JP4848525B2

JP4848525B2 - Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法及びデバイス作製法

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Publication number: JP4848525B2
Application number: JP2008228641A
Authority: JP
Inventors: 昌幸大越; 成美井上
Original assignee: 防衛省技術研究本部長
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2028-09-05
Also published as: JP2010061019A

Description

本発明は、光学部品への光入射法に係り、とくにＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に波長１９０ｎｍ以下の光を照射することで形成される改質層の上面、側面乃至は近傍に微小光学部品が位置するようにし、前記改質層に所望の光を導波させることにより、極めて微小な光学部品への光入射を可能としたＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法及びデバイス作製法に関する。本発明は、光回路やマイクロ分析チップ等のマイクロ・ナノデバイス作製へ適用可能となる等、その用途は電気電子工学のみならずあらゆる分野で有用である。

微小光学部品の内、ミクロンサイズのシリカガラス製微小球を例にとると、そこに光を入射させるためには一般に、市販のシリカガラス製光ファイバー先端を熱によりミクロンオーダーまで溶融、延伸させ、その熱処理加工したファイバーを微小球に接近させ光を入射させる方法がある。しかし、微小光学部品のサイズがミクロン乃至はそれ以下に小さくなると、光ファイバー先端の熱処理加工が難しくなり、またその細い光ファイバーのハンドリングも容易ではなくなる場合が多い。

シリカガラス製微小球を代表としたミリ、ミクロン乃至はサブミクロンオーダーの微小光学部品に、任意の波長の光を結合させることができる新規手法の確立を課題とする。

そこで、本発明は、上記の点に鑑み、微小光学部品に任意の波長の光を結合させることができるＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法及びデバイス作製法を提供することを目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としての固体状シリコーンの一面がシリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球を少なくとも１次元的に配列させ得るものであり、前記固体状シリコーンの一面に波長１９０ｎｍ以下の光を照射することで形成される帯状改質層の上面又は側面に、シリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球が位置するようにし、前記改質層に所望の光を導波させることにより、前記光透過性微小球へ光入射させることを特徴としている。この場合、前記Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としての固体状シリコーンに、前記微小光学部品としての光透過性微小球を配置した状態で、波長１９０ｎｍ以下の光を照射して前記改質層を形成し、前記改質層と前記光透過性微小球とを接触させてもよいし、あるいは、前記改質層を形成した後に、前記光透過性微小球を前記改質層の上面、側面に配置してもよい。

本発明の第２の態様に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としての固体状シリコーンの一面がシリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球を少なくとも１次元的に配列させ得るものであり、前記固体状シリコーンの一面に波長１９０ｎｍ以下の光を照射することで形成される帯状改質層の側面近傍に、シリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球が位置するようにし、かつ前記改質層と前記光透過性微小球との間隙に屈折率マッチング液を充填し、前記改質層に所望の光を導波させることにより、前記光透過性微小球へ光入射させることを特徴としている。

前記第１の態様に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法において、前記固体状シリコーンの一面に１次元、２次元乃至は３次元的配列のシリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球列を配置し、前記光透過性微小球列のうちの少なくとも一部の光透過性微小球を前記帯状改質層の上面又は側面に位置させたことを特徴としている。

前記第２の態様に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法において、前記固体状シリコーンの一面に１次元、２次元乃至は３次元的配列のシリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球列を配置し、前記光透過性微小球列のうちの少なくとも一部の光透過性微小球を前記帯状改質層の側面近傍に位置させたことを特徴としている。

本発明の第３の態様に係るデバイス作製法は、第１又は第２の態様に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法により、前記帯状改質層内に導波させた２波長以上の光の内、前記光透過性微小球の直径乃至は屈折率を選択することにより、所望の波長の光のみを取り出すことを特徴としている。

本発明の第４の態様に係るデバイス作製法は、第１又は第２の態様に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法により、前記帯状改質層内に導波させた光の伝搬方向に対し垂直に光を取り出すことを特徴としている。

本発明の第５の態様に係るデバイス作製法は、第１又は第２の態様に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法により、前記帯状改質層内に導波させた２波長以上の光の内、前記光透過性微小球の直径乃至は屈折率を選択することにより、所望の波長の光のみを、前記帯状改質層内に導波させた光の伝搬方向に対し垂直に取り出すことを特徴としている。

前記第３、第４又は第５の態様において、光を取り出す光透過性微小球又は光透過性微小球の列と、前記固体状シリコーンの一面に形成した別の帯状改質層とを接触乃至は近接させることにより、複数の改質層に光を分波させてもよい。

本発明によれば、シリカガラス製微小球を代表としたミリ、ミクロン乃至はサブミクロンオーダーの微小光学部品に、任意の波長の光を結合させることができる新規手法が確立でき、発光素子、光導波路、受光素子など光部品をチップ上に高度に集積化できる等、光回路製作のための必要不可欠な技術となる。また本発明は、これら光エレクトロニクスの分野にとどまらず、マイクロ分析チップやその他マイクロ・ナノデバイス製作技術等、今後接合技術を利用して発展するデバイス製作のあらゆる分野に多大に利用可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法及びデバイス作製法の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に用いる実験の装置概略であって、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としての固体状シリコーン１に、波長１９０ｎｍ以下の光を照射することで形成される例えば直線帯状のシリカガラス改質層２の側面に微小光学部品としての光透過性微小球３が位置するようにしている。

