含む。最も好ましくは、付着したハイブリッドゾル−ゲルは
、メチルシロキサン基、フェニルシロキサン基、およびフッ素、またはエチルシ
ロキサン基、フェニルシロキサン基、およびフッ素から構成される。無機−有機
ハイブリッドゾル−ゲルの光硬化を利用すべき場合、その組成物中のメチルまた
はエチルシロキサンの少なくとも約10％（モル）は、メタクリロキシプロピルシ
ロキサンのような光硬化性アルコキシシロキサンにより置換すべきである。その
ようなメタクリロキシプロピルシロキサンの置換に加えて、光硬化を有益に利用
するために、光開始剤をその組成物に添加すべきである。好ましくは、使用する
紫外線硬化性アルコキシシランは、メタクリロキシプロピル、最も好ましくは、
メタクリロキシプロピルトリエトキシシランまたはメタクリロキシプロピルトリ
メトキシシランである。

【００３３】前記方法は、質量（単位容積当たり）を有する前駆体化学組成物を混合し、該
前駆体化学組成物を加水分解して、質量を有する加水分解されたゾル流動性液体
を形成し、粘性液体光学素子前駆体を提供するために、この加水分解されたゾル
流動性液体を乾燥させることにより、質量（単位容積当たり）を有する粘性液体
光学素子前駆体を提供する工程を含む。好ましくは、この粘性液体光学素子前駆
体の質量（単位容積当たり）は、前記加水分解されたゾル流動性液体の乾燥が、
この加水分解されたゾル流動性液体の質量（単位容積当たり）の少なくとも50％
を除去する工程を含む（乾燥による50％よりも大きい質量［単位容積当たり］の
損失）という点で、加水分解されたゾル流動性液体の質量（単位容積当たり）の
50％未満である。さらに、粘性液体光学素子前駆体の質量（単位容積当たり）は
、好ましくは、加水分解および乾燥により少なくとも50％の質量（単位容積当た
り）の損失があるという点で、前駆体化学組成物の質量（単位容積当たり）の50
％未満である。好ましくは、前駆体化学組成物の元の質量（単位容積当たり）の
6％未満が固体状態において除去され、最も好ましくは、前駆体化学組成物の元
の質量（単位容積当たり）の4％未満が固体状態にある間に失われる。

【００３４】前記方法を実施するうえで、変形可能な塑性固体光学素子前駆体の質量（単位
容積当たり）が、付着した粘性液体光学素子前駆体の質量（単位容積当たり）の
少なくとも約94％であることが好ましい。さらに、完全に硬化された変形できな
い固体光学素子の質量（単位容積当たり）が、付着した粘性液体光学素子前駆体
の質量の少なくとも約90％であることが都合よい。

【００３５】図１１に示したように、粘性液体光学素子前駆体の末端24への付着は、この粘
性液体光学素子前駆体が末端24を完全に濡らし、図１２に示したように凸面メニ
スカスを形成するように、粘性液体光学素子前駆体の滴48に末端24を接触させる
工程を含んでもよい。

【００３６】前記光学素子前駆体を硬化させる方法は、好ましくは、その光学素子前駆体組
成物中のメチルまたはエチルアルコキシシランをメタクリロキシプロピルアルコ
キシシランと置換し、該光学素子前駆体組成物中に紫外線硬化剤を導入し、該前
駆体を紫外線に露出することにより硬化させる各工程を含む。紫外線硬化に用い
られる組成物には、シロキサン前駆体の10モル％が、メタクリロキシプロピル置
換アルコキシシランのような、紫外線重合性ハイブリッドであることが必要とさ
れる。前記付着した粘性液体光学素子前駆体をある程度硬化させる方法は、その
前駆体を短期間に亘り紫外線に露出する工程を含む。図１２に示したように、粘
性液体光学素子前駆体50は、約30秒の比較的短い露出時間に亘り、ＥＬＣ600ブ
ランド紫外線光源（コネチカット州、ダンバリーのエレクトロライト社(Elecrol
ite Corp.,)）のようなエネルギー源62からの紫外線によりある程度硬化される
。

【００３７】あるいは、前記付着した粘性液体光学素子前駆体をある程度硬化させる方法は
（好ましくはビーム拡大ハウジング35が用いられる場合）、前記付着した粘性液
体光学素子前駆体を加熱する、特に、約60℃から約100℃までの温度で約5分間の
期間に亘り加熱する工程を含む。図１２に示したように、粘性液体光学素子前駆
体50は、ファイバチャック44内に保持された導波路22の下側端部24で垂直に方向
付けられている間にエネルギー源62からの適切な熱出力により加熱することによ
りある程度硬化できる。

【００３８】デバイス20がビーム拡大ハウジング35を含む場合、ハイブリッドゾル−ゲルが
、メチルシロキサン基の代わりにエチルシロキサン基から構成されることが好ま
しい。このエチルシロキサン基は、メチルシロキサンをエチルシロキサンで置換
したことにより、1550ｎｍでの吸収が減少するので、光学素子26を通る光路長が
比較的長いデバイスにおいて好ましい。そのようなエチルシロキサン基は、エチ
ルトリエトキシシランにより達成される。そのようなメチルを含まないエチルシ
ロキサン（エチルトリエトキシシランに）組成物には、メタクリレート基を有す
るシロキサン（メタクリロキシプロピルシロキサンのような）がその組成物から
故意に排除されるという点で紫外線硬化の代わりに熱処理硬化が必要とされる。
そのようなメタクリロキシプロピルシロキサンの排除により、光硬化が排除され
る。メタクリロキシプロピルシロキサンが含まれない場合、エチルおよびメチル
シロキサンの両方が熱硬化プロセスを必要とする。

