JPS61201201A - 屈折率分布型レンズ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は屈折率分布型レンズ及びその製造方法に係り、
特にレンズの収差が小さく、高開口数化が可能な屈折率
分布型”レンズ及びその製造方法に関する。

〔発明の背景〕

近年、光ファイバを伝送媒体にした光通信システムが本
格的な実用段階を迎えつつある。光フアイバ伝送路は広
帯域でかつ低伝送損失などの特徴があり、産業やあらゆ
る技術分野への広範囲な適用が検討されている。光通信
システムを構成するには、半導体レーザやホトダイオー
ドなどの受発光素子および光スィッチ、光カプラ、光合
分波器。

光コネクタなどの光部品が必要不貞」欠である。

そして、これらの光部品を構成するためには、レンズ、
プリズム、回折格子などの光学系が不可欠の構成要素と
なっている。すなわち、半導体レーザに直径数μｍφの
光ファイバを効率良く結合させるためには凸レンズもし
くは球レンズが広く用いられている。しかし、半導体レ
ーザの発光部も又、わずか数μｍの大きさであるため、
凸レンズもしくは球レンズとの光軸合せに三次元調整が
必要となシ、しかもその調整精度はザブミクロンが要求
される。それ故、光部品の生産性、経済性など種々の問
題があった。

一方、特開昭４９−２４４７　、特開昭５４−１０９４
５６３頁 などに記載されているように、円柱の中心軸について軸
対称、連続でしかも径方向に単調に減少する屈折率分布
を有するレンズがロッドレンズとして提案され、光部品
などに使用されている。上記した屈折率分布型ロッドレ
ンズは、媒質内の屈折率分布で光線を屈折させるため、
入出力端が平面で良い特徴がある。屈折率分布型ロッド
レンズの製法として、ガラスのイオン交換性１分子スタ
ッフインク法、ＣＶＤ法などが報告されているが、中で
もガラスのイオン交換によるものが最も一般的である。

しかし、イオン交換の際、長時間の高温処理全必要とし
、しかも多くの製造工程が必要で、生産性に劣っていた
。さらに、イオンの拡散係数は、イオンの種類、ガラス
の組成、イオン交換の温度１時間に大きく依存するため
、所望の屈折率分布を得ることが困難であり、ひいては
レンズの収差が増加する欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、レンズの収差が小さく、開口数が大き
く、シかも、製造工程が簡単な屈折率分布型レンズ及び
その製造方法を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明はカルコゲナイドガラス基板の所望個所を屈折率
が連続的に変化する領域とし、該領域にレンズ効果をも
たせた屈折率分布型レンズであシ、上記連続的に屈折率
が変化する領域全形成するのに電子ビームの照射による
屈折率分布型レンズの製造方法である。

ここで、屈折率分布型レンズは、屈折率が光軸に対して
半径方向にほぼ二乗分布で変化しているレンズ状媒質を
云い、子午線に対して光路差を生じない理想分布は（１
）式となることが知られている。

ｎ”（ｒ）＝　ｎ０２ｓｅｃｂ２（ｇｒ）−ｎ。”（１
−（ｇｒ）２＋ｈ１１（ｇｒ）ｌｌ＋ｈ６（ｇｒ）６＋
−−−−−暑・（１）ここで、ｎｏは中心軸上の屈折率
、ｇは二乗分布係数、ｈｌｌ、ｈ６は各々４次項係数、
６次項係数であり、光の集束特性に影響を与える収差の
係数である。しかし、通常は厳密な収差全問題にしない
かぎシ、１１１項以上の高次項を無視しても結像系の計
算には支障ないとされている。そこで、屈折率５　□ 分布は（２）式のような近似式で表わすことができる。

ｎ（ｒ）＝ｎ□（１−タｒ２）　　　　　　・・・・・
・（２）また、レンズ性能の要求として、開口数（ＮＡ
）の増大かめる。屈折率分布型レンズのＮＡは（３）式
の関係が知られている。

ＮＡ＝〆匠訴覇　　　　　　　　　　・・・・・・（３
）ここで、Δｎは屈折率差を示す。したがって開口数を
増大させるには、（３）式から明らかなようにｎ□、Δ
ｎを大きくすれば良い◇ 次に、カルコゲナイドガラスとは、硫黄、セレン、テル
ル全台むアモルファス材料全般の呼称でおる。具体的に
はＡａ２Ｊ、Ａｓ２Ｓｅ５、Ａｓ５Ｓｅ、ｙ、Ｇｅ５ｌ
１１Ａｓ２Ｔｅ５、　ＧｅＴｅ、　　Ｇｅ１６Ａｓ５５
Ｔｅ２ａＳ２１．　　ＣｄＳｅ、　　Ｇｅ５２−。

