JP3921556B2 - 光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバのコア端面または光ファイババンドルの各コア端面にマイクロレンズを形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ファイバ通信の需要が増大しているが、なお、光ファイバ通信はメタリック通信に比べてコストが高いと言った課題があり、普及を妨げている。
光ファイバ通信に用いられる情報伝送用の光ファイバは、伝送損失等の特性を考慮して、石英ガラスからなるコア径５μｍ前後の単一モード光ファイバが主流である。このように光ファイバ通信用の光ファイバが微細であるために、光ファイバ通信用の光ファイバにコア径の異なる光ファイバを低損失で、かつ低コストで接続できると言った柔軟性がないことも普及を妨げる一つの理由である。例えば、単一モード光ファイバのようなコア径の小さな光ファイバからの出力光をコア径の大きな光ファイバに結合しようとすれば、コア径の違いに基づいてスポットサイズが異なり、低損失で結合することができない。
このような場合、従来は、単一モード光ファイバの端部を加熱延伸して、コアの形状をｄｏｗｎテーパやｕｐテーパに加工したり、光ファイバの端部を加熱して屈折率制御用ドーパントを拡散させて屈折率分布を拡げたりしてスポットサイズの整合を行って結合損失の低下を改善している。
しかしながら、これらの方法は、ファイバ端面同士を接触して、または非常に近接して結合する場合には有効であるが、端面同士を離して結合しなければならない場合には、光ビームの広がりが押さえられないので効果が小さい。
光ファイバの端面同士を離して結合する場合とは、コネクター等を介して脱着可能に接続しなければならない場合等である。
光ファイバの端面同士を離して結合する場合には、光ファイバ出射端面に凸型のマイクロレンズを配置してビーム放射角を小さくすることが、低損失な光結合損失を実現する上で有効である。
【０００３】
また近年、光ファイバ先端近傍にカンチレバーやダイヤフラムなどの微小構造体を配置した光ファイバセンサーが各種の分野で使用されるようになってきた。これらの光ファイバセンサーを高感度なセンサーとするためには、光ファイバからの出力光及び光ファイバへの入力光を集光することが有効であり、このため、光ファイバ端面にマイクロレンズを設けることが必要不可欠である。
このように、光ファイバのコア径と同じ径を有するマイクロレンズの製造方法、及びマイクロレンズを光ファイバのコアに精度良く配設する技術は、今後の光通信分野、光ファイバセンサーの分野等の技術開発において必要不可欠な技術である。
【０００４】
従来の、光ファイバの端面に凸状のマイクロレンズを形成する方法としては、例えば以下に挙げる方法が知られている。
第一の方法は、光ファイバのコア端面を機械的に球面状に研磨して、コア端部をレンズ状に形成する方法である。
また、第二の方法は、光ファイバのコア端面に、球面状のレンズ部品、例えばマイクロガラスビーズを接着する方法である。
さらに、第三の方法は、光ファイバの端面に、フォトレジストを塗布して、フォトマスクにより、コア端面の領域を露光して、コア端面の領域のみにフォトレジスト膜を形成した後、光ファイバのコア端面をエッチングすることにより、コア端部をレンズ状に形成する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記第一及び第二の方法は、マイクロレンズの屈折率をコアの屈折率と同じにできるから光学特性に優れているが、光ファイバを一本づつ機械的に研磨、または光ファイバ一本ずつにマクロレンズを接着する必要があり、加工コストが高くなってしまうと共に、機械研磨の軸ずれ、あるいはマイクロレンズの接着位置のずれにより、焦点距離、光軸といったマイクロレンズ特性にバラツキが生ずることが多い。
また、第二の方法は、マイクロガラスビーズを固定する接着剤や部品が必要となり、部品コスト及び組立コストが高くなってしまう。
