(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面にレンズ素子が形成された光学基板と、前記レンズ素子に光学的に結合される光学素子が設けられ、前記光学基板が実装される支持基板とを含む光学装置であって、前記光学基板は、その他方の面に、フォトリソエッチング技術により形成される凸部を備え、前記支持基板は、前記凸部を受け入れるべく適合しかつフォトリソエッチング技術により形成される凹部を備え、前記凸部および凹部の係合により、前記両基板の相対位置が規定されている光学装置において、
前記支持基板は、前記レンズ素子に光学的に結合される前記光学素子が配置される面を有し、前記凹部は、前記光学素子が配置された前記面上で前記光学基板の前記凸部を受け入れるべく該光学基板の前記他方の面に向けて伸長しかつ前記支持基板の端面に至るエッチング溝からなることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記凸部および前記凹部は、それぞれ対をなして形成されている請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記凸部は、前記光学基板の前記他方の面から該面に直角に立ち上がり、円形横断面形状を有する請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記凹部に前記光学素子としての光ファイバが収容されることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
前記光学基板は石英基板であり、前記レンズ素子は、前記石英基板の一方の面に形成され、前記凸部は、前記石英基板の他方の面に塗布された感光性樹脂材料層の露光マスクを用いた選択露光により硬化した部分を除く不要部分をエッチング処理により除去して形成されている請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記感光性樹脂材料層はＵＶ硬化型エポキシ樹脂材料からなる請求項５記載の光学装置。
【請求項７】
前記光学基板はシリコン基板であり、前記レンズ素子は、前記シリコン基板の一方の面に形成され、前記凸部は、前記シリコン基板の他方の面に形成されるマスクを用いた選択エッチング処理により前記マスクから露出した不要部分を除去して形成されている請求項１記載の光学装置。
【請求項８】
前記支持基板は結晶基板からなり、前記凹部はマスクおよび異方性エッチングガスを用いた前記結晶基板への選択エッチング処理により形成されたＶ溝からなる請求項１記載の光学装置。
【請求項９】
前記支持基板は、ポリマー基板と、該ポリマー基板上に塗布された感光性樹脂材料層とから成り、該樹脂材料層には、露光マスクを用いた選択露光により前記樹脂材料層の硬化した部分を除く不要部分をエッチング処理により除去して形成された凹溝が、前記凸部を受け入れるための前記凹部として、形成されている請求項１記載の光学装置。
【請求項１０】
前記レンズ素子はＣＧＨ素子である請求項１記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＧＨ素子のようなレンズ素子と該レンズ素子に結合される光学素子とを含む光学装置に関し、特に、前記レンズ素子を含むこれら光学素子のアライメントを容易とする光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学素子の光学的結合のためのアライメント方法に、例えば、Tanaka 氏等により、IEIC Trans. Electron. E80-C 第１０７〜１１１頁（１９９７年）で開示されているようなパッシブアライメント法がある。
この従来方法では、光ファイバと光源であるレーザチップとの両者の位置決めのために、シリコンプラットフォームと呼ばれる支持基板が用いられる。このシリコンプラットフォームには、光ファイバを受け入れるＶ字状のエッチング溝が形成され、レーザチップを受ける半田パッドが形成される。これらエッチング溝および半田パッドは、フォトリソエッチング技術を用いて形成されることから、試験光等を用いたいわゆるアクティブアライメント法を適用することなく、前記支持基板上で、例えば１μｍ〜６μｍのビームスポット径のビームを取り扱う両光学素子を、１〜２μｍの許容誤差内で高精度に位置決めることができる。
【０００３】
前記した支持基板上の光学素子にレンズ素子を結合する場合、このレンズ素子が形成された光学基板と前記支持基板との正確なアライメントが必要となる。
レンズ素子のうち、Computer Generated Hologram（以下、単に、ＣＧＨ素子と称する。）のようなレンズ素子は、半導体製造技術であるフォトリソ・エッチング技術を用いて光学基板にエッチング処理を施すことより、高精度で形成することができる。また、前記したエッチングに用いるマスクの組み合わせにより、微小なＣＧＨ素子に、光学レンズに見られるようなコリメート機能あるいは集光機能およびプリズムに見られるような偏向機能等の種々の光学特性を付与することができる。
