WO2005080284A1 - 光学素子の製造方法 - Google Patents

光学素子の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2005080284A1
WO2005080284A1 PCT/JP2005/002246 JP2005002246W WO2005080284A1 WO 2005080284 A1 WO2005080284 A1 WO 2005080284A1 JP 2005002246 W JP2005002246 W JP 2005002246W WO 2005080284 A1 WO2005080284 A1 WO 2005080284A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
weight
glass
compound
paste
glass substrate
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/002246
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tatsuya Suetsugu
Norimasa Kominami
Takeshi Ohtani
Naoko Kaga
Hiroaki Yokoi
Minoru Takada
Takashi Tarumi
Toshihiko Einishi
Kohei Kadono
Original Assignee
Isuzu Glass Co., Ltd.
National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Isuzu Glass Co., Ltd., National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology filed Critical Isuzu Glass Co., Ltd.
Priority to EP05719148A priority Critical patent/EP1719740A4/en
Priority to JP2006510199A priority patent/JP4644844B2/ja
Priority to US10/589,720 priority patent/US7522803B2/en
Publication of WO2005080284A1 publication Critical patent/WO2005080284A1/ja

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
    • G02B6/132—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by deposition of thin films
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C21/00—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface
    • C03C21/008—Treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by diffusing ions or metals in the surface in solid phase, e.g. using pastes, powders

