JP2003149470A - 光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光ファイバのコア端面または光ファイババン
ドルの各コア端面に、位置合わせ精度良く、かつ低コス
トでマイクロレンズを形成する方法を提供する。 【解決手段】 コア１２とコア１２の周囲に形成された
クラッド１３とから成る光ファイバ１０の一端面１１ａ
に、フォトレジスト１４を塗布し、光ファィバ１０の他
端面１１ｂに光１５を入射させて、一端面１１ａに塗布
されたフォトレジスト１４を露光・現像し、一端面１１
ａ上のフォトレジスト１４のクラッドの領域からフォト
レジストを除去し、光ファイバ１０のコア１２の領域に
残留したフォトレジスト１６を加熱溶融させて凸レンズ
状に形成して、マイクロレンズ１６を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバのコア
端面または光ファイババンドルの各コア端面にマイクロ
レンズを形成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバ通信の需要が増大して
いるが、なお、光ファイバ通信はメタリック通信に比べ
てコストが高いと言った課題があり、普及を妨げてい
る。光ファイバ通信に用いられる情報伝送用の光ファイ
バは、伝送損失等の特性を考慮して、石英ガラスからな
るコア径５μｍ前後の単一モード光ファイバが主流であ
る。このように光ファイバ通信用の光ファイバが微細で
あるために、光ファイバ通信用の光ファイバにコア径の
異なる光ファイバを低損失で、かつ低コストで接続でき
ると言った柔軟性がないことも普及を妨げる一つの理由
である。例えば、単一モード光ファイバのようなコア径
の小さな光ファイバからの出力光をコア径の大きな光フ
ァイバに結合しようとすれば、コア径の違いに基づいて
スポットサイズが異なり、低損失で結合することができ
ない。このような場合、従来は、単一モード光ファイバ
の端部を加熱延伸して、コアの形状をｄｏｗｎテーパや
ｕｐテーパに加工したり、光ファイバの端部を加熱して
屈折率制御用ドーパントを拡散させて屈折率分布を拡げ
たりしてスポットサイズの整合を行って結合損失の低下
を改善している。しかしながら、これらの方法は、ファ
イバ端面同士を接触して、または非常に近接して結合す
る場合には有効であるが、端面同士を離して結合しなけ
ればならない場合には、光ビームの広がりが押さえられ
ないので効果が小さい。光ファイバの端面同士を離して
結合する場合とは、コネクター等を介して脱着可能に接
続しなければならない場合等である。光ファイバの端面
同士を離して結合する場合には、光ファイバ出射端面に
凸型のマイクロレンズを配置してビーム放射角を小さく
することが、低損失な光結合損失を実現する上で有効で
ある。

【０００３】また近年、光ファイバ先端近傍にカンチレ
バーやダイヤフラムなどの微小構造体を配置した光ファ
イバセンサーが各種の分野で使用されるようになってき
た。これらの光ファイバセンサーを高感度なセンサーと
するためには、光ファイバからの出力光及び光ファイバ
への入力光を集光することが有効であり、このため、光
ファイバ端面にマイクロレンズを設けることが必要不可
欠である。このように、光ファイバのコア径と同じ径を
有するマイクロレンズの製造方法、及びマイクロレンズ
を光ファイバのコアに精度良く配設する技術は、今後の
光通信分野、光ファイバセンサーの分野等の技術開発に
おいて必要不可欠な技術である。

【０００４】従来の、光ファイバの端面に凸状のマイク
ロレンズを形成する方法としては、例えば以下に挙げる
方法が知られている。第一の方法は、光ファイバのコア
端面を機械的に球面状に研磨して、コア端部をレンズ状
に形成する方法である。また、第二の方法は、光ファイ
バのコア端面に、球面状のレンズ部品、例えばマイクロ
ガラスビーズを接着する方法である。さらに、第三の方
法は、光ファイバの端面に、フォトレジストを塗布し
て、フォトマスクにより、コア端面の領域を露光して、
コア端面の領域のみにフォトレジスト膜を形成した後、
光ファイバのコア端面をエッチングすることにより、コ
ア端部をレンズ状に形成する方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記第一及び第二の方
法は、マイクロレンズの屈折率をコアの屈折率と同じに
できるから光学特性に優れているが、光ファイバを一本
づつ機械的に研磨、または光ファイバ一本ずつにマクロ
レンズを接着する必要があり、加工コストが高くなって
しまうと共に、機械研磨の軸ずれ、あるいはマイクロレ
ンズの接着位置のずれにより、焦点距離、光軸といった
マイクロレンズ特性にバラツキが生ずることが多い。ま
た、第二の方法は、マイクロガラスビーズを固定する接
着剤や部品が必要となり、部品コスト及び組立コストが
高くなってしまう。また、第三の方法は、マイクロレン
ズの屈折率がコアと同じであり、光学特性に優れている
が、フォトマスクを光ファイバのコア端面に正確に位置
合わせする必要があるために光ファイバを一本づつ処理
する必要があり、生産効率が低く、コストが高くなって
しまう。

