JP4644844B2

JP4644844B2 - 光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP4644844B2
Application number: JP2006510199A
Authority: JP
Inventors: 竜也末次; 典正古南; 剛司大谷; 尚子加賀; 宏明横井; 実高田; 孝至垂水; 俊彦栄西; 広平角野
Original assignee: Isuzu Glass Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: Isuzu Glass Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2025-02-15
Also published as: JPWO2005080284A1; US7522803B2; US20080226248A1; EP1719740A4; WO2005080284A1; EP1719740A1

Description

本発明は、光学素子の製造方法であって、特に少なくとも一部に屈折率が異なる領域を有するガラスからなる光学素子の製造方法に関する。

従来、光通信分野において、光ファイバを伝播してきた信号光を該光ファイバの外部に平行光として取り出したり、またその逆に、平行光を光ファイバの端面に集束させて該光ファイバに入射させたりするために、光ファイバコリメータが使用されている。かかる光ファイバコリメータを用いる場合には、一対のコリメータレンズ間に光機能素子（例えば、光学フィルタ、光アイソレータ、光スイッチ、光変調器等）を挿入することにより、入射側の単一モード光ファイバを伝播してきた信号光に所定の作用を及ぼした後、信号光を受光側の単一モード光ファイバに集束させて再伝播することができる。

光ファイバコリメータに用いられるコリメートレンズとしては、種々の形状のレンズが用いられているが、球面レンズ及び形状の複雑な非球面レンズと比べて、製造時の研磨加工等が容易であるという理由により、円柱状の屈折率分布型レンズ（ロッドレンズ、ＧＲＩＮレンズ等とも称されている）が一般に使用されている。この屈折率分布型レンズが光の集束等に代表されるレンズ機能を有するのは、ロッドガラス内部の屈折率が中心から半径方向に亘って連続的な分布を有しているからである。

このような屈折率分布型レンズの製造方法としては、従来、ガラスロッドの半径方向に屈折率分布を形成させるために、例えば、イオン交換法、二重ルツボ法、ＣＶＤ法（気相堆積法）、ゾル−ゲル法、ロッドインチューブ法等が知られている。このうち、イオン交換法は、一価陽イオン（Ｋ^＋、Ｔｌ^＋、Ａｇ^＋等）を含む溶融塩に均質なガラスロッドを浸漬し、ガラスに含まれる一価陽イオン（Ｎａ^＋等）と溶融塩中の一価陽イオンとを交換することにより屈折率分布を形成する方法であり、最も代表的な製造方法である。例えば、特許文献１には、Ｎａ成分を含有するガラスロッドを、Ａｇ^＋を含む溶融塩を用いてイオン交換を行ってロッドの半径方向に屈折率分布を形成させることにより、屈折率分布型レンズを作製する方法が開示されている。

また、このようなイオン交換による屈折率分布を、平板状のガラスに施すことによって作製した、数十ミクロン〜サブミリ程度のレンズを並べたマイクロレンズアレイなども、コンピュータボード間のコネクト用又は光源のコリメート用として利用されつつある。

一方でこのような屈折率分布の形成により作製する光学素子として光導波路が挙げられる。光導波路の形成方法としては薄膜堆積法が知られており、シリコンなどの基板上にシリカを主成分とする光導波層を堆積する方法である。具体的には、スパッタ法、ＣＶＤ法、火炎堆積法等が知られている。これらの方法は、いずれも導波路形成のために高真空装置を必要とし、製造工程も複雑なためにコストが高くなるという欠点がある。また、ＣＶＤ法及び火炎堆積法では、ＳｉＨ_４、ＳｉＣｌ_４等の危険なガスを使用することがあり、コスト高の一因となっている。特に、火炎堆積法では、製造プロセスにおいて基板が１２００〜１３００℃程度の高温に晒されるため、基板が劣化し易く、また基板中に内部応力が発生して導波光の偏波依存性が大きくなる等の問題点も有る。