このような微小なＣＧＨ素子を前記した支持基板上に位置決められた光学素子に組み合わせる場合、このＣＧＨ素子と支持基板上の光学素子との高精度での光学的結合を実現するために、ＣＧＨ素子が形成された光学基板と、前記支持基板とを高精度で位置決めする必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、前記したＣＧＨ素子のようなレンズ素子と、支持基板に位置決められかつ前記レンズ素子に光学的に結合される光学素子とを含む光学装置であって光学的結合が比較的容易かつ高精度で行い得る光学装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〈構成〉
本願発明は、一方の面にレンズ素子が形成された光学基板と、前記レンズ素子に光学的に結合される光学素子が設けられ、前記光学基板が実装される支持基板とを含む光学装置であって、前記光学基板は、その他方の面に、フォトリソエッチング技術により形成される凸部を備え、前記支持基板は、前記凸部を受け入れるべく適合しかつフォトリソエッチング技術により形成される凹部を備え、前記凸部および凹部の係合により、前記両基板の相対位置が規定されている光学装置において、前記支持基板は、前記レンズ素子に光学的に結合される前記光学素子が配置される面を有し、前記凹部は、前記光学素子が配置された前記面上で前記光学基板の前記凸部を受け入れるべく該光学基板の前記他方の面に向けて伸長しかつ前記支持基板の端面に至るエッチング溝からなることを特徴とする光学装置。
【０００６】
〈作用〉
本発明によれば、前記レンズ素子に結合される前記光学素子が設けられる前記支持基板と、前記レンズ素子が形成された前記光学基板とは、フォトリソエッチング技術を利用して形成される前記凸部と前記凹部との係合により、相互に位置決められる。このフォトリソエッチング技術によれば、相互に係合する前記凸部および凹部を高精度で形成することが可能となることから、パッシブアライメント法により、前記支持基板上の前記光学素子と、前記光学基板に形成されたレンズ素子とを、比較的容易かつ高精度で結合することが可能となる。
【０００７】
前記凸部および前記凹部は、それぞれ対をなして形成することが望ましい。
前記凸部は、前記光学基板の前記他方の面から該面に直角に立ち上がり、円形横断面形状を有する凸部とすることが望ましい。
前記支持基板に設けられる前記凹部は、前記レンズ素子に光学的に結合される前記光学素子が配置される面上で前記光学基板の前記凸部を受け入れるべく該光学基板の前記他方の面に向けて伸長しかつ前記支持基板の端面に至るエッチング溝で構成することができる。
【０００８】
また、前記支持基板は、前記光学素子の１つである光ファイバを収容するためのエッチング溝がフォトリソエッチング技術を用いて形成された面を有する結晶基板で構成することができる。この結晶基板からなる支持基板の前記凹部は、前記結晶基板の前記エッチング溝が形成された前記面に前記エッチング溝と平行に伸長しかつ前記支持基板の端面に至るエッチング溝で構成することができる。
【０００９】
また、前記光学基板は石英基板で構成することができる。前記レンズ素子は、前記石英基板の一方の面に形成される。前記凸部は、前記石英基板の他方の面に塗布された感光性樹脂材料層の露光マスクを用いた選択露光により硬化した部分を除く不要部分をエッチング処理により除去して形成することができる。
前記感光性樹脂材料層は、ＵＶ硬化型エポキシ樹脂材料で構成することができる。
【００１０】
また、前記光学基板はシリコン基板で構成することができる。前記レンズ素子は、前記シリコン基板の一方の面に形成される。前記凸部は、前記シリコン基板の他方の面に形成されるマスクを用いた選択エッチング処理により前記マスクから露出した不要部分を除去して形成することができる。
【００１１】
また、前記支持基板は、半導体結晶基板のような結晶基板で構成することができる。前記凹部は、マスクおよび異方性エッチングガスを用いた前記結晶基板への選択エッチング処理により形成されたＶ溝で構成することができる。
【００１２】
また、前記支持基板は、ポリマー基板と、該ポリマー基板上に塗布された感光性樹脂材料層とで構成することができる。前記樹脂材料層には、露光マスクを用いた選択露光により前記樹脂材料層の硬化した部分を除く不要部分をエッチング処理により除去して形成された凹溝が前記凸部を受け入れるための前記凹部として形成される。
【００１３】
前記光学基板に形成される前記レンズ素子として、光の回折現象を利用した回折光学素子であるＣＧＨ素子の他、バルクレンズあるいは非球面レンズ等、種々のレンズ素子を採用することができる。