【００３９】ある程度硬化された変形可能な塑性固体光学素子前駆体を、光学素子形状を有
する造成された変形可能な塑性固体光学素子にある程度硬化させる方法は、変形
可能な塑性固体を、光学素子形状を有する成形型により成形する工程を含む。さ
らに、造形は、図１２および１３に示したように、ある程度硬化された変形可能
な塑性固体にエンボスを形成する工程を含んでもよい。ある程度硬化された変形
可能な塑性52の造形は、透明シリカのネガマスタープレートまたはニッケルネガ
マスタープレートのような、ネガマスタープレート64による造形を含む。好まし
くは、ネガマスタープレートは、光学素子形状を有するエッチングされたネガレ
リーフ表面から構成される。そのようなエッチングされた表面は、フォトリソグ
ラフィー、レーザアブレーション、または反応性イオンエッチングにより設ける
ことができる。

【００４０】造形された変形可能な塑性固体光学素子を、完全に硬化された変形できない固
体光学素子に完全に硬化させる工程は、好ましくは、造形された変形可能な塑性
固体光学素子を、該光学素子を変形できない固体光学素子に硬化させるのに十分
な時間に亘り十分な濃度の紫外線に露出する工程を含む。図１３に示したように
、造形された変形可能な塑性固体光学素子は、約80,000ＭＪ／ｃｍ²のエネルギ
ーによるような（約15分間に亘るＥＬＣ600ブランドの紫外線光源）、エネルギ
ー源62からの紫外線に、紫外線を透過させるマスタープレート64を通して露出さ
れる。

【００４１】あるいは、造形された変形可能な塑性固体光学素子を、完全に硬化された変形
できない固体光学素子に完全に硬化させる工程は（好ましくは、ビーム拡大ハウ
ジング35が用いられる場合のような非光硬化用途に関して）、造形された変形可
能な塑性固体光学素子を、変形できない固体光学素子に硬化するのに十分な時間
に亘り十分な温度で該造形された変形可能な塑性固体光学素子を加熱する工程を
含む。完全な硬化は、該変形可能な塑性固体光学素子を、少なくとも150℃の温
度で、好ましくは、200℃から325℃までの範囲の温度で、最も好ましくは、200
℃から300℃までの温度で、少なくとも3分間に亘り加熱する工程を含む。好まし
くは、加熱は、3分から7分まで、最も好ましくは、4分から6分までの範囲の時間
に亘り加熱する工程を含む。一般的に、光硬化は、塑性状態を弾性状態まで硬化
させるのに十分であるが、追加の熱硬化（150℃から200℃まででの少なくとも15
分間）が、変形できない固体に確実に完全に硬化させるのに有益である。

【００４２】本発明のある実施の形態において、造形し、完全に硬化させる各工程は、連続
して行われ、造形後に完全な硬化が行われる。好ましい実施の形態において、造
形および完全な硬化の各工程は、紫外線源と組み合わされた紫外線透過性ネガマ
スタープレートまたは加熱されたネガマスタープレートにより、ある程度硬化さ
れた変形可能な塑性固体を造形するように、同時に行われる。図１３は、同時の
造形および硬化のためのネガマスタープレート／エネルギー源の組合せを提供す
るための紫外線源62（あるいは、熱硬化のための熱源）と共に、透明ネガマスタ
ープレート64（造形された変形可能な塑性固体54へと、変形可能な塑性固体52に
エンボスを形成するため）を示している。好ましい同時の紫外線成形／硬化法に
関して、前記ファイバは、適切な紫外線への露出により、ある程度硬化された前
駆体が完全に硬化されている間に、適切な造形が行われるように、成形型まで移
動される。加熱されたマスタープレート64に関して、このプレートは少なくとも
220℃の温度まで加熱され、この加熱されたネガマスタープレートによるある程
度硬化された変形可能な塑性の造形は、ある程度硬化された変形可能な塑性固体
を、加熱されたネガマスタープレートにより、少なくとも3分間に亘り、最も好
ましくは、4から6分間に亘り造形する工程を含む。

【００４３】前記造形の方法は、ある程度硬化された変形可能な塑性固体光学素子前駆体を
レンズに造形する工程を含む。ある程度硬化された変形可能な塑性固体光学素子
前駆体をレンズに造形する工程は、微小特徴構造を有する回折レンズまたはフレ
ネルレンズのようなエンボスが形成された回折光学部材レンズを形成するための
エンボス形成、または球面レンズまたは非球面レンズのような成形屈折光学部材
レンズを形成するための成形を含む。さらに、造形の方法は、ある程度硬化され
た変形可能な塑性固体光学素子前駆体を、回折格子または光学テーパーのような
光学素子に造形する工程を含む。

【００４４】本発明は、光導波路ファイバ内に案内された光をコリメートするための自由空
間（気体媒質）コリメータを製造するのに特に適している。ある程度硬化された
変形可能な塑性固体光学素子前駆体を造形する方法は、コリメータに造形する工
程を含む。本発明の好ましいコリメータは、図７に示したように、光学素子26が
、その場で造形された光学表面32により設けられた成形された屈折レンズ部分に
加えて、ビーム拡大器34部分を有するようにビーム拡大器コリメータデバイス20
を利用する。あるいは、図５および６に示したように、ビーム拡大器34は、成形
された屈折レンズ光学素子26とは別の部材であっても差し支えない。さらに、図
１３に示したように、光ファイバ22の端部でのコリメータは、光ファイバ58に融
着接続されたシリカブランクである、ビーム拡大器34の末端上のレンズにエンボ
スを形成することにより製造してもよい。