光導波路の形成方法としてはイオン交換法も知られており、基板としてＮａ^＋イオンを含む多成分ガラスを使用し、これをＫ^＋イオン、Ｔｌ^＋イオン、Ａｇ^＋イオン等が含まれる溶融塩に浸漬することにより、ガラス中のＮａ^＋イオンと溶融塩中のＫ^＋イオン、Ｔｌ^＋イオン、Ａｇ^＋イオン等とを交換する方法である。イオン交換法では、イオン交換の際に電界を印加してイオン交換速度、イオンの拡散速度等を加速することもある。この方法によれば、イオン交換されたガラス部分の屈折率が高くなって、光導波層を形成することができる。

このようなイオン交換法は、薄膜堆積法のように高真空を必要とせず、また、溶融塩の温度も通常２５０〜４００℃程度であり、製造設備は安価である。しかしながら、イオン交換速度、ガラス基板中でのイオンの拡散速度等は、溶融塩の組成、温度等に影響されるため、溶融塩の組成、温度等の厳密な管理が必要となる。しかも、イオン交換の温度は、溶融塩の溶融温度に左右されるため、溶融塩によるイオン交換法を用いて所望の屈折率プロファイルを持つ光学素子を作製する場合には、溶融塩の組成、温度、時間等のイオン交換条件の決定において高度のノウハウが必要となる。また、イオン交換を溶融塩で行う際には、所望するイオン交換部分以外にイオン交換阻止膜を塗布する必要がある。一般に、イオン交換阻止膜の塗布には、フォトリソグラフィーの技術が利用されるが、このような阻止膜の形成は工程が複雑である。さらに、導入イオンとして空気中で酸化され易いものを用いる場合には、イオン交換を還元雰囲気で行うことにも注意する必要がある。
特開２００１−１５９７０２号公報

本発明は、薄膜堆積法のように高真空を必要とせず、また溶融塩を用いない光学素子の製造方法を提供することを主な目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、リチウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銀化合物及びタリウム化合物から選ばれる少なくとも１種を含む特定のペーストを用いて、ガラス基材中にＬｉ^＋イオン、Ｋ^＋イオン、Ｒｂ^＋イオン、Ｃｓ^＋イオン、Ａｇ^＋イオン、Ｔｌ^＋イオン等を拡散させることにより、ガラス基材中に屈折率の異なる領域を形成する製造方法によれば、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、下記の光学素子の製造方法に係るものである。

１．アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基材に、リチウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銀化合物及びタリウム化合物から選ばれる少なくとも１種、有機樹脂並びに有機溶剤を含有するペーストを塗布し、ガラス基材の軟化温度より低い温度で熱処理することを特徴とする光学素子の製造方法。

２．ガラス基材が、アルカリ金属成分を酸化物換算で２重量％以上含むガラスからなり、該ガラスがケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス又は弗リン酸塩ガラスである上記項１記載の製造方法。

３．上記項１又は２に記載の製造方法により製造された光学素子。

４．屈折率分布型レンズ、屈折率分布型レンズアレイ、光導波路又は回折格子である上記項３記載の光学素子。

５．スラブ型又はチャネル型光導波路である上記項４記載の光学素子。

以下、本発明の光学素子の製造方法について詳細に説明する。なお、本発明における光学素子は、ガラス基材の少なくとも一部に形成された、基材とは異なる屈折率を有する領域又は屈折率分布を有する領域を利用して、所望の光学特性を発揮するものを言い、具体的には屈折率分布型レンズ、屈折率分布型レンズアレイ、光導波路、回折格子等が該当する。

本発明の製造方法では、ガラス基材として、アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基材を用いることが必要である。

該ガラス基材におけるアルカリ金属成分としては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ等を例示でき、これらの内で、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等が好ましく、特にＮａが好ましい。これらのアルカリ金属成分は、イオンの状態で存在してもよく、酸化物として存在してもよい。また、アルカリ金属成分は、一種のみ存在してもよく、二種以上が同時に存在してもよい。

該ガラス基材におけるアルカリ金属成分の含有量は、酸化物換算で２重量％程度以上とすることが適当であり、５重量％程度以上とすることが好ましく、１０重量％程度以上とすることがより好ましい。アルカリ金属成分の上限については特に限定的ではないが、酸化物換算で４０重量％程度とすることが適当であり、３０重量％程度とすることが好ましく、２０重量％程度とすることがより好ましい。

