(57)【要約】光学基材（３）に所望形状の穴（５）を形成することにより光学デバイスを製造する方法であって、レーザー光源（１）からの放射線と、所望の穴（５）の形状に従って表面がパターン化されたマスク（２）と、を用いて照射を行うステップと、該マスク（２）を通して伝送された放射線を基材（３）に投影して、基材材料が当該放射線の当てられたエリアからアブレートされ、該穴の少なくとも１つの側壁が、選定された軸に対する所望の傾斜となるような方法により、必要な穴（５）を形成するステップと、を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学デバイスの製造で使用される方法であって、
レーザー光源からの放射線と、所望の穴の形状に従ってその表面がパターン化されたマスクと、を用いた照射を行うことで、光学基材に、所望の形状の穴を形成するステップと、
前記マスクを通して伝送された放射線を前記基材に投影することで、基材材料は、該穴の少なくとも１つの側壁が、選定された軸に対する所望の傾斜となるような方法で、必要な穴を形成することにより、前記放射線に当てられたエリアからアブレートされるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記基材に投影されたレーザー光線のフルエンスは、当該１乃至各側壁の所望の傾斜を形成するために、制御されること
を特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
レーザーは、８Ｊ／ｃｍ２のフルエンスでパルス放射線を出力するように制御されること
を特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
レーザーは、８Ｊ／ｃｍ２を越えるフルエンスでパルス放射線を出力するように制御されること
を特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記基材に投影されたアブレートする放射線の焦点は、当該１乃至各側壁の所望の傾斜が得られるように、選択され及び／又は調節されること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の方法。
【請求項６】
前記アブレートする放射線に対する光学基材の位置は、該光学基材を前記アブレートする放射線に対して上方又は下方へ移動させることで、調整されること
を特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記マスクを照射するために使用される放射線は、基材に投影されるに先立って、縮小化(demagnification)されること
を特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
アブレートするレーザー光線のエネルギー密度が基材材料のアブレーション閾値よりも強度において（in magnitude）より大きくなることを確保するように、縮小化比率(demagnification ratio)が選定されること
を特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記光学基材は、光ファイバーの形状であること
を特徴とする請求項１乃至８のいずれか記載の方法。
【請求項１０】
前記光ファイバーは、プラスチック材料が用いられたこと
を特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記光学基材は、シリカを含むこと
を特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記光学基材は、サファイアを含むこと
を特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記光学基材は、光学の用途に適合する材料を含むこと
を特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記材料は、カルコゲニド又はセラミックであること
を特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記穴は、大量の（bulk）光学基材内に形成され、光学回路での使用に適合すること
を特徴とする請求項１乃至１４のいずれか記載の方法。
【請求項１６】
形成された前記穴は、ファブリ・ペローエタロンとしての使用に適合すること
を特徴とする請求項１乃至１５のいずれか記載の方法。
【請求項１７】
形成された前記穴は、マッハ・チェンダー装置で使用するに適合すること
を特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
形成された前記穴は、導波（waveguiding）構造物での使用に適合すること
を特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記穴を形成した後に、外部摂動に敏感に反応するオプトード（optode）を形成するために選択された特性を有する材料が該穴に挿入され、
前記オプトードの感度は、該穴に挿入された材料の特性によって決定されていること
を特徴とする請求項１乃至１８のいずれか記載の方法。
【請求項２０】
前記挿入された材料は、化合物の存在に反応すること
を特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記挿入された材料は、ｐＨレベルの変化に反応すること
