JP2008107568A - 光合分波器用光学素子および光合分波器 - Google Patents

Abstract

【課題】使用環境の温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さく、挿入損失が少ない光合分波器用光学素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る光合分波器用光学素子は、入出射する光の光軸方向を曲げることができ、かつ焦点距離を制御可能な光合分波器用光学素子であって、アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とする樹脂組成物を重合して得られる樹脂硬化物からなる。
【選択図】なし

Description

本発明は、光合分波器用光学素子に関し、特に、アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とし、使用環境の温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さく、挿入損失が少ない光合分波器用光学素子に関する。

近年、光ファイバケーブルを信号伝送媒体とする光通信が各家庭でも利用できるまで発達してきており、波長の異なる光信号を多重化して一本の光ファイバで伝送する波長多重伝送方式を利用した通信網の拡大が進んでいる。これに伴って、波長の異なる複数の光信号を合波したり、波長多重化された光信号を各波長ごとに分波する光合分波器の開発が進められている。

光合分波器には、干渉膜フィルタ型、方向性結合器型、アレイ導波路回折格子型等のタイプが存在し、干渉膜フィルタ型としては、近年、小型化の実現等の目的で、光ファイバなどの光入出力手段と、波長選択素子との間に、光束の向きを変える目的で光学素子を配置した光合分波器も開発されている（特許文献１、２）。

上記光学素子を作製する方法としては紫外線硬化樹脂などの未硬化の樹脂に、金型（スタンパ）を押圧し、ここへ紫外線を照射して樹脂を硬化させるスタンパ法を代表的な方法として挙げることができる。スタンパ法は、ガラス成型法に比べ、低温で成型できるため、金型の転写精度が高く、また、一度に作成できる素子の数が多いという利点があるため、広く用いられている。
特開２００４−２０６０５７号公報（２００４年７月２２日公開） 特開２００３−２４１００６号公報（２００３年８月２７日公開）

しかしながら、樹脂製光学素子はガラス製光学素子に比べ、屈折率の温度変化が大きく、光学特性が変化しやすいという問題点がある。すなわち、スタンパ法は上述のような利点を持つ方法であるが、当該方法によって作製された樹脂製光学素子は、使用環境の温度が変化すると、屈折率の温度変化によって、入出射光束の光軸方向が変化し、光合分波器の挿入損失が悪化しやすいため、作動温度域で十分な光学特性を確保することは困難であるという問題点がある。

さらに、樹脂製光学素子の中でも、入出射する光の光軸方向を曲げることのできるレンズであり、焦点距離の制御に加えて、入射光の光軸に対する出射光の光軸の曲げ角が所望の角度になるように制御されたレンズ（以下「傾斜レンズ」という）では、温度変化により光軸方向だけでなく光の広がりも変化する。そのためスタンパ法で作成した樹脂製傾斜レンズでは十分な光学特性を得ることは不可能であった。

樹脂製光学素子の屈折率温度変化を低減させる手法としては、光を散乱しないナノサイズの無機微粒子の添加、いわゆるナノコンポジット（例えば、特許03615784、特開2002-303701号公報、特開2005-298717号公報、特開2006-160779号公報）や、有機無機ハイブリッド（例えば、特開2003-172802号公報、特開2004-196946号公報）などの手法が提案されている。

紫外線硬化樹脂の屈折率の温度依存性を低減する手法としても、これらの手法は適用可能であるが、ナノコンポジット化によって紫外線硬化樹脂の屈折率の温度依存性を低減する場合、多量の無機微粒子を添加する必要があり、樹脂の粘度が増大するという問題がある。また、有機無機ハイブリッドの場合も、無機成分由来の残留OH基や無機成分の縮合物により粘度が大きくなるという問題がある。したがって、紫外線硬化樹脂を基板へ塗布した際の濡れ広がりやスタンパへの流れ込みの悪化といった弊害が避けられない。

また、スタンパ法により樹脂製光学部品を作製する技術は従来種々検討されている（特開平07-268177号公報、特開2001-106710号公報、特開2001-114830号公報、特開2003-286316号公報、特開2005-338780号公報）が、光合分波器などの光通信部品に用いる傾斜レンズの温度特性を十分改善できる樹脂組成物についての記載はない。また、紫外線硬化樹脂の屈折率温度変化低減の手法としては、一般に剛直な分子構造のモノマーを使用する方法があるが、合分波器に用いる傾斜レンズ用樹脂において十分な温度変化改善効果をもつモノマーはわかっていない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用環境の温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さく、挿入損失が少ない光合分波器用光学素子を提供することにある。

本発明者は、上記課題に鑑み、アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とする樹脂組成物を重合して得られる樹脂硬化物が、使用環境の温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さく、挿入損失が少ないという特性を実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係る光合分波器用光学素子は、入出射する光の光軸方向を曲げることができ、かつ焦点距離を制御可能な光合分波器用光学素子であって、アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とする樹脂組成物を重合して得られる樹脂硬化物からなることを特徴としている。

アダマンタン骨格を有する重合体は、耐熱性や機械的強度に優れ（例えば、特開昭６３−３０７８４４号公報）、環境温度の変化に伴う分子の寸法変化が小さい。さらに、光学的特性に優れ、光学機器部材の素材として有用性が高い。したがって、上記構成によれば、使用環境の温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さく、挿入損失が少ない光合分波器用光学素子を提供することができる。

