JP2005520202A - ファイバーアレイおよびファイバーアレイ作製方法 - Google Patents
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Abstract
コリメータアレイ、ファイバーアレイおよびファイバーアレイを作製する方法が記載されている。一実施形態において、ファイバーアレイは複数の光ファイバーと、それぞれに１つずつ光ファイバーが固定される複数の孔を備えたガラスプレートと含み、この孔は、エッチング後にガラスプレートとなる、露光および加熱された感光性ガラス内の複数の乳白領域をエッチングによって除去することによって形成される。別の実施形態において、ファイバーアレイは複数の光ファイバーと、それぞれに１つずつ光ファイバーが固定される複数の孔を備えたガラスプレートと含み、この孔は、露光および加熱された感光性ガラス内の複数の乳白領域をエッチングによって除去することによって形成される。感光性ガラスはエッチング後に複数の大きめの孔を備えたガラスプレートとなり、これらの大きめの孔には成形可能材料が充填され、その後、孔を形成するために穿孔される。
Description
本出願は、ダノックス他の名義で２００２年３月１４日に出願された「ファイバーアレイおよびファイバーアレイ作製方法（Ｆｉｂｅｒ Ａｒｒａｙ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ Ｔｈｅ Ｆｉｂｅｒ Ａｒｒａｙ）」と題された米国仮特許出願第６０／３６４，７００号の特典を主張するものである。
本発明は、全般的には光エレクトロニクス分野に関し、特に、ファイバーアレイ、レンズアレイに結合されてコリメータアレイを形成するファイバーアレイを作製する方法に関する。
光エレクトロニクス分野において、今日、もっとも重要な設計課題のうちの１つは、広範囲の温度にわたって適切に機能し得る改良型の新たなコリメータアレイを開発することである。図１Ａ〜１Ｅを参照すると、広範囲の温度にわたって満足には動作していない従来の３×３コリメータアレイ１００のさまざまな図が示されている。従来のコリメータアレイ１００は、レンズアレイ１１０とファイバーアレイ１２０（図１Ａ〜１Ｅ参照）を備えている。レンズアレイ１１０（例えば、平凸マイクロレンズアレイ１１０）内には、レンズ１３０のアレイが形成されている（図１Ｂ参照）。ファイバーアレイ１２０の中には、光ファイバー１４０のアレイが取り付けられている（図１Ｂ参照）。一般に従来の組立式のコリメータアレイ１００は、レンズアレイ１１０をファイバーアレイ１２０および光ファイバー１４０から物理的に分離させたものとすることができる（図１Ｂ参照）。
あるいは、従来の組立式コリメータアレイ１００は、レンズアレイ１１０をファイバーアレイ１２０および光ファイバー１４０に物理的に連結させたものとすることもできる（図１Ｃ参照）。
従来のコリメータアレイ１００の光ファイバー１４０は、適切に動作するために、レンズ１３０とアライメントされる必要があり、環境温度に関係なくレンズ１３０とのアライメントが維持される必要がある。従来のコリメータアレイ１００の光ファイバー１４０は、残念なことに、環境温度に変化があった場合にはレンズ１３０とのアライメントが維持されない。これは、従来のファイバーアレイ１２０が、従来のレンズアレイ１１０を作るために使用される材料と同じ熱膨張係数（ＣＴＥ）を持っていない材料から作られるからである。従来のファイバーアレイ１２０のＣＴＥが従来のレンズアレイ１１０のＣＴＥと異なっている場合、温度が変化すると、従来のファイバーアレイ１２０は従来のレンズアレイ１１０と異なった収縮および膨張を示し、それによってレンズ１３０と光ファイバー１４０との間のアライメントに悪影響が及ぶ（図１Ｄ〜１Ｅ参照）。この問題は、より大型の従来のコリメータアレイ１００において特に顕著である。
このため、温度変化があった場合にレンズアレイと同様に収縮および膨張するファイバーアレイを有するコリメータアレイが必要とされている。上記および他の必要は、本発明のコリメータアレイ、ファイバーアレイおよび方法によって満たされる。
本発明は、コリメータアレイと、ファイバーアレイと、ファイバーアレイを作製する方法とを含む。一実施態様において、ファイバーアレイは、複数の光ファイバーと、それぞれに１つずつ光ファイバーが固定される複数の孔を備えたガラスプレートとを含み、該複数の孔は、露光および加熱された感光性ガラス内に存在する複数の乳白領域をエッチングによって除去することによって形成され、感光性ガラスはエッチング後にガラスプレートとなる。別の実施形態において、ファイバーアレイは複数の光ファイバーと、それぞれに１つずつ光ファイバーが固定される複数の孔を備えたガラスプレートと含み、この孔は、露光および加熱された感光性ガラス内の複数の乳白領域をエッチングによって除去することによって形成される。感光性ガラスはエッチング後に複数の大きめの孔を備えたガラスプレートとなり、これらの大きめの孔には成形可能材料が充填され、その後、孔を形成するために穿孔される。
