(57)【要約】【課題】制御光（ポンプ光）の集光スポットを小さくすることで、高い光密度を実現し、かつ、実装における製造コストを低減することが可能な光スイッチを提供する。【解決手段】信号光（プローブ光）用のマイクロレンズと制御光（ポンプ光）用のマイクロレンズと光非線形材料とを有する光スイッチにおいて、信号光と制御光とが略垂直に光非線形材料に入射するように、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとが配置されており、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとが光非線形材料と一体化されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズと光非線形材料とを有する光スイッチにおいて、信号光と制御光とが略垂直に光非線形材料に入射するように、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとが配置されており、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとが光非線形材料と一体化されていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項２】
請求項１記載の光スイッチにおいて、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとは、それぞれに対応する基板の両面に対になって設けられていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の光スイッチにおいて、前記各マイクロレンズの基板には、アライメントマークが設けられていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光スイッチにおいて、マイクロレンズの基板を基準面とし、その面を光非線形材料と直接当接することで、押し当て実装が可能となるように、マイクロレンズの頂点が基板基準面よりも引っ込んでいることを特徴とする光スイッチ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光スイッチにおいて、マイクロレンズの基板と光非線形材料との界面に接着剤が挟まっていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項６】
請求項５記載の光スイッチにおいて、マイクロレンズの基板の光非線形材料に接する面に接着剤を封入する溝が設けられていることを特徴とする光スイッチ。
【請求項７】
信号光の入射側マイクロレンズが複数配列された基板と、光非線形材料基板と、信号光の出射側マイクロレンズが複数配列された基板とを、アライメントしながら貼り合わせ、同時に切り離すことを特徴とする光スイッチの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光インターコネクション，プリンターの光書き込み系やプロジェクターなどに利用される光スイッチおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光スイッチとしては、ＬｉＮｂＯ３などの非線形結晶を利用して電気的に行なうもの（電気光学効果を利用するもの）が知られており、ＧＨｚレベルの光スイッチを実現している。しかし、電気光学効果を利用するには、電気配線が必要であり、その電気配線に高周波数の信号を送る配線レイアウトなどの問題がある。また、ＬＤ（半導体レーザー）やフォトダイオードなどの光電変換素子がそれぞれの変換個所に必要であるなどの問題がある。そこで、光をスイッチングに利用した光―光スイッチが求められている。しかし、従来の光−光スイッチは、スイッチの機能をする制御光（以下、ポンプ光と呼ぶ）の光密度を高くする必要があり、従来の光学系では困難であった。
【０００３】
例えば、非特許文献１や特許文献１に示されているようなＭＢＥ−ＧａＡｓの光−光スイッチでは、約１ｐｓｅｃという超高速反応を示している。これは、ＧａＡｓの過飽和吸収を利用したもので、波長は８５０ｎｍ近辺のものを利用している。このスイッチングは、Ｂｅドープの約７００ｎｍのＧａＡｓエピタキシャル基板で、透過光変化（ΔＴ／Ｔ）は約１０分の１程度と大きい。しかし、これを行なうには、約１００μＪ／ｃｍ２という高いエネルギーのポンプ光を必要としている。このポンプ光は、数十ｐｓｅｃのパルスであり、これを連続光として換算すると、１Ｅ７Ｗ／ｃｍ２となる。これを１００μｍ径程度に集光レンズで集めたとしても、１０００Ｗ（１００μｍ＊１００μｍ角）となり、これでは通常のＬＤなどのパワー数百ｍＷでは対応できない。このスポット径を１μｍ程度に低減できれば、０．１Ｗ程度となり、通常のＬＤなどと同等のレベルとなる。
しかし、図３のような光学系では、ビームスプリッターや制御光（ポンプ光）と信号光（プローブ光）とを分離する偏光板などが必要であり、複雑な光学系となって、集積化が難しい。また、光学系の要素が増えることで、透過率が低下し、もしくは収差が大きくなり小さいスポットを作ることが難しくなる。
【０００４】
そこで、よりシンプルな光学系が求められる。例えば、図４のように制御光（ポンプ光）と信号光（プローブ光）を異なる角度から入射させる方法がある。これにより、ビームスプリッタおよび偏光板が不要となる。しかし、このような光学系では、ポンプ光とプローブ光との光軸を一致させることが困難であり、それを実現するには、製造コストが非常にかさむ。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．４１（２００２）Ｌ７４５
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３０３８９３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、制御光（ポンプ光）の集光スポットを小さくすることで、高い光密度を実現し、かつ、実装における製造コストを低減することが可能な光スイッチを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズと光非線形材料とを有する光スイッチにおいて、信号光と制御光とが略垂直に光非線形材料に入射するように、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとが配置されており、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとが光非線形材料と一体化されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の光スイッチにおいて、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとは、それぞれに対応する基板の両面に対になって設けられていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の光スイッチにおいて、前記各マイクロレンズの基板には、アライメントマークが設けられていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光スイッチにおいて、マイクロレンズの基板を基準面とし、その面を光非線形材料と直接当接することで、押し当て実装が可能となるように、マイクロレンズの頂点が基板基準面よりも引っ込んでいることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光スイッチにおいて、マイクロレンズの基板と光非線形材料との界面に接着剤が挟まっていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の光スイッチにおいて、マイクロレンズの基板の光非線形材料に接する面に接着剤を封入する溝が設けられていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項７記載の発明は、信号光の入射側マイクロレンズが複数配列された基板と、光非線形材料基板と、信号光の出射側マイクロレンズが複数配列された基板とを、アライメントしながら貼り合わせ、同時に切り離すことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
従来技術の項目で説明したように、図３に示すような光−光スイッチでは、信号光（プローブ光）を４５°に曲げるビームスプリッターと偏光板が必要であり、これによって、光学系の透過率は低下し、利用効率も低くなる。偏光板だけをとってみても、５０％の減光となる。また、集積化する場合には、この部分での光反射、および光吸収による発熱が問題になる。また、図４に示すような信号光（プローブ光）と制御光（ポンプ光）との光軸を一致させない方法では、ポンプ光とプローブ光のスポット位置を一致させる実装が非常に困難となる。また、ＮＡが小さいレンズを利用しないと、ワーキングディスタンスが大きくならず、レンズ同士が干渉し配置できない。
【００１７】
本発明は、このような従来の問題を解決するものであり、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズと光非線形材料とを有する光スイッチにおいて、信号光と制御光とが略垂直に光非線形材料に入射するように、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとが配置されており、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとが光非線形材料と一体化されていることを特徴としている。
【００１８】
このように、本発明では、制御光（ポンプ光）が信号光（プローブ光）に対して垂直に入射することで、偏光板を用いる必要がなくなる。
【００１９】
また、レンズと非線形材料とを一体化することにより、レンズ表面からスポットに至る光線が通る媒質は非線形材料となる。スポットとレンズとの距離が長いと、光吸収が大きくなり、スポットでの光が弱くなり、過飽和吸収が起きなくなる。従って、できる限り、スポットとレンズとの距離を縮める必要がある。すなわち、レンズの作るスポットはレンズのＮＡに依存しており、そのＮＡのレンズが作る光線は、次式（数１）のように、開口径ｒと焦点距離Ｌによって表わすことができる。
【００２０】
【数１】
ＮＡ＝ｎ＊ｓｉｎθ
ｓｉｎθ＝ｒ／Ｌ
ｒ：開口径
Ｌ：焦点距離
ｎ：屈折率
【００２１】
ここで、焦点距離Ｌを小さくすることで、非線形材料内のスポットまでの経路での光吸収を低減できる。ＮＡを一定にしたまま、焦点距離Ｌを小さくするには、開口径ｒを小さくする必要がある。マイクロレンズは、開口径がマイクロオーダーとなっており、開口径を極限まで小さくしたレンズである。従って、レンズにマイクロレンズを用いることで、ＮＡを一定にしたまま、焦点距離Ｌを小さくできる。
【００２２】
なお、マイクロレンズにはレンズの高さなどに制約があり、１枚のレンズでは高いＮＡを作ることが難しい。そこで、上述した本発明の光スイッチにおいて、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとは、それぞれに対応する基板の両面に対になって設けられているのが良い。このように、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとのそれぞれのマイクロレンズを２枚組で用いることで、実質的にＮＡを大きくすることができる。これにより、レンズ高さに制約がある場合にも、十分高いＮＡを実現できる。
【００２３】
また、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとを正確に実装するためには、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとの相対位置が正確に実装される必要がある。しかし、レンズのエッジなどを利用して実装を行なうと、そのエッジが不明瞭であるために正確な実装が難しい。そこで、上述した本発明の光スイッチにおいて、各マイクロレンズの基板には、アライメントマークが設けられているのが良い。アライメントマークは、そのエッジを鋭利に加工することができ、その鋭利な形状をもって、実装することができる。また、マイクロレンズとアライメントマークとの相対位置は、マスクなどの精度で決められ、非常に精度を高くすることができる。
【００２４】
また、上述したように、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとを正確に実装する必要があり、マイクロレンズの基板を基準面とし、その面を光非線形材料と直接当接することで、押し当て実装が可能となる。しかし、通常のマイクロレンズのようにレンズの頂点が基板基準面より突き出ている場合には、基準面を押し当て実装することができない。そこで、上述した本発明の光スイッチにおいて、マイクロレンズの基板を基準面とし、その面を光非線形材料と直接当接することで、押し当て実装が可能となるように、マイクロレンズの頂点が基板基準面よりも引っ込んでいるのが良い。これにより、レンズの頂点が基板基準面より突き出るのを防止し、平滑な基板基準面が得られる。この面を利用して、押し当て実装することで、正確かつ簡便な実装が可能となる。
【００２５】
また、マイクロレンズ基板をダイシングによって切断すると、その切断面には凹凸が生じる。また、ダイシングラインはいくら正確に行なおうとしても、その精度は低倍率の光学顕微鏡に律束される。そのため、マイクロレンズ基板のダイシング面に光非線形材料を当接して実装すると、大きな誤差を含むことになる。
この誤差を低減するため、上述した本発明の光スイッチにおいて、マイクロレンズ基板と光非線形材料との界面には、接着剤が挟まっているのが良い。ここで、接着剤は、ＵＶ硬化樹脂のようなものを利用し、硬化前には適度な弾性を持つものが良い。樹脂が挟まっていることで、樹脂を硬化する前に適度な押し圧によって、その距離を任意にコントロールすることができる。これを利用し、後述の図７に示すように、制御光（ポンプ光）用のマイクロレンズ基板の基準面と信号光（プローブ光）用のマイクロレンズ基板に作製したアライメントマークとを、設計された位置関係に保持し、その状態で硬化することで、高い精度の実装が可能になる。
【００２６】
なお、接着剤をマイクロレンズ基板と光非線形材料との間に挟むと、その接着剤の厚みによる誤差が生じる。この誤差が生じるのを防止するため、マイクロレンズ基板の光非線形材料に接する面に接着剤を封入する溝が設けられているのが良い。このような構成では、溝に接着剤を流し込むことによって、接着剤がマイクロレンズ基板の基準面と光非線形材料の基準面との間に挟まれることがない。
すなわち、それぞれの基準面を当接し実装精度を出す機能領域と接着剤を封入し接着機能を有する領域とを分離することができる。
【００２７】
また、信号光（プローブ光）用のマイクロレンズには入射側と出射側とあり、それぞれが高い位置精度で配置されていないと、そこでの光損失が生じる。しかし、光スイッチを一つ一つ実装するには製造コストがかかる。複数の光スイッチを同時に実装することが可能であれば、１つの光スイッチの実装に時間をかけることができ、実装精度が向上する。そこで、本発明では、信号光の入射側マイクロレンズが複数配列された基板と、光非線形材料基板と、信号光の出射側マイクロレンズが複数配列された基板とを、アライメントしながら貼り合わせ、同時に切り離すことで、光スイッチを作製するようにしている。
【００２８】
このような作製方法では、実装の際には、ウェハーの隅に付けられたアライメントマークを利用することで、一度に多くの光スイッチ用の部品を高精度に実装することができる。また、ウェハー同士の貼り合わせのため、チルト方向の誤差を小さくすることができる。
【００２９】
図１，図２は本発明の光スイッチの構成例を示す図である。なお、図１は斜視図、図２は断面図である。図１，図２を参照すると、信号光（プローブ光）入射側の一対のマイクロレンズと、信号光（プローブ光）出射側の一対のマイクロレンズと、制御光（ホンプ光）用の一対のマイクロレンズとを有し、各マイクロレンズは、これに入射する光を集光する機能を有している。上記各一対のマイクロレンズのＮＡは０．８程度のものにすることができる。また、制御光（ポンプ光）用の一対のマイクロレンズは、第１のマイクロレンズ基板に形成され、入射側が凸面、出射側が凹面となっている。但し、凹面の方には高屈折率の樹脂が封入されており、実質的には凸面の機能のものとなっている。また、信号光（プローブ光）入射側の一対のマイクロレンズ，信号光出射側の一対のマイクロレンズはそれぞれ、第２，第３のマイクロレンズ基板に形成されており、それぞれ、凸面となっている。また、第２，第３のマイクロレンズ基板の光非線形材料に接する面には、基準面を有しており、その基準面に光非線形材料が当接されている。
【００３０】
図１，図２のような構成の光スイッチは、例えば次のように作製される。すなわち、マイクロレンズは、０．５ｍｍ厚の石英ウェハーを用いて、その上にアレー状に作製される。その作製方法は、フォトリソプロセスとドライエッチングによって行われる。フォトリソプロセスは、ウェハーにレジストを塗布し、そのレジストにグレースケールマスクによってレンズ形状を作製する。グレースケールマスクは、銀塩フィルムと同様に光によって感光する材料を用いて、その感光する度合いをコントロールすることで、その中間調を表現する。グレースケールマスクの階調は、千程度であり、これによってレジストの高さを設計することができる。ポジレジストの場合には、マスクの明るい部分は、露光現像によって削られ、レジストの厚さが薄くなる。一方、マスクの暗い部分は、露光現像してもレジストは厚く残る。この原理を利用して、レジストの形状を３次元的に任意に形作ることができる。例えば、ポジレジストを利用して、凸型レンズ形状を作る場合には、その中心値を暗くし、周辺部分を明るくすることで、凸型を形作ることができる。
【００３１】
これにより、レジストにおいて、レンズ形状をつくり、その後、ドライエッチングによって、形状を石英基板に転写する。次に、石英基板をレンズ間距離が最適になるように研磨によって、ウェハーの厚さを薄くする。この薄くした石英基板の裏面に、表面と正確に位置合わせをして、レンズを作りこむ。この方法は先に示したものと同様である。
【００３２】
この方法で、３枚のウェハーに、それぞれ、制御光（ポンプ光）用のレンズ、信号光（プローブ光）入射側のレンズ、信号光（プローブ光）出射側のレンズを作る（図５を参照）。すなわち、３枚のレンズウェハー（レンズ基板ウェハー）を作製する。
【００３３】
また、非線形材料は、先の石英基板と同程度のウェハー形状で作製される。非線形材料としては、低温成長超格子ＧａＡｓ（特開平０８−０３６１９７号を参照）やフタロシアニン系化合物（特開平７−２１８９３９号参照）や銅酸化化合物（特開２００２−２８７１８６号参照）など、どのようなものでもよい。また、微結晶（ナノクリスタル）やカーボンナノチューブ（文献「Ａ．Ｐ．Ｌ．８１，９７５（２００２）」を参照）などに見られる可飽和吸収効果を利用したものでも良い。いまの例では、非線形材料にはフタロシアニン系の化合物を用いる。
作製方法はサファイヤ基板に蒸着によって作製される。膜厚は数十μｍとした。
【００３４】
この非線形材料ウェハーの両面に、信号光入射側のレンズウェハー，信号光入射側のレンズウェハーを貼り合わせる（図６を参照）。ここで、レンズウェハー（レンズ基板ウェハー）と光非線形材料ウェハーとは、押し当て最適な距離になるように設計されている。
【００３５】
そして、図６に示すように貼り合わせた３枚のウェハーをダイシングによって切り出す。
【００３６】
次いで、ダイシング面に接着剤を塗布し、その接着剤の上から制御光（ポンプ光）用のマイクロレンズを実装する（図７を参照）。ここで、制御光（ポンプ光）用のマイクロレンズは、接着剤の粘性を利用して、その位置を正確に合わせることができる。すなわち、制御光（ポンプ光）用のマイクロレンズの光軸に対して垂直方向については、下に位置する信号光（プローブ光）用のマイクロレンズと正確に位置合わせをする。また、光軸に平行な方向に関しても、信号光（プローブ光）用のマイクロレンズ基板に作製されたアライメントマークと制御光（ポンプ光）用のマイクロレンズ基板の基準面とを観察しながら、最適な位置を合わせる。
【００３７】
このようにして、図１，図２に示したような光スイッチを作製することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項６記載の発明によれば、信号光（プローブ光）用のマイクロレンズと制御光（ポンプ光）用のマイクロレンズと光非線形材料とを有する光スイッチにおいて、信号光と制御光とが略垂直に光非線形材料に入射するように、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとが配置され、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとが光非線形材料と一体化されており、制御光（ポンプ光）と信号光（プローブ光）とが垂直に入射するように構成されていることで、光を分離するための偏光板が不要になり、光学系がシンプルで、かつ、光の利用効率を向上させることができる。また、レンズと非線形材料とを一体化することで、高いＮＡのレンズでもレンズ間の干渉が無くなり、レイアウトが容易になる。また、レンズの口径をマイクロオーダーとすることで、焦点距離を極限までに小さくすることができ、非線形材料内のスポット以外の部分での光吸収を低減できる。また、一体化することで、押し当て実装が可能であり、高い精度の実装を低コストで実現できる。これにより、部品点数の少なく、コストの低い光スイッチ（光−光スイッチ）を提供できる。
【００３９】
特に、請求項２記載の発明では、請求項１記載の光スイッチにおいて、信号光用のマイクロレンズと制御光用のマイクロレンズとは、それぞれに対応する基板の両面に対になって設けられており、マイクロレンズが基板の両面に対になっていることで、高いＮＡを実現できる。高いＮＡのマイクロレンズを利用することで、制御光（ポンプ光）の光密度を高めることができ、高価な光源を不要とし、低いコストの光スイッチ（光−光スイッチ）を提供できる。
【００４０】
また、請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２記載の光スイッチにおいて、前記各マイクロレンズの基板には、アライメントマークが設けられているので、信号光（プローブ光）の入射側のマイクロレンズおよび信号光の出射側のマイクロレンズのそれぞれの相対位置を高い精度で実装できる。また、制御光（ポンプ光）用のマイクロレンズと信号光（プローブ光）用のマイクロレンズとの相対位置も高い精度で実装できる。これにより、小さいスポットであっても、光非線形材料から大きな信号を得ることができて、部品点数の少なく、コストの低い光スイッチ（光−光スイッチ）を提供できる。
【００４１】
また、請求項４記載の発明では、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光スイッチにおいて、マイクロレンズ基板を基準面とし、その面を光非線形材料と直接当接することで、押し当て実装が可能となるように、マイクロレンズの頂点が基板基準面よりも引っ込んでいるので、マイクロレンズ基板の基板基準面を非線形材料に直接押し当て実装することができる。これにより、高い精度の実装が低コストで実現でき、低コストの光スイッチ（光−光スイッチ）を提供できる。
【００４２】
また、請求項５記載の発明では、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の光スイッチにおいて、マイクロレンズ基板と光非線形材料との界面に接着剤が挟まっているので、マイクロレンズと光非線形材料との相対位置を簡便に制御することができる。これにより、低コストの光スイッチ（光−光スイッチ）を提供できる。
【００４３】
また、請求項６記載の発明では、請求項５記載の光スイッチにおいて、マイクロレンズ基板の光非線形材料に接する面に接着剤を封入する溝が設けられているので、押し当て接合が可能となり、高い精度の実装が低コストで実現でき、低コストの光スイッチ（光−光スイッチ）を提供できる。
【００４４】
また、請求項７記載の発明によれば、信号光の入射側マイクロレンズが複数配列された基板と、光非線形材料基板と、信号光の出射側マイクロレンズが複数配列された基板とを、アライメントしながら貼り合わせ、同時に切り離すので（すなわち、マイクロレンズや光非線形材料を複数配列しアライメントしながら貼り合わせ、同時に切り離すことで）、一度に多くの光スイッチ部品を作ることができる。これにより、低コストの光スイッチ（光−光スイッチ）を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光スイッチの構成例を示す図である。
【図２】本発明の光スイッチの構成例を示す図である。
【図３】従来の光スイッチを示す図である。
【図４】従来の光スイッチを示す図である。
【図５】本発明の光スイッチの製造工程例を示す図である。
【図６】本発明の光スイッチの製造工程例を示す図である。
【図７】本発明の光スイッチの製造工程例を示す図である。
【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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【図７】
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