JP4112888B2 - Manufacturing method of micro optical system having three-dimensional structure and micro optical system implementing the same - Google Patents

Manufacturing method of micro optical system having three-dimensional structure and micro optical system implementing the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムに関する。
本発明の立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムは、平面フォトリソグラフィ等によって素子が製作された平面基板を折り曲げることにより立体構造を持った微小光学系を実現したものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、光学システムは複数の異なるばらばらのバルク材料を組み合わせて構成され、アライメントの調節機構も含めて光が伝播する空間を設ける必要があるため、大きな体積を有するものとなる。この点が光学システムを利用する側からは使い勝手やコストの面でのマイナスになることが多々ある。加えて大きな体積を有する光学システムは、熱変動や空気ゆらぎなどのドリフトの影響を受け易い欠点がある。
光学システムの安定度を増す上でも、光学システムを小さくまとめて集積度の高いものにする必要があるため各種の提案が行われている。従来の光学システムを集積する試みは、主に平面状の導波路をベースにして光路上に様々な機能を埋め込むものであった。光を外界に出射する必要の無い用途に対してはこの方法でも良いが、対象物の距離を測る距離センサなどでは、自由空間を介して光を伝播させて照射することが不可避である。
例えば、導波路と自由空間を効率良く結合するには、特殊なレンズや回折格子が必要となるが、それらは高価で特殊な素子となるため、自由空間を積極的に利用して素子を配置しコンパクトな光学系を実現する方法が提案されている。この自由空間を光路に利用するデバイスには、クロストークが少ないこと、構成できる光学系の自由度が高いことが魅力となっている。しかしながら、量産に実績のある加工方法は主に平面を対象とする2次元的なフォトリソグラフィであり、光学システムが必要とする3次元構造を用意することは困難である。
【0003】
このため、従来実現されている光システムでは、光源から検出器までの完全な集積化が難しく、アセンブリに多くのコストを費やしてデバイスの製作が行われている。
自由空間型の集積型光デバイスの特徴は、マイクロアクチュエータも含めた微細な機械構造が大量に安価にできることである。MEMSの発展と共に光応用分野で研究されてきた立体構造の構成法に、シリコンオプティカルベンチと呼ばれるものがある。この方法は、平面のシリコン基板を光学ベンチにみたてて、その上に主に多結晶シリコンの薄膜を、基板に垂直に立てて3次元的な深い構造を作るものであり、様々な光学系がデモンストレーションされている。
しかしながらこの方法は、半導体レーザチップに代表される、他の製作法で用意されたバルクのデバイス素子をマウントする際に、実績のあるフリップチップボンディング技術を使用することが出来ず、実用上は問題を残している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザの放熱や配線のし易さの点からも、デバイス素子を基板に密着する形で配置するのが望まれるが、このような構成で3次元的な深い構造をバルクシリコンから作ることは容易ではなく、自由空間型光デバイスに特有な3次元的な深い構造と、バルクデバイス素子のアセンブルし易さを両立する技術的な解決法が無かった。このため、デバイス素子を基板に密着する形で配置するような構成で、光が通るべき光路を確保した上で、3次元的に素子をプリアライメントして配置するための、自由空間型光デバイスを3次元的な構造で製作する技術の実現が求められている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリコンウェーハ等の平面基板上に、フォトリソグラフィ技術を用いて製作配置した素子を、基板ごと折り曲げることによって平面的な配置から立体的な配置を作り出し、自由空間型の微小光学系を構成する方法を実現することにより問題を解決したものである。
本発明の、立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムでは、シリコン基板を選択的に直線の折り目を介して2つ以上の部分に分け、かつ連結したまま扱うことが可能になるので、シリコン基板は互いにずれることが無く、平面リソグラフィを用いてプリアライメントされた位置に保つことができる。
本発明によれば、従来の平面リソグラフィの加工方法をそのまま使用し、後工程によって平面基板から立体構造を作り出すようにしているために、技術的な難易度をいたずらに高めることなく全体の光学系を設計、製作できる。
【0006】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムの構成を説明する図である。
図1の(a)は、折り曲げを行う前のシリコン基板を示し、(b)(c)は、シリコン基板の折り曲げを行う構成の概観を図示したものである。
図1の(a)、(b)において、10は、平面構造をもったシリコン基板である。11はシリコン基板10の折り曲げを行う一方の基板、12は折り曲げを行う他方の基板を示す。シリコン基板10の一方の基板11と他方の基板12には、それぞれ平面リソグラフィの加工方法を使用し、立体構造となった場合に必要な素子が微細加工もしくは配置されている。
20は、シリコン基板10を折り曲げるための折り曲げ位置を示す直線の溝で、エッチングによりシリコン基板をV型に薄く削って形成される。21はフォトレジストで、基板11と12の間を接続するための軟材料である。
【0007】
シリコン基板10を折り曲げるための直線の柔らかな折り曲げ位置20を用意するには、シリコン基板をダイジングによって選択的にシリコンの厚みを薄くしたり、フォトレジスト等の加熱によって柔らかくなる軟材料と置き換える方法も使用出来る。
30は平面のシリコン基板10の折り曲げに使用されるジグで、直線41を基準に、折り曲げに必要な角度を持った二つの平面31,32を持っている。ジグ30の加工は、通常の機械加工で行われる。
本発明の立体構造を持った微小光学系の製造は次のように行われる。
図1の(a)に示す微細加工を施されたシリコン基板10を、図1の(b)に示すようにジグ30の上に載せて、シリコン基板10を折り曲げるための直線の溝20を、ジグ30の直線41に合わせて置いて、150℃前後まで加熱する。
加熱による昇温で、シリコン基板10は、図1の(c)に示すようにシリコン基板10は直線の溝20で、折り紙のように折れ曲がる。高温状態でシリコン基板10の折り曲げを行う一方の基板11と折り曲げを行う他方の基板12が、ジグ30の平面31,32に隙間無く密着するようにし、密着した状態で温度を下げるとジグに沿った角度で固定される。
【0008】
平面基板11と12の間を接続している軟材料のフォトレジストが、室温まで温度が下がると、折れ曲げ角を固定しハンドリングに支障は無い状態となる。
実際に、折れ曲がり位置に引張り荷重をかけたところ、少なくとも217gf/cmの荷重まで耐えることが確認された。但し、折れ曲がり角に対しては、荷重をかけると変形する。
尚、折れ曲げ角の固定を強固に行う必要がある場合には、シリコン基板10とジグ30を接着して完全に固定した状態で利用することも可能である。
図2の(a)に、実際に得られたシリコン基板の45°折り曲げ構造を、(b)に利用した折り曲げ角の基準となるジグの写真を示す。
図3は、シリコン基板の温度が下がってから、基板形状を測定したデータを示したものである。図3のデータは角度が20°の場合である。図3のデータは、中心部分でのみ変形が起こっており、他は平面構造を保っていることを示している。
【0009】
図4は、同じウェーハを何度もジグに当てて繰り返し変形させた後に、折り曲げ角度の再現性を測定したデータを示したものである。図4のデータは、角度誤差±0.2°の再現性が得られることを示している。
上記に説明した立体構造を持った微小光学系の製造方法を使用して、各種の立体的な光学系を実現することができる。以下、いくつかの光学系を製作する実施例について説明する。
図5は、本発明を3角測量の光学系に適用して、距離センサ、速度センサを製作した実施例を示す。図5の実施例は、折り目が一つの場合である。