添付する図面と関連させて以下の詳細な説明を参照することによって本発明のより完全な理解が得られるであろう。
図２〜１４を参照すると、ファイバーアレイの２種類の実施形態と、本発明にしたがうファイバーアレイを作製するための２通りの好ましい方法が開示されている。本発明をさらによく説明するために、ファイバーアレイおよびファイバーアレイを作製する方法に関する詳細な説明の前に、コリメータアレイに関する詳細な説明を載せる。
図２Ａ〜２Ｅを参照すると、本発明にしたがう、広範囲の温度にわたって良好に機能する具体例としての３×３コリメータアレイ２００のさまざまな図が示されている。本発明のコリメータアレイはレンズ２３０の３×３アレイと光ファイバー２４０とに限定されるものではなく、レンズ２３０および光ファイバー２４０をいくつ含んでも差支えないことに注意すべきである。従来のコリメータアレイ１００と同様に、コリメータアレイ２００はレンズアレイ２１０とファイバーアレイ２２０と備えている。
レンズアレイ２００（例えば、平凸マイクロレンズアレイ２１０）内には、レンズ２３０のアレイが形成されている（図２Ｂ参照）。
ファイバーアレイ２２０の中には、光ファイバー２４０のアレイが取り付けられている（図２Ｂ参照）。一般に、組立式のコリメータアレイ２００は、レンズアレイ２１０を、ファイバーアレイ２２０および光ファイバー２４０から物理的に分離させたものとすることができる（図２Ｂ参照）。あるいは、組立式のコリメータアレイ２００は、レンズアレイ２１０をファイバーアレイ２２０および光ファイバー２４０に物理的に連結させたものとすることもできる（図２Ｃ参照）。
従来のコリメータアレイ１００とは異なり、コリメータアレイ２００の光ファイバー２４０は、レンズ２３０とアライメントされ、環境温度に関係なくレンズ２３０とのアライメントを維持する。特に、コリメータアレイ２００は、−４０℃と１００℃の間の温度範囲においてレンズ２３０とのアライメントを維持する光ファイバー２４０を有する。これができるのは、レンズアレイ２１０を作るために使用される材料と同じＣＴＥを有する材料からファイバーアレイ２２０が作られるからである。ファイバーアレイがレンズアレイ２１０と同じＣＴＥを有する場合、温度が変化するのに伴い、ファイバーアレイ２２０はレンズアレイ２１０と同じように収縮および膨張する。したがって、従来のコリメータアレイ１００のレンズ１３０と光ファイバー１４０の間のアライメントが温度変化中に失われたようには、レンズ２３０と光ファイバー２４０の間のアライメントは失われない。（図２Ｄ〜２Ｅと図１Ｄ〜ｌＥを比較されたい）。
ファイバーアレイ２２０とレンズアレイ２１０に確実に一致したＣＴＥを持たせるために、レンズアレイ２１０を作るのに使用されたものと同じ材料でファイバーアレイ２２０を作ることができる。今日、市販されているレンズアレイ２１０の中には、ＳＭＩＬＥ（登録商標）プロセスによる紫外線照射工程および熱処理工程にかけた感光性ガラスプレート（例えば、米国特許第４５７２６１１号明細書、米国特許第４５１８２２２号明細書、米国特許第５０６２８７７号明細書参照）から作製されるものもある。よって、ファイバーアレイ２２０を作るのに使用される材料を感光性ガラスプレートとすることもできる。好ましい実施形態において、感光性ガラスプレートは、コーニング社（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）から商標名ＦＯＴＯＦＯＲＭ（登録商標）ガラスとして販売されている光核形成可能（ｐｈｏｔｏｎｕｃｌｅａｂｌｅ）、結晶化可能なケイ酸リチウムガラス体から作製される。ＦＯＴＯＦＯＲＭガラスの組成に関する詳細な説明は、米国特許第２３２６０１２号明細書、米国特許第２４２２４７２号明細書、米国特許第２５１５９３６号明細書、米国特許第２５１５９３８号明細書、米国特許第２５１５２７５号明細書、米国特許第２５１５９４２号明細書、米国特許第２５１５９４３号明細書に記載されおり、その内容を文献引用によって本願明細書に組み込んだものとする。
基本的に、好ましい実施形態では、ファイバーアレイ２２０は、一連の孔が形成され、各孔に光ファイバー２４０が固定されているガラスプレートである。このガラスプレートは、もともとは感光性ガラスプレート（例えば、ＦＯＴＯＦＯＲＭガラスプレート）であり、これに方法３００および１２００に関連して下記に記載される２種類のプロセスの一方が施されたものである（図３および１２参照）。ファイバーアレイ２００の作製する方法は２種類（方法３００および１２００）があるので、２種類のファイバーアレイ２２０’および２２０’’を以下に説明する。
図３および４Ａ〜４Ｅを参照すると、ファイバーアレイ２２０’の第１の実施形態を作るための好ましい方法３００のフローチャートと、好ましい方法３００のさまざまな工程のファイバーアレイ２２０’のさまざまな側断面図と上面図がそれぞれ示されている。