【０００６】本発明は上記課題に鑑み、光ファイバのコ
ア端面、または光ファイババンドルの各コア端面に、位
置合わせ精度良く、かつ低コストでマイクロレンズを形
成する方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項１に記載の光ファイバ端面のマイクロレンズの
形成方法は、コアとコアの周囲に形成されたクラッドと
から成る光ファイバの一端面にフォトレジストを塗布す
るレジスト塗布工程と、光ファィバの他端面に光を入射
させて、一端面に塗布されたフォトレジストを露光する
レジスト露光工程と、一端面のクラッドの領域から未感
光のフォトレジストを除去するレジスト現像工程と、光
ファイバのコアの領域に残留したフォトレジストを加熱
溶融させて凸レンズ状に形成する加熱溶融工程と、から
なることを特徴とする。前記第一の工程におけるフォト
レジストの塗布は、好ましくは、フォトレジスト中に光
ファイバの一端面を浸積して塗布するディップコートま
たはレジストを霧状にして噴霧するスプレーコートであ
る。この構成によれば、光ファイバの一端面に塗布され
たフォトレジストを、光ファイバの他端面から光を入射
させることにより露光させるので、光ファイバのコアに
対応する領域のフォトレジストのみを正確に露光させる
ことができる。従って、従来のフォトマスクを使用する
場合と比較して、フォトマスクをコアに正確に位置決め
する必要がない。また、フォトレジストの未感光部分を
除去した後、光ファイバの一端面のコア上に残留したフ
ォトレジストを加熱することにより、この残留したフォ
トレジストが溶融し、表面張力によって表面が球面状の
凸面に変形し、その後硬化する。従って、光ファイバの
コア上に、位置ずれを生ずることなく、球面状のマイク
ロレンズが形成される。このようにして、本発明によれ
ば、光ファイバの一端面にコア端面に正確に対応して、
球面状のマイクロレンズが形成されるので、マイクロレ
ンズの位置ずれが生じず、歩留りが良好となり、生産性
が向上する。さらに、複数の光ファイバを束ねて、一括
してレジストコート、露光、現像及び溶融加熱すること
が可能となるなので、複数の光ファイバの端面の各コア
に一括してマイクロレンズを形成することができ、より
一層生産性が向上する。

【０００８】請求項２に記載の光ファイバ端面のマイク
ロレンズの形成方法は、コアとコアの周囲に形成された
クラッドとから成る光ファイバの一端面にフォトレジス
トを塗布するレジスト塗布工程と、光ファィバの他端面
に光を入射させて、一端面に塗布されたフォトレジスト
を露光させるレジスト露光工程と、一端面のクラッドの
領域から未感光のフォトレジストを除去するレジスト現
像工程と、光ファイバのコアの領域に残留したフォトレ
ジストを加熱溶融させて凸レンズ状に形成する加熱溶融
工程と、凸レンズ状に形成したフォトレジストをエッチ
ング・マスクとして光ファイバの端部をエッチングして
コアを凸レンズ状に形成するエッチング工程とからなる
ことを特徴とする。上記エッチング工程におけるエッチ
ングはドライエッチングであり、好ましくは高速原子線
エッチングである。本発明によれば、請求項１に記載の
光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法で形成され
たフォトレジストからなる球面状のマイクロレンズをエ
ッチングマスクとして、光ファイバ端面に垂直な方向か
ら粒子線を照射して行うドライエッチング、好ましくは
高速原子線でエッチングするから、光ファイバ端部のコ
ア部分が球面状のマイクロレンズに加工される。従っ
て、光ファイバの一端面にコア端面に正確に対応して、
球面状のマイクロレンズが形成されるので、マイクロレ
ンズの位置ずれが生じず、歩留まりが良好となり、生産
性が向上すると共に、マイクロレンズが光ファイバの各
コアと一体物で形成されるので、コアとマイクロレンズ
との界面における光の屈折，反射が無く、極めて光学的
に高品質な、また、機械的強度が高いマイクロレンズが
形成できる。