【００４５】前記方法は、適切な無機−有機ハイブリッドゾル−ゲル由来の溶剤を含まない
前駆体材料を合成し、該溶剤を含まない前駆体材料をファイバに接触するように
配置し、該材料をある程度硬化させ、該ある程度硬化された材料にエンボスを形
成するまたはその材料を成形することにより所望の光学形状を形成し、該材料を
完全に硬化させる各工程を含む。適切なゾル−ゲルを合成することにより、好ま
しくは、ポリシルセキオキサンからなるゾル−ゲル材料が提供される。適切な無
機−有機ハイブリッドゾル−ゲル由来の前駆体材料は、ここに引用する、Dawes
等による特許出願第PCT/US97/22760号、Dawes等による同PCT/US97/21315号、お
よびDawesによる米国仮特許出願第60/033,961号に記載されている。本発明にお
いては、無機−有機ハイブリッドゾル−ゲル材料が好ましい。この無機−有機ハ
イブリッドゾル−ゲル材料の屈折率は合成により制御でき、それら材料により、
1310および1550ｎｍの光通信窓における有益な光伝送、特に、1550窓における高
伝送が得られる。最も重要なことには、無機−有機ハイブリッドゾル−ゲルの収
縮および固結が、硬化中にほとんど質量が失われず、その質量のほとんどが非固
体状態で失われているという点で有益に制御される。無機−有機ゾル−ゲル組成
物中に光硬化性シロキサンおよび紫外線硬化剤（光開始剤）を使用することによ
り、そのゾル−ゲルが紫外線硬化される。さらに、無機−有機ゾル−ゲル材料に
関して、熱硬化により、耐久性のある変形できない剛性固体に光学素子を発展さ
せる。無機−有機ハイブリッドゾル−ゲルに加えて、光学素子は、固結中の容積
の減少が大きくなく、硬化中に亀裂が生じにくい他のゾル−ゲル材料から構成さ
れていてもよい。

【００４６】好ましくは、ある量の適切なゾル−ゲル材料を、ファイバチャックの下に位置
するガラススライド上に小さな滴の粘性ゾル−ゲル材料を配置することにより、
またはビーム拡大ハウジングに粘性ゾル−ゲル材料を充填すること等により、フ
ァイバをゾル−ゲル材料に接触させることにより、ファイバの末端に施す。図１
１に示したように、切断されたファイバ22は、チャック内に把持し、ガラススラ
イドの平面に対して垂直に固定することができる。次いで、ファイバの末端を液
滴の頂部に注意深く接触させ、ゾル−ゲル材料により、ファイバの末端表面を完
全に濡らすことができる。この過程を光学的にモニタし、メニスカスのみが形成
され、ファイバがゾル−ゲル中に浸漬されないことを確実にするのには、顕微鏡
が有用である。次いで、ファイバを滴から引き出すことができる。ファイバ上に
形成される滴のサイズは、ゾル−ゲル材料の粘度、表面張力および材齢、並びに
ファイバが滴から引き出される速度に依存する。本発明を実施する上で、滴は、
ファイバの切断縁より25から30マイクロメートルまで延在する球状部分を形成し
、曲率半径は約70から110マイクロメートルまでであり、液滴の容積は、約1ナノ
リットルまたはそれ未満と推定される。

【００４７】次いで、粘性ゾル−ゲル材料は、紫外線（ＥＬＣ600ブランド紫外線源により
約30秒）により、またはファイバの先端を5分間から1時間までの期間に亘り60℃
から100℃までの範囲の温度に加熱することにより、ある程度硬化させる。これ
は、ファイバがチャック内に搭載されている間に、紫外線または熱をファイバに
当てることにより行うことができる。あるいは、ファイバをオーブンのような加
熱雰囲気中に配置して、ゾル−ゲル材料をある程度硬化させることができる。

【００４８】次に、ある程度硬化されたゾル−ゲル材料を所望の光学形状に形成できる。好
ましくは、ファイバはまだチャック内に搭載されており、上に所望の光学形状の
ネガがエッチングされたマスタープレートの表面上に降下される。このマスター
プレートは、シリカまたはニッケルあるいは所望の光学形状のネガ画像を提供で
きる他の適切なテンプレート材料から製造できる。さらに、マスタープレートは
、造形された光学素子の離型を補助するために、離型剤、例えば、テフロン（登
録商標）により被覆することができる。好ましくは、ファイバをマスタープレー
ト中に垂直に押しつけ、ある程度硬化されたゾル−ゲル材料が、マスタープレー
トのネガレリーフを完全に貫通でき、所定の時間に亘り適所に保持され、次いで
、引き出される。好ましくは、ある程度硬化されたゾル−ゲル材料は、マスター
プレートと接触している間に紫外線により完全に硬化される（ＥＬＣ600ブラン
ド紫外線源により15分間）。

【００４９】あるいは、そのような造形中またはその後、造形されある程度硬化されたゾル
−ゲル材料を、光学素子を完全に硬化させるために、約150℃から約300℃までの
温度での熱処理により熱硬化してもよい。そのような完全な熱硬化は、造形され
た光学素子製品をオーブン中に配置し、必要とされる温度まで上昇させ、その後
冷却前に数分間保持することにより行うことができる。あるいは、完全な熱硬化
は、チャック内に保持されている造形された光学素子について、光学素子の端部
を放射熱源、例えば、ＣＯ₂レーザのような熱源に露出することにより行うこと
ができる。好ましくは、前駆体の熱硬化に関して、完全な熱硬化は、マスタープ
レートを220℃以上の温度まで加熱し、ある程度硬化されたゾル−ゲル材料を約5
分間に亘り加熱マスタープレート中に押しつけることにより、造形工程中に行わ
れる。そのような同時の造形および完全な熱硬化により、時間が節約され、マス
タープレートの離型が改善され、その特徴構造の複製が良好になる。