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing an optical element, and more particularly to a method for manufacturing an optical element made of glass having at least a part of a region having a different refractive index.
  • signal light propagating through an optical fiber is extracted as parallel light outside the optical fiber, and conversely, the parallel light is focused on the end face of the optical fiber.
  • An optical fiber collimator is used to cause the light to enter the optical fiber.
  • an optical function element for example, an optical filter, an optical isolator, an optical switch, an optical modulator, etc.
  • the signal light can be focused on the single-mode optical fiber on the light receiving side and re-propagated.
  • collimating lens used in an optical fiber collimator compared to a spherical lens or an aspherical lens having a complicated shape in which various shapes of lenses are used, polishing and polishing during manufacturing are easier. For this reason, cylindrical graded index lenses (also called rod lenses, GRIN lenses, etc.) are commonly used.
  • the refractive index distribution type lens has a lens function typified by focusing of light, etc., because the refractive index inside the rod glass has a continuous distribution from the center in the radial direction. .
  • a method of manufacturing such a gradient index lens conventionally, in order to form a refractive index distribution in a radial direction of a glass rod, for example, an ion exchange method, a double crucible method, a CVD method (gas phase) Deposition methods), sol-gel methods, rod-in-tube methods and the like are known.
  • the ion exchange method involves immersing a homogeneous glass rod in a molten salt containing monovalent cations (K +, Tl +, Ag +, etc.), and mixing the monovalent cations (Na +, etc.) contained in the glass with the molten salt.
  • Patent Document 1 discloses that a glass rod containing a Na component is used for a molten salt containing Ag +.
  • a method for producing a refractive index distribution type lens by performing ion exchange to form a refractive index distribution in a radial direction of a rod has been disclosed.
  • a microlens array in which lenses of several tens of microns and sub-millimeters are arranged by applying a refractive index distribution by such ion exchange to a flat glass is also used between computer boards.
  • a refractive index distribution by such ion exchange is also used between computer boards.
  • an optical waveguide is cited as an optical element manufactured by forming such a refractive index distribution.
  • a method of forming an optical waveguide a thin film deposition method is known, and is a method of depositing an optical waveguide layer containing silica as a main component on a substrate such as silicon.
  • a sputtering method, a CVD method, a flame deposition method and the like are known.
  • CVD and flame deposition SiH
  • the substrate is exposed to a high temperature of about 1200 to 1300 ° C in the manufacturing process, the substrate is easily degraded, and the internal stress is generated in the substrate, thereby causing polarization of the guided light. There are also problems such as increased dependence.
  • An ion exchange method is also known as a method for forming an optical waveguide.
  • a multi-component glass containing Na + ions is used as a substrate, which is immersed in a molten salt containing K + ions, T1 + ions, Ag + ions, and the like.
  • Na + ions in the glass are exchanged with K + ions, T1 + ions, Ag + ions, etc. in the molten salt.
  • an electric field may be applied during ion exchange to accelerate the ion exchange rate, ion diffusion rate, and the like.
  • the optical waveguide layer can be formed by increasing the refractive index of the ion-exchanged glass portion.
  • Such an ion exchange method does not require a high vacuum unlike the thin film deposition method, and the temperature of the molten salt is usually about 250 to 400 ° C, and the production equipment is inexpensive.
  • the ion exchange rate and the diffusion rate of ions in the glass substrate are affected by the composition and temperature of the molten salt, strict control of the composition and temperature of the molten salt is required. It becomes.
  • the temperature of ion exchange depends on the melting temperature of the molten salt, the ion exchange method using a molten salt is used to produce an optical element having a desired refractive index profile. Composition of A high degree of know-how is required in determining ion exchange conditions such as temperature, time, and the like.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-159702
  • the main object of the present invention is to provide a method for manufacturing an optical element that does not require a high vacuum and does not use a molten salt unlike the thin film deposition method.
  • the inventor of the present invention has conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, a specific compound containing at least one selected from a lithium compound, a potassium compound, a rubidium compound, a cesium compound, a silver compound and a thallium compound has been obtained.
  • a paste to diffuse Li + ions, K + ions, Rb + ions, Cs + ions, Ag + ions, T1 + ions, etc. into a glass substrate a manufacturing method that forms regions with different refractive indices in the glass substrate According to the finding, the above object can be achieved, and the present invention has been completed.
  • the present invention relates to the following optical element manufacturing method.
  • a glass substrate containing an alkali metal component as a glass component is provided with at least one selected from lithium compounds, potassium compounds, rubidium compounds, cesium compounds, silver compounds and thallium compounds, organic resins and organic solvents.
  • a method for producing an optical element which comprises applying a paste containing, and heat-treating the paste at a temperature lower than the softening temperature of the glass substrate.
  • Glass base strength A glass base containing at least 2% by weight of an alkali metal component in terms of oxide, wherein the glass is a silicate glass, a borosilicate glass, a phosphate glass or a fluorophosphate glass. 2. The production method according to Item 1, above.
  • optical element manufactured by the manufacturing method according to the above item 1 or 2.
  • optical element according to the above item 3 which is a gradient index lens, a gradient index lens array, an optical waveguide or a diffraction grating.
  • optical element according to the above item 4 which is a slab-type or channel-type optical waveguide.
  • the optical element in the present invention provides desired optical characteristics by utilizing a region having a refractive index different from that of the substrate or a region having a refractive index distribution formed on at least a part of the glass substrate. This means that it exerts its effect, and specifically includes a gradient index lens, a gradient index lens array, an optical waveguide, a diffraction grating, and the like.
  • alkali metal component in the glass substrate examples include Li, Na, K, Rb, Cs and the like, and among them, Li, Na, K and the like are particularly preferable, and Na is particularly preferable.
  • These alkali metal components may exist in an ionic state or as an oxide.
  • the alkali metal component may be present alone, or two or more may be present simultaneously.
  • the content of the alkali metal component in the glass substrate is suitably about 2% by weight or more, and preferably about 5% by weight or more in terms of oxidized product. More preferably, it is more than about.
  • the upper limit of the alkali metal component is not particularly limited, it is suitably about 40% by weight, preferably about 30% by weight in terms of oxidized product, and is preferably about 20% by weight. Is more preferable.
  • any glass containing an alkali metal component can be used without particular limitation.
  • silicate glass, borosilicate glass, phosphate glass, fluorophosphate glass, or the like can be used.
  • composition of these glasses is not particularly limited, and is a glass having a composition known as silicate glass, borosilicate glass, phosphate glass, fluorophosphate glass, or the like. Any material containing the above-mentioned alkali metal component can be used.
  • Such a glass thread include, for example, the following 1) to 14) in terms of the amount converted into an oxidized product.
  • Seed 5 25 weight 0/0, preferably 7 20 wt 0/0, MgO, BaO, ZnO, SrO and PbO force et chosen at least one: 2 wt% or less, preferably 1.5 wt% The following (however, in order to sufficiently obtain the predetermined effect, the lower limit is preferably set to about 0.1% by weight).
