JPS6071553A - 超小形レンズの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガラス板内に埋込まれた超小形レンズを組合わ
せて１つの超小形レンズを製造する方法に関するもので
ある。超小形レンズはｌ　ｍｍより小さい直径を持つレ
ンズ、特に２０乃至１００ミクロンの直径をもつレンズ
を意味する。これらの寸法のレンズは例えば光伝送路を
光源に結合するための又は光伝送路同志をお互に結合す
るための結合素子に使われる。レンズは一定の屈折率を
もつ材料から作るか、別法としては成る屈折率変造プロ
フィルをもっている。

上記目的に使える球レンズの製造方法は既知である。

米国特許明細書筒８，６６６．８４７号は先ず所望直径
の高屈折率をもった均質ガラス球を作る方法を記載して
いる。これらの球はタリウム酸化物の含有量の高いもの
である。前記球は溶融塩浴中に浸され、前記塩浴は高温
に加熱されかつカリウムイオンを含んでいる。タリウム
イオンとカリウムイオンは拡散により置換される。こう
することにより球の直径上に１つの屈折率ブｐフィルが
出来る。

この方法により出来るプロフィルは拡散により作られ、
かつ一般に所望のプロフィルに近似したものとなる。

ドイツ国特許明細書第２，７２８，９７２号はイオン交
換法に加えて、球レンズの製造方法を記載している。こ
の方法は、非常に小さい直径のカラス核を蒸気相から酸
化物の混合物の層で被覆せしめ、前記層の屈折率は直径
に対して減少するものとなした如き方法である。二酸化
チタンと二酸化ケイ素の混合物の前記層は酸素、四塩化
チタン、及び四塩化ケイ素を含む雰囲気から作ることが
できる。その際ＴｉＯ！、の割合は被覆作業中連続的に
減少させる。

実除上、数個の球を同時に被覆するときその被覆作業の
間に球の衝突するのを防止することは殆んど不可能であ
ることが分った。上記衝突の結果、層はくもり、レンズ
の透明度は減少する。

既知の方法は多数の個別のガラス球を供給する。

本文冒頭に記載した形式の結合素子に使用するためには
光フアイバーコア程度の直径をもった球が必要である。

１００ミクロンより小ざい直径をもったかかる球はその
取扱いがめんどうであり、かつ球を前記目的に利用する
場合には特殊工具が必要となる。

本発明の目的は簡単に取扱うことのできる超小形レンズ
の製造方法を提供することにある。

本発明によれば、上記目的は、回転対称形の凹部をガラ
ス板に作りその後前記四部が完全に充填されるまでガラ
ス質層を前記ガラス板上に蒸着法により沈着させ、その
後この被覆されたガラス板を元の厚さ値又はそれより小
さい厚さ値まで減少させることにより達成される。

本発明法によれば、所望形状の屈折率変遷プロフィルを
もつ超小形レンズも作ることができる。

そのためには次第に増大する屈折率をもつガラス質層を
ガラス板上に蒸着させ、これらの層は例えばドーピング
させた石英ガラスから成るものとする。このようにすれ
ば、所望の屈折率変遷プ９フィル、例えば放＠線的変遭
プ四フィルを得ることができる０ガラス板は例えば石英
ガラスから成り、又は普通力゛ラスから成る。

回転対称形の四部は種々の手法でガラス板に作ることが
できる。

前記凹部はガラス板にドリル加工により又はエツチング
により作ることができる。エツチングにより作るときに
は、光抵抗性マスクを先ずガラス板上に配置し、次いで
エツチングを行なう。エツチングは湿式化学法か又はプ
ラズマエツチング法により行なうことができる。エツチ
ングは全方向同じに生ずるものである点に注意すべきで
ある。

次に光抵抗体を除失する。他の可能な方法はル−ザを用
いて局部的に強く加熱して材料な蒸発させることによる
焼き除きによって四部を作ることである。他の方法は型
を用いて軟化したガラスに高温で凹部な加圧成形するこ
とである。

放物線的屈折率変遷プロフィルをもつ超小形レンズを作
るためには生球状四部をもつカラス板石・使用するのが
有利である。

本発明法の後続の工程では、ガラス質層をガラス板上に
蒸気相から沈着させる。この沈着は化学蒸着法により行
なうことができる。蒸気相の組成は一定の屈折率をもつ
レンズを製造するときには変化しない。適当な材料は例
えば５ｉ８Ｎ、である。

屈折率変遷プロフィルをもつレンズの製造アは、ドーピ
ング材料の量が連続的に増している石英ガラス層を、最
後の層で所望の屈折率に達するまで、互に重ねて沈着さ
せる。得るべき屈折率差の値は可能なドーピング材料の
選択を限定するファクターとなる。例えば石英ドーピン
グ材料として使うことができ、かつ２程度の屈折率をも
つＳｉ、Ｎ４、ｓｂ、ｏ、その他の材料が球レンズの製
造に適していることが分った。

