JP2004198470A

JP2004198470A - マイクロレンズアレイと光ファイバ結合系

Info

Publication number: JP2004198470A
Application number: JP2002363590A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Nakajima; 敏博中嶋
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】開口径１ｍｍ以下の両凸レンズ部を有するマイクロレンズアレイにおいて、光ファイバとの光結合効率を向上させる。
【解決手段】石英基板等の透光基板１０の一方の主面には、レジストからなるレンズパターンをエッチングにより転写して凸レンズＸ１１を形成すると共に、基板１０の他方の主面には、同様にして凸レンズｘ１１を形成する。凸レンズＸ１１，ｘ１１の曲率半径をそれぞれＲｃ，Ｒｆとし、凸レンズＸ１１の焦点距離をＬｃとし、凸レンズＸ１１，ｘ１１を含む両凸レンズ部の厚さをＴｍとしたとき、Ｒｃ≧Ｒｆ、Ｌｃ＞Ｔｍ、Ｔｍ≦１ｍｍとなるように両凸レンズ部を構成する。両凸レンズ部の焦点距離が短いので、開口数（ＮＡ）を大きく設定でき、光ファイバＦ１１との光結合効率が向上する。焦点距離が短いことから、平行光とした後の光ビーム径Ｄｂを小さくすることができ、平行光を受取るマイクロレンズアレイを小型化できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、開口径１ｍｍ以下の両凸レンズ部を有するマイクロレンズアレイと、このマイクロレンズアレイを用いた光ファイバ結合系とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、開口径１ｍｍ以下の両凸レンズ部を有するマイクロレンズアレイとしては、図１１に示すような液晶ディスプレイ用のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
透光基板１の一方の主面には、凸レンズ１ａが形成されると共に、基板１の他方の主面には、凸レンズ１ｂが形成されている。凸レンズ１ａは、焦点距離が基板１の厚さｔより小さくなるように形成され、凸レンズ１ｂは、曲率半径が凸レンズ１ａより小さくなるように形成されている。凸レンズ１ａに入射した光は、凸レンズ１ｂを介して基板１から焦点距離Ｌだけ隔てた位置に集光する。
【０００４】
基板１から焦点距離Ｌだけ隔てた位置には、液晶パネル２が配置されている。凸レンズ１ｂからの射出光は、液晶パネル２の窓部２ａに入射する。窓部２ａでは、制御部２ｂにより画素毎に光の透過と遮断が制御される。焦点距離Ｌは、基板１及びパネル２間に冷却風を通すことを考慮して３ｍｍ程度に設定される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２０８００６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したマイクロレンズアレイによると、光ファイバからの射出光を平行光に変換する用途に用いた場合、焦点距離Ｌが長いため、開口数（ＮＡ）を大きく設定できず、光ファイバとの光結合効率が低い（光結合損失が大きい）。このため、光ファイバからの射出光を効率良く平行光に変換できないという問題点がある。
【０００７】
この発明の目的は、光ファイバとの光結合効率が高い新規なマイクロレンズアレイと、このマイクロレンズアレイを用いて小型化された新規な光ファイバ結合系とを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るマイクロレンズアレイは、透光基板の一方の主面に形成された開口径１ｍｍ以下の第１の凸レンズと、前記透光基板の他方の主面に形成され、開口径が１ｍｍ以下の第２の凸レンズとを含む両凸レンズ部を有するマイクロレンズアレイであって、
