(57)【要約】 【課題】  一般的な球面研磨機を用いて、小さな光学素子や単結晶薄板から光学単結晶平凸レンズを製造する方法を提供するものである。【解決手段】  ２枚の光学結晶板６、または２枚の光学結晶板６とダミー板７を貼り合わせてほぼ立方体を形成し、球状鏡面研磨して、研磨後に取り外して接着面平面部分を鏡面研磨する光学単結晶平凸レンズの製造方法で、エポキシ系またはアクリル系接着剤を用い、球面鏡面研磨後に加熱することで、接着した素材を剥離する光学単結晶平凸レンズの製造方法で、平凸レンズの平面部は穿孔した治具８を用いた鏡面平面研磨することを特徴とする光学単結晶平凸レンズの製造方法。【選択図】  図２
2005238372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学単結晶板の片面を凸面かつ鏡面に研磨し、他の片面を平面かつ鏡面に研磨する光学単結晶平凸レンズの製造方法において、２枚の光学単結晶板の凸面に加工しない面同士を接着剤により貼り合わせ、ほぼ立方体に加工した後に、球面研磨機により前記立方体を球状に加工することで、前記立方体の二面の光学単結晶板を球状凸面に研磨する工程を有することを特徴とする、光学単結晶平凸レンズの製造方法。
【請求項２】
光学単結晶板の片面の凸面かつ鏡面において、球面の曲率半径が大きく、２枚の単結晶板の接着でほぼ立方体を形成できない場合、硬度が光学単結晶板にほぼ等しく、接着面が非鏡面の直方体のダミー材を２枚の光学単結晶板の間に挟み、接着剤により貼り合わせ、ほぼ立方体に加工した後、球面研磨機により前記立方体を球状に加工することで、前記立方体の二面の光学単結晶板を球状凸面に研磨する工程を有することを特徴とする、光学単結晶平凸レンズの製造方法。
【請求項３】
前記２枚の光学単結晶板の貼り合わせ面を＃２００以上、＃３０００未満の砥粒で加工し、非鏡面にした後に接着剤により貼り合わせすることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学単結晶平凸レンズの製造方法。
【請求項４】
前記光学単結晶板及びダミー材の貼り合わせは、エポキシ系またはアクリル系接着剤を用いることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の光学単結晶平凸レンズの製造方法。
【請求項５】
前記立方体を球面研磨機により球状に加工後、該球状体を前記接着剤の炭化温度以上で、光学単結晶板の融点未満の温度に加熱し、接着剤を炭化し、２枚の光学単結晶板を剥離する工程を有することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の光学単結晶平凸レンズの製造方法。
【請求項６】
前記平凸レンズの平面部は、立方体に穿孔した治具に立方体の底面と平凸レンズの平面部を一致するように固着して、平面鏡面研磨機により鏡面研磨加工することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光学単結晶平凸レンズの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速・大容量の光通信において光信号の送信に用いられる光モジュール内に配置される、光学単結晶平凸レンズの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバーネットワーク網の整備に伴い、高速・大容量の光通信が普及しつつある。光通信でレーザ光を用いた発信モジュールには、その偏波や波長を選択したり、自信が発した光の戻り光によるノイズ発生を抑えるために、光学素子と呼ばれる部品が用いられる。一般的なＬＤ（レーザダイオード）光モジュールの構造を図１に示した。図１に示したＬＤ光モジュールは、レーザ光の分散による光学的不良の発生を抑え、発振されたレーザ光を効率よく利用するため、半導体レーザ１から発散して発振されるレーザ光４をレンズ２を用いて平行に補正して光学素子３に入力し、光学素子３を通ったレーザ光４をレンズ２を用いて光ファイバ５の出力端に集光している。
【０００３】
図１に示した構造では、前記光学素子３の前後に２枚のレンズ２を配置する必要があり、これをレーザ光４が通過するため、前記出力端から発信されるレーザ光の損失が大きくなるという問題点があった。また、２枚のレンズ２、光学素子３、出力端の４カ所の光軸調整が必要になり、光軸調整工数の増大や光モジュール製造歩留まりを劣化させるという問題点があった。
