JP4026431B2

JP4026431B2 - 光ファイバ支持体の作製方法

Info

Publication number: JP4026431B2
Application number: JP2002201028A
Authority: JP
Inventors: 広典鳩野; 正勝清原; 勝彦森; 博志堀
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: JP2004045597A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバの先端を固定する光ファイバ支持体、ひいては光スイッチに用いられる複数の光ファイバを支持した光ファイバアレイに用いられる光ファイバ支持体の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバアレイは光スイッチなどに使用される、複数の光ファイバを寸法精度良く集積させた支持体の一種である。これらは従来から例えば特開２００１−１７４６６４にあるように、セラミックスなどからなるブロックに複数（Ｎ）のＶ溝を形成し、この溝に光ファイバを設置して固定し、一列に並べる方法が提案されている。またこの光ファイバを固定したブロックを複数（Ｍ）積み重ねてＮ×Ｍの光ファイバを行列させたアレイとして用いられる。この方法では、Ｖ溝を精度良く研削加工することができ、また光ファイバの装填もＶ溝に乗せることのみで精度よく設置できる特徴がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の光ファイバアレイにおいては、ブロックを複数段重ねてアレイとする場合には、部品点数が多くなること、またこれらを積層すると光ファイバの位置決め精度を確保することが困難になるなどの問題があった。例えば外径１２５μｍの光ファイバの端面を揃える場合の、これらの間隔の許容誤差は数μｍ内が要求される。また形状そのものの制約としては、研削をするためにはブロックの厚みをある程度確保せざるを得ず、複数のファイバを密に集積させることが困難であり、そのためアレイ自体が大きくなり、これが寸法精度を確保させるための問題ともなる。
【０００４】
一方、これらの問題を解決するために、例えばシリコンなどの基板にエッチングで外径がほぼ１２５μｍの貫通穴を複数基板厚み方向に形成し、この貫通穴に光ファイバを挿入してアレイとする方法が考案されている。しかしながら単に貫通穴を設けたのみでは、ほぼ同径の穴に光ファイバを挿入することは実際的には難しく、ファイバが基板表面に接触して折れてしまうなどの不具合が頻発する。そのため穴の開口部の部分を拡げてガイドを作製し、光ファイバを差し込み易くすることが考えられるが、エッチングではこのような形状を簡単には得ることは難しく、また機械加工を行う場合はシリコンの脆性材料としてのもろさ故、開口部にエッヂが発生し、光ファイバの組み立て時の折れ、組み立て後の断線の不具合が起こる。また、ガイド穴が形成された部材を接着などにより基板表面に貼り付けることも考えられるが、貫通穴とガイド穴とを精度良く接着することは困難であって実用性が無い。
【０００５】
本発明は以上の点を鑑み、特にシリコン基板に貫通穴を設けた光ファイバ支持体（貫通穴が複数の場合は光ファイバアレイ）について、光ファイバをこの貫通穴に挿入しやすいように微細なガイドを作製した支持体の作製方法を提案するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、光ファイバを挿入する貫通穴が設けられた基板上に、前記貫通穴に対応した光ファイバガイド穴が形成された脆性材料の構造物が直接接合している光ファイバ支持体の作製方法であって、前記光ファイバガイド穴は、前記基板と前記脆性材料の構造物の接合面から前記脆性材料の構造物の表面に向かって径が広がるほぼ円錐台状の空間であることを特徴とする光ファイバ支持体の作製方法を提供する。
【０００７】