初めに工程３０２において、フォトマスク４０２が感光性ガラスプレート４０４と接触するように配置される（図４Ａ参照）。好ましい実施形態において、感光性ガラスプレート４０４は、コーニング社によって商標名ＦＯＴＯＦＯＲＭガラスとして販売されている光核形成可能（ｐｈｏｔｏｎｕｃｌｅａｂｌｅ）、結晶化可能なケイ酸リチウムである。一般に直径６２ｍｍのウェーハである感光性ガラスプレート４０４を研削または研磨して、１つ以上のファイバーアレイ２２０’となる適切なサイズの基材を作る（図６Ａおよび６Ｂ参照）。但し、分かりやすくするために、図４Ａ〜４Ｇに示されている感光性ガラスプレート４０４は、１つのファイバーアレイ２２０’だけを作るように使用される。
接点は、フォトマスク４０２と感光性ガラスプレート４０４と間の空気界面４０３とすることができる。空気界面４０３を有するのではなく、空隙４０３を無くし、空隙４０３が引き起し得る光の反射および／または散乱を無くすのを助けるために、グリセリンなど、ガラスの屈折率とほぼ一致するオイルを、フォトマスク４０２と感光性ガラスプレート４０４の間の媒質として使用することもできる。
工程３０４において、フォトマスク４０２および感光性ガラスプレート４０４の選択領域に紫外線４０６が照射される（図４Ｂ参照）。好ましい実施形態において、フォトマスク４０２は、クロムを石英に積層したフォトマスク４０２である。このフォトマスクは感光性ガラスプレート４０４上の露光パターンをコントロールするために使用される。クロムを石英に積層したフォトマスク４０２は、石英基板４０２ａとクロム層４０２ｂを備える。感光性ガラスプレート４０４内で乳白領域４０６（陰付き領域として示されている）が望まれる場所には、フォトマスク４０２のクロム層４０２ｂのクロムが無い。詳細には、それぞれの乳白領域４０６は、ガラス相とメタケイ酸リチウムのナノ結晶相の複合体であり、ナノ結晶相は複合体の約２０容量％である。また、感光性ガラスプレート４０４内でガラス領域４０８（透明領域として示されている）が望まれる場所には、フォトマスク４０２のクロム層４０２ｂのクロムが存在している。一般に、照射工程３０４と熱処理工程３０６の間は、感光性ガラスプレート４０４の方向が維持される。
照射工程３０４は、感光性ガラスプレート４０４に乳白相（未来の乳白領域４０６）の核を形成するのに十分なエネルギーを備え且つ感光性ガラスプレート４０４を通して照射の範囲を適切に限定するに足る視準性を備えた紫外線または短波放射線を生じさせることが可能な方法であれば、どのような方法で実施することもできる。例えば、１００Ｗの紫外線キセノンランプ（例えば、Ｈａｎｏｖｉａ Ｌ５１７９またはＯＲＥＩＬ ６２７１）を使用して感光性ガラスプレート４０４を照射できる。この例では、フォトマスク４０２および感光性ガラスプレート４０４に印加される光パワーは、照度１．０６ルクス、照射波長２４０〜４００ｎｍ（最も好ましくは３００〜３５０ｎｍ）、１２分間であり、この範囲から外れる場合、照射時間が長くなる。照射工程３０４の後、フォトマスク４０２は感光性ガラスプレート４０４から分離される。必要であれば、塵、汚れ、残留物等を取り除くために、照射後の感光性ガラスプレート４０４を石鹸と水で洗浄する。
完成品においてガラス領域４０８であることが望ましい領域に少量の乳白が形成されることを防止するために、熱処理工程３０６以前の全段階で感光性ガラスプレート４０４を周囲紫外線（例えば、太陽光、フィルターを通していない人工光）の被曝から保護する必要があることを理解すべきである。
工程３０６において、露光後の感光性ガラスプレート４０４を加熱し、その内部に乳白領域４０６（陰付き領域として示される）およびガラス領域４０８（透明領域として示される）（図４Ｃ参照）を形成させる。好ましい実施形態において、熱処理工程３０６は露光後の感光性ガラスプレート４０４を固定プレートに載せた状態で炉またはオーブン（例えば、焼なまし炉）の中で行われる。詳細には、露光後の感光性ガラスプレート４０４は、露光後の感光性ガラスプレート４０４の露光面を上に向けガラスプレートと直接接触しない状態で固定プレート上に配置される。熱処理工程３０６中、感光性ガラスプレート４０４（ＦＯＴＯＦＯＲＭガラス）乳白領域４０６の方がガラス領域４０８よりも著しく収縮する（図４Ｃ参照）ことを理解すべきである。
焼なまし炉は、露光後の感光性ガラスプレート４０４を予め定められた熱サイクルにしたがって加熱する。
表１は、露光後の感光性ガラスプレート４０４を加熱するために使用できる熱サイクルの一例を示す。
表１に示されている例示的な熱サイクルのグラフを示す図５を参照する。プレエッチングされた一連のファイバーアレイ２２０’を含むウェーハとして示されている加熱後の感光性ガラスプレート４０４の写真である図６Ａおよび６Ｂを参照する。熱処理工程３０６中、焼なまし炉および露光後の感光性ガラスプレート４０４の清浄度が重要である。工程３０２、３０４および３０６の終了後、加熱後の感光性ガラスプレート４０４は基本的にガラス複合体プレートである。