本発明では、アルカリ金属成分を含有するガラスであれば特に限定なく使用できる。例えば、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、弗リン酸塩ガラス等を用いることができる。

これらのガラスの具体的な組成については、特に限定はなく、ケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、弗リン酸塩ガラス等として公知の組成のガラスであって、上記したアルカリ金属成分を含有するものであればよい。

このようなガラス組成の具体例としては、例えば、酸化物量換算量で表して、下記１）〜４）が例示できる。

１）ＳｉＯ_２：４０〜８０重量％、好ましくは５０〜７５重量％、ＣａＯ：５〜２５重量％、好ましくは１７〜２０重量％、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｒｂ_２Ｏ及びＣｓ_２Ｏから選ばれた少なくとも１種：５〜２５重量％、好ましくは７〜２０重量％、ＭｇＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：２重量％以下、好ましくは１．５重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は０．１重量％程度とすることが望ましい）、Ａｌ_２Ｏ_３：１５重量％以下、好ましくは１０重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は０．５重量％程度とすることが望ましい）、Ｆｅ_２Ｏ_３及びＳＯ_３の少なくとも１種：３重量％以下、好ましくは１重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は０．０５重量％程度とすることが望ましい）を含むケイ酸塩ガラス。

２）ＳｉＯ_２：２０〜８０重量％、好ましくは３０〜７５重量％、Ｂ_２Ｏ_３：３〜５０重量％、好ましくは５〜３０重量％、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｒｂ_２Ｏ及びＣｓ_２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：３０重量％以下、好ましくは２５重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は１重量％程度とすることが望ましい）、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_３及びＧｄ_２Ｏ_３から選ばれた少なくとも１種：１５重量％以下、好ましくは１０重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は０．５重量％程度とすることが望ましい）、Ｎｂ_２Ｏ_５及びＺｒＯ_２から選ばれた少なくとも１種：２重量％以下、好ましくは１重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は０．０５重量％程度とすることが望ましい）、Ａｓ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３及びＳｎＯから選ばれた少なくとも１種：２重量％以下、好ましくは１重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は０．０１重量％程度とすることが望ましい）を含むホウケイ酸塩ガラス。

３）Ｐ_２Ｏ_５：４０〜８０重量％、好ましくは５０〜７５重量％、ＳｉＯ_２：２０重量％以下、好ましくは１０重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は０．５重量％程度とすることが望ましい）、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｒｂ_２Ｏ及びＣｓ_２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：２〜２５０重量％、好ましくは５〜４５重量％、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３及びＧｄ_２Ｏ_３から選ばれた少なくとも１種：１５重量％以下、好ましくは１０重量％以下（但し、所定の効果を十分にえるためには、下限値は０．５重量％程度とすることが望ましい）、Ｎｂ_２Ｏ_５及びＺｒＯ_２から選ばれた少なくとも１種：２重量％以下、好ましくは１重量％以下（但し、所定の効果を十分に得るためには、下限値は０．０１重量％程度とすることが望ましい）を含むリン酸塩ガラス。

４）Ｐ_２Ｏ_５：２０〜５０重量％、好ましくは３０〜４０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：５〜３０重量％、好ましくは１０〜２５重量％、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｌｉ_２Ｏ、Ｒｂ_２Ｏ及びＣｓ_２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ及びＳｒＯから選ばれた少なくとも１種：１０〜５０重量％、好ましくは２０〜４０重量％を基本組成とし、Ｆ（弗素）が上記Ｏ（酸素）の一部と置換して得られる弗リン酸塩ガラス。

このようなガラス基材の形状は特に限定されず、最終製品の用途に応じて適宜設定できる。例えば、レンズ、レンズアレイ、光導波路、回折格子等に適した形状が広く採用でき、具体的には、板状、円柱状、角柱状等が挙げられる。例えば、前記した組成のガラス塊を研磨することにより所望形状の基材としたものを使用してもよいし、前記した組成のガラス溶融体を所望形状の基材となるように成型後、必要に応じて研磨したものを使用してもよい。