を特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記挿入された材料は、温度の変化に反応すること
を特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２３】
前記挿入された材料は、光に対して反応すること
を特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
前記レーザーは、エキシマー波長の放射線を出力するように制御されるエキシマーレーザーであること
を特徴とする請求項１乃至２３のいずれか記載の方法。
【請求項２５】
前記レーザーは、１５７ｎｍの波長の放射線を出力するように制御されること
を特徴とする請求項１乃至２４のいずれか記載の方法。
【請求項２６】
前記レーザーは、１９３ｎｍの波長の放射線を出力するように制御されること
を特徴とする請求項１乃至２５のいずれか記載の方法。
【請求項２７】
前記レーザーは、２４８ｎｍの波長の放射線を出力するように制御されること
を特徴とする請求項１乃至２６のいずれか記載の方法。
【請求項２８】
前記レーザーは、１９３ｎｍ乃至２４８ｎｍの範囲の波長のパルス放射線を出力するように制御されること
を特徴とする請求項１乃至２７のいずれか記載の方法。
【請求項２９】
前記レーザーは、遠紫外線（deep UV）波長の放射線を出力するように制御されるdeepＵＶレーザーであること
を特徴とする請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
光学基材に所望形状の穴を形成することで、光学デバイスを製造するための装置であって、
表面が前記穴の所望の形状に従ってパターン化されたマスクと、レーザー光源からの放射線を、前記マスクを介して基材に投影するための投影手段と、を含み、
前記投影手段は、必要な穴を形成するために、基材材料が前記放射線に当てられたエリアからアブレートされるような方法と、該穴の少なくとも１つの側壁が、選定された軸に対する所望の傾斜となるような方法と、についての操作が可能であること
を特徴とする装置。
【請求項３１】
前記マスクの照射用のレーザー光線を縮小（demagnify）するための集光レンズが使用されたこと
を特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３２】
アブレートするレーザー光線のエネルギー密度が当該基材材料のアブレーション閾値よりも強度において（in magnitude）より大きくなることを確保するように、縮小化の比率(demagnification ratio)が選定されること
を特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３３】
前記投影手段は、前記マスクを通して前記光学基材上に伝送された放射線の焦点を合わせるダブレットを含むこと
を特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３４】
前記投影手段は、前記マスクを通して伝送された放射線を前記ダブレットに投影する鏡を含むこと
を特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３５】
前記基材は、マイクロポジショナーに搭載されること
を特徴とする請求項３０乃至３４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３６】
前記マイクロポジショナーは、前記放射線に対する前記基材の位置決めを可能ならしめること
を特徴とする請求項３５記載の装置。
【請求項３７】
添付図面に関連して記載したものと実質的に同等の方法。
【請求項３８】
添付図面の図１に関連して記載したものと実質的に同等の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスの製造で用いる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学のセンサー、例えばファブリ・ペローエタロンのようないくつかの光学デバイスは、光学基材中に穴（cavity）を形成することにより生産される。
【０００３】
ファブリ・ペローエタロンは、異なる屈折率の材料の境界において或いは半反射する鏡の使用によって製作される２つのインターフェースの間に、穴を備えている。ファブリ・ペローエタロン上の入射光は、該穴の各インターフェースで部分的に反射される。当該反射波は、それらインターフェース間で、その長さにより、及び材料の内部や穴により引き起こされる位相変化の結果として干渉を起こし、また、検出器で集められたときには干渉縞パターンを形成する。前記干渉縞パターンの復調は、ファブリ・ペローエタロンの放射線の入射に関する特性の正確な測定を可能ならしめる。
【０００４】
ファブリ・ペローエタロンは、商業上は、光ファイバーを使用し、下記方法のうちの１つを含めて生産される：
「導入」及び「導出」ファイバーの上塗りされた端部に対して、挿入ファイバーを融着接続する方法（挿入ファイバー及び導入／導出ファイバーは同一の或いは異なる材料で作ることができる）；
あるいは、極小の毛細管状（microcapillary）の穴の内に、エアギャップにより分離されて、導入及び導出ファイバーを結合する方法；
あるいは、中空のコア・ファイバーを、隣接した導入及び導出ファイバーに対して融着接続する方法。
【０００５】
上に記述された各方法は、ファブリ・ペローエタロンを製造するために十分な使い道があるが、それらは複雑であり、沢山の構成要素、融合スプライサのような高価な光学機器、及び、技術に熟練しているオペレーターの必要性を課するものである。
