JPS6079308A - Production of plane lens - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To have a substantial thickness and to enable provision of efficient convergency to a plane lens by exchanging the lithium ion in a lithium niobate base plate provided with a mask consisting of titanium or chromium and the hydrogen ion in benzoic acid. CONSTITUTION:A plane photoconductive layer 12 obtd. by thermal diffusion of metallic titanium is provided on the surface of a lithium niobate base plate 11 and a lens pattern 21 of photoresist reversed by an ordinary photolithography technique is formed thereon. A titanium film 22 is then provided on the pattern 21 by a vapor deposition method or the like. The pattern of the film 22 formed in the above-mentioned way is the reversal of the resist pattern and eventually the mask having the aperture in the shape of the lens pattern is obtd. When the base plate is further immersed for specified time with the film 22 as a mask in a soln. 23 in which benzoic acid is dissolved, ion exchange is effected in the aperture part of the mask and the film 22 on the surface is removed by a hydrofluoric acid or the like, by which the plane Fresnel lens is completed.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜平面導波光を面内において集束する平面レ
ンズの製造方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for manufacturing a plane lens that focuses thin film plane waveguide light in a plane.

一般に、コヒーレントな光学処理技術は、並列処理がで
き、高速であるという特徴があるため、コリレージ冒ン
などのような信号処理装置べの応用に適している。この
信号処理装置を実現するために１兜学ガラスや光学結晶
などを基板とし、この表面に基板よシも屈折率の高い層
を設け、この高屈折率層にエネルギーを集中させて伝搬
する薄膜導波尤の波面やエネルギー伝搬方向を制御して
光回路を形成するいわゆる薄膜交回路によつて構成する
方法が、最近さかんに研究されている。In general, coherent optical processing technology is characterized by its ability to perform parallel processing and high speed, and is therefore suitable for application to signal processing devices such as correlative cameras. In order to realize this signal processing device, we used a substrate made of optical glass or optical crystal, a layer with a high refractive index on the surface of the substrate, and a thin film that concentrated energy on this high refractive index layer and propagated it. Recently, a method of constructing an optical circuit using a so-called thin film alternating current circuit, which controls the wavefront of a waveguide and the direction of energy propagation, has been actively researched.

このような薄膜交回路に用いられるレンズとに平面フレ
ネルレンズやグレーティングレンズがある。これらのレ
ンズは、誘電体基板表面に拡散物を拡散させて得られる
平面光導波層に１安息香酸等を用いたイオン交換法によ
シ高屈折率部を形成するものである。Lenses used in such thin film AC circuits include planar Fresnel lenses and grating lenses. In these lenses, a high refractive index portion is formed by an ion exchange method using benzoic acid or the like on a flat optical waveguide layer obtained by diffusing a diffusing substance on the surface of a dielectric substrate.

第１図（ａ）、Φ）はこのような平面７レネルレンズの
構成を示す斜視図およびその断面図である。この平面フ
レネルレンズは、リチウムナイオベイト基板１１の表面
付近にチタンを熱拡散して光導波層１２を形成し、この
光導波層１２の一部に、この光導波層１２よシも屈折率
の高い部分によシフレネルパターンを構成した高屈折率
部１３を安、叡香酸を用いたイオン交換法によシ形成す
る。また、゛この屈折率の高い高屈折率部１３は、入射
導波光束の光透過方向に長さＬｌこれに直交する方向に
定められた間隔で設けられている。この平面フレネルレ
ンズに入射導波光束１４が入射すると、高屈折率部１３
を透過する光とこの間の低屈折率部を透過する光とに別
々に分れる。これらの光力くレンズ領域を透過したとき
に２つの光の間にπの位相差を生じ、このため導波光が
集束されて集束点１５に集光される０ 従来、このようなイオン交換法を用いた平面レンズ製造
方法は、１９８３年の１００Ｃ国際会議の予稿集に４１
０頁にＣ，Ｗａｒｒｅｒ、　８．Ｆｏｒｏｕｈａｒ。FIG. 1(a), Φ) is a perspective view and a sectional view showing the structure of such a planar 7-Renel lens. This planar Fresnel lens is made by thermally diffusing titanium near the surface of a lithium niobate substrate 11 to form an optical waveguide layer 12, and a part of this optical waveguide layer 12 has a refractive index. A high refractive index portion 13 having a Schiffresnel pattern in the high portion is formed by an ion exchange method using sulfuric acid. Further, the high refractive index portions 13 having a high refractive index are provided at intervals determined in a direction perpendicular to the length Ll in the light transmission direction of the incident guided wave beam. When the incident waveguide light beam 14 enters this plane Fresnel lens, the high refractive index portion 13
The light that passes through this area and the light that passes through the low refractive index area between them are separated. When these light beams are transmitted through the lens region, a phase difference of π is generated between the two lights, so that the guided light is focused at the focal point 15. Conventionally, such an ion exchange method The method for manufacturing plane lenses using
C.Warrer on page 0, 8. Forouhar.