  • the lower limit is preferably about 0.5% by weight), and at least one of Fe 2 O and SO
  • Seed 2 20 weight 0/0, preferably 5-15 wt 0/0, MgO, CaO, BaO, ZnO, SrO and P bO force also chosen at least one: 30 wt% or less, preferably 25 wt% The following (however, the lower limit is desirably about 1% by weight in order to obtain a sufficient effect), A1
  • La O, Y O, Ta O and Gd O force At least one selected: 15% by weight or less
  • NbO and ZrO forces at least one selected from: 2
  • Wt% or less preferably 1 wt% or less (however, in order to obtain a sufficient effect, the lower limit value is preferably about 0.05 wt%), selected from AsO, SbO, and SnO.
  • the shape of such a glass substrate is not particularly limited, and can be appropriately set according to the use of the final product.
  • shapes suitable for lenses, lens arrays, optical waveguides, diffraction gratings, and the like can be widely used, and specific examples include plate, column, and prism shapes.
  • a substrate having a desired shape may be used by polishing a glass lump having the above-described composition, or a glass melt having the above-described composition may be formed into a substrate having a desired shape by shaping. If necessary, a polished one may be used.
  • a glass substrate containing such an alkali metal component as a glass component is used, and a lithium compound, a potassium compound, a rubidium compound, a cesium compound, a silver halide compound, Thallium compound power A paste containing at least one selected from is applied, and heat treatment is performed at a temperature lower than the softening point of the glass substrate.
  • these compounds are also referred to as “metal compounds”.
  • the paste is prepared by dispersing at least one selected from a lithium compound, a potassium compound, a rubidium compound, a cesium compound, a silver halide compound, and a thallium compound powder and an organic resin in an organic solvent.
  • the shape is used.
  • Such a paste has an appropriate viscosity that can be applied to a glass substrate, and diffuses at least one selected from lithium, potassium, rubidium, cesium, silver and thallium ions by heat treatment.
  • the paste is not particularly limited as long as it is a paste containing the above-mentioned metal compound. Specifically, the paste viscosity may be appropriately determined in consideration of the application method, paste composition, diffusion conditions to the base material, and the like.
  • the metal compound contained in the paste is not particularly limited as long as it is an ion-bonding metal compound capable of diffusing each metal ion into a glass substrate by heat treatment, but it is particularly preferable to use inorganic salts. Specific examples of each metal compound are shown below.
  • lithium compounds include LiNO, LiCl, LiBr, Lil, LiF, and LISO.
  • LiNO, LiSO, etc. are particularly preferred.
  • Examples of the potassium compound include KNO, KC1, KBr, KI, KF, and KSO.
  • KNO, KSO and the like are particularly preferable.
  • Examples of the rubidium compound include RbNO, RbCl, RbBr, Rbl, RbF, and RbSO.
  • RbNO, RbSO and the like are particularly preferable.
  • Examples of the cesium compound include CsNO, CsCl, CsBr, Csl, CsF, and CsSO.
  • CsNO and CsSO are particularly preferable.
  • silver compound for example, AgNO, AgCl, AgBr, Agl, AgF, Ag S, Ag SO
  • AgNO is particularly preferred.
  • Examples of the thallium compound include T1NO, T1C1, TlBr, Til, T1F, TlS, TlSO,
  • TlO and the like are particularly preferred.
  • T1NO is particularly preferred.
  • These metal compounds may be used alone or in a combination of two or more.
  • the organic resin contained in the paste is preferably one that can be easily removed by washing with water, using a resin that decomposes at a heat treatment temperature.
  • a resin that decomposes at a heat treatment temperature for example, cellulose resin, methylcellulose resin, cellulose acetate resin, cellulose acetate-tolate resin, cellulose acetate butylate resin, acrylic resin, petroleum resin, and the like having such properties can be mentioned.
  • These organic resins can be used alone or as a mixture of two or more. May be.
  • the organic solvent used in the paste preferably disperses the metal compound and the organic resin easily and volatilizes easily upon drying. More specifically, at room temperature (20 ° C (Degree), a solvent which is liquid and volatilizes at about 50 to 200 ° C. is preferable. Specific examples of such a solvent include alcohols such as methanol, ethanol, and terbineol; dimethyl ether; ketones such as acetone.
  • additives may be added to the paste.
  • Na SO Na SO
  • NaNO NaNO
  • the mixing amount of the agent is not particularly limited, but is 200 parts by weight or less, preferably 180 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the metal compound.
  • the content of each component in the paste can be appropriately set according to the properties of the final product.
  • the metal compound is a potassium compound, a rubidium compound or a cesium compound
  • the content is based on 100 parts by weight of the metal compound.
  • the organic solvent is 2 to 25 parts by weight, preferably 520 parts by weight
  • the resin component is 15 to 45 parts by weight, preferably 20 to 40 parts by weight
  • the additive is 3 parts by weight or less.
  • KNO as a potassium compound
  • RbNO as a rubidium compound
  • the metal compound is a silver halide compound or a thallium compound
  • the organic solvent is 15 to 45 parts by weight, preferably 20 to 40 parts by weight
  • the resin component is 100 parts by weight of the metal compound.
  • the amount is 50 to 170 parts by weight, preferably 70 to 150 parts by weight
  • the additive is 180 parts by weight or less, preferably 160 parts by weight or less.
  • AgNO was used as a silver tie
  • T1NO was used as a thallium compound.
  • the organic solvent is 10 to 50 parts by weight, preferably 15 to 45 parts by weight, and the resin component is 40 to 180 parts by weight, preferably 100 parts by weight of the metal compound.
  • the additive is 180 parts by weight or less, preferably 160 parts by weight or less.
  • Li SO is used as the lithium compound, this compounding mode is preferable.
  • the paste is applied to a glass substrate.
  • the shape is not particularly limited, and can be appropriately set according to the characteristics of each optical element.
  • a paste may be applied to a desired portion of a substrate in a shape usable as a lens.
  • the radius is usually about 5 ⁇ m-lmm, preferably about 10 ⁇ m-0.5 mm.
  • the pattern spacing, the size of a circle or a dot, etc. may be adjusted according to a desired lens pattern.
  • the patterning interval is not particularly limited, but is usually 1 cm or less, preferably 500 ⁇ m or less, and more preferably 250 ⁇ m or less.
  • the application method is not particularly limited, and any known application method may be appropriately employed. For example, a method such as Sbean coat, spray coat, or dip coat can be applied.
  • a method such as Sbean coat, spray coat, or dip coat can be applied.
  • the paste may be dropped onto the base material using a syringe, a dispenser, a single dispenser, or the like, or precise circular microdots may be formed.
  • a printing technique for example, printing using an inkjet method may be used.
  • linear patterning may be performed. Screening (screen printing) used for staining or the like may be used for the linear pattern Jung.
  • the linear width can be appropriately set according to the desired characteristics of the optical element (optical waveguide, diffraction grating, etc.).
  • the glass substrate surface is patterned with an inorganic film by photolithography, and a paste containing a metal compound is applied to the exposed portion of the glass substrate. .
  • the following is an example of a procedure for forming an optical waveguide, in which a glass substrate surface is patterned by an inorganic film by a photolithography method, and a paste containing a metal compound is applied to an exposed portion of the glass substrate.
  • the procedure for forming a channel type optical waveguide by heat treatment will be briefly described.
  • a metal such as Al, Ti, and Ag, an oxide such as SiO, and the like are vapor-deposited on a glass substrate to form an inorganic material.
  • the thickness of the deposited inorganic film is not particularly limited, but is preferably about 0.25—: m, more preferably about 0.25-0.5 / zm.
  • a photoresist agent is applied thereon.
  • the photoresist agent a commercially available organic photoresist agent may be used.