Ｎａ２５ｅなどでちゃ、屈折率は２．１〜３．１である
。なかでもＡ３２Ｓ５、Ａｓ２Ｓｅ３は電子ビームを照
射した時の屈折率変化が約４％と大きいので好ましい。

カルコゲナイドガラスの製法はＡ８、Ｓ、Ｓｓ　　など
の元素を真空中で加熱して溶融し、これを急冷してガラ
ス化したものを用いた。作成条件は真空度ｌＸ１０−’
〜ＩＸ１０−７ｍＨｇｓ加熱温度７００〜１０００℃６
頁 であり、好ましくは真空度ｌＸｌ０−５〜ｌ　Ｘ　１０
−６、加熱温度８００〜９００℃である。

このようにして作られたカルコゲナイドガラス基板の表
面は鏡面研磨（ボリシング）される。鏡面研磨は１１Ｊ
ｍ以下の大きさの酸化セリウム（砥粒）を水などに懸濁
させた研磨剤と軟質工具のポリシャを用いて行ない、１
００１００ＡＲ以下の鏡面に仕上げる。

次に、カルコゲナイドガラス基板の所望個所に電子ビー
ムを照射する際、電子ビームによって、ガラス基板の被
照射個所に蓄積された電荷を逃がさなければ、連続して
電子ビームの照射はできない。ガラス基板に電荷の蓄積
を防止する方法は電子ビームの照射前に、ガラス基板表
面に導電性薄膜を設けてやればよい。

具体的には、第１の方法として、Ｉｎ２Ｏ５，５ｎ０２
、ＴｉＯ２およびＡｕなどの透明導電性薄膜をカルコゲ
ナイドガラス基板上にスピンコード法、蒸着法。

スパッタリング法などで形成する。なかでもＩｎ２Ｏ３
はＩｎ有機錯体をスピンコードする方法で容易に薄７　
　頁 膜が形成できるため特に重要である。スピンコードの条
件は回転数１０００〜５０００　ｒｐｍ、塗布時間１０
〜６０　ｓｅｃ　、膜厚１０００−５０００　Ｎであり
、好ましくは回転数２０００〜４０００ｒｐｍ１　　塗
布時間２０〜４０８ｅＣＸ膜厚２０００〜４０００　Ｘ
である。甘だ、真空蒸着の条件は、基板温度２５〜９０
℃、真空度１×１０〜Ｉ　Ｘ　１０−７ｍｍ　Ｈｇ　、
成膜速度１０−５０　Ａ／ｓｅｅ　、膜厚１０００−５
０００λであり、好１しくは、基板温匿４０〜６０℃、
真空度ｌＸ１０−〜Ｉ　Ｘ　１０　ｍｍＨｇ　％成膜速
度側〜３０Ａ。

膜厚２０００〜４０００　Ａである。

カルコゲナイドガラス基板表面に導電性薄膜を形成する
第２の方法は、一般に安価で操作が答易なＡｔの真空蒸
着法である。真空蒸着の条件は基板温度全室温とし、真
空度１×１０〜５　Ｘ　１０　　ｍＨｇ　％膜厚５０〜
３００Ａであり、好ましくは真空度５Ｘ１０’〜５×１
０　醪Ｈｇ　％膜厚１００〜２００Ａ　である。

なお、上記第２の方法において、電子ビームによジカル
コゲナイドガラスの所望の屈折率分布領域を形成した後
には、導電性薄膜をエツチングなどにより除去する必要
がある。

カルコゲナイドガラスに所定の屈折率分布全形成する方
法は加速電圧５０〜１２５　ＫＶ　、スポット径０６１
〜１μｍの電子ビーム、好ましくは加速電圧７５〜１０
０ＫＶ、スポット径０．２〜０．５μｍの電子ビームを
電子ビーム描画装置を用いてカルコゲナイドガラスに照
射する。

なお、カルコゲナイドガラス（屈折率ｎ）に電子ビーム
を照射した場合、照射前後の屈折率差をΔｎとすると、
Δｎと照射電荷量Ｑとの関係は（４）式に従うことを確
認した。

ム＝１．８ＸＱ　　（チ）　　　　　・・・・・・（４
）したがって、所定の屈折率分布は照射電荷量の制御に
より容易に形成することができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

実施例１ 第１図に示すように、両面が光学研磨されたＡ３２Ｓ３
製カルコゲナイドガラス基板１會用い、真空蒸着法によ
りｒｎ２ｏ５腹２を形成した。真空蒸着の条件は、基板
温度４０℃、真空度５　Ｘ　１０　ｍ＋ａＨｇ　。

９頁 成ＩＱ％度３０　Ｘ／ｓｅｅ、　Ｍ厚３０００　Ｘ　ト
Ｌ　タ。

なお、Ａ３２Ｓ３カルコゲナイドガラスは、ＡｓとＳの
粉末を真空中で８００℃で加熱して溶融し、これを急冷
してガラス化したものを用いた。

次に、上記カルコゲナイドカラス基板１上に加速電圧８
０　ＫＶ　、　　スポット径０．２μｍの電子ビーム３
を照射し、第２図に示すように屈折率分布領域４を形成
する。具体的には、第３図に示すように、屈折率分布が
前述した（１）式に従うように、照射部の電荷量を（４
）式に基づいて制御することにより達成される。