理想的な球レンズ（ルネベルクレンズ）は的な屈折率変
遷プロフーｆルを必要とする。このレンズはｒ＝Ｑの中
心で屈折率Ｎ＝Ｖ’２をもち、ｒ＝ａでｎ＝１の屈折率
をもつ。この場合ａは球の半径である。屈折率ｎ＝１の
ガラスは無いので、ｎ＝ｎｏ〔２−（蚤〕２Ｊをもつレ
ンズを目指している。こ−でｎ。＝　１．４５は石英ガ
ラスの屈折率である。この場合、球の中心でｎ　＝　２
．０５　、縁でｎ　＝　１．４５となる。

本発明によれば、前記層はガス相からいわゆる非等温プ
ラズマ−０ＶＤ法により沈着せしめるのが好適である。

非等温プラズマ−ＧＶＤ法はこ＼では電子のみが高連動
エネルギーをもっている如きいわゆる低温プラズマを使
用する方法を意味するものと解釈する。かかるプラズマ
を用いると、熱的に反応しないガス混合物を反応させる
ことすら可能である。更にガラスＩｎは幾分低温のガス
相から非等温ＰＯＶＤ法により直接沈着させ得ることが
分った。従ってこの方法では、ガラススツ）　（５ｏｏ
ｔ　）層を沈着させる手法で必要とするガラス化を目的
とした後続の加熱作業は省略することができる。前記方
法を使用すると、沈着を比較的低い温度、即ち室温と８
００°Ｃ間の温度で行なうときはガラス板の材料の熱膨
張率と沈着層の熱膨張率の差は害を与える程の大きさと
はならない。

被覆したガラス板の厚さを元の厚さ値又はそれより小さ
い厚さ値に減少させることは例えば研削及び、又は研磨
加工により行なう。

こうして作った２つのレンズは次に、平らな側面でお互
を重ね合わせるようにして埋込まれたレンズを配置する
ことにより１つのレンズに組合わせる。

以下、図に基づき本発明を実施例につき詳述する。

例Ｉ Ｃ０２レーザを用いて、７０ミクロンの直径の半球状凹
部２，８．４が石英板１　（８０ｍｔｎ、　８０ｗｍ。

１　ａｍ厚さ）に作られる（第１図）。

次にこの半球状の孔を有する板１は反応管５１内に置か
れる（第５図）。反応管５１は電気炉５２内に貨かれる
。前記電気炉内でマイクロ波共振子５８は反応管に沿っ
て往復動することができる。このとき５５ミクロン厚さ
をもっＳｉ、Ｎ、の層６が非等温プラズマによりガス相
から沈着せしめられる。この沈着の間前記板ｌは摂氏数
百度の温１５度をもつ。反応管５１中の圧力はほぼ６ミ
リバールであった。５ｉｃｔ、とＮＨ８を含むガス混合
物を使用した。反応ガス量は０℃、１ｏｏｏミリバール
におけるＣｍ”／＋　（即ちｓｅａｍ　ニスタンダート
・キュービック：センチメートル・パー・ミニット）の
単位で測定した。これらのガス量は５ｉａｔ、では１０
　ｓｃｃｍ　％　Ｎｏｇｉは０乃至３０　ｓｅｃｍであ
った。

プラズマは２．４５　ＧＨ２，の周波数をもつマイクロ
波共振子により発生せしめた。被覆６は１０００個の個
別の層からｍ成されており、各層は０．０８５ミクロン
厚さであった（第２図）。

図中にはこれらの層のうちの数層のみを示している。

その後、石英ガラス板１の厚さは元の厚さにまで研曙す
ることにより減少せしめる。この結果、一定の屈折率を
もつ半球状レンズ（７，８，９）ができる。これらのレ
ンズは石英ガラス中に合体している（第８図）。２個の
石英ガラス板をお互に締め合わせて、１つ又はそれ以上
の球レンズ１０を石英ガラス１ｌ−１１Ａ内に埋込んだ
状態となす（第４ａ図）。片方の側面を研磨することに
よって、レンズ１ｏと石英ガラス円盤１１の表面間の距
離をレンズ１０の焦点距離に一致するようになすことが
できる。こうすると円盤１１の表面は光源方位の優れた
基準面となる。もし石英板を元の厚さより小さい厚さま
で研磨すれば、焦点距離を半球状孔の曲率半径とレンズ
材料の屈折率に応じて変化させることのできる平たいレ
ンズを作ることができる（第４ｂ図）。

