WO2006040828A1 - Ｇｒｉｎレンズの製造方法及びｇｒｉｎレンズ - Google Patents

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grin lens
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distribution
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Hiroyoshi Matsumura
Taro Suzuki
Toru Achiwa
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Toyo Glass Co., Ltd.
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    • C03C2203/27—Wet processes, e.g. sol-gel process using alkoxides the alkoxides containing other organic groups, e.g. alkyl groups

Definitions

  • the present invention particularly relates to a gradient index optical element (GRIN lens) that can be applied to an optical element such as an optical communication component for optical communication, a camera, and an endoscope, and a manufacturing method using the sol-gel method.
  • GRIN lens gradient index optical element
  • a refractive index distribution type optical element is a lens having a small spherical aberration, which is used when, for example, radiation light from a semiconductor laser is incident on an optical fiber with high efficiency, and has a flat end face. Since arbitrary focal length can be given by changing the length of the cylinder, it is attracting attention as a lens for image transmission such as cameras. In particular, because of its small cylindrical shape, it is expected to be a lens that can be easily aligned and held in an optical system and is easy to assemble.
  • This cylindrical refractive index distribution type optical element (graded index lens, hereinafter referred to as “GRIN lens”) has a refractive index n in the cross-sectional directions x and y as shown in FIG. ) Is a rod-like lens that changes continuously in a square curve with a distribution constant q approximately equal to 2, and the lens action is performed by this refractive index distribution.
  • n Refractive index at the center of the GRIN lens
  • NA (n 2 -n 2 ) 1 2 (2)
  • NA is the square root of the square difference of the refractive index between the center and the periphery of the GRIN lens, and is called the numerical aperture (hereinafter abbreviated as “NA”), and is an important parameter that represents the lens performance.
  • NA the numerical aperture
  • a lens with a high NA has a high light collecting ability, that is, a lens characteristic.
  • the high-power semiconductor laser for optical amplification used for optical communications has a large numerical aperture of about 0.35.
  • NA ⁇ 0.4 is required.
  • the GRIN lens made by the ion exchange method is a multi-component glass containing alkali components, so the NA is not large, and the thermal expansion coefficient of the glass material is very large, which is not reliable due to heat resistance. won.
  • 0.38 NA eg literature; P.B.O 'Connor et al .:
  • Electron ⁇ ett., 13 (1977) 170-171) is the force obtained at the laboratory level. To obtain more NA, the amount of additive force (GeO, PO, etc.) must be increased. Goodbye
  • the thermal expansion coefficient of the glass material was large, and the base material was easily broken, which was unstable for practical use.
  • a glass manufacturing method by a sol-gel method capable of precisely forming a desired concentration distribution is effective.
  • the sol-gel method is a synthesis method at a low temperature and is an effective method capable of precisely forming a desired concentration distribution.
  • a multi-component glass is further produced.
  • the crosslinking reaction proceeds to produce a wet gel.
  • the obtained wet gel is dried, the solvent in the gel is removed, and then the glass is baked to produce a dense glass.
  • a method using a metal alkoxide is known.
  • a gel is prepared by adding the metal salt as an aqueous solution or alcohol solution at the time of preparation of the sol.
  • a metal salt is dissolved in a solvent in a pore that also has a skeleton force of silicon.
  • Obtained gel Is immersed in a low molecular weight alcohol, water, or a mixed solution thereof having a high solubility in the metal salt to elute the metal component contained in the gel and form a concentration distribution.
  • there are no suitable salts of metals such as Ti, Nb, Ta, and Zr that have a large contribution to the refractive index! NA GRIN lens was very difficult to apply.
  • a gel in which a metal alkoxide is added as an alcohol solution as a component for increasing the refractive index to a silicon alkoxide is prepared at the time of preparing a sol. Since gels using metal alkoxides form bonds between silicon and metal atoms, in order to form a concentration distribution in the metal component, the concentration at which the metal component of silicon can be cleaved and the metal component can be eluted. In this method, the gel is immersed in the distribution imparting solution, the eluate is washed, the concentration distribution is fixed, and the washing is dried and dried.
  • the concentration of the metal component that contributes to the formation of the refractive index distribution is sufficiently reduced.
  • the density (refractive index) difference between the central part and the outer peripheral part was not very large, and a high NA GRIN lens could not be secured stably.