【００５０】本発明を実施する上で、ＰＤＭＳ、ＭＴＥＳ、ＴＥＳ、およびＨ₂Ｏと共に、
フッ化物源としてフェニルトリフルオロシラン（ＰＴＦＳ）を含有するハイブリ
ッド無機−有機ゾル−ゲル組成物から光学素子を形成した。容積で、0.18ｃｃの
ＰＤＭＳ、3.89ｃｃのＭＴＥＳ、1.30ｃｃのＰＴＥＳ、および0.365ｃｃのＰＴ
ＦＳを、蓋のされた容器内で混合し、その混合物を均質化するために、約5分間
に亘り熱水浴中で75℃まで加熱し、次いで、0.745ｃｃのＨ₂Ｏをその混合物に加
えた。混合物相が最初に分離した。そのため、混合物を75℃まで加熱し、溶液が
透明になるまで激しく振とうした（約20分間）。次いで、この溶液を、冷める前
に約3時間に亘り反応させて、透明な流動性ハイブリッド無機−有機ゾル−ゲル
組成物を得た。図１４−１６は、このハイブリッド無機−有機ゾル−ゲル組成物
を用いた方法により製造された本発明の光学素子の顕微鏡写真を示す。図１４は
、ハイブリッド無機−有機ゾル−ゲルの滴から、切断されたファイバ端を引き出
すことにより形成された硬化された曲面レンズを有する光ファイバの側面の顕微
鏡写真である。この曲面レンズをオーブン中で250℃まで加熱して、完全に硬化
させた。このレンズは、マスターによりエンボスを形成したり、成形したりしな
かった。図１４の平凸レンズは、約85から88マイクロメートルまでの曲率半径を
有する。設計した曲率半径を有する凸レンズは、適切な負の曲率半径を有する成
形型を用いて造形することができる。図１５は、図１４に用いたものと同一の組
成物から形成した本発明のエンボスの形成された光学素子の端部の顕微鏡写真（
600倍）である。図１５のエンボスの形成された光学素子は、ニッケルマスター
ホイルによりエンボスの形成された回折格子である。ニッケルマスターホイルは
、格子ピッチが1マイクロメートルであり、深さが0.3マイクロメートルであった
（マイクロパターン特徴構造）。さらに、ニッケルマスターホイルには、掻き傷
があった。図１５は、マスターの1マイクロメートルの格子間隔および掻き傷が
、光学素子のエンボスの形成された光学表面に複製されたことを明らかに示して
いる。図１６は、同じ組成物を用いて製造した本発明のエンボスの形成された光
学素子の端部の顕微鏡写真（400倍）である。回折光学レンズのマイクロパター
ン特徴構造のピッチは、図１５のものより大きく、深さも大きい。図１６のエン
ボスの形成された光学素子は、マイクロ特徴構造の山から谷間での深さは0.4マ
イクロメートルであり、ピッチが約7マイクロメートルである回折レンズのシリ
カマスタープレートによりエンボスを形成することにより設けられた。中央のレ
ンズレット（内側の円）は、約50マイクロメートルの直径を有する。図１６のエ
ンボスの形成された光学素子は、原子間力顕微鏡により分析し、前記マスタープ
レートに直接的に匹敵し、良好な複製を示した。図１７および１８は、シリカマ
スターの同じ対応する形状との、エンボスの形成された光学素子形状の比較を与
える。図１７は、シリカマスターの原子間力顕微鏡の結果のプロットであり、図
１８は、エンボスの形成された光学素子に関する対応するプロットである。

【００５１】図１７において、マスターは、明確に画成されたマイクロパターン特徴構造お
よび低いノイズレベルを有する。山から谷までの深さは約0.365μｍであり、各
々のリングは、円形パターン特徴構造の中心に面する縁において80°の傾斜を、
中心から離れる縁において86.5°の傾斜を有する。図１８の複製されたエンボス
の形成された回折光学素子のプロファイルは、ある程度のノイズと共にネガレリ
ーフ中の特徴構造の全てを複製している（山から谷までの高さは平均0.38マイク
ロメートルであり、下降傾斜は86.5°である）。

【００５２】ハイブリッド無機−有機ゾル−ゲルの組成物に関して、メチルを排除し、それ
らをエチル基により置換することにより、1550ｎｍで最低の光学損失が得られる
。特に、メチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）をエチルトリエトキシシランに
より置換し、光硬化性メタクリロキシプロピルシロキサンを排除すると、1550ｎ
ｍでより低い光学損失が得られる。したがって、本発明におけるトリエトキシシ
ランの使用については、特に、ビーム拡大ハウジングを用いて製造したコリメー
タのような、比較的長い光路を有する光学素子に関しては、エチルトリエトキシ
シランが好ましい。しかし、メチル基をそのように排除すると、前記組成物を熱
硬化させる必要が生じる。

【００５３】本発明の好ましいコリメータが、図５の光導波路デバイス20において具体化さ
れている。ハウジング35が、ファイバ末端24を含むファイバ22を収容する。円錐
光学素子収容間隙29が、拡大ビーム38を運び、その場で造形された光学表面32を
含む光学素子26のハイブリッドゾル−ゲルロッドレンズを支持し、含有する。

【００５４】好ましいビーム拡大ハウジング35（図７）を有するか、ビーム拡大ハウジング
35を有さないかのいずれかの、コリメータ光導波路デバイス20の特定の用途に関
して、光学素子26のレンズ設計は、ビームの直径、自由空間伝搬長、および発散
限界に関して開発される。そのような光学開発／設計には、造形されたレンズの
曲率半径、ビーム拡大媒質とレンズの屈折率、およびビーム拡大の距離（ファイ
バ端からレンズ表面まで）が挙げられる。一般的な発散度および結合損失要件を
達成するために、そのようなレンズのパラメータを制御しなければならず、本発
明はそのような制御を提供する。

