(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光ファイバと複数のレンズを調心して結合するのに用いられるガラス基板の製造方法であって、
平板状凸レンズアレイに対して平板状ガラス基板を表面が平行になるように、前記レンズアレイに前記ガラス基板に対向する表面と反対側の表面から平行なレーザ光を入射し、前記ガラス基板の表面近傍に前記レーザ光を集光して窪み孔を加工し、前記窪み孔を液相エッチングすることをすることを特徴とする窪み孔を有するガラス基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の光ファイバと複数のレンズを調心して結合するのに適した窪み孔を有するガラス基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信における伝送容量の増大に伴って、多チャンネルの伝送光をそれぞれ光学要素に対して一括して結合させるためには、光ファイバアレイとレンズアレイを一体化した光接続モジュールを用いるのが有効である。このような光接続モジュールの組立においては、複数の光ファイバと複数のレンズとを効率よく調心する技術が必要となる。
【０００３】
光通信の分野では、十分な結合効率を得るためにレンズアレイ基板上の各レンズの焦点位置に対して各光ファイバのコアを正確に位置合わせすることが重要であり、１μｍ以下の精度の位置合わせが求められる。１次元配列であれば、レンズピッチに合わせたＶ溝アレイを用いて光ファイバを調心できるが、２次元配列の場合は、光ファイバの径よりやや大きい孔径をもつ孔アレイを用いるなどの方法をとる必要がある。そのため、孔アレイの各孔の位置（ピッチ）精度や孔径に高い精度が必要となる。
【０００４】
上記２次元配列の光ファイバにおける位置決めの技術としては、特開平２−１２３３０１号公報に開示されている例がある。これは図５に示すように光ファイバ１８０をエッチング処理した際に得られる先端の凸部を、レンズアレイ１２０の各々のレンズ１２２に対応した焦点位置に設けた凹部１４０に嵌合させる方法である。各レンズ１２２に入射する信号光１３４は各レンズ１２２により形成された凹部１４０の位置に集光され、この凹部に嵌合、固定された光ファイバ１８０に結合される。勿論、逆に光ファイバ１８０から信号光が入射する場合は、各レンズ１２２から平行光が出射される。
【０００５】
しかし、このような多数のレンズ１２２の各々の焦点位置に対して精度良く凹部１４０を設けることは容易でない。このような位置合わせされた凹部を形成する方法としては、例えば特開平１０−１２８５６３に示されるようにレーザを利用して、図６に示すようにレンズアレイ基板１２８のレンズ形成面と反対の面１２４に、レンズアレイ１２０を構成する各々のレンズ１２２により加工用レーザ光１３０を集光させることで嵌合用の凹部１４０を形成する提案もなされている。
【０００６】
なお、加工用レーザ光１３４のビームは必ずしもレンズ１２２それぞれに分けて入射する必要はなく、太い一様な強度分布をもつ光ビームをレンズアレイ１２０のレンズ１２２が存在する領域全体にわたって照射してもよい。この方法は、位置合わせ用の嵌合孔を作製する技術としては有効である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方法ではレンズアレイ基板自体がレーザ加工性の良い材質であることが必要であるため、基板材質が限定され、また改質を行うことが必要になる場合がある。レーザ加工性を改善するための基板改質としては銀イオン等を含有させる方法が知られているが（特開平１０−３３８５３９号公報参照）、レンズ形成後の基板にさらに銀イオンを導入するためにはレンズを保護するためのマスクを形成するなどの工程を加える必要があり、煩雑である。
【０００８】
また、上記方法ではレンズアレイに入射するレーザ光が加工表面に集光される条件においてのみ加工が可能であり、レンズアレイ基板の厚さが限定され、任意に設定することは困難である。
【０００９】
さらに、複数の光ファイバと複数のレンズを調心して結合するための嵌合孔として使用する凹部は、それに適した形状と大きさに加工する必要があるが、レーザ加工の場合、孔径を調整するのが難しいという問題がある。またレーザ加工したガラス表面には加工変質層が存在し、凹部の形状が不整になったり、内壁が粗面になったりする場合がある。
【００１０】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、複数の光ファイバと複数のレンズを調心して結合するのに適した窪み孔を有するガラス基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の光ファイバと複数のレンズを調心して結合するのに用いられるガラス基板の製造方法であって、平板状凸レンズアレイに対して平板状ガラス基板を表面が平行になるように、前記レンズアレイに前記ガラス基板に対向する表面と反対側の表面から平行なレーザ光を入射し、前記ガラス基板の表面近傍に前記レーザ光を集光して窪み孔を加工し、前記窪み孔を液相エッチングすることを特徴とする窪み孔を有するガラス基板の製造方法を提供する。