また、本発明に係る光合分波器用光学素子は、上記ラジカル重合性基が、一般式（１）
−Ｏ_ｐ［（ＣＨ_２）_ｑＣＨ_２Ｏ_ｒ］_ｓＣＯＣＲ＝ＣＨ_２・・・（１）
（式中、ＲはＨまたはＣＨ_３を示し、ｐ＝０または１である。ｐ＝０の場合、ｒ＝１であり、ｐ＝１の場合、ｒ＝０または１である。ただし、ｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓの上限は３である。）で表される官能基であって、上記モノマーが、１分子中に当該官能基を２個以上有することが好ましい。

上記構成によれば、アダマンタン骨格が有する、分子寸法の変化が少ないという特性に加えて、官能基の数および、アダマンタン骨格とアクリロイル基との間の分子鎖の長さが、温度変化に伴う樹脂硬化物の屈折率の変化を抑制するために適当な状態に調整される。したがって、使用環境の温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さく、より挿入損失が少ない光合分波器用光学素子を提供することができる。

また、本発明に係る光合分波器用光学素子は、上記モノマーが、上記一般式（１）におけるｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓが１である官能基を１分子中に２個以上有するモノマー（Ａ）および上記一般式（１）におけるｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓが２または３である官能基を１分子中に２個以上有するモノマー（Ｂ）であって、モノマー（Ａ）およびモノマー（Ｂ）の合計重量％が１００重量％となるように、上記モノマー（Ａ）を１重量％以上９９重量％以下、かつ、上記モノマー（Ｂ）を１重量％以上９９重量％以下含むことが好ましい。

アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーは、温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さいという光学特性を備えると共に、スタンパ法を用いた成型を容易にするために、常温で液体であることが好ましい。上記構成によれば、上記モノマーが、上記光学特性に最も優れるが融点が高いモノマー（Ａ）と、上記光学特性はモノマー（Ａ）よりやや劣るが融点が低いモノマー（Ｂ）との混合物となるので、上記光学特性と溶液性とを両立したモノマーとすることができる。したがって、容易に製造可能であってしかも挿入損失が少ない光合分波器用光学素子を提供することができる。

また、本発明に係る光合分波器用光学素子は、上記樹脂硬化物が、光ラジカル重合法および／または熱ラジカル重合法によって重合されていることが好ましい。これらの重合法は、重合開始剤の量や反応時間を適宜調整することにより、モノマーを効率よく重合させ、所望の重合度の樹脂硬化物を生成することができる。したがって、本発明に係る光合分波器用光学素子の生産効率化に寄与することができる。

また、本発明に係る光合分波器用光学素子は、上記樹脂硬化物が、スタンパ法によって成型されていることが好ましい。

上述のように、従来のスタンパ法で作製した光学素子は光学特性が変化しやすいという問題があったが、上記樹脂硬化物は、上述のような化学構造を有するモノマーを重合したものであるため、温度変化に伴う屈折率の変化が小さく、光の広がりも小さい。したがって、製造が容易であるというスタンパ法の特徴を最大限に発揮しつつ、作動温度域での光学特性を十分に確保できる光合分波器用光学素子を得ることができる。

また、本発明に係る光合分波器は、本発明に係る光合分波器用光学素子を、光入出力手段と波長選択素子との間に設けたことが好ましい。

光合分波器用光学素子を、光入出力手段と波長選択素子との間に設けた光合分波器は、光合分波器用光学素子（傾斜レンズ）によって、各波長選択素子を透過する光の光軸をそれぞれ光入出力手段の光軸に変換し、あるいは光入出力手段の光軸をそれぞれ各波長選択素子を透過する光の光軸に変換させるようにしているので、光合分波器を小型化することができる（特許文献２）。本発明に係る光合分波器用光学素子は、上述のように温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さいので、本発明に係る光合分波器は、小型であり、かつ、挿入損失が小さい光合分波器とすることができ、精度の高い光通信の実現に寄与し得る。

以上のように、本発明に係る光合分波器用光学素子は、入射光の光軸に対する出射光の光軸の曲げ角を調整可能であり、かつ焦点距離を制御可能な光合分波器用光学素子であって、アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とする樹脂組成物を重合して得られる樹脂硬化物からなるという構成である。

それゆえ、使用環境の温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さく、挿入損失が少ない光合分波器用光学素子を提供することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態について説明すれば以下のとおりであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

〔１．光合分波器用光学素子〕
本発明に係る光合分波器用光学素子は、入射光の光軸に対する出射光の光軸の曲げ角を調整可能であり、かつ焦点距離を制御可能な光合分波器用光学素子であって、アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とする樹脂組成物を重合して得られる樹脂硬化物からなる。アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とするがゆえに、本発明に係る光合分波器用光学素子は使用環境の温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さく、挿入損失が少ない光合分波器用光学素子とすることができる。そこで、まず、本発明に係る光合分波器用光学素子の化学的組成について説明する。

（１−１．本発明に係る光合分波器用光学素子の化学的組成）
本発明に係る光合分波器用光学素子は、アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とする樹脂組成物を重合して得られる樹脂硬化物からなる。アダマンタン骨格とは、一般式（２）に示すように、１０個の炭素がダイヤモンドの炭素と同様の配置により結合したかご状構造の炭化水素である。

「アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマー」とは、１つのアダマンタン骨格を有し、当該アダマンタン骨格が有する少なくとも１つの水素がラジカル重合性基に置換されている構成単位をいう。アダマンタン骨格において水素が置換される位置は特に限定されるものではないが、立体構造上は１位、３位、５位、７位が置換されやすい。また、置換される水素の数は、特に限定されるものではなく、少なくとも１つの水素がラジカル重合性基で置換されていればよい。