本発明の製造方法では、このようなアルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基材を用いて、これにリチウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銀化合物及びタリウム化合物から選ばれる少なくとも１種を含有するペーストを塗布し、ガラス基材の軟化点より低い温度で熱処理を行う。以下、これらの化合物は「金属化合物」とも称する。

ペーストとしては、リチウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銀化合物及びタリウム化合物から選ばれる少なくとも１種と有機樹脂を有機溶媒に分散させてペースト状としたものを用いる。このようなペーストとしては、ガラス基材に塗布し得る適度な粘度を有し、熱処理によりリチウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオン、銀イオン及びタリウムイオンから選ばれる少なくとも１種を拡散させることのできる上記金属化合物を含有するペースト状物であれば特に限定されない。具体的には、ペースト粘度は、塗布方法、ペースト組成、基材への拡散条件等を考慮して適宜決定すればよい。

このようなペーストをガラス基材に塗布し、熱処理を行うことによって、該ペーストに含まれる金属化合物中の金属イオンが、ガラス基材中のアルカリ成分と交換してＬｉ^＋イオン、Ｋ^＋イオン、Ｒｂ^＋イオン、Ｃｓ^＋イオン、Ａｇ^＋イオン、Ｔｌ^＋イオン等としてガラス基材中に拡散する。そして、拡散部分にはガラス基材とは異なる屈折率を有する部分が形成され、その屈折率は拡散濃度の変化に応じて連続的に分布する。特に、Ａｇ^＋イオン、Ｔｌ^＋イオン等を拡散させる場合には、屈折率の調整範囲が広いため所望の屈折率分布が得られ易いため好ましい。該ペーストに含まれる金属化合物としては、熱処理によって各金属イオンをガラス基材に拡散可能なイオン結合性金属化合物であれば特に限定されないが、特に無機塩類を用いることが好ましい。各金属化合物の具体例を次に示す。

リチウム化合物としては、例えば、ＬｉＮＯ_３、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、ＬｉＦ、ＬＩ_２ＳＯ_４等が挙げられる。この中でも、特にＬｉＮＯ_３、Ｌｉ_２ＳＯ_４等が好ましい。

カリウム化合物としては、例えば、ＫＮＯ_３、ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＫＩ、ＫＦ、Ｋ_２ＳＯ_４等が挙げられる。この中でも、特にＫＮＯ_３、Ｋ_２ＳＯ_４等が好ましい。

ルビジウム化合物としては、例えば、ＲｂＮＯ_３、ＲｂＣｌ、ＲｂＢｒ、ＲｂＩ、ＲｂＦ、Ｒｂ_２ＳＯ_４等が挙げられる。この中でも、特にＲｂＮＯ_３、Ｒｂ_２ＳＯ_４等が好ましい。

セシウム化合物としては、例えば、ＣｓＮＯ_３、ＣｓＣｌ、ＣｓＢｒ、ＣｓＩ、ＣｓＦ、Ｃｓ_２ＳＯ_４等が挙げられる。この中でも、特にＣｓＮＯ_３、Ｃｓ_２ＳＯ_４等が好ましい。

銀化合物としては、例えば、ＡｇＮＯ_３、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、ＡｇＩ、ＡｇＦ、Ａｇ_２Ｓ、Ａｇ_２ＳＯ_４、Ａｇ_２Ｏ等が挙げられる。この中でも、特にＡｇＮＯ_３が好ましい。

タリウム化合物としては、例えば、ＴｌＮＯ_３、ＴｌＣｌ、ＴｌＢｒ、ＴｌＩ、ＴｌＦ、Ｔｌ_２Ｓ、Ｔｌ_２ＳＯ_４、Ｔｌ_２Ｏ等が挙げられる。この中でも、特にＴｌＮＯ_３が好ましい。