【００１４】
また、前記支持基板には、前記した光ファイバの他、レーザダイオード或いはフォトダイオードのような発光器等、種々の光学素子を設けることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態について詳細に説明する。
〈具体例１〉
図１は、本発明に係る光学装置の具体例１を概略的に示す斜視図である。
本発明に係る光学装置１０は、レンズ素子が形成される光学基板１１と、該光学基板が組み付けられる支持基板１２とを備える。
【００１６】
光学基板１１は、石英からなる。石英１１は、例えば５００〜５０００μｍ、より好ましくは１０００〜３０００μｍの厚さ寸法を有する。石英すなわち光学基板１１の一方の面１１ａには、図示の例では、レンズ素子として、例えば５０〜１０００μｍ、より好ましくは１００〜８００μｍの直径を有するＣＧＨ素子１３が形成されている。また、光学基板１１の他方の面１１ｂには、一対の凸部１４が設けられている。
【００１７】
ＣＧＨ素子１３は、従来よく知られているように、所望の回折光学特性に応じたマスクパターンを計算機により求め、各マスクパターンを用いたフォトリソグラフィ法により、光学基板１１の一方の面１１ａにエッチング処理を施すことにより、形成される。これにより、例えば集光機能、コリメート機能あるいは偏向機能等、所望の１または複数の光学機能を有するＣＧＨ素子１３を形成することができる。このＣＧＨ素子１３のためのエッチング処理で、光学基板１１の一方の面１１ａに、ＣＧＨ素子１３との相対位置を特定するためのマーキング１５を形成することが望ましい。
【００１８】
前記したＣＧＨ素子１３は、従来よく知られているように、半導体製造工程で用いられるフォトリソエッチング技術により形成されることから、光学基板１１の面１１ａ上の所望箇所に１μｍ以下の許容誤差内で正確に形成することができる。
【００１９】
光学基板１１の他方の面１１ｂに設けられた凸部１４は、例えばＵＶ硬化型エポキシ樹脂のような感光膜を用いて形成されている。
すなわち、光学基板１１の他方の面１１ｂの全面に、ＵＶ硬化型エポキシ樹脂材料のような感光性樹脂材料をほぼ均一塗布し、これにより、例えば１０〜５００μｍ、より好ましくは５０〜２００μｍのほぼ均一な厚さ寸法を有する感光性樹脂材料層を形成する。この樹脂材料層は、図示しない露光マスクを用いて選択露光を受ける。この露光により、前記樹脂材料層の露光を受けた部分（１４）が硬化する。露光後、例えばウエットエッチング処理により、前記樹脂材料層の前記した硬化部分（１４）を除く不要部分が除去され、これにより、例えば１２５μｍの直径を有する円柱状の凸部１４が形成される。
【００２０】
前記した凸部１４の形成は、前記したように、露光マスクおよびエッチング処理を含むフォトリソエッチング技術を用いて形成され、しかも前記露光マスクは、ＣＧＨ素子１３の形成時に形成されたマーキング１５を用いて位置決めされることから、凸部１４は、ＣＧＨ素子１３に関して、１μｍ以下の高い精度で、位置決められ、形成される。
【００２１】
ＣＧＨ素子１３に光学的に結合される光学素子は、図１に示す例では、光ファイバ１６であり、該光ファイバを支持する支持基板１２は、例えば従来よく知られてたシリコン結晶基板からなる。
支持基板１２の上面１２ａには、ＣＧＨ素子１３に光学的に結合される光ファイバ１６を保持するためのＶ字溝１７が形成されている。Ｖ字溝１７は、従来よく知られているように、フォトリソエッチング技術を利用して形成することにより、面１２ａ上に高精度で形成することができる。特に、支持基板１２が前記した結晶基板から成るとき、エッチング処理として、結晶性を利用した異方性エッチング処理を行うことにより、特定の格子面により、一層正確なＶ字溝を形成することが可能となる。
【００２２】
支持基板１２の上面１２ａには、光ファイバ１６のためのＶ字溝１７に加えて、光学基板１１の対応する凸部１４を受けるための一対のエッチング溝１８が形成されている。一対のエッチング溝１８は、Ｖ字溝１７と平行に伸び、支持基板１２の両端面１２ｂおよび１２ｃに達する。
一対のエッチング溝１８は、Ｖ字溝１７の形成のためのフォトリソエッチング処理で、単一のレジストマスクを用いて形成することができ、これにより各エッチング溝１８は、Ｖ字溝１７に関して高精度で、位置決められ、形成される。
【００２３】
支持基板１２の一方の端面１２ｂに光学基板１１の他方の面１１ｂが当接するように、両基板１１および１２が組み立てられるとき、支持基板１２の一対のエッチング溝１８は、支持基板１２の端面１２ｂに開放する端部近傍で、対応する各凸部１４の下縁部を受け入れる。
【００２４】
前記した凸部１４と、エッチング溝１８からなる凹部１８との係合により、光学基板１１と支持基板１２との位置決めがなされ、必要に応じて光学基板１１と１２が固定的に結合される。
【００２５】
