JP4318073B2

JP4318073B2 - 光学素子およびこの光学素子を用いた光ファイバ光学系

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Publication number: JP4318073B2
Application number: JP2003160750A
Authority: JP
Inventors: 徹中村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: JP2004361724A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なる材料を積層させて構成する積層型の光学素子及びこの光学素子を用いた光ファイバ光学系に関する。また本発明は、このような積層型の光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信で用いられる光デバイスを光信号の伝送路である光ファイバに結合させる手段として、従来、マイクロレンズと称される微小な光学素子（レンズ）が知られている。このマイクロレンズには種々の形態のものが知られており、ロッドレンズを利用したもののほか、表面に回折光学素子を形成したもの等が知られている。
【０００３】
また、このような光学素子を用いて光デバイスと光ファイバとを結合させる光ファイバ光学系においては、光ファイバに入射させる光のうちの一部を取り出して（反射させて）この光量等を検出する（モニターする）ことにより、光ファイバに入射する光量を最適なものにする構成を有していることが好ましい。このようなモニター用の光の抽出、すなわち光の反射は、光ファイバの入射端面において行うのでもよいが（例えば下の特許文献参照）、光学素子の表面に設けた光反射用の光学薄膜（いわゆる反射膜）において行うのであってもよい。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２７７６９５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにモニター用の光を反射させるための光学薄膜を有した光学素子においては、光学薄膜が使用環境の影響を強く受けることから耐久性が極めて低く、クラック（亀裂）や剥離が生して使用寿命が短くなるという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、光学薄膜に生ずるクラックや剥離の発生を防止して使用寿命の長期化を図ることが可能な構成の光学素子及びその製造方法を提供することを目的としている。また、本発明は、このような光学素子を効率よく製造することが可能な光学素子の製造方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明の光学素子は、基板と、前記基板の一の表面に密着して設けられた光学薄膜と、一面側の一部が前記基板の前記一の表面に密着し、かつ前記一面側の他の一部が前記光学薄膜と密着するように設けられた第１の樹脂層と、前記基板における前記一の表面とは反対側の表面に密着して設けられた第２の樹脂層とを備え、前記第１の樹脂層および前記第２の樹脂層のうち、一方の樹脂層には前記基板と密着した面と反対側の面に回折格子が形成され、他方の樹脂層には前記基板と密着した面と反対側の面に回折格子又はレンズが形成されたことを特徴とする。
【０００８】
上記光学素子において、前記光学薄膜が金、銀及びアルミニウムのうちの少なくとも一つを含む反射膜からなるのが好ましい。
【０００９】
上記光学素子において、前記光学薄膜が透過型フィルター膜であることが好ましい。
【００１０】
上記光学素子において、前記レンズ又は回折格子が前記第１の樹脂層又は前記第２の樹脂層に複数配設されるのが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る光ファイバ光学系は、光デバイス、光ファイバ及び前記光デバイスと前記光ファイバとの間を結合する光結合素子とを有して構成される光ファイバ光学系において、前記光結合素子が上述した光学素子を含んで構成されるのが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る光学素子を平面図及び断面図（但し、一部を除いてハッチングは省略））により示したものであり、図１（Ａ）に示す光学素子１０を第１実施形態に係る光学素子、図１（Ｂ）に示す光学素子１１０を第２実施形態に係る光学素子、図１（Ｃ）に示す光学素子１１０′を第３実施形態に係る光学素子として説明する。
【００２２】
