(57)【要約】  少なくとも２つの異なる材料の繊維または桿体を積み重ねることと、前記繊維または桿体を延引することと、を備えたことを特徴とする屈折率分布型レンズ、回折光学素子等の複合材料／装置の製造方法。この製造方法を用いることにより、ナノスケールの特徴を有する装置が容易に製造され得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの異なる材料の繊維または桿体を積み重ねることと、
前記繊維または桿体を延引することと、
を備えたことを特徴とする複合材料／装置の製造方法。
【請求項２】
延引された材料を切断して複数の複合桿体または繊維を作製することと、
前記複合桿体または繊維を積み重ねることと、
前記積み重ねられた複合桿体または繊維を延引することと、
を備えたことを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
前記切断、前記積み重ね、及び前記延引の工程を繰り返すことを備えたことを特徴とする請求項２記載の製造方法。
【請求項４】
前記積み重ね及び前記延引の工程は、ナノスケールの特徴が現れるまで繰り返されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項５】
異なる材料を積み重ねることを備えたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項６】
予め決定された配分に従って異なる材料を配置することを備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項７】
前記異なる材料は、異なる光学特性を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項８】
前記異なる光学特性は、異なる屈折率であることを特徴とする請求項６記載の製造方法。
【請求項９】
前記装置は、光学素子、例えばレンズ、例えば屈折率分布型レンズ、または回折光学素子であることを特徴とする請求項６または７に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記繊維または桿体が融合してこれにより前記繊維または桿体の間の空隙または穴が実質的に塞がれるように前記繊維または桿体を加熱することを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項１１】
前記加熱は、前記積み重ねられた繊維または桿体を延引する前に実施されることを特徴とする請求項１０記載の製造方法。
【請求項１２】
１またはそれ以上の異なる機能を有する１またはそれ以上の装置が具現化されるように前記桿体または繊維を配分することを備えたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項１３】
実質的に同じである１またはそれ以上の熱特性を有する材料を用いることを備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の製造方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１つに記載の製造方法による製品である装置。
【請求項１５】
異なる光学材料の複数の積み重ねられた桿体または繊維を有する光学装置。
【請求項１６】
複数の光学装置を含み、
前記複数の光学装置のそれぞれは、複数の積み重ねられた桿体または繊維を用いて屈折率を変動させることにより特徴付けられることを特徴とする一体化した光学システム。
【請求項１７】
平行な板状の光学表面を有することを特徴とする請求項１６記載の一体化した光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ構造材料の製造方法及びこれから形成されるナノ構造装置に関する。本発明は、特に光学分野に適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
マイクロメートルスケールの表面レリーフ素子の設計及び製造は、成熟した且つ高度に柔軟な技術である。これまでの製造技術としては、マスクを用いたレーザ書込み及び電子線書込みや、その後のフォトリソグラフィ及びエッチング、または直接的なレーザ及び電子線書込みが挙げられる。例えば、「Mohammad R. Taghizadeh et al, IEEE Micro Volume 14, Number 6, pp 10-19 December 1994」（非特許文献１）には、回折光学素子の製造技術が開示されている。しかしながら、これら公知技術では、解像度に限界がある。これは、多くの微小スケールの装置は容易に製造することができないということを意味する。また、大半の公知技術は、比較的処理能力の高いアプリケーションに適していない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Mohammad R. Taghizadeh et al, IEEE Micro Volume 14, Number 6, pp 10-19 December 1994