また、第三の方法は、マイクロレンズの屈折率がコアと同じであり、光学特性に優れているが、フォトマスクを光ファイバのコア端面に正確に位置合わせする必要があるために光ファイバを一本づつ処理する必要があり、生産効率が低く、コストが高くなってしまう。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑み、光ファイバのコア端面、または光ファイババンドルの各コア端面に、位置合わせ精度良く、かつ低コストでマイクロレンズを形成する方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１に記載の光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法は、コアとコアの周囲に形成されたクラッドとから成る光ファイバの一端面にフォトレジストを塗布するレジスト塗布工程と、フォトレジスト上にフォトレジストと同等の屈折率を有するマッチング媒体を、マッチング媒体と空気との界面で生じる反射光のフォトレジストにおける強度がフォトレジストを感光させない程度に小さくなる厚さに配置する工程と、光ファィバの他端面に光を入射させて、一端面に塗布されたフォトレジストを露光するレジスト露光工程と、一端面のクラッドの領域から未感光のフォトレジストを除去するレジスト現像工程と、光ファイバのコアの領域に残留したフォトレジストを加熱溶融させて凸レンズ状に形成する加熱溶融工程と、からなることを特徴とする。
前記第一の工程におけるフォトレジストの塗布は、好ましくは、フォトレジスト中に光ファイバの一端面を浸積して塗布するディップコートまたはレジストを霧状にして噴霧するスプレーコートである。
この構成によれば、光ファイバの一端面に塗布されたフォトレジストを、光ファイバの他端面から光を入射させることにより露光させるので、光ファイバのコアに対応する領域のフォトレジストのみを正確に露光させることができる。従って、従来のフォトマスクを使用する場合と比較して、フォトマスクをコアに正確に位置決めする必要がない。
また、フォトレジストの未感光部分を除去した後、光ファイバの一端面のコア上に残留したフォトレジストを加熱することにより、この残留したフォトレジストが溶融し、表面張力によって表面が球面状の凸面に変形し、その後硬化する。従って、光ファイバのコア上に、位置ずれを生ずることなく、球面状のマイクロレンズが形成される。
このようにして、本発明によれば、光ファイバの一端面にコア端面に正確に対応して、球面状のマイクロレンズが形成されるので、マイクロレンズの位置ずれが生じず、歩留りが良好となり、生産性が向上する。
さらに、複数の光ファイバを束ねて、一括してレジストコート、露光、現像及び溶融加熱することが可能となるなので、複数の光ファイバの端面の各コアに一括してマイクロレンズを形成することができ、より一層生産性が向上する。
【０００８】
請求項２に記載の光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法は、コアとコアの周囲に形成されたクラッドとから成る光ファイバの一端面にフォトレジストを塗布するレジスト塗布工程と、フォトレジスト上にフォトレジストと同等の屈折率を有するマッチング媒体を、マッチング媒体と空気との界面で生じる反射光のフォトレジストにおける強度がフォトレジストを感光させない程度に小さくなる厚さに配置する工程と、光ファィバの他端面に光を入射させて、一端面に塗布されたフォトレジストを露光させるレジスト露光工程と、一端面のクラッドの領域から未感光のフォトレジストを除去するレジスト現像工程と、光ファイバのコアの領域に残留したフォトレジストを加熱溶融させて凸レンズ状に形成する加熱溶融工程と、凸レンズ状に形成したフォトレジストをエッチング・マスクとして光ファイバの端部をエッチングしてコアを凸レンズ状に形成するエッチング工程とからなることを特徴とする。
上記エッチング工程におけるエッチングはドライエッチングであり、好ましくは高速原子線エッチングである。
本発明によれば、請求項１に記載の光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法で形成されたフォトレジストからなる球面状のマイクロレンズをエッチングマスクとして、光ファイバ端面に垂直な方向から粒子線を照射して行うドライエッチング、好ましくは高速原子線でエッチングするから、光ファイバ端部のコア部分が球面状のマイクロレンズに加工される。
従って、光ファイバの一端面にコア端面に正確に対応して、球面状のマイクロレンズが形成されるので、マイクロレンズの位置ずれが生じず、歩留まりが良好となり、生産性が向上すると共に、マイクロレンズが光ファイバの各コアと一体物で形成されるので、コアとマイクロレンズとの界面における光の屈折，反射が無く、極めて光学的に高品質な、また、機械的強度が高いマイクロレンズが形成できる。
【０００９】