前記第１及び第２の凸レンズの曲率半径をそれぞれＲｃ及びＲｆとし、前記第１の凸レンズの焦点距離をＬｃとし、前記両凸レンズ部の厚さをＴｍとしたとき、Ｒｃ≧Ｒｆ、Ｌｃ＞Ｔｍ、Ｔｍ≦１ｍｍとなるように前記両凸レンズ部を構成したことを特徴とするものである。
【０００９】
この発明のマイクロレンズアレイによれば、両凸レンズ部の焦点距離を例えば０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度に短くすることができるので、開口数（ＮＡ）を大きく設定することができ、光ファイバとの光結合効率が向上する。このため、光ファイバからの射出光を効率良く平行光に変換することができる。また、焦点距離が短いことから、平行光とした後の光ビーム径を例えば０．３ｍｍ以下に小さくすることができ、平行光を受取るマイクロレンズアレイを小型化することができる。
【００１０】
この発明に係る光ファイバ結合系は、
第１の透光基板の一方の主面に形成された開口径１ｍｍ以下の第１の凸レンズと、前記第１の透光基板の他方の主面に形成され、開口径が１ｍｍ以下の第２の凸レンズとを含む第１の両凸レンズ部を有する第１のマイクロレンズアレイであって、前記第１及び第２の凸レンズの曲率半径をそれぞれＲｃ_１，Ｒｆ_１とし、前記第１の凸レンズの焦点距離をＬｃ_１とし、前記第１の両凸レンズ部の厚さをＴｍ_１としたとき、Ｒｃ_１≧Ｒｆ_１、Ｌｃ_１＞Ｔｍ_１、Ｔｍ_１≦１ｍｍとなるように前記第１の両凸レンズ部を構成したものと、
第２の透光基板の一方の主面に形成された開口径１ｍｍ以下の第３の凸レンズと、前記第２の透光基板の他方の主面に形成され、開口径が１ｍｍ以下の第４の凸レンズとを含む第２の両凸レンズ部を有し、前記第１の凸レンズからの射出光が前記第３の凸レンズに入射するように前記第１のマイクロレンズアレイに対向して配置された第２のマイクロレンズアレイであって、前記第３及び第４の凸レンズの曲率半径をそれぞれＲｃ_２，Ｒｆ_２とし、前記第３の凸レンズの焦点距離をＬｃ_２とし、前記第２の両凸レンズ部の厚さをＴｍ_２としたとき、Ｒｃ_２≧Ｒｆ_２、Ｌｃ_２＞Ｔｍ_２、Ｔｍ_２≦１ｍｍとなるように前記第２の両凸レンズ部を構成したものと、
前記第２の凸レンズに光を入射するように配置された第１の光ファイバと、
前記第２の凸レンズに入射した光を前記第１の凸レンズ、前記第３の凸レンズ及び前記第４の凸レンズを介して受取るように配置された第２の光ファイバと
を備えたものである。
【００１１】
この発明の光ファイバ結合系によれば、第１及び第２の両凸レンズ部の焦点距離を短くすることができると共に第１の両凸レンズ部で平行光とした後の光ビーム径を小さくすることができるため、小型で光結合効率の高い光ファイバ結合系を実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイの両凸レンズ部に光ファイバから光を入射する様子を示すもので、図２には、図１のマイクロレンズアレイの光射出側のレンズ配置を示す。
【００１３】
石英基板等の透光基板１０の一方の主面には、レジストからなるレンズパターンをエッチングにより転写して１６個の凸レンズＸ１１〜Ｘ１４，Ｘ２１、Ｘ２２…、Ｘ３１…、Ｘ４１…が行列状に形成されると共に、基板１０の他方の主面には、同様にしてｘ１１等の１６個の凸レンズがＸ１１等の凸レンズにそれぞれ対向する位置に形成されている。
【００１４】
基板１０の一方の主面に形成されたＸ１１等の各凸レンズの開口径は、１ｍｍ以下とし、基板１０の他方の主面に形成されたｘ１１等の各凸レンズの開口径も１ｍｍ以下とする。凸レンズＸ１１，ｘ１１を含む両凸レンズ部の厚さ（凸レンズＸ１１の頂点と凸レンズｘ１１の頂点との間の距離）Ｔｍは、１ｍｍ以下（Ｔｍ≦１ｍｍ）とし、他の対向レンズ毎の両凸レンズ部の厚さも１ｍｍ以下とする。凸レンズＸ１１，ｘ１１の曲率半径をそれぞれＲｃ，Ｒｆとし、凸レンズＸ１１の焦点をＬｃとしたとき、Ｒｃ≧Ｒｆ、Ｌｃ＞Ｔｍとなるように凸レンズＸ１１，ｘ１１を含む両凸レンズ部を形成し、他の対向レンズ毎の両凸レンズ部も同様に形成する。Ｒｃ、Ｒｆの具体例としては、Ｒｃ＝０．２７、Ｒｆ＝０．２とすることができる。
【００１５】