第１実施形態に係る光学素子１０は、平行な二つの表面２１，２２を有した基板２０と、この基板２０の一の表面（右面）２１に密着して設けられた光学薄膜３０と、一面（左面）側の一部４１が基板２０の上記一の表面２１に密着し、かつ上記一面側の他の一部４２が光学薄膜３０と密着するように設けられた樹脂成形層４０（請求の範囲における第１の樹脂層に相当）とを備えて構成されている。ここで、光学薄膜３０は基板２０の一の表面２１の一部分に複数設けられており、また、樹脂成形層４０における基板２０に密着した面（左面）とは反対側の面（右面）の中央部には凸レンズ４３（請求の範囲における第１の光学要素に相当）が形成されている。
【００２３】
第２実施形態に係る光学素子１１０は、平行な二つの表面１２１，１２２を有した基板１２０と、この基板１２０の一の表面（右面）１２１に密着して設けられた光学薄膜１３０と、一面（左面）側の一部１４１が基板１２０の上記一の表面１２１に密着し、かつ上記一面側の他の一部１４２が光学薄膜１３０と密着するように設けられた第１樹脂成形層１４０（請求の範囲における第１の樹脂層に相当）と、基板１２０における上記一の表面１２１とは反対側の表面１２２に密着して設けられた第２樹脂成形層１５０（請求の範囲における第２の樹脂層に相当）とを備えて構成される。ここで、光学薄膜１３０は基板１２０の一の表面１２１の一部分に複数設けられており、また、第１樹脂成形層１４０における基板１２０に密着した面（左面）とは反対側の面（右面）には凸レンズ１４３（請求の範囲における第１の光学要素に相当）が形成されている。また、第２樹脂成形層１５０における基板１２０に密着した面（右面）とは反対側の面（左面）には回折格子１５２（請求の範囲における第２の光学要素に相当）が形成されている。
【００２４】
また、第３実施形態に係る光学素子１１０′は上述の第２実施形態に係る光学素子１１０とその構成がほぼ同じ（同じ構成部材は同一の符号にプライム「′」を付して示す）であるが、第１樹脂成形層１４０に形成される光学要素が凸レンズではなく、図のように２箇所に分離して設けられた二つの回折格子（第１の回折格子１４５及び第２の回折格子１４６）からなっている。また、基板１２０′と第１樹脂成形層１４０′との間に設けられる光学薄膜は、上記第１及び第２の回折格子１４５，１４６に対応して設けられた、異なる二つの光学薄膜（第１の光学薄膜１３１及び第２の光学薄膜１３２）からなっている。
【００２５】
これら第１、第２及び第３実施形態に係る光学素子１０，１１０，１１０′における基板はガラスや樹脂など使用波長において透明な性質を有するのであれば特に制限はなく、石英やＢＫ７などのガラス材料や、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、スチレン系樹脂などの透明樹脂など幅広い範囲の材料を用いることができる。樹脂層（樹脂成形層４０或いは第１樹脂成形層１４０，１４０′）は、アクリル系樹脂、ウレタンアクリレート系樹脂、エポキシ系樹脂などのＵＶ（紫外線）硬化や熱硬化可能な樹脂を広く用いることができる。また、光学薄膜は、使用する光の波長や反射或いは透過などの用途によって異なるが、特に制限はない。一例を挙げると、光学薄膜を反射膜の用途で使用する場合には、金、銀、アルミニウム等を主構成材料とし、光学薄膜を透過膜の用途で使用する場合には、ＳｉO₂、TｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＷＯ₃などを主構成材料とすることができる。
【００２６】
このような構成の光学素子１０、１１０，１１０′では、基板と光学薄膜とが接触する部分もあれば、基板と樹脂層（樹脂成形層４０或いは第１樹脂成形層１４０，１４０′）とが接触する部分もあるので、基板に入射した光は光学薄膜を通って出射するものと光学薄膜を通らずに出射するものとが併存することとなる。このため、光学薄膜に所定の波長の光に作用する反射機能や回折機能を付加しておけば、光学薄膜により伝播方向が変化した光をモニターするなどすることができ、本光学素子を多用途に用いることが可能である。
【００２７】