【発明の開示】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、光学デバイスの製造で用いる方法が提供され、該方法は以下のステップを含む：
レーザー光源からの放射線と、所望の穴の形状に従ってその表面がパターン化されたマスクと、を用いた照射を行うことで、光学基材に、所望の形状の穴を形成するステップと、前記マスクを通して伝送された放射線を前記基材に投影することで、基材材料は、該穴の少なくとも１つの側壁が、選定された軸に対する所望の傾斜となるような方法で、必要な穴を形成することにより、放射線に当てられたエリアからアブレートされるステップ。
【０００７】
好ましくは、基材に投影されたレーザー光線のフルエンス（当該基材表面の単位断面積当たりのアブレートするレーザー光線の入射のエネルギー密度として定義された）は、当該１乃至各側壁に所望の傾斜を形成するために、制御される。
【０００８】
好ましくは、レーザーは、８Ｊ／ｃｍ２のフルエンスでパルス放射線を出力するように制御される。
【０００９】
好ましくは、レーザーは、８Ｊ／ｃｍ２を越えるフルエンスでパルス放射線を出力するように制御される。
【００１０】
望ましくは、基材に投影された放射線の焦点は、当該１乃至各側壁の所望の傾斜が得られるように、選定される。
【００１１】
好ましくは、アブレートする放射線に対する光学基材の位置は、該光学基材を前記アブレートする放射線に対して上方又は下方へ移動させることにより調整される。
【００１２】
好ましくは、マスクを照射するのに使用される放射線は、縮小化(demagnification)の対象となる。望ましくは、この縮小化の比率(demagnification ratio)は、アブレートするレーザー光線のエネルギー密度が、当該基材材料のアブレーション閾値よりも強度において（in magnitude）より大きくなることを確保するように選定される。
【００１３】
光学基材は、好ましくは光ファイバーの形状であり、例えばシリカ或いはサファイアを含むことができるが、プラスチック材料で作られた光ファイバーとすることも可能である。光学基材はまた、例えばカルコゲニドやセラミックスのような、光学の用途での使用に適合する他の材料を含むこともできる。
【００１４】
形成された穴は、ファブリ・ペローエタロンとして、あるいはマッハ・チェンダー装置の中で使用されても良く、或いはスプリッターやカプラーのような導波（waveguiding）構造物の中で、或いは同様の装置内で使用することができる。
【００１５】
好ましくは、穴を形成した後に、選択された特性を有する材料が、該穴内に挿入される。挿入された材料は、化合物の存在に、又はｐＨレベルの変化や温度の変化に、或いは穴内の光に反応し得る。オプトード（Optodes）、すなわち、感度を表示し、特定の外部摂動に対して光学的に反応する電極（electrodes）は、この方法によって形成された穴内に、適切な特性を備えた材料を挿入することによって生産され得る。
【００１６】
レーザーは、好ましくは、１５７ｎｍ，１９３ｎｍ，２４８ｎｍ，或いは１９３ｎｍ乃至２４８ｎｍの範囲の波長で、エキシマー波長の放射線を出力するように制御されるエキシマーレーザーとすることができる。光学基材のアブレーションはまた、所望のフルエンスを発出できる遠紫外線（deep UV）の光源を使用して行うこともできる。
【００１７】
本発明の第二の実施形態によれば、光学光学基材に所望形状の穴を形成することで、光学デバイスを製造するための装置であって、表面が前記穴の所望の形状に従ってパターン化されたマスクと、レーザー光源からの放射線を、前記マスクを介して基材に投影するための投影手段と、を含み、投影手段は、必要な穴を形成するために、基材材料が前記放射線に当てられたエリアからアブレートされるような方法と、該穴の少なくとも１つの側壁が、選定された軸に対する所望の傾斜となるような方法と、についての操作が可能である装置、が提供される。
【００１８】
投影手段は、マスクを通して該基材上に伝送された放射線を投影するダブレットを含むことができる。
【００１９】
投影手段はさらに、マスクを通して伝送された放射線をダブレットに投影する鏡を含むことができる。
【００２０】
基材は、好ましくは、放射線に対する該基材の位置決めを可能とする高精度位置決め装置（micropositioner）に搭載される。
【００２１】
従って、本発明の実施形態は、光学基材中の穴を、確実に、再生可能な方法で、低廉に、大規模に、かつ複雑なステップ無しで形成する代替方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施の形態を、一例として添付した図面を参照して以下に説明する。
【００２３】
図１に示されるように、本発明の第２の実施形態を具体化する装置は、光学デバイスで使用される光学基材３の中で形成される穴５（図２参照）の所望の形に従ってその表面がパターン化されるマスク２を照射するために使用される放射線を放射するように制御されるレーザー１を含む。光学基材３は、アブレートするレーザー光線に対する光学基材３の位置決めを容易にするマイクロポジショナー４に搭載される。
【００２４】
マスク２を照射するために使用されるレーザー光線は、集光レンズ６によって縮小化(demagnification)される。
【００２５】