感光性ガラスプレート４０４がＦＯＴＯＦＯＲＭガラス４０４である場合、加熱後の感光性ガラスプレート４０４は、ＦＯＴＯＦＯＲＭガラス４０４に波長２４０〜４００ｎｍ（最も好ましくは３００〜３５０ｎｍ）の紫外線を照射し、その後、露光後のＦＯＴＯＦＯＲＭガラス４０４を熱処理して乳白領域４０６およびガラス領域４０８を形成させることによって作ることができる。乳白領域４０６はセラミック粒子を有し、よってガラス領域４０８よりも高濃度である。乳白領域４０６におけるセラミック粒子の成長を可能にする核の形成のメカニズムは、ＦＯＴＯＦＯＲＭガラス４０４内のセリウムＩＩＩ（Ｃｅ３＋）が紫外線を吸収してセリウムＩＶ（Ｃｅ４＋）に転化し、その結果として電子を放出するときに開始する。電子はＦＯＴＯＦＯＲＭガラス４０４内の、例えば銀イオン（Ａｇｌ＋）等の金属イオンによって吸収され、上記イオンを金属（例えば、Ａｇ０）に還元する。これに代わる金属イオンは、金、銅およびパラジウムなどである。
工程３０８において、加熱後の感光性ガラスプレート４０４を、乳白領域４０６（陰付き領域として示されている）がエッチングによって除去されて孔４１０が形成されるまで（図４Ｄ参照）、エッチングする。エッチングは、例えば、加熱後の感光性ガラスプレート４０４を室温〜９０℃の６〜１３％ＨＦ攪拌槽に浸漬することによって行うことができる（エッチング工程３０８の詳細については図７を参照されたい）。この時点において、加熱後の感光性ガラスプレート４０４はファイバーアレイ２２０’に似ており、もはやガラス複合体プレートではなくガラスプレートである。これは、乳白領域４０６がエッチングによって除去されて孔４１０が形成され、よってファイバーアレイ２２０’に似たガラスプレートが残るからである（図４Ｄおよび４Ｅ参照）。好ましい実施形態において、孔４１０の位置は、レンズアレイのレンズの中心点に基づいて選択される（図２参照）。以下に、好ましいエッチング工程３０８についての詳細な説明を図７〜図１１に関連させて行う。
図７を参照すると、好ましいエッチング工程３０８のさまざまな段階を詳細に示すブロック図が示されている。熱処理工程３０６後、加熱後の感光性ガラスプレート４０４の研磨された側を、フッ化水素酸（ＨＦ）に溶解するワックス層（図示せず）で覆う。５％蜜蝋、７５％松脂でのワックス層が、加熱後の感光性ガラスプレート４０４の研磨された側に約６０°で高温積層される。段階１で、ワックス層を備えた加熱後の感光性ガラスプレート４０４（ガラス複合体プレート）を２０℃の１３％ＨＦ槽に、最初のサイクルでは約３０分間、それ以降のサイクルでは約１０分間浸漬する。段階２で、加熱後の感光性ガラスプレート４０４（このときは、恐らくガラスプレート４０４となっている）を超音波槽（例えば、Ｔｒａｎｓｓｏｎｉｃ ４６０Ｈ（商標））で数秒間水ですすぐ。段階３で、加熱後の感光性ガラスプレート４０４をビーカー内で水によって再びすすぐ。段階４で、加熱後の感光性ガラスプレート４０４流水下で第３の時間のあいだすすぐ。段階５で、窒素ブローと吸収シート（例えば、ＣＯＮＴＥＣ Ｃ１（商標））を使って加熱後の感光性ガラスプレート４０４を乾燥させる。このとき、顕微鏡（例えば、Ｗｅｒｔｈ ３Ｄ（商標）測定装置）を使用して、ガラスプレート４０４のエッチングによる孔を観察する（図８〜９参照）。エッチングによる孔が「望ましい」ものでなかった場合、すなわち、目標寸法を有していなかった場合、部分的にエッチングされた加熱後の感光性ガラスプレート４０４を連続して３回高温アルコール槽に入れてワックス層を除去する。
その後、エッチングによる孔が「望ましい」ものとなって目標寸法を有するまで、１〜５が繰り返される。例えば１２６μｍの双円錐形の孔を得るには、第１のエッチングサイクルによって第１の側を１１５μｍ（３〜４箇所で測定して）に達しさせ、次に、サイドをマスキングしているワックスを除去し、第２のエッチングサイクルを両側に実施することによって１２６μｍの双円錐形の孔を形成できる。この時点で、ガラス複合体プレートは、ファイバーアレイ２２０’に似たガラスプレートとなる（図８〜１１参照）。
図８Ａと８Ｂを参照すると、図３および図７に示される方法にしたがって作られた例示的ファイバーアレイ２２０’の両側の写真が示されている。図８Ａは、例示的ファイバーアレイ２２０’の、保護されている側（ワックスが積層されている側）の写真である。図８Ｂは、例示的ファイバーアレイ２２０’の、保護されていない側（ワックスが積層されていない側）の写真である。図９を参照すると、図８Ａおよび８Ｂに示される例示的ファイバーアレイ２２０’のエッチングによる孔の寸法測定値を示すグラフと表が示されている。
エッチング時間は、エッチングされる孔４１０の直径、プレート４０４の厚さ、ＨＦ濃度および熱処理によって決まるガラスセラミックの微細構造に応じて変化しうることを理解すべきである。例えば、直径１４０μｍの孔は直径２５０μｍの孔よりも早くエッチングされる。図１０Ａと１０Ｂは、ピッチ円直径１４０μｍの孔１００２の輪郭図と、ピッチ円直径１４０μｍの一連の孔１００２を有する例示的ファイバーアレイ２２０’の写真をそれぞれ示している。図１１Ａと１１Ｂは、ピッチ円直径２５０μｍの孔１１０２の輪郭図と、ピッチ円直径２５０μｍの一連の孔１１０２を有する例示的ファイバーアレイ２２０’の写真をそれぞれ示している。