【００１２】
この方法により、窪み孔の配列はレンズアレイのレンズ配置と一致するように形成できる。
【００１３】
上記のようにレーザ光の照射により形成された窪み孔をさらに液相エッチングにより追加工することが望ましい。これにより、上記所望の孔形状を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明においては、所望のレンズ配列を備えた平板状凸レンズアレイ基板の各々のレンズにより加工用レーザ光を、被加工物であるガラス基板表面に集光し、このレーザ光のエネルギーによってファイバ嵌合用の窪み孔を作製する。
【００１５】
この方法によれば、レンズアレイの各々のレンズの焦点位置に対応した位置に窪み孔が形成できる。また、このようにして形成した窪み孔を有するガラス基板に対して液相エッチングを加えることにより、窪み孔の形状を光ファイバの嵌合に適したものに調節したり、孔表面の品質を向上させることを特徴としている。
【００１６】
図１は本発明の窪み孔アレイを製作するレーザ加工時におけるガラス基板１０と平板状凸レンズアレイ２０との位置関係を示している。平板状凸レンズアレイ２０と被加工物であるガラス基板１０は平行に調整されている。レーザ光３０は平板状凸レンズアレイ基板２０に垂直に入射させる。図では個々のレンズ２２にそれぞれ平行なレーザ光３０が入射されているが、適当な光学系を用いて太い平行ビームを作り、平板状凸レンズアレイの使用するレンズが存在する範囲全体に照射するようにしてもよい。
【００１７】
加工用レーザ光としては、ＹＡＧレーザの第３高調波である波長３５５ｎｍの光を平行光として用いた。この光が各凸レンズ２２により、被加工物であるガラス基板１０の表面近傍に集光するよう平板状凸レンズアレイ２０とガラス基板１０の距離を定める。
この平板状凸レンズアレイ２０は、フォトリソグラフィを用いてガラス基板表面に形成したマスクを介してガラス基板をイオン交換することによって製作されているため、各々のレンズ２２の間隔などは高い位置精度をもっている。
【００１８】
被加工物であるガラス基板１０としては、厚さ１．２ｍｍのＳｉＯ２を主成分とした珪酸塩ガラスを銀イオン交換することでレーザ加工性を向上させたガラス基板を使用した。この銀イオン交換によりレーザ加工性を向上させる方法の詳細は特開平１０−３３８５３９号公報に開示されている。
【００１９】
窪み孔４０の加工は、レーザ光３０の焦点位置３２を被加工物であるガラス基板１０表面近傍に合わせ、例えば、８０ｍＷの強度でパルス幅５ｎｓｅｃのパルスを１０パルス照射して行った。その結果、図２に示すような、ガラス基板表面での孔径が約３μｍ、深さが約７μｍの窪み孔が形成された。（Ａ）はガラス基板をほぼ窪み孔の直径の沿って破断し、その斜め上方から撮影した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。（Ｂ）はこの窪み孔４２の断面模式図である。
【００２０】
ところで、本発明の窪み孔の形成の目的は、光ファイバ先端に形成された凸部と凹凸嵌合させることにある。単一モード光ファイバの場合、先端凸部の形状はその加工方法にも依存するが、直径８μｍ、高さ４μｍ程度である。種々の加工条件を含めれば、窪み孔の孔径としては４〜１０μｍ程度が適当で、７〜９μｍ程度であればより望ましい。上記孔径３μｍはこれに比べて小さい。
【００２１】
一方、窪み孔の深さは上記４μｍより深ければよいが、窪み孔と光ファイバ先端凸部は光学マッチングが得られる接着剤等で固定されるため、深すぎると窪み孔に十分接着剤が充填されずに気泡等が生じ、光学的な損失が増加する原因になる。したがって窪み孔の深さは光ファイバ先端凸部の高さである４μｍ以上で１０μｍ以下程度でなるべく浅い方が好ましい。窪み孔の深さ／孔径の最大値で定義するアスペクト比で表せば、０．２〜２．０の範囲が望ましい。
【００２２】
そこでレーザ加工により製作された図２に示す形状の窪み孔アレイ基板をさらにエッチング処理し、孔形状の変形を試みた。
エッチング液として５％の沸酸水溶液を使用し、この液を３５℃に保って３分間エッチングすることで、図３に示すような断面形状を得た（（Ａ）と（Ｂ）は図４の場合と同様に断面ＳＥＭ像と模式図である）。図２に示すような形状（孔径３μｍ、深さ７μｍ）の窪み孔４２が、孔径９μｍ、深さ７μｍの窪み孔４４に変形された。
【００２３】
またレーザ加工後の窪み孔４２の内壁面４６には存在した加工変質層もエッチング加工後の窪み孔４４の内壁面４８からは除去されていることが確認できた。孔径は光ファイバ先端凸部の直径約８μｍにほぼ一致している。窪み孔４４の深さは変化せず、孔の内壁面４８が図３（Ｂ）に示すような円錐形５０より外側に膨らみをもった形状になった。これによって窪み孔４４内部に光学接着剤が充填しやすくなり、光ファイバとの凹凸嵌合に適した形状に加工することができたと言える。