図5において、図1と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。BDは、平面基板11上に配置されたビーム位置検出器でフォトダイオードにより構成されている。LSは平面基板11上に配置された半導体レーザ、L1は平面基板11上に配置されたコリメーションレンズである。
MSは平面基板12上に形成された反射ミラーである。
DTは測定対象のサンプルである。L2は集光レンズである。
平面基板11と平面基板12とは、フォトレジスト21により所定の角度を持って固定され立体構造を持つ3角測量の光学系の微小光学システムが構成されている。
【0010】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板11上に配置された、光源となる半導体レーザLSと、コリメーションレンズL1により平行ビームBMが発生される。この平行ビームBMは、平面基板12上に形成された反射ミラーMSに斜め入射する。
平行ビームBMは、反射ミラーMSで反射されミラーに対して上方に出射される。
反射ミラーMSで反射された平行ビームBMは、測定対象のサンプルDTに当たり反射される。サンプルDTで反射された平行ビームBMの光の一部は、集光レンズL2により集光され平面基板11に投射され平面基板11上に配置されたビーム位置検出器BDによって反射位置が測定される。光は3角形状の光路を伝播するため、三角測量の原理によって、対象物の位置とその時間変化から速度を検出することができる。
【0011】
図6は、本発明をエンコーダに適用して曲げ構造をもつエンコーダを製作した実施例を示す。図6の実施例は、折り目が二つの場合である。
図6において、図1と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。13はシリコン基板10の上に形成された第三の基板である。
シリコン基板10の上に配置された第一の基板11上には、発光ダイオードLEが配置されており、又、第三の基板13上には、回析格子状フォトダイオードADが配置されている。TKは、透過型の回析格子である。
第一の基板11,第二の基板12,第三の基板13は、互いの間が直角に曲げられコの字型に固定され、第一の基板11と第三の基板13は平行の状態で固定されている。
第一の基板11と第三の基板13の間には、透過型の回析格子TKが基板11と基板13と平行に移動可能な構成で配置され、エンコーダの微小光学システムが構成されている。
【0012】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板11上に配置された、光源となる発光ダイオードLEより光ビームが出射される。この光ビームは、透過型の回析格子TKに入射し、回析格子TKにより回析されたビームは、第三の基板13の回析格子状フォトダイオードADにより検出される。
透過型の回析格子TKの移動によって生じる回析パターンの移動によつて、第三の基板13の回析格子状フォトダイオードADにより検出される信号は変化するので、回析格子状フォトダイオードADにより検出される光量信号はエンコーダ信号として使用することができる。
【0013】
図7は、本発明を光スキャナに適用してバーコードリーダを製作した実施例を示す。図7の実施例は、折り目が一つの場合である。
図7において、図1と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。PDは、平面基板11上に配置されたフォトダイオードである。LSは平面基板11上に配置された半導体レーザ、L1は平面基板11上に配置されたコリメーションレンズ、L2は集光レンズL2である。
SMは平面基板12上に配置された光スキャナのスキャニングミラーである。スキャニングミラーSMは、マイクロアクチュエータにより動作され光の面外出射角度を変化させることができる。BCは測定対象のバーコードである。
平面基板11と平面基板12とは、フォトレジスト21により所定の角度を持って固定され立体構造を持ったバーコードリーダの微小光学システムが構成されている。
【0014】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板11上に配置された、光源となる半導体レーザLSと、コリメーションレンズL1により平行ビームBMが発生される。この平行ビームBMは、平面基板12上に配置されたにスキャニングミラーSMに斜め入射する。
平行ビームBMは、スキャニングミラーSMで反射されミラーに対して上方に出射される。
スキャニングミラーSMで反射された平行ビームBMは、測定対象のバーコードBCに当たり反射される。バーコードBCで反射された平行ビームBMの光の一部は、集光レンズL2を通って平面基板11に入射して平面基板11上に配置されたフォトダイオードによって検出されバーコード上の1点からの光が検出される。
スキャニングミラーSMのスキャニング角度を変化させ、スキャニング角度とフォトダイオードによって検出される光信号を対応させることによりバーコード上の1点の幅を測定することが出来るので、測定対象のバーコードBCを読み取ることが出来る。
【0015】
図8は、本発明を二次元光スキャナに適用して、レーザビーム操作型ディスプレイを製作した実施例を示す。図8の実施例は、折り目が二つの場合である。
図8において、図1と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。13はシリコン基板10から形成された第三の基板である。第三の基板13は、基板12との間を接続するための軟材料であるフォトレジスト22によりシリコン基板10を折り曲げるための直線の溝に添って所定の角度で曲げられ固定されている。
LSは平面基板11上に配置された半導体レーザ、L1は平面基板11上に配置されたコリメーションレンズである。SM1は平面基板12上に配置された第一の光スキャナのスキャニングミラーである。SM2は平面基板13上に配置された第二の光スキャナのスキャニングミラーである。
スキャニングミラーSM1,SM2は、光の面外出射角度を変化させることができる。
第一の基板11,第二の基板12,第三の基板13は、互いの間が所定の角度に曲げられて固定されてレーザビーム操作型ディスプレイの微小光学システムが構成されている。
【0016】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板11上に配置された、半導体レーザLSと、コリメーションレンズL1によりレーザビームBMが発生される。このレーザビームは、平面基板12上に配置されたスキャニングミラーSM1に斜め入射する。
スキャニングミラーSM1に入射したレーザビームBMは、スキャニングミラーSM1で反射されミラーに対して斜め上方に出射される。
スキャニングミラーSM1で反射されたレーザビームBMは、平面基板13上に配置された第二の光スキャナのスキャニングミラーSM2に斜め入射し、スキャニングミラーSM2で反射されミラーに対して斜め上方に出射される。
スキャニングミラーSM1,SM2のスキャニング角度を任意に変化させることにより、スキャニングミラーSM2で反射され出射されるレーザビームBMを二次元的に変化させることが出来るのでレーザビーム操作型ディスプレイとして機能させることが出来る。
【0017】
図9は、本発明を適用して、光スイッチを製作した実施例を示す。図9の実施例は、折り目が一つの場合である。
図9において、図1と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。FB1は第一の基板11上に配置された第一の光ファイバー、FB2は第一の基板11上に配置された第二の光ファイバー、FB3は第一の基板11上に配置された第三の光ファイバーである。
第一の光ファイバーFB1と第二の光ファイバーFB2と第三の光ファイバーFB3は第一の基板11上に、第二の基板12上のある点を中心として、一定の角度を持って放射状に配置されている。
SMは平面基板12上に配置されたスキャニングミラーである。
スキャニングミラーSMは、光の面外出射角度を変化させることができる。
第一の基板11と第二の基板12は互いに直角に曲げられて固定されている。
第一の基板11に放射状に設けられた第一の光ファイバーFB1と第二の光ファイバーFB2と第三の光ファイバーFB3の中心部に対応する位置に平面基板12上に配置された光スキャナのスキャニングミラーSMが配置され、光スイッチの微小光学システムが構成されている。
【0018】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板11上に配置された、第一の光ファイバーFB1は入力ポートとして使用され、光信号が導入される。平面基板11上に配置された、第二の光ファイバーFB2と第三の光ファイバーFB3は出力ポートとして使用され、スイッチされた光信号が出力される。