【０００９】請求項１及び２に記載の方法において、フ
ォトレジストと同等の屈折率を有する屈折率マッチング
媒体を、一端面に塗布または浸積したフォトレジスト上
に配置して、露光するようにすれば好ましい。この構成
によれば、マッチング媒体が無い場合に生ずる、フォト
レジストと空気の屈折率界面による反射光が無くなるの
で、反射光によるコア領域をはみ出した露光が無くな
り、正確にコア部分のみにマイクロレンズを形成でき
る。また、マッチング媒体と空気の屈折率界面による反
射光は、マッチング媒体の厚みを十分な厚みに形成する
ので、光ファイバ端面上では強度が弱く、フォトレジス
トが感光するまでには至らない。

【００１０】また、請求項１及び２に記載の方法におい
て、光ファイバは、好ましくは、複数のコアを有する光
ファイババンドルである。この構成によれば、微妙にコ
ア間の間隔が異なる光ファイババンドルであっても一括
してマイクロレンズを正確に形成することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
の形態を詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材に
は同一の符号を付して説明する。図１は、本発明の光フ
ァイバ端面のマイクロレンズの形成方法の第一の実施形
態の工程を示す図である。図１（Ａ）は光ファイバ１０
の軸に沿った断面を示す模式図であり、図に示すよう
に、光ファイバ１０の軸に垂直に端面１１ａと１１ｂを
形成する。光ファイバ１０は、コア１２とコア１２を包
囲するクラッド１３とから構成されている。なお、図に
おいては図示の都合上、光ファイバを短く表示している
が、用途に応じ、短い場合も長い場合もある。

【００１２】図１（Ｂ）に示すように、光ファイバ１０
の一端面１１ａ全体に、フォトレジスト１４を塗布す
る。ここで、フォトレジスト１４は、例えばネガティブ
型のものが使用され、例えばディップコートにより塗布
される。

【００１３】次に、図１（Ｃ）に示すように、光ファイ
バ１０の他端面１１ｂから、レジストを感光させる波長
の光１５、例えば紫外光１５を入射させる。これによ
り、光１５が他端面１１ａのフォトレジスト１４に導か
れ、コア１１に対応する領域１６が感光する。

【００１４】ここで、露光装置は、例えば図２に示すよ
うな装置によって行う。図２は本発明に用いる露光装置
の一例を示す図である。図２（Ａ）において、光源３０
は、３６５ｎｍの波長の光１５（図１（Ｃ）参照）を出
射する水銀ランプであり、光源３０からの光をコネクタ
３１を介して光ファイバ１０の他端面１１ｂに入射さ
せ、光ファイバ１０のコアに閉じ込めて光ファイバ中を
伝搬させ、端面１１ａのレジスト１４をコア形状に露光
させる。図２（Ｂ）は光ファイバが光ファイババンドル
である場合を示しており、図２（Ａ）に示した装置にお
いて、光ファイババンドルに適合したコネクタを使用し
て図２（Ａ）と同様に、光源３０からの光をコネクタ３
１を介して光ファイババンドルの他端面１１ｂに入射さ
せ、光ファイババンドルの各コア１２に閉じ込めて光フ
ァイババンドル１０中を伝搬させ、端面１１ａのレジス
ト１４を各コア形状に露光させる。

【００１５】次に、図１（Ｄ）に示すように、フォトレ
ジスト現像液を用いてフォトレジスト１４のうちコア１
１ａに対応する領域１６を除いた未感光部分を除去す
る。

【００１６】次に、図１（Ｅ）に示すように、光ファイ
バ１０の一端面１１ａのコア１２の端面の領域に残留し
たフォトレジスト１６に対して加熱を行なう。これによ
り、フォトレジスト１６は溶融し、表面張力により表面
が球面状の凸面として形成された後、冷却により硬化す
る。これによりマイクロレンズ１６が形成される。