  • the application method is not particularly limited, but, for example, a method such as spin coating, spray coating, and dip coating can be employed.
  • a metal plate provided with a pattern jungle is placed on the photo resist agent, exposed to ultraviolet rays, and developed to form a pattern of a photoresist agent.
  • a channel-type optical waveguide can be formed by applying a paste containing the metal compound on the inorganic film to the exposed portion of the glass substrate and performing a heat treatment (the conditions will be described later).
  • a slab-type optical waveguide can be formed by applying paste on the entire surface of the glass substrate and performing heat treatment.
  • the thickness of the application is not particularly limited, and can be appropriately set depending on the type and the content of the metal compound contained in the paste. .5 mm or less, particularly preferably lmm or less.
  • the coating film is usually dried prior to heat treatment.
  • the drying conditions are not particularly limited. It is sufficient if the paste is dried so that the solvent components are sufficiently removed and the paste is dried.
  • the temperature is 100 to 250 ° C for 30 minutes to 1.5 hours, preferably 150 to 200 °. Heating for 45 minutes to 1 hour at C enables efficient drying.
  • the heat treatment temperature is usually in the range of about 250 to 600 ° C, preferably about 300 to 550 ° C, and may be lower than the softening point of the glass substrate.
  • the heat treatment time is a force that can be appropriately set according to the temperature. Usually, it is 10 minutes to 100 hours, preferably about 30 minutes to 50 hours, particularly preferably about 125 hours.
  • the atmosphere for the heat treatment is not particularly limited, and may be usually in an oxygen-containing atmosphere such as air.
  • predetermined metal ions diffuse into the glass substrate.
  • the diffused metal ions vary depending on the processing conditions, but exist in the form of metal ions, metal oxides, fine metal particles, etc., and the diffused part has a different refractive index from the glass base part. .
  • the distribution of the refractive index is continuous, and the refractive index of the surface of the substrate on which the paste is applied is usually maximum, and the refractive index increases as the diffusion depth increases. The rate will be smaller. Further, for example, in the case of coating in a circular shape, the refractive index decreases continuously from the center of the circle in the radial direction.
  • the paste is usually allowed to cool to room temperature, and the paste residue remaining on the base material may be washed with water.
  • the production method of the present invention is useful not only for the production of the optical element specifically described above, but also for the production of an element capable of optically utilizing the change in the refractive index or the distribution of the refractive index given to the substrate. is there.
  • the production method of the present invention it is possible to apply a paste containing a specific metal compound to a glass base containing an alkali metal component, and heat the paste in the air or the like to obtain a desired glass base.
  • a region or a refractive index distribution having a different refractive index from the base material in the portion an optical element utilizing the difference in refractive index or the refractive index distribution can be manufactured. According to this method, an optical element can be manufactured at low cost without requiring a complicated manufacturing process.
  • the heat treatment temperature and the metal compound concentration in the paste that require strict control of the molten salt can be independently controlled. Furthermore, unlike immersion in a molten salt, it is not necessary to form a mask such as a blocking film on the base material in order to apply the paste to a desired site on the base material.
  • FIG. 1 is a view showing a distribution of silver in a Y-shaped optical waveguide manufactured in Example 1. In the figure, FIG. 1
  • FIG. 2 is a diagram showing a refractive index distribution in a depth direction of a Y-shaped optical waveguide manufactured in Example 1.
  • FIG. 3 is a view showing the results of measuring the reflection intensity of a prism for confirming that the slab-type optical waveguide manufactured in Example 1 guides light.
  • FIG. 4 is a diagram showing a distribution (surface layer) of silver of the microlens manufactured in Example 2.
  • FIG. 5 is a diagram showing a refractive index distribution in the depth direction (the center of a circle) of the microlens manufactured in Example 2.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of paste patterning in the production of the microlens array of Example 3.
  • 200 / zm indicates the diameter of the application circle
  • 300 / zm indicates the pattern Jung interval of the application circle.
  • FIG. 7 is a view showing a distribution (surface layer) of silver in one lens of the microlens array manufactured in Example 3.
  • FIG. 8 is a diagram showing a refractive index distribution in the depth direction (the center of a circle) of one lens of the microlens array manufactured in Example 3.
  • An optical waveguide was manufactured by the following method using Omm ⁇ width 20 mm ⁇ thickness 3 mm).
  • Paste composed of 15% by weight of rill resin, 15% by weight of cellulose resin and 5% by weight of terbineol (20 parts by weight of organic solvent, 120 parts by weight of resin component with respect to 100 parts by weight of silver paste) Parts and 160 parts by weight of additives) were applied in a Y-shape (line width: 100 m) by screening. The paste was applied to a thickness of lmm.
  • the glass substrate coated with the paste was dried at 200 ° C for 1 hour, and then heat-treated at 300 ° C in air for 3 hours.
  • FIG. 1 shows the silver distribution measurement results.
  • (a) is the start point of the optical waveguide, and (b) is the end point.
  • the lower end of the Y-shape is the starting point, and the upper two ends are the end points.
  • a slab-type optical waveguide is manufactured by the above method, and the prism coupling method is used! ,hand
  • Figure 3 shows the relationship between the measurement angle and the detection intensity.
  • a microlens was prepared by the following method. [0067] First, after washing the glass substrate, AgNO: 25% by weight, NaNO: 40% by weight,
  • Paste consisting of 15% by weight of rill resin, 15% by weight of cellulose resin and 5% by weight of terbineol (20 parts by weight of organic solvent, 120 parts by weight of resin component with respect to 100 parts by weight of silver paste) And 160 parts by weight of additives) were applied in a circular shape (400 ⁇ m in diameter) by dropping with a syringe. The paste was applied to a thickness of lmm.
  • the glass substrate coated with the paste was dried at 200 ° C for 1 hour, and then heat-treated at 300 ° C in air for 3 hours.
  • the refractive index difference between the glass substrate is about 1 X 10- 2 increases at the maximum, at the center of the coated circular surface It was a component that the distribution of the refractive index occurred from to about 6 m.
  • Figure 5 shows the refractive index distribution in the depth direction (the center of the circle).
  • SiO 54% by weight
  • BO 22% by weight
  • Al O 10% by weight
  • ZnO 2% by weight glass base material (length 10mm X width 10mm X
  • a gradient index microlens array was produced by the following method.
  • Paste consisting of 15% by weight of rill resin, 15% by weight of cellulose resin and 5% by weight of terbineol (20 parts by weight of organic solvent, 120 parts by weight of resin component with respect to 100 parts by weight of silver paste) And 160 parts by weight of additives) were dropped by a dispenser dispensing tester and applied in a circular shape (200 / zm in diameter).
  • the application was performed at 20 X 20 points (400 points in total) with a putter Jung interval (interval from the center of the circle to the center of the adjacent circle) of 300 m.
  • the paste thickness was 0.2 mm.
  • Fig. 6 shows a schematic diagram of Putter Jung.
  • the glass substrate coated with the paste was dried at 200 ° C. for 1 hour, and then heat-treated at 300 ° C. in air for 12 hours.
  • the refractive index difference between the glass substrate is approximately 4 X 10- 2 increases up to, at the center of the coated circular surface It was a component that the distribution of the refractive index occurred from to about 15 m.
  • Figure 8 shows the refractive index distribution in the depth direction (the center of the circle).

