JPH055922A - 平板型光学素子を集積した光集積光学系及びその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学情報を扱う平板型光学素子を集積した光
集積光学系において、密着性に優れ、小型でかつ位置決
めが正確な光学素子を効率良く設けること。 【構成】 １つの透明基板上に設ける平板型の光学素子
の少くとも１つをゾル−ゲル法により直接基板上に製膜
し、かつ透明基板上の全ての光学素子を１つのマスを用
いて同時にパターニングして製膜する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、光学情報を扱う平板型光学素子
を集積した光集積光学系およびその製法に関する。

【０００２】

【従来技術】従来から、光集積光学系はバルク光学素子
を空間に配置することによって干渉や相関などの処理を
行ってきたが、最近では同様の機能を導波路に集積し小
型化を目指したものが作られている。１つの透明基板上
に平板型光学素子を作成する例としては、Ｊ．Ｊａｈｎ
ｓ ａｎｄ Ａ．Ｈｕａｎｇ；“Ｐｌａｎｅｒ ｉｎｔ
ｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｅ−ｓｐａｃｅ ｏｐ
ｔｉｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ”， Ａｐｐｌ．Ｏｐ
ｔ．，２８，Ｎｏ．９，１６０２（１９８９）が報告さ
れている。一般にバルクの光学系においては、各光学素
子の位置決めは精密性が要求されるため手間のかかる作
業であるが、現在はステージや治具を用いて行ってい
る。しかしながら、上記のような小型化した光学系に関
してはさらに各光学素子の位置合わせが困難であり、位
置決め作業の効率化が望まれているが未だ有効な方法は
提案されていない。

【０００３】

【目的】本発明は、平板型光学素子を１つの透明基板上
に集積した光学系およびその作成において、密着性に優
れ、小型でかつ位置決めが正確な平板型光学素子を効率
良く設けることを目的とする。