【０００４】
光学素子３をレンズ化することにより、部品点数を少なくすることで、前述の問題点を解決する事が可能である。レンズ設計では、レーザ波長、発散角、焦点距離、結合効率、屈折率により、レンズ球面の曲率半径が決定される。通常、レーザ波長、発散角、焦点距離、結合効率は光モジュール設計上で仕様が決まり、屈折率は光学素子の材質で決定される。光学素子の屈折率が低い場合は、焦点距離との関係で、レンズの直径が大きくなり、小型化が要求されている光モジュール内に収まらない寸法になるので、光学素子としては屈折率の大きな光学単結晶が使用される。
【０００５】
焦点距離と結合効率からレンズに要求される曲率半径は、大きくてもおよそ０．５ｍｍ程度で、したがって、光学素子の単結晶板を平凸レンズ化するため、平凸研磨機を使用して、一辺が１ｍｍ程度の単結晶板を平凸レンズ化する方法が一般的に行われ、この方法では、単結晶板を１個ずつ加工軸に接着して研磨しなければならず、生産性を大幅に劣化させるという問題点があり、前述の部品点数を減少した利点をキャンセルしてしまう。また、レンズ化する光学結晶はバルク品とは限らず、ＬＰＥ（液相エピタキシャル成長）法で作製される単結晶に代表される単結晶薄板である場合、結晶の厚さの制限から、必要形状に研磨することが出来ないという問題点が発生する。
【０００６】
本発明に関する先行技術文献としては、ボールレンズの量産が可能な製造方法とこれに用いられる研磨加工装置がある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この先行文献は加工対象物が略立方体であり、直方体や板状の被加工物をボールレンズに加工する方法については、何ら記載が無い。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３２６１５４号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前述の問題点を解決するため、一般的な球面研磨機を用いて、小さな光学素子や単結晶薄板から平凸レンズを製造する製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、光学単結晶板の片面を凸面かつ鏡面に研磨し、他の片面を平面かつ鏡面に研磨する光学単結晶平凸レンズの製造方法において、２枚の光学単結晶板の凸面に加工しない面同士を接着剤により貼り合わせ、ほぼ立方体に加工した後に、球面研磨機により前記立方体を球状に加工することで、前記立方体の二面の光学単結晶板を球状凸面に研磨する工程を有することを特徴とする、光学単結晶平凸レンズの製造方法が得られる。
【００１０】
また、本発明によれば、光学単結晶板の片面の凸面かつ鏡面において、球面の曲率半径が大きく、２枚の単結晶板の接着でほぼ立方体を形成できない場合、硬度が光学単結晶板にほぼ等しく、接着面が非鏡面の直方体のダミー材を２枚の光学単結晶板の間に挟み、接着剤により貼り合わせ、ほぼ立方体に加工した後、球面研磨機により前記立方体を球状面に加工することで、前記立方体の二面の光学単結晶板を球状に研磨する工程を有することを特徴とする、光学単結晶平凸レンズの製造方法が得られる。
【００１１】
また、本発明によれば、前記２枚の光学単結晶板の貼り合わせ面を＃２００以上、＃３０００未満の砥粒で加工し、非鏡面にした後に接着剤により貼り合わせすることを特徴とする、光学単結晶平凸レンズの製造方法が得られる。
【００１２】
また、本発明によれば、前記光学単結晶板及びダミー材の貼り合わせは、エポキシ系またはアクリル系接着剤を用いることを特徴とする光学単結晶平面レンズの製造方法が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、前記立方体を球面研磨機により球状に加工後、該球状体を前記接着剤の炭化温度以上で、光学単結晶板の融点未満の温度に加熱し、接着剤を炭化し、２枚の光学単結晶板を剥離する工程を有することを特徴とすることを特徴とする光学単結晶平凸レンズの製造方法が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、前記球面の鏡面研磨終了の素材の平凸レンズの平面部は、立方体に穿孔した治具に立方体の底面と平凸レンズの平面部を一致するように固着して、平面鏡面研磨機により鏡面研磨加工することを特徴とする光学単結晶平凸レンズの製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００１５】