この両基板１１および１２の位置決めでは、凸部１４がＣＧＨ素子１３に関して高精度で形成され、また凹部１８が光ファイバ１６を受け入れるＶ字溝１７すなわち光ファイバ１６に関して高精度で形成されていることから、凸部１４および凹部１８との係合により、レンズ素子であるＣＧＨ素子１３と、これに光学的に結合される光学素子である光ファイバ１６との高精度での光軸合わせが実際の光を用いることなく可能となる。
【００２６】
このことから、従来のようなアクティブアライメント法を適用することなく、単に凸部１４および凹部１８を係合させることにより、図１に示すようなｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向の誤差が１μｍ以下の精度で、しかも光軸の傾きのずれが約０．１９度以下という実質的にずれを無視し得る角度の誤差範囲内で、ＣＧＨ素子１３と光ファイバ１６との光軸合わせであるアライメントを行うことができ、両素子１３および１６を適切に結合することが可能となる。
【００２７】
従って、本発明に係る光学装置１０によれば、アクティブアライメント法を適用することなく、迅速かつ容易な光軸合わせのためのアライメントが可能となる。
【００２８】
光学基板１１に設けられる凸部１４をその光学基板１１と異なる材料である前記したような感光性樹脂材料で形成することに代えて、前記凸部を光学基板材料自体でこれに一体に形成することができる。この光学基板１１から成る凸部は、光学基板１１の他方の面１１ｂにフォトリソエッチング技術を施すことにより、光学基板１１の面１１ｂの凸部となるべき部分を除く不要部分を除去することにより、形成することができる。
しかしながら、前記したとおり、光学基板１１が石英から成る場合、該石英の適正なエッチング処理が容易ではないことから、前記したような感光性樹脂材料層のフォトリソエッチング技術により、凸部１４を形成することが好ましい。
【００２９】
また、光学基板１１は、シリコン基板で構成することができる。シリコン基板は、石英基板に比較して、例えば塩素系あるいはフッ素系のエッチングガスを用いるエッチング処理により、高精度での加工が容易である。このことから、高精度の凸部１４を光学基板１１と一体に形成する上で、光学基板１１にシリコン基板を用いることが有利である。
【００３０】
〈具体例２〉
図１の具体例１は、レンズ素子１３に結合される光学素子が光ファイバ１６の例を示した。図２の具体例２は、この光学素子がレーザダイオード１９の例を示す。
レーザダイオード１９は、従来よく知られた半導体チップの形態で形成されており、図示しない半田パッドを介してその発光面１９ａを光学基板１１のレンズ素子１３ｂに向けるべく、支持基板１２の前記一方の端面１２ｂに沿わせてその上面１２ａ上に固定されている。
【００３１】
レーザダイオード１９のための前記した半田パッドは、従来よく知られているように、半導体製造技術を利用して支持基板１２の面１２ａ上に、高精度で形成することができる。また、光学基板１１の凸部１４を受けるＶ字溝１８は、前記半田パッドにおけると同様に、フォトリソエッチング技術を利用して形成することにより、面１２ａ上に高精度で形成することができる。
【００３２】
従って、具体例２の光学装置１０によれば、具体例１におけると同様に、単に凸部１４および凹部１８を係合させることにより、ＣＧＨ素子１３とレーザダイオード１９との光軸合わせであるアライメントを行うことができ、両素子１３および１９を適切に結合することが可能となる。
【００３３】
具体例２では、レーザダイオードの例を示したが、これに代えて、例えばフォトダイオードのような種々の発光器、フォトトランジスタのような受光器あるいはその他の光学素子を支持基板１２上に配置することができる。
【００３４】
〈具体例３〉
図３に示す具体例３では、支持基板１２に保持される光ファイバ１６を収容するためのＶ字溝１７が、光学基板１１の一対の凸部１４の一方を受ける凹部として、併用されている。また、両凸部１４は、頂角を下方に向けて形成された三角形の横断面形状を有する。
【００３５】
図３に示す例では、光学基板１１のレンズ素子１３が形成された面１１ａと反対側の面１１ｂの上半部には、前記したと同様なＵＶ硬化型エポキシ樹脂層２０が形成されている。前記エポキシ樹脂層２０は、透光性を示すことから、このエポキシ樹脂層２０により、レンズ素子１３への光の透過が阻止されることはない。
【００３６】
エポキシ樹脂層２０の下縁には、該樹脂層と一体に凸部１４が形成されている。
一方の凸部１４は、支持基板１２の上面１２ａに形成されたエッチング溝１８に適合すべく、該溝の断面形状に対応する三角の横断面形状を有し、他方の凸部１４は、光ファイバ１６の端面を支持基板１２の一方の端面１２ｂから間隔をおいて受け入れるＶ字溝１７の端部に適合すべく、その溝１７の断面形状に対応する三角の横断面形状を有する。
【００３７】