第４図に作成した屈折率分布型レンズの一例を示す。そ
の結果、直径０．５ｍＭ焦点距離２ヨ、開口数ＮＡ　＝
　０．２２のレンズが得られた。

実施例２ 実施例１と同様にして、Ａｓ２８３カルコゲナイドガラ
ス基板１上に、厚さ約５０００　ＸのＩｎ２Ｏ５膜２を
形成し、加速電圧８０ＫＶ、スポット径０．２μｍの電
子ビーム３を照射し、屈折率分布領域４を形成した屈折
率分布型レンズを第５図に示すように背中合１０　　□ せに２枚積層した。その結果、焦点距離１．７ｍＭ。

ＮＡ　＝　０．３７のレンズが得られた。

実施例３ 実施例１と同様にして、Ａｓ　２８うカルコゲナイドガ
ラス基板１上に厚さ約３００ＯＡのｒｎ２ｏ５膜２を形
成し、加速電圧８０ＫＶ　、スポット径０，２μｍの電
子ビーム３を照射し、第６図に示すように屈折率分布領
域６をアレイ状に形成した。その結果、レンズ直径０．
５ｍＭ、レンズピッチ１　ｍ、　　ＮＡ　Ｏ，２のレン
ズ集合体が得られた。

実施例４ 第７図は本発明の他の実施例を示し、屈折率分布領域４
を半円柱状に形成したレンズ体としての応用例を示す。

具体的には、実施例１と同様にして、Ａ３２Ｓ３カルコ
ゲナイドガラス基板１上に厚さ約３ｏｏｏ　ＸのＩｎ２
Ｏ３膜２を真空蒸着法により形成し加速電圧８０ＫＶ、
スポット径０．２μｍの電子ビーム３を、ガラス基板１
又は電子ビームを一方向に移動させつつ照射し、半円柱
状の屈折率分布領域６を形成した。

１１　　。

上記した屈折率分布レンズ全第８図に示すように、２枚
背中合わせに積層することにより、ＮＡＯ０４５のレン
ズ特性が得られた。

実施例５ 第９図は本発明の他の実施例を示し、受発光素子および
その駆動回路を搭載したハイブリッド型光モジュールと
しての適用例を示す。第９図において、実施例１と同様
にしてＡａ２ｓ３カルコゲナイドガラス基板１上に、厚
さ約３０００Ｘの１ｎ２ｏ５膜３をスピンコード法で形
成し、加速電圧８０ＫＶ、スポット径０．２μｍの電子
ビーム３を照射し、屈折率分布領域４を形成した屈折率
分布型レンズ２枚を背中合わせに積層し、同軸結像光学
系を形成する。

さらに、一方のカルコゲナイドガラス基板１上に、発光
素子５、受光素子６および駆動■Ｃ７、配線８を従来の
半導体製造技術を適用して形成する。他方のカルコゲナ
イドガラス基板１上に出力用光ファイバ９および入力用
光ファイバ１０を結合させることにより、ハイブリッド
型光モジュールが得られる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、従来品に比べて、
簡便かつ低収差、高量「】数な屈折率分布型レンズが安
価に形成できる。

さらに本発明で明らかにした屈折率分布型レンズの作成
方法は、光通信用部品のみならず、さまざまな画像機器
の形成に役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の実施態様の説明図で、屈折
率分布型レンズの製作過程を示す図で、第１図乃至第２
図及び第４図は断面図、第３図は斜視図である。第５図
は本発明の他の実施態様の説明で、本発明に係わる屈折
率分布型レンズ２枚を合わせて構成した屈折率分布型レ
ンズの断面図である。第６図はカルコゲナイド基板表面
にプレイ状に屈折率分布型レンズを形成した基板の斜視
図、第７図は本発明の他の実施態様の説明図で、半円柱
状レンズをカルコゲナイドガラス基板に形成する過程を
示す斜視図、第８図は本発明に係わる半円柱状レンズを
２枚合わせて形成した円柱状１３、。 レンズの断面図、第９図は本発明に係わるレンズを使用
して形成した光部品の断面図である。 １・・カルコゲナイドガラス基板、２・・・Ｉｎ２Ｏう
薄膜、３・・・電子ビーム、４・・・屈折率分布領域（
レンズ）、５・・・発光素子、６・・・受光素子、７・
・・Ｉｃ、８・・・配線、９，１０・・・光ファイバ。 代　理　　人　　　秋　　本　　正　　実第１図 ２２図 第３図 第４図 ２　　ど 第６図 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、カルコゲナイドガラス基板の所望個所に上記ガラス
   基板の屈折率と異なる所定の屈折率分布を有する領域を
   設けたことを特徴とする屈折率分布型レンズ。 ２、カルコゲナイドガラス基板の表面に導電性薄膜を設
   けた後、上記基板の所望個所に電子ビームを所定量照射
   し、上記電子ビームが照射された上記ガラスの屈折率を
   所定の屈折率分布に変えることを特徴とする屈折率分布
   型レンズの製造方法。