以上述べてきたように、光学素子板をレンズ加工することで、光モジュールの部品点数が減らし、レーザ光の損失が減少し、光軸調整工数が容易となり、光モジュール製造歩留まりが向上する、平凸レンズの製造方法を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図２は、２枚の光学結晶板を張り合わせた立方体である。レンズの曲率半径は球体の大きさによって決定され、必要な曲率半径を球状研磨で得るために、研磨前の材料は、曲率半径の２倍より長い１辺を持つ立方体でなければならない。研磨する材料の厚さが曲率半径より大きく、直径より小さい場合は、図２に示すように、２枚の光学結晶６を貼り合わせて立方体を形成すれば球状研磨が可能となる。
【００１８】
図３は、ダミー材を２枚の光学結晶板で挟み込んで接着した立方体である。研磨する材料が設計レンズの曲率半径より薄い場合は、図３に示すように、２枚の光学結晶板６の間にこれに近い硬度をもつダミー材７を挟むことで立方体を形成することが出来る。
【００１９】
一般的に用いられる球状研磨工程は、その前工程で立方体の角を落とす丸め工程であるバレル研磨が実施される。このバレル研磨は、被研磨物に与える衝撃が大きいため、前記貼り合わせ立方体の貼り合わせ面が鏡面であると接着強度が弱く、バレル研磨中に剥離が発生し、材料が破損してしまう。これを防止するために、貼り合わせ面を研磨で荒らして、接着面積を増やし、接着強度を増強する必要がある。十分な接着強度を実現するには、光学単結晶板の貼り合わせ面を＃２００以上、＃３０００未満の砥粒で加工し、非鏡面にした後に接着剤により貼り合わせすること必要がある。砥粒が＃２００未満であると接着層が厚くなり、研磨中の水分で剥離の危険性があり、また、＃３０００を越えると、接着剤のアンカー効果が小さくなり、接着強度が低下する。
【００２０】
本発明で使用される接着剤として、エポキシやアクリルの有機接着剤を使用することにより、球面研磨後に球体を有機接着剤の炭化温度に加熱することで、接着層を変質させ、剥離を容易にすることが可能である。
【実施例１】
【００２１】
実施例１として、光アイソレータのファラデー回転素子であるＧｄＢｉＩＧ（ガドリニウムビスマス鉄ガーネット）で平凸レンズを作製した。この光学結晶の屈折率は、波長１．３μｍで２．３２４となり、レンズ設計で必要な形状は、曲率半径が０．５ｍｍとなる。まず、厚さ６５０μｍに育成された一辺が１１ｍｍの正方形板ＧｄＢｉＩＧを砥粒＃８００研磨によって６００μｍまで厚さを揃え、接着面は＃８００で荒らし研磨した。
【００２２】
この正方形板をエポキシ系接着剤（Epoxy Technology社製３５３ＮＤ）で貼り合わせ、１００℃６０分間加熱で接着剤を硬化し、接着板をダイシングソーで一辺が１．２ｍｍの立方体に切り出し、洗浄して研磨材料とした。接着層の厚さは５〜１０μｍであった。まず、バレル研磨機で角落とし丸め研磨し、次に、球状研磨機を用いて、仕上がり寸法、球直径１．０８ｍｍに鏡面の球面加工した。これを電気炉で大気雰囲気、４００℃−２時間、加熱した。これにより半球に剥離した素材をアセトン中で１時間煮沸し、中性洗剤を用いて超音波洗浄を施した。
【００２３】
半球素材の平面部分の研磨の説明を図４に示した。平面部分を鏡面研磨するための冶具を図４（ａ）に、研磨時の断面を図４（ｂ）に示した。立方体にφ１．１ｍｍの円筒状の貫通穴の空いた治具８に剥離した半球素材９を平面を下にして挿入し、底面が治具８と平行になるように調節してから、瞬間接着剤で固定した。図４（ｂ）のようにして作製されたものを、砥粒＃８００で３０μｍ、＃３０００で１０μｍ削り出し、メカノケミカル研磨によって表面を鏡面に仕上げた。その後、アセトン煮沸によって治具８から半球素材９を取り出し、前記洗浄工程と同一工程で洗浄を施した。
【００２４】
このようにして作られた平凸レンズの結晶軸方向に飽和磁場を印加してレンズとしての焦点距離を測定したところ、設計値との誤差は５％以内であった。また、図５に、光アイソレーターの逆方向損失の測定系を示した。図５では、ＧｄＢｉＩＧ平凸レンズ９'の平面部に偏光子１０を接着して、逆方向損失を測定したところ、２５ｄＢ以上のアイソレーションが得られ、挿入損失も無反射コートが無いため、理論的なフレネル損と理論的な結合損失の合計にほぼ等しい０．５ｄＢ以下のデータが得られた。