マスク２を通して伝送されるレーザー光線は、鏡７とダブレット８とを含む投影手段を経由して、穴５を形成するために、該穴が要求された深さであり、かつ該穴の少なくとも１つの側壁が、選定された軸に対する所望の傾斜となるように、基材材料が放射線に当てられたエリアからアブレートされるような方法で、光学基材３に投影される。
【００２６】
穴は、その隣接した側壁の相互間で、例えば並行或いはテーパ状にして製作することができる。これは、基材に投影されたレーザー光線のフルエンスが適切なレベルにあるように制御することにより、達成することができる。これはまた、基材に投影されたアブレートする放射線の焦点を適切に選択及び／又は調節することにより、例えば、焦点光学系の選択及び／又は調節により、又はアブレーションの処理中に光学基材を前記アブレートする放射線に対して上方又は下方へ移動することで、アブレートする放射線に対する光学基材の位置を調整することにより、達成することができる。
【００２７】
これにより、光学基材中に任意の所望形状の穴が形成され得るものであり、図２には２つの例が示される。図２ａは、ファイバーの外面に、その軸に対して平行な形成された、アブレートされた穴の１つの可能な構成を示す。図２ｂは、ファイバーの中心軸と同心円状に形成された、アブレートされた穴を備えたファイバーを示す。示された構成の各々は、（カンティレバー（cantilevered）されたビームを使用して、）振動オプトード（vibration Optodes）に加えて、温度，負荷及び圧力オプトード（temperature,strain and pressure Optodes）の直接生産を可能にさせる。図２ｂは、１枚の材料が、穴５の端部上に配置され、圧力の測定を可能にする隔膜（diaphragm）の役割を担うことを可能にさせるものとして、特に有用である。図３には、本発明の使用によりサファイア・ディスク中に製作された穴の三次元のプロフィールが示される。表面の粗さは、５ｐｍよりも著しく低くすることが可能であり、例えば、本発明を用いて製造された、あばたのあるシリカ表面で測定された粗さ平均（Ｒａ）値は、０．４５１μｍであった。
【００２８】
レーザー１は、好ましくは、その出力が調整可能なエキシマーレーザーである。その出力は、エキシマー波長の放射線を、好ましくは、１５７ｎｍ，１９３ｎｍ，２４８ｎｍ，あるいは１９３ｎｍ乃至２４８ｎｍの範囲の波長で、一定時間出力するように制御され、該出力時間については、関係する基材材料のアブレーション比率、及び、形成される穴の求められる深さによって決定される。あるいは、レーザー１はまた、所望のフルエンスの遠紫外線（deep UV）波長の放射線を出力するように制御されるdeepＵＶレーザーとすることもできる。
【００２９】
基材材料のアブレーション比率は、例えば、当該フルエンスおよび基材の表面の状態（Ｒａの値）といった要因に依存する。例えば、イーレマン（Ihlemann）他（応用表面科学（Applied Surface Science），１０６，ｐ．２８２−２８６，１９９６年）は、シリカのアブレーション比率については、１９３ｎｍのエキシマー放射線を１８ｎｓのパルス波形として４Ｊ／ｃｍ２のフルエンスで使用する場合には、およそ２００ｎｍ／パルスであり、また、２４８ｎｍのエキシマー放射線を２４ｎｓのパルス波形として１５Ｊ／ｃｍ２のフルエンスで使用する場合には、およそ３００ｎｍ／パルスであることを見出した。サファイアのアブレーション比率については、１９３ｎｍのエキシマー放射線を１８ｎｓのパルス波形として４Ｊ／ｃｍ２のフルエンスで使用する場合には、およそ２５ｎｍ／パルスであり、また、２４８ｎｍのエキシマー放射線を２４ｎｓのパルス波形として５Ｊ／ｃｍ２のフルエンスで使用する場合には、およそ１００ｎｍ／パルスである。それらのデータはまた、当該材料のアブレーション比率が、アブレートするレーザー光線のパルス幅にさらに依存することを明らかにしたものであり、該パルス幅は、当該材料のアブレーション比率を増加又は減少するようにリアル・タイムで調節されることが可能である。
【００３０】
図１中に示される本発明の第２の実施形態を具体化する装置では、前述の波長のエキシマー放射線は、８Ｊ／ｃｍ２のフルエンスで、作用時間がおよそ３０ｎｓの構成のパルスが、光学基材３のアブレーションに用いられる。アブレーションの処置はまた、ナノ秒単位のパルスからなる前述の波長であって、かつ、強度において （in magnitude）光学基材３のアブレーション閾値を越えるために選定されるべき他のフルエンス値のエキシマー放射線を使用して、行なうことができる。
【００３１】
光学基材３は、好ましくはシリカまたはサファイアを含み、好都合な光ファイバーの形状をなすが、さらにプラスチック材料で作られた光ファイバーともなり得る。
【００３２】
シリカとサファイア用のアブレーション閾値は、１９３ｎｍのエキシマー励起が使用される場合、それぞれおよそ４Ｊ／ｃｍ２と２Ｊ／ｃｍ２である。２４８ｎｍのエキシマー励起が使用される場合には、シリカとサファイア用のアブレーション閾値は、それぞれおよそ１２Ｊ／ｃｍ２と３Ｊ／ｃｍ２である。
【００３３】
マスク２は、所望の穴の形状に従い、クロミウムを背部に付けた（chromium-backed）シリカプレートの表面が、フォトエッチングによって製作される。要求された種類のマスクは、中央微構造機関（Central Microstructure facility）、ラザフォード・アップルトン研究所、英国のオクスフォード大学、及びおよび英国のコンプグラフィック・インターナショナル株式会社（Compugraphics International Ltd）から得ることができる。
【００３４】