ａｎｄ　Ｗ、　Ｓ、　Ｃ，Ｃｈａｎｇ　Ｋ　ヨル論文”
ＣｈｉｒｐＧｒａｔｉｎｇ　Ｌｅｎｓｅｓ　ｏｎ　ＬＩ
ＮｂＯ，ｂｙ　ＢｅｎｚｏｉｃＡｃｌｄ　Ｔｒｅａｔｍ
ｅｎｔ”が発表されている。この論文では安息香酸を用
いたイオン交換によシ製作さたグレーティングレンズが
説明されている。このグレーティングレンズは、リチウ
ムナイオベイト基板の表面に５μｍの厚みを有するチタ
ン拡散導通層を設けさらにイオン交換によって１μｍの
深さの格子状パターンからなる高屈折率部を設けて作ら
れたものである。and W, S, C, Chang K Yoru paper”
ChirpGrating Lenses on LI
NbO, by BenzoicAcld Treatm
This paper describes a grating lens fabricated by ion exchange using benzoic acid. It was fabricated by providing a diffusion conduction layer and further providing a high refractive index portion consisting of a lattice pattern with a depth of 1 μm by ion exchange.

この際イオン交換を行うためにアルミニウム膜のマスク
を用いているが、アルミニウム膜は溶解した安息香酸に
より若干エツチングされる。そこで安息香酸への長時間
のｆ９漬を行うためには、アルミニウム膜厚を厚くする
ことが考えられるが、この場合レンズ等の＃縄パターン
を形成することが困棹となる。このため短時間の安息香
酸への浸漬しかできず、前述のグレーテ（ングレンズで
は、イオン交換された部分の深さがチタン拡散導波層の
５μｍに比べて１μｍと浅くなシ、光ビームのエネルギ
ーがイオン交換された領域に一部しか入らず、大部分の
光ビームは収束作用を受けない。At this time, an aluminum film mask is used to perform ion exchange, but the aluminum film is slightly etched by the dissolved benzoic acid. Therefore, in order to perform long-time f9 immersion in benzoic acid, it is conceivable to increase the thickness of the aluminum film, but in this case, it becomes difficult to form a #rope pattern such as a lens. For this reason, immersion in benzoic acid is only possible for a short time, and in the case of the aforementioned Grete lens, the depth of the ion-exchanged part is shallower at 1 μm compared to 5 μm for the titanium diffused waveguide layer, and the energy of the light beam Only a portion of the light beam enters the ion-exchanged region, and most of the light beam is not focused.

このようにマスクとしてアルミニウム膜を用いた製造方
法は、イオン交換される部分の深さを充分得られないと
いう欠点があった◎ 本発明の目的は、これらの欠点を除去し、充分な厚さを
有し、効率よく収束できる高性能な平面レンズの製造方
法を提供することにある。The manufacturing method using an aluminum film as a mask has the disadvantage that the depth of the ion-exchanged part cannot be obtained sufficiently. The purpose of the present invention is to eliminate these disadvantages and to create a mask with sufficient thickness. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a high-performance plane lens that can converge efficiently.

本発明の平面レンズの製造方法の構成は、リチウムナイ
オベイト基板上面にチタンを熱拡散して平面光導波層を
形成し、この平面光導波層上にレンズパターン状開口部
をもつチタンもしくはクロムからなるマスクを設け、こ
のマスクの設けられたリチウムナイオベイト基板を溶解
した安息香酸に浸漬し、この安息香酸中の水素イオンと
前記リチウムナイオペイト基板中のリチウムイオンとを
交換せしめて前記平面光導波層にレンズパターン領域を
形成することを特徴とする。The structure of the method for manufacturing a flat lens of the present invention is to form a flat optical waveguide layer by thermally diffusing titanium on the upper surface of a lithium niobate substrate, and to form a flat optical waveguide layer made of titanium or chromium having lens pattern openings on the flat optical waveguide layer. A lithium niobate substrate provided with this mask is immersed in dissolved benzoic acid, and hydrogen ions in the benzoic acid are exchanged with lithium ions in the lithium niobate substrate to form the planar optical waveguide. It is characterized by forming a lens pattern area in the layer.