  • the concentration distribution imparting solution is a treatment solution having the ability to dissolve the metal component to be eluted.
  • the acid concentration should be as thin as possible within the range where chemical bonds can be broken to give a concentration distribution. ! Using the solution was effective in preventing cracking during immersion, cleaning and drying, reducing variation in the concentration distribution shape, and stabilizing the quality.
  • a silicon wet gel doped with 20 mol% of Ti, which is a metal component is immersed in 0.5 N hydrochloric acid, which is a concentration (refractive index) distribution application liquid, for 16 hours and 26 hours.
  • the concentration distribution (corresponding to the refractive index distribution) of the metal component Ti changes in the radial direction, but the distribution constant q in the above equation (1) for each concentration distribution is 2.99, 2. It has become 63, and the density distribution (refractive index) has collapsed from the square distribution! / Speak.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 4260608 discloses a process of eluting a metal component multiple times from a wet gel obtained from a solka containing a metal alkoxide in order to increase the refractive index difference between the central portion and the outer peripheral portion of the GRIN lens.
  • a method of performing is disclosed. In this method, in the first concentration distribution imparting step, the wet gel is immersed in the solution so that the solution to be immersed reaches the center of the gel, and in the second and subsequent concentration distribution imparting steps, the solution to be immersed is in the center of the gel. The wet gel is immersed in the solution so as not to reach.
  • the force metal component is eluted only in the peripheral part of the wet gel in the second and subsequent concentration distribution imparting steps, so the concentration difference between the central part and the peripheral part increases, and the refractive index difference ( ⁇ ) increases.
  • the refractive index distribution is not a square distribution, and is an unnatural distribution!
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 4-260608
  • the present invention has an object to manufacture a GRIN lens in which the refractive index distribution is precisely controlled and the density distribution shape does not vary.
  • the refractive index distribution having a large numerical aperture NA is a square curve.
  • the challenge is to produce a GRIN lens.
  • the present invention is a.
  • a method for producing a GRIN lens by a sol-gel method which comprises a step of imparting a concentration distribution of the metal to cause the treatment liquid to penetrate and elute the metal.
  • the GRIN lens manufacturing method wherein the concentration distribution applying step of allowing the treatment liquid to penetrate to the center of the wet gel is performed at least twice.
  • the diffusion parameter pattern in the concentration distribution imparting step in which the treatment liquid penetrates to the center of the wet gel for the first time is 0.03 ⁇ a
  • the diffusion parameter ex in the concentration distribution imparting step in which the treatment liquid is infiltrated to the center of the last wet gel is 0.06 ⁇ ⁇ ⁇ 0.10.
  • the present invention is a GRIN lens manufactured by the manufacturing method of Configuration 1 or 2, and having a numerical aperture (NA) of 0.4 or more.
  • a GRIN lens having a distribution constant q of approximately 2 (refractive index distribution is a square curve) and an aperture number (NA) of 0.4 or more can be easily manufactured.
  • the treatment liquid for eluting the metal component is permeated to the center of the wet gel.
  • the entire strength of the wet gel, including the center the ability of metal components to elute
  • the amount of metal components eluted increases toward the outside of the wet gel. Is granted. After immersion in the treatment solution, the concentration distribution given is fixed by washing.
  • the concentration distribution is usually a concentration distribution having a distribution constant q value close to 3 rather than a square distribution, but the concentration in the periphery of the wet gel is substantially reduced. The amount is almost halved. Then, the concentration distribution of the metal component is used as an initial condition, and the second concentration distribution applying process is performed again. However, by optimally selecting the immersion time in the acid solution that is the concentration distribution applying liquid, When the solution of acid to reach the center of the gel, the concentration distribution imparting metal component dissolves, and the appropriate time during which the dissolved component can diffuse out of the gel is defined as the distribution imparting time.
  • Concentration (refractive index) distribution can be achieved [0016] By this two immersions, a GRIN lens having a concentration (refractive index) distribution of a square force curve having a large ⁇ with a low refractive index at the outer periphery can be realized, but the acid concentration is low. In the case of ⁇ , the refractive index distribution of the square curve is obtained by applying the concentration distribution many times until the square curve is obtained based on the same concept as well as the two times. G RIN lens can be realized.
  • the concentration (mol%) of the metal component on the vertical axis in FIG. 3 is a value obtained by standardizing the maximum concentration as lmol%.