ファイバーアレイ２２０’をレンズアレイに結合し、多重化、スイッチング、フィルタリング、偏光および多重分離といったさまざまな信号処理工程を実施するために使用できるコリメータアレイを形成できることも理解すべきである。下記は、コリメータアレイを使用できる上記以外の光エレクトロニクス用途のいくつかを掲げる簡単なリストである。
・レーザーダイオードアレイ
・光インターコネクション
・コンタクトイメージセンサ
・発光ダイオードアレイ
・液晶プロジェクション装置
・直付け型レンズアレイ付き電荷結合素子
・２Ｄおよび３Ｄ光スイッチ
図１２および１３Ａ〜１３Ｇを参照すると、ファイバーアレイ２２０’’の第２の実施態様を作るための好ましい方法１２００のフローチャートと、好ましい方法１２００の各工程におけるファイバーアレイ２２０’’のさまざまな側断面図と平面図がそれぞれ示されている。初めに、工程１２０２で、フォトマスク１３０２が感光性ガラスプレート１３０４と接触するように配置される（図１３Ａ参照）。好ましい実施形態において、感光性ガラスプレート１３０４は、コーニング社（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）から商標名ＦＯＴＯＦＯＲＭガラスとして市販されている光核形成可能、結晶化可能なケイ酸リチウムガラス体から作製される。感光性ガラスプレート１３０４を研削または研磨して、１つ以上のファイバーアレイ２２０’’となる適切なサイズの基材を作る。
・光インターコネクション
・コンタクトイメージセンサ
・発光ダイオードアレイ
・液晶プロジェクション装置
・直付け型レンズアレイ付き電荷結合素子
・２Ｄおよび３Ｄ光スイッチ
図１２および１３Ａ〜１３Ｇを参照すると、ファイバーアレイ２２０’’の第２の実施態様を作るための好ましい方法１２００のフローチャートと、好ましい方法１２００の各工程におけるファイバーアレイ２２０’’のさまざまな側断面図と平面図がそれぞれ示されている。初めに、工程１２０２で、フォトマスク１３０２が感光性ガラスプレート１３０４と接触するように配置される（図１３Ａ参照）。好ましい実施形態において、感光性ガラスプレート１３０４は、コーニング社（Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）から商標名ＦＯＴＯＦＯＲＭガラスとして市販されている光核形成可能、結晶化可能なケイ酸リチウムガラス体から作製される。感光性ガラスプレート１３０４を研削または研磨して、１つ以上のファイバーアレイ２２０’’となる適切なサイズの基材を作る。
感光性ガラスプレート１３０４の寸法は用途によって大きく変えることができるが、厚さは約０．０７５インチ（約１．９ｍｍ）未満にしたり、または約０．２５インチ（約６．４ｍｍ）より大きくしないことが好ましい。
接点は、フォトマスク４０２と感光性ガラスプレート４０４と間の空気界面４０３である。空気界面４０３を有するのではなく、空隙４０３を無くし、空隙４０３が引き起し得る光の反射および／または散乱を無くすのを助けるために、グリセリンなど、ガラスの屈折率とほぼ一致するオイルを、フォトマスク４０２と感光性ガラスプレート４０４の間の媒質として使用することもできる。
工程１２０４において、フォトマスク１３０２および感光性ガラスプレート１３０４の選択領域に紫外線１３０６が照射される（図１３Ｂ参照）。好ましい実施形態において、フォトマスク１３０２は、石英の上にクロムが積層されたフォトマスク１３０２である。このフォトマスクは感光性ガラスプレート１３０４上の露光パターンをコントロールするために使用される。クロムを石英に積層したフォトマスク１３０２は、石英基板１３０２ａとクロム層１３０２ｂを備える。感光性ガラスプレート１３０４内で乳白領域１３０６（陰付き領域として示されている）が望まれる場所には、フォトマスク１３０２のクロム層１３０２ｂのクロムが無い。また、感光性ガラスプレート１３０４内でガラス領域１３０８（透明領域として示されている）が望まれる場所には、フォトマスク１３０２のクロム層１３０２ｂのクロムが存在している。一般に、露光工程３０４および熱処理工程３０６との間は、感光性ガラスプレート４０４の方向が維持される。
露光工程１２０４は、感光性ガラスプレート１３０４に乳白相（未来の乳白領域１３０６）の核を形成するのに十分なエネルギーを備え且つ感光性ガラスプレート１３０４を通して照射の範囲を適切に限定するに足る視準性を備えた紫外線または短波放射線を生じさせることが可能な方法であれば、どのような方法で実施することもできる。例えば、感光性ガラスプレート１３０４を露光するのに、強度５．５〜７．５ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を１〜１０分間使用できる。