【発明を実施するための形態】
【０００４】
（発明の概要）
本発明の一態様によれば、少なくとも２つの異なる材料の繊維または桿体（rods）を積み重ねることと、前記繊維を延引することと、備えたことを特徴とする複合材料／装置の製造方法が提供される。
【０００５】
繊維または桿体を繰り返し延引することにより、微小スケールの複合材料を製造することができる。実際、ナノスケールの特徴、例えば１００ｎｍよりも小さいサイズの特徴、を有する装置を作製することができる。
【０００６】
本発明の技術は、特に微小スケールの光学素子の製造に適している。この場合、材料は誘電体とすることができ、様々な屈折率を有することができる。
【０００７】
様々な光学材料を適切に配することにより、任意の屈折率を有する屈折率分布材料を得ることができる。屈折率分布材料は、屈折率分布型レンズまたは回折光学素子等の、新規の屈折素子、微小光学素子、及び回折素子の設計及び形成に特に有用である。
【０００８】
本発明の製造方法は、繊維または桿体を加熱することを含むことができる。これにより、繊維または桿体は融合し、この結果複数の繊維または桿体の間の空隙または穴を実質的に塞ぐことができる。
【０００９】
本発明は、多くの様々な装置、例えば１次元及び２次元配列、単一微小レンズ、光バンドギャップ材料、及びナノ構造の回折光学素子、を製造するのに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
以下、本発明の様々な態様について、次の図面を参照しつつ実施例を用いて説明する。
【図１】ナノスケール光学装置を製造するのに用いられる工程を示す流れ図である。
【図２】図１の技術を用いて製造した光学装置の断面図である。
【図３（ａ）】直径４０マイクロメートルの理想１次元放物面の屈折率分布型レンズに係る焦点面における強度分布のシミュレーションである。
【図３（ｂ）】図３（ａ）のレンズに係る焦点面における焦点の断面のシミュレーションである。
【図４（ａ）】直径４０マイクロメートルのナノ構造マイクロレンズに係る焦点面における強度分布のシミュレーションである。
【図４（ｂ）】図４（ａ）のレンズに係る焦点面における焦点の断面のシミュレーションである。
【図５（ａ）】直径１０マイクロメートルの理想２次元放物面の屈折率分布型レンズの画像である。
【図５（ｂ）】図５（ａ）のレンズと同じ特性を有するように設計されたナノ構造レンズの画像である。
【図６（ａ）】図５（ｂ）のナノ構造マイクロレンズに係る焦点面における強度分布のシミュレーションを表している。
【図６（ｂ）】図５（ｂ）のレンズに係る焦点面における焦点の断面のシミュレーションを表している。
【００１１】
（図面の詳細な説明）
本発明は、これまで結像板及び二重ガラスフォトニック結晶の作製に用いられてきた、既知の「積み重ねと延引（stack and draw）」製造方法に基づいている。これを、図１に示す。「積み重ねと延引」法は、これまでは同じ組成の材料を延引するためにのみ用いられてきた。これと対照的に、本発明では複数の異なる材料が用いられる。これにより、組成物を形成することができ、このような組成物から装置を製造することができる。
【００１２】
製造は、最終材料において求められる構造及びパターンを有する肉眼的な母材の組立てから始まる。かかる肉眼的母材を作るために、図１（ｂ）に示すように、多数の桿体または繊維、例えばガラス桿体またはガラス繊維、を所望の構造及びパターンで積み重ねることが好ましい。これら桿体は、標準的な延引技術または他の適切な技術を用いて製造することができる。桿体または繊維は、同程度の直径、好ましくは１ｍｍ程度、を有し、熱により合着するのが好ましい。これにより、これらの熱膨張係数、軟化点及び転移温度は近い値になる。これらの条件が満たされた場合、最終材料は最小の内部張力を有する。ガラス桿体が用いられる場合は、一枚岩的なガラス厚板にしたときに同程度の機械特性を有する。
【００１３】