Abstract

　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。 　具体的には、本発明は、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を提供する。

Description

明 細 書
光学素子の製造方法
技術分野
[0001] 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力 なる光学素子の製造方法に関する。
背景技術
[0002] 従来、光通信分野にお!ヽて、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 。力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、光スィッチ、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。
[0003] 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 用いられている力 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 研磨カ卩ェ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つて連続的な分布を有して 、る力 である。
[0004] 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）、ゾルーゲル法 、ロッドインチューブ法等が知られている。このうち、ィ 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 、る。
[0005] 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つ て作製した、数十ミクロン一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。
[0006] 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等の危険なガスを使 4
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 、て基板が 1200— 1300°C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。
[0007] 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、 T1+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、 T1+ィォ 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つて、光導波層を形成する ことができる。
[0008] 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°C程度であり、製造設備は安価である。し力しながら、ィォ 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。し力も、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 V、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 ィ一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ィ匕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。
特許文献 1：特開 2001— 159702号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] 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。
課題を解決するための手段
[0010] 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 ゥム化合物、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、 T1+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。
[0011] 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。
[0012] 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、力 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、有機榭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。
[0013] 2.ガラス基材力 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、該ガラスがケィ酸塩ガラス、ホウケィ酸塩ガラス、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。
[0014] 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。 [0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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等が好ましぐ特に 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ぐ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ぐ二種以上が同時に存在してもよい。
[0019] 該ガラス基材におけるアルカリ金属成分の含有量は、酸ィ匕物換算で 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ぐ 10重量％程度 以上とすることがより好ま 、。アルカリ金属成分の上限にっ 、ては特に限定的では ないが、酸ィ匕物換算で 40重量％程度とすることが適当であり、 30重量％程度とする ことが好ましぐ 20重量％程度とすることがより好ましい。
[0020] 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、ケィ酸塩ガラス、ホウケィ酸塩ガラス、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。
[0021] これらのガラスの具体的な組成については、特に限定はなぐケィ酸塩ガラス、ホウ ケィ酸塩ガラス、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つ て、上記したアルカリ金属成分を含有するものであればょ 、。
[0022] このようなガラス糸且成の具体例としては、例えば、酸ィ匕物量換算量で表して、下記 1 )一 4)が例示できる。
[0023] l) SiO :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0 /0、 Na 0、 K 0、 Li 0、 Rb Ο及び Cs Oから選ばれた少なくとも 1
2 2 2 2 2
種： 5— 25重量0 /0、好ましくは 7— 20重量0 /0、 MgO、 BaO、 ZnO、 SrO及び PbO力 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 O
2
: 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
3
は、下限値は 0. 5重量％程度とすることが望ましい）、 Fe O及び SOの少なくとも 1
2 3 3
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）を含むケィ酸塩ガラス。
[0024] 2) SiO： 20— 80重量0 /0、好ましくは 30— 75重量0 /0、 B O： 3— 50重量0 /0、好まし
2 2 3
くは 5— 30重量％、 Na 0、 K 0、 Li 0、 Rb Ο及び Cs Oから選ばれた少なくとも 1
2 2 2 2 2
種： 2— 20重量0 /0、好ましくは 5— 15重量0 /0、 MgO、 CaO、 BaO、 ZnO、 SrO及び P bO力も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）、 A1
2
O、 La O、 Y O、 Ta O及び Gd O力 選ばれた少なくとも 1種： 15重量％以下、
3 2 3 2 3 2 3 2 3
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 O及び ZrO力 選ばれた少なくとも 1種： 2
2 5 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 O、 Sb O及び SnOから選ば
2 3 2 3
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）を含むホウケィ酸 塩ガラス。
[0025] 3) P O :40— 80重量％、好ましくは 50— 75重量％、 SiO : 20重量％以下、好ま
2 5 2
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 0、 K 0、 Li 0、 Rb Ο及び Cs O力も選ばれた少
2 2 2 2 2
なくとも 1種： 2— 20重量0 /0、好ましくは 5— 15重量0 /0、 MgO、 CaO、 BaO、 ZnO、 Sr O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 O、 Al O、 La O、 Y O、 Ta O、 Nd O及び Gd Oから選ばれた少なくとも 1
2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3
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 O及び ZrO力も選ば
2 5 2 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。
[0026] 4) P O : 20— 50重量0 /0、好ましくは 30— 40重量0 /0、 Al O : 5—30重量％、好ま
2 5 2 3
しくは 10— 25重量％、 Na 0、 K 0、 Li 0、 Rb Ο及び Cs Oから選ばれた少なくとも
2 2 2 2 2
1種： 2— 20重量0 /0、好ましくは 5— 15重量0 /0、 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。
[0027] 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。
[0028] 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 シゥム化合物、銀ィ匕合物及びタリウム化合物力 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。
[0029] 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、銀ィ匕合物及びタリウム化合物カゝら選ばれる少なくとも 1種と有機榭脂を有機溶 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 ジゥムイオン、セシウムイオン、銀イオン及びタリウムイオン力も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ょ 、。 [0030] 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、 T1+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、 T1+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。
[0031] リチウム化合物としては、例えば、 LiNO、 LiCl、 LiBr、 Lil、 LiF、 LI SO等が挙
3 2 4 げられる。この中でも、特に LiNO、 Li SO等が好ましい。
3 2 4
[0032] カリウム化合物としては、例えば、 KNO、 KC1、 KBr、 KI、 KF、 K SO等が挙げら
3 2 4 れる。この中でも、特に KNO、 K SO等が好ましい。
3 2 4
[0033] ルビジウム化合物としては、例えば、 RbNO、 RbCl、 RbBr、 Rbl、 RbF、 Rb SO
3 2 4 等が挙げられる。この中でも、特に RbNO、 Rb SO等が好ましい。
3 2 4
[0034] セシウム化合物としては、例えば、 CsNO、 CsCl、 CsBr、 Csl、 CsF、 Cs SO等が
3 2 4 挙げられる。この中でも、特に CsNO、 Cs SO等が好ましい。
3 2 4
[0035] 銀化合物としては、例えば、 AgNO、 AgCl、 AgBr、 Agl、 AgF、 Ag S、 Ag SO
3 2 2 4
、 Ag O等が挙げられる。この中でも、特に AgNOが好ましい。
2 3
[0036] タリウム化合物としては、例えば、 T1NO、 T1C1、 TlBr、 Til, T1F、 Tl S、 Tl SO、
3 2 2 4
Tl O等が挙げられる。この中でも、特に T1NOが好ましい。
2 3
[0037] これらの金属化合物は、 1種単独で使用してもよぐ 2種以上を混合してもよい。