上記ラジカル重合基としては、特に限定されるものではないが、（メタ）アクリロイル基、（メタ）アクリロイルオキシ基、（メタ）アクリルアミド基、ビニル基（アリル基とメタクリル基を含む）、エチニル基、イソプロペニル基、ビニルエーテル基、ビニルチオエーテル基、ビニルケトン基、ビニルエステル基、ビニルアミノ基等を用いることができる。

上記モノマーが分子中に上記ラジカル重合基を２個以上有する場合、それぞれのラジカル重合基の種類は、全て同一であってもよいし、全て異なっていてもよいし、一部が同一で一部が異なっていてもよい。

上記アダマンタン骨格と上記ラジカル重合基とは、直接的に連結されていてもよいし、または、−Ｏ−、−ＣＨ_２Ｏ−、−（ＣＨ_２）_２Ｏ−、−（ＣＨ_２）_３Ｏ−、−Ｏ(ＣＨ_２)_２Ｏ−、−Ｏ(ＣＨ_２)_３Ｏ−、−ＯＣＨ_２ＣＨ(ＣＨ_３)Ｏ−、−Ｏ(ＣＨ_２)_４Ｏ−、−ＯＣＨ_２ＣＨ（ＯＨ）ＣＨ_２Ｏ−、−ＣＨ_２−、−(ＣＨ_２)_２−、−(ＣＨ_２)_３−などの連結基によって間接的に連結されていてもよい。

このように、上記ラジカル重合性基の種類は特に限定されるものではないが、中でも、一般式（１）
−Ｏ_ｐ［（ＣＨ_２）_ｑＣＨ_２Ｏ_ｒ］_ｓＣＯＣＲ＝ＣＨ_２・・・（１）
（式中、ＲはＨまたはＣＨ_３を示し、ｐ＝０または１である。ｐ＝０の場合、ｒ＝１であり、ｐ＝１の場合、ｒ＝０または１である。ただし、ｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓの上限は３である。）で表される官能基であることが好ましく、上記モノマーが、１分子中に当該官能基を２個以上有することが特に好ましい。

上記モノマーが１分子中に当該官能基を１個しか有さない場合は、後述する比較例に示すように、光学特性が不十分となるだけでなく、硬化物のガラス転移点や融点が低下するため、合分波器の製造時における熱処理や使用時の高温環境において、その硬化物からなる光学素子が変形する恐れがある。モノマーが有する官能基の数は２個以上であれば、上限は特に規定されないが、官能基の数が多くなると硬化物中に未反応の官能基が残りやすく、未反応の官能基は高温下や高温高湿下で分解する恐れがあるため、上限は４個であることが好ましく、３個であることがより好ましい。

上記ラジカル重合性基が一般式（１）で表される官能基であって、上記モノマーが、１分子中に当該官能基を２個以上有する化合物としては、例えば、下記の一般式（３）で表される化合物を挙げることができる。

（式中、Ｙはメチル基を表し、ｍは０〜２の整数であり、ｎは２〜４の整数である。また、式中、ＲはＨまたはＣＨ_３を示し、ｐ＝０または１である。ｐ＝０の場合、ｒ＝１であり、ｐ＝１の場合、ｒ＝０または１である。ただし、ｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓの上限は３である。）
一般式（３）で表される化合物の具体例としては、１，３−アダマンタンジオール ジ（メタ）アクリレート、１，３，５−アダマンタントリオール トリ（メタ）アクリレート、１，３，５，７−アダマンタンテトラオール テトラ（メタ）アクリレート、１，３−アダマンタンジメタノール ジ（メタ）アクリレート、１，３，５−アダマンタントリメタノール トリ（メタ）アクリレート、１，３，５，７−アダマンタンテトラメタノール テトラ（メタ）アクリレート、１，３−アダマンタンジエタノール ジ（メタ）アクリレート、１，３，５−アダマンタントリエタノール トリ（メタ）アクリレート、１，３，５，７−アダマンタンテトラエタノール テトラ（メタ）アクリレート、１，3−アダマンタンジプロパノール ジ（メタ）アクリレート、１，３，５−アダマンタントリプロパノール トリ（メタ）アクリレート、１，３，５，７−アダマンタンテトラプロパノール テトラ（メタ）アクリレート、５，７−ジメチルアダマンタン−１，3−ジオール ジ（メタ）アクリレート、５，７−ジメチルアダマンタン−１，3−ジメタノール ジ（メタ）アクリレート、５，７−ジメチルアダマンタン−１，3−ジエタノール ジ（メタ）アクリレート、５，７−ジメチルアダマンタン−１，3−ジプロパノール ジ（メタ）アクリレート等を挙げることができる。

上記ラジカル重合性基が一般式（１）で表される基である場合、ｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓは整数であり、上限は３、下限は１である。ｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓは、アダマンタン骨格とラジカル重合性基との間の分子鎖の長さを表すパラメータである。ｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓが４以上の場合は、後述する比較例に示すように、光学特性が不十分となる。つまり、上記パラメータは１，２、または３のいずれかである。中でも、ｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）が２以下であることがさらに好ましい。

上記モノマーにおいて、上記パラメータが１の官能基の含有量が多いほど、温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さく、挿入損失が小さい光合分波器用光学素子とすることができるため、光学特性上は上記パラメータが１の官能基の含有量が多い方が好ましい。一方、上記パラメータが１の官能基の含有量が多いほどモノマーの融点が高くなる傾向があるため、上記パラメータが１の官能基の含有量が多い場合は、スタンパ法による成型を行うために加熱を要する場合がある。