請求項１及び２に記載の方法において、フォトレジストと同等の屈折率を有する屈折率マッチング媒体を、一端面に塗布または浸積したフォトレジスト上に配置して、露光するようにすれば好ましい。
この構成によれば、マッチング媒体が無い場合に生ずる、フォトレジストと空気の屈折率界面による反射光が無くなるので、反射光によるコア領域をはみ出した露光が無くなり、正確にコア部分のみにマイクロレンズを形成できる。また、マッチング媒体と空気の屈折率界面による反射光は、マッチング媒体の厚みを十分な厚みに形成するので、光ファイバ端面上では強度が弱く、フォトレジストが感光するまでには至らない。
【００１０】
また、請求項１及び２に記載の方法において、光ファイバは、好ましくは、複数のコアを有する光ファイババンドルである。この構成によれば、微妙にコア間の間隔が異なる光ファイババンドルであっても一括してマイクロレンズを正確に形成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材には同一の符号を付して説明する。
図１は、本発明の光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法の第一の実施形態の工程を示す図である。
図１（Ａ）は光ファイバ１０の軸に沿った断面を示す模式図であり、図に示すように、光ファイバ１０の軸に垂直に端面１１ａと１１ｂを形成する。光ファイバ１０は、コア１２とコア１２を包囲するクラッド１３とから構成されている。なお、図においては図示の都合上、光ファイバを短く表示しているが、用途に応じ、短い場合も長い場合もある。
【００１２】
図１（Ｂ）に示すように、光ファイバ１０の一端面１１ａ全体に、フォトレジスト１４を塗布する。ここで、フォトレジスト１４は、例えばネガティブ型のものが使用され、例えばディップコートにより塗布される。
【００１３】
次に、図１（Ｃ）に示すように、光ファイバ１０の他端面１１ｂから、レジストを感光させる波長の光１５、例えば紫外光１５を入射させる。これにより、光１５が他端面１１ａのフォトレジスト１４に導かれ、コア１１に対応する領域１６が感光する。
【００１４】
ここで、露光装置は、例えば図２に示すような装置によって行う。
図２は本発明に用いる露光装置の一例を示す図である。図２（Ａ）において、光源３０は、３６５ｎｍの波長の光１５（図１（Ｃ）参照）を出射する水銀ランプであり、光源３０からの光をコネクタ３１を介して光ファイバ１０の他端面１１ｂに入射させ、光ファイバ１０のコアに閉じ込めて光ファイバ中を伝搬させ、端面１１ａのレジスト１４をコア形状に露光させる。
図２（Ｂ）は光ファイバが光ファイババンドルである場合を示しており、図２（Ａ）に示した装置において、光ファイババンドルに適合したコネクタを使用して図２（Ａ）と同様に、光源３０からの光をコネクタ３１を介して光ファイババンドルの他端面１１ｂに入射させ、光ファイババンドルの各コア１２に閉じ込めて光ファイババンドル１０中を伝搬させ、端面１１ａのレジスト１４を各コア形状に露光させる。
【００１５】
次に、図１（Ｄ）に示すように、フォトレジスト現像液を用いてフォトレジスト１４のうちコア１１ａに対応する領域１６を除いた未感光部分を除去する。
【００１６】
次に、図１（Ｅ）に示すように、光ファイバ１０の一端面１１ａのコア１２の端面の領域に残留したフォトレジスト１６に対して加熱を行なう。これにより、フォトレジスト１６は溶融し、表面張力により表面が球面状の凸面として形成された後、冷却により硬化する。これによりマイクロレンズ１６が形成される。
【００１７】
このようにして形成されるマイクロレンズは、光ファイバのコアの屈折率に近い屈折率を有するフォトレジストを選択することによって、コアとマイクロレンズ界面の光反射率をほとんど０にすることができる。
図３は本発明のマイクロレンズの光透過率を示す図である。図は、本発明に用いたフォトレジストを石英ガラス上に塗布して測定した光透過率を示している。図において縦軸は光透過率を示し、横軸は光波長を示している。図から明らかなように、ほぼ１００％の透過率を実現できることがわかる。
このように本発明を用いれば、光学的に高品質のマイクロレンズが形成できると共に、位置合わせ工程無しに、光ファイバの一端面にコア端面に正確に対応して、すなわちマイクロレンズの位置ずれ等が生じずに、球面状のマイクロレンズが形成できるので、歩留まりが良好となり、生産性が向上する。
さらに、複数の光ファイバを束ねて、一括してレジストコート、露光、現像及び溶融加熱することが可能なので、複数の光ファイバの端面の各コアに一括してマイクロレンズを形成することができ、より一層生産性が向上する。