[0038] 該ペーストに含まれる有機榭脂としては、熱処理温度において分解する榭脂を用 いればよぐ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、セルロース榭脂、メチルセルロース榭脂、セルロースアセテート榭脂、セル口 ース-トレート榭脂、セルロースアセテートプチレート榭脂、アクリル榭脂、石油榭脂 等が挙げられる。これらの有機榭脂は、 1種単独で使用してもよぐ 2種以上を混合し てもよい。
[0039] 該ペーストにお 、て用いる有機溶剤は、金属化合物及び有機榭脂を容易に分散 でき、乾燥時に容易に揮発するものであることが好ましぐ具体的には、室温（20°C 程度)では液体であって、 50— 200°C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、テルビ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。
[0040] 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 SO、 NaNO
3、 NaCl、 NaBr、 Nal等が挙げら
2 4
れる。この中でも、特に Na SO、 NaNOの少なくとも 1種が好ましい。これらの添カロ
2 4 3
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。
[0041] 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 力 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 一 20重量部、榭脂成分 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、ルビジウム化合物として RbNO
3 3、 セシウム化合物として CsNOを用いる場合には、この配合態様が好ましい。
3
[0042] また、金属化合物が銀ィ匕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、榭脂成分 50 一 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 16 0重量部以下である。特に、銀ィ匕合物として AgNO、タリウム化合物として T1NOを
3 3 用いる場合には、この配合態様が好ましい。
[0043] 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、榭脂成分 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 SOを用いる場合には、この配合態様が好
2 4
ましい。
[0044] 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 5 μ m— lmm、好ましくは 10 μ m— 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ユング間隔、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 lcm以下、好ましくは 500 μ m以下、より好ましくは 250 μ m以下である。
[0045] 塗布方法については特に限定はなぐ公知の塗布方法を適宜採用すれば良ぐ例 えば、スビーンコート、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、デイスペンサ 一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 、。
[0046] また、光導波路又は回折格子を作製する場合には、線形にパターユングすればよ い。線形のパターユングには、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 10
0 μ m以下、好ましくは 50 μ m以下、より好ましくは 30 μ m以下であり、回折格子であ れば、通常 500 μ m以下、好ましくは 200 μ m以下、より好ましくは 100 μ m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一法によって、 ガラス基材表面に無機膜によるパターユングを行い、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ょ 、。
[0047] 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一法によってガラス 基材表面に無機膜によりパターユングを行い、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。
[0048] まず、ガラス基材上に Al、 Ti、 Ag等の金属、 SiO等の酸化物等を蒸着して、無機
2
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—: m 程度とすることが好ましぐ 0. 25-0. 5 /z m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、このフオトレ ジスト剤の上にパターユ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 該無機膜上力 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。
[0049] 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。
[0050] 上記した何れのペースト塗布方法にお!、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 lmm以下である。
[0051] 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 ては特に限定はなぐ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 すればよぐ通常 100— 250°Cで 30分一 1. 5時間、好ましくは 150— 200°Cで 45分 一 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。
[0052] 次 、で、乾燥した塗膜を熱処理する。熱処理温度は、通常 250— 600°C程度、好 ましくは 300— 550°C程度の温度範囲であって、ガラス基材の軟ィ匕点を下回る温度と すればよい。熱処理時間は、温度に応じて適宜設定できる力 通常 10分から 100時 間、好ましくは 30分一 50時間程度、特に好ましくは 1一 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。
[0053] 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 に亘つ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。
[0054] 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。
[0055] 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。
発明の効果
[0056] 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 力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ぐ低コストで光学素子を製造でき る。
[0057] また、溶融塩を用いな 、ため、溶融塩の厳密な管理が必要なぐ熱処理温度及び 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 、。 図面の簡単な説明
[0058] [図 1]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。
[図 2]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。
[図 3]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。
圆 4]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。 [図 5]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。
[図 6]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-ング模式 図である。 200 /z mは塗布円の直径を示し、 300 /z mは塗布円のパターユング間隔 を示す。
[図 7]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。
[図 8]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。
発明を実施するための最良の形態
[0059] 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。
[0060] 実施例 1
(屈折率分布型 Y字状光導波路の作製）
巿販 SiO— B O Na O系ホウケィ酸塩ガラス (型番: BK7、ショット製)を基材 (縦 2
2 2 3 2
Omm X横 20mm X厚さ 3mm)として用いて、下記の方法で光導波路を作製した。
[0061] 先ず、ガラス基材を洗浄後、片面に AgNO : 25重量％、 NaNO :40重量％、ァク
3 3
リル榭脂： 15重量％、セルロース榭脂： 15重量％及び、テルビネオール： 5重量％か らなるペースト (銀ィ匕合物 100重量部に対して、有機溶剤 20重量部、榭脂成分 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 100 ^ m)に塗布した。ペースト厚さは lmmとなるように塗布した。
[0062] 次いで、ペーストを塗布したガラス基材を 200°Cで 1時間乾燥後、空気中 300°Cで 3時間熱処理を行った。
[0063] 熱処理後の試料につ!ヽて、 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。
[0064] 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 X 10— 2増大し、表面から約 4 μ mまで屈折率分布が生じて ヽ た。深さ方向の屈折率分布測定結果を図 2に示す。
[0065] 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！、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。
[0066] 実施例 2
(屈折率分布型マイクロレンズの作製）
巿販 SiO -CaO-Na O系ケィ酸塩ガラスを基材 (型番： B270、ショット製）（縦 20
2 2
mm X横 20mm X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 [0067] 先ず、ガラス基材を洗浄後、片面に AgNO : 25重量％、NaNO :40重量％、ァク
3 3
リル榭脂： 15重量％、セルロース榭脂： 15重量％及びテルビネオール： 5重量％から なるペースト (銀ィ匕合物 100重量部に対して、有機溶剤 20重量部、榭脂成分 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 400 μ m)に塗布した。ペースト厚さは lmmとなるように塗布した。
[0068] 次いで、ペーストを塗布したガラス基材を 200°Cで 1時間乾燥後、空気中 300°Cで 3時間熱処理を行った。
[0069] 熱処理後の試料につ!、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。
[0070] 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 X 10— 2増大し、塗布した円の中心部において、表面から約 6 mまで屈折率の分布が生じていることが分力つた。深さ方向（円の中心部）の屈折 率分布を図 5に示す。
[0071] 実施例 3
(屈折率分布型マイクロレンズアレイの作製）
SiO : 54重量％、 B O : 22重量％、（Li O, Na O及び K Ο)：合量で 12重量％、 Al O : 10重量％、 ZnO : 2重量％の組成のガラスを基材（縦 10mm X横 10mm X
2 3
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。
[0072] 先ず、ガラス基材を洗浄後、片面に AgNO : 25重量％、 NaNO :40重量％、ァク
3 3
リル榭脂： 15重量％、セルロース榭脂： 15重量％及びテルビネオール： 5重量％から なるペースト (銀ィ匕合物 100重量部に対して、有機溶剤 20重量部、榭脂成分 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 200 /z m)に塗布した。塗布は、パターユング間隔（円の中心から 隣接の円の中心までの間隔）を 300 mとし、 20 X 20点（計 400点）行った。ペース ト厚さは 0. 2mmとした。パターユングの模式図を図 6に示す。
[0073] 次いで、ペーストを塗布したガラス基材を 200°Cで 1時間乾燥後、空気中 300°Cで 12時間熱処理を行った。
[0074] 熱処理後の試料につ!ヽて、 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。
[0075] 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 X 10— 2増大し、塗布した円の中心部において、表面から約 1 5 mまで屈折率の分布が生じていることが分力つた。深さ方向（円の中心部）の屈 折率分布を図 8に示す。