一方、上記パラメータが２または３の官能基の含有量が多いほど、モノマーの融点は低くなるため、スタンパ法による成型は行いやすくなるが、一般に、光学特性は上記パラメータが１の官能基の含有量が多い場合の方が優れる。

そのため、十分な光学特性とスタンパ法による容易な成型を両立するという観点からは、上記モノマーが、上記一般式（１）におけるｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓが１である官能基を１分子中に２個以上有するモノマー（Ａ）および上記一般式（１）におけるｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓが２または３である官能基を１分子中に２個以上有するモノマー（Ｂ）であって、モノマー（Ａ）およびモノマー（Ｂ）の合計重量％が１００重量％となるように、上記モノマー（Ａ）を１重量％以上９９重量％以下、かつ、上記モノマー（Ｂ）を１重量％以上９９重量％以下含むことが好ましい。

このように、モノマー（Ａ）とモノマー（Ｂ）の割合を調整することにより、十分な光学特性と、スタンパ法による成型を行いやすい融点とを併有した光合分波器用光学素子を提供することができる。

モノマー（Ａ）とモノマー（Ｂ）の含有量は、上記範囲であれば特に限定されるものではないが、スタンパ法による成型を加熱せずに実施するという観点からは、モノマー（Ａ）が１重量％以上６０重量％以下含まれ、かつ、モノマー（Ｂ）が４０重量％以上９９重量％以下含まれることが好ましく、モノマー（Ａ）が１重量％以上４０重量％以下含まれ、かつ、モノマー（Ｂ）が６０重量％以上９９重量％以下含まれることがより好ましい。

上述のように、本発明に係る光合分波器用光学素子は、アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とする樹脂組成物を重合して得られる樹脂硬化物からなる。

上記樹脂組成物とは、上記モノマーを必須成分とし、ラジカル重合することが可能な組成物をいう。「モノマーを必須成分とする」とは、構成単位としてモノマーを含んでいればよいとの意味である。したがって、上記樹脂組成物は、モノマーが重合したオリゴマーやポリマーを含んでいてもよい。上記モノマー以外の成分としては、例えば光重合開始剤、熱重合開始剤等を挙げることができる。また、必要に応じてアダマンタン骨格を有しないラジカル重合基を有するモノマー、重合禁止剤、重合促進剤、消泡剤、光安定剤、熱安定剤、レベリング剤、カップリング剤、帯電防止剤等の添加剤を少量含んでいてもよい。

上記樹脂硬化物とは、上記樹脂組成物を重合したものをいう。上記樹脂組成物を重合する方法については特に限定されるものではないが、ラジカル反応を利用して連鎖的に効率よく重合体を作ることができるため、光ラジカル重合法および／または熱ラジカル重合法が好ましく用いられる。

光ラジカル重合法において用いられる光重合開始剤としては特に限定されるものではなく、一般的に使用されている光重合開始剤、すなわち、アセトフェノン類、ベンゾフェノン類、ジアセチル類、ベンジル類、ベンゾイン類、ベンゾインエーテル類、ベンジルジメチルケタノール類、ベンゾイルベンゾエート類、ヒドロキシフェニルケトン類、アミノフェニルケトン類等のカルボニル化合物系光重合開始剤、チウラムサルファイド類、チオキサントン類等の有機硫黄化合物系光重合開始剤、アシルホスフィン酸エステル類等の有機リン化合物系光重合開始剤等を使用することができる。

これらの光重合開始剤は、単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。なお、後述する実施例では、ルシリンＴＰＯを光重合開始剤として用いている。

光重合開始剤の配合比率は、上記樹脂組成物１００重量％に対して０．５重量％以上１０重量％以下、好ましくは１重量％以上７重量％以下である。配合比率が０．５重量％未満では光硬化性が不十分となり、１０重量％を超えると、硬化反応が急激となりすぎて、硬化物の物性に悪影響を与えるので好ましくない。

熱ラジカル重合法において用いられる熱重合開始剤は、熱により分解してラジカルを発生する熱重合開始剤のうち、熱分解温度が約３０℃以上、好ましくは約６０℃以上の熱重合開始剤が使用される。熱重合開始剤としては特に限定されるものではないが、気体や水のような副生成物を精製しない有機過酸化物の使用が特に好適である。熱分解温度が約３０℃未満の熱重合開始剤では、樹脂硬化物が不安定になるので好ましくない。

上記有機過酸化物としては、特に限定されるものではなく、アルキルまたはアリール・ハイドロパーオキサイド類、ジアルキルまたはジアリール・パーオキサイド類、アルキル・パーオキシ酸およびそのエステル類、ジアシル・パーオキサイド類、ケトン・パーオキサイド類等の従来公知の有機過酸化物を用いることができる。これらの熱重合開始剤は、単独で用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。

熱重合開始剤の配合比率は、上記樹脂組成物１００重量％に対して０．５重量％以上５重量％以下、好ましくは１重量％以上３重量％以下である。配合比率が０．５重量％未満では熱硬化性が不十分となり、５重量％を超えると、硬化反応が急激となりすぎて、樹脂硬化物の物性に悪影響を与えるので好ましくない。