平面基板11上に配置された第一の光ファイバーFB1に導入された光信号は平面基板12上に配置されたスキャニングミラーSMに入射する。
スキャニングミラーSMに入射した第一の光ファイバーFB1の光信号はスキャニングミラーSMで反射される。
スキャニングミラーSMの角度を調整することにより、スキャニングミラーSMで反射され出射される光信号を、面基板11上に配置された出力ポートとして使用される第二の光ファイバーFB2、又は第三の光ファイバーFB3に振り分けることにより切り替えることが出来る。
スキャニングミラーSMにより、第二の光ファイバーFB2、又は第三の光ファイバーFB3に光信号を切り替えることが可能になるので1*2型の光スイッチとして機能させることが出来る。
尚、出力ポートとして使用される光ファイバーの数を増やすことにより、任意の数の出力ポートに光信号を切り替える光スイッチを製作することが可能である。
【0019】
図10は、本発明を可変減衰器に適用して折り曲げ構造をもつ光可変減衰器を製作した実施例を示す。図10の実施例は、折り目が一つの場合である。
図10において、図1と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。
FB1は第一の基板11上に配置された第一の光ファイバー、FB2は第一の基板11上に配置された第二の光ファイバーである。
第一の光ファイバーFB1と第二の光ファイバーFB2は第一の基板11上に、第二の基板12上のある点を中心として、一定の角度を持って放射状に配置されている。
SMは平面基板12上に配置されたスキャニングミラーである。
スキャニングミラーSMは、光の面外出射角度を変化させることができる。
第一の基板11と第二の基板12は互いに直角に曲げられて固定されている。
第一の基板11に放射状に設けられた第一の光ファイバーFB1と第二の光ファイバーFB2の中心部に対応する位置に平面基板12上に配置された光スキャナのスキャニングミラーSMが配置され、光可変減衰器の微小光学システムが構成されている。
【0020】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板11上に配置された、第一の光ファイバーFB1は入力ポートとして使用され、光信号が導入される。平面基板11上に配置された、第二の光ファイバーFB2は出力ポートとして使用され、減衰された光信号が出力される。
平面基板11上に配置された第一の光ファイバーFB1に導入された光信号は平面基板12上に配置されたにスキャニングミラーSMに入射する。
スキャニングミラーSMに入射した第一の光ファイバーFB1の光信号はスキャニングミラーSMで反射され出射される。
スキャニングミラーSMの角度を調整することにより、スキャニングミラーSMで反射され出射される光信号が、平面基板11上に配置された出力ポートとして使用される第二の光ファイバーFB2の端面に投射される光の量を変えることが出来る。このため、第二の光ファイバーFB2に入射する光信号の量をスキャニングミラーSMの角度を調整することにより任意に変化させることが可能になるので光可変減衰器として機能させることが出来る。
【0021】
図11は、本発明を適用して波長フィルタを製作した実施例を示す。図11の実施例は、折り目が一つの場合である。
図11において、図1と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。
FB1は、平面基板11上に形成されたガイドに固定された光ファイバーである。
SMは平面基板12上に配置されたスキャニングミラーである。スキャニングミラーSMは、光の面外反射方向を変化させることができる。
KAは対向して配置された反射型の回析格子である。
平面基板11と平面基板12とは、フォトレジストにより所定の角度を持って固定され、平面基板12と回析格子KAとは一定の間隔を持って平行に配置され、立体構造を持った波長フィルタの微小光学システムが構成されている。
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板11上に配置された光ファイバーFB1に導入された入射光は平面基板12と平行に配置された回析格子KAに斜め入射する。
回析格子KAに入射した入射光は回析格子KAで回析され、特定の波長成分が上方に出射され、平面基板12上に配置された光スキャナのスキャニングミラーSMに垂直入射する。この回析格子KAから出射された特定波長の入射光はスキャニングミラーSMで反射され、同じ光路を逆にたどって再び回析格子KAに入射する。
回析格子KAに入射した光は回析格子KAで再び回析され、特定の波長成分が平面基板11上に配置された光ファイバーFBに出射光として出力される。
スキャニングミラーSMのスキャニング角度を変化させることにより、最終的に光ファイバーFBに出力される入射光中の特定の波長成分が変化するので波長フィルタとして機能させることが出来る。
【0022】
図12は、本発明を適用して波長可変光源を製作した実施例を示す。図12の実施例は、折り目が二つの場合である。
図12において、図1と同一の部分には同一の符合を付けてその説明を省略する。
LDは、平面基板11上に固定されたレーザダイオードである。L1は平面基板11上に配置されたレンズである。
SMは平面基板12上に配置された光スキャナのスキャニングミラーである。スキャニングミラーSMは、光の面外出射角度を変化させることができる。
KAは反射型の回析格子である。
平面基板11と平面基板12とは、フォトレジスト21により所定の角度を持って固定され、平面基板12と回析格子KAとは一定の間隔を持って平行に配置され、立体構造を持った波長可変光源の微小光学システムが構成されている。
【0023】
このように構成された微小光学システムの動作は次のように行われる。
平面基板11上に配置されたレーザダイオードLDより出力されるレーザ光は、レンズL1を通して平面基板12と平行に配置された回析格子KAに斜め入射する。
回析格子KAに入射したレーザ光は回析格子KAで回析され、特定の波長成分が垂直上方に出射され、平面基板12上に配置されたスキャニングミラーSMに垂直入射する。回析格子KAから出射された特定波長の光はスキャニングミラーSMで反射され、再び回析格子KAに入射する。
回析格子KAに入射したレーザ光の特定の波長成分は回析格子KAで回析され、特定の波長成分が平面基板11上に配置されたレンズL1の方向に出射され、レンズL1を介してレーザダイオードLDに帰還され、外部共振器を形成しレーザダイオードLDの発振波長を決定する。
この特定の波長のレーザダイオードLDのレーザ光の一部は、平面基板12と平行に配置された回析格子KAで正反射され、出射光として出力される。レーザダイオードLDのレーザ光の波長はスキャニングミラーSMのスキャニング角度を変化させることにより外部共振器を形成する波長が変化するので波長可変光源として機能させることが出来る。
【0024】
上記に詳細に説明したように、本発明の立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムでは、シリコン基板を選択的に直線状にシリコンの厚みを薄くしたり、加熱によって柔らかくなる材料と置き換えることで、シリコン基板を2つ以上の部分に分け、かつ連結したまま扱うことが可能になる。
又、本発明では、各部分に分かれたシリコン基板を所望の直線上で折り曲げるために、シリコン基板は回転する以外は互いにずれることが無く、平面リソグラフィを用いてプリアライメントされた位置に保つことができる。又、折れ曲げの角度は、所望の角度で固定されるようにジグを使用するが、ジグの寸法はバルク材料の基板に対するものであるので、従来の機械加工の精度で十分である。しかも、折れ曲げ角度の精度はジグの精度が転写され、平面リソグラフィでは実現できない別の自由度が生まれ、一度設定した折り曲げの角度を変更することも別のジグを利用して可能である。
又、本発明によれば、従来の平面リソグラフィの加工方法をそのまま使用し、後工程によって平面基板から立体構造を作り出すようにしたために、後工程が平面的なリソグラフィ技術によって用意された部品と機械加工で用意された立体的なジグの組み合わせとなるために、技術的な難易度をいたずらに高めることなく全体の光学系を設計、製作できる。
【0025】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムは、もともと平面であったシリコンウェーハを折り曲げることで様々な自由空間型の光学系を実現することを可能にする。