【００１７】このようにして形成されるマイクロレンズ
は、光ファイバのコアの屈折率に近い屈折率を有するフ
ォトレジストを選択することによって、コアとマイクロ
レンズ界面の光反射率をほとんど０にすることができ
る。図３は本発明のマイクロレンズの光透過率を示す図
である。図は、本発明に用いたフォトレジストを石英ガ
ラス上に塗布して測定した光透過率を示している。図に
おいて縦軸は光透過率を示し、横軸は光波長を示してい
る。図から明らかなように、ほぼ１００％の透過率を実
現できることがわかる。このように本発明を用いれば、
光学的に高品質のマイクロレンズが形成できると共に、
位置合わせ工程無しに、光ファイバの一端面にコア端面
に正確に対応して、すなわちマイクロレンズの位置ずれ
等が生じずに、球面状のマイクロレンズが形成できるの
で、歩留まりが良好となり、生産性が向上する。さら
に、複数の光ファイバを束ねて、一括してレジストコー
ト、露光、現像及び溶融加熱することが可能なので、複
数の光ファイバの端面の各コアに一括してマイクロレン
ズを形成することができ、より一層生産性が向上する。

【００１８】次に、本発明の第２の実施形態を説明す
る。第２の実施形態によるマイクロレンズの形成方法
は、上記第１の実施形態で形成したフォトレジストから
なるマイクロレンズ１６をエッチング・マスクとして光
ファイバ端面をエッチングし、コア１２をマイクロレン
ズ状に加工して形成する方法である。すなわち、図１
（Ｅ）に示した状態の半球形のフォトレジストをマスク
として光ファイバをエッチングして形成する。光ファイ
バ端面１１ａに垂直方向からエッチング粒子を照射して
ドライエッチングを行う。図１（Ｆ）に示すように、ク
ラッド端面１３ａはエッチング開始と同時にエッチング
されていき、コア端面１２ａはコア１２上のレジスト１
６がエッチングされて無くなってからエッチングが開始
されるので、クラッド端面１３ａは光ファイバ１０の軸
に垂直な平面で形成され、コア端面１２ａは球面状に形
成される。このようにしてコアと一体物のマイクロレン
ズが形成できる。なお、図１（Ｆ）の鎖線はエッチング
前の光ファイバ端面の位置、及びレジスト表面の位置を
示している。ドライエッチングに、高速原子線（ＦＡＢ
〜Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｅａｍ）エッチング方法を用
いれば、最適な原子種を選択することによって極めて面
精度の高いマイクロレンズを形成できる。上記説明では
ドライエッチングによる方法を説明したが、エッチャン
トを工夫することで、ウェットエッチングでも形成でき
る。

【００１９】このように、本発明の第２の実施形態によ
ってマイクロレンズを形成すれば、コアと一体物のマイ
クロレンズを形成できるから、光学特性、及び機械的強
度に優れたマイクロレンズが形成できると共に、位置合
わせ工程無しに、光ファイバの一端面にコア端面に正確
に対応して、すなわちマイクロレンズの位置ずれ等が生
じずに、球面状のマイクロレンズが形成できるので、歩
留りが良好となり、生産性が向上する。

【００２０】次に、本発明の第３の実施の形態を説明す
る。本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態、
及び第２の実施の形態において、フォトレジスト上にさ
らに、フォトレジストと同等の屈折率を有する屈折率マ
ッチング媒体を配置してから露光するものである。図４
は、マッチング媒体を配置した場合と配置しない場合の
効果の違いを模式的に示す図である。図４（Ａ）に示す
ように、マッチング媒体を配置しない場合には、フォト
レジスト１４と空気との界面４０において屈折率の不連
続に基づいて反射光４１が発生し、光ファイバ端面１１
ａに戻ってくるため、コア端面１２ａをはみ出してクラ
ッド部分のレジストも露光してしまう。このため、マイ
クロレンズの形状が大きくなり、集光能力が小さくな
る。図４（Ｂ）はマッチング媒体４２を配置した場合を
示しており、反射光４１は、マッチング媒体４２と空気
の界面４３で生じるから、マッチング媒体４２の厚みを
十分な厚みにすれば、光ファイバ端面１１ａにおける反
射光４１の強度はフォトレジスト１４を感光させない程
度に小さくできる。このようにして、コア端面１２ａの
みにマイクロレンズを形成することができるので、集光
能力の高いマイクロレンズを形成することができる。

【００２１】次に、本発明の実施例を示す。図５は、本
発明の方法により形成したコア部にフォトレジストから
なるマイクロレンズを形成して走査型電子顕微鏡で撮影
した写真である。図から明らかなように、極めて面精度
が優れていることがわかる。焦点距離１１μｍ、開口数
（ＮＡ）０．３３に設計した。図６は、本発明の方法に
より複数の光ファイバを束ねて一括して形成した、フォ
トレジストからなるマイクロレンズの走査型電子顕微鏡
写真である。図から明らかなように、複数の光ファイバ
にマイクロレンズを一括して形成できることがわかる。
図６は、本発明の方法により形成したコアと一体物のマ
イクロレンズの走査型電子顕微鏡写真である。図から明
らかなように、この方法によっても、極めて面精度が優
れたコアと一体物のマイクロレンズを形成できることが
わかる。