【０００４】

【構成】本発明の第１は、１つの透明基板上に少なくと
も発光素子、平板型レンズ、平板型空間変調素子および
受光素子が配置され、その少なくとも１つがゾル−ゲル
（Ｓｏｌ−Ｇｅｌ）法により基板に直接製膜されている
ことを特徴とする光集積光学系（以下、光集積光学系１
という）およびその製法である。本発明の第２は、１つ
の透明基板上に少なくとも発光素子、平板型レンズおよ
び平板型空間変調素子を配置し、その透明基板をはさん
で対向する面に受光素子を配置したことを特徴とする光
集積光学系（以下、光集積光学系２という）およびその
製法である。本発明で扱う発光素子とは入力パターンを
意味するが、発光してパターンを形成する素子を用いて
も良いし、発光体とその発光体から入射した光を透過す
る際に光強度等の信号を変化させる物質との組合せを用
いても良い。また、本発明における平板型レンズは反射
型レンズでなければならない。例えば表面に反射層を有
したフレネルゾーン型レンズがあげられる。この場合フ
レネルゾーンプレート状に可変物質を用いそのパターン
が可変であればレンズの開口の大きさや焦点距離を制御
できて好ましい。本発明で用いる平板型空間変調素子と
は、入力光と出力光の方向が同じ面から行われる反射型
の空間変調素子である。これに電気光学効果を有する物
質を使うと、ひとつの光学系で光学系を変えることなく
様々な処理ができ、好ましい。本発明で用いる受光素子
とは一般的な素子が用いられる。例えばフォトダイオー
ドや電荷移動素子等が用いられるが、これらの素子は透
明基板に直接成膜できないので他の光学素子の基板に対
する対向面に配置することにより光学系の作製を容易か
つ正確に行なうことが出来る。フォトダイオードや電荷
移動素子はシリコンに不純物をドーピングした材料であ
るため基板の反射層としても用いられる（光集積光学系
２）。本発明で扱う光が進んでいく透明基板とは、屈折
率が一定の媒質で通常の光の伝搬の現象を利用できる厚
みや大きさを持ったものとする。例えば、ガラスや水晶
などがある。本発明において光学素子を基板に直接製膜
する方法であるゾル−ゲル法とは、一般には、金属アル
コキシド等の金属有機化合物を溶液系で加水分解、重縮
合させて金属−酸素−金属結合を成長させ、最終的に焼
結することにより完成させる無機酸化物の作製方法であ
る。ゾル−ゲル法の特徴は低基板温度で均一な膜が得ら
れることである。さらに溶液から製膜するため基板との
密着性に優れ、また位置合わせが容易である。具体的に
は基板上に金属有機化合物を含む溶液を塗布し、乾燥後
焼結を行う。用いられる金属有機化合物としては、無機
酸化物を構成する金属のメトキシド、エトキシド、プロ
ポキシド、ブトキシド等のアルコキシドやアセテート化
合物等があげられる。硝酸塩、しゅう酸塩、過塩素酸
塩、等の無機塩でも良い。これら化合物から無機酸化物
を作製するには加水分解および重縮合反応を進める必要
があるため塗布溶液中には水の添加が必要となる。添加
量は系により異なるが多すぎると反応が速く進むため得
られる膜質が不均一となり易く、また反応速度の制御が
難しい。水の添加量が少なすぎても反応のコントロール
が難しく、適量がある。さらに、加水分解の加速触媒や
金属原子に配位するキレート剤を添加して反応速度及
び、反応形態の制御ができる。加水分解としては、加水
分解反応に通常使用される酸および塩基が用いられる。
酸触媒は線状重合体を作りやすく、塩基性触媒は三次元
重合体を作りやすいといわれているが、溶液全体の濃度
やｐＨとの兼ね合いで一概にはいえない。また、キレー
ト剤としては、アセチルアセトン、エチルアセトアセテ
ート、ジエチルマロネート等があげられる。溶媒として
は、上記材料が沈殿しないもの、すなわち相溶性に優れ
たものが望ましい。溶液濃度は塗布方法にもよるが、ス
ピンコート法の場合溶液粘度が数ｃＰ〜十数ｃＰとなる
ように調整すると良い。コーティングした膜は焼結する
ことにより有機物の脱離及び結晶化が促進される。焼結
温度は材料により異なるが、通常の金属酸化物粉末の焼
成にかかる温度より低温で作製できる。デバイス構成に
よっては高温で反応または組成変化、構造変化するもの
が多いため、本方法を用いることにより使用可能性がひ
ろがる。製膜のパターン化方法としては、一般的なフォ
トリソグラフィー技術を用いる。特に光学系を構成する
光学素子の全てを１つのフォトマスクで同時に位置合わ
せすると高精度で効率の良いパターニングができる。具
体的には、透明基板を、配置される光学素子部分を残し
てレジストによりマスキングしてゾル−ゲル法により目
的とする無機酸化物膜を作成する。但し、光学素子がＳ
ｏｌ−Ｇｅｌ法により作成されるものでなく市販のもの
を接着して用いる場合には、フォトリソグラフィーの過
程で接着時の位置合わせを容易にするためのアライメン
トマークを付けておけば良い。上記溶液を塗布して乾
燥、焼結により膜を得る。フォトリソグラフィー技術を
用いた他のパターニング方法としては、例えば、基板を
求めるパターンに加工して塗れ性を変えることにより選
択的な塗布を行う方法や、基板を求めるパターンに疎面
化加工し、選択エッチングを経てパターニングする方法
等を用いても良い。前記光集積光学系２においては、基
板面に受光素子を作製し（例えばシリコン基板にイオン
ドープして作製）、これを透明基板とはりあわせした
後、透明基板の対向面に他の光学素子を前記のパターニ
ングによって設ける。本発明の光集積光学系１の１例を
図１で示す。図中１は一方に反射層を設けた透明な基
板、３は入力パターン、４は反射型のレンズ、５は平板
型空間変調素子、６は反射型のレンズ、７は受光素子で
ある。動作は以下のようになる。光は図の矢印のように
基板内を反射しながら進む。半導体レーザーのような光
源をコリメートし、３の入力パターンに対しある入射角
で入射させる。この光は１の基板の反射層で反射し、４
のレンズに入射し収束光となって再び反射層で反射して
５の空間フィルターに入射する。ここで空間周波数フィ
ルタリング、例えばエッジ抽出のためのハイパスフィル
タリングされて、出射しまた反射層で反射し６の平板型
反射レンズに入射してコリメート光となり７の受光素子
に入射する。次に、本発明の光集積光学系２の１例を図
３に示す。図中１は透明基板、２はシリコン基板、３は
入力パターン、４は反射型のレンズ、５は平板型空間変
調素子、６は４とは異なる焦点距離を表わす反射型のレ
ンズ、７は受光素子である。動作は以下のようになる。
光は図の矢印のように基板内を反射しながら進む。半導
体レーザーのような光源をコリメートし、３の入力パタ
ーンに対しある入射角で入射させる。この光は１の基板
の反射層で反射し、４のレンズに入射し収束光となって
再び反射層で反射して５の空間フィルターに入射する。
ここで空間周波数フィルタリング、例えばエッジ抽出の
ためのハイパスフィルタリングされて、出射しまた反射
層で反射し６の平板型反射レンズに入射してコリメート
光となり７の受光素子に入射する。

