JP2004354999A

JP2004354999A - 光結合レンズ系及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004354999A
Application number: JP2004157436A
Authority: JP
Inventors: Sang-Dong Lee; 相東李; Sang-Ho Lee; 尚浩李
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2004-12-16
Also published as: CN1573383A; US20040240785A1; CN1284989C; KR20040102553A

Abstract

【課題】高い光結合効率と低価格を同時に実現可能な光結合レンズ系及びその製造方法を提供する。
【解決手段】屈曲面４３４を有する第１レンズ４１０と屈曲面４６４を有する第２レンズ４４０とを、互いの屈曲面が対向するように付着させた光結合レンズ系４００とする。両レンズはそれぞれ平坦な後面４２０，４５０を有し、屈曲面は前面４３０，４６０に形成されている。前面は、それぞれ溝４３２，４６２と該溝を取り囲む平坦な付着面４３６，４６６を含み、溝の基底面から突出したレンズ面が屈曲面４３４，４６４として形成されている。レンズは、前面の平坦な付着面を互いに付着させてある。
【選択図】図３

Description

本発明は光素子（optical device）に関し、特に相異なる二つの光素子間の光結合に使用される光結合レンズ系に関する。

光通信のためのレーザーダイオード（laser diode）と光ファイバ（optical fiber）との間の光結合のために使用される光学レンズには、低い光結合効率を有する低価格の球面レンズ（spherical lens）と、高い光結合効率を有する高価格の非球面レンズ（aspherical lens）が使用されている。

図１は典型的な球面レンズを利用した光結合過程を説明するための図である。図１には、その一面を通じて既定波長の光を出力するレーザーダイオード１１０と、レーザーダイオード１１０から出力される光１１５を収斂（converge）させるために両側面が球面を成す球面レンズ１２０と、収斂された光がその内部に結合される光ファイバ１３０とが示されている。光ファイバ（optical fiber）１３０は、光伝送媒質になるコア（core）１３２と、コア１３２を取り囲むクラッド（clad）１３４とを含む。球面レンズ１２０は球面収差（spherical aberration）を有するので、球面レンズ１２０に入射した光１１５に対して入射位置の違いに応じた収斂位置の変化が大きい。図示したように、球面レンズ１２０の中心部を通過する光１１５とその周辺部を通過する光１１５の収斂位置が相異であることが分かる。光ファイバ１３０の端面に収斂できない光１１５は全て損失されるので、光結合効率が非常に低下する。通常的に、球面レンズ１２０の光結合効率は１０％程度と低いが、その価格が安いので、広く使用されている。

図２は典型的な非球面レンズを利用した光結合過程を説明するための図である。図１には、その一面を通じて既定波長の光を出力するレーザーダイオード２１０と、レーザーダイオード２１０から出力される光２１５を収斂させるために両側面が非球面を成す非球面レンズ２２０と、収斂された光２１５がその内部に結合される光ファイバ２３０とが示されている。光ファイバ２３０は、光伝送媒質になるコア２３２と、コア２３２を取り囲むクラッド２３４とを含む。非球面レンズ２２０は、球面レンズに比べて小さい球面収差（spherical aberration）を有するように設計される。図示したように、非球面レンズ２２０の中心部を通過する光２１５の収斂位置とその周辺部を通過する光２１５の収斂位置は、球面収差が補正された非球面特性により類似であることが分かる。通常的に、非球面レンズ２２０は４０〜８０％の高い光結合効率を有するが、その価格が高い。

上述したように、典型的な光結合素子は、高い光結合効率と低価格を同時に充足させることが難しいとの問題点がある。

本発明の目的は、高い光結合効率と低価格を同時に充足させることができる光結合レンズ系及びその製造方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明に従う光結合レンズ系は、第１屈曲面を有する第１レンズと、第２屈曲面を有する第２レンズと、を有してなり、これら第１及び第２レンズはその第１及び第２屈曲面が対向するように付着されていることを特徴とする。このような第１及び第２レンズは、それぞれ平坦な後面を有し、第１及び第２屈曲面は前面に形成されているものとすることができる。その第１及び第２屈曲面をもつ前面は、それぞれ少なくとも一つの溝と該溝を取り囲む平坦な付着面を含み、溝の基底面から突出したレンズ面が屈曲面として形成されている構造とする。この場合、第１及び第２レンズは、前面の平坦な付着面を互いに付着させることができる。第１及び第２レンズそれぞれは、両面無反射コーティングすることができるし、半導体材質から形成することができる。その半導体材質としてはSi、InP、GaAsのいずれか１以上を選択可能である。

本発明によれば、このような光結合レンズ系の製造方法として、（ａ）基板の前面上に互いに離隔した少なくとも一つの空き空間を有するマスクを形成する過程と、（ｂ）そのマスクを利用してマスクの空き空間内に感光膜を形成する過程と、（ｃ）その感光膜を加熱することにより屈曲部を有するように成形する過程と、（ｄ）この感光膜をエッチングすることによりその下に位置した基板前面を成形する過程と、（ｅ）（ａ）〜（ｄ）過程により成形された二つの基板を、その前面を対向させて付着する過程と、を含むことを特徴とする光結合レンズ系の製造方法を提供する。

