JP4352133B2 - 隣接した光学部品の接着法 - Google Patents

Description

本発明は、隣接した光学部品の接着法に係り、とくに化学気相成長（chemical vapor
deposition；ＣＶＤ）を利用した隣接した光学部品の接着法に関する。

シリカガラス微小球とその整列構造は、光回路やセンサー等、先端的光デバイス製作に有用である。しかし、微小球列に光を伝送させる場合、ウィスパリング・ギャラリー・モード（Wispering Gallery Mode）に代表されるように、微小球同士の接触が重要であり、振動等により隙間が形成されては安定な光伝送は実現できない。そこで最近、基板にＶ字溝を予め形成し、そこに微小球を整列させることにより、ウィスパリング・ギャラリー・モードを介した光遅延回路が実現している。しかし現状では、いずれの手法においても、微小球同士の接着がされていないため、使用には制限がありそれが実用化への障害となり得る。

従来の方法では困難とされてきた、微小球列を代表とする隣接した光学部品同士を接着することを可能にする、光学部品の接着法の確立を課題とする。

本発明は、上記の点に鑑み、微小球列等の隣接した光学部品を相互に確実に接着可能な接着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の態様に係る隣接した光学部品の接着法は、材料を球状光学部品同士の間隙に化学気相成長させることを特徴としている。

本発明の第２の態様に係る隣接した光学部品の接着法は、球状光学部品と同一もしくは類似の材料、あるいは同一もしくは類似の屈折率の材料を、前記光学部品同士の間隙に化学気相成長させることを特徴としている。

本発明の第３の態様に係る隣接した光学部品の接着法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、４００ｎｍ以下の波長域を含む光を照射し、前記化合物から放出される気体を利用して、球状光学部品同士の間隙に酸化ケイ素膜を形成することを特徴としている。

本発明の第４の態様に係る隣接した光学部品の接着法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物上に、隣接した球状光学部品を配置し、４００ｎｍ以下の波長域を含む光を照射して、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物上に前記光学部品を接合するとともに、前記化合物から放出される気体を利用して、前記光学部品同士の間隙に酸化ケイ素膜を形成することを特徴としている。

本発明の第５の態様に係る隣接した光学部品の接着法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物と、形成膜の屈折率を変化させるための元素を含む材料とに、４００ｎｍ以下の波長域を含む光を同時に又は個別に照射し、前記化合物及び材料から放出される気体を利用して、球状光学部品同士の間隙に屈折率を変化させるための元素を含む酸化ケイ素膜を形成することを特徴としている。

本発明の第６の態様に係る隣接した光学部品の接着法は、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物上に、隣接した球状光学部品を配置し、前記化合物と、形成膜の屈折率を変化させるための元素を含む材料とに、４００ｎｍ以下の波長域を含む光を同時に又は個別に照射して、前記化合物上に前記光学部品を接合するとともに、前記化合物及び材料から放出される気体を利用して、前記光学部品同士の間隙に屈折率を変化させるための元素を含む酸化ケイ素膜を形成することを特徴としている。

前記第３又は４の態様において、前記化合物及び前記光学部品が減圧した容器内に設置されているとよい。

前記第５又は６の態様において、前記化合物、前記材料及び前記光学部品が減圧した容器内に設置されているとよい。

本発明によれば、従来困難とされてきた微小球列を代表とする隣接した光学部品同士を、任意の材料（特に好ましくは光学部品と同一もしくは類似の材料、あるいは同一もしくは類似の屈折率の材料）を前記光学部品同士の間隙に化学気相成長させることで接着することを可能にする光学部品の接着法が確立でき、光デバイス製作の基盤技術として利用可能である等、フォトニクスにおいて必要不可欠な技術となる。また本発明は、これら光工学の分野にとどまらず、今後マイクロ・ナノマシーニング技術を利用して発展するデバイス製作の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、隣接した光学部品の接着法の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は本発明に係る隣接した光学部品の接着法の実施の形態１を示す。この図において、真空容器１内は真空排気手段により実質的に真空状態に減圧されており、この内部にＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としてのシリコーンゴム１０及びシリコーンゴム１０上に互いに隣接するように配列された光学部品としての多数のシリカガラス微小球２０が収容されている。ここで、光学部品とは、光の透過、屈折又は反射機能の少なくともいずれかを有するものであり、シリカガラス微小球２０は光を透過させる材質である。また、ここで、「隣接」とは、微小球が相互に接触していることに限定されず、相互に近接している状態も含むものとする。