次に本発明について図面を参照して詳細に説明する。Next, the present invention will be explained in detail with reference to the drawings.

棺２図（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例の平面レンズの
製造方法を示す断面図である。ます、Ｂ２図（ａ）にお
いて、リチウムナイオベイト基板１１は、表面に金層チ
タンを熱拡散させて得られる平面光導波層１２を設けて
いる。この平面光導波層１２の上にフォトレジストを塗
布し、通常のリングラフィ技術によって反伝したフォト
レジストのレンズノくターン２１を形成する。次に、第
２図Φ）に示すように、基板のレジストパターン２１上
にチタン膜またはクロム膜２２を蒸着またはスノくツタ
法などによシ基板−面に設ける。次に、第２図（Ｃ）に
示すように、チタン膜またはクロム膜２２を形成した基
板をア七トンなどの有杭溶剤に浸してレジストパターン
２１を除去する。この時、レジストノ）り・−ン２１上
に形成されたチタン膜またはクロム膜２２はレジストパ
ターン２Ｊと共に除去され、基板上に直接形成された膜
２２のみが基板表面上に残る。このようにして形成され
たチタン膜またはりｏム’１）Ｈ１２２のパターンはレ
ジストノくターンｔ−反転したものであり、その結果レ
ンズノくターン状の開口部を有するマスクが得られるこ
とになる。さらに、１３２図（ｄ）に示すように、チタ
ン膜またはクロム膜２２をマスクとして温度２４０℃の
溶解した安息香酸の溶′＃２３に一定時間浸漬するとマ
スりの開ロ部文イオン交換が行われる。次に１表面のチ
タン膜またはクロム膜２２をフッ酸などで除去すること
により、第１図Φ）に示すような平面レンズを完成する
ことができる。Figures 2(a) to 2(d) are cross-sectional views showing a method of manufacturing a plane lens according to an embodiment of the present invention. First, in FIG. B2 (a), a lithium niobate substrate 11 is provided with a planar optical waveguide layer 12 obtained by thermally diffusing a titanium gold layer on its surface. A photoresist is coated on the planar optical waveguide layer 12, and a lens turn 21 of the photoresist is formed by a conventional phosphorography technique. Next, as shown in FIG. 2 Φ), a titanium film or a chromium film 22 is provided on the substrate surface on the resist pattern 21 of the substrate by vapor deposition or the vine-vine method. Next, as shown in FIG. 2(C), the substrate on which the titanium film or chromium film 22 is formed is immersed in a solvent such as A7Tone to remove the resist pattern 21. At this time, the titanium film or chromium film 22 formed on the resist groove 21 is removed together with the resist pattern 2J, and only the film 22 formed directly on the substrate remains on the substrate surface. The pattern of the titanium film or rim 1) H122 thus formed is a pattern in which the resist pattern is reversed, and as a result, a mask having lens pattern openings is obtained. Furthermore, as shown in Fig. 132(d), when the titanium film or chromium film 22 is immersed in the dissolved benzoic acid solution #23 at a temperature of 240°C for a certain period of time using the titanium film or chromium film 22 as a mask, ion exchange occurs in the opening of the mass. be exposed. Next, by removing the titanium film or chromium film 22 on one surface with hydrofluoric acid or the like, a flat lens as shown in FIG. 1 Φ) can be completed.

ムも酸などによって不動態が形成され耐食性に関してこ
の不動態は貴金属と同程度に大きくなる。In metals, a passivity is formed by acids, etc., and this passivity is as large as that of noble metals in terms of corrosion resistance.

このようにチタンやクロムのｆｆは安息香酸に対する耐
食性に優れているため、マスクのＢ’４厚を薄くしても
長時間の安息香酸へ？ｔ”ｆｆさせることが可能となる
。このようにマスクのＦ４１９−が薄くで粘るプしめに
、この実施例で示したリフトオフ法にょシ微細パターン
の形成も容易にできろ。In this way, titanium and chromium FF have excellent corrosion resistance against benzoic acid, so even if the B'4 thickness of the mask is made thinner, will benzoic acid last for a long time? In this way, since the mask F419- is thin and sticky, it is possible to easily form a fine pattern using the lift-off method shown in this embodiment.