束ねた桿体は、軟らかくなり互いに結合するのに十分な温度にまで加熱される。そして、これら複数の桿体を延引することにより、１つの桿体が形成される。延引は、適切な延引機構を用いて行うことができる。ガラス繊維が用いられる場合は、この機構として線引き塔（fiber-drawing tower）を用いることができる。ガラスの場合、この塔の温度は１２００〜１６００℃の範囲とすることができる。延引の後に、延引された桿体は固化し、多数の中間加工体に切断される。図１（ｄ）に示すように、これら中間加工体はその後束ねられ、最終パターンを形成する。図１（ｅ）に示すように、この束は最終的なナノ構造加工体へと加工される。この加工は、加工体を結合するのに十分な熱を加え、その後加熱された加工体を延引機構を通らせて引っ張ってこの材料を「延引」することによりなされる。この最終的な構造加工体は、ナノメートルサイズの特徴を有することがある。
【００１４】
必要に応じまたは所望に応じ、「積み重ねと延引」工程は繰り返し実施してもよい。あるいは、単一の構造でなく配列状の構造を作るために、複数の異なる最終的なナノ構造加工体を結合してもよい。この場合、最終的なナノ構造加工体は複数回切断され、または複数の異なる最終的なナノ構造加工体が製造される。そして、前述したように、得られた加工体は束ねられ、加熱工程及び延引工程に供される。これにより、ナノ構造加工体の配列（ナノ構造加工体配列）からなる単一の桿体が得られる。ガラス桿体及び線引き塔が用いられる場合は、線引き塔の温度は、１２００〜１６００℃の範囲とすることができる。
【００１５】
最後に、図１（ｆ）に示すように、通常は桿体状のナノ構造加工体またはナノ構造加工体配列は、所望の設計機能に応じた長さの切片に切断される。これにより、最終的なナノ構造材料が得られる。この工程は、全ての場合に必要となるわけではない。ナノ構造加工体またはナノ構造加工体配列が既に適切な長さである場合は、切断工程を必要としないことがあり、さらなる如何なる動作も行わずに、これらナノ構造加工体またはナノ構造加工体配列を最終的なナノ構造材料と位置付けることができる。図１（ｇ）に示すように、必要に応じナノ構造材料はその後研磨されてもよい。この工程も、全ての場合に必要となるわけではない。最終的なナノ構造材料が光伝送装置として用いられる場合には、この材料の端部が光の出入りを行うに際し十分な品質を有さない場合にのみ、研磨工程が必要となる。例えば、ナノ構造材料に適用された切断工程が十分高い水準にある場合は、研磨工程を全く必要としないことがある。
【００１６】
本発明が具現化された技術を用いて新規の光学素子を開発するためには、最初に求められる装置特性を設計する必要がある。これは、例えば、素子の位相形状（phase profile）、好ましくは連続した位相形状、を計算することによってなされ得る。連続した位相形状を有すると、得られる品質は最もよくなる。これは、連続した位相形状は、２位相構造に比べて従来型の装置、例えばレンズ、の位相形状により近いためである。位相差は、２πよりも大きくすることができる。位相形状が決定されたら、２次元基板上のナノサイズ素子の配分が算出される。このとき、大きな体積の誘電材料の光学特性は、最終的に求められる素子を設計し、所望の位相分布を屈折率分布に変換することにより決定される。この屈折率分布は、その後、延引工程で用いられることになる様々な母材の異なる材料の位置及び分布を決定するための基礎として用いることができる。装置の設計が終了したら、母材が前述した要領で製造され、中間加工体の作製に用いられる。その後、中間加工体は延引され、ナノ構造の加工体が形成される。その後、最終的なナノ構造加工体は切断され、束ねられ、加熱され、及び延引される。その後、ナノ構造光学素子に適した適切な長さを有する板状体へと切断される。必要に応じ、光学的品質を得るために切断面は研磨される。
【００１７】
図２は、本発明に従って製造されるナノ構造レンズの一例を表している。図示したように、このレンズは平坦な光学表面を有し、異なる屈折率を有する複数の材料から形成されている。この材料は、装置全体の光学通路を通り及びこの通路に沿って延在する柱状形状を有する。上述したように、異なる材料の配分を適切に設計し選択することにより、任意の光学機能が提供され得る。これは、先行技術に対して多くの利点を有する。平坦な表面を有することは、装置は容易にさらなる工程、例えば研磨工程または被膜形成工程、に供され得るということを意味する。前述したのと同様に、幾つかの状況下では装置をさらなる工程に供する必要はない。これは、従来の注意を要する成形及び研磨技術を用いる必要がある、例えば凹レンズまたは凸レンズを製造する技術に対して大きな利点となり得る。
【００１８】
本発明を用いて製造されたナノ構造マイクロレンズの特性を、中央部に高屈折率を有し端部近傍に低屈折率を有する「理想の」放物面の標準屈折率分布型マイクロレンズと比較するため、一連の時間領域差分法（ＦＤＴＤ）シミュレーションを実施した。これらの結果を、図３〜図６に示す。
【００１９】
