JP2005520203A - 光デバイス及び製造方法 - Google Patents

Abstract

レンズ付ファイバ素子を位置決めするためのデバイス及び方法並びに光デバイスが開示される。デバイス及び方法は、平面基板上に配置されたレンズグリップ素子及びファイバグリップ素子を含む。このデバイス及び方法は光ファイバとレンズのアレイ及び導波路デバイスの製造に有用である。

Description

関連出願の説明

本出願は、名称を「光デバイス及び製造方法（Optical Devices and Methods of Manufacture）」とする、２００２年３月１４日に出願された米国仮特許出願第６０/３６４４７０号及び２００２年７月２３日に出願された米国特許出願第１０/２０２５１３号の恩典を特許請求する。

本発明は光デバイス及び製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、複数本のレンズ付ファイバが曲線状に配列されているデバイス、及びそのようなデバイスの作成方法に関する。

光ファイバとレンズのアレイは光通信システムにおいて光ファイバと光デバイスの間で光を結合するために用いられる。従来の光ファイバとレンズのアレイは一般に、シリコンＶ溝位置決め素子に配置されたファイバのアレイを備え、ファイバの末端は、適切な高分子材料でモールド成形することができるレンズアレイに突き当てられる。このタイプのファイバとレンズのアレイの難点の１つは、レンズとファイバが別々の素子であるため、光ファイバのコア領域のレンズとの最適な位置合せが困難であり、この結果挿入損失が生じることである。

レンズ付光ファイバは、ファイバの末端にレンズが形成されているファイバを含むデバイスである。本発明の譲受人は、光の平行化、集束、結像及び集光のためのレンズ付ファイバを含む、ＯｐｔｉＦｏｃｕｓ（商標）製造ラインの下でレンズ付ファイバを製造している。ＯｐｔｉＦｏｃｕｓレンズ付光ファイバの一タイプには、ファイバの末端部分にレンズ端部が取り付けられている、レンズを含むモノリシックデバイスがある。ネック部がファイバの末端部分を取り囲み、レンズのネック部の直径がファイバの直径より大きい、レンズ付ファイバもある。

特定のタイプのレンズ付ファイバの例には、コリメーションレンズ付ファイバ、集束レンズ付ファイバ及びテーパレンズ付ファイバがあるが、これらには限定されない。コリメーションレンズ付ファイバは一般的なファイバ−レンズデバイスの４分の１にまで小さくなり、レンズ付ファイバではファイバに対するレンズの位置合せは全く必要ではない。集束レンズ付光ファイバは、長い作動距離で光ビームを集束してビーム寸法を約６μｍまで小さくすることができる。テーパレンズ付ファイバは、作動距離が短い大開口数用途のための高精度テーパ付レンズを備える。

レンズ付光ファイバの所望の性能特性を利用するには、レンズ付光ファイバを精確に位置合せしてアレイを形成するための方法及びデバイスが必要である。利用できる技術の１つは、ファイバ位置決め素子として用いられる、シリコンＶ溝である。Ｖ溝は一対の上部シリコン基板及び下部シリコン基板に形成され、ファイバがこれらの溝に入れられる。上部基板及び下部基板がファイバを挟み込み、ファイバを溝に保持する、しかし、Ｖ溝デバイスにはいくつかの難点がある。例えば、Ｖ溝がつくられてしまうと、Ｖ溝はシリコン基板に対して光ファイバを位置決めするために役立つだけである。レンズを含むファイバの末端は、相変わらず、システムにおける別の光学素子に対して位置決めされなければならない。そのような位置決めは通常、顕微操作及び顕微位置決め後の接着剤の使用により達成され、これには、特に量産環境において、費用がかかり、時間がかかる。レンズ付ファイバの位置決めに対するＶ溝の別の難点は、Ｖ溝がファイバを保持するための寸法につくられ、Ｖ溝はレンズ付ファイバのレンズ部を保持するには小さすぎることである。レンズ付ファイバのファイバ部及びレンズ部の両方を所定の位置に保持するための位置合せ方法及びデバイスが必要である。