これらの金属化合物は、１種単独で使用してもよく、２種以上を混合してもよい。

該ペーストに含まれる有機樹脂としては、熱処理温度において分解する樹脂を用いればよく、水洗により容易に除去できるものが好ましい。例えば、このような特性を有する、セルロース樹脂、メチルセルロース樹脂、セルロースアセテート樹脂、セルロースニトレート樹脂、セルロースアセテートプチレート樹脂、アクリル樹脂、石油樹脂等が挙げられる。これらの有機樹脂は、１種単独で使用してもよく、２種以上を混合してもよい。

該ペーストにおいて用いる有機溶剤は、金属化合物及び有機樹脂を容易に分散でき、乾燥時に容易に揮発するものであることが好ましく、具体的には、室温（２０℃程度）では液体であって、５０〜２００℃程度で揮発する溶剤が好ましい。このような溶剤の具体例としては、メタノール、エタノール、テルピネオール等のアルコール類；ジメチルエーテル；アセトン等のケトン類などを挙げることができる。

該ペーストには、必要に応じて、添加剤を加えても良い。例えば、金属化合物の融点を低下させる添加剤としては、Ｎａ_２ＳＯ_４、ＮａＮＯ_３、ＮａＣｌ、ＮａＢｒ、ＮａＩ等が挙げられる。この中でも、特にＮａ_２ＳＯ_４、ＮａＮＯ_３の少なくとも１種が好ましい。これらの添加剤の配合量については、特に限定的ではないが、金属化合物１００重量部に対して、２００重量部以下、好ましくは１８０重量部以下である。

該ペーストにおける各成分の含有量は、最終製品の特性に応じて適宜設定できるが、例えば、金属化合物がカリウム化合物、ルビジウム化合物又はセシウム化合物の場合には、金属化合物１００重量部に対して、有機溶剤２〜２５重量部、好ましくは５〜２０重量部、樹脂成分１５〜４５重量部、好ましくは２０〜４０重量部、添加剤３重量部以下である。特に、カリウム化合物としてＫＮＯ_３、ルビジウム化合物としてＲｂＮＯ_３、セシウム化合物としてＣｓＮＯ_３を用いる場合には、この配合態様が好ましい。

また、金属化合物が銀化合物又はタリウム化合物の場合には、金属化合物１００重量部に対して、有機溶剤１５〜４５重量部、好ましくは２０〜４０重量部、樹脂成分５０〜１７０重量部、好ましくは７０〜１５０重量部、添加剤１８０重量部以下、好ましくは１６０重量部以下である。特に、銀化合物としてＡｇＮＯ_３、タリウム化合物としてＴｌＮＯ_３を用いる場合には、この配合態様が好ましい。

さらに、金属化合物がリチウム化合物の場合には、金属化合物１００重量部に対して、有機溶剤１０〜５０重量部、好ましくは１５〜４５重量部、樹脂成分４０〜１８０重量部、好ましくは６０〜１６０重量部、添加剤１８０重量部以下、好ましくは１６０重量部以下である。特に、リチウム化合物としてＬｉ_２ＳＯ_４を用いる場合には、この配合態様が好ましい。

本発明の製造方法では、先ず該ペーストをガラス基材に塗布する。ペーストの塗布形状は特に限定されず、各光学素子の特性に合わせて適宜設定できる。例えば、屈折率分布型レンズを作製する場合には、基材の所望部位にレンズとして使用可能な形状にペーストを塗布すればよい。具体的には、円形に塗布する場合には、通常は半径が５μｍ〜１ｍｍ、好ましくは１０μｍ〜０．５ｍｍ程度である。他方、レンズアレイを作製する場合には、所望のレンズパターンに合わせてパターニング間隔、円又はドットの大きさ等を調整すればよい。パターニング間隔は特に限定的ではないが、通常１ｃｍ以下、好ましくは５００μｍ以下、より好ましくは２５０μｍ以下である。

塗布方法については特に限定はなく、公知の塗布方法を適宜採用すれば良く、例えば、スピーンコート、スプレーコート、ディップコート等の方法を適用できる。また、屈折率分布型微小レンズ（マイクロレンズ）を作製する場合には、注射器、ディスペンサー分注装置等によりペーストを基材上に滴下してもよいし、精密な円形微小ドットを形成する印刷技法（例えば、インクジェット法を使用した印刷）等を利用してもよい。