【０００５】

【実施例】

実施例１ この実施例は、光集積光学系１の製造例である。図１の
光学系を作成した。作成手順を図２のａ〜ｅとして示
す。下部にアルミニウム反射層１３を有する透明ガラス
基板１をレジスト８で図２ａのようなパターンにマスキ
ングした。次にレンズ部、受光部を熱融着性のプラスチ
ックフィルム１０でマスキングし、スリット型偏光子９
を入力部とフィルター部に蒸着により作成した（図２
ｂ）。その上から以下に示す組成のＰＬＺＴ溶液を塗布
した。酢酸鉛１モルに対して酢酸ランタニウム０．１モ
ル、チタニウムテトライソプロポキシドを０．３５モ
ル、ジルコニウムテトラプロポキシドを０．６５モルと
なるように調整したメトキシエタノール溶液（０．２５
ｍｏｌ／リットル）に水を−ＯＲ基と等量、触媒として
硝酸を０．１ｍｏｌ／リットルを添加した（ここで−Ｏ
Ｒ基とは金属有機化合物に結合している有機化合物を表
わす。）。溶液を基板上に塗布した後、１２０℃で１時
間乾燥後さらに６００℃で１時間加熱した。塗布から焼
結までの作業を１０回繰り返して厚さ１μｍのＰＬＺＴ
焼結体１１を作成し、さらにＰＬＺＴの上部に櫛型に電
極１２を付けた（図２ｃ）。次にプラスチックフィルム
１０を剥離して反射型レンズ４、６を以下の手順で作成
した。レンズ部に下記の組成のＳｉＯ₂溶液を塗布し
た。テトラエトキシシラン、水、硝酸、及びポリエチレ
ングリコール（分子量６００）をメトキシエタノールに
溶かした溶液を塗布し、スタンパーを用いた転写を行っ
た後同様に焼結をしてフレネル型レンズを作成し、レン
ズの上部に反射層を付けた（図２ｄ）。最後に受光素子
としてフォトダイオード７をアライメントにより積層し
て平板型光学系を作成した（図２ｅ）。各光学素子の位
置合わせが精密で、かつ安定で小型な光学系が得られ
た。 実施例２ この実施例は、光集積光学系２の製造例である。図３の
光集積光学系を作成した。作成手順を図４ａ〜ｆに示
す。シリコン基板２の受光部にイオンドープして受光素
子７を作製し、透明ガラス基板１とはりあわせ（図４
ａ）、レジスト８で図４ｂのようなパターンにマスキン
グした。次にレンズ部を熱融着性のプラスチックフィル
ム１０でマスキングし、スリット型偏光子９を入力部と
フィルター部に蒸着により作成した（図４ｃ）。この上
から以下に示す組成のＰＬＺＴ溶液を塗布した。酢酸鉛
１モルに対して酢酸ランタニウム０．１モル、チタニウ
ムテトライソプロポキシドを０．３５モル、ジルコニウ
ムテトラプロポキシドを０．６５モルとなるように調整
したメトキシエタノール溶液（０．２５ｍｏｌ／リット
ル）に水を−ＯＲ基と等量、触媒として硝酸を０．１ｍ
ｏｌ／リットルを添加した（ここで−ＯＲ基とは金属有
機化合物に結合している有機化合物を表わす。）。溶液
を基板上に塗布した後、１２０℃で１時間乾燥後さらに
６００℃で１時間加熱した。塗布から焼結までの作業を
１０回繰り返して厚さ１μｍのＰＬＺＴ焼結体１１を作
成し、さらにＰＬＺＴの上部にマトリックス状に電極１
２を付けた（図４ｄ）。次にプラスチックフィルム１０
を剥離して反射型レンズ４、６を以下の手順で作成し
た。レンズ部に下記の組成のＳｉＯ₂溶液を塗布した。
テトラエトキシシラン、水、硝酸、及びポリエチレング
リコール（分子量６００）をメトキシエタノールに溶か
した溶液を塗布し、スタンパーを用いた転写を行った後
同様に焼結をしてフレネル型レンズを作成し、レンズの
上部に反射層を付けた（図４ｅ）。各光学素子の位置合
わせが精密で、かつ安定で小型な光学系が得られた。