前記真空容器１には外部より４００ｎｍ以下（紫外線及びそれよりやや長い波長）の波長域を含む光をシリコーンゴム１０及びシリカガラス微小球２０に照射するために、ＭｇＦ_２入射窓２が設けられている。前記４００ｎｍ以下の波長域を含む光をシリコーンゴム１０及びシリカガラス微小球２０に照射する露光光源としては例えばＦ_２レーザーが使用でき、Ｆ_２レーザー使用の場合、波長１５７ｎｍのレーザー光がシリコーンゴム１０及びシリカガラス微小球２０に照射されることになる。なお、４００ｎｍ以下の波長域を含まない光照射では、シリコーンゴム１０からの低分子量シリコーンガスの放出が不十分であり好ましくない。

前記真空容器１にはさらに不活性ガスの導入手段としてのガス導入パイプ３が貫通し、真空容器１内にＨｅ等の不活性ガスを導入可能となっている。

上記構成を用いた隣接した光学部品としてのシリカガラス微小球同士の接着は以下のようにして行う。

真空容器１内のシリコーンゴム１０上にシリカガラス微小球２０を整列配置した状態で、真空容器１内を排気して真空近くまで減圧し、真空容器１に付属しているＭｇＦ_２入射窓２を通してシリカガラス微小球２０の上方より４００ｎｍ以下の波長域を含む光を露光光源よりシリコーンゴム１０及びシリカガラス微小球２０に向けて照射（露光）する。光照射中、微量の不活性ガスをガス導入パイプ３からシリカガラス微小球２０の表面に吹き付け、シリカガラス微小球間隙部分でのみ化学気相成長が起こるようにする。その結果、まずシリカガラス微小球２０とシリコーンゴム１０との界面でシリカガラスへの光化学改質に伴う接合が起こり、シリカガラス微小球２０とシリコーンゴム１０とが固定される。さらに、減圧下でのシリコーンゴム１０への波長４００ｎｍ以下の光照射により、低分子量シリコーンガスが放出され、そのシリコーンガスと残留酸素ガスとが照射光により光分解されると同時に、前記照射光により表面励起されたシリカガラス微小球２０の間隙部分で化学気相成長が起こり、シリカガラス微小球同士をシリカガラス（酸化ケイ素）膜によって接着する。

この実施の形態１によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としてのシリコーンゴム１０上に、隣接した光学部品としてのシリカガラス微小球２０を整列配置し、それらに波長４００ｎｍ以下の光を照射して、シリコーンゴム１０上に各シリカガラス微小球２０を接合するとともに、シリコーンゴム１０から放出される低分子量シリコーンガスを利用して、シリカガラス微小球同士の間隙に化学気相成長による酸化ケイ素膜を形成して隣接シリカガラス微小球同士の接着が可能である。つまり、従来困難とされてきた微小光学部品同士の接着が可能となる。

(2) この場合、光学部品としてのシリカガラス微小球２０に対して、化学気相成長による酸化ケイ素膜はシリカガラス微小球２０と同一もしくは類似の材料（組成の大部分が同じ材料）に相当し、所要の光透過率を有するから、ウィスパリング・ギャラリー・モードに代表されるような、微小球同士の接触が重要な光デバイス製作に適用可能になる等、その用途は電気、電子のみならずあらゆる分野で有用である。

図２は本発明の実施の形態２であって、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としてのシリコーンゴム１０とは別に、形成膜（シリカガラス微小球同士を接着する膜）の屈折率を変化させるための元素（例えばフッ素）を含む材料（例えばフッ素樹脂）３０を真空容器１内に配置する。その他の構成は図１の実施の形態１と同様であり、同一又は相当部分に同一符号を付して説明を省略する。