この場合、波長１９０ｎｍ以下の光として、波長１５７ｎｍのＦ_２レーザー光を用いることができ、光透過性微小球３としては直径２．５μｍのシリカガラス製微小球やプラスチック製微小球を用いることができ、微小球３はシリカガラス改質層２の側面に沿って複数個１次元的に整列しており、シリカガラス改質層２に部分的に接触している。

このような構成において、改質層２に所望の光（可視光、赤外光、紫外光を含む）を導波させれば、改質層２を通った導波光４が、微小球３に入射され分波光５が得られる。このとき、改質層内に導波させた導波光４の伝搬方向に対し垂直に分波光５を取り出すことが可能である。

また、前記改質層２内に導波させた２波長以上の導波光の内、微小球３の直径乃至は屈折率を選択することにより、所望の波長の光のみを取り出すことが可能である。

なお、固体状シリコーン１に、微小球３を一列に配置した状態で、波長１９０ｎｍ以下の光を照射して改質層２を形成し、改質の結果盛り上がった改質層２と微小球３とを接触（接合）させてもよいし、改質層２を形成した後に、微小球３を改質層２の上面、側面に接触させて配置してもよい。固体状シリコーン１がシリコーンゴムで、微小球３がシリカガラス製微小球である場合、シリカガラス製微小球はシリコーンゴムに付着状態となる。

図２は本発明の第２の実施の形態に用いる装置概略であって、固体状シリコーン１上に微小球３を複数列として２次元的に配置した構成を示す。その他は第１の実施の形態と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付した。なお、微小球３を改質層２の上面にも接触するように配置した３次元的な配列としてもよい。

それらの第１又は第２の実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。

（１）１ミリメートル以下、とくに光ファイバーのコア径に概ね相当する１０μｍ以下の微小光学部品、例えば微小球単体や、それを複数個１次元的、２次元的乃至は３次元的に整列させた微小球列への光入射が可能となる。

（２）微小球３の直径乃至は屈折率を選択することにより、改質層２内に導波させた２波長以上の光の内、所望の波長の光のみを取り出すことが可能となる。

（３）改質層２内に導波させた光の伝搬方向に対し、微小球３を介して垂直に光を取り出すことが可能となる。

（４）微小球３の直径乃至は屈折率を選択することにより、改質層２内に導波させた２波長以上の光の内、所望の波長の光のみを、かつ改質層内に導波させた光の伝搬方向に対し垂直に取り出すことが可能となる。

図３は本発明の第３の実施の形態に用いる装置概略であって、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としての固体状シリコーン１に、波長１９０ｎｍ以下の光を照射することで形成される２本の直線帯状シリカガラス改質層２Ａ，２Ｂの側面に微小光学部品としての光透過性微小球３が位置するようにしている。

図示の場合、光透過性微小球３は改質層２Ａ，２Ｂ間に２次元的に配置されており、両端の微小球列は改質層２Ａ，２Ｂの側面に接触（接合）しており、微小球列相互も接触している。

その他の構成は前述の第１、第２の実施の形態と同様である。

この第３の実施の形態によれば、一方の改質層２Ａ内に導波された導波光４を微小球３の列を介して取り出し、他方の改質層２Ｂに前記微小球３の列を接触（接合）させることにより、改質層２Ｂに分波光５を分波させることができる。この結果、複数の改質層に光を分波することが可能となる。

なお、前記第１、第２及び第３の実施の形態では、微小球３が改質層の側面や上面に接触する場合であるが、微小球３が側面や上面の近傍にあってもよい。この場合、屈折率マッチング液（市販品）等の液体（改質層と屈折率が概ね等しい）を微小球３と改質層の間隙に充填することで、前記第１、第２及び第３の実施の形態と同様に分波光を得ることができる。

以下、本発明に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法及びデバイス作製法を実施例で詳述する。

図１の実験概略構成において、直径２．５μｍのシリカガラス製微小球をエタノール中に分散させた溶液をＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としてのシリコーンゴム（厚さ２ｍｍ）上に滴下し、エタノールの蒸発に伴う自己整列効果により、複数の微小球を１次元的に配置した。前記シリコーンゴム上の微小球の１次元的配列に沿って波長１５７ｎｍのＦ_２レーザー光を、エネルギー密度（フルエンス）１０ｍＪ／ｃｍ^２／pulse、パルス繰り返し周波数１０Ｈｚ、照射パルス数６０００に設定して、シリコーンゴムに照射してシリコーンゴム上にシリカガラス改質層を形成した。そして、波長５３２ｎｍ及び６３５ｎｍのレーザー光を、市販のシングルモード光ファイバーを介して、改質層端面から入射させ導波光を得た。微小球が改質層と接触している場合、導波光が分波された。また、接触はしていないが、近傍に微小球が配置されている場合、屈折率マッチング液（シリカガラスと同様の屈折率を有する液体）を微小球と改質層との間隙に充填することにより前記と同様の分波光を得た。