【０００６】

【効果】本発明の光集積光学系１は、（１）平板型の少
なくとも１つの光学素子を直接透明基板上にゾル−ゲル
法により製膜して集積させることにより密着性に優れた
小型な光学系を作成することができ、また（２）光学系
を構成する基板上の全ての光学素子を１つのマスクを用
いて同時にパターニングして製膜することにより、平板
型光学素子を高精度でかつ効率良く位置合わせすること
を可能にした。本発明の光集積光学系２は、（１）１つ
の透明基板上に少なくとも発光素子と平板型レンズと平
板型空間変調素子を配置し、透明基板をはさんで対向す
る面に受光素子を配置することにより正確な位置合わせ
ができ、（２）平板型の光学素子を直接透明基板上にゾ
ル−ゲル法により製膜して集積させることにより密着性
に優れた小型の光学系を作成することができ、また
（３）光学系を構成する基板上の全ての光学素子を１つ
のマスクを用いて同時にパターニングして製膜すること
により、光学素子を高精度でかつ効率良く位置合わせす
ることを可能にした。

【図面の簡単な説明】

【図１】透明な基板上に発光素子、平板型レンズ、平板
型空間変調素子および受光素子が配置されている本発明
の光集積光学系の１具体例の斜視図。

【図２】ａ〜ｅは図１の光集積光学系の製造工程図。

【図３】透明な基板上に発光素子、平板型レンズおよび
平板型空間変調素子が配置され、透明基板をはさんで対
向する基板面に受光素子が配置されている本発明の光集
積光学系の１具体例の斜視図。

【図４】ａ〜ｆは図３の光集積光学系の製造工程図。

【符号の説明】

１ 透明ガラス基板 ２ シリコン基板 ３ 入力パターン ４ 平板型レンズ ５ 平板型空間変調素子 ６ 平板型レンズ ７ 受光素子 ８ レジスト ９ スリット型偏光子 10 熱融着性プラスチックフィルム 11 ＰＬＺＴ焼結体 12 櫛型電極 13 アルミニウム反射層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤村 格 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 １つの透明基板上に少なくとも発光素
   子、平板型レンズ、平板型空間変調素子および受光素子
   が配置され、その光学素子の少なくとも１つがゾル−ゲ
   ル（Ｓｏｌ−Ｇｅｌ）法により基板に直接製膜されてい
   ることを特徴とする光集積光学系。 【請求項２】 １つの透明基板上に少なくとも発光素
   子、平板型レンズおよび平板型空間変調素子が配置さ
   れ、透明基板をはさんで対向する面に受光素子が配置さ
   れたことを特徴とする光集積光学系。 【請求項３】 １つの透明基板上に設ける平板型の光学
   素子の少なくとも１つをゾル−ゲル法により直接基板上
   に製膜し、かつ透明基板上の全ての光学素子を１つのマ
   スクを用いて同時にパターニングして製膜することを特
   徴とする請求項１および２記載の光集積光学系の製法。