集光レンズ６は、４５０ｍｍの焦点距離を有しており、マスク２を照射するために使用される放射線を縮小化する。この縮小化の比率(demagnification ratio)は、アブレートするレーザー光線のエネルギー密度が、当該基材材料のアブレーション閾値よりも、強度において（in magnitude）より大きくなることを確保するように選定される。前記の集光レンズ６における縮小化作用は、光学基材３のアブレーションに使用されるレーザー光線のパワーを決定する。例えば、１０：１の縮小化は、照射面積を１００倍だけ縮小し、その結果、レーザー１により出力されたエネルギーが５００ｍＪ／ｃｍ２であれば、光学基材３は５０Ｊ／ｃｍ２を受光する。
【００３５】
ダブレット８は、マスク２を通して光学基材３上に伝送された放射線の焦点を合わせる。
【００３６】
鏡７は、マスク２を通してダブレット８上に伝送された放射線の焦点を合わせる。
【００３７】
本発明を具体化した方法を使用する光学基材３のアブレーションは、特に１９３ｎｍ或いは２４８ｎｍのエキシマー波長放射線が使用されるときには、荒い表面の穴をもたらす場合がある。これらの波長の光の光子エネルギーは、光学基材３を構成する材料（特に、当該材料が石英ガラスである場合）内部の結合を破るのには十分ではない。したがって、光学基材３のアブレーションを達成するためには、多光子吸収（multi-photon absorption）や、より高いフルエンス値が必要となるが、それらの諸要素は、その結果として作られた穴の表面を粗くする役目をし、そのような穴の表面により、光の不適当な反射を引き起こす。単光子吸収(single photon absorption)により本発明を具体化した方法において、１５７ｎｍのエキシマー波長レーザー光線を使用することにより、この波長値で光学基材３をアブレーションするのに十分足りる場合には、より滑らかな表面を備えた穴を製作できる可能性がある。
【００３８】
本発明を具体化した方法を使用して、製作された穴の表面の粗さを最小限にするためには、かかる穴の製作の後に、以下のさらなる処理ステップが導入される。すなわち、当該基材は、当該光学基材３を構成する材料の融点に近い温度で、（適切なエッチング液、例えば弗化水素酸の使用による）エッチングの対象となり或いは焼きなましにさらされ、これにより材料に再フロー（re-flow）をもたらし、そして、その結果として、穴表面の粗さの減少となる。あるいは、本発明を具体化する方法を使用して、当初形成される穴の表面を滑らかにするために、反応性イオンエッチング（reactive-ion etching）或いは、集中したイオンビームの研磨（focussed-ion-beam milling）を使用することができる。
【００３９】
本発明の使用による光学基材３中の穴の形成後に、特定の特性の材料が当該穴内に挿入され得る。例えば、温度やｐＨレベルの変化に反応する材料、または、光或いは化合物の存在に反応する材料が、使用され得る。このように、穴に適切な特性を備えた材料を挿入することによって、特定の外部摂動に敏感に反応するオプトード（optodes）が製作され得る。
【００４０】
本発明はまた、大量の（bulk）光学基材に関して、例えば図４に示されるマッハ・チェンダー装置、及び／又は、図５に示されるスプリッターや図６に示されるカプラーのような導波（waveguiding）構造物、のような光学装置の製品のために使用されても良い。図４に示されるマッハ・チェンダー装置の場合には、シリカのような光学基材内の所望の形状の穴が、その後、より高い屈折率の材料で満たされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第２の実施形態を具体化する装置を例証する回路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態を具体化する方法を使用して、光学基材中に形成することができる穴の２つの形状を示す。
【図３】本発明の第１の実施形態を具体化する方法を使用して、光学基材中に形成された穴の三次元のプロフィールを示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施形態を具体化する方法を使用して形成され得るマッハ・チェンダー装置の回路図である。
【図５】本発明の第１の実施形態を具体化する方法を使用して形成され得るスプリッターの回路図である。
【図６】本発明の第１の実施形態を具体化する方法を使用して形成され得るカプラーの回路図である。
【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】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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2005500910.tif 000012
2005500910.tif 000013
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2005500910.tif 000015
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2005500910.tif 000028
【国際調査報告】
2005500910.tif 000029
2005500910.tif 000030
2005500910.tif 000031
2005500910.tif 000032
2005500910.tif 000033