また、光導波路又は回折格子を作製する場合には、線形にパターニングすればよい。線形のパターニングには、染色等に用いられるスクリーニング（スクリーン印刷）を利用してもよい。線状にパターニングする場合には、線形幅は光学素子（光導波路、回折格子等）の所望の特性に応じて適宜設定できるが、光導波路であれば、通常１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下であり、回折格子であれば、通常５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以下である。さらに、より精密なパターンを形成する場合には、フォトリソグラフィー法によって、ガラス基材表面に無機膜によるパターニングを行い、ガラス基材の露出部分に金属化合物を含むペーストを塗布すればよい。

以下、光導波路の形成手順の一例であって、フォトリソグラフィー法によってガラス基材表面に無機膜によりパターニングを行い、ガラス基材の露出部分に金属化合物を含むペーストを塗布後、熱処理することにより、チャネル型の光導波路を形成する手順について簡単に説明する。

まず、ガラス基材上にＡｌ、Ｔｉ、Ａｇ等の金属、ＳｉＯ_２等の酸化物等を蒸着して、無機膜を形成する。蒸着された無機膜の厚さは特に限定的ではないが、０．２５〜１μｍ程度とすることが好ましく、０．２５〜０．５μｍ程度とすることがより好ましい。無機膜を蒸着後、その上にフォトレジスト剤を塗布する。フォトレジスト剤としては、市販の有機系のフォトレジスト剤を使用すればよい。塗布方法も特に制限はないが、例えば、スピーンコート、スプレーコート、ディップコート等の方法を採用できる。次に、このフォトレジスト剤の上にパターニングを施した金属板を置き、紫外線により露光後、現像してフォトレジスト剤によるパターンを形成する。次いで、このパターンに従って露出部分の無機膜をエッチング等で剥離し、フォトレジスト剤を除去することによってガラス基板表面に無機膜によるパターン皮膜を形成する。次いで、ガラス基板の露出部分に該無機膜上から金属化合物を含むペーストを塗布後、熱処理（条件については後記する）を行うことによって、チャネル型の光導波路を形成することができる。

また、光導波路の他の態様として、ガラス基板の全面にペーストを塗布し、熱処理を行うことによって、スラブ型の光導波路を形成することもできる。

上記した何れのペースト塗布方法においても、塗布厚は特に限定されず、ペースト中に含まれる金属化合物の種類、含有量等によって適宜設定できるが、通常２ｍｍ以下、特に１．５ｍｍ以下、特に好ましくは１ｍｍ以下である。

ペーストを塗布した後、通常、熱処理に先だって塗膜を乾燥する。乾燥条件については特に限定はなく、溶剤成分が十分に除去されてペーストが乾固させるように乾燥すればよく、通常１００〜２５０℃で３０分〜１．５時間、好ましくは１５０〜２００℃で４５分〜１時間程度加熱することにより効率よく乾燥することができる。

次いで、乾燥した塗膜を熱処理する。熱処理温度は、通常２５０〜６００℃程度、好ましくは３００〜５５０℃程度の温度範囲であって、ガラス基材の軟化点を下回る温度とすればよい。熱処理時間は、温度に応じて適宜設定できるが、通常１０分から１００時間、好ましくは３０分〜５０時間程度、特に好ましくは１〜２５時間程度である。熱処理雰囲気は特に限定されず、通常は空気中等の酸素含有雰囲気中でよい。

上記した方法によって熱処理を行うことによって、所定の金属イオンがガラス基材に拡散する。拡散した金属イオンは、処理条件によって異なるが、金属イオンの状態、金属酸化物の状態、金属微粒子の状態等で存在し、拡散部分については、ガラス基材部分とは屈折率が異なるものとなる。屈折率の分布は連続的なものであり、通常はペーストを塗布した基材表面の屈折率が最大であり、拡散深度が大きくなるほど屈折率は小さくなる。また、例えば、円形に塗布した場合には、円の中心部から半径方向に亘って連続的に屈折率が小さくなる。このように、基材と異なる屈折率分布又は屈折率分布領域が形成されることにより、所定の光学特性を発揮し得る素子構造が得られる。