【００１８】
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
第２の実施形態によるマイクロレンズの形成方法は、上記第１の実施形態で形成したフォトレジストからなるマイクロレンズ１６をエッチング・マスクとして光ファイバ端面をエッチングし、コア１２をマイクロレンズ状に加工して形成する方法である。
すなわち、図１（Ｅ）に示した状態の半球形のフォトレジストをマスクとして光ファイバをエッチングして形成する。光ファイバ端面１１ａに垂直方向からエッチング粒子を照射してドライエッチングを行う。図１（Ｆ）に示すように、クラッド端面１３ａはエッチング開始と同時にエッチングされていき、コア端面１２ａはコア１２上のレジスト１６がエッチングされて無くなってからエッチングが開始されるので、クラッド端面１３ａは光ファイバ１０の軸に垂直な平面で形成され、コア端面１２ａは球面状に形成される。このようにしてコアと一体物のマイクロレンズが形成できる。なお、図１（Ｆ）の鎖線はエッチング前の光ファイバ端面の位置、及びレジスト表面の位置を示している。
ドライエッチングに、高速原子線（ＦＡＢ〜Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｅａｍ）エッチング方法を用いれば、最適な原子種を選択することによって極めて面精度の高いマイクロレンズを形成できる。
上記説明ではドライエッチングによる方法を説明したが、エッチャントを工夫することで、ウェットエッチングでも形成できる。
【００１９】
このように、本発明の第２の実施形態によってマイクロレンズを形成すれば、コアと一体物のマイクロレンズを形成できるから、光学特性、及び機械的強度に優れたマイクロレンズが形成できると共に、位置合わせ工程無しに、光ファイバの一端面にコア端面に正確に対応して、すなわちマイクロレンズの位置ずれ等が生じずに、球面状のマイクロレンズが形成できるので、歩留りが良好となり、生産性が向上する。
【００２０】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態、及び第２の実施の形態において、フォトレジスト上にさらに、フォトレジストと同等の屈折率を有する屈折率マッチング媒体を配置してから露光するものである。
図４は、マッチング媒体を配置した場合と配置しない場合の効果の違いを模式的に示す図である。
図４（Ａ）に示すように、マッチング媒体を配置しない場合には、フォトレジスト１４と空気との界面４０において屈折率の不連続に基づいて反射光４１が発生し、光ファイバ端面１１ａに戻ってくるため、コア端面１２ａをはみ出してクラッド部分のレジストも露光してしまう。このため、マイクロレンズの形状が大きくなり、集光能力が小さくなる。
図４（Ｂ）はマッチング媒体４２を配置した場合を示しており、反射光４１は、マッチング媒体４２と空気の界面４３で生じるから、マッチング媒体４２の厚みを十分な厚みにすれば、光ファイバ端面１１ａにおける反射光４１の強度はフォトレジスト１４を感光させない程度に小さくできる。このようにして、コア端面１２ａのみにマイクロレンズを形成することができるので、集光能力の高いマイクロレンズを形成することができる。
【００２１】
次に、本発明の実施例を示す。
図５は、本発明の方法により形成したコア部にフォトレジストからなるマイクロレンズを形成して走査型電子顕微鏡で撮影した写真である。
図から明らかなように、極めて面精度が優れていることがわかる。焦点距離１１μｍ、開口数（ＮＡ）０．３３に設計した。
図６は、本発明の方法により複数の光ファイバを束ねて一括して形成した、フォトレジストからなるマイクロレンズの走査型電子顕微鏡写真である。
図から明らかなように、複数の光ファイバにマイクロレンズを一括して形成できることがわかる。
図６は、本発明の方法により形成したコアと一体物のマイクロレンズの走査型電子顕微鏡写真である。
図から明らかなように、この方法によっても、極めて面精度が優れたコアと一体物のマイクロレンズを形成できることがわかる。
【００２２】
【発明の効果】
上記説明から理解されるように、本発明によれば、光ファイバのコア端面、または光ファイババンドルの各コア端面に、位置合わせ精度良く、かつ低コストでマイクロレンズを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法の第一の実施形態の工程を示す図である。