また、上記光学素子１０，１１０，１１０′では、光学薄膜が基板と樹脂層（樹脂成形層４０或いは第１樹脂成形層１４０，１４０′）との間において密閉（封止）された状態となっており、光学薄膜が直接外気に暴露されることがないので、使用環境の影響を受けにくく、従って耐久性が高められる。よって従来、問題となっていたクラック（亀裂）や剥離等の発生率が極めて低率に抑えられ、使用寿命の長期化を図ることが可能である。また、上記光学素子１０，１１０，１１０′のように光学薄膜を基板と樹脂層との間に密閉する構成では、例えば銀のように、外気に触れると変質し易い物質でも光学薄膜の材料として用いることが可能となる。また、金やアルミニウムは傷等がつきやすいが、このように基板と樹脂との間に金属製の反射膜を設けることで、傷等の問題が防げる。更に、従来では樹脂成形層の表面に光学薄膜を成膜していたため、樹脂材料を変えたときにはその樹脂材料と光学薄膜との密着性（すなわち相性）が問題となることがあったが、上記光学素子１０，１１０，１１０′のように基板と樹脂層との間に光学薄膜を密閉する構成では、樹脂層を構成する樹脂材料と光学薄膜との間の密着性はあまり問題とはならなくなる（光学薄膜を基板に成膜する場合、例えば、基板にガラス材料を用いれば、樹脂層に光学薄膜を成膜した場合と比較して、良好な密着性が得やすい）。このため新規開発や設計変更等に要する期間を短縮することができ、製造コストの大幅な低下を実現することが可能となる。
【００２８】
図２は上記本発明に係る光学素子の使用例を、光学素子が光ファイバ光学系の構成要素として使用された場合について示す図である。ここでは用いられる光学素子が上述の第２実施形態に光学素子１１０であるとし、その構成要素である光学薄膜１３０が反射膜であるとしている。この光ファイバ光学系１は、光デバイス（ここでは面発光レーザとする）２、光ファイバ３及びこれら光デバイス２と光ファイバ３との間を結合する光結合素子４とを有して構成されており、この光結合素子４が上記光学素子１１０からなっている。面発光レーザ２より出射した光は先ず第２樹脂成形層１５０の表面に形成された回折格子１５２に入り、この回折格子１５２を直進する直進光と回折格子１５２において回折された回折光とに分離される。そして、直進光は第２樹脂成形層１５０、基板１２０及び第１樹脂成形層１４０を透過した後、第１樹脂成形層１４０の表面に形成された凸レンズ１４３において集光されて光学素子１１０より出射し、光ファイバ３に入射される。一方、回折光は基板１２０の表面１２１の一部に設けられた光学薄膜（例えば金の薄膜からなる反射膜）１３０で反射されて他の光学系（例えば光量モニター）１６０に入射する。なお、図２に示す光ファイバ光学系１は紙面上方にも光学薄膜１３０が設けられているが、特に無くても構わない。なお、回折格子１５２が光軸に対して、上方にも回折光を生じる回折格子であれば、紙面上方にある光学薄膜１３０で別の光学系に回折光を導くことも可能である。
【００２９】
図３は上記光ファイバ光学系１における光学素子を上述の第３実施形態に係る光学素子１１０′とした場合の例である。ここでは第１及び第２の光学薄膜１３１，１３２が透過型フィルター膜であるとしている。この例では、第２樹脂成形層１５０′の表面に形成された回折格子１５２′で入射光は二つの光に分岐される。分岐された光のうち一方の光（図３の右斜め上方に進んだ光）は第２樹脂成形層１５０′、基板１２０′、第１の光学薄膜１３１及び第１樹脂成形層１４０′を透過した後、第１樹脂成形層１４０′の表面に形成された第１の回折格子１４５において集光されるように出射する。一方、分岐された光のうち他方の光（図３の右斜め下方に進んだ光）は第２樹脂成形層１５０′、基板１２０′、第２の光学薄膜１３２及び第１樹脂成形層１４０′を透過した後、第１樹脂成形層１４０′の表面に形成された第２の回折格子１４６において集光されるように出射する。ここで、第１及び第２の光学薄膜（透過型フィルター膜）１３１，１３２が互いに異なる分光透過特性を有しているのであれば、入射光を２つの異なる波長域の光に分離することが可能である。
【００３０】
このような構成の光ファイバ光学系１では、上記本発明に係る光学素子を備えているので、光ファイバ光学系の使用寿命も長期化することが可能となる。なお、上記例では、本発明に係る光学素子が光デバイス２と光ファイバ３との間を結合する光結合素子そのものとして用いられていたが、本発明に係る光ファイバ光学系では、本発明に係る光学素子がこのような光結合素子の少なくとも一部を構成していれば（すなわち光結合素子が本発明に係る光学素子を含んでいれば）よい。
【００３１】
次に、図４を用いて本発明に係る光学素子の製造方法の一例について説明する。ここでは第１実施形態に係る光学素子１０の製造方法の例のみを示すが、第２実施形態に係る光学素子１１０或いは第３実施形態に係る光学素子１１０′についても同様の方法により製造できる。
【００３２】