最初の一連のシミュレーションにおいては、直径４０μｍ、有効焦点距離ｆ≒６６μｍ、及びＦ数≒１．５の１次元レンズについて調査を行った。前提条件として、ＴＭ偏光を有する波長λ＝１５５０ｎｍ及び５０ｎｍ／セル（λ／３０）の空間離散化を用いた。図３は、従来型の理想放物面の屈折率分布型レンズについて実施したシミュレーションの結果を表している。図３（ａ）は、直径４０マイクロメートルの屈折率分布型レンズに係る焦点面における強度分布のシミュレーションであり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のレンズに係る焦点面における焦点の断面のシミュレーションである。図４は、本発明に従って２種類のみのガラスのナノ桿体を用いて作製したナノ構造マイクロレンズについて実施したシミュレーションの結果を表している。図４（ａ）は、直径４０マイクロメートルのナノ構造マイクロレンズに係る焦点面における強度分布のシミュレーションであり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のレンズに係る焦点面における焦点の断面のシミュレーションである。図３及び図４から、本発明により作製した装置の特性は、従来型のレンズの特性と十分比肩するということがわかる。
【００２０】
他のシミュレーションでは、図５（ｂ）に表した平坦な板状のナノ構造マイクロレンズが、図５（ａ）に表した直径１０μｍの理想２次元放物面の屈折率分布型レンズと似た特性を有するように摸擬された。摸擬されたナノ構造マイクロレンズは、本発明に従って２種類の桿体（それぞれ、屈折率ｎ＝１．６１９（Ｆ２ガラス）及びｎ＝１．５１８（ＮＣ２１ガラス））から製造されたと仮定された。図６（ａ）及び（ｂ）は、このナノ構造マイクロレンズについてのシミュレーションの結果を示している。このレンズは、焦点距離ｆ≒１５５．７５μｍを有し、焦点での光線の直径は５μｍ（放物面屈折率分布型レンズの場合と同じ）と等しかった。これら２つのマイクロレンズは、有効焦点距離の値及び焦点での光線の直径が同じである。また、図６（ｂ）に示すように、ナノ構造マイクロレンズに係る焦点の直径は、理想屈折率分布型レンズの場合と同様に回折限界である。従って、これらシミュレーションは、本発明を用いることにより、「理想」屈折率分布型マイクロレンズと似たパラメータを有するナノ構造マイクロレンズを得ることが可能になるということを示している。
【００２１】
本発明は、多くの利点を提供する。例えば、屈曲を全く有さない平坦な光学表面を有する光学装置の製造が可能となる。これは、マイクロレンズ及び回折光学素子に有用である。また、複数の装置が、１００％に近い充填率を有する２次元配列に容易に一体化され得る。また、任意の位相形状を得ることができる。これは、任意の所望の装置、例えばレンズ、特に球形レンズ、非球形レンズ、楕円形レンズ、円柱レンズ、アキシコン、及び二重焦点を有するまたは有さないレンズ、を作製することができるということを意味する。本発明を用いることにより、これら全てをマイクロスケールまたはナノスケールの特徴を有して製造することができる。また、２次元配列の素子の各素子は、固有の特徴及び位相特性を有するように構成することができる。また、異なる繊維または桿体を適切に配置することにより、単一の装置は、幾つかの異なる機能を有するように構成することができる。例えば、ある領域は非球形マイクロレンズとして設計し、他の領域はアキシコンにすることができる。これにより、単一の平坦な板状の装置において完全に一体化した光学システムを製造することが容易となる。
【００２２】
当業者は、開示された実施形態は本発明から逸脱しない範囲で変形することができるということに想到し得る。例えば、これまで主にガラス繊維を延引することを用いて本発明を説明してきたが、他の材料を用いることができるということに想到し得る。同様に、それぞれの桿体または繊維は、単一の材料から作製される必要はなく、例えば、ガラス等のコア材料を有し、他の材料で被覆してもよい。従って、上述した特定の実施形態に係る説明は単に例に係るものであり、本発明を限定する目的のものではない。当業者にとっては、前述した実施形態に対して大きな変更を加えずに微修正がなされてもよいということは明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６ａ）】
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【図６ｂ）】
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【国際調査報告】
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