仁のチタン拡散導波層１２上に安息香酸浸漬によるイオ
ン交換を行う場合、イオン交換を受ける領域での水素イ
オンの拡散速度は、チタン拡散を行っていないリチウム
ナイオベイト基板１１でのイオン交換速度と比べて２倍
程度遅い。このチタン拡散導波層１２の、ワさ分をイオ
ン交換によシレ酸への浸漬が必要である。アルミニウム
のマスクでは、アルミニウムが安息香酸によシエッチン
グされるため長時間浸漬することは出来なかりたがチタ
ンまたはクロムのマスクによると、安息香酸への長時間
浸漬ｉ可能となシ、充分な厚さでイオン交換されたレン
ズ領域の形成が可能となる。When performing ion exchange by immersion in benzoic acid on the titanium diffusion waveguide layer 12, the diffusion rate of hydrogen ions in the region undergoing ion exchange is the same as the ion exchange rate in the lithium niobate substrate 11 without titanium diffusion. It is about twice as slow as . It is necessary to immerse a portion of this titanium diffusion waveguide layer 12 in silicic acid by ion exchange. Aluminum masks cannot be immersed in benzoic acid for long periods of time because the aluminum is etched by benzoic acid, but titanium or chromium masks can be immersed in benzoic acid for long periods of time. This allows for the formation of ion-exchanged lens regions in the thickness.

ここでは安息香酸への浸漬時間を調整し、周囲よシも屈
折率の高い部分１３の厚さを光導波層の厚さと同有度と
している。例えば、Ｘ板すチウムナイオペイト基板１１
の表面近傍のチタン拡散による光導波層１２が３ＩＬｍ
の時、安息現酸（２４σＱへの浸漬を８時間行うと同図
よシも屈折率の０．１程度高い部分１３厚みが３μｍと
なる。Here, the immersion time in benzoic acid is adjusted so that the thickness of the portion 13, which has a higher refractive index than the surroundings, is the same as the thickness of the optical waveguide layer. For example, the X-plate stium niopate substrate 11
The optical waveguide layer 12 due to titanium diffusion near the surface is 3ILm.
When immersed in benzoic acid (24σQ) for 8 hours, the thickness of the part 13 with a refractive index higher by about 0.1 in the same figure becomes 3 μm.

このように安息香酸への浸漬時間を調整して屈折率の高
い部分の厚さを平面導波路と同程度とすることＫよシ、
光導波路１２中を伝搬する光ビームが全て屈折率の高い
部分１３を透過し、レンズへ入射した光ビームは効率よ
く収束使用を受ける。In this way, adjusting the immersion time in benzoic acid to make the thickness of the high refractive index part the same as that of the planar waveguide,
All the light beams propagating through the optical waveguide 12 pass through the portion 13 having a high refractive index, and the light beams incident on the lens are efficiently converged.

以上説明したように１本発明の製造方法忙よれば、効率
のよい収束作用を持つ平面レンズの実現が可能となる。As explained above, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to realize a plane lens having an efficient convergence effect.

１２を設けたリチウムナイオペイト基板１１上にアルミ
ニウム膜３１を設け、このアルミニウム膜３１の上に第
２図（ａ）と同じようにフォトレジストパターン２１を
形成する。次に、第３図の）のように、このレジストパ
ターン２１をマスクとしてリン酸によりアルミニウム膜
３１をオーツく一エツチングする。次に第３図（Ｃ）の
ように、この基板の表面上にチタン膜またはクロム膜２
２を形成し、第３図（ｄ）のように、レジストパターン
とアルミニウム膜とを順次に除去してチタン膜またはク
ロム膜２２の微細パターンを形成することができる。１
この後の過程は、第２図（ｄ）と同様であシ、安息香酸
浸漬を行って平面レンズを形成することが出来る。An aluminum film 31 is provided on the lithium niopate substrate 11 provided with the photoresist pattern 21, and a photoresist pattern 21 is formed on the aluminum film 31 in the same manner as in FIG. 2(a). Next, as shown in FIG. 3), using this resist pattern 21 as a mask, the aluminum film 31 is automatically etched with phosphoric acid. Next, as shown in FIG. 3(C), a titanium film or a chromium film 2 is placed on the surface of this substrate.
2, and as shown in FIG. 3(d), the resist pattern and the aluminum film are sequentially removed to form a fine pattern of a titanium film or a chromium film 22. 1
The subsequent process is the same as that shown in FIG. 2(d), and a plane lens can be formed by dipping in benzoic acid.