第１実施形態に係る光学素子１０を製造するには、先ず所定の形状に成形した基板２０の表面に光学薄膜３０を成膜した後、この光学薄膜３０の上にレジスト薄膜Ｒをコーティングする（第１の工程）。そして、得ようとする光学薄膜３０の形状に対応するパターンを石英板Ｓに施すことで構成されたマスクＭを介して紫外光UＶを照射する（図４(Ａ)参照）。この紫外光照射の後、現像処理を行うと、紫外光が照射された部分のレジスト薄膜Ｒは現像液に溶け、未露光部のレジストパターンが残ることとなる（図４（Ｂ）参照）。レジストパターンとして残ったレジスト薄膜Ｒをベークした後エッチング液に浸すと、光学薄膜３０のうちレジスト膜Ｒが施されていない部分は蝕刻されて除去される（ウェットエッチング工程。図４（Ｃ）参照）。その後灰化除去（アッシング）を行うと、残っているレジスト薄膜Ｒは除去される（図４（Ｄ）参照）。
【００３３】
続いてこれを酸洗浄した後、基板２０の光学薄膜３０が施された面上にシランカップリング剤を塗布し、更に粘性の高い液状の紫外線硬化樹脂Ｊを適量滴下する（図４（Ｅ）参照）。紫外線硬化樹脂が滴下されたら、その紫外線硬化樹脂Ｊが滴下された面に、樹脂成形層４０の表面に形成される光学要素（凸レンズ４３）の表面形状の反転形状を有する型Ｄを押し当て、型Ｄと基板２０との間に上記樹脂Ｊが充填されるようにする（第２工程。図４（Ｆ）参照）。そして、基板２０と型Ｄとの間に充填された樹脂Ｊに紫外光ＵＶを照射（又は加熱）する（第３工程。図４（Ｇ）参照）。これにより樹脂Ｊは硬化して表面に光学要素４３を備えた所定形状の樹脂成形層４０が形成され、樹脂Ｊから型Ｄを分離させれば、目的とする光学素子１０が得られる（第４工程。図４（Ｈ）参照）。
【００３４】
このような方法により製造された光学素子１０，１１０，１１０′では、光学薄膜をウェットエッチングによりパターニングした場合でも、光学素子１０，１１０，１１０′の樹脂部（樹脂成形層４０或いは第１樹脂成形層１４０，１４０′と第２樹脂成形層１５０，１５０′）がエッチング液により変質することがない。また、本光学素子が電気基板に固定して用いられたとしても、最高温度で２５０℃から２６０℃にもなる鉛フリーハンダリフロー工程を通しても、クラックなどの異常が光学薄膜に起こらない。これは、樹脂に比べて熱膨張係数が小さいガラスを基板として用いた場合にその効果が顕著である。なお、上述の製造方法では、複数の光学素子を同時に製造することが可能である。この場合には、上記第４工程の後に各光学素子を分離する工程が設けられる。
【００３５】
上述した光学素子の製造方法は、基板２０の光学薄膜３０が施された面上に液状の紫外線硬化樹脂Ｊを滴下した後、その紫外線硬化樹脂Ｊが滴下された面に型Ｄを押し当てて型Ｄと基板２０との間に樹脂Ｊを充填するものであったが、このような方法に変えて、基板２０の光学薄膜３０が施された面と近接する位置に型Ｄを位置させておき、これら両者（型Ｄと基板２０）の間に樹脂Ｊを注入して充填するようにしてもよい。
【００３６】
また、上述した製造方法では、基板２０の表面に光学薄膜を成膜する第１工程と、光学要素の表面形状の反転形状を有する型Ｄと基板２０との間に樹脂を充填する第２工程との間に、第１工程において成膜された光学薄膜３０の一部を除去する工程（ウェットエッチング工程）を有していたが、このような製造方法に替え、上記第１工程において、基板２０表面上の所望の領域のみに光学薄膜３０を成膜するようにしてもよい。図５はこのような成膜工程の一例を示すものであり、窓の開いたマスクを使用することにより上記所望の領域のみに光学薄膜を成膜するようにしたものである。図５（Ａ），（Ｂ）に示す成膜装置は固定ステージ５の下方に回転ステージ６を有しており、この回転ステージ６の下面側に製造しようとする光学素子の基板２０（或いは１２０，１２０′）が取り付けられる。基板２０の下方には所定形状の窓（開口）８ａが形成されたマスク８が配置されており、このマスク８の下方には蒸発粒子（光学薄膜３０の成分）を照射する蒸発源７が設けられている。ここで、蒸発源７よりマスク８に向けて蒸発粒子を照射すれば、蒸発粒子はマスク８の窓８ａを通り抜けたもののみが基板２０上に付着することとなるので、マスク８の窓８ａ形状に応じた所望の形状の光学薄膜３０を基板２０上に形成することができる。なお、このような光学薄膜３０の成膜は、必要に応じて回転ステージ６を回転させ、基板２０を回転させながら行われる。なお、図５ではマスク８と基板２０は一定距離離れているが、特に微細なパターンを成膜する場合には、両者は密着させることが望ましい。
【００３７】
ところで、前述した光学素子１０，１１０，１１０′は一つの入射光束にのみ対応するものであったが、本発明に係る光学素子では複数の入射光束に対応する形態とすることもできる。図６に示す光学素子２１０はその一例であり、基板２２０及び光学薄膜２３０に密着して設けられる第１の樹脂層２４０の表面上に第１の光学要素２４３（ここでは凸レンズ）が複数配設されており、基板２２０における光学薄膜２３０が設けられる側とは反対の面に設けられる第２の樹脂層２５０の表面上に第２の光学要素２５２（ここでは回折素子）が複数配設されているものである。このような構成の光学素子２１０は、並列処理を行う光ファイバ通信用として有用である。