レンズ付光ファイバのファイバ部及びレンズ付光ファイバのレンズ部のいずれをも位置合せできる、レンズ付光ファイバのための位置合せ方法及びデバイスを提供することが望まれる。さらに、接着剤または熱処理を必要とせず、レンズ付光ファイバの位置合せを達成するための複雑な製造工程または入念な顕微操作を必要としない、位置合せ方法及びデバイスの提供が必要である。そのような位置合せ方法及びデバイスにより、多種多様な光デバイスの製造が容易化するであろう。

本発明の様々な実施形態はレンズ付光ファイバのアレイを位置決めするための方法及びデバイス並びにそのようなアレイを備える光デバイスに関する。本発明は、レンズ付光ファイバ素子を位置決めするための比較的簡素で費用のかからない方法及び曲線状のアレイに配置されたレンズ付光ファイバ素子を備えるデバイスを提供する。本方法及びデバイスには接着剤または費用のかかるファイバの顕微位置決めが必要ではない。さらに、本方法及びデバイスは、レンズ付光ファイバのレンズ部及びファイバ部のいずれをも精確に位置決めし、保持することができる。

上記の一般的説明及び以下の詳細な説明は例示であり、特許請求される本発明を詳しく説明することを目的とするものであることは当然である。

本発明のいくつかの例示的実施形態を説明する前に、本発明が以下の説明に述べられる構成または処理工程の内容に限定されないものであることを理解すべきである。本発明には別の実施形態も可能であり、本発明は様々な方法で実施または実行できる。

本発明の様々な実施形態は、レンズ付光ファイバをアレイ配列で位置決めするための方法及びデバイスを提供する。本明細書で用いられる「レンズ付ファイバ」は少なくとも一端にレンズが形成された光ファイバを指す。ある実施形態において、レンズは、ファイバの末端部分に一体式に取り付けられるかまたはファイバの末端部分を取り囲むほぼ円柱状のネック部及びレンズ部またはレンズ面を有する。レンズ部またはレンズ面は様々な形状をとり得るが、好ましい実施形態では、レンズ面は凸形である。本発明の方法及びデバイスは、光ファイバのアレイ及び、限定的ではないが、プリズム、スイッチ、導波路、フィルタ及び偏光子を含む他の光学素子を備える光導波路デバイスの作成に有用である。レンズ及びファイバのための位置決め素子及びその他の光学素子はいずれも共通の基板上に配置できる。

いずれも本明細書に参照として含まれる、米国特許第６２６６４７２号明細書及び米国特許第５３５９６８７号明細書は、光ファイバをグリップするための高分子材超小型構造及びそのような超小型構造を作成するための方法を説明している。米国特許第５３５９６８７号明細書では、光ファイバをグリップし、基板上に配置された導波路に対してファイバを位置決めするために、基板上に形成された高分子材超小型構造が用いられる。米国特許第６２６６４７２号明細書は光ファイバの永久接続に用いられる高分子材グリップ素子を開示している。

米国特許第５３５９６８７号明細書及び米国特許第６２６６４７２号明細書に開示されているグリップデバイスは他の素子にも物理的に接続されていない光ファイバのグリップには適しているが、レンズ付ファイバのレンズ部を確実に保持し、位置合せするためには、レンズ付ファイバをさらに安定化させる必要がある。本発明の様々な実施形態は、個々のレンズ付ファイバのファイバ部及びレンズ部の両方をアレイの形態で保持して精確に位置合せするための手段を提供し、多種多様な光デバイスの製造を可能にする。

本発明のある実施形態は複数本のレンズ付ファイバを位置決めするためのデバイスに関し、それぞれのレンズ付ファイバは光ファイバ部及びレンズ部を有する。いくつかの実施形態において、本デバイスは基板上に曲線状に配列された複数のファイバグリップ素子を備え、それぞれのグリップ素子は一対のエラストマー側壁を有し、この両側壁間にレンズ付光ファイバの光ファイバ部を保持する寸法の溝を画定する。いくつかの実施形態において、本デバイスは基板上に曲線状に配列された複数のレンズグリップ素子をさらに備え、それぞれのレンズグリップ素子は一対のエラストマーの側壁を有し、この両側壁間とレンズ付光ファイバのレンズ部を保持する寸法の溝を画定する。