一例として、透光基板１０は、正方形状のもので、一辺の長さＡを１．５ｍｍ、厚さＴを０．５ｍｍとすることができる。また、図２に示されるＸ１１等の各凸レンズの直径は０．２５ｍｍ、Ｘ１１，Ｘ１２等の隣り合う凸レンズ間のピッチ（レンズ中心間の距離）Ｐは０．２５ｍｍとすることができる。
【００１６】
図１，２に関して上記したマイクロレンズアレイによれば、Ｘ１１，ｘ１１等の対向レンズ毎の両凸レンズ部の焦点距離は、０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度に短くすることができる。このため、レンズ開口径が１ｍｍ以下であっても、開口数（ＮＡ）を大きく設定でき（ＮＡ＞３．０）、光ファイバとの光結合効率が向上する（光結合損失＜０．５ｄＢ）。従って、光ファイバＦ１１の射出光を効率良く平行光に変換することができる。
【００１７】
その上、焦点距離が短いことから、コリメート後（平行光とした後）の光ビーム径Ｄｂを例えば０．３ｍｍ程度に小さくすることができ、平行光を受取るマイクロレンズアレイを小型化することができる。
【００１８】
図３は、上記したようなマイクロレンズアレイを用いて構成された光ファイバ結合系を示すもので、図１，２と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００１９】
マイクロレンズアレイ１０Ａは、図１，２に関して前述したと同様のもので、
Ｘ１１〜Ｘ１４は、透光基板１０の光射出側の面に形成された凸レンズ、ｘ１１〜ｘ１４は、基板１０の光入射側の面に凸レンズＸ１１〜Ｘ１４にそれぞれ対向して形成された凸レンズである。マイクロレンズアレイ２０Ａは、マイクロレンズアレイ１０Ａと同様の構成を有するもので、Ｙ１１〜Ｙ１４は、透光基板２０の光入射側の面に形成された凸レンズ、ｙ１１〜ｙ１４は、基板２０の光射出側の面に凸レンズＹ１１〜Ｙ１４にそれぞれ対向して形成された凸レンズである。
【００２０】
マイクロレンズアレイ１０Ａにおいて、基板１０は、図２に示したように正方形状のもので、一辺の長さＡを１．５ｍｍ、厚さＴを０．５ｍｍとすることができる。基板１０の光射出側の面において、Ｘ１１等の各凸レンズの直径は０．２５ｍｍ、Ｘ１１，Ｘ１２等の隣り合うレンズ間のピッチＰは０．２５ｍｍ、ｘ１１，Ｘ１１等の対向レンズ毎の両凸レンズ部の厚さＴｍ（図１参照）は１ｍｍ以下（例えば０．５ｍｍ）とすることができる。Ｘ１１等の各凸レンズの曲率半径Ｒｃは０．７２、ｘ１１等の各凸レンズの曲率半径Ｒｆは０．２とすることができる。マイクロレンズアレイ２０Ａにおいて、基板２０は、基板１０と同様に正方形状のもので、一辺の長さを１．５ｍｍ、厚さを０．５ｍｍとすることができる。基板２０の光入射側の面において、Ｙ１１等の各凸レンズの直径は０．２５ｍｍ、Ｙ１１，Ｙ１２等の隣り合うレンズ間のピッチＰは０．２５ｍｍ、ｙ１１，Ｙ１１等の対向レンズ毎の両凸レンズ部の厚さＴｍは１ｍｍ以下（例えば０．５ｍｍ）とすることができる。Ｙ１１等の各凸レンズの曲率半径は０．７２とし、ｙ１１等の各凸レンズの曲率半径は０．２とすることができる。
【００２１】
マイクロレンズアレイ１０Ａ，２０Ａは、凸レンズＸ１１〜Ｘ１４からの射出光が凸レンズＹ１１〜Ｙ１４にそれぞれ入射するように互いに対向して配置されている。凸レンズＸ１１〜Ｘ１４と凸レンズＹ１１〜Ｙ１４との間の間隔Ｄｍは、１１ｍｍとすることができる。
【００２２】
光ファイバＦ１１〜Ｆ１４は、いずれもシングルモード光ファイバであり、光射出端が斜め研磨されている。光ファイバＦ１１〜Ｆ１４は、それぞれ凸レンズｘ１１〜ｘ１４に光を入射するように配置されている。
【００２３】
光ファイバＦ２１〜Ｆ２４は、いずれもシングルモード光ファイバであり、受光端が斜め研磨されている。光ファイバＦ２１〜Ｆ２４は、それぞれ凸レンズｙ１１〜ｙ１４から光を受取るように配置されている。
【００２４】