【００２２】

【発明の効果】上記説明から理解されるように、本発明
によれば、光ファイバのコア端面、または光ファイババ
ンドルの各コア端面に、位置合わせ精度良く、かつ低コ
ストでマイクロレンズを形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバ端面のマイクロレンズの形
成方法の第一の実施形態の工程を示す図である。

【図２】本発明に用いる露光装置の一例を示す図であ
る。

【図３】本発明のマイクロレンズの光透過率を示すグラ
フである。

【図４】マッチング媒体を配置した場合と配置しない場
合の効果の違いを模式的に示す図である。

【図５】本発明の方法により形成したコア部に形成した
フォトレジストからなるマイクロレンズの走査型電子顕
微鏡写真である。

【図６】本発明の方法により複数の光ファイバを束ねて
一括して形成した、フォトレジストからなるマイクロレ
ンズの走査型電子顕微鏡写真である。

【図７】本発明の方法により形成したコアと一体物のマ
イクロレンズの走査型電子顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１０ 光ファイバ １１ａ 光ファイバの一端面 １１ｂ 光ファイバの他端面 １２ コア １２ａ コア端面 １３ クラッド １３ａ クラッド端面 １４ レジスト １５ 光 １６ レジスト １７ マイクロレンズ ３０ 光源 ３１ 光ファイバコネクタ ４０ レジスト・空気界面 ４１ 反射光 ４２ 屈折率マッチング媒体 ４３ マッチング媒体・空気界面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ファン ミン ゴ 宮城県仙台市青葉区国見一丁目２−５− 102 Ｆターム(参考） 2H046 AA48 AZ03 2H050 AC03 AC69 AC87

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コアと該コアの周囲に形成されたクラッ
   ドとから成る光ファイバの一端面にフォトレジストを塗
   布するレジスト塗布工程と、 上記光ファィバの他端面に光を入射させて上記一端面に
   塗布されたフォトレジストを露光するレジスト露光工程
   と、 上記一端面のクラッドの領域から未感光のフォトレジス
   トを除去するレジスト現像工程と、 上記光ファイバのコアの領域に残留したフォトレジスト
   を加熱溶融させて凸レンズ状に形成する加熱溶融工程
   と、からなることを特徴とする、光ファイバ端面のマイ
   クロレンズの形成方法。
2. 【請求項２】 コアと該コアの周囲に形成されたクラッ
   ドとから成る光ファイバの一端面にフォトレジストを塗
   布するレジスト塗布工程と、 上記光ファィバの他端面に光を入射させて上記一端面に
   塗布されたフォトレジストを露光させるレジスト露光工
   程と、 上記一端面のクラッドの領域から未感光のフォトレジス
   トを除去するレジスト現像工程と、 上記光ファイバのコアの領域に残留したフォトレジスト
   を加熱溶融させて凸レンズ状に形成する加熱溶融工程
   と、 上記凸レンズ状に形成したフォトレジストをエッチング
   ・マスクとして上記光ファイバの端部をエッチングして
   上記コアを凸レンズ状に形成するエッチング工程と、か
   らなることを特徴とする、光ファイバ端面のマイクロレ
   ンズの形成方法。
3. 【請求項３】 前記レジスト塗布工程におけるフォトレ
   ジストの塗布が、ディップコートまたはスプレーコート
   であることを特徴とする、請求項１または２に記載の光
   ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法。
4. 【請求項４】 前記エッチング工程におけるエッチング
   が、ドライエッチングであることを特徴とする、請求項
   ２に記載の光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方
   法。
5. 【請求項５】 前記ドライエッチングが、高速原子線エ
   ッチングであることを特徴とする、請求項４に記載の光
   ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法。
6. 【請求項６】 前記レジスト露光工程において、前記フ
   ォトレジストと同等の屈折率を有するマッチング媒体
   を、前記一端面に塗布したフォトレジスト上に配置して
   露光することを特徴とする、請求項１または２に記載の
   光ファイバ端面のマイクロレンズの形成方法。
7. 【請求項７】 前記光ファイバが、複数のコアを有する
   光ファイババンドルであることを特徴とする、請求項１
   または２に記載の光ファイバ端面のマイクロレンズの形
   成方法。