ある実施形態において、レンズ部はネック部及び凸形末端部をさらに有し、レンズグリップ素子はネック部を保持する寸法につくられる。いくつかの実施形態にしたがえば、レンズグリップ素子及びファイバグリップ素子のエラストマー側壁は高分子材からなる。曲線形状は半円及び円を含むが、それだけに限らず様々なパターンを含むことができる。

いくつかの実施形態にしたがえば、各レンズ付光ファイバは光路を有し、本デバイスは少なくとも１本のレンズ付光ファイバの光路に配置された光学素子をさらに備える。適する光学素子は、ＭＥＭ（超小型電子機械）ミラー、液晶スイッチ、エレクトロホログラフィスイッチ、プリズム、偏光子、スイッチ、変調器及び減衰器などであるが、これらには限定されない。

本発明の別の実施形態は複数本のレンズ付ファイバを位置決めするための方法に関し、各レンズ付ファイバはレンズ部及びファイバ部を有する。ある実施形態において、本方法は基板上に曲線パターンで複数のファイバグリップ素子を配置する工程を含み、それぞれのファイバグリップ素子は、レンズ付光ファイバの光ファイバ部を保持する寸法の溝を間に画定する一対のエラストマー側壁を備える。ある実施形態において、本方法は複数のレンズグリップ素子を基板上に曲線状に配列する工程をさらに含み、それぞれのレンズグリップ素子は、レンズ付光ファイバのレンズ部を保持する寸法の溝を間に画定する一対のエラストマー側壁を備える。ある実施形態にしたがえば、本方法はレンズ付ファイバのファイバ部をファイバグリップ素子内に位置決めする工程及びレンズ付ファイバのレンズ部をレンズグリップ素子内に位置決めする工程を含む。ある方法実施形態にしたがえば、各光ファイバのそれぞれは光を伝えるための光路を有し、本方法は光路に光学素子を配置する工程をさらに含む。

本発明のある実施形態にしたがうデバイスの構成を図１を参照して説明する。ファイバ及びレンズのグリップデバイス１０が示され、グリップデバイス１０は基板１２を有する。基板１２は、ガラス、シリコン、セラミック及びプラスチックを含むがこれだけに限定されない様々な材料でつくることができる。基板１２は下面１４及び上面１６を有する段差構造を備えることが好ましい。上面１６及び下面１４は平坦面であることが好ましい。少なくとも１つのファイバグリップ素子１８、好ましくは複数のファイバグリップ素子１８が基板１２の上面１６上に配置される。少なくとも１つのレンズグリップ素子２０、好ましくは複数のファイバグリップ素子が基板の下面１４上に配置される。レンズグリップ素子２０及びファイバグリップ素子１８は基板１２上で同一直線上に配置されることが好ましい。

ファイバグリップ素子１８は、基板上の所定の位置に光ファイバ２２を堅固に保持する寸法につくられる。レンズグリップ素子２０は、基板上の所定の箇所にレンズ２４を堅固に保持する寸法につくられる。レンズ２４は凸状部または凸状表面２６及びネック部２８を有し、光ファイバ２２の末端に一体形成されることが好ましい。しかし、レンズの形状は必ずしも凸状である必要はなく、その他のレンズ形状も本発明の範囲内にあることは理解されるであろう。レンズのネック部２８はレンズ付光ファイバのファイバの直径より大きい直径を有する。基板１２の段差構造は、ファイバが載るための上面１６を提供する。下面１４はレンズネックが載るための表面を提供する。上面１６は下面１４と同じ材料でつくることができる。段差は、研削または反応性イオンエッチングのようなエッチングを含むがこれらには限定されない技法により基板１２の下面１４の一部を除去することで基板上に形成できる。あるいは、段差は、基板１２上に上面１６を設けるための段を積層、射出成形、リソグラフィまたは印刷により設けることができる。段差及び上面がこのように設けられた場合には、段及び上面１６は下面１４を形成する材料とは異なる材料でつくることもできる。