【実施例２】
【００２５】
実施例２として、光アイソレータの偏光子であるルチル単結晶で平凸レンズを作製した。この光学結晶の屈折率は、波長１．３μｍで２．４６２となり、レンズ設計して必要な形状は曲率半径０．４５ｍｍとなる。まず、厚さ４５０μｍに研磨されたルチル単結晶板の一辺が１１ｍｍの正方形板２枚の片側を鏡面加工、もう片側を砥粒＃８００で荒らし、ホウ珪酸ガラスの厚みが２００μｍで一辺が１１ｍｍの正方形板の両面も同じ＃８００で荒らし、ホウ珪酸ガラスを挟んで３枚の板をアクリル系接着剤（セメダイン社製Ｙ−６５０）で貼り合わせ、室温で２４時間、硬化した。
【００２６】
硬化した一辺が１１ｍｍの結晶板をダイシングソーで一辺が１．１ｍｍの立方体に切り出し、洗浄して研磨ワークとした。接着層の厚さは５〜１０μｍであった。まず、バレル研磨機で角落とし丸め研磨し、次に球状研磨機を用いて鏡面球面加工し、仕上がり寸法が球直径１．０４ｍｍとした。これを大気雰囲気の電気炉で３００℃２時間熱した。これにより剥離した素材をアセトン中で１時間煮沸し、中性洗剤を用いて超音波洗浄を施した。
【００２７】
素材の平面部分の研磨の説明を図６に示した。平面部分を鏡面研磨するための冶具を図６（ａ）に、研磨時の断面を図６（ｂ）に示した。図６（ａ）のような立方体にφ１．１ｍｍの円筒状の貫通穴の空いた治具８に剥離した素材１４を平面を下にして挿入し、底面が治具８と平行になるように調節してから、治具８と素材１４を瞬間接着剤で固定し、図６（ｂ）のようにして、砥粒＃１２００で１０μｍ、＃３０００で１０μｍ削り出し、メカノケミカル研磨によって表面を鏡面に仕上げた。
【００２８】
その後、アセトン煮沸によって治具８から素材１４を取り出し、前記洗浄工程と同一工程で洗浄した。その後、素材の平面部分に対接着剤の無反射コートを施し、ルチル単結晶の平凸レンズを作成した。この２枚の平凸レンズ１５、１６の相対する平面部分の間にファラデー回転素子１７を挟んで２枚の平凸レンズ１５、１６の偏光軸が左回り４５ｄｅｇとなるように調節して、有機接着剤で接着し、光アイソレータとした。
【００２９】
このようにして作られた光アイソレータの挿入損失の光学測定系を図７に示した。結晶軸方向に飽和磁場を印加して、挿入損失を測定したところ、理論的なフレネル損と理論的な結合損失の合計にほぼ等しい０．５ｄＢ以下のデータが得られた。またこの時のアイソレーションである逆方向損失は、２８ｄＢ以上が得られ、光アイソレータとして良好な特性が得られることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】一般的なＬＤ（レーザダイオード）光モジュールの構造図。
【図２】２枚の光学結晶を貼り合わせた立方体を示す図。
【図３】ダミー材を２枚の光学結晶板で挟み込んで接着した立方体を示す図。
【図４】半球素材の平面部分の研磨の説明図、図４（ａ）は素材の平面部分を鏡面研磨するための冶具を示す図面、図４（ｂ）は素材の平面部分を鏡面研磨する断面図。
【図５】光アイソレータの逆方向損失の測定系を示す図。
【図６】素材の平面部分の研磨の説明図、図６（ａ）は素材の平面部分を鏡面研磨するための冶具を示す図、図６（ｂ）は素材の平面部分を鏡面研磨する断面図。
【図７】光アイソレータの挿入損失の光学測定系を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１    半導体レーザ
２    レンズ
３    光学素子
４    レーザ光
５    光ファイバ
６    光学結晶板
７    光学結晶に近い硬度を持つダミー材
８    治具
９    半球素材
９'    ＧｄＢｉＩＧ平凸レンズ
１０    偏光子
１１    偏光子に対して−４５ｄｅｇの偏光角を持つ偏光子
１２    平行光を出力するコリメータファイバ
１３    フェルール付きファイバ
１４    素材
１５    ルチル平凸レンズ
１６    ルチル平凸レンズの偏光軸と４５ｄｅｇの角度の偏光軸を持つルチル平凸レンズ
１７    ファラデー回転素子
１８    マグネット
【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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【図７】
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