前記した一対の凸部１４を含むエポキシ樹脂層２０は、具体例１に沿って説明したと同様に、光学基板１１の他方の面１１ｂの全面に、ＵＶ硬化型エポキシ樹脂材料をほぼ均一塗布した後、該エポキシ樹脂材料に図示しない露光マスクを用いて選択露光を施し、この選択露光により硬化した部分（１４および２０）を除く不要部分を除去することにより、形成することができる。
【００３８】
前記したとおり、具体例３の凸部１４は、フォトリソエッチング技術を用いて形成されることから、レンズ素子１３に関して、高精度で形成することができる。従って、両凸部１４と、対応する凹部１７および１８との係合により、具体例１および２に示したと同様に、レンズ素子１３と光ファイバ１６との高精度でのアライメントが容易に行える。
【００３９】
エポキシ樹脂層２０の下縁に設けられる凸部１４の断面形状は、前記した三角形状に代えて、半円横断面形状の他、凹部１７および１８に受け入れられる種々の断面形状を採用することができる。
【００４０】
〈具体例４〉
図４に示す具体例４では、支持基板１２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のようなポリマーから成る基板層２１と、該基板層上に形成された例えばＵＶ硬化型エポキシ樹脂層２２とから成る。
【００４１】
ＵＶ硬化型エポキシ樹脂層２２は、基板層２１の上面２１ａ上で、支持基板１２の幅方向へ相互に間隔をおいて該支持基板の一端１２ｂから他方の端面１２ｂへ向けて伸長する帯状部分２２ａからなり、各帯状部分２２ａ間で、光ファイバ１６を受ける凹部１７、対応する凸部１４を受けるそれぞれの凹部１８が規定されている。
【００４２】
前記ＵＶ硬化型エポキシ樹脂層２２の各帯状部分２２ａは、基板層２１の上面２１ａの全面に、ＵＶ硬化型エポキシ樹脂材料をほぼ均一塗布した後、該エポキシ樹脂材料に図示しない露光マスクを用いて選択露光を施し、この選択露光により硬化した部分（２２ａ）を除く不要部分をエッチング処理で除去することにより、形成することができる。
【００４３】
図４に示す例では、各凹部１７および１８は、基板層２１の上面２１ａにより規定される底部１７ａ、１８ａと、該底部の両側縁から直角に立ち上がる一対の側壁部１７ｂ、１８ｂとで規定される全体にＵ字状のエッチング溝が示されている。Ｕ字溝１７の幅寸法は、該溝に受け入れられる凸部１４の下縁部を受け入れるに必要な幅寸法であれば、凸部１４の直径よりも小さな値に設定することができ、同様に、Ｕ字溝１８の幅寸法は、これに受け入れられる光ファイバ１６の外径（直径）よりも小さな値に設定することができる。
【００４４】
また、各Ｕ字溝１７および１８の断面形状は、Ｖ字形状等、適宜選択することができる。また、基板層２１は、ポリマーに代えて、種々の材料を適用することができる。
【００４５】
前記したところでは、光学基板１１に単一のＣＧＨ素子が設けられた例について説明したが、このＣＧＨ素子に代えて、バルクレンズあるいは非球面レンズ等の必要数のレンズ素子を光学基板１１に形成することができ、またこの複数のレンズ素子に対応して支持基板１２に複数の光学素子を配置することができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、前記したように、ＣＧＨ素子のようなレンズ素子が形成された光学基板と、前記レンズ素子に光学的に結合される光学素子が高精度で位置決められる支持基板とは、フォトリソエッチング技術を用いてそれぞれに高精度に形成された凸部および凹部の係合により、高精度で相互の位置決めがなされることから、前記レンズ素子と該レンズ素子に光学的に結合される前記光学素子とを比較的容易かつ高精度で結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学装置の具体例１を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る光学装置の具体例２を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る光学装置の具体例３を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る光学装置の具体例４を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０  光学装置
１１  光学基板
１２  支持基板
１３  レンズ素子（ＣＧＨ素子）
１４  凸部
１６、１９  光学素子
１７、１８  凹部（エッチング溝）
２１  基板層（ポリマー基板）
２２  ＵＶ硬化型エポキシ樹脂層
【図１】
0004182631.tif 000002
【図２】
0004182631.tif 000003
【図３】
0004182631.tif 000004
【図４】
0004182631.tif 000005