図３に示した光ファイバ結合系によれば、ｘ１１，Ｘ１１等の対向レンズ毎の両凸レンズ部の焦点距離を０．３ｍｍ〜１ｍｍ程度に短くすることができるため、コリメート後の光ビーム系Ｄｂを０．３ｍｍ以下に小さくすることができ、細い平行光が得られる。このため、Ｙ１１，Ｙ１２等の隣り合う凸レンズ間において、一方の凸レンズから他方の凸レンズへの光の混入を防ぐことができる。また、Ｘ１１，Ｘ１２等の凸レンズ間のピッチＰが０．２５ｍｍ程度に狭くても、開口数（ＮＡ）を０．３以上とすることができる。これらの理由により、小型で光結合効率が高い光ファイバ結合系を実現することができる。マイクロレンズアレイ１０Ａ及び２０Ａ間の間隔Ｄｍを１１ｍｍとしたとき、光結合損失を０．５ｄＢ以下とすることができた。
【００２５】
図４〜１０は、この発明に係るマイクロレンズアレイの製法の一例を示すものである。
【００２６】
図４の工程では、石英からなる透光基板１０の一方の主面に位置合わせマーク形成パターン１２ａを有するリフトオフ用のレジスト層１２をホトリソグラフィ処理により形成する。
【００２７】
図５の工程では、レジスト層１２を覆ってＣｒ（クロム）層１４をスパッタ法により形成する。Ｃｒ層１４の一部は、レジスト層１２の位置合せマスク形成パターン１２ａを介して基板１０の表面に付着する。
【００２８】
図６の工程では、リフトオフ処理によりレジスト層１２をその上のＣｒ層１４と共に除去してＣｒ層１４の残存部からなる位置合せマーク１４ａを基板１０の一方の主面に形成する。
【００２９】
図７の工程では、位置合わせマーク１４ａを利用したホトリソグラフィ処理により基板１０の一方の主面に所望の４個の凸レンズに対応するレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１４を形成する。そして、レジスト層Ｒ１１〜Ｒ１４に熱処理を施してレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１４をリフローさせることによりレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１４が球面状凸部をなすようにする。予め位置合せマーク１４ａをＲ１１等のレジスト層より小さいサイズで形成しておくと、リフロー処理後には、位置合せマーク１４ａを覆うレジスト層ＲａがＲ１１等のレジスト層に比べて高くなる。
【００３０】
図８の工程では、レジスト層Ｒ１１〜Ｒ１４及び基板１０の一方の主面にエッチング処理を施してレジスト層Ｒ１１〜Ｒ１４にそれぞれ対応する凸レンズＸ１１〜Ｘ１４を基板１０の一方の主面に形成する。このとき、レジスト層ＲａがＲ１１等のレジスト層に比べて高いため、位置合せマーク１４ａの上にレジスト層Ｒａが薄く残る状態となり、位置合せマーク１４ａがエッチングから保護される。
【００３１】
図９の工程では、位置合せマーク１４ａを利用したホトリソグラフィ処理により基板１０の他方の主面に凸レンズＸ１１〜Ｘ１４にそれぞれ対向してレジスト層ｒ１１〜ｒ１４を形成する。そして、レジスト層ｒ１１〜ｒ１４に熱処理を施してレジスト層ｒ１１〜ｒ１４をリフローさせることによりレジスト層ｒ１１〜ｒ１４が球面状凸部をなすようにする。
【００３２】
図１０の工程では、レジスト層ｒ１１〜ｒ１４及び基板１０の他方の主面にエッチングを施してレジスト層ｒ１１〜ｒ１４にそれぞれ対応する凸レンズｘ１１〜ｘ１４を形成する。図９の工程においてｒ１１等の各レジスト層の直径や曲率半径を図７に示したＲ１１等の各レジスト層に比べて小さくすることによりｘ１１等の各凸レンズの直径や曲率半径をＸ１１等の各凸レンズに比べて小さくすることができる。
【００３３】
上記した製法によれば、図７，９のホトリソグラフィ処理において共通の位置合せマーク１４ａを基準として露光処理を行なうので、ｘ１１，Ｘ１１等の対向レンズ毎に光軸を合せて両凸レンズ部を形成することができ、製造歩留りが向上する。
【００３４】