図２はグリップ素子３０をさらに詳細に示す。図２に示されるグリップ素子の詳細は、以下に述べられる相異点を除き、ファイバグリップ素子及びレンズグリップ素子に属するものであることは理解されるであろう。グリップ素子３０は、基板３４の表面に取り付けられた、横方向に間隔をあけたエラストマーのストリップ３２を有する。エラストマーの各ストリップは、基板３４の表面に取り付けられた底部３６と、基板３４の表面に実質的に平行であることが好ましい上表面３８と、ストリップ３２間に溝４２を形成する側壁４０とを有する。基板３４の一部は溝４２の床を形成する。

図３を参照すれば、基板表面の一部は、溝が溝の頂部の幅ｗ_１より大きい床近傍の幅ｗ_２を有するように、グリップ素子に対する床４４を形成する。ファイバまたはレンズのネック部の表面を十分にグリップするため、溝頂部の幅ｗ_１はファイバまたはレンズのネック部の直径ｄより小さいことが好ましい。溝の底における幅ｗ_２はレンズネックまたはファイバの直径ｄより大きいことが好ましい。直径がより大きいファイバ、例えば無被覆ファイバのための被覆ファイバには、ファイバの挿入を受け入れるため並びにファイバをその軸に沿って垂直方向及び水平方向で所定の箇所に保持するために、より大きな溝が必要となることが理解されるであろう。さらに、レンズのネック部は一般にファイバより大きな直径を有し、したがって、レンズグリッパは一般にファイバグリッパより大きな溝幅を有するであろう。それぞれのストリップの側壁は、それぞれのストリップが少なくとも１点でファイバまたはレンズのネック部に接し、よってグリッパがファイバ軸に概ね垂直な力をファイバまたはレンズネックに加えるように、十分に平坦であるべきである。米国特許第５３５９６８７号明細書は普通の遠距離通信ファイバについての特定の直径に関するさらに詳しい内容が含まれている。

グリップ素子を形成しているストリップは、光重合性組成物等を用いる公知のリソグラフィプロセスを用いて形成される。例えば、光重合性組成物を基板表面上に実質的に一様に積層させることができる。次いで、光重合性組成物は、実質的に透明な領域及び実質的に不透明な領域からなるパターンを有するフォトマスクを用いて紫外線レーザビームまたはコリメートされたＵＶランプにより組成物の該当領域を精確に露光するためのレーザ及びコンピュータ制御ステージを用いて、パターン像毎に化学線に露光される。次いで、非露光領域を溶媒を用いて除去し、少なくとも１つのグリップ素子の形態の露光領域を基板表面上に残すことができる。

あるいは、エラストマーのストリップは、基板表面上に少なくとも１つのグリップ素子の形態の重合性組成物のパターンを形成するための柔軟で可撓性の型押工具を用いて形成することができる。そのような柔軟な工具は普通、シリコーンでつくられる。次いで組成物を硬化させ、工具を取り外す。グリッパに損傷を与えずに硬化した高分子材から工具を取り外すことができるように、工具の可撓性は十分でなければならない。重合性組成物は、化学線または熱のような様々な手段で硬化させることができ、工具の隆起構造と同じ形を保つための粘度を有するべきである。硬化した組成物から工具を取り外した後、パターンの特徴に依存して、少なくとも１つのグリップ素子が基板上に残るであろう。工具のパターンは、ファイバとレンズのアレイの位置合せのための基板を提供するように複数のグリップ素子を有することができる。グリップ素子の作成に適する高分子材組成物は、本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第６２６６４７２号の明細書に開示されている。