Claims

請求の範囲
[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 ゥム化合物、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、有機榭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ィ匕物換算で 2重量％以上含むガラスカゝらなり 、該ガラスがケィ酸塩ガラス、ホウケィ酸塩ガラス、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。
[3] 請求項 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 請求項 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請求項 4記載の光学素子。
PCT/JP2005/002246 2004-02-20 2005-02-15 光学素子の製造方法 WO2005080284A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP05719148A EP1719740A4 (en) 2004-02-20 2005-02-15 METHOD FOR PRODUCING AN OPTICAL DEVICE
JP2006510199A JP4644844B2 (ja) 2004-02-20 2005-02-15 光学素子の製造方法
US10/589,720 US7522803B2 (en) 2004-02-20 2005-02-15 Process for producing optical device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004044734 2004-02-20
JP2004-044734 2004-02-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2005080284A1 true WO2005080284A1 (ja) 2005-09-01

Family

ID=34879355

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2005/002246 WO2005080284A1 (ja) 2004-02-20 2005-02-15 光学素子の製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7522803B2 (ja)
EP (1) EP1719740A4 (ja)
JP (1) JP4644844B2 (ja)
WO (1) WO2005080284A1 (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007018212A1 (ja) * 2005-08-08 2007-02-15 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology 光線指向性化ガラス基板及びそれを用いた照明装置
JP2008247626A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Isuzu Seiko Glass Kk 紫外線吸収能を有する屈折率分布型光学素子の製造方法
JP2012009616A (ja) * 2010-06-24 2012-01-12 Asahi Glass Co Ltd 発光装置用レンズ