本発明では、折り曲げる前の平面サンプルには、従来の平面リソグラフィ技術を用いてMEMS構造やフォトダイオードなどの機能素子を予め作り込む技術を使用することが出来る。又、基板を折り曲げる角度は、従来の機械加工技術を用いて用意したジグを利用することで任意に設定し、正確にコントロールすることが出来る。このため、製作段階で予めアライメントを取ってデバイス製作が出来、製作した折り曲げ構造とジグを接着、固定して安定に使用することも可能である。
このため、従来の確立された技術を組み合わせて使用することにより自由空間型光システムの集積化を進めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の立体構造を持った微小光学系の製造方法とこれを実施した微小光学システムの構成を説明する図である。
【図2】 実際に得られたシリコン基板の45°折り曲げ構造と、利用した折り曲げ角の基準となるジグを示す。
【図3】 シリコン基板の温度が下がってから、基板形状を測定したデータを示したものである。
【図4】 同じウェーハを何度もジグに当てて変形させた後に角度の再現性を測定したデータを示したものである。
【図5】 本発明を3角測量の光学系に適用して距離センサ、速度センサを製作した実施例を示す。
【図6】 本発明をエンコーダに適用して曲げ構造をもつエンコーダを製作した実施例を示す。
【図7】 本発明を光スキャナに適用してバーコードリーダを製作した実施例を示す。
【図8】 本発明を二次元光スキャナに適用して、レーザビーム操作型ディスプレイを製作した実施例を示す。
【図9】 本発明を光スイッチに適用して折り曲げ構造をもつ光スイッチを製作した実施例を示す。
【図10】 本発明を可変減衰器に適用して折り曲げ構造をもつ光可変減衰器を製作した実施例を示す。
【図11】 本発明を適用して波長フィルタを製作した実施例を示す。
【図12】 本発明を適用して波長可変光源を製作した実施例を示す。
【符号の説明】
10・・・平面構造をもったシリコン基板,
11・・・折り曲げを行う一方の基板,
12・・・折り曲げを行う他方の基板,
13・・・折り曲げを行う第三の基板,
20・・・シリコン基板10を折り曲げるための直線の溝,
21、22・・・フォトレジスト,
30・・・平面のシリコン基板10の折り曲げに使用されるジグ,
31・・・基板10の折り曲げた状態した時の平面の基準,
32・・・基板10の折り曲げた状態した時の他方の基準,
41・・・シリコン基板10を折り曲げる直線状の基準,
BD・・・ビーム位置検出器,
PD・・・光量検出用のフォトダイオード,
LS・・・半導体レーザ,
L1・・・コリメーションレンズ,
SM・・・マイクロスキャナ上のスキャニングミラー,
MS・・・反射ミラー,
LD・・・波長可変のレーザダイオード,
DT・・・測定対象のサンプル,
L2・・・集光レンズ,
LE・・・発光ダイオード,
AD・・・回析格子状フォトダイオード,
TK・・・透過型の回析格子,
KA・・・反射型の回析格子,
BC・・・測定対象のバーコード,
SM1・・・第一のマイクロスキャナ上のスキャニングミラー,
SM2・・・第二のマイクロスキャナ上のスキャニングミラー,
FB1・・・第一の光ファイバー,
FB2・・・第二の光ファイバー,
FB3・・・第三の光ファイバー,
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a micro optical system having a three-dimensional structure and a micro optical system that implements the method.
The manufacturing method of a micro optical system having a three-dimensional structure according to the present invention and a micro optical system that implements the method realize a micro optical system having a three-dimensional structure by bending a flat substrate on which elements are manufactured by flat photolithography or the like. It is a thing.
[0002]
[Prior art]
In general, an optical system is configured by combining a plurality of different and different bulk materials, and it is necessary to provide a space in which light is propagated including an alignment adjusting mechanism, so that the optical system has a large volume. This point is often negative in terms of usability and cost from the side of using the optical system. In addition, an optical system having a large volume has a drawback that it is easily affected by drifts such as thermal fluctuations and air fluctuations.
In order to increase the stability of the optical system, various proposals have been made because it is necessary to make the optical system small and highly integrated. Attempts to integrate conventional optical systems have mainly embedded various functions on the optical path based on a planar waveguide. Although this method may be used for applications that do not require light to be emitted to the outside, it is inevitable that light is propagated through a free space and irradiated with a distance sensor that measures the distance of an object.
For example, special lenses and diffraction gratings are required to efficiently couple the waveguide and free space, but these are expensive and special elements, so the elements are placed actively using free space. A method for realizing a compact optical system has been proposed. Devices that use this free space for the optical path are attractive because of less crosstalk and a high degree of freedom in the optical system that can be configured. However, a processing method that has a proven record in mass production is two-dimensional photolithography mainly for a plane, and it is difficult to prepare a three-dimensional structure required by an optical system.
[0003]
For this reason, in an optical system that has been realized in the past, complete integration from the light source to the detector is difficult, and the device is manufactured at a high cost for assembly.