熱処理後は、通常、室温まで放冷し、基材上に残っているペースト残留物を水洗すればよい。

勿論、本発明の製造方法は、上記具体的に示した光学素子の製造のみならず、基材に付与した屈折率変化又は屈折率分布を光学的に利用できる素子の製造に有用である。

本発明の製造方法によれば、アルカリ金属成分を含むガラス基材に、特定の金属化合物を含むペーストを塗布し、空気中等で加熱するという簡単な操作によって、ガラス基材の所望部分に基材とは屈折率の異なる領域又は屈折率分布を形成して、かかる屈折率の差異又は屈折率分布を利用した光学素子を製造することができる。この方法によれば、煩雑な製造工程を要することなく、低コストで光学素子を製造できる。

また、溶融塩を用いないため、溶融塩の厳密な管理が必要なく、熱処理温度及びペースト中の金属化合物濃度を独立に制御することができる。さらに、溶融塩に浸漬するのと異なり、基材上の所望部位にペーストを塗布するため、基材上に阻止膜等のマスクを形成する必要がない。

実施例１で作製したＹ字状光導波路における銀の分布を示す図である、図中、（ａ）は導波路始点を示し、（ｂ）は導波路終点を示す。実施例１で作製したＹ字状光導波路の深さ方向における屈折率分布を示す図である。実施例１で作製したスラブ型光導波路が光を導波することを確認するための、プリズムの反射強度測定結果を示す図である。実施例２で作製したマイクロレンズの銀の分布（表層部）を示す図である。実施例２で作製したマイクロレンズの深さ方向（円の中心部）の屈折率分布を示す図である。実施例３のマイクロレンズアレイの製造における、ペーストのパターニング模式図である。２００μｍは塗布円の直径を示し、３００μｍは塗布円のパターニング間隔を示す。実施例３で作製したマイクロレンズアレイの１つのレンズにおける銀の分布（表層部）を示す図である。実施例３で作製したマイクロレンズアレイの１つのレンズにおける深さ方向（円の中心部）の屈折率分布を示す図である。

以下に実施例を示し、本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されない。

実施例１
（屈折率分布型Ｙ字状光導波路の作製）
市販ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｎａ_２Ｏ系ホウケイ酸塩ガラス（型番：ＢＫ７、ショット製）を基材（縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ３ｍｍ）として用いて、下記の方法で光導波路を作製した。

先ず、ガラス基材を洗浄後、片面にＡｇＮＯ_３：２５重量％、ＮａＮＯ_３：４０重量％、アクリル樹脂：１５重量％、セルロース樹脂：１５重量％及び、テルピネオール：５重量％からなるペースト（銀化合物１００重量部に対して、有機溶剤２０重量部、樹脂成分１２０重量部及び添加剤１６０重量部を配合したもの）をスクリーニングによりＹ字線状（線幅１００μｍ）に塗布した。ペースト厚さは１ｍｍとなるように塗布した。

次いで、ペーストを塗布したガラス基材を２００℃で１時間乾燥後、空気中３００℃で３時間熱処理を行った。

熱処理後の試料について、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）により銀の分布を測定することにより、銀がＹ字線に沿って分布していることを確認した。銀の分布測定結果を図１に示す。図中（ａ）は光導波路の始点であり、（ｂ）は終点である。なお、実施例１では、Ｙ字の下端を始点、上端２箇所を終点としている。

また、ガラス基材の深さ方向における屈折率の分布を調べたところ、ガラス基板との屈折率差が最大で約５×１０^−２増大し、表面から約４μｍまで屈折率分布が生じていた。深さ方向の屈折率分布測定結果を図２に示す。

さらに、上記方法にてスラブ型光導波路を作製し、プリズムカップリング法において、作製したガラス表面からの反射強度を測定したところ、光が導波することを確認した。測定角と検出強度との関係を図３に示す。