光重合開始剤と熱重合開始剤とは、単独で用いてもよいし、両者を組み合わせて用いてもよい。組み合わせて使用する場合も、それぞれの配合比率は上述のとおりである。

上記光ラジカル重合は、上記化合物に紫外線を照射して行うことが一般的である。紫外線の光源としては、超高圧水銀灯、高圧水銀灯、低圧水銀灯、メタルハライド灯、カーボンアーク灯、キセノン灯などがあるが、高圧水銀灯あるいはメタルハライド灯の使用が好適である。紫外線照射量は、特に限定されるものではないが、１０００ｍＪ／ｃｍ^２以上１００００ｍＪ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。

上記熱ラジカル重合では、熱重合開始剤として有機過酸化物を用いる場合、上記有機過酸化物の熱分解温度以上に加熱して硬化を行う。したがって、加熱温度は配合する有機過酸化物の種類に依存するが、加熱時間は通常１０分以上６０分以下である。

光重合開始剤と有機過酸化物とをともに配合し、光硬化と熱硬化とを行う場合は、まず、紫外線照射により、光硬化した後、加熱により熱硬化して硬化を完了させるのが一般的である。熱硬化に比べて光硬化は取り扱い性、硬化速度などに優れているため、本発明においては光硬化を採用することが好ましい。

光硬化または／および熱硬化後の硬化膜の硬化状態は、フーリエ変換赤外分光分析装置や光化学反応熱量計などを用いて測定できるので、上記樹脂硬化物が完全硬化する硬化条件は適宜選定することができる。

上記樹脂硬化物を成型する方法としては、例えば、選択重合法、フォトリソグラフィー＋ＲＩＥ法、直接露光法、ブリーチ法、スタンパ法等の従来公知の方法を用いることができる。中でも、スタンパ法は、生産性がよく、低コストであるため、特に好ましく用いられる。

図４は、スタンパ法によって上記樹脂硬化物を成型する工程を示す工程図である。まず、図４（ａ）に示すように、基板２の上面に、スピンコート法、ドクターブレード法などのような公知の方法により上記樹脂組成物１を塗布した後、傾斜レンズ８ａ〜８ｅ（光合分波器用光学素子）の反転パターンを表面に有するスタンパ３を押圧する（図４（ｂ））。次いで、その押圧状態のままで、光硬化および／または熱硬化させ（図４（ｃ））、基板を取り去れば、成型された樹脂硬化物である傾斜レンズアレイ４が完成する（図４（ｄ））。なお、基板２としては、光硬化を行う場合は、ガラス板のような透明基板を使用する。

（１−２．本発明に係る光合分波器用光学素子による分波または合波）
図１は、本発明に係る光合分波器用光学素子を適用した干渉膜フィルタ型合分波器（光合分波器）の一例として、干渉膜フィルタ型合分波器（光合分波器）１００の、光ファイバ（光入出力手段）５ａ〜５ｆのコア５を通る面における断面を示した概略断面図であって、分波または合波の様子を説明するものである。すなわち、図１は、本発明に係る光合分波器の一例を示す概略断面図である。

図１に示すように、上記干渉膜フィルタ型合分波器（光合分波器）１００は、透過波長域が互いに異なる複数の波長選択素子１０ａ〜１０ｄと光反射面１２とを対向させることにより、光反射面１２と各波長選択素子１０ａ〜１０ｄとの間で光を反射させながら導光すると共に、波長の異なる光を合波又は分波させる導光ブロック１１を構成し、複数波長の光を伝送させるための光ファイバ５ａ〜５ｆ（光入出力手段）を備え、前記各波長選択素子１０ａ〜１０ｄを透過した光の光軸方向をそれぞれ光ファイバ５ａ〜５ｆ（光入出力手段）の光軸方向と平行に変換し、あるいは光ファイバ５ａ〜５ｆ（光入出力手段）の光軸方向と平行な光をそれぞれ前記各波長選択素子１０ａ〜１０ｄを透過する光の光軸方向に変換させるための傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅを光ファイバ５ａ〜５ｆ（光入出力手段）と前記各波長選択素子１０ａ〜１０ｄとの間に設けた光合分波器である。上記傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅは、入出射する光の光軸方向（光束の断面中心を通る光線の進む方向を光の光軸方向と呼ぶ。）を曲げることができ、かつ焦点距離を制御可能なレンズである。

光入出力手段としては、光ファイバ、光導波路、半導体レーザー素子等の発光素子、フォトダイオード等の受光素子などが用いられる。波長選択素子としては、干渉膜フィルタ、回折格子やＣＧＨ素子等の回折素子などを用いることができる。

そこで、まず図１を参照しながら、上記傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）の動作を説明する。なお、上記「入出射する光の光軸方向を曲げる」とは、入射光の光軸に対する出射光の光軸の曲げ角が所望の角度になるように制御することをいう。換言すると、各波長選択素子を透過した光の光軸方向をそれぞれ光ファイバ（光入出力手段）の光軸方向と平行に変換し、あるいは光ファイバ（光入出力手段）の光軸方向と平行な光をそれぞれ前記各波長選択素子を透過する光の光軸方向に変換させることをいう。

上記干渉膜フィルタ型合分波器（光合分波器）１００は、光ファイバ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ（光入出力手段）を一定ピッチで隙間なく平行に並べて先端にコネクタ６を取り付けた光ファイバアレイ６、下面に複数個（図１では５個）の傾斜レンズ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ（光合分波器用光学素子）を備えた傾斜レンズアレイ７、波長選択フィルタ１０ａ〜１０ｄ、導光ブロック１１、及びミラー層１２、傾斜レンズ８ａ〜８ｅ（光合分波器用光学素子）と導光ブロック１１との距離を一定に保つためのスペーサー９ａ、９ｂで構成されている。ミラー層１２は、反射率の高い誘電体多層膜や金属蒸着膜などからなる層である。