A feature of the free space type integrated optical device is that a fine mechanical structure including a microactuator can be manufactured in large quantities at a low cost. As a method for constructing a three-dimensional structure that has been studied in the field of optical application with the development of MEMS, there is a so-called silicon optical bench. In this method, a planar silicon substrate is viewed on an optical bench, and a thin film of mainly polycrystalline silicon is vertically formed on the surface to form a three-dimensional deep structure. Various optical systems are used. Has been demonstrated.
However, this method cannot be used with a proven flip chip bonding technique when mounting a bulk device element prepared by another manufacturing method typified by a semiconductor laser chip. Is leaving.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
From the viewpoint of heat dissipation of the semiconductor laser and ease of wiring, it is desirable to arrange the device elements in close contact with the substrate, but it is not possible to make a three-dimensional deep structure from bulk silicon with such a configuration. It was not easy, and there was no technical solution that achieved both the three-dimensional deep structure unique to free-space optical devices and the ease of assembling bulk device elements. For this reason, a free space type optical device for pre-aligning and arranging the elements in a three-dimensional manner after securing the optical path through which the light should pass in a configuration in which the device elements are arranged in close contact with the substrate. Realization of a technology for manufacturing a three-dimensional structure is required.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention creates a three-dimensional arrangement from a planar arrangement by bending an element manufactured and arranged on a planar substrate such as a silicon wafer using a photolithography technique together with the substrate, and a free space type micro optical system is formed. The problem is solved by realizing the method of configuring.
In the manufacturing method of the micro optical system having a three-dimensional structure and the micro optical system implementing the same according to the present invention, the silicon substrate is selectively divided into two or more parts through straight creases and handled while being connected. Therefore, the silicon substrates are not displaced from each other, and can be kept in a prealigned position using planar lithography.
According to the present invention, since the conventional planar lithography processing method is used as it is, and a three-dimensional structure is created from the planar substrate in a subsequent process, the entire optical system can be obtained without unnecessarily increasing the technical difficulty level. Can be designed and manufactured.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram for explaining a method for manufacturing a micro-optical system having a three-dimensional structure according to the present invention and the configuration of a micro-optical system that implements the method.
1A shows a silicon substrate before bending, and FIGS. 1B and 1C show an overview of a structure in which the silicon substrate is bent.
In FIGS. 1A and 1B, reference numeral 10 denotes a silicon substrate having a planar structure. Reference numeral 11 denotes one substrate on which the silicon substrate 10 is bent, and reference numeral 12 denotes the other substrate to be bent. On one substrate 11 and the other substrate 12 of the silicon substrate 10, elements that are necessary when a three-dimensional structure is formed by using a planar lithography processing method are finely processed or arranged.
Reference numeral 20 denotes a linear groove indicating a bending position for bending the silicon substrate 10, and is formed by thinly cutting the silicon substrate into a V shape by etching. Reference numeral 21 denotes a photoresist, which is a soft material for connecting between the substrates 11 and 12.
[0007]
In order to prepare a straight soft bending position 20 for bending the silicon substrate 10, there is a method in which the silicon substrate is selectively thinned by dicing or replaced with a soft material softened by heating such as a photoresist. Can be used.
Reference numeral 30 denotes a jig used to bend the flat silicon substrate 10, and has two flat surfaces 31 and 32 having an angle necessary for bending with respect to the straight line 41. The jig 30 is processed by normal machining.
The micro optical system having a three-dimensional structure according to the present invention is manufactured as follows.
A silicon substrate 10 subjected to microfabrication shown in FIG. 1A is placed on a jig 30 as shown in FIG. 1B, and a linear groove 20 for bending the silicon substrate 10 is formed. Place it along the straight line 41 of the jig 30 and heat it to around 150 ° C.
As shown in FIG. 1C, the silicon substrate 10 is bent in a straight groove 20 like an origami as the temperature rises by heating. One substrate 11 that bends the silicon substrate 10 in a high temperature state and the other substrate 12 that is to be folded are in close contact with the flat surfaces 31 and 32 of the jig 30 without any gap, and when the temperature is lowered in the close contact state, along the jig. Fixed at an angle.
[0008]
When the temperature of the photoresist of the soft material connecting the flat substrates 11 and 12 decreases to room temperature, the bending angle is fixed and there is no problem in handling.
Actually, when a tensile load was applied to the bent position, it was confirmed that it could withstand a load of at least 217 gf / cm. However, the bending angle is deformed when a load is applied.
In addition, when it is necessary to firmly fix the bending angle, it is possible to use the silicon substrate 10 and the jig 30 that are completely fixed by bonding.
FIG. 2A shows a photograph of a jig that serves as a reference for the bending angle using the actually obtained 45 ° bent structure of the silicon substrate in FIG.
FIG. 3 shows data obtained by measuring the substrate shape after the temperature of the silicon substrate is lowered. The data in FIG. 3 is for an angle of 20 °. The data in FIG. 3 shows that deformation has occurred only in the central portion, and the other has maintained a planar structure.
[0009]
FIG. 4 shows data obtained by measuring the reproducibility of the bending angle after repeatedly deforming the same wafer against the jig repeatedly. The data in FIG. 4 indicates that reproducibility with an angle error of ± 0.2 ° is obtained.
Various three-dimensional optical systems can be realized by using the method for manufacturing a micro-optical system having the three-dimensional structure described above. Hereinafter, examples in which several optical systems are manufactured will be described.
FIG. 5 shows an embodiment in which a distance sensor and a speed sensor are manufactured by applying the present invention to a triangulation optical system. The embodiment of FIG. 5 is a case where there is one fold.
In FIG. 5, the same parts as those in FIG. The BD is a beam position detector disposed on the flat substrate 11 and is configured by a photodiode. LS is a semiconductor laser disposed on the flat substrate 11, and L 1 is a collimation lens disposed on the flat substrate 11.
MS is a reflection mirror formed on the flat substrate 12.
DT is a sample to be measured. L2 is a condenser lens.
The planar substrate 11 and the planar substrate 12 are fixed at a predetermined angle by a photoresist 21 to form a triangulation optical system micro-optical system having a three-dimensional structure.
[0010]
The operation of the micro-optical system configured as described above is performed as follows.
A parallel beam BM is generated by a semiconductor laser LS serving as a light source and a collimation lens L1 disposed on the flat substrate 11. The parallel beam BM is obliquely incident on the reflection mirror MS formed on the flat substrate 12.
The parallel beam BM is reflected by the reflection mirror MS and emitted upward with respect to the mirror.
The parallel beam BM reflected by the reflecting mirror MS hits the sample DT to be measured and is reflected. A part of the light of the parallel beam BM reflected by the sample DT is condensed by the condenser lens L2, projected onto the flat substrate 11, and the reflection position is measured by the beam position detector BD disposed on the flat substrate 11. . Since light propagates through a triangular optical path, the velocity can be detected from the position of the object and its temporal change by the principle of triangulation.