  • the diffusion of metal components in wet gel is based on the following diffusion equation (3). It can be simulated approximately.
  • the acid solution to be immersed reaches the center of the gel, the concentration distribution imparting metal component is dissolved, and the dissolved component can diffuse out of the gel.
  • Time preferably the diffusion parameter (X is
  • the acid solution to be immersed reaches the center of the gel, the concentration distribution imparting metal component dissolves, and the dissolved component diffuses out of the gel.
  • a suitable time, preferably the diffusion parameter O is
  • the distribution constant q is a square curve close to 2, assuming that the time satisfies. Furthermore, particularly when the acid concentration of the concentration distribution application liquid is low, the first concentration distribution application is repeated twice, and the diffusion parameter ex is set to the third concentration distribution application.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a GRIN lens.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of the Ti concentration distribution of the GRIN lens to which the first concentration distribution was applied.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of the relationship between the diffusion parameter a and the metal component concentration distribution.
  • the sol was put in a polypropylene container having an inner diameter of 14 mm, sealed with aluminum foil, and left to stand overnight to obtain a wet gel. The wet gel was aged at 40 ° C.
  • the wet gel was immersed in 1.5 N hydrochloric acid for 2 hours to give a titanium concentration distribution in the gel.
  • the gel was immersed in methanol, and the hydrochloric acid content in the gel was washed.
  • the gel is immersed in 1.5N hydrochloric acid for 4 hours to give the concentration distribution for the second time, and the gel is immersed in methanol and washed with hydrochloric acid in the same way as the first time. And dried to obtain a dry gel having a diameter of about 10 mm.
  • the resulting dry gel was heated from room temperature to 800 ° C in an oxygen atmosphere at 150 ° C Zhr, and then heated to 1250 ° C in a helium atmosphere at 50 ° C / hr and baked to produce a transparent glass body Got.
  • the diffusion parameter ⁇ is almost 0.08
  • the refractive index nd l at the center.
  • a wet gel produced in the same manner as in Example 1 was immersed in 0.5N hydrochloric acid for 6 hours to give a titanium concentration distribution in the gel. After immersion, the gel was immersed in methanol and the hydrochloric acid content in the gel was washed. Thereafter, the gel was immersed in 0.5 N hydrochloric acid for 6 hours, and a second concentration distribution was imparted to impart a titanium concentration distribution in the gel. After the immersion, the gel was immersed in methanol, and the hydrochloric acid content in the gel was washed.
  • the gel is immersed in 0.5 normal hydrochloric acid for 12 hours to give the third concentration distribution, and the gel is immersed in methanol and washed with hydrochloric acid in the same way as the first and second times to wash the glass body.
  • the diffusion parameter ⁇ was approximately 0.08
  • the refractive index nd l.
  • the wet gel was immersed in 0.5 N hydrochloric acid for 6 hours to give a titanium concentration distribution in the gel. Then, the gel was immersed in methanol and the hydrochloric acid content in the gel was washed. Then, the gel is immersed in 1.5N hydrochloric acid for 5 hours, the second concentration distribution is given, and the gel is immersed in methanol and washed with hydrochloric acid in the same manner as in the first time. The gel was dried at ° C to obtain a dry gel having a diameter of about 10 mm.
  • the resulting dry gel was heated from room temperature to 800 ° C in an oxygen atmosphere at 150 ° C Zhr, and then heated to 1250 ° C in a helium atmosphere at 50 ° C / hr and baked to produce a transparent glass body Got.
  • the diffusion parameter ⁇ is approximately 0.08
  • the refractive index nd l.
  • Example 2 From the results of Example 2, Example 3 and Comparative Example 1, the concentration distribution was applied twice and three times, that is, the solution of the acid to be immersed reached the center of the gel, and the concentration distribution It was proved that NA can be increased and the distribution constant q can be controlled by the appropriate time during which the imparted metal component is dissolved and the dissolved component can diffuse out of the gel.
  • the GRIN lens of the present invention can be used as an optical fiber coupling component, a collimator or the like by welding to the tip of an optical fiber.