なお、上記した製法では、基板１０の各主面において凸レンズを一次元的に配置する例を示したが、この例と同様にして基板１０の各主面において凸レンズを二次元的に配置することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、開口径１ｍｍ以下の両凸レンズ部を有するマイクロレンズアレイにおいて、両凸レンズ部を構成する一方及び他方の凸レンズの曲率半径をＲｃ，Ｒｆとし、一方の凸レンズの焦点距離をＬｃとし、両凸レンズ部の厚さをＴｍとしたとき、Ｒｃ≧Ｒｆ、Ｌｃ＞Ｔｍ、Ｔｍ≦１ｍｍとなるように両凸レンズ部を構成したので、両凸レンズ部の焦点距離を大幅に短縮することができ、光ファイバとの光結合効率が向上すると共に光ファイバ結合系の小型化が可能になる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係るマイクロレンズアレイの両凸レンズ部を示す断面図である。
【図２】図１のマイクロレンズアレイの光射出側のレンズ配置を示す斜視図である。
【図３】この発明に係るマイクロレンズアレイを用いた光ファイバ結合系を示す光路図である。
【図４】この発明に係るマイクロレンズアレイの製法の一例におけるレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図５】図４の工程に続くＣｒ層形成工程を示す断面図である。
【図６】図５の工程に続くリフトオフ工程を示す断面図である。
【図７】図６の工程に続くレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図８】図７の工程に続くレンズ形成工程を示す断面図である。
【図９】図８の工程に続くレジスト層形成工程を示す断面図である。
【図１０】図９の工程に続くレンズ形成工程を示す断面図である。
【図１１】従来のマイクロレンズアレイの両凸レンズ部を示す断面図である。
【符号の説明】
１０，２０：透光基板、１０Ａ，２０Ａ：マイクロレンズアレイ、１２，Ｒａ，Ｒ１１〜Ｒ１４，ｒ１１〜ｒ１４：レジスト層、１４：Ｃｒ層、１４ａ：位置合せマーク、Ｘ１１〜Ｘ１４，Ｘ２１，Ｘ２２，Ｘ３１，Ｘ４１，ｘ１１〜ｘ１４，Ｙ１１〜Ｙ１４，ｙ１１〜ｙ１４：凸レンズ、Ｆ１１〜Ｆ１４，Ｆ２１〜Ｆ２４：光ファイバ。

Claims

透光基板の一方の主面に形成された開口径１ｍｍ以下の第１の凸レンズと、前記透光基板の他方の主面に形成され、開口径が１ｍｍ以下の第２の凸レンズとを含む両凸レンズ部を有するマイクロレンズアレイであって、
前記第１及び第２の凸レンズの曲率半径をそれぞれＲｃ及びＲｆとし、前記第１の凸レンズの焦点距離をＬｃとし、前記両凸レンズ部の厚さをＴｍとしたとき、Ｒｃ≧Ｒｆ、Ｌｃ＞Ｔｍ、Ｔｍ≦１ｍｍとなるように前記両凸レンズ部を構成したことを特徴とするマイクロレンズアレイ。
第１の透光基板の一方の主面に形成された開口径１ｍｍ以下の第１の凸レンズと、前記第１の透光基板の他方の主面に形成され、開口径が１ｍｍ以下の第２の凸レンズとを含む第１の両凸レンズ部を有する第１のマイクロレンズアレイであって、前記第１及び第２の凸レンズの曲率半径をそれぞれＲｃ_１，Ｒｆ_１とし、前記第１の凸レンズの焦点距離をＬｃ_１とし、前記第１の両凸レンズ部の厚さをＴｍ_１としたとき、Ｒｃ_１≧Ｒｆ_１、Ｌｃ_１＞Ｔｍ_１、Ｔｍ_１≦１ｍｍとなるように前記第１の両凸レンズ部を構成したものと、
第２の透光基板の一方の主面に形成された開口径１ｍｍ以下の第３の凸レンズと、前記第２の透光基板の他方の主面に形成され、開口径が１ｍｍ以下の第４の凸レンズとを含む第２の両凸レンズ部を有し、前記第１の凸レンズからの射出光が前記第３の凸レンズに入射するように前記第１のマイクロレンズアレイに対向して配置された第２のマイクロレンズアレイであって、前記第３及び第４の凸レンズの曲率半径をそれぞれＲｃ_２，Ｒｆ_２とし、前記第３の凸レンズの焦点距離をＬｃ_２とし、前記第２の両凸レンズ部の厚さをＴｍ_２としたとき、Ｒｃ_２≧Ｒｆ_２、Ｌｃ_２＞Ｔｍ_２、Ｔｍ_２≦１ｍｍとなるように前記第２の両凸レンズ部を構成したものと、
前記第２の凸レンズに光を入射するように配置された第１の光ファイバと、
前記第２の凸レンズに入射した光を前記第１の凸レンズ、前記第３の凸レンズ及び前記第４の凸レンズを介して受取るように配置された第２の光ファイバと
を備えた光ファイバ結合系。