[0011]
FIG. 6 shows an embodiment in which an encoder having a bending structure is manufactured by applying the present invention to an encoder. The embodiment of FIG. 6 is a case where there are two folds.
In FIG. 6, the same parts as those in FIG. Reference numeral 13 denotes a third substrate formed on the silicon substrate 10.
A light emitting diode LE is disposed on the first substrate 11 disposed on the silicon substrate 10, and a diffraction grating photodiode AD is disposed on the third substrate 13. . TK is a transmission type diffraction grating.
The first substrate 11, the second substrate 12, and the third substrate 13 are bent at right angles to each other and fixed in a U shape, and the first substrate 11 and the third substrate 13 are in a parallel state. It is fixed with.
A transmission type diffraction grating TK is arranged between the first substrate 11 and the third substrate 13 so as to be movable in parallel with the substrate 11 and the substrate 13, thereby constituting a micro optical system of the encoder. .
[0012]
The operation of the micro-optical system configured as described above is performed as follows.
A light beam is emitted from a light emitting diode LE, which is a light source, disposed on the flat substrate 11. This light beam is incident on the transmissive diffraction grating TK, and the beam diffracted by the diffraction grating TK is detected by the diffraction grating photodiode AD of the third substrate 13.
The signal detected by the diffraction grating photodiode AD on the third substrate 13 is changed by the movement of the diffraction pattern caused by the movement of the transmission type diffraction grating TK. Therefore, the diffraction grating photodiode AD is changed. Can be used as an encoder signal.
[0013]
FIG. 7 shows an embodiment in which a barcode reader is manufactured by applying the present invention to an optical scanner. The embodiment of FIG. 7 is a case where there is one fold.
In FIG. 7, the same parts as those in FIG. PD is a photodiode disposed on the planar substrate 11. LS is a semiconductor laser disposed on the planar substrate 11, L1 is a collimation lens disposed on the planar substrate 11, and L2 is a condenser lens L2.
SM is a scanning mirror of an optical scanner disposed on the flat substrate 12. The scanning mirror SM is operated by a microactuator and can change the out-of-plane emission angle of light. BC is a barcode to be measured.
The planar substrate 11 and the planar substrate 12 are fixed at a predetermined angle by a photoresist 21 to constitute a micro optical system of a barcode reader having a three-dimensional structure.
[0014]
The operation of the micro-optical system configured as described above is performed as follows.
A parallel beam BM is generated by a semiconductor laser LS serving as a light source and a collimation lens L1 disposed on the flat substrate 11. The parallel beam BM is obliquely incident on the scanning mirror SM disposed on the flat substrate 12.
The parallel beam BM is reflected by the scanning mirror SM and emitted upward with respect to the mirror.
The parallel beam BM reflected by the scanning mirror SM hits the barcode BC to be measured and is reflected. Part of the light of the parallel beam BM reflected by the barcode BC is incident on the planar substrate 11 through the condenser lens L2 and detected by a photodiode disposed on the planar substrate 11, and is detected at one point on the barcode. The light from is detected.
By changing the scanning angle of the scanning mirror SM and making the scanning angle correspond to the optical signal detected by the photodiode, the width of one point on the barcode can be measured, so the barcode BC to be measured is read. I can do it.
[0015]
FIG. 8 shows an embodiment in which the present invention is applied to a two-dimensional optical scanner to produce a laser beam operation type display. The embodiment of FIG. 8 is a case where there are two folds.
In FIG. 8, the same parts as those of FIG. Reference numeral 13 denotes a third substrate formed from the silicon substrate 10. The third substrate 13 is bent and fixed at a predetermined angle along a straight groove for bending the silicon substrate 10 with a photoresist 22 which is a soft material for connecting the substrate 12 to the third substrate 13.
LS is a semiconductor laser disposed on the flat substrate 11, and L 1 is a collimation lens disposed on the flat substrate 11. SM1 is a scanning mirror of the first optical scanner disposed on the flat substrate 12. SM2 is a scanning mirror of the second optical scanner disposed on the flat substrate 13.
The scanning mirrors SM1 and SM2 can change the out-of-plane emission angle of light.
The first substrate 11, the second substrate 12, and the third substrate 13 are bent and fixed at a predetermined angle to constitute a micro-optical system of a laser beam operation type display.
[0016]
The operation of the micro-optical system configured as described above is performed as follows.
A laser beam BM is generated by the semiconductor laser LS and the collimation lens L1 disposed on the planar substrate 11. This laser beam is incident on the scanning mirror SM1 disposed on the flat substrate 12 at an angle.
The laser beam BM incident on the scanning mirror SM1 is reflected by the scanning mirror SM1 and emitted obliquely upward with respect to the mirror.
The laser beam BM reflected by the scanning mirror SM1 is obliquely incident on the scanning mirror SM2 of the second optical scanner disposed on the flat substrate 13, reflected by the scanning mirror SM2, and emitted obliquely upward with respect to the mirror. .
By arbitrarily changing the scanning angle of the scanning mirrors SM1 and SM2, the laser beam BM reflected and emitted by the scanning mirror SM2 can be changed two-dimensionally, so that it can function as a laser beam operation type display. .
[0017]
FIG. 9 shows an embodiment in which an optical switch is manufactured by applying the present invention. The embodiment of FIG. 9 is a case where there is one fold.
In FIG. 9, the same parts as those in FIG. FB1 is a first optical fiber disposed on the first substrate 11, FB2 is a second optical fiber disposed on the first substrate 11, and FB3 is a third optical fiber disposed on the first substrate 11. It is.
The first optical fiber FB1, the second optical fiber FB2, and the third optical fiber FB3 are arranged radially on the first substrate 11 with a certain angle around a certain point on the second substrate 12. Yes.
SM is a scanning mirror disposed on the flat substrate 12.
The scanning mirror SM can change the out-of-plane emission angle of light.
The first substrate 11 and the second substrate 12 are bent and fixed at right angles to each other.
Scanning mirror SM of the optical scanner disposed on the flat substrate 12 at a position corresponding to the center of the first optical fiber FB1, the second optical fiber FB2, and the third optical fiber FB3 provided radially on the first substrate 11. Are arranged to constitute a micro optical system of the optical switch.
[0018]
The operation of the micro-optical system configured as described above is performed as follows.
The first optical fiber FB1 disposed on the flat substrate 11 is used as an input port, and an optical signal is introduced. The second optical fiber FB2 and the third optical fiber FB3 disposed on the planar substrate 11 are used as output ports, and a switched optical signal is output.
The optical signal introduced into the first optical fiber FB1 disposed on the planar substrate 11 enters the scanning mirror SM disposed on the planar substrate 12.
The optical signal of the first optical fiber FB1 incident on the scanning mirror SM is reflected by the scanning mirror SM.