例２ 別の実験で、屈折率が段階的に変遷するレンズいわゆる
ルネベルグ（Ｌｕｎｅｂｅｒｇ　）レンズを作った。半
球状凹部は例１に記載したのと同じ手法で作った。被覆
作業、圧力、温度などの実験条件も例１のものと同じに
し、相違点は使用ガスの種類と、そのガスの流ｉについ
てである。即ち、５ｉｎ４゜ＮＨ８及びＮ、Ｏを使用し
、ガス流量は下記の如くであった。

ＳｉＨ，：　１０　ＳＣＣｍ　、実験期間中一定とする
。

ＮＨ８：　０〜３０　ｓｅｃｍ　、実験期間中増加して
いく。

Ｎ、Ｏ：　５０〜ｏ　ｓｅａｍ　、実験期間中減少して
いく。

一定のＳｉＨ４をもつガス相中のＮとＯの比は沈着層中
のｓｉｏ、　−５ｉ８Ｎ、の比を決定し、それ故屈折率
を決定する。放物線的に変遷する屈折率のブｏ　ｙ　イ
／ｌ／　（Ｐａｒａｂｏｌｉｃ　ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ
　１ｎｄｅｘ　ｐｒｏｆｉｌｅ　）が得られた。層の厚
さとその後の研磨工程は例１のものと同じであった。

本発明は更に光源とレンズを有する結合素子にも関して
おり、この光源は支持体に固定され、この支持体はレン
ズな入れたキャップを備える。本発明によるカラス板内
に埋込まれかつ非常に小さな寸法をもつ超小形レンズは
最も簡単な手法で光源に対して前記キャップ内に配置で
きる。本発明による結合素子の１実施例を第６図に略示
している。ヒートシンクとして働く銅ブロック６２は金
属支持部材６１上に置く。レーザダイオード６８はブロ
ック６２上に取付ける。更に、支持体６１は２つのガラ
ス供給孔部材６４．６５を有し、これらの部材中には接
続ピン６６．６７を配置し、これらのピンは夫々リード
線６８と６９を経てレーザダイオード６３と銅ブロック
６２に接続している。更に、前記素子はキャップ７０と
容器７１をもつ。ガラス板７２は例えば接着剤によりキ
ャップ中に固定するガラス板７２は球レンズ７８をもち
、このレンズ７８は、レンズ中心がレーザダ整列させる
。

本発明による方法は下記の利点をもつ：（１）　レンズ
は、簡単に取扱うことができるが実際の使用のためには
密閉した結合素子内に置くことのできる窓ガラ東向に自
動的に合体されている。

（２）実質的に任意の形状をもつ非常に精密な屈折率の
変遷プロフィルをＯＶＤ処理法、特に非等温プラズマＯ
ＶＤ式沈着処理法により作ることができる。

（８１多数の凹部、それ故超小形しンズ全１つのガラス
板に作ることができる。

（４〕　任意の所望の形状と屈折率変遷プロフィルをも
つ回転対称形のレンズを本発明法により作ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は生球状凹部をもつ石英ガラス板の一部の横断面
図、 第２図は被覆した板の横断面図、 第８図は仕上げ研磨後の第２図に示す板の横断面図、 第４ａ図は仕上げた球レンズの横断面図、第４ｂ図は仕
上げた平たい形状のレンズ、第５図は被覆装置の概略図
、 第６図は結合素子の概略図である。 １・・・石英板、　２．Ｌ４・・・半球状レンズ６・・
・層、７．８＃９・・・半球状レンズ１０・・・球レン
ズ　１ｌ−１１Ａ・・・石英ガラス５１・・・反応管　
５２・・・電気炉 ５３・・・マイクロ波共振子６１・・・支持体６２・・
・銅ブロック　６８・・・レーザダイオード６４．６５
・・・ガラス供給孔部材 ６６．６７・・・接続ピン　６８．６９・・・リード線
７０・・・キャップ　７１・・・容器 ７２・・・カラス板　７８・・・レンズ。 第１頁の続き ０発　明　者　ギオク・ディアン・コ ニ ０発　明　者　キュツペルス・ディー チル オランダ国アインドーフエン、ピーチル　ツエーマンシ
ュトラート６ ドイツ連邦共和国　５１００　アーヒエン　モンハイム
ザレー７

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　回転対称形の四部をガラス板に作り、その後前記四
   部が完全に充填されるまでガラス質５層を前記ガラス板
   上に蒸着法により沈着させ、その後この被覆されたガラ
   ス板を元の厚さ値又はそれより小さい厚さ値まで減少さ
   せることによってガラス板内に埋込まれた超小形レンズ
   を作り、このようにして作った２つのレンズを、埋込ま
   れたレンズを平らな側面によりお互に重ね合わせること
   によって１つのレンズに組合わせることを特徴とする超
   小形レンズの製造方法。