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Abstract

　開口数（ＮＡ）が大きく、かつ、屈折率分布が２乗カーブのＧＲＩＮレンズを容易に製造できる方法を開発する。 　ゾルゲル法によるＧＲＩＮレンズ製造方法において、シリコンアルコキシドと屈折率を高める金属アルコキシドとを含むゾルから円柱状ウェットゲルを作成し、前記金属を溶出させる処理液に該ウェットゲルを浸漬し、該ウェットゲルの中心部まで前記処理液を浸透させて前記金属を溶出させる前記金属の濃度分布付与工程を少なくとも２回行うことで、開口数（ＮＡ）が大きく、かつ、屈折率分布が２乗カーブのＧＲＩＮレンズを容易に製造することができる。

Description

GRINレンズの製造方法及び GRINレンズ
技術分野
[0001] 本発明は特に光通信用光結合部品やカメラ、内視鏡等の光学素子に応用可能な 屈折率分布型光学素子 (GRINレンズ)とそのゾルゲル法による製造方法に関する。 背景技術
[0002] 屈折率分布型の光学素子は、例えば半導体レーザからの放射光を高効率で光フ アイバに入射させる時に用いられる球面収差の小さなレンズとして、また、レンズの端 面が平坦で、かつ円柱の長さを変えることによって任意の焦点距離が付与できるた めに、カメラなどの画像伝送用のレンズとして注目されている。特に、形状が小型な 円柱状であるため光学系の軸合わせや保持が容易で組立て性の高いレンズとして 期待されている。この円柱状の屈折率分布型の光学素子（Graded Indexレンズ、以下 、「GRINレンズ」と称する。）は、図 1に示すように、その断面方向 x、 yの屈折率 nを下 記（1)式であらわしたとき、分布定数 qがほぼ 2に等しい 2乗カーブで連続的に変化 する棒状レンズで、この屈折率分布によってレンズ作用が行われる。
Figure imgf000003_0001
g ： GRINレンズの集光能力を表わす定数
n ： GRINレンズの中心部での屈折率
0
r ： 半径方向 r2=x2+y2
q ： 分布定数 (q = 2のとき 2乗カーブ）
図 1に示すように、 GRINレンズの半径を a、半径 aでの屈折率を nとすれば、
a
Figure imgf000003_0002
ただし、
NA= ( n 2-n 2 ) 1 2 (2)
0 a
と表わされる。ここで NAは GRINレンズの中心と周辺での屈折率の 2乗差の平方根 で、開口数 Numerical Aperture (以下、「NA」と略す。）と称し、レンズ性能を表わす重 要なパラメータである。 NAの高いレンズは光の集光能力が高い、即ちレンズ特性の 良い明るいレンズである。特に光通信に用いられる光増幅用高出力半導体レーザの 開口数は 0. 35程度と大きぐこの半導体レーザの放射光を光ファイバに充分に取り 入れるためには分布定数 qがほぼ 2 (屈折率分布が 2乗カーブ)で NA≥0. 4の集光 レンズが必要である。現在、実用化されているものは NA=0. 2程度であり、このため NA≥0. 4の GRINレンズが強く望まれている。
[0003] この GRINレンズの作製方法としては、イオン交換法や気相 CVD (Chemical Vapor Deposition)法、ゾルゲル法などが知られている。しかしながら、イオン交換法で作ら れる GRINレンズは、アルカリ成分を含む多成分ガラスのため、 NAが大きくとれず、 しかもガラス材料の熱膨張係数が非常に大きくなつて耐熱性の問題で信頼性に乏し かった。また、気相法では、 0. 38の NA (例えば文献； P.B.O' Connorほか：
Electron丄 ett., 13(1977)170-171)が実験室レベルで得られている力 それ以上の N Aを得るためには添加物（GeO、 P Oなど）の添力卩量を増やしていかなければなら
2 2 5
ず、そのためガラス材料の熱膨張係数が大きくなり母材が割れやすく実用化には不 安定であった。なかでも所望の濃度分布を精密に形成可能なゾルゲル法によるガラ ス作製方法が有効である。