【００５５】好ましいビーム拡大ハウジングの実施の形態において、2ｃｍの投射距離およ
び0.2ｄＢの結合損失を有するコリメータに関して、以下のパラメータおよび許
容誤差を有する設計が必要とされる：レンズの曲率半径 0.550ｎｍ ±0.01 ファイバからレンズまでの距離 1.767ｎｍ ±.002 屈折率 1.465ｎｍ ±0.001 好ましいビーム拡大ハウジングの実施の形態は、製造の時間と難しさ、および
製造コストに関して製造を経済的にしながら、精密な光学用途に必要とされるこ
れらの許容誤差を達成することができる。ハイブリッドゾル−ゲル媒質を通る増
大した光路長の点からいえば、ハイブリッドゾル−ゲル材料は、好ましくは、＜
0.1ｄＢ／ｃｍの低い損失を有するべきである。本発明のエチルシロキサンベー
スのハイブリッドゾル−ゲル組成物は、＜0.1ｄＢ／ｃｍの固有損失のために好
ましい。ハイブリッドゾル−ゲル組成物を含有するエチルシロキサンをそのよう
に使用することにより、ハイブリッドゾル−ゲルを硬化させる好ましい形態を熱
処理できる。

【００５６】エチルシロキサンを含有するハイブリッドゾル−ゲル組成物を用いて、ビーム
拡大ハウジングを有するコリメータを形成した。エチルシロキサンを含有するハ
イブリッドゾル−ゲル組成物は、62.5重量％のエチルトリエトキシシラン、14.6
重量％のフェニルトリエトキシシラン、6.5重量％のフェニルトリフルオロシラ
ン、2.7重量％のポリジメチルシロキサン、13.6重量％の水からなり、ハウジン
グ35中に収容される光ファイバ22のコア36に屈折率が適合されていた。ビーム拡
大ハウジング35は、ＮＥＧ（日本国の日本電気硝子社）から市販されている、Ｎ
ＥＧブランドのＨＣタイプ（参照番号9710-30E）のシリカガラスマイクロ毛管で
あった。そのようなガラス製のビーム拡大ハウジングは、そのハウジングが低い
ＣＴＥを有し、光学的に透明であり、本発明の光学素子と良好に結合するという
点で好ましい。ファイバ22を、レンズ表面から設計した距離でハウジング35内に
配置した。これには、ビーム拡大38の長さが固定されるという点で非常に精密な
位置決めが必要である。この位置決めは、ネガレリーフレンズ成形型64の隣りに
ハウジング35を配置することにより行った。次いで、ファイバを、ネガレリーフ
レンズ成形型64のレンズ表面に接触するまでハウジング35中にさらに押し入れ、
次いで、精密ステージにより必要とされる設計距離まで引っ込めた。この操作に
より、ハウジング35内の光ファイバの末端24の位置についてマイクロメートルレ
ベルの精度が得られる。次いで、ファイバを、光ファイバ収容端21およびファイ
バ22に紫外線硬化性エポキシを施し、その後紫外線硬化させることにより、ハウ
ジング35内の適所に固定した。次いで、ハウジング35の円錐光学素子収容間隙29
に粘性液体光学素子前駆体ハイブリッドゾル−ゲル材料を充填した。ハウジング
35は、レンズ表面を成形する前に多段階で充填しても、または一段階で充填し、
硬化させても差し支えない。ファイバ36および造成されていないある程度硬化さ
れた変形可能な塑性固体光学素子前駆体50を含有するハウジング35は、透明成形
型64を通して成形型64およびハウジング35の相対位置を観察することにより、成
形型上に配置される。透明成形型64の底部を通して、望遠レンズ系により観察す
ることにより、中心合せの精度を数マイクロメートル以内にすることができた。
光学素子26および造形されたレンズ表面32は、成形型64により造形し、造形され
たハイブリッドゾル−ゲル材料を完全に硬化させることにより形成される。

【００５７】ハウジング35を用いたコリメータの製造は、光学素子収容間隙29により、切断
なく約500マイクロメートルまでの拡大されたビームの直径が達成できるように
比較的大きな円錐部分が得られ、したがって、10ｃｍの投射距離を有するコリメ
ータを製造できるという点で好ましい。

【００５８】特に図１９を参照する。光ファイバ20および造形された光学素子26を通って伝
送された光ビームが、アイソレータ、サーキュレータ、薄膜フィルタ、または他
の従来の光学素子のような光デバイス76に入射し、それを通って伝送され、その
後、光学素子76の反対側にある第２の造形された光学素子26および第２の光ファ
イバ20により受信される。反対に、前記ビームの全てまたは一部が、光学素子76
により反射され、光学素子76の、第１のコリメータと同じ側にある、第２のコリ
メータとして働く第２の造形された光学素子26おえよび光ファイバ20により受信
されてもよい。

【００５９】前記方法および光学素子により、光ファイバの端部に光学的に機能的な末端が
得られる。その光学素子は、レンズ、回折素子、角度テーパー、または他の機能
的形態の形状をとることができる。該光学素子は、後方反射を最小にするため、
またはファイバ中への光結合を最大にするための形状を含むことができる。該光
学素子との光結合は、モードフィールドが不一致の導波路を結合しなければなら
ないとき、またはダイオードレーザのような拡散光源がファイバ中に結合される
ときのような難しい用途を含むことができる。本発明のエンボス形成技法により
、マイクロメートル以下の格子パターンから、3から50マイクロメートルまでほ
どの大きい特徴構造を有する回折レンズ要素までに及ぶマイクロパターンの特徴
構造が提供される。