【図２】本発明に用いる露光装置の一例を示す図である。
【図３】本発明のマイクロレンズの光透過率を示すグラフである。
【図４】マッチング媒体を配置した場合と配置しない場合の効果の違いを模式的に示す図である。
【図５】本発明の方法により形成したコア部に形成したフォトレジストからなるマイクロレンズの走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明の方法により複数の光ファイバを束ねて一括して形成した、フォトレジストからなるマイクロレンズの走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】本発明の方法により形成したコアと一体物のマイクロレンズの走査型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１０ 光ファイバ
１１ａ 光ファイバの一端面
１１ｂ 光ファイバの他端面
１２ コア
１２ａ コア端面
１３ クラッド
１３ａ クラッド端面
１４ レジスト
１５ 光
１６ レジスト
１７ マイクロレンズ
３０ 光源
３１ 光ファイバコネクタ
４０ レジスト・空気界面
４１ 反射光
４２ 屈折率マッチング媒体
４３ マッチング媒体・空気界面

Claims (6)

1. コアと該コアの周囲に形成されたクラッドとから成る光ファイバの一端面にフォトレジストを塗布するレジスト塗布工程と、
   このフォトレジスト上にこのフォトレジストと同等の屈折率を有するマッチング媒体を、このマッチング媒体と空気との界面で生じる反射光の上記フォトレジストにおける強度がこのフォトレジストを感光させない程度に小さくなる厚さに配置する工程と、
   上記光ファィバの他端面に光を入射させて上記一端面に塗布されたフォトレジストを露光するレジスト露光工程と、
   上記一端面のクラッドの領域から未感光のフォトレジストを除去するレジスト現像工程と、
   上記光ファイバのコアの領域に残留したフォトレジストを加熱溶融させて凸レンズ状に形成する加熱溶融工程と、
   からなることを特徴とする、光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法。
2. コアと該コアの周囲に形成されたクラッドとから成る光ファイバの一端面にフォトレジストを塗布するレジスト塗布工程と、
   このフォトレジスト上にこのフォトレジストと同等の屈折率を有するマッチング媒体を、このマッチング媒体と空気との界面で生じる反射光の上記フォトレジストにおける強度がこのフォトレジストを感光させない程度に小さくなる厚さに配置する工程と、
   上記光ファィバの他端面に光を入射させて上記一端面に塗布されたフォトレジストを露光させるレジスト露光工程と、
   上記一端面のクラッドの領域から未感光のフォトレジストを除去するレジスト現像工程と、
   上記光ファイバのコアの領域に残留したフォトレジストを加熱溶融させて凸レンズ状に形成する加熱溶融工程と、
   上記凸レンズ状に形成したフォトレジストをエッチング・マスクとして上記光ファイバの端部をエッチングして上記コアを凸レンズ状に形成するエッチング工程と、
   からなることを特徴とする、光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法。
3. 前記レジスト塗布工程におけるフォトレジストの塗布が、ディップコートまたはスプレーコートであることを特徴とする、請求項１または２に記載の光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法。
4. 前記エッチング工程におけるエッチングが、ドライエッチングであることを特徴とする、請求項２に記載の光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法。
5. 前記ドライエッチングが、高速原子線エッチングであることを特徴とする、請求項４に記載の光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法。
6. 前記光ファイバが、複数のコアを有する光ファイババンドルであることを特徴とする、請求項１または２に記載の光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法。

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