[0004] 一方、ゾルゲル法は、低温での合成法であり、所望の濃度分布を精密に形成する ことが可能で、有効な方法である。ゾルゲル法によるガラスの作製方法では、シリコン のアルコキシドを主成分とするアルコール溶液に、溶媒として酸または塩基を添カロし 加水分解することでゾルとし、多成分系のガラスを作製する場合にはさらに金属成分 を添加し、このゾルをさらに重縮合反応させることで、架橋反応を進行させウエットゲ ルを作製している。そして、得られたウエットゲルを乾燥し、ゲル中の溶媒を除去後、 焼成することで緻密なガラスを作製して 、る。
[0005] ゾルゲル法を用いて GRINレンズを作製する場合には、金属成分に濃度分布を形 成することが必要となるが、金属成分の原料として金属塩や分子スタッフイング法を 用いる方法、更には金属アルコキシドを用いる方法が知られている。金属塩を用いて 屈折率分布形成のための金属成分を導入する方法では、ゾルの調製時に金属塩を 水溶液あるいはアルコール溶液として添カ卩したゲルを作製する。このようなゲルはシリ コンの骨格力もなる細孔中の溶媒に金属塩が溶解して存在している。得られたゲル を金属塩に対する溶解度の高い低分子量のアルコール、水、あるいはこれらの混合 溶液等に浸漬することでゲル中に含有する金属成分を溶出し、濃度分布を形成する 。しかしながら、 Ti、 Nb、 Ta、 Zrなどの屈折率への寄与が大きな金属の適当な塩が 存在しな!、ために高！、NAの GRINレンズには適用が非常に難しかった。
[0006] 一方、分子スタッフイング法では、特公平 5—82332号公報に、ウエットゲルを乾燥、 焼成して多孔質体を作製し、 Ti含有溶液等に浸潰して多孔質体に金属成分を均一 に含浸させ、 SiO -TiO等の金属含有ガラスを得る方法が開示されている。ところ
2 2
力 この方法では、ドライゲルを高温まで熱処理しているので、 Si— O— Siの結合手が 強固に結合しており、反応活性な Si— OH基が少なくなつているため、極くわずかの 金属成分し力 Si— O— Siに結合することができにくく高い NAの GRINレンズを安定に 作ることが難し力つた。
[0007] 一方、金属アルコキシドを用いる方法では、ゾルの調製時に、シリコンのアルコキシ ドに屈折率を高める成分として金属アルコキシドをアルコール溶液として添カ卩したゲ ルを作製する。金属アルコキシドを用いたゲルは、シリコンと金属原子が結合を形成 しているので、金属成分に濃度分布を形成するためには、シリコンの金属原子の結 合を切断し金属成分を溶出しうる濃度分布付与液中にゲルを浸漬し、溶出液の洗浄 後、濃度分布を固定し、洗浄 '乾燥'焼成するという方法である。しかし、上記従来の 方法にお 、て作製される GRINレンズは、外周部での屈折率の低下はある程度見ら れるものの、その屈折率分布の形成に寄与する金属成分の濃度が充分には低下せ ず、中心部と外周部との濃度 (屈折率)差は、あまり大きな値のものが得られず、高い NAの GRINレンズが安定に確保できなかった。また、特に、ゲル中の金属成分の溶 出によって濃度分布の付与を行う場合には、濃度分布付与液は、溶出しようとする金 属成分を溶解する能力をもつ処理液であり、金属成分に対する溶解度のできるだけ 低い処理液を選択するとよぐ例えば、金属アルコキシドを原料に用いた酸溶液への 浸漬による溶出では、濃度分布付与のための化学結合の切断が可能な範囲で酸濃 度のできるだけ薄!、溶液を用いるのが特に浸漬時、洗浄'乾燥時での割れを防止し 、濃度分布形状のばらつきを小さくし品質を安定させる上で効果的であった。
[0008] しかしながら、酸濃度を小さくすると屈折率分布付与液の拡散浸透速度と金属成分 の溶出速度に大きな差が生じ、このため、上記式（1)の分布定数力 ¾ = 2から離れた 、すなわち 2乗分布力も崩れた濃度 (屈折率)分布になるという問題があった。例えば 、金属成分である Tiを 20mol%ドープしたシリコンのウエットゲルを濃度 (屈折率)分 布付与液である 0. 5規定の塩酸に 16時間と 26時間浸漬させたときを例にとると、図 2に示すように、金属成分 Tiの濃度分布 (屈折率分布に相当する）は半径方向に変 化するが、それぞれの濃度分布の上記式（1)の分布定数 qは、 2. 99、 2. 63となつ ており、 2乗分布カゝら崩れた濃度 (屈折率)分布になって！/ヽる。