By adjusting the angle of the scanning mirror SM, the optical signal reflected and emitted from the scanning mirror SM is used as the second optical fiber FB2 or the third optical fiber FB3 used as an output port disposed on the surface substrate 11. It can be switched by allocating.
Since the scanning mirror SM can switch the optical signal to the second optical fiber FB2 or the third optical fiber FB3, it can function as a 1 * 2 type optical switch.
An optical switch that switches an optical signal to an arbitrary number of output ports can be manufactured by increasing the number of optical fibers used as output ports.
[0019]
FIG. 10 shows an embodiment in which an optical variable attenuator having a bent structure is manufactured by applying the present invention to a variable attenuator. The embodiment of FIG. 10 is a case where there is one fold.
In FIG. 10, the same parts as those of FIG.
FB1 is a first optical fiber disposed on the first substrate 11, and FB2 is a second optical fiber disposed on the first substrate 11.
The first optical fiber FB1 and the second optical fiber FB2 are radially arranged on the first substrate 11 with a certain angle around a certain point on the second substrate 12.
SM is a scanning mirror disposed on the flat substrate 12.
The scanning mirror SM can change the out-of-plane emission angle of light.
The first substrate 11 and the second substrate 12 are bent and fixed at right angles to each other.
The scanning mirror SM of the optical scanner disposed on the flat substrate 12 is disposed at a position corresponding to the center of the first optical fiber FB1 and the second optical fiber FB2 provided radially on the first substrate 11, and the optical variable An attenuator micro-optical system is constructed.
[0020]
The operation of the micro-optical system configured as described above is performed as follows.
The first optical fiber FB1 disposed on the flat substrate 11 is used as an input port, and an optical signal is introduced. The second optical fiber FB2 disposed on the flat substrate 11 is used as an output port, and an attenuated optical signal is output.
The optical signal introduced into the first optical fiber FB1 arranged on the flat substrate 11 is incident on the scanning mirror SM arranged on the flat substrate 12.
The optical signal of the first optical fiber FB1 incident on the scanning mirror SM is reflected and emitted by the scanning mirror SM.
By adjusting the angle of the scanning mirror SM, the light signal reflected and emitted from the scanning mirror SM is projected onto the end face of the second optical fiber FB2 used as an output port disposed on the flat substrate 11. The amount of can be changed. For this reason, the amount of the optical signal incident on the second optical fiber FB2 can be arbitrarily changed by adjusting the angle of the scanning mirror SM, so that it can function as an optical variable attenuator.
[0021]
FIG. 11 shows an embodiment in which a wavelength filter is manufactured by applying the present invention. The embodiment of FIG. 11 is a case where there is one fold.
In FIG. 11, the same parts as those in FIG.
The FB 1 is an optical fiber fixed to a guide formed on the flat substrate 11.
SM is a scanning mirror disposed on the flat substrate 12. The scanning mirror SM can change the out-of-plane reflection direction of light.
KA is a reflection type diffraction grating arranged opposite to each other.
The planar substrate 11 and the planar substrate 12 are fixed with a predetermined angle by a photoresist, and the planar substrate 12 and the diffraction grating KA are arranged in parallel with a certain interval, and have a three-dimensional structure. The micro optical system is configured.
The operation of the micro-optical system configured as described above is performed as follows.
Incident light introduced into the optical fiber FB1 disposed on the planar substrate 11 is incident obliquely on the diffraction grating KA disposed parallel to the planar substrate 12.
Incident light that has entered the diffraction grating KA is diffracted by the diffraction grating KA, and a specific wavelength component is emitted upward, and is incident perpendicularly to the scanning mirror SM of the optical scanner disposed on the flat substrate 12. Incident light having a specific wavelength emitted from the diffraction grating KA is reflected by the scanning mirror SM, and travels back on the same optical path to enter the diffraction grating KA again.
The light incident on the diffraction grating KA is diffracted again by the diffraction grating KA, and a specific wavelength component is output as outgoing light to the optical fiber FB disposed on the flat substrate 11.
By changing the scanning angle of the scanning mirror SM, the specific wavelength component in the incident light that is finally output to the optical fiber FB changes, so that it can function as a wavelength filter.
[0022]
FIG. 12 shows an embodiment in which a wavelength variable light source is manufactured by applying the present invention. The embodiment of FIG. 12 is a case where there are two folds.
In FIG. 12, the same parts as those in FIG.
The LD is a laser diode fixed on the flat substrate 11. L1 is a lens disposed on the flat substrate 11.
SM is a scanning mirror of an optical scanner disposed on the flat substrate 12. The scanning mirror SM can change the out-of-plane emission angle of light.
KA is a reflective diffraction grating.
The planar substrate 11 and the planar substrate 12 are fixed at a predetermined angle by a photoresist 21, and the planar substrate 12 and the diffraction grating KA are arranged in parallel with a certain interval, and have a three-dimensional structure. A variable light source micro-optical system is configured.
[0023]
The operation of the micro-optical system configured as described above is performed as follows.
Laser light output from the laser diode LD disposed on the planar substrate 11 is incident obliquely on the diffraction grating KA disposed parallel to the planar substrate 12 through the lens L1.
The laser light incident on the diffraction grating KA is diffracted by the diffraction grating KA, a specific wavelength component is emitted vertically upward, and is perpendicularly incident on the scanning mirror SM disposed on the flat substrate 12. The light having a specific wavelength emitted from the diffraction grating KA is reflected by the scanning mirror SM and is incident on the diffraction grating KA again.
The specific wavelength component of the laser light incident on the diffraction grating KA is diffracted by the diffraction grating KA, and the specific wavelength component is emitted in the direction of the lens L1 disposed on the flat substrate 11, and passes through the lens L1. It is fed back to the laser diode LD to form an external resonator to determine the oscillation wavelength of the laser diode LD.
A part of the laser light of the laser diode LD having the specific wavelength is specularly reflected by the diffraction grating KA arranged in parallel with the planar substrate 12, and is output as outgoing light. The wavelength of the laser light from the laser diode LD can function as a wavelength tunable light source because the wavelength for forming the external resonator is changed by changing the scanning angle of the scanning mirror SM.
[0024]
As described in detail above, in the manufacturing method of the micro optical system having the three-dimensional structure of the present invention and the micro optical system that implements the method, the silicon substrate is selectively linearly thinned, By replacing the material softened by heating, it becomes possible to divide the silicon substrate into two or more parts and handle them in a connected state.
Further, in the present invention, in order to bend the silicon substrate divided into each part on a desired straight line, the silicon substrates are not shifted from each other except for rotation, and can be maintained at the prealigned position using planar lithography. it can. In addition, a jig is used so that the angle of bending is fixed at a desired angle. However, since the dimensions of the jig are relative to the substrate of the bulk material, the accuracy of conventional machining is sufficient. In addition, the accuracy of the bending angle is transferred with the accuracy of the jig, and another degree of freedom that cannot be realized by planar lithography is created. It is also possible to change the bending angle once set by using another jig.