傾斜レンズアレイ７、導光ブロック１１及びミラー層１２は、互いに平行になるように配置されている。コネクタ６内の光ファイバ５ａ〜５ｆ（光入出力手段）は傾斜レンズアレイ７に対して垂直に配置されている。

傾斜レンズアレイ７の厚みは、光ファイバ５ａ〜５ｆ（光入出力手段）の端面から出射された光が傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅに入射するように、以下のように決定される。

光ファイバ５ａ〜５ｆ（光入出力手段）のコア５の内部では、クラッドとの界面での反射を繰り返しながら光が伝搬する。このように、コア５からクラッドへ透過することなくコア５内部で光を伝搬させるためには、クラッドとの界面への入射角が全反射角以上の角度でなくてはならない。クラッド界面への入射角はこのように限定されているので、コア端からの光の出射方向、広がり具合は自ずと決まってくる。

したがって、この一定の広がり角を持つ光の断面が、傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅと同程度の大きさまで広がったときに、または、傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅと同程度の大きさに広がるまでに傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅに入射するように、傾斜レンズアレイ７の厚みを設計すれば、光ファイバ５ａ〜５ｆを出射した光の全てを傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅに入射させることができる。

傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅは、その中心軸が光ファイバ（光入出力手段）５ａ〜５ｆの光軸とほぼ一致するように配置設計されている。図２は、本発明の光合分波器１００内の光路を示す概念図であって、Ｌ１は傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅの主平面、Ｌ２はミラー層１９の表面（以下ミラー面Ｌ２という）、Ｌ３はレンズ主平面Ｌ１のミラー面Ｌ２に対する鏡像である。傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａは、図２に示すように、光ファイバ５ａから出射した光がレンズ主平面Ｌ１（傾斜レンズ８ａ）に入射した後、光の光軸方向を曲げられた平行光となって出射するような形状のレンズであることが望ましい。

光の光軸方向の曲げの程度つまりミラー面Ｌ２への入射角は、１０°以下の最適な角度であることが望ましい。ミラー面Ｌ２への入射角度は、そのまま波長選択フィルタ１０ａ〜１０ｄへの入射角度となるが、この角度が大きすぎると、Ｐ偏光とＳ偏光の入射角による透過率の違い（波長依存性損失）が大きくなって、波長選択フィルタを透過した波長λ１の光と透過前の波長λの光の性質が変わることになってしまう。つまり光の再現性が悪い。逆にミラー層１２への入射角度が小さすぎると、光路長を長くしなければ傾斜レンズ８ｂに光を入射させられなくなり、装置の大型化の原因となりうる。よって、ミラー面Ｌ２への入射角は１０°以下の最適な角度であることが望ましい。

光の光軸方向の曲げの程度は、屈折率と傾斜レンズの曲面形状によって決まる。レンズと空気との境界面（以下「レンズ面」という）において、レンズ面に入射する光の方向とレンズ面から出射する光の方向の関係は、スネルの法則（ｎ_１ｓｉｎθ_１＝ｎ_２ｓｉｎθ_２、ｎ_１：入射側の屈折率、ｎ_２：出射側の屈折率、θ_１：レンズ面の法線と入射光のなす角、θ_２：レンズ面の法線と出射光のなす角）に従う。レンズ材質つまり屈折率を決定した上で、光軸（光束の断面中心）が所望の方向に向くよう、レンズ面の任意の点における法線を決めることで曲面形状が決定される。

また、傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ｂは、上記の傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａの出射光がミラー面Ｌ２で反射して、斜め下方から入射してきたときに、その光の光軸方向を曲げて光ファイバ５ｃ（光入出力手段）に効率よく結合するような形状であることが望ましい。この光合分波器１００において、傾斜レンズ８ｂ〜８ｅ（光合分波器用光学素子）には同じ入射角で光が入射し、同じ出射角で光を出射すればよいので、傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ｂ〜８ｅは、コリメータレンズを使用して全て同一形状にすることもできるし、集光レンズを使用して最適な焦点距離になるようそれぞれ異なる形状にしておいてもよい。傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａについても同様である。このように、本発明の光合分波器用光学素子は、入射光の光軸に対する出射光の光軸の曲げ角を調整可能であり、かつ焦点距離を制御可能な光合分波器用光学素子である。すなわち、光の光軸を曲げる光偏向機能および、レンズとしての機能であるコリメート機能または集光機能を有する。

本発明の光合分波器１００においては、図２に示すように光ファイバ５ａ（光入出力手段）を出射し、傾斜レンズ８ａ（主平面Ｌ１のうち光ファイバ５ａの下方領域）を透過し、ミラー面Ｌ２で反射された平行光束が、傾斜レンズ８ｂ（主平面Ｌ１のうち光ファイバ５ｃの下方領域）に入射するように各構成部品が形成され、配置されている。

例えば、光ファイバ５ａ〜５ｆ（光入出力手段）の配置によって傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅの配置が定まっており、さらに傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａの形状からミラー面Ｌ２への入射角も決まっている場合には、図２に示すように傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａから出射した平行光がすべて、ミラー面Ｌ２に対するレンズ主面Ｌ１の鏡像Ｌ３（傾斜レンズ８ｂの鏡像８ｂ´）に入射して集光され、ミラー面Ｌ２に対する光ファイバ（光入出力手段）５ｃの鏡像５ｃ´に結合するようにミラー面Ｌ２の位置を定めるとよい。