[0009] 特開平 4 260608号公報には、 GRINレンズの中心部と外周部との屈折率差を大 きくするため、金属アルコキシドを含むゾルカ 得たウエットゲルより金属成分を溶出 する工程を複数回行う方法が開示されている。この方法は、 1回目の濃度分布付与 工程は浸漬する溶液がゲル中心部まで到達するようにウエットゲルを該溶液に浸漬し 、 2回目以降の濃度分布付与工程は浸漬する溶液がゲルの中心部までは到達しな いようにウエットゲルを該溶液に浸漬するものである。この方法は、 2回目以降の濃度 分布付与工程によりウエットゲルの周辺部のみ力 金属成分が溶出するため、中心 部と周辺部の濃度差が大きくなり、屈折率差（Δ η)が大きくなるものの、屈折率分布 は 2乗分布とはならず、不自然な分布となって!/ヽた。
特許文献 1：特開平 4-260608号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] 本発明は、屈折率分布を精密に制御して、濃度分布形状のばらつきのない GRIN レンズの製造を課題とするものであり、特に、開口数 NAの大きな屈折率分布が 2乗 カーブの GRINレンズを製造することを課題とするものである。
課題を解決するための手段
[0011] 〔構成 1〕
本発明は、
シリコンアルコキシドと屈折率を高める金属アルコキシドとを含むゾルから円柱状ゥェ ットゲルを作成する工程と、
該ウエットゲルを前記金属を溶出させる処理液に浸漬し、該ウエットゲルの中心部ま で前記処理液を浸透させて前記金属を溶出させる前記金属の濃度分布付与工程を 有するゾルゲル法による GRINレンズ製造方法であって、
前記ウエットゲルの中心部まで前記処理液を浸透させる前記濃度分布付与工程を 少なくとも 2回行うことを特徴とする GRINレンズの製造方法である。
[0012] 〔構成 2〕
また本発明は、前記構成 1の GRINレンズの製造方法において、 1回目の前記ゥヱ ットゲルの中心部まで前記処理液を浸透させる前記濃度分布付与工程における拡 散パラメータひが、 0. 03≤ a≤0. 08であり、最後の前記ウエットゲルの中心部まで 前記処理液を浸透させる前記濃度分布付与工程における拡散パラメータ exが、 0. 0 6≤ α≤0. 10であることを特徴とする GRINレンズの製造方法である。
[0013] 〔構成 3〕
また本発明は、前記構成 1又は 2の製造方法で製造され、開口数 (NA)が 0. 4以 上であることを特徴とする GRINレンズである。
本発明の製造方法によれば、分布定数 qがほぼ 2 (屈折率分布が 2乗カーブ)で開 口数 (NA) 0. 4以上の GRINレンズを容易に製造することができる。
[0014] 本発明にお 、て、 2回以上行う濃度分布付与工程は、金属成分を溶出させる処理 液をウエットゲルの中心部まで浸透させる。これにより中心部を含めてウエットゲル全 体力 金属成分が溶出する力 ウエットゲルの外側ほど金属成分の溶出量が多いか ら、中心部ほど金属製分の濃度が高ぐ周辺部ほど低い濃度分布が付与される。処 理液に浸漬後は洗浄することで付与した濃度分布を固定する。
[0015] 第一回目の濃度分布付与工程では、濃度分布は通常 2乗分布と言うよりは分布定 数 q値が 3に近い濃度分布になるが、ウエットゲルの周辺部の濃度は実質的にほぼ半 量に低下している。そして、この金属成分の濃度分布を初期条件として、再度第二回 目の濃度分布付与工程を行うが、濃度分布付与液である酸溶液への浸漬時間を最 適に選択することにより、すなわち浸漬する酸の溶液がゲル中心部まで到達して、濃 度分布付与金属成分が溶解し、かつその溶解した成分がゲル外へ拡散し得る適当 な時間を分布付与時間とすることにより 2乗カーブの濃度 (屈折率)分布が達成できる [0016] この 2回の浸漬により、外周部の屈折率が低い従来にない大きな Δ ηをもつ 2乗力 ーブの濃度 (屈折率)分布を有する GRINレンズが実現できるが、酸濃度が薄!ヽ場合 には、 2回の濃度分布付与のみならず、同様の考え方に基づき、 2乗カーブが得られ るまで多数回の濃度分布付与を行うことにより、 2乗カーブの屈折率分布を有する G RINレンズが実現できる。