次に図４及び５を参照すれば、レンズ付ファイバは曲線状に、例えば円アレイまたは半円アレイに、配置できる。図４において、光デバイス１００はレンズ付光ファイバ１０２のアレイを有し、レンズ付光ファイバ１０２は、それぞれがファイバ部１０４と、レンズ面１０６及びネック部１０８を含むレンズとを有する。ファイバグリップ素子１１０及びレンズグリップ素子１１２は所望の曲線形状で基板表面上に配置される。グリップ素子１１０及び１１２が選択された形状で配置された後、ファイバ及びレンズがグリップ素子に挿入されて、アレイを形成する。図４において、レンズ付ファイバは、図４に示されるようにレンズ付ファイバを透過してくる光の方向を別の方向に向ける素子とすることができる光学素子１１４を囲む環状すなわち円状に配置される。光学素子は接着剤により基板表面に取り付けることができる。例えば、光学素子は、透過してきた光を別の方向に向けるための、多重薄膜フィルタを含むプリズム、超小型電気機械（ＭＥＭ）ミラー、エレクトロホログラフ回折格子材料または液晶スイッチとすることができよう。図４に示されるデバイスは、ルーターまたはスイッチとして機能することができる。

図５には、複数本の、ファイバ部１２４並びにレンズ面１２６及びネック部１２８を含むレンズ部を有するレンズ付光ファイバ１２２を備える、別の実施形態の光デバイス１２０が示される。ファイバグリップ素子１３０及びレンズグリップ素子１３４が所望の配置でレンズ付ファイバを保持する。図５においては、レンズ付光ファイバ１２２の光路に光学素子１３４が配置される。光学素子は、矢印１３６及び１３８で示されるようにアレイのいずれか１つのファイバからの光を別のファイバに向け直すことができる、ＭＥＭスイッチ、エレクトロホログラフスイッチまたはＬＣＤスイッチのような、スイッチング素子とすることができる。

図４及び５に示されるような光デバイスを製造するためのプロセスの一例は、型押工具を用いるかあるいはエッチングまたは研削のような技法で基板の一部を除去することにより多段基板を形成する工程を含む。グリップ素子が形成される基板表面は、グリップ素子の基板への接着強度を高めるために定着剤で処理される。グリップ素子は、米国特許第６２６６４７２号明細書に説明されるように、型押工具またはフォトマスクにより基板表面上に形成され、化学線または熱により硬化させられる。グリップ素子は、ファイバまたはレンズネックがグリップ素子の溝に挿入されるときに印加応力の下で変形するに足る弾性強度を与えるに十分な可撓性を備えているべきである。次いで、スロットが鋸またはレーザを用いて基板に形成される。フィルタ、ミラー、減衰器、変調器、回折格子、偏光子、液晶スイッチなどのスイッチまたはその他の光学素子がスロットにおかれ、接着剤で所定の箇所に保持される。液晶スイッチのようなスイッチング素子が光学素子として用いられる場合は、１つのアレイの光ファイバを通って出てくる光を別のアレイのファイバに向ける、すなわち、別のアレイのファイバと同一直線上にない１つのアレイのいずれか１つのファイバからの信号ビームを別のアレイのファイバに向けることができる。次いで、レンズ付光ファイバがグリップ素子に挿入されて、ファイバアレイが形成される。ファイバがファイバグリップ素子に挿入され、レンズネック部がレンズグリップ素子に挿入される。

レンズ付ファイバをアレイに位置決めするためにエラストマーのグリップ素子を用いることの別の利点は、多種多様なアレイ構成を提供できることである。例えば、本発明のグリップ素子を用いることにより、レンズ付ファイバアレイを、円アレイ、半円アレイ、楕円アレイ及びその他の形状のアレイのような曲線態様に配置することができる。シリコンＶ溝技術ではシリコン基板でＶ形溝が得られる材料の結晶面が限られているためにシリコンＶ溝を自由に配置することはできないため、アレイにファイバ及びレンズを位置決めするために用いられ得る構成の数が制限される。Ｖ溝は平行な構成でしか形成できない。本発明のグリップ素子では、多種多様なファイバ配置を提供する、より高いフレキシビリティが得られる。