上記したように、エッチングや機械加工で基板そのものに手を加えて光ファイバガイド穴を形成させることは特にシリコン基板などを用いる場合は不具合が生じる。そこで例えば厚さ数十μｍの構造物を基板表面に直接接合して形成させることにより、これを解決する。光ファイバを貫通穴に挿入する場合は、まずこの光ファイバガイド穴を通り、たとえ貫通穴と光ファイバの軸が多少ずれていた場合でもガイドにより位置を修正されつつファイバが折れることなく貫通穴へを導かれるため好適である。
【０００８】
また本発明では前記脆性材料の構造物が多結晶であり、前記構造物を構成する結晶は実質的に結晶配向性がなく、また前記結晶同士の界面にはガラス層からなる粒界層が実質的に存在せず、さらに前記構造物の一部は前記基板表面に食い込むアンカー部となっていることを特徴とする光ファイバ支持体の作製方法を提供する。
【０００９】
この構造は、後述するエアロゾルデポジション法で作製される構造物の特徴である。光ファイバガイドはシリコン基板や光ファイバと同程度以上の硬さを持つことが好適であり、そのためセラミックス材料やシリコンで形成されるとよい。アンカー部を保有することは、基板との密着性を良好にできるため好適である。
【００１０】
なお、本明細書では上記多結晶等については以下のように定義する。
（多結晶）
本件では結晶子が接合・集積してなる構造体を指す。結晶子は実質的にそれひとつで結晶を構成しその径は通常５ｎｍ以上である。ただし、微粒子が破砕されずに脆性材料構造物中に取り込まれるなどの場合がまれに生じるが、実質的には多結晶である。
（結晶配向性）
多結晶である構造物中での結晶軸の配向具合を指し、配向性があるかないかは、一般には実質的に配向性のないと考えられる原料粉微粒子を測定したデータあるいは粉末Ｘ線回折などによって標準データとされたJCPDS（ASTM）データ、を指標として判断する。
構造物中の脆性材料結晶を構成する物質を挙げたこの指標における主要な回折３ピークのピーク強度を１００％として、構造物の同物質測定データ中、最も主要なピークのピーク強度をこれに揃えた場合に、他の２ピークのピーク強度が指標の値と比較して３０％以内にそのずれが収まっている状態を、本件では実質的に配向性がないと称する。
（界面）
本件では結晶子同士の境界を構成する領域を指す。
（粒界層）
界面あるいは焼結体でいう粒界に位置するある厚み（通常数ｎｍ〜数μｍ）を持つ層で、通常結晶粒内の結晶構造とは異なるアモルファス構造をとり、また場合によっては不純物の偏析を伴う。
（アンカー部）
基材と脆性材料構造物の界面に形成された凹凸を指し、特に、予め基材に凹凸を形成させるのではなく、脆性材料構造物形成時に、元の基材の表面精度を変化させて形成される凹凸のことを指す。
【００１１】
この構造の光ファイバ支持体を作製する手段として、本発明においては、貫通穴が設けられた基板表面の貫通穴を含む所定領域に向けて、前記貫通穴を通過するように脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを吹き付け、前記基板表面のみに前記脆性材料微粒子あるいはこれが破砕した断片を接合して堆積させた脆性材料構造物を作成することにより、この脆性材料構造物には、前記基板との接合面からこの脆性材料の構造物の表面に向かって径が広がるほぼ円錐台状の空間が前記貫通穴に対応して形成されることを特徴とする光ファイバ支持体の作製方法を提供する。
【００１２】
セラミックスなどの脆性材料の厚膜を基板上に形成させる新しい技術としてエアロゾルデポジション法なる方法が、特許第３２６５４８１号、国際出願特許ＷＯ０１／２７３４８Ａ１に開示されている。この方法は、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを基板に向けて吹き付け、その衝突エネルギーにより微粒子を破砕・変形させることにより、粒子あるいは破砕断片同士を接合させて、基板上に構造物を形成させる方法で、焼成させることなく焼成体と同等程度の強度を持つ構造物を形成できる手法である。