（ｄ）過程は、基板の前面に屈曲面を成形する工程とする。また、（ｅ）過程の前には、基板それぞれを両面無反射コーティングする過程をさらに含むことができ、さらに、少なくとも一つの基板前面に接着物質を塗布するようにしてもよい。（ｅ）過程で付着させた基板を一つ以上のレンズ系単位に切り離す過程をさらに含むことも可能である。

本発明に従う光結合レンズ系及びその製造方法は、フォトリソグラフィ工程のような半導体製造工程を利用した大量生産を可能にすることにより、低価格に製造することができるとの利点がある。

また、本発明に従う光結合レンズ系は非球面レンズ面を容易に具現できるだけではなく、従来の球面レンズに比べて高い光結合効率を有するとの利点がある。

以下、本発明に従う好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。

図３は本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系を利用した光結合過程を説明するための図であり、図４は図３に示された光結合レンズ系を示す外観斜視図であり、図５は図４に示された光結合レンズ系を示す断面を含んだ斜視図である。図３では理解の便宜のために光結合レンズ系を概略的に示したことに注意すべきである。図３には、その一面を通じて既定波長の光３１５を出力するレーザーダイオード３１０と、レーザーダイオード３１０から出力される光３１５を収斂させるための光結合レンズ系４００と、収斂された光３１５がその内部に結合される光ファイバ３２０とが示されている。光ファイバ３２０は、光伝送媒質になるコア３２２と、コア３２２を取り囲むクラッド３２４とを含む。

光結合レンズ系４００は互いに付着した第１及び第２レンズ４１０、４４０を含む。第１及び第２レンズ４１０、４４０それぞれは一つの基板を成形することにより得られる。第１及び第２レンズ４１０、４４０それぞれは平坦な後面４２０、４５０と屈曲した前面４３０、４６０を有する。各前面４３０、４６０は溝（groove）４３２、４６２と溝４３２、４６２を取り囲む平坦面４３６、４６６を含み、溝４３２、４６２内に、その基底から突出したレンズ面４３４、４６４が屈曲面として形成される。第１及び第２レンズ４１０、４４０の平坦面４３６、４６６が互いに付着される。

レーザーダイオード３１０から出力された光３１５は、第１レンズ４１０の後面４２０に入射され、高屈折率（high refractive index）を有する半導体材質の第１レンズ４１０の内部を通過した後、第１レンズ４１０の前面４３０を通じて出射される。出射された光３１５は空気層を経て第２レンズ４４０の前面４６０に入射され、高屈折率を有する半導体材質の第２レンズ４４０内部を通過した後、第２レンズ４４０の後面を通じて出射される。このような過程を経て、レーザーダイオード３１０から出力された光３１５は第１及び第２レンズ４１０、４４０により収斂され、収斂された光３１５は光ファイバ３２０の内部に結合される。第１及び第２レンズ４１０、４４０それぞれのレンズ面４３４、４６４は非球面または球面であることができ、第１及び第２レンズ４１０、４４０それぞれはシリコン、InP、GaASなどの材質で構成することができる。また、第１及び第２レンズ４１０、４４０の前面４３０、４６０と後面４２０、４５０は全て光損失を低減するために無反射コーティング（antireflection coating）することができる。

図６は図３に示された光結合レンズ系の結合効率を示すためのグラフである。図６には比較のために、光結合レンズ系４００の結合効率曲線５１０と、従来の球面レンズの結合効率曲線５２０を示している。このグラフの横軸は発光素子の光発散角度を示し、縦軸は結合効率を示す。また、発光素子から出力される光の波長は１５５０nmであり、その他の詳細は下記＜表１＞に整理されている。

図７乃至図１７は本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図である。当該製造方法は次の過程を含む。

図７を参照して第１過程を説明すると、前面６３０と後面６２０が精密研磨された半導体基板６１０を準備する。

図８を参照して第２過程を説明すると、フォトリソグラフィ（photolithography）工程を利用して、基板６１０の前面６３０上にメタル、または誘電体材質のマスク（mask）７１０を蒸着する。この時、マスク７１０の空き空間７１５はそれぞれ製造しようとするレンズ面の形状を有するようになり、ここで、マスク７１０は円形の空き空間７１５を有する。

図９を参照して第３過程を説明すると、マスク７１０の空き空間７１５ごとに感光膜７２０で覆った後、これを加熱することにより各感光膜７２０の表面を球面、または非球面形状に成形する。

図１０を参照して第４過程を説明すると、ドライエッチング（dry etching）工程を利用して、感光膜７２０をエッチングすることにより、その下に位置した基板６１０部分を屈曲成形する。各感光膜７２０の形状にそってエッチングされた基板６１０の該当部分には溝６３２が形成され、溝６３２の基底から突出されたレンズ面６３４が形成される。