本発明の精神または範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。

レンズ付ファイバを保持するファイバグリップ素子及びレンズグリップ素子を備える基板の側面図である グリップ素子の端面図である グリップ素子の溝間に配置された光ファイバを含むグリップ素子の端面図である 光学素子を囲んで円形に配置されたレンズ付ファイバのアレイを備える光デバイスの上面図である 光学素子を囲んで半円形に配置されたレンズ付ファイバのアレイを備える光デバイスの上面図である

符号の説明

１０ グリップデバイス
１２ 基板
１８ ファイバグリップ素子
２０ レンズグリップ素子
２２ 光ファイバ
２４ レンズ
２６ レンズ面
２８ ネック部

Claims (9)

1. それぞれが光ファイバ部及びレンズ部を有する複数本のレンズ付光ファイバを位置決めするためのデバイスにおいて、
   基板上に曲線状に配列され、前記レンズ付光ファイバの前記光ファイバ部を保持する寸法の溝を間に画定する一対のエラストマー側壁をそれぞれが備える、複数のファイバグリップ素子、及び
   前記基板上に曲線状に配列され、前記レンズ付光ファイバの前記レンズ部を保持する寸法の溝を間に画定する一対のエラストマー側壁をそれぞれが備える、複数のレンズグリップ素子、
   を備えることを特徴とするデバイス。
2. 前記レンズ部がさらにネック部及び凸状末端部を含み、前記レンズグリップ素子が前記ネック部を保持する寸法につくられていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記複数本のレンズ付光ファイバのそれぞれが光路を有し、前記デバイスが少なくとも１本の前記レンズ付光ファイバの前記光路に配置された光学素子をさらに備え、前記光学素子が、ＭＥＭ（超小型電子機械）ミラー、液晶スイッチ、エレクトロホログラフスイッチ、光フィルタ、プリズム、偏光子、スイッチ、変調器及び減衰器から選ばれることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
4. それぞれがレンズ部及び光ファイバ部を有する複数本のレンズ付光ファイバを位置決めする方法において、
   前記レンズ付光ファイバの前記光ファイバ部を保持する寸法の溝を間に画定する一対のエラストマー側壁をそれぞれが備える、複数のファイバグリップ素子を基板上に曲線状に配列する工程、
   前記レンズ付光ファイバの前記レンズ部を保持する寸法の溝を間に画定する一対のエラストマー側壁をそれぞれが備える、複数のレンズグリップ素子を前記基板上に曲線状に配列する工程、及び
   前記レンズ付光ファイバの前記光ファイバ部を前記ファイバグリップ素子内に位置決めし、前記レンズ付光ファイバの前記レンズ部を前記レンズグリップ素子内に位置決めする工程、
   を含むことを特徴とする方法。
5. 前記レンズ部がネック部及び凸状末端部をさらに含み、前記ネック部が前記レンズグリップ素子内に位置決めされることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記複数本のレンズ付光ファイバのそれぞれが光を伝えるための光路を有し、前記方法が前記光路に光学素子を配置する工程をさらに含み、前記光学素子が、ＭＥＭミラー、液晶スイッチ、エレクトロホログラフスイッチ、光フィルタ、プリズム、偏光子、スイッチ、変調器及び減衰器からなる群から選ばれることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 基板上に配置された複数本のレンズ付光ファイバを備える光デバイスにおいて、前記レンズ付光ファイバがレンズ部及び光ファイバ部を有し、前記レンズ部が曲線状に配列されていることを特徴とする光デバイス。
8. 前記レンズ付光ファイバが中央に配置された光学素子に向けられた光路を有し、前記光学素子はアレイ内の相異なるレンズ付光ファイバの間で光の向きを変えることができ、前記光学素子が、ＭＥＭミラー、液晶スイッチ、エレクトロホログラフスイッチ、プリズム、偏光子、スイッチ、変調器及び減衰器からなる群から選ばれることを特徴とする請求項７に記載の光デバイス。
9. 前記光ファイバ部を所定の位置に保持するための前記基板上の複数のエラストマー材ファイバグリップ素子及び前記レンズ部を所定の箇所に保持するための前記基板上の複数のエラストマー材レンズグリップ素子をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の光デバイス。

Images