この手法を用いることにより、基板上に、アンカー部により密着性を良好に確保しつつ、数十μｍの厚みの脆性材料構造物を形成させることが容易である。ここにおいて、基板に垂直な切断部や穴（奥にゆくに従って断面壁が基板方向に傾斜している切断部や穴も含む）にエアロゾルデポジション法にて脆性材料構造物を形成させる場合、基板表面における切断部や穴の端には、構造物は基板表面に対して垂直には形成されず、構造物側に傾いた傾斜を持ちつつ成長することを筆者等は発見した。すなわちエアロゾルデポジション法を用いれば、このような手法独特の特徴を利用することにより、上述した円錐台状の空間を持つ光ファイバガイド穴が自然に形成させることができる。この場合、エアロゾルを基板に吹き付ける角度は基板表面に対して垂直がもっとも好適である。
【００１３】
さらに本発明においては、別の光ファイバ支持体を作製する手段として、基板の貫通穴に樹脂またはグリースを封入し、引き続いて前記基板表面の貫通穴を含む所定領域に向けて、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを吹き付け、前記基板表面のみに前記脆性材料微粒子あるいはこれが破砕した断片を接合して堆積させた脆性材料構造物を作成し、その後、前記樹脂又はグリースを溶解除去することにより、この脆性材料構造物には、前記基板との接合面からこの脆性材料の構造物の表面に向かって径が広がるほぼ円錐台状の空間が前記貫通穴に対応して形成されることを特徴とする光ファイバ支持体の作製方法を提供する。
【００１４】
エアロゾルデポジション法において、エアロゾルを基板に吹き付ける角度が垂直よりずれる場合においては、穴の内壁に構造物が形成される恐れがある。貫通穴の内径を光ファイバの外径とほぼ同じ１２５μｍにしているため、少しでも内壁に構造物が形成されると光ファイバの挿入が不可能になる。これを防ぐため予め穴の内部に樹脂やグリースなどを充填して封止することが好適である。樹脂は勿論構造物が形成されないものを選定する。例えばある種のポリイミド、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン系の材料などが挙げられる。グリースは、エアロゾルの衝撃を緩和して受け止めるため、構造物が形成されず好適である。構造物形成後にこれらの樹脂、グリースを溶解除去させてやればよい。
【００１５】
また本発明においては、上述したエアロゾルの吹き付けが、常温環境で行われることを特徴とする。ここで常温とは、脆性材料の融点や前述の熱処理の温度より十分低い温度のことを指し、実質的には２００℃以下である。
【００１６】
【発明の実施の態様】
図１に脆性材料微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを、基材に向けて吹き付けてこの微粒子を衝突させて、基材上に光ファイバガイド穴を構成する構造物を形成のに使用する、エアロゾルデポジション法を利用した構造物形成装置１０の模式図を本発明における実施の一態様として示す。
【００１７】
形成装置１０は、窒素などのガスボンベ１０１がガス搬送管１０２を介して、脆性材料微粒子を内蔵するエアロゾル発生器１０３に接続し、エアロゾル搬送管１０４を介して形成室１０５内に設置された、縦０．４ｍｍ横５ｍｍの開口を持つノズル１０６に接続されている。ノズル１０６の先にはＸＹステージ１０７に設置された、穴の空いた基板ホルダ１０８が取り付けられ、ここにほぼ１２５μｍの径の貫通穴が複数空いた部分を基板ホルダ１０８の穴の部分に係るようにして、厚み１ｍｍのシリコン基板１０９が配置される。シリコン基板１０８表面とノズル１０６はほぼ垂直な位置関係である。形成室１０５は真空ポンプ１１０に接続されている。
【００１８】
以上の構成の作製装置１０による光ファイバガイド穴の作製手順を次に述べる。ガスボンベ１０１を開栓し、ガスを搬送管１０２を通じてエアロゾル発生器１０３に導入させ、脆性材料微粒子を含むエアロゾルを発生させる。エアロゾルは搬送管１０４を通じてノズル１０６へと送られ、ノズル１０６の開口より高速で噴出される。このとき真空ポンプ１１０の作動により、形成室１０５内は数ｋＰａの減圧環境下に置かれている。ノズル１０６の開口の先に配置された基板１０９に脆性材料微粒子が衝突し、微粒子がお互いに接合し、基板上に微粒子の材料からなる多孔質の構造物が形成される。基板１０８はＸＹステージ１０７により揺動されており、所望の形状・面積に構造物が形成される。基板１０８の貫通穴の領域においてはエアロゾルは通過するため構造物の形成は行われない。以上の操作は常温環境下で行われる。