図１１を参照して第５過程を説明すると、基板６１０前面６３０に残っているマスク７１０を除去する。マスク７１０により覆われていたので、前記エッチング工程によりエッチングされない基板６１０の前面６３０部分は平坦面６３６をなす。

図１２を参照して第６過程を説明すると、基板６１０の前面６３０及び後面６２０上に誘電体材質の無反射コーティング膜６４１、６４２を形成する。この第６過程まで経た基板６１０は同一の形状のレンズを有するようになる。

図１３を参照して第７過程を説明すると、基板６１０の平坦面６３６上に接着物質６５０を均一に塗布する。この時、接着物質６５０は各レンズの四隅（four corners）に均一に塗布され、該接着物質６５０ははんだ（solder）、エポキシ（epoxy）などを使用することができる。

図１４は第７過程まで経た基板６１０を示す斜視図であり、図１５は図１４に示した基板中のいずれか一つのレンズを示す部分斜視図である。図１５に示したように、本例のレンズは半導体基板６１０を成形することにより得られ、平坦な後面６２０と屈曲した前面６３０を有する。前面６３０は溝６３２と溝６３２を取り囲む平坦面６３６とを含み、溝６３２内にその基底から突出したレンズ面６３４が形成される。

図１６を参照して第８過程を説明すると、前記第７過程まで経た相異なる二つの基板、または前記第７過程まで経た基板６１０と前記第６過程まで経た他の基板６６０を、その前面６３０、６８０が対向するように積層する。この時、相異なる基板６３０、６８０の二つのレンズ面６３４、６８４が対向するように、基板６１０、６６０を整列させる。このように積層した後、接着物質６５０に熱を加えることにより二つの基板６１０、６６０を堅固に付着させる。

図１７を参照して第９過程を説明すると、付着後の基板６１０、６６０をレンズ系単位に切断する。選択的に、二つまたはそれ以上のレンズ系単位に付着後の基板６１０、６６０を切ることができる。

上述した本発明の詳細な説明では具体的な実施形態について説明したが、本発明の範囲を外れない限り多様な変形が可能なことはもちろんである。したがって、本発明の範囲は説明した実施形態に局限して定められてはいけないし、特許請求の範囲だけでなくこの許請求の範囲と均等なものにより定められなければならない。

典型的な球面レンズを利用した光結合過程を説明するための図。典型的な非球面レンズを利用した光結合過程を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系を利用した光結合過程を説明するための図。図３に示された光結合レンズ系を示す斜視図。図４に示された光結合レンズ系の断面を示す斜視図。図３に示された光結合レンズ系の結合効率を示すためのグラフ。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従う光結合レンズ系の製造方法を説明するための図。

符号の説明

４１０，４４０レンズ
４２０，４５０後面
４３０，４６０前面
４３２，４６２溝
４３４，４６４レンズ面
４３６，４６６平坦面

Claims

光結合レンズ系において、
第１屈曲面を有する第１レンズと、第２屈曲面を有する第２レンズと、を有してなり、
これら第１及び第２レンズは前記第１及び第２屈曲面が対向するように付着されていることを特徴とする光結合レンズ系。
第１及び第２レンズはそれぞれ平坦な後面を有し、第１及び第２屈曲面は前面に形成されている請求項１記載の光結合レンズ系。
第１及び第２屈曲面をもつ前面は、それぞれ少なくとも一つの溝と該溝を取り囲む平坦な付着面を含み、前記溝の基底面から突出したレンズ面が前記屈曲面として形成されている請求項２記載の光結合レンズ系。
第１及び第２レンズは、前面の平坦な付着面を互いに付着させてある請求項３記載の光結合レンズ系。
第１及び第２レンズそれぞれは両面無反射コーティングされる請求項１記載の光結合レンズ系。
第１及び第２レンズは半導体材質である請求項１記載の光結合レンズ系。
半導体材質としてSi、InP、GaAsのいずれか１以上が選択される請求項６記載の光結合レンズ系。
光結合レンズ系の製造方法において、
（ａ）基板の前面上に互いに離隔した少なくとも一つの空き空間を有するマスクを形成する過程と、
（ｂ）前記マスクを利用して前記マスクの空き空間内に感光膜を形成する過程と、
（ｃ）前記感光膜を加熱することにより屈曲部を有するように成形する過程と、
（ｄ）前記感光膜をエッチングすることによりその下に位置した基板前面を成形する過程と、
（ｅ）前記（ａ）〜（ｄ）過程により成形された二つの基板を、その前面を対向させて付着する過程と、を含むことを特徴とする光結合レンズ系の製造方法。
（ｄ）過程は、基板の前面に屈曲面を成形する請求項８記載の光結合レンズ系の製造方法。
（ｅ）過程の前に、基板それぞれを両面無反射コーティングする過程をさらに含む請求項８記載の光結合レンズ系の製造方法。
（ｅ）過程の前に、少なくとも一つの基板前面に接着物質を塗布する請求項８記載の光結合レンズ系の製造方法。
（ｅ）過程で付着させた基板を一つ以上のレンズ系単位に切り離す過程をさらに含む請求項８記載の光結合レンズ系の製造方法。