図４は、前記方法にて改質層側面にシリカガラス製微小球を１次元的に配置したときの試料の走査電子顕微鏡写真である。同図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ撮影方向を９０度変えた場合である。

図５は、前記方法にて、改質層側面に微小球を１次元的に配置し、波長５３２ｎｍの導波光を通した場合の試料の写真である。緑色光が微小球を介して分波されていることがわかった。

図６は、前記方法にて、改質層側面に微小球を１次元的に配置し、波長６３５ｎｍの導波光を通した場合の試料の写真である。赤色光が微小球を介して分波されていることがわかった。

以上本発明の実施の形態及び実施例について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。以下、変形例について触れる。

第１、第２及び第３の実施の形態では、改質層は直線帯状であるように図示されているが、直線的である必要はなく、曲線状であってもよい。

微小光学部品は配列のしやすさから光透過性微小球である場合で説明したが、光透過性微小多角柱等であってもよい。

本発明に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法及びデバイス作製法の第１の実施の形態を示す概略構成図である。本発明の第２の実施の形態を示す概略構成図である。本発明の第３の実施の形態を示す概略構成図である。本発明の実施例において、Ｆ_２レーザーにより形成された改質層の側面にシリカガラス製微小球（直径２．５μｍ）列を配置した試料の走査電子顕微鏡写真図である。本発明の実施例において、改質層に波長５３２ｎｍの導波光を通し、その光が微小球を介して分波されたことを示す試料の光学顕微鏡写真図である。本発明の実施例において、改質層に波長６３５ｎｍの導波光を通し、その光が微小球を介して分波されたことを示す試料の光学顕微鏡写真である。

符号の説明

１固体状シリコーン
２、２Ａ、２Ｂ改質層
３微小球
４導波光
５分波光

Claims

Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としての固体状シリコーンの一面がシリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球を少なくとも１次元的に配列させ得るものであり、前記固体状シリコーンの一面に波長１９０ｎｍ以下の光を照射することで形成される帯状改質層の上面又は側面に、シリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球が位置するようにし、前記改質層に所望の光を導波させることにより、前記光透過性微小球へ光入射させることを特徴とするＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法。
Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としての固体状シリコーンの一面がシリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球を少なくとも１次元的に配列させ得るものであり、前記固体状シリコーンの一面に波長１９０ｎｍ以下の光を照射することで形成される帯状改質層の側面近傍に、シリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球が位置するようにし、かつ前記改質層と前記光透過性微小球との間隙に屈折率マッチング液を充填し、前記改質層に所望の光を導波させることにより、前記光透過性微小球へ光入射させることを特徴とするＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法。
請求項１に記載のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法において、前記固体状シリコーンの一面に前記光透過性微小球を配置した状態で、波長１９０ｎｍ以下の光を照射して前記帯状改質層を形成し、前記改質層と前記光透過性微小球とを接触させる、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法。
請求項１に記載のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法において、前記固体状シリコーンの一面に波長１９０ｎｍ以下の光を照射して前記帯状改質層を形成した後に、前記光透過性微小球を前記改質層の上面又は側面に配置する、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法。
請求項２に記載のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法において、前記固体状シリコーンの一面に波長１９０ｎｍ以下の光を照射して前記帯状改質層を形成した後に、前記光透過性微小球を前記改質層の側面近傍に配置する、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法。
請求項１に記載のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法において、前記固体状シリコーンの一面に１次元、２次元乃至は３次元的配列のシリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球列を配置し、前記光透過性微小球列のうちの少なくとも一部の光透過性微小球を前記帯状改質層の上面又は側面に位置させた微小光学部品への光入射法。
請求項２に記載のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法において、前記固体状シリコーンの一面に１次元、２次元乃至は３次元的配列のシリカガラス製又はプラスチック製の光透過性微小球列を配置し、前記光透過性微小球列のうちの少なくとも一部の光透過性微小球を前記帯状改質層の側面近傍に位置させた微小光学部品への光入射法。
請求項１から７のいずれか一項に記載のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法により、前記帯状改質層内に導波させた２波長以上の光の内、前記光透過性微小球の直径乃至は屈折率を選択することにより、所望の波長の光のみを取り出すことを特徴とするデバイス作製法。
請求項１から７のいずれか一項に記載のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法により、前記帯状改質層内に導波させた光の伝搬方向に対し垂直に光を取り出すことを特徴とするデバイス作製法。
請求項１から７のいずれか一項に記載のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物を用いた微小光学部品への光入射法により、前記帯状改質層内に導波させた２波長以上の光の内、前記光透過性微小球の直径乃至は屈折率を選択することにより、所望の波長の光のみを、前記改質層内に導波させた光の伝搬方向に対し垂直に取り出すことを特徴とするデバイス作製法。
請求項８、９又は１０に記載のデバイス作製法において、光を取り出す光透過性微小球又は光透過性微小球の列と、前記固体状シリコーンの一面に形成した別の帯状改質層とを接触乃至は近接させることにより、複数の改質層に光を分波させることを特徴とするデバイス作製法。