図３（ａ）（ｂ）は、傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）の形状を説明する平面図及び正面図である。上記の要件を満たす傾斜レンズ８ａ〜８ｅは、図３（ａ）（ｂ）に上面図及び正面図で示すように、非球面レンズ１３の光軸から外れた位置で非球面レンズ１３から円形に切り出すことによって得られる。

また、このような傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅを表面に有する傾斜レンズアレイ７は、本発明の樹脂硬化物に、傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅの反転パターンを表面に有するスタンパを押圧し、ここへ紫外線を照射して樹脂を硬化させるスタンパ法等によって簡単に成型することができる。スタンパ法については上述したとおりである。

また、このスタンパ３にスペーサー９ａ、９ｂの反転パターンも形成しておけば、傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅとスペーサー９ａ、９ｂとを同時に形成することができる。傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅとスペーサー９ａ、９ｂとを同時に形成できれば、個別に作成したスペーサー９ａ、９ｂを傾斜レンズアレイ７に接着するよりも製造工程を簡略化することができ、また、傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａ〜８ｅと波長選択フィルタ１０ａ〜１０ｄとの位置精度も向上させることができる。

次に、光の分波を例にして、図１を参照しながら、干渉膜フィルタ型合分波器（光合分波器）１００の動作原理を説明する。まず、光ファイバ５ａ（光入出力手段）中から異なる波長の光（この場合は４波長）が、傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ａに入射すると、光軸が曲げられ、ミラー１２で反射する。反射光のうち、波長選択フィルタ１０ａを透過できる波長の光は、傾斜レンズ８ｂに進み、光軸を曲げられ、光ファイバ５ｃ（光入出力手段）に導かれる。波長選択フィルタ１０ａを透過せず反射した光はミラー１２で再度反射し、波長選択フィルタ１０ｂに導かれる、ここでも波長選択フィルタ１０ｂを透過できる波長の光が、傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）８ｃで曲げられ、光ファイバ５ｄ（光入出力手段）に導かれる。以下同じ現象の繰り返しにより、光ファイバ５ｅ、５ｆ（光入出力手段）にそれぞれ異なる波長の光が導かれ、分波が完了する。

本発明に係る光合分波器用光学素子は、上述のように、アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とする樹脂組成物を重合して得られる樹脂硬化物からなり、使用環境の温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さいため、挿入損失が少ない。上記樹脂硬化物がこのような特性を示し、光合分波器に用いる傾斜レンズとして優れた効果を有することは、本発明によって初めて得られた知見である。すなわち、当該知見によって、スタンパ法を用いた場合でも作動温度域での十分な光学特性を確保した傾斜レンズを提供することが初めて可能となったものである。

なお、本発明は以上説示した各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明について、実施例に基づいてより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正および改変を行うことができる。

〔実施例１〕
１，３−アダマンタンジメタノールジアクリレート（出光興産製）１００重量部に光重合開始剤ルシリンＴＰＯ（ＢＡＳＦ製）３重量部を混合し樹脂硬化物を得た。

上記樹脂硬化物をガラス基板上に２０μｍ厚に塗布し、高圧水銀灯により、紫外線をガラス表面での紫外線照射量が７５００ｍＪ／ｃｍ^２となるまで照射して硬化を行った。硬化終了後、上記樹脂硬化物の波長１３１０ｎｍにおける屈折率を、プリズムカプラ（メトリコン社製品）を用いて２５℃から１００℃の範囲で測定した。温度と屈折率の関係をプロットして得られる直線の傾きから屈折率の温度依存性Δｎ／ΔＴを求めた。屈折率の温度依存性Δｎ／ΔＴは−６．６×１０^−５（Ｋ^−１）であった。

次いで、図４に示す方法でスタンパ法により傾斜レンズを成型した。詳しくは、ガラス基板上に樹脂硬化物を数ｇ塗布し、その上から反転パターンを表面に有するスタンパにて押圧した。押圧を維持しながら、樹脂硬化物に対してガラス基板側から高圧水銀灯により紫外線を、ガラス表面での紫外線照射量が７５００ｍＪ／ｃｍ^２となるまで照射して硬化を行った。その後、押圧を解除し、スタンパを硬化物から離型し、傾斜レンズアレイを得た。

得られた傾斜レンズを図１に示す構成の合分波器に搭載した。波長１３１０nmにおける光ファイバ５ａと５ｆの間の光挿入損失を光パワーメータ（アンリツ社製品）を用いて２５℃および８５℃で測定した。２５℃と８５℃における光入射損失の差ΔＩＬは０．４５ｄBであった。

〔実施例２〕
１，３−アダマンタンジメタノールジアクリレートの代わりに１，３−アダマンタンジエタノールジアクリレート（出光興産製）を用いた以外は実施例１と同様の検討を行った。屈折率の温度依存性Δｎ／ΔＴは−９．１×１０^−５（Ｋ^−１）であった。２５℃と８５℃における光入射損失の差ΔＩＬは０．６４ｄＢであった。

〔実施例３〕
１，３−アダマンタンジメタノールジアクリレート７０重量部、１，３−アダマンタンジオールジアクリレート（出光興産製）３０重量部、ルシリンＴＰＯ３重量部を混合し樹脂組成物を得た以外は実施例１と同様の検討を行った。屈折率の温度依存性Δｎ／ΔＴは−５．６×１０^−５（Ｋ^−１）であった。２５℃と８５℃における光入射損失の差ΔＩＬは０．３８ｄＢであった。