In addition, according to the present invention, since the conventional planar lithography processing method is used as it is and a three-dimensional structure is created from the planar substrate in the subsequent process, the components and machine prepared by the planar lithography technique are used in the subsequent process. Since it is a combination of three-dimensional jigs prepared for processing, the entire optical system can be designed and manufactured without unnecessarily increasing the technical difficulty.
[0025]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the method for manufacturing a micro-optical system having a three-dimensional structure according to the present invention and the micro-optical system that implements the method have various free-space types by bending a silicon wafer that was originally a flat surface. It is possible to realize an optical system.
In the present invention, a technique of making a functional element such as a MEMS structure or a photodiode in advance using a conventional planar lithography technique can be used for a planar sample before bending. In addition, the angle at which the substrate is bent can be arbitrarily set and controlled accurately by using a jig prepared by using a conventional machining technique. For this reason, the device can be manufactured by previously aligning at the manufacturing stage, and the manufactured bent structure and jig can be bonded and fixed for stable use.
For this reason, the integration of a free space type optical system can be promoted by using a combination of conventional established techniques.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a method of manufacturing a micro optical system having a three-dimensional structure according to the present invention and a configuration of a micro optical system that implements the method.
FIG. 2 shows an actually obtained 45 ° bent structure of a silicon substrate and a jig used as a reference for the used bending angle.
FIG. 3 shows data obtained by measuring a substrate shape after the temperature of the silicon substrate is lowered.
FIG. 4 shows data obtained by measuring the angle reproducibility after repeatedly deforming the same wafer by applying it to a jig.
FIG. 5 shows an embodiment in which a distance sensor and a speed sensor are manufactured by applying the present invention to a triangulation optical system.
FIG. 6 shows an embodiment in which an encoder having a bending structure is manufactured by applying the present invention to an encoder.
FIG. 7 shows an embodiment in which a barcode reader is manufactured by applying the present invention to an optical scanner.
FIG. 8 shows an embodiment in which a laser beam operation type display is manufactured by applying the present invention to a two-dimensional optical scanner.
FIG. 9 shows an embodiment in which the present invention is applied to an optical switch to manufacture an optical switch having a bent structure.
FIG. 10 shows an embodiment in which an optical variable attenuator having a bent structure is manufactured by applying the present invention to a variable attenuator.
FIG. 11 shows an embodiment in which a wavelength filter is manufactured by applying the present invention.
FIG. 12 shows an embodiment in which a wavelength tunable light source is manufactured by applying the present invention.
[Explanation of symbols]
10 ... Silicon substrate having a planar structure,
11: One substrate to be bent,
12 ... The other substrate to be bent,
13 ... A third substrate to be bent,
20: Straight groove for bending the silicon substrate 10;
21, 22 ... Photoresist,
30... Jig used for bending a flat silicon substrate 10,
31 ... A reference for a plane when the substrate 10 is bent,
32 ... The other reference when the substrate 10 is bent,
41 ... Linear reference for bending the silicon substrate 10,
BD: Beam position detector,
PD: Photodiode for detecting the amount of light,
LS ... semiconductor laser,
L1 ... collimation lens,
SM: Scanning mirror on micro scanner,
MS ... reflective mirror,
LD ... wavelength-tunable laser diode,
DT: Sample to be measured,
L2 ... Condensing lens,
LE ... Light emitting diode,
AD: diffraction grating photodiode,
TK ... Transmission diffraction grating,
KA: Reflective diffraction grating,
BC: Bar code to be measured,
SM1 ... scanning mirror on the first micro scanner,
SM2 Scanning mirror on the second micro scanner,
FB1 ... first optical fiber,
FB2 ... second optical fiber,
FB3 ... Third optical fiber,

Claims (5)

シリコンウェーハの平面基板上に、シリコンの厚みを選択的に薄くした直線状の柔らかな折り曲げ位置と複数のデバイス素子を製作した後、平面基板を折り曲げ位置で折り曲げることによって、デバイス素子を平面的な配置から立体的な配置に置き換えることにより自由空間型の立体構造を持った光学系を製造する微小光学系の製造方法。On a flat substrate of a silicon wafer, after manufacturing a linear soft folding position and a plurality of device elements in which the thickness of silicon is selectively reduced, the device element is planarized by folding the planar substrate at the folding position. A method of manufacturing a micro-optical system that manufactures an optical system having a free space type three-dimensional structure by replacing the arrangement with a three-dimensional arrangement. シリコンウェーハの平面基板上に、シリコンの厚みを選択的に薄くした直線状の柔らかな折り曲げ位置と、フォトリソグラフィ技術を用いてマイクロアクチュエータ、マイクロミラー、マイクロレンズなどの自由空間に配置される複数の素子を製作した後、平面基板を直線状の柔らかな折り曲げ位置で折り曲げることによって、自由空間に配置される複数の素子を平面的な配置から立体的な配置に置き換えることにより自由空間型の立体構造を持った光学系を製造する微小光学系の製造方法。On a flat substrate of a silicon wafer, a plurality of linear soft bending positions where the thickness of silicon is selectively reduced and a plurality of free spaces such as microactuators, micromirrors, and microlenses using photolithography technology. After manufacturing the elements, the flat substrate is bent at a straight, soft bending position, thereby replacing a plurality of elements arranged in the free space from a flat arrangement to a three-dimensional arrangement. A method of manufacturing a micro optical system for manufacturing an optical system having 請求項1乃至2において、シリコンウェーハの平面基板を折り曲げ角度の付いたジグの上に載せて、基板に密着させて基板の折り曲げ角度を固定するようにしたことを特徴とする微小光学系の製造方法。3. A micro optical system according to claim 1, wherein a planar substrate of a silicon wafer is placed on a jig with a bending angle and is closely attached to the substrate to fix the bending angle of the substrate. Method. 自由空間に配置されるデバイス素子の製作された複数の部分からなるシリコンウェーハの平面基板、
該平面基板上の複数の部分を区画するために平面基板上に設けられたシリコンの厚みを直線状に選択的に薄く構成され所定の角度を持って折り曲げ固定された固定部、とを具備する自由空間型の立体構造を持った微小光学システム。
A planar substrate of a silicon wafer consisting of a plurality of manufactured device elements arranged in free space;
And a fixing portion configured to selectively thin the silicon provided on the planar substrate in a straight line and to be bent and fixed at a predetermined angle in order to partition a plurality of portions on the planar substrate. A micro-optical system with a free space type three-dimensional structure.
請求項4において、自由空間に配置されるデバイス素子にマイクロミラーが設けられたことを特徴とする自由空間型の立体構造を持った微小光学システム。5. The micro optical system having a free space type three-dimensional structure according to claim 4, wherein a micromirror is provided on a device element arranged in the free space.
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