【００１９】
【実施例１】
上述の作製装置１０に準じた形態の作製装置を用いて、光ファイバアレイのガイド穴の作製を試みた。基板として縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ１ｍｍの単結晶シリコンに、縦８列、横８行の計６４ヶの直径１２５μｍの貫通穴を厚み方向に形成したアレイ用基板を準備した。
【００２０】
脆性材料微粒子として、平均微粒子径０．６μｍ、純度９９．８％の酸化アルミニウム微粒子を用いた。成膜条件としては、ノズルに開口１０ｍｍ×０．４ｍｍを使用し、ガスとしてヘリウムを用い、流量を７Ｌ／ｍｉｎ、ＸＹステージを一方向に５ｍｍの往復揺動操作を行って構造物形成を試みた。構造物形成時間は５〜２０分で様々条件を設定した。その結果、面積１０ｍｍ×５ｍｍ、膜厚２０〜６０μｍの酸化アルミニウム構造物からなる光ファイバアレイのガイド穴を基板上に形成することができた。
【００２１】
図２に得られた光ファイバアレイのガイド穴の走査型電子顕微鏡（日立製作所製Ｓ−８００）イメージを示す。この写真からも円錐台状の空間が形成されていることがわかる。上述の条件で作製された複数のガイド穴の傾斜角度を測定したところ、基板表面（基板と構造物の界面）と傾斜面との角度は、５０〜６６°の範囲内であった。
【００２２】
図３には、同じ様な工程で作製された単結晶シリコン基板の表面に形成された酸化アルミニウム構造物（アルミナ膜）について、構造物と基板との界面付近の様子を透過型電子顕微鏡（日立製作所製Ｈ−９０００ＵＨＲ）にて断面観察により撮影したイメージを示す。界面にアンカー部と見られる１００ｎｍ程度の凹凸が形成されていることが確認される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエアロゾルデポジション法を利用した構造物形成装置の模式図。
【図２】本発明に係る光ファイバアレイのガイド穴の走査型電子顕微鏡イメージ。
【図３】本発明に係る構造物と基板との界面付近の様子を透過型電子顕微鏡にて断面観察により撮影したイメージ。
【符号の説明】
１０…構造物形成装置、１０１…ガスボンベ、１０２…ガス搬送管、１０３…エアロゾル発生器、１０４…エアロゾル搬送管、１０５…形成室、１０６…ノズル、１０７…ＸＹステージ、１０８…基板ホルダ、１０９…シリコン基板、１１０…真空ポンプ

Claims

貫通穴が設けられた基板表面の貫通穴を含む所定領域に向けて、前記貫通穴を通過するように脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを吹き付け、前記基板表面のみに前記脆性材料微粒子あるいはこれが破砕した断片を接合して堆積させた脆性材料構造物を作成することにより、この脆性材料構造物には、前記基板との接合面からこの脆性材料の構造物の表面に向かって径が広がるほぼ円錐台状の空間が前記貫通穴に対応して形成されることを特徴とする光ファイバ支持体の作製方法。
基板の貫通穴に樹脂またはグリースを封入し、引き続いて前記基板表面の貫通穴を含む所定領域に向けて、脆性材料の微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを吹き付け、前記基板表面のみに前記脆性材料微粒子あるいはこれが破砕した断片を接合して堆積させた脆性材料構造物を作成し、その後、前記樹脂又はグリースを溶解除去することにより、この脆性材料構造物には、前記基板との接合面からこの脆性材料の構造物の表面に向かって径が広がるほぼ円錐台状の空間が前記貫通穴に対応して形成されることを特徴とする光ファイバ支持体の作製方法。
前記エアロゾルの吹き付けが、常温環境で行われ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支持体の作製方法。