【００６０】本発明の精神すなわち範囲から逸脱せずに、本発明のデバイスおよび方法に様
々な改変および変更を行えることが当業者には明白であろう。したがって、本発
明は、添付した請求項およびその同等物の範囲内に入れば、本発明の改変および
変更を包含することが意図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明が具体化されているデバイスの側面図である

【図２】図２は、本発明が具体化されているデバイスの側面図である

【図３】図３は、本発明が具体化されているデバイスの側面図である

【図４】図４は、本発明が具体化されているデバイスの側面図である

【図５】図５は、本発明が具体化されているデバイスの側面図である

【図６】図６は、本発明が具体化されているデバイスの側面図である

【図７】図７は、本発明が具体化されているデバイスの側面図である

【図８】図８は、本発明が具体化されているデバイスの側面図である

【図９】図９は、本発明が具体化されているデバイスの側面図である

【図１０】図１０は、本発明が具体化されているデバイスの側面図である

【図１１】図１１は、本発明が具体化されているデバイスおよび方法の側面図である

【図１２】図１２は、本発明が具体化されているデバイスおよび方法の側面図である

【図１３】図１３は、本発明が具体化されているデバイスおよび方法の側面図である

【図１４】図１４は、本発明を具体化したデバイスの顕微鏡写真である

【図１５】図１５は、本発明を具体化したデバイスの顕微鏡写真である

【図１６】図１６は、本発明を具体化したデバイスの顕微鏡写真である

【図１７】図１７は、図１４のデバイスの形成に用いられるシリカマスターの原子間力顕
微鏡によるプロットである

【図１８】図１８は、図１４のデバイスの原子間力顕微鏡によるプロットである

【図１９】図１９は、光ファイバおよび造形された光学素子を通って伝送される光ビーム
が、光デバイスに入射し、その後、第２の光学素子および光ファイバにより受信
されている、光ファイバコリメータとして用いられる本発明の図である

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷＦターム(参考） 2H037 CA08 CA10 CA12 CA39 2H049 AA03 AA43 AA50 AA59 AA62 AA68