上記構成を用いた隣接した光学部品としてのシリカガラス微小球同士の接着は以下のようにして行う。

真空容器１内のシリコーンゴム１０上にシリカガラス微小球２０を整列配置した状態で、真空容器１内を排気して真空近くまで減圧し、真空容器１に付属しているＭｇＦ_２入射窓２を通してシリカガラス微小球２０の上方より４００ｎｍ以下の波長域を含む光を露光光源よりシリコーンゴム１０、材料３０及びシリカガラス微小球２０に向けて照射（露光）する。光照射中、微量の不活性ガスをガス導入パイプ３からシリカガラス微小球２０の表面に吹き付け、シリカガラス微小球間隙部分でのみ化学気相成長が起こるようにする。その結果、まずシリカガラス微小球２０とシリコーンゴム１０との界面でシリカガラスへの光化学改質に伴う接合が起こり、シリカガラス微小球２０とシリコーンゴム１０とが固定される。さらに、減圧下でのシリコーンゴム１０への波長４００ｎｍ以下の光照射により、低分子量シリコーンガスが放出され、そのシリコーンガスと残留酸素ガスとが照射光により光分解されると同時に、前記照射光により表面励起されたシリカガラス微小球２０の間隙部分で化学気相成長が起こるが、このとき形成膜の屈折率を変化させる元素を含むガスが材料３０から放出されているため、シリカガラス微小球２０の間隙部分で化学気相成長する形成膜は前記屈折率を変化させる元素を含有したシリカガラス（酸化ケイ素）膜となる。

なお、材料３０への光照射はシリコーンゴム１０への光照射と同時でもよいし、別々に光照射してもよく、例えば材料３０への光照射を先に行うようにすることもできる。

この実施の形態２によれば、実施の形態１の効果に加えて次の通りの効果を得ることができる。

(1) Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物としてのシリコーンゴム１０上に、隣接した光学部品としてのシリカガラス微小球２０を配置し、シリコーンゴム１０と、形成膜の屈折率を変化させるための元素（例えばフッ素）を含む材料（例えばフッ素樹脂）３０とに、波長４００ｎｍ以下の光を同時に又は個別に照射して、シリコーンゴム１０上に各シリカガラス微小球２０を接合するとともに、シリコーンゴム１０及び材料３０から放出される気体を利用して、シリカガラス微小球同士の間隙に屈折率を変化させるための元素を含む酸化ケイ素膜を形成可能である。

(2) この結果、微小光学部品同士を所要屈折率の形成膜で接着でき、多様な光デバイス製作に適用可能となる。

なお、実施の形態１及び実施の形態２は光学部品としてのシリカガラス微小球と同一又は類似の材料である酸化ケイ素膜を化学気相成長させた例であるが、光学部品と材料の組成は異なっても屈折率が同一もしくは類似（近似）の材料を、前記光学部品同士の間隙に化学気相成長させるようにしてもよい。

また、実施の形態１，２において、真空近くまで減圧された真空容器を使用する代わりに、大気中において光学部品と同一もしくは類似の材料、あるいは同一もしくは類似の屈折率の材料を、前記光学部品同士の間隙に化学気相成長させることも可能である。但し、形成膜の材料を含む物質と光学部品との距離が近接していること（例えば１ｍｍ以下）が必要で、配置の自由度は無くなる。真空容器を用いた方が形成膜の質は良好となる。

以下、本発明の隣接した光学部品の接着法を実施例１で詳述する。

図１は、実施例１の概略を示している。光学部品としての直径２．５μｍのシリカガラス製微小球２０を分散させたアルコール溶液を、厚さ２ｍｍのシリコーンゴム１０（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物の例）上に置かれたシリカガラス製細丸棒に沿って滴下し、アルコールの蒸発に伴う自己整列効果によりシリコーンゴム１０上にシリカガラス微小球２０を整列させた。