【００３８】
これまで本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は上述の実施形態において示したものに限定されない。例えば、上述の実施形態においては、第１の樹脂層（樹脂成形層４０或いは第１樹脂成形層１４０，１４０′）の表面に設けられる光学要素（第１の光学要素）及び第２の樹脂層（第２樹脂成形層１５０．１５０′）の表面に設けられる光学要素（第２の光学要素）はレンズ又は回折格子であったが、本発明に係る光学素子では、これらに限定されることはない。更に、第１の樹脂層、第２の樹脂層の上に積層して他の樹脂層を積層してもよい。また、本発明に係る光ファイバ光学系は、光デバイス、光ファイバ及びこれら光デバイスと光ファイバとの間を結合する光結合素子とを有した構成であればよく、上述の実施形態において示した光ファイバ光学系１の構成に限定されるものではない。更に、基板（基板２０、基板１２０，１２０′）は平行な平面を有するものとして説明したが、所望の曲率を有した曲面形状であっても構わない。このとき、基板と各樹脂層との屈折率差及び基板の形状により、所定の屈折力を得るようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光学素子によれば、クラック（亀裂）や剥離等の発生率が極めて低率に抑えられ、使用寿命の長期化を図ることが可能である。また、本発明に係る光ファイバ光学系によれば、光ファイバ光学系の使用寿命も長期化することができる。また、本発明に係る光学素子の製造方法によれば、ウェットエッチングによりパターニングした場合でも、光学素子の樹脂部がエッチング液により変質することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ本発明の第１、第２および第３実施形態に係る光学素子を示しており、左側は平面図、右側は左側図中の矢視ｂ−ｂより見た断面図である。
【図２】本発明に係る光学素子の使用例を、光学素子が光ファイバ光学系の構成要素として使用された場合について示す図である。
【図３】光ファイバ光学系のもう一つの例を示す図である。
【図４】上記光学素子の製造方法の一例を（Ａ）→（Ｈ）の順で示す図である。
【図５】別形態に係る光学素子の製造方法における成膜工程の一例を示す図である。
【図６】複数の入射光束に対応する本発明に係る光学素子の概略断面図である。
【符号の説明】
１光ファイバ光学系
２光デバイス
３光ファイバ
４他の光学系
１０光学素子
２０基板
３０光学薄膜
４０樹脂成形層（第１の樹脂層）
４３凸レンズ（第１の光学要素）
１１０光学素子
１２０基板
１３０光学薄膜
１４０第１樹脂成形層（第１の樹脂層）
１４３凸レンズ（第１の光学要素）
１５０第２樹脂成形層（第２の樹脂層）
１５２回折格子（第２の光学要素）

Claims

基板と、
前記基板の一の表面に密着して設けられた光学薄膜と、
一面側の一部が前記基板の前記一の表面に密着し、かつ前記一面側の他の一部が前記光学薄膜と密着するように設けられた第１の樹脂層と、
前記基板における前記一の表面とは反対側の表面に密着して設けられた第２の樹脂層とを備え、
前記第１の樹脂層および前記第２の樹脂層のうち、一方の樹脂層には前記基板と密着した面と反対側の面に回折格子が形成され、他方の樹脂層には前記基板と密着した面と反対側の面に回折格子又はレンズが形成されたことを特徴とする光学素子。
前記光学薄膜が金、銀及びアルミニウムのうちの少なくとも一つを含む反射膜からなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
前記光学薄膜が透過型フィルター膜であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
前記レンズ又は回折格子が前記第１の樹脂層又は前記第２の樹脂層に複数配設されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子。
光デバイス、光ファイバ及び前記光デバイスと前記光ファイバとの間を結合する光結合素子とを有して構成される光ファイバ光学系において、前記光結合素子が請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子を含んで構成されたことを特徴とする光ファイバ光学系。