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学的に機能する素子に略コリメートされたビームとして投
射すべき光信号を搬送する光ファイバに使用するためのコリメータアセンブリに
おいて、該光ファイバが末端を有し、該コリメータアセンブリが、前記光ファイバの末端を収容し、空隙を画成するフェルール、および前記光ファイバの末端から投射される前記光信号をコリメートする光学素子で
あって、該光学素子が前記空隙内に少なくとも部分的に収容され、該光学素子の
一部が、前記光ファイバの末端から放出される光信号を受信するように該光ファ
イバの末端に近接して配置され、該光学素子が、前記光学的に機能する素子に対
面し、そこから離れた造形光学表面を画成する光学素子、を含むことを特徴とするコリメータアセンブリ。
【請求項２】前記光学素子が断面を有し、該断面が、前記光ファイバの末
端に近接して配置された部分でよりも、前記光学的に機能する素子に対面した造
形光学表面でのほうが大きいことを特徴とする請求項１記載のコリメータアセン
ブリ。
【請求項３】前記断面が、前記造形された光学表面に向かって、前記光フ
ァイバの末端に近接して配置された部分を均一にほぼ拡大することを特徴とする
請求項２記載のコリメータアセンブリ。
【請求項４】前記断面が略円錐形であることを特徴とする請求項３記載の
コリメータアセンブリ。
【請求項５】前記光学素子が、変形可能な塑性固体から硬化された変形で
きない塑性固体であることを特徴とする請求項３記載のコリメータアセンブリ。
【請求項６】前記変形できない塑性固体が質量ＮＤを有し、前記変形可能
な塑性固体が質量Ｄを有し、該変形できない塑性固体の塊ＮＤが、ほぼ該変形可
能な塑性固体の質量Ｄ以下であるが、該変形できない塑性固体の質量ＮＤが、ほ
ぼ該変形可能な塑性固体の質量Ｄの約0.95倍以上であることを特徴とする請求項
５記載のコリメータアセンブリ。
【請求項７】前記変形可能な塑性固体が、容積Ｖ１を有する前駆体液体か
らある程度硬化されたものであり、該前駆体液体がほぼ粘性でありかつ溶剤を含
まず、前記変形できない塑性固体が容積Ｖ３を有し、前記変形可能な塑性固体が
容積Ｖ２を有し、該変形可能な塑性固体の容積Ｖ２が、ほぼ前記前駆体液体の容
積Ｖ１の約0.95倍以上であり、該変形できない塑性固体の容積Ｖ３が、ほぼ前記
前駆体液体の容積Ｖ１の約0.90倍および該変形可能な塑性固体の容積Ｖ２の約0.
95倍以上であることを特徴とする請求項５記載のコリメータアセンブリ。
【請求項８】前記前駆体液体が、容積Ｖ０を有する溶剤含有液体から得ら
れ、該前駆体液体の容積Ｖ１が、ほぼ該溶剤含有液体の容積Ｖ０の約半分以下で
あることを特徴とする請求項７記載のコリメータアセンブリ。
【請求項９】前記光学素子が、前記光ファイバの末端に接触し、付着され
ることを特徴とする請求項１記載のコリメータアセンブリ。
【請求項１０】前記光学素子の造形された光学表面が、レリーフ成形型お
よびネガマスタープレートからなる群より選択されるパターンから該造形された
光学表面に転写される特徴構造を画成することを特徴とする請求項１記載のコリ
メータアセンブリ。
【請求項１１】前記光学素子が、レンズ、コリメータ、ビーム拡大器、拡
大されたコアを有する導波路、光学テーパー角度、および回折格子からなる群よ
り選択されることを特徴とする請求項１記載のコリメータアセンブリ。
【請求項１２】前記光学素子がゾル−ゲル材料から形成されることを特徴
とする請求項１記載のコリメータアセンブリ。
【請求項１３】前記ゾル−ゲル材料が無機−有機ハイブリッドゾル−ゲル
材料であることを特徴とする請求項１２記載のコリメータアセンブリ。
【請求項１４】前記無機−有機ハイブリッドゾル−ゲル材料が、ケイ素原
子および酸素原子を含有する伸長マトリクスであり、該伸長マトリクス中のケイ
素原子の少なくとも一部が、置換または非置換の炭化水素部位いずれかに直接結
合していることを特徴とする請求項１３記載のコリメータアセンブリ。
【請求項１５】前記ケイ素原子の少なくとも1％が、少なくとも１つの有
機改質剤に共有結合していることを特徴とする請求項１４記載のコリメータアセ
ンブリ。
【請求項１６】前記有機改質剤が炭素原子であることを特徴とする請求項
１５記載のコリメータアセンブリ。
【請求項１７】前記有機改質剤が、1から18までの炭素原子を有する有機
基であることを特徴とする請求項１５記載のコリメータアセンブリ。
【請求項１８】前記有機基が、アルキル、フェニル、アリール、およびメ
チルからなる群より選択されることを特徴とする請求項１７記載のコリメータア
センブリ。
【請求項１９】前記無機−有機ハイブリッドゾル−ゲル材料が、ポリジメ
チルシロキサン、アルキルトリエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、メ
チルトリエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、メタクリロキシプロピ
ルトリアルコキシシラン、および少なくとも１つのフッ素原子を含有する構造改
質剤からなる群より選択される少なくとも１つの前駆体から形成されることを特
徴とする請求項１３記載のコリメータアセンブリ。
【請求項２０】前記構造改質剤がフェニルトリフルオロシラン（ＰＴＦＳ
）であることを特徴とする請求項１９記載のコリメータアセンブリ。
【請求項２１】前記無機−有機ハイブリッドゾル−ゲル材料が、アルキル
シロキサン基、フェニルシロキサン基、およびフッ素を含有することを特徴とす
る請求項１３記載のコリメータアセンブリ。
【請求項２２】前記ゾル−ゲル材料が、紫外線硬化性アルコキシシランお
よび光開始剤を含有することを特徴とする請求項１２記載のコリメータアセンブ
リ。
【請求項２３】前記紫外線硬化性アルコキシシランがメタクリロキシプロ
ピルシランであることを特徴とする請求項２２記載のコリメータアセンブリ。
【請求項２４】複数の光子の形態にある光信号を伝送するための光導波路
部材において、末端を有する光ファイバであって、該末端が、該光ファイバを通って案内され
る複数の光子のポートを提供する光ファイバ、および該光ファイバに接続されたゾル−ゲル光学素子であって、前記光ファイバを通
って案内される複数の光子を光学的に操作するように造形されたゾル−ゲル光学
素子、を含むことを特徴とする光導波路部材。
【請求項２５】前記ゾル−ゲル光学素子がビーム拡大部分を含み、前記光
導波路部材がさらに、該ゾル−ゲル光学素子のビーム拡大部分の少なくとも一部を収容するハウジン
グ、を含むことを特徴とする請求項２４記載の光導波路部材。
【請求項２６】前記ゾル−ゲル光学素子のビーム拡大部分が略円錐形状を
有することを特徴とする請求項２５記載の光導波路部材。
【請求項２７】ファイバフェルールであって、前記ハウジングに接続され
、内腔を画成し、該内腔内に前記光ファイバの末端を収容するファイバフェルー
ル、をさらに備えることを特徴とする請求項２５記載の光導波路部材。
【請求項２８】前記ゾル−ゲル光学素子が光学表面を画成し、該光学表面
が、エンボスの形成された表面、成形された表面、およびマイクロパターン表面
からなる群より選択されることを特徴とする請求項２４記載の光導波路部材。
【請求項２９】前記ゾル−ゲル光学素子が、変形可能な可塑状態にある間
に前記光ファイバに取り付けられ、該光ファイバに取り付けられている間に造形
されることを特徴とする請求項２４記載の光導波路部材。
【請求項３０】前記ゾル−ゲル光学素子が、実質的に無機のゾル−ゲルお
よび無機−有機ハイブリッドゾル−ゲルからなる群より選択されることを特徴と
する請求項２４記載の光導波路部材。
【請求項３１】末端を有する光ファイバを用いた光学成分を製造する方法