〔比較例１〕
１，３−アダマンタンジメタノールジアクリレートの代わりにジメチロールプロパントリシクロデカンジアクリレート（共栄社化学製）を用いた以外は実施例１と同様の検討を行った。ジメチロールプロパントリシクロデカンジアクリレートは、代表的な公知の脂環族化合物であり、一般式（１）におけるｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓ＝２であり、構成単位であるモノマーが１分子中に有する官能基数が２である。屈折率の温度依存性Δｎ／ΔＴは−１０．０×１０^−５（Ｋ^−１）であった。２５℃と８５℃における光入射損失の差ΔＩＬは０．７４ｄＢであった。

〔比較例２〕
１，３−アダマンタンジメタノールジアクリレートの代わりに１，３−ビス（アクリロイルオキシエトキシ）アダマンタン（出光興産製）を用いた以外は実施例１と同様の検討を行った。上記１，３−ビス（アクリロイルオキシエトキシ）アダマンタンは、一般式（１）におけるｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓ＝４であり、構成単位であるモノマーが１分子中に有する官能基数が２である。屈折率の温度依存性Δｎ／ΔＴは−１１．７×１０^−５（Ｋ^−１）であった。２５℃と８５℃における光入射損失の差ΔＩＬは０．８３ｄＢであった。

〔比較例３〕
１，３−アダマンタンジメタノールジアクリレートの代わりに２−メチル−２−アダマンチルアクリレート（出光興産製）を用いた以外は実施例１と同様の検討を行った。２−メチル−２−アダマンチルアクリレートは、一般式（１）におけるｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓ＝１であり、構成単位であるモノマーが１分子中に有する官能基数が１である。屈折率の温度依存性Δｎ／ΔＴは−１０．４×１０^−５（Ｋ^−１）であった。２５℃と８５℃における光入射損失の差ΔＩＬは０．７６ｄＢであった。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

以上のように、本発明の光合分波器用光学素子は、入出射する光の光軸方向を曲げることができ、かつ焦点距離を制御可能な光合分波器用光学素子であって、アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とする樹脂組成物を重合して得られる樹脂硬化物からなる。それゆえ、使用環境の温度変化に伴う屈折率の変化および光の広がりが小さく、挿入損失が少ないという特性を実現することができる。したがって、本発明に係る光合分波器用光学素子は、光合分波器に搭載する傾斜レンズとして好適に利用でき、情報、通信産業に広く応用可能である。

本発明に係る光合分波器用光学素子を適用した干渉膜フィルタ型合分波器の一例として、干渉膜フィルタ型合分波器の、光ファイバのコアを通る面における断面を示した概略断面図である。 本発明の光合分波器１００内の光路を示す概念図である。 （ａ）（ｂ）は、傾斜レンズの形状を説明する平面図及び正面図である。 スタンパ法によって樹脂硬化物を成型する工程を示す工程図である。

符号の説明

１ 樹脂硬化物
３ スタンパ
４ 傾斜レンズアレイ
５ａ 光ファイバ（光入出力手段）
５ｂ 光ファイバ（光入出力手段）
５ｃ 光ファイバ（光入出力手段）
５ｄ 光ファイバ（光入出力手段）
５ｅ 光ファイバ（光入出力手段）
５ｆ 光ファイバ（光入出力手段）
７ 傾斜レンズアレイ
８ａ 傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）
８ｂ 傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）
８ｃ 傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）
８ｄ 傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）
８ｅ 傾斜レンズ（光合分波器用光学素子）
１０ａ 波長選択フィルタ
１０ｂ 波長選択フィルタ
１０ｃ 波長選択フィルタ
１０ｄ 波長選択フィルタ
１００ 光合分波器

Claims (6)

1. 入出射する光の光軸方向を曲げることができ、かつ焦点距離を制御可能な光合分波器用光学素子であって、
   アダマンタン骨格およびラジカル重合性基を有するモノマーを必須成分とする樹脂組成物を重合して得られる樹脂硬化物からなることを特徴とする光合分波器用光学素子。
2. 上記ラジカル重合性基が、一般式（１）
   −Ｏ_ｐ［（ＣＨ_２）_ｑＣＨ_２Ｏ_ｒ］_ｓＣＯＣＲ＝ＣＨ_２・・・（１）
   （式中、ＲはＨまたはＣＨ_３を示し、ｐ＝０または１である。ｐ＝０の場合、ｒ＝１であり、ｐ＝１の場合、ｒ＝０または１である。ただし、ｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓの上限は３である。）で表される官能基であって、上記モノマーが、１分子中に当該官能基を２個以上有することを特徴とする請求項１に記載の光合分波器用光学素子。
3. 上記モノマーが、上記一般式（１）におけるｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓが１である官能基を１分子中に２個以上有するモノマー（Ａ）および上記一般式（１）におけるｐ＋（ｑ＋ｒ＋１）×ｓが２または３である官能基を１分子中に２個以上有するモノマー（Ｂ）であって、
   モノマー（Ａ）およびモノマー（Ｂ）の合計重量％が１００重量％となるように、上記モノマー（Ａ）を１重量％以上９９重量％以下、かつ、上記モノマー（Ｂ）を１重量％以上９９重量％以下含むことを特徴とする請求項２に記載の光合分波器用光学素子。
4. 上記樹脂硬化物が、光ラジカル重合法および／または熱ラジカル重合法によって重合されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光合分波器用光学素子。
5. 上記樹脂硬化物が、スタンパ法によって成型されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光合分波器用光学素子。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の光合分波器用光学素子を、光入出力手段と波長選択素子との間に設けたことを特徴とする光合分波器。

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