この実施例においては、第３図（Ｃ）に示すようにアル
ミニウム膜３１とレジストパターン２１とを重ねること
によって、このレジストパターン２１上のチタン膜また
はり四ム膜２２を、チタン拡散導波膜１２上のチタン膜
またはクロム膜２２と分離する仁とが出来るので、第１
の実施例（第２図Φ）のようにルジストパターン２１上
のチタン膜またはクロム膜２２がチタン拡散膜１２上の
チタン膜またはクロム膜２２と接触することもなく、し
たがって第１の実施例よシも高精度の微細パターンを形
成することが出来る。In this embodiment, by overlapping the aluminum film 31 and the resist pattern 21 as shown in FIG. Since a layer is formed that separates the titanium film or chromium film 22 on the first
Unlike the embodiment (FIG. 2 Φ), the titanium film or chromium film 22 on the resist pattern 21 does not come into contact with the titanium film or chromium film 22 on the titanium diffusion film 12, and therefore the first embodiment It is also possible to form fine patterns with high precision.

本発明は、リチウムナイオベイト基板に形成されたチタ
ン拡散導波層に、安息香酸によるイオン交換法を用いて
作成されるすべての平面レンズ、例えば平面７レネルレ
ンズ、グレーティングレンズの製造に適用できる。仁の
実施例では、チタン膜またはクロム膜のパターン形成を
リフトオフ法による行う場合を説明したが、直接チタン
膜またはクロム膜にエツチング法を行ってパターンを形
成しても同様な効果が得られる。The present invention can be applied to the production of all plane lenses, such as plane 7 Lennel lenses and grating lenses, which are produced using a benzoic acid ion exchange method on a titanium diffused waveguide layer formed on a lithium niobate substrate. In Jin's embodiment, a case has been described in which the pattern of the titanium film or chromium film is formed by the lift-off method, but the same effect can be obtained even if the pattern is formed by directly performing the etching method on the titanium film or chromium film.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図（ａ〕、Φ）は平面フレネルレンズの斜視図およ
びその断面図、第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例
を工程順に示した断面図、第３図（ａ）〜（ｄ）は、本
発明の第２の実施例を工程順に示した断面図である。 図において、１１・・・・・・リチウムナイオベイト基
板、１２・・・・・・チタン拡散導波層、１３・・・・
・・イオン交換されたフレネルパターンの配置を有する
篩屈折率部、１４・・・・・・平面フレネルレンズに大
村する入射導波光束、１５・・・・・・導波光が集束さ
れる集束点、２１・・・・・・フォトレジストパターン
、２２・・山・チタン厄ま７′ζｔよりロムｈ魂、２３
・・・・・・安息香酸の溶液、３■・・・・・・アルミ
ニウム脱、でめる。 第　１　図 １３　ｔＣ） ３ 兜２図　も３図 ７Fig. 1 (a), Φ is a perspective view and a sectional view of a plane Fresnel lens, Fig. 2 (a) to (d) are sectional views showing an embodiment of the present invention in the order of steps, and Fig. 3 (a) is a perspective view of a planar Fresnel lens. ) to (d) are cross-sectional views showing the second embodiment of the present invention in the order of steps. In the figure, 11...Lithium niobate substrate, 12...Titanium diffused waveguide layer, 13...
... A sieve refractive index section having an ion-exchanged Fresnel pattern arrangement, 14 ...... An incident waveguide light beam that enters a plane Fresnel lens, 15 ... A focal point where the waveguide light is focused , 21...Photoresist pattern, 22...Rom h soul from Yama/Titan Yakuma 7'ζt, 23
・・・・・・Solution of benzoic acid, 3■・・・・Dealing of aluminum. 1 Figure 13 tC) 3 Kabuto Figure 2 Figure 3 Figure 7

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] リチウムナイオベイト基板上面にチタンを熱拡散して平
面光導波層を形成し、この平面光導波層上にレンズパタ
ーン状開口部をもつチタンもしくはクロムからなるマス
クを設け、このマスクの設けられたリチウムナイオベイ
ト基板を溶解した安息香酸に浸漬し、この安息香酸中の
水素イオンと前記リチウムナイオベイト基板中のリチウ
ムイオンとを交換させて前記平面光導波層にレンズパタ
ーン領域を形成することを特徴とする平面レンズの製造
方法。A planar optical waveguide layer is formed by thermally diffusing titanium on the top surface of the lithium niobate substrate, and a mask made of titanium or chromium with a lens pattern opening is provided on the planar optical waveguide layer. A lens pattern region is formed in the planar optical waveguide layer by immersing a niobate substrate in dissolved benzoic acid and exchanging hydrogen ions in the benzoic acid with lithium ions in the lithium niobate substrate. A method for manufacturing a flat lens.