露光工程１２０４の後、フォトマスク１３０２は感光性ガラスプレート１３０４から分離される。必要であれば、塵、汚れ、残留物等を取り除くために、照射後の感光性ガラスプレート４０４を石鹸と水で洗浄する。完成品においてガラス領域４０８であることが望ましい領域に少量の乳白が形成されることを防止するために、熱処理工程３０６以前の全段階で感光性ガラスプレート４０４を周囲紫外線（例えば、日光、フィルターを通していない人工光）の被爆から保護する必要があることを理解すべきである。
工程１２０６において、露光後の感光性ガラスプレート１３０４を加熱し、その内部に乳白領域１３０６（陰付き領域として示される）およびガラス領域１３０８（透明領域として示される）（図１３Ｃ参照）を形成させる。好ましい実施形態において、熱処理工程１２０６は、露光後の感光性ガラスプレート１３０４を、ドライ窒素が流れている蓋付きのステンレススチールの箱に入れた状態で、炉内で実施される。詳細には、露光後の感光性ガラスプレート１３０４は、露光後の感光性ガラスプレート１３０４の露光面を上に向けた状態で、フォーマーまたは平らなプレート上に置かれる。フォーマーは、熱処理工程１２０６中に露光後の感光性ガラスプレート１３０４と融合したり、熱処理工程１２０６中に変形したりすることのない、ガラス、セラミックまたはガラスセラミック材料とすることができる。（例えば）粉末状のＡｌ２Ｏ３をフォーマー表面に分散させて、離型剤として作用させることもできる。一般的な熱処理スケジュールは、表１および以下に概説されるようなものとすることができる。
・４６０℃／時間で４８０℃まで加熱
・１８０℃／時間で５９０℃まで加熱
・５９０℃を４０分間維持
・炉の速度で冷却
熱処理工程１２０６中、加熱後の感光性ガラスプレート１３０４の乳白領域１３０６は、ガラス領域１３０８より大きく収縮する（図１３Ｃ参照）。工程１２０２、１２０６および１２０６の終了後、加熱後の感光性ガラスプレート１３０４は基本的にガラス複合体プレートである。
・１８０℃／時間で５９０℃まで加熱
・５９０℃を４０分間維持
・炉の速度で冷却
熱処理工程１２０６中、加熱後の感光性ガラスプレート１３０４の乳白領域１３０６は、ガラス領域１３０８より大きく収縮する（図１３Ｃ参照）。工程１２０２、１２０６および１２０６の終了後、加熱後の感光性ガラスプレート１３０４は基本的にガラス複合体プレートである。
感光性ガラスプレート１３０４がＦＯＴＯＦＯＲＭガラス１３０４である場合、加熱後の感光性ガラスプレート１３０４は、ＦＯＴＯＦＯＲＭガラス１３０４に波長２４０〜４００ｎｍ（最も好ましくは３００〜３５０ｎｍ）の紫外線を照射し、その後、露光後のＦＯＴＯＦＯＲＭガラス１３０４を熱処理して乳白領域１３０６およびガラス領域１３０８を形成させることによって作ることができる。乳白領域１３０６はセラミック粒子を有し、よってガラス領域１３０８よりも高濃度である。乳白領域１３０６におけるセラミック粒子の成長を可能にする核の形成のメカニズムは、ＦＯＴＯＦＯＲＭガラス１３０４内のセリウムＩＩＩ（Ｃｅ３＋）が紫外線を吸収してセリウムＩＶ（Ｃｅ４＋）に転換し、その結果として電子を放出するときに開始する。
電子はＦＯＴＯＦＯＲＭガラス１３０４内の、例えば銀イオン（Ａｇｌ＋）等の金属イオンによって吸収され、上記イオンを金属（例えば、Ａｇ）に還元する。これに代わる金属イオンは、金、銅およびパラジウムなどである。ＦＯＴＯＦＯＲＭｓガラスの組成に関する詳細な説明は、米国特許第２３２６０１２号明細書、米国特許第２４２２４７２号明細書、米国特許第２５１５９３６号明細書、米国特許第２５１５９３８号明細書、米国特許第２５１５２７５号明細書、米国特許第２５１５９４２号明細書、米国特許第２５１５９４３号明細書に記載されおり、その内容を文献引用によって本願明細書に組み込んだものとする。
工程１２０８において、加熱後の感光性ガラスプレート１３０４を、乳白領域１３０６（陰付き領域として示されている）がエッチングによって除去されて孔１３１０が形成されるまで（図１３Ｄ参照）、エッチングする。好適な実施形態では、加熱後の感光性ガラスプレート１３０４（ガラス複合体プレート）は、室温から９０℃までのどこかにある６〜１３％フッ化水素酸（ＨＦ）攪拌槽に浸漬されてエッチングされる。この時点において、加熱後の感光性ガラスプレート１３０４はもはやガラス複合体プレートではなくガラスプレートとなっている。これは、大きめの孔１３１０を形成するために乳白領域がエッチングによって除去されているからである。
工程１２１０において、エッチング後のガラスプレート１３０４の大きめの孔１３１０に成形可能材料１３１２を充填するか、または浸透させる（図１３Ｅ参照）。その後、エッチング後のガラスプレート１３０４および充填された大きめの孔１３１０は、（例えば）６〜８μｍの素粒子などの研磨剤を使って平坦かつ平行に研磨できる。好ましい実施形態において、成形可能材料１３１２は、精密ドリルに付着したり、精密ドリルに余分な摩擦や断裂を生じることなく孔を形成できる程度にやわらかい材料（例えば、接着剤、ポリマー、グラファイト）であれば、どのようなものであってもよい。また、成形可能材料１３１２およびエッチング後のガラスプレート１３０４は、±０．５×１０−７の範囲で一致するＣＴＥを有している必要がある。しかしながら、成形可能材料１３１２とエッチング後のガラスプレート１３０４が一致したＣＴＥを有することは必須事項ではない。例えば、成形可能材料１３１２のＣＴＥがエッチング後のガラスプレート１３０４のＣＴＥより大きい場合は、成形可能材料１３１２が高温で膨張して大きめの孔１３１０から出やすくなる。