実施例２
（屈折率分布型マイクロレンズの作製）
市販ＳｉＯ_２−ＣａＯ−Ｎａ_２Ｏ系ケイ酸塩ガラスを基材（型番：Ｂ２７０、ショット製）（縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ３ｍｍ）として用いて、下記の方法でマイクロレンズを作製した。

先ず、ガラス基材を洗浄後、片面にＡｇＮＯ_３：２５重量％、ＮａＮＯ_３：４０重量％、アクリル樹脂：１５重量％、セルロース樹脂：１５重量％及びテルピネオール：５重量％からなるペースト（銀化合物１００重量部に対して、有機溶剤２０重量部、樹脂成分１２０重量部及び添加剤１６０重量部を配合したもの）を注射器滴下により円形（直径４００μｍ）に塗布した。ペースト厚さは１ｍｍとなるように塗布した。

熱処理後の試料について、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）により銀の分布を測定することにより、銀が円形に分布していることを確認した。銀の分布測定結果を図４に示す。銀の分布は、塗布したペースト表面（即ち、ガラス表層面）の銀の分布を測定したものである。

また、ガラス基材の深さ方向における屈折率の分布を調べたところ、ガラス基板との屈折率差が最大で約１×１０^−２増大し、塗布した円の中心部において、表面から約６μｍまで屈折率の分布が生じていることが分かった。深さ方向（円の中心部）の屈折率分布を図５に示す。

実施例３
（屈折率分布型マイクロレンズアレイの作製）
ＳｉＯ_２：５４重量％、Ｂ_２Ｏ_３：２２重量％、（Ｌｉ_２Ｏ，Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏ）：合量で１２重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１０重量％、ＺｎＯ：２重量％の組成のガラスを基材（縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ３ｍｍ）として用いて、下記の方法で屈折率分布型マイクロレンズアレイを作製した。

先ず、ガラス基材を洗浄後、片面にＡｇＮＯ_３：２５重量％、ＮａＮＯ_３：４０重量％、アクリル樹脂：１５重量％、セルロース樹脂：１５重量％及びテルピネオール：５重量％からなるペースト（銀化合物１００重量部に対して、有機溶剤２０重量部、樹脂成分１２０重量部及び添加剤１６０重量部を配合したもの）をディスペンサー分注試験装置により滴下し、円形（直径２００μｍ）に塗布した。塗布は、パターニング間隔（円の中心から隣接の円の中心までの間隔）を３００μｍとし、２０×２０点（計４００点）行った。ペースト厚さは０．２ｍｍとした。パターニングの模式図を図６に示す。

次いで、ペーストを塗布したガラス基材を２００℃で１時間乾燥後、空気中３００℃で１２時間熱処理を行った。

熱処理後の試料について、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）により銀の分布を測定することにより、銀が円形に分布していることを確認した。銀の分布測定結果を図７に示す。これは、塗布したペースト表面（即ち、ガラス表層面）の銀の分布を測定したものである。

また、ガラス基材の深さ方向における屈折率の分布を調べたところ、ガラス基板との屈折率差が最大で約４×１０^−２増大し、塗布した円の中心部において、表面から約１５μｍまで屈折率の分布が生じていることが分かった。深さ方向（円の中心部）の屈折率分布を図８に示す。

Claims

アルカリ金属成分をガラス構成成分として含むガラス基材に、リチウム化合物、カリウム化合物、ルビジウム化合物、セシウム化合物、銀化合物及びタリウム化合物から選ばれる少なくとも１種、有機樹脂並びに有機溶剤を含有するペーストを塗布し、ガラス基材の軟化温度より低い温度で熱処理することを特徴とする光学素子の製造方法。
ガラス基材が、アルカリ金属成分を酸化物換算で２重量％以上含むガラスからなり、該ガラスがケイ酸塩ガラス、ホウケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス又は弗リン酸塩ガラスである請求項１記載の製造方法。
光学素子が、屈折率分布型レンズ、屈折率分布型レンズアレイ、光導波路又は回折格子である請求項１記載の製造方法。
光学素子が、スラブ型又はチャネル型光導波路である請求項１記載の製造方法。