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2528990B2 (es) * 2014-08-25 2015-05-29 Universidade De Santiago De Compostela Lente GRIN activa, procedimiento de fabricación y sistema que comprende el uso de la lente
US10197732B2 (en) * 2016-08-26 2019-02-05 Corning Optical Communications LLC Methods for forming ion-exchanged waveguides in glass substrates

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61256946A (ja) * 1985-05-07 1986-11-14 Nippon Sheet Glass Co Ltd 屈折率分布型平板レンズの製造方法
JPH04181201A (ja) * 1990-11-16 1992-06-29 Ricoh Co Ltd マイクロレンズアレイ
JP2000103646A (ja) * 1998-09-30 2000-04-11 Ne Chemcat Corp ガラス等の無機材料の透明着色用組成物
JP2001159702A (ja) 1999-12-01 2001-06-12 Nippon Sheet Glass Co Ltd 屈折率分布型レンズ
JP2003131028A (ja) * 2001-08-14 2003-05-08 Autocloning Technology:Kk 光回路

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5319208B2 (ja) * 1972-11-27 1978-06-20
NL7216461A (ja) 1972-12-05 1974-06-07
US4017318A (en) * 1976-01-02 1977-04-12 Corning Glass Works Photosensitive colored glasses
US4285988A (en) * 1977-11-30 1981-08-25 Ppg Industries, Inc. Stained glass photomasks and method of making by electrodealkalization
US6330388B1 (en) * 1999-01-27 2001-12-11 Northstar Photonics, Inc. Method and apparatus for waveguide optics and devices
DE60234122D1 (de) * 2001-12-20 2009-12-03 Isuzu Glass Co Ltd Verfahren zur bildung eines optischen wellenleiters
US6876796B2 (en) * 2002-01-30 2005-04-05 Photon-X, Llc Nanocomposite microresonators
WO2005080283A1 (ja) * 2004-02-20 2005-09-01 Isuzu Glass Co., Ltd. 屈折率分布型光学素子の製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61256946A (ja) * 1985-05-07 1986-11-14 Nippon Sheet Glass Co Ltd 屈折率分布型平板レンズの製造方法
JPH04181201A (ja) * 1990-11-16 1992-06-29 Ricoh Co Ltd マイクロレンズアレイ
JP2000103646A (ja) * 1998-09-30 2000-04-11 Ne Chemcat Corp ガラス等の無機材料の透明着色用組成物
JP2001159702A (ja) 1999-12-01 2001-06-12 Nippon Sheet Glass Co Ltd 屈折率分布型レンズ
JP2003131028A (ja) * 2001-08-14 2003-05-08 Autocloning Technology:Kk 光回路

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP1719740A4
YAMANE M.: "Glass Kogaku Handbook, 1st edition", 5 July 1999, JAPAN, ISBN: 4-254-25238-2, pages: 16, XP002997279 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007018212A1 (ja) * 2005-08-08 2007-02-15 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology 光線指向性化ガラス基板及びそれを用いた照明装置
JP2008247626A (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Isuzu Seiko Glass Kk 紫外線吸収能を有する屈折率分布型光学素子の製造方法
WO2008123378A1 (ja) * 2007-03-29 2008-10-16 Isuzu Glass Co., Ltd. 紫外線吸収能を有する屈折率分布型光学素子の製造方法
JP2012009616A (ja) * 2010-06-24 2012-01-12 Asahi Glass Co Ltd 発光装置用レンズ

Also Published As

Publication number Publication date
JP4644844B2 (ja) 2011-03-09
US20080226248A1 (en) 2008-09-18
JPWO2005080284A1 (ja) 2007-10-25
EP1719740A4 (en) 2010-12-29
EP1719740A1 (en) 2006-11-08
US7522803B2 (en) 2009-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1721874B1 (en) Method for manufacturing optical element of refractive index distribution type
JP4873399B2 (ja) 赤外線吸収能を有する屈折率分布型光学素子の製造方法
Izawa et al. Optical waveguide formed by electrically induced migration of ions in glass plates
Bach et al. The properties of optical glass
US3647406A (en) Method of achieving surface refractive index changes in a glass light guide element
Maurer Glass fibers for optical communications
US6769274B2 (en) Method of manufacturing a planar waveguide using ion exchange method
US20110199687A1 (en) Process for the manufacture of flat optical elements and elements thus obtained
WO2005080284A1 (ja) 光学素子の製造方法
JP2008247626A (ja) 紫外線吸収能を有する屈折率分布型光学素子の製造方法
ATE2503T1 (de) Optische monomodenfaser und verfahren zu ihrer herstellung.
CN111522085A (zh) 二维x射线吸收光栅制作方法
JP3834590B2 (ja) 光導波路の形成方法
US11307352B2 (en) Optical waveguide article with laminate structure and method for forming the same
JPH04238305A (ja) ポリマーコートガラスコア光導波路
Kociszewski et al. Ion exchange and related phenomena in glass periodical GRIN matrices during the mosaic-assembling technology
Yulianto et al. Fabrication and characterization planar waveguides of Na+–Ag+/K+ by ion exchange and prism coupler
Josse et al. Planar and channel waveguides on fluoride glasses
US20040013385A1 (en) Method of fabricating planar waveguides and devices made by the method
JP7406747B2 (ja) 低光弾性定数ガラス、光ファイバおよび光ファイバの製造方法
Nikonorov et al. New oxide and nonoxide glasses for waveguide applications
Xiao et al. Manufacturing of glass-based optical power splitter by ion-exchange method
JPH09258052A (ja) 光デバイスとその使用方法
Marker III et al. Overview—Optical Glass: An Engineered Material
Kruszewski et al. Planar dielectric light-waveguide produced by the method of ion exchange

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006510199

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 10589720

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2005719148

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2005719148

Country of ref document: EP