その後、試料を真空容器１としてのステンレス製容器内に保持し、真空排気手段としての油回転ポンプにより０．２Torrまで真空排気した。そしてＦ_２レーザー（波長１５７ｎｍ）を、容器に付属しているＭｇＦ_２入射窓２を通して、シリカガラス微小球上方より照射した。レーザー照射条件は、フルエンス（エネルギー密度）が約１０ｍＪ／ｃｍ^２（アブレーションしきい値以下）、パルス繰り返し周波数１０Ｈｚ、照射時間５分であった。

シリコーンゴム１０及びシリカガラス微小球２０へのＦ_２レーザー光の照射中、微量の不活性ガス（Ｈｅガス）をシリカガラス微小球表面に吹きつけ、微小球間隙部分でのみレーザー化学気相成長が起こるようにした。

その結果、まずシリカガラス微小球２０とシリコーンゴム１０との界面でシリカガラスへの光化学改質に伴う接合が起こり、微小球２０とシリコーンゴム１０とが固定された。さらに、減圧下でのシリコーンゴム１０へのＦ_２レーザー光照射により、低分子量シリコーンガスが放出され、そのシリコーンガスと残留酸素ガスとがＦ_２レーザー光分解されると同時に、Ｆ_２レーザー光により表面励起されたシリカガラス微小球２０の間隙部分で化学気相成長が起こり、シリカガラス微小球同士をシリカガラス（酸化ケイ素）膜によって接着できることが判明した。

図３は本発明によりＳｉＯ_２微小球（シリカ微小球）同士をＳｉＯ_２膜で接着した実例の拡大写真図である。微小球同士が確実に化学気相成長による形成膜で接着されていることがわかる。

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。

本発明に係る隣接した光学部品の接着法の実施の形態１及び実施例１を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態２を示す概略構成図である。 本発明によりＳｉＯ_２微小球（シリカ微小球）をＳｉＯ_２膜で接着した実例の拡大写真図である。

符号の説明

１ 真空容器
２ 入射窓
３ ガス導入パイプ
１０ シリコーンゴム
２０ シリカガラス微小球
３０ 材料

Claims (8)

1. 材料を球状光学部品同士の間隙に化学気相成長させることを特徴とする隣接した光学部品の接着法。
2. 球状光学部品と同一もしくは類似の材料、あるいは同一もしくは類似の屈折率の材料を、前記光学部品同士の間隙に化学気相成長させることを特徴とする隣接した光学部品の接着法。
3. Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物に、４００ｎｍ以下の波長域を含む光を照射し、前記化合物から放出される気体を利用して、球状光学部品同士の間隙に酸化ケイ素膜を形成することを特徴とする隣接した光学部品の接着法。
4. Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物上に、隣接した球状光学部品を配置し、４００ｎｍ以下の波長域を含む光を照射して、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物上に前記光学部品を接合するとともに、前記化合物から放出される気体を利用して、前記光学部品同士の間隙に酸化ケイ素膜を形成することを特徴とする隣接した光学部品の接着法。
5. Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物と、形成膜の屈折率を変化させるための元素を含む材料とに、４００ｎｍ以下の波長域を含む光を同時に又は個別に照射し、前記化合物及び材料から放出される気体を利用して、球状光学部品同士の間隙に屈折率を変化させるための元素を含む酸化ケイ素膜を形成することを特徴とする隣接した光学部品の接着法。
6. Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を含む化合物上に、隣接した球状光学部品を配置し、前記化合物と、形成膜の屈折率を変化させるための元素を含む材料とに、４００ｎｍ以下の波長域を含む光を同時に又は個別に照射して、前記化合物上に前記光学部品を接合するとともに、前記化合物及び材料から放出される気体を利用して、前記光学部品同士の間隙に屈折率を変化させるための元素を含む酸化ケイ素膜を形成することを特徴とする隣接した光学部品の接着法。
7. 前記化合物及び前記光学部品が減圧した容器内に設置されている請求項３又は４記載の隣接した光学部品の接着法。
8. 前記化合物、前記材料及び前記光学部品が減圧した容器内に設置されている請求項５又は６記載の隣接した光学部品の接着法。