[0017] この現象を物理的に説明すると、第一回目の濃度分布付与工程では、ウエットゲル の金属成分の濃度分布が半径方向に一様であるという初期条件のもとで濃度分布 付与溶液の拡散が進行するため、濃度分布の分布定数 q値は 3に近 ヽものになる。 そして、濃度分布付与溶液を完全に洗浄した後に、第二回目の濃度分布付与工程 では、ウエットゲルの金属成分の濃度分布は一様ではなぐすでに分布定数 q = 3に 近い、周辺部の濃度が減少している濃度分布であるという第一回目とは異なる初期 条件のために、第二回目の濃度分布付与工程では q値を 3より小さくする方向に作用 し、濃度分布付与時間を最適化すれば q値を 2に近づけることが出来る。
更に、拡散方程式を用いてシミュレートすれば、よく理解できる。まず、第一回の濃 度分布付与工程で、図 2の実験値と同様に、図 3の一番上の太線 (初期濃度分布）に 示すような分布定数が q = 2. 9の金属成分の濃度分布が得られたものと仮定する。こ こで図 3の縦軸である金属成分の濃度 (mol%)は、最大濃度を lmol%と規格ィ匕した 値を用いた。 J.Am.Ceram.Soc.,71,(2)C- 82(1988)に詳細に記載されているように、ゥェ ットゲル中の金属成分の拡散は、下記（3)式の拡散方程式により近似的にシミュレ一 卜することがでさる。
dC/dt= (1/r) d/dr (rD dC/dr) (3)
C :金属成分の濃度
D:拡散係数 (cmソ秒）
t:浸漬時間 (秒）
r：ゲル半径上の位置（cm)
この拡散方程式に、浸漬時間 t = 0で、金属成分の濃度分布が、図 3の一番上の太 線 (初期濃度分布)で示す分布定数力 ¾ = 2. 9の金属成分の濃度分布とした初期条 件を導入すると、拡散方程式 (3)は解け、ウエットゲルの半径を aとしたとき、拡散パラ メータ a ( = Dt/a2)についてプロットすると図 3の細線のようになり、拡散パラメータ aが変化すると、すなわち経時変化 (酸への浸漬時間を変化させること）により、濃度 分布が変化していく様子がわかる。図 3より、拡散パラメータ αが 0. 08を満足するよ うに浸漬時間を設定すれば、分布定数 qが 2に近い 2乗カーブになることがわかる。
[0018] 第一回目の濃度分布付与工程では、浸漬する酸の溶液がゲル中心部まで到達し て、濃度分布付与金属成分が溶解し、かつその溶解した成分がゲル外へ拡散し得る 適当な時間、好ましくは、拡散パラメータ (Xが
0. 03≤ a≤0. 08
を満足する時間とし、第二回目の濃度分布付与工程では、浸漬する酸の溶液がゲル 中心部まで到達して、濃度分布付与金属成分が溶解し、かつその溶解した成分がゲ ル外へ拡散し得る適当な時間、好ましくは、拡散パラメータ Oが
0. 06≤ a≤0. 10
を満足する時間とすると、分布定数 qが 2に近い 2乗カーブになることがわかる。更に 、特に、濃度分布付与液である酸濃度が薄い場合には、第一回目の濃度分布付与 を 2度繰り返し、第三回目の濃度分布付与で、拡散パラメータ exが
0. 06≤ a≤0. 10
を満足する時間とすると、分布定数 qが 2に近い 2乗カーブになることがわかる。 発明の効果
[0019] 以上のように、本発明の製造方法によれば、従来にない大きな NAをもち、かつ 2乗 カーブの屈折率分布を有する屈折率分布型光学素子を得ることができる。
図面の簡単な説明
[0020] [図 1]GRINレンズの説明図である。
[図 2]1回目の濃度分布付与を行った GRINレンズの Ti濃度分布の説明図である。
[図 3]拡散パラメータ aと金属成分濃度分布の関係の説明図である。
発明を実施するための最良の形態
[0021] 〔実施例 1〕