エッチング後のガラスプレート１３０４が成形可能材料１３１２のＣＴＥよりも大きいＣＴＥを有している場合には、成形可能材料１３１２が高温で収縮して大きめの孔１３１０から離れやすくなるので、より優れた状況となる。
コーニング社によって製造販売されているＭＣＡ−８０（商標）接着剤として知られている接着剤は、エッチング後のガラスプレート１３０４の大きめの孔１３１０ｉｎに充填するために使用できる成形可能材料１３１２の一例である。ＭＣＡ−８０接着剤は、偶然にも、ＦＯＴＯＦＯＲＭガラスから作られるエッチング後のガラスプレートのＣＴＥと一致するＣＴＥを有している。
以下に、ＭＣＡ−８０接着剤の物理特性の一部を掲載する。
・粘度（１／２０秒）（ポアズ）：７５〜１７５Ｐ（７．５〜１７．５Ｐａ・ｓ）
ポストキュア（２ｈ＠１２５℃）： ＞１７０℃
ポストキュア（４ｈ＠１２５℃）： ＞１８０℃
弾性率＠２５℃（ｐａ）： ＞５．５×１０９
吸水率２（重量増加％）： ＜１．４％
応力（回転角度）： １０°〜３０°
硬化深さ（ミル）：
初期： １３±５
１０分後： ３０±５
―４０℃〜８５℃の平均ＣＴＥ（μｍ／ｍ／℃）： ８
ＭＣＡ−８０接着剤の組成に関する詳細な記述は米国特許第５５５２０９２号明細書に記載されており、その内容を文献引用によって本願明細書に組み込んだものとする。繰り返すが、現在知られている、またはこれから開発される、さまざまな接着剤および他タイプの成形可能材料を本発明に使用できることに留意すべきである。
ポストキュア（２ｈ＠１２５℃）： ＞１７０℃
ポストキュア（４ｈ＠１２５℃）： ＞１８０℃
弾性率＠２５℃（ｐａ）： ＞５．５×１０９
吸水率２（重量増加％）： ＜１．４％
応力（回転角度）： １０°〜３０°
硬化深さ（ミル）：
初期： １３±５
１０分後： ３０±５
―４０℃〜８５℃の平均ＣＴＥ（μｍ／ｍ／℃）： ８
ＭＣＡ−８０接着剤の組成に関する詳細な記述は米国特許第５５５２０９２号明細書に記載されており、その内容を文献引用によって本願明細書に組み込んだものとする。繰り返すが、現在知られている、またはこれから開発される、さまざまな接着剤および他タイプの成形可能材料を本発明に使用できることに留意すべきである。
工程１２１２において、精密ドリルを使用してそれぞれの大きめの孔１３１０内の成形可能材料１３１２を穿孔して孔１３１４を形成する（図３Ｆ参照）。次に、光ファイバーを各孔１３１４に挿入してファイバーアレイ２２０’’を形成する。好ましい実施形態において、孔１３１４の位置は、レンズアレイのレンズの中心点に基づいて選択される（図２参照）。これらの位置は、孔１３１４をあけるためのＣＮＣマシンが使用できる標準座標に変換される。ＣＮＣマシンは孔１３１４をあけるためにカーバイド製のツイストドリルを使用できる。
例えば、孔１３１４の直径は、（例えば）０．１２５ｍｍの範囲とすることができる。また、（例えば）孔１３１４の、お互いに対する中心位置の精度を±０．００１ｍｍとし、ピッチを０．７５０ｍｍとすることができる穿孔された孔１３１４は、光ファイバーの固定を助けるために座ぐりすることもできる。
ファイバーアレイ２２０’と同様に、このファイバーアレイ２２０’’をレンズアレイに結合して、多重化、スイッチング、フィルタリング、偏光および多重分離といったさまざまな信号処理工程を実施するために使用できるコリメータアレイを形成できる。下記は、コリメータアレイを使用できる上記以外の光エレクトロニクス用途のいくつかを掲げる簡単なリストである。
・レーザーダイオードアレイ
・光インターコネクション
・コンタクトイメージセンサ
・発光ダイオードアレイ
・液晶プロジェクション装置
・直付け型レンズアレイ付き電荷結合素子
・２Ｄおよび３Ｄ光スイッチ
ファイバーアレイ２２０’および２２０’’を作るのに使用される材料は、必ずしもレンズアレイを作るのに使用される材料と正確に一致するＣＴＥを有する必要はないことを理解すべきである。しかしながら、ファイバーアレイ２２０’および２２０’’を作るのに使用される材料は、レンズアレイを作るのに使用される材料のＣＴＥと比較的近いＣＴＥを有するべきである。詳細には、成形可能材料１３１２（使用される場合）と、ファイバーアレイ２２０’および２２０’’と、レンズアレイのＣＴＥを一致させることにより、−４０℃〜１００℃の温度範囲にわたって申し分のないアライメントを提供できる。
・光インターコネクション
・コンタクトイメージセンサ
・発光ダイオードアレイ
・液晶プロジェクション装置
・直付け型レンズアレイ付き電荷結合素子
・２Ｄおよび３Ｄ光スイッチ