において、該末端を有する光ファイバを提供し、該光ファイバの末端に前駆体を付着させ、該前駆体をある程度硬化させて、変形可能な塑性固体光学素子を形成し、該変形可能な塑性固体光学素子を造形して、光学表面を画成し、該変形可能な塑性固体光学素子を変形できない固体光学素子に完全に硬化させ
る、各工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】前記前駆体を前記光ファイバの末端に付着させる工程が、光ファイバ収容部分および光学素子収容部分を有するハウジングを提供し、前記光ファイバの末端を該ハウジングの光ファイバ収容部分中に挿入し、該ハウジングの光ファイバ収容部分を前記前駆体で少なくとも部分的に満たす
、各工程を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３３】前記前駆体が、光重合剤と共に紫外線硬化性アルコキシシ
ランを含有し、前記前駆体をある程度硬化させる工程が、該前駆体を紫外線に露
出する工程を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３４】前記紫外線硬化性アルコキシシランがメタクリロキシプロ
ピルトリアルコキシシランであることを特徴とする請求項３３記載の方法。
【請求項３５】前記末端を有する光ファイバを提供する工程が、第１の光ファイバを提供し、該第１の光ファイバを切断し、該第１の光ファイバに第２の光導波路を融着接続し、該第２の光導波路を切断して、前記光ファイバの末端を形成する、各工程を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３６】前記第２の光導波路がシリカブランクであることを特徴と
する請求項３５記載の方法。
【請求項３７】前記第１の光ファイバが光のビームを伝送し、前記第２の
光導波路が、該第１の光ファイバにより伝送された光のビームを分散させるよう
に該第１の光ファイバからある距離で切断されることを特徴とする請求項３５記
載の方法。
【請求項３８】前記前駆体が粘性液体ゾル−ゲルであることを特徴とする
請求項３１記載の方法。
【請求項３９】前記粘性液体ゾル−ゲルが無機−有機ハイブリッドゾル−
ゲルであることを特徴とする請求項３８記載の方法。
【請求項４０】前記無機−有機ハイブリッドゾル−ゲルが、ケイ素原子お
よび酸素原子を含有する伸長マトリクスを有し、該ケイ素原子の少なくとも一部
が、置換または非置換炭化水素部分いずれかに直接結合していることを特徴とす
る請求項３９記載の方法。
【請求項４１】前記ケイ素原子の少なくとも1％が少なくとも１つの有機
改質剤に共有結合していることを特徴とする請求項４０記載の方法。
【請求項４２】前記有機改質剤が炭素原子であることを特徴とする請求項
４１記載の方法。
【請求項４３】前記有機改質剤が、1から18の炭素原子を有する有機基で
あることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４４】前記無機−有機ハイブリッドゾル−ゲルが、ポリジメチル
シロキサン、アルキルトリエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、メタ
クリロキシプロピルトリアルコキシシラン、およびフェニルトリフルオロシラン
（ＰＴＦＳ）からなる群より選択されることを特徴とする請求項３９記載の方法
。
【請求項４５】前記無機−有機ハイブリッドゾル−ゲルが、フェニルシロ
キサン基、フッ素およびエチルシロキサン基またはメチルシロキサン基のいずれ
かを含有することを特徴とする請求項３９記載の方法。
【請求項４６】前記無機−有機ハイブリッドゾル−ゲルがメタクリロキシ
プロピルシロキサン基を含有することを特徴とする請求項３９記載の方法。
【請求項４７】前記前駆体を提供する工程が、第１の化学組成物を提供し、該第１の化学組成物を加水分解して、加水分解されたゾル流動性液体を形成し
、該加水分解されたゾル流動性液体を乾燥させて、前記前駆体を生成する、各工程を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項４８】前記加水分解されたゾル流動性液体が質量を有し、前記第
１の化学組成物が質量を有し、前記前駆体が質量を有し、該前駆体の質量が、前
記加水分解されたゾル流動性液体の質量、または前記第１の化学組成物の質量の
いずれか、もしくはそれらの両方の約50％未満であることを特徴とする請求項４
７記載の方法。
【請求項４９】前記前駆体が質量を有し、該前駆体の質量の6％未満が固
体状態で失われることを特徴とする請求項４７記載の方法。
【請求項５０】前記前駆体が質量を有し、前記変形可能な塑性固体光学素
子が質量を有し、該変形可能な塑性固体光学素子の質量が、該前駆体の質量の少
なくとも約94％であることを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項５１】前記前駆体が質量を有し、前記変形できない固体光学素子
が質量を有し、該変形可能できない固体光学素子の質量が、該前駆体の質量の少
なくとも約90％であることを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項５２】前記前駆体を前記光ファイバの末端に付着させる工程が、該前駆体が、該末端を完全に濡らし、凸面メニスカスを形成するように該末端
を該前駆体に接触させる、工程を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項５３】前記変形可能な塑性固体光学素子を造形する工程が、エン
ボス形成、成形、ネガマスタープレートによるパターン形成、エッチングされた
ネガレリーフによるパターン形成からなる群より選択されるプロセスにより行わ
れることを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項５４】前記変形可能な塑性固体光学素子を造形する工程および前
記変形可能な塑性固体光学素子を変形できない固体光学素子に完全に硬化させる
工程が、同時に行われることを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項５５】前記変形可能な塑性固体光学素子を造形する工程および前
記変形可能な塑性固体光学素子を変形できない固体光学素子に完全に硬化させる
工程が、連続して行われることを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項５６】前記造形された変形可能な塑性固体光学素子を完全に硬化
させる工程が、該造形された変形可能な塑性固体光学素子を変形できない固体光学素子に硬化
に硬化させるのに十分な温度で十分な時間に亘り該造形された変形可能な塑性固
体光学素子を加熱する、工程を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項５７】前記加熱工程が、少なくとも約150℃の温度で少なくとも3
分間に亘り行われることを特徴とする請求項５６記載の方法。
【請求項５８】前記温度が約150℃から約325℃までの範囲にあることを特
徴とする請求項５７記載の方法。
【請求項５９】前記温度が約180℃から約250℃までの範囲にあることを特
徴とする請求項５７記載の方法。
【請求項６０】前記時間が約3分から約7分までの範囲にあることを特徴と
する請求項５７記載の方法。
【請求項６１】前記時間が約4分から約6分までの範囲にあることを特徴と
する請求項５７記載の方法。
【請求項６２】前記変形可能な塑性固体光学素子を造形する工程が、該変
形可能な塑性固体光学素子を、加熱されたネガマスタプレートに接触させる工程
を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項６３】前記加熱されたネガマスタプレートが少なくとも200℃の
温度を有することを特徴とする請求項６２記載の方法。