シリコンテトラメトキシド 121. 8gとエタノール 73. 7gと DMF (ジメチルホルムアミド） 36. 6gの混合液に 0. 056規定の塩酸 4. 4gを添カ卩し、 60分間攪拌した後、チタンテ トラ nブトキシド 68. lgとエタノーノレ 82. 9gと DMF36. 6gの混合液を滴下し撹拌した 。その後、エタノール 50. 7gと水 57. 7gを添カ卩し攪拌した。次いで、前記ゾルを内径 14mmのポリプロピレン容器に入れ、アルミニウム箔で密閉し、 1昼夜放置してゥエツ トゲルを得た。前記ウエットゲルを 40°Cで 1週間熟成した後、そのウエットゲルを 1. 5 規定の塩酸中に 2時間浸潰し、ゲル中にチタンの濃度分布を付与した。浸漬後、ゲ ルをメタノール中に浸漬し、ゲル中の塩酸分の洗浄を行った。その後、上記ゲルを 1 . 5規定塩酸中に 4時間浸漬し、 2回目の濃度分布付与を行い、 1回目と同様にゲル をメタノール中に浸漬して塩酸の洗浄を行ってから、 70°Cで乾燥させて直径約 10m mのドライゲルを得た。得られたドライゲルを、室温から 800°Cまでは酸素雰囲気中 で 150°CZhrで昇温し、その後 1250°Cまでヘリウム雰囲気中で 50°C/hrで昇温して 焼成し透明なガラス体を得た。この円柱状ガラス体の長さ方向中央付近の断面にお ける径方向の濃度分布と屈折率分布を測定した結果、拡散パラメータ αは、ほぼ 0. 08であり、中心部で屈折率 nd= l. 575、周辺部で nd= l. 480の NA力 . 54で、 かつ、分布定数 q値がほぼ 2の 2乗カーブを有する GRINレンズが得られた。
[0022] 〔比較例 1〕
実施例 1と同様にして作製したゥヱットゲルに、濃度分布付与を 1回目の 2時間のみ 行って、乾燥し、焼成して得られたガラス体の長さ方向中央付近の断面における径 方向の濃度分布と屈折率分布を測定した結果、拡散パラメータ αは、ほぼ 0. 04で あり、
Figure imgf000010_0001
531の NA力 0. 43で、力つ、分布定 数 q値がほぼ 2. 9と 2乗カーブからずれた屈折率分布となった。
[0023] 〔実施例 2〕
実施例 1と同様にして作製したゥヱットゲルを、 0. 5規定塩酸中に 6時間浸漬し、ゲ ル中にチタンの濃度分布を付与した。浸漬後、ゲルをメタノール中に浸漬し、ゲル中 の塩酸分の洗浄を行った。その後、上記ゲルを 0. 5規定塩酸中に 6時間浸漬し、 2 回目の濃度分布付与を行いゲル中にチタンの濃度分布を付与した。浸漬後、ゲルを メタノール中に浸漬し、ゲル中の塩酸分の洗浄を行った。その後、上記ゲルを 0. 5規 定塩酸中に 12時間浸漬し、 3回目の濃度分布付与を行い、 1, 2回目と同様にゲル をメタノール中に浸漬して塩酸の洗浄を行ってガラス体を作製し、得られたガラス体 の長さ方向中央付近の断面における径方向の濃度分布と屈折率分布を上記と同様 に測定したところ、拡散パラメータ αは、ほぼ 0. 08であり、中心部で屈折率 nd= l. 577、周辺咅で nd= l. 478の NA力 SO. 55で、力つ、分布定数 q値力 まほ、 2の 2乗力 ーブを有する GRINレンズが得られた。
[0024] 〔実施例 3〕
シリコンテトラメトキシド 121. 8gとエタノール 110. 6gの混合液に 0. 5規定の塩酸 4 . 2gを添加し、 60分間攪拌した後、チタンテトラ nブトキシド 68. lgとエタノール 132. 7gの混合液を滴下し約 90分撹拌した。その後、その溶液に水 129. 7gを添加し攪 拌した。次いで、前記ゾルを内径 14mmのポリプロピレン容器に入れ、アルミニウム 箔で密閉し、 1昼夜放置してウエットゲルを得た。前記ウエットゲルを 40°Cで 1週間熟 成した後、そのウエットゲルを 0. 5規定の塩酸中に 6時間浸漬し、ゲル中にチタンの 濃度分布を付与した。その後、ゲルをメタノール中に浸漬し、ゲル中の塩酸分の洗浄 を行った。その後、上記ゲルを 1. 5規定塩酸中に 5時間浸漬し、 2回目の濃度分布 付与を行い、 1回目と同様にゲルをメタノール中に浸漬して塩酸の洗浄