ファイバーアレイ２２０’および２２０’’を作るのに使用される材料は、必ずしもレンズアレイを作るのに使用される材料と正確に一致するＣＴＥを有する必要はないことを理解すべきである。しかしながら、ファイバーアレイ２２０’および２２０’’を作るのに使用される材料は、レンズアレイを作るのに使用される材料のＣＴＥと比較的近いＣＴＥを有するべきである。詳細には、成形可能材料１３１２（使用される場合）と、ファイバーアレイ２２０’および２２０’’と、レンズアレイのＣＴＥを一致させることにより、−４０℃〜１００℃の温度範囲にわたって申し分のないアライメントを提供できる。
添付の図面に示され、上記の詳細な説明に記載されている本発明の２つの実施形態しか説明しなかったが、本発明は記載された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載および定義された本発明の精神から逸脱せずに数多くの再構成、変更、置換を行うことが可能であることを理解すべきである。
２００ コリメータアレイ
２１０ レンズアレイ
２２０ ファイバーアレイ
２３０ レンズ
２４０ 光ファイバー
４０２ フォトマスク
４０３ 空気界面
４０４ 感光性ガラスプレート
４０５ 紫外線
４０６ 乳白領域
４０８ ガラス領域
４１０ 孔
２１０ レンズアレイ
２２０ ファイバーアレイ
２３０ レンズ
２４０ 光ファイバー
４０２ フォトマスク
４０３ 空気界面
４０４ 感光性ガラスプレート
４０５ 紫外線
４０６ 乳白領域
４０８ ガラス領域
４１０ 孔
Claims (7)
- 複数の光ファイバーと、
それぞれに１つずつ光ファイバーが固定される複数の孔を備えたガラスプレートであって、エッチング後に複数の大きめの孔を備えたガラスプレートとなる露光および加熱後の感光性ガラス内の複数の乳白領域をエッチングによって除去することによって前記大きめの孔を形成し、前記大きめの孔に成形可能材料を充填し、その後、前記成形可能材料に穿孔して前記孔を形成したガラスプレートと、
を有するファイバーアレイ。 - 前記固定された光ファイバーを備えた前記ガラスプレートがマイクロレンズに機械的にセットおよびアライメントされてコリメータアレイを形成することを特徴とする請求項１に記載のファイバーアレイ。
- 前記成形可能材料と前記ガラスプレートが、±０．５×１０−７の範囲で一致する熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１に記載のファイバーアレイ。
- ファイバーアレイを作製する方法において、
複数の孔を感光性ガラスプレートに形成する形成工程であって、
フォトマスクを未露光の感光性ガラスプレートの上に配置する段階、
紫外線を前記フォトマスクと前記未露光の感光性ガラスプレートの選択領域とに照射する段階、
前記露光後の感光性ガラスプレートを加熱して、その内部に複数の乳白領域と複数のガラス領域を形成させる段階、
前記加熱後の感光性ガラスプレートを、前記複数の乳白領域がエッチングによって除去されて大きめの孔が形成されるまでエッチングする段階、
前記大きめの孔に成形可能材料を充填する段階および
前記大きめの孔内の前記成形可能材料を穿孔して孔を形成する段階、
を備える孔形成工程と、
前記エッチング段階後にファイバーアレイに似たガラスプレートとなった、前記穿孔された感光性ガラスプレートの各孔に（光ファイバ−を）固定する工程と、
を備えることを特徴とする方法。 - 前記ファイバーアレイと前記マイクロレンズアレイが、―４０℃〜１００℃にわたって±０．５×１０−７の範囲で一致する熱膨張係数を有することを特徴とする請求項４に記載の方法。
- コリメータアレイにおいて、
レンズアレイと、
複数の光ファイバーとそれぞれに１つずつ前記光ファイバーが固定される複数の孔を含み、前記複数の孔が、
フォトマスクを感光性ガラスプレートの上に配置し、
紫外線を前記フォトマスクと前記未露光の感光性ガラスプレートの選択領域とに照射し、
前記露光後の感光性ガラスプレートを加熱して、その内部に複数の乳白領域と複数のガラス領域を形成させ、
前記加熱後の感光性ガラスプレートを、前記複数の乳白領域がエッチングによって除去されて孔が形成されるまでエッチングする、
ことによって形成されるファイバーアレイと、
を有するコリメータアレイ。 - 前記複数の孔が、
フォトマスクを感光性ガラスプレートの上に配置し、
紫外線を前記フォトマスクと前記未露光の感光性ガラスプレートの選択領域とに照射し、
前記露光後の感光性ガラスプレートを加熱して、その内部に複数の乳白領域と複数のガラス領域を形成させ、
前記加熱後の感光性ガラスプレートを、前記エッチング後の感光性ガラス内に大きめの孔が形成されるように前記複数の乳白領域がエッチングによって除去されるまでエッチングし、
前記大きめの孔に成形可能材料を充填し、
前記大きめの孔内の前記成形可能材料を穿孔して孔を形成する、
ことによって形成されることを特徴とする請求項６に記載のコリメータアレイ。
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