【００２４】
また、本実施例の結果において、孔径のばらつきについて４×４の孔アレイで評価したところ、レーザ加工のみでは孔径の標準偏差は０．６μｍであったが、エッチング加工後、０．２μｍに改善できた。
【００２５】
本実施例においては、沸酸水溶液によりエッチングをおこなったが、沸酸と沸化アンモニウムの混合液を用いても同様の加工が可能である。または、ＫＯＨ、ＮａＯＨなどのガラス基板に対してエッテング性を持つ溶液をエッチング液として使用することもできる。
【００２６】
また、上記実施例においては初めにレーザ加工による孔形成を行ったが、電子ビーム加工や、ドリル加工やサンドブラストなどの機械的方法で加工した場合に対してもエッチングによる追加工が有効であることは言うまでもない。
【００２７】
本実施例においては、集光用レンズとして光モジュールに用いるレンズアレイと等しいレンズピッチ２５０μｍの平板レンズアレイを用いているため、加工された窪み孔アレイのピッチも必然的に２５０μｍピッチとなる。光ファイバとの結合を目的とする場合は少なくとも使用する光ファイバの直径（通常の単一モード光ファイバで１２５μｍ）よりピッチを大きくとる必要があるが、レンズピッチに関するこれ以外の制限はない。
【００２８】
なお、本実施例においてはＹＡＧレーザの第３高調波である３５５ｎｍの光により加工をおこなったが、他のレーザ光、例えはエキシマレーザ光を用いることも可能である。
【００２９】
レンズアレイ基板に嵌合孔アレイを形成した従来の光学モジュールは図５に示すような構成を備えているが、この場合、平行光を光ファイバに結合する、いわゆるコリメート条件のみが可能である。図４は本発明による嵌合用孔アレイ基板１２を使用した光学モジュールの例を示している。光ファイバ８０の先端は凸状に加工されており、孔アレイ基板１２に形成された窪み孔４０に嵌合している。なお、貫通孔９２を有する孔アレイ基板９０は光ファイバ８０を嵌合用孔アレイ基板１２または１４に垂直に保つための光ファイバ支持用の部材である。
【００３０】
（Ａ）の場合は、図５に示した従来例同様のコリメート条件を備えた構成例である。信号光が平行光３４としてレンズ２２に入射し、集光されて光ファイバ８０に結合する。（Ｂ）に示す場合は、嵌合用孔アレイ基板１４の厚みが（Ａ）の場合と異なっており、収束性の光３６が光ファイバ８０と結合する、いわゆる集光条件を備えた構成の光学モジュールを示している。さらに、拡散状態の光学モジュールを製作することも可能である。
【００３１】
このように多様な光学モジュールが形成できるのは、嵌合用孔アレイ基板がレンズアレイと分離しているため、レーザ加工によって任意の厚みの孔アレイ基板を作製できることによっている。
【００３２】
また、図４の光学モジュールではレンズは図５の従来例と異なり、光学モジュールの表面に露出していない。このため、レンズが損傷することが少ない。従来の構成ではレンズと嵌合用孔は同一基板に形成されていたため、表裏に形成するしかなく図５のような光学系とならざるを得なかったが、本発明では、レンズアレイと嵌合用孔アレイ基板を分離したためこのような制約がなくなった。勿論、必要であれば、図４の場合と反対に、レンズアレイを孔アレイ基板と接しない表面側に配置することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明の製造方法による窪み孔を有するガラス基板は、光学モジュールを構成する際、平板状レンズアレイと分離されているため、制約が少なく多様な光学モジュールを構成できる。
また、レーザ加工や機械加工などにより加工した窪み孔をエッチング加工することにより、孔形状を光ファイバの先端を加工した凸部と嵌合するのに適するように調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の窪み孔アレイの加工方法を示す図である。
【図２】  レーザ加工によりガラス基板に形成された窪み孔の形状を示す（Ａ）断面ＳＥＭ写真および（Ｂ）断面模式図である。
【図３】  レーザ加工後、液相エッチングにより追加工した本発明の窪み孔の形状を示す（Ａ）断面ＳＥＭ写真および（Ｂ）断面模式図である。
【図４】  本発明の窪み孔を有するガラス基板を用いて構成した光学モジュールの模式図である。
【図５】  従来の光学モジュールの構成を示す模式図である。
【図６】  従来の嵌合用孔アレイの加工方法を示す図である。
【符号の説明】
１０  ガラス基板
１２、１４  孔アレイ基板
２０  平板状凸レンズアレイ
２２  レンズ
３０、３４、３６  レーザ光
４０、４２、４４  窪み孔
４６、４８  内壁面
８０  光ファイバ
９０  貫通孔アレイ
【図１】
0003885643.tif 000002
【図２】
0003885643.tif 000003
【図３】
0003885643.tif 000004
【図４】
0003885643.tif 000005
【図５】
0003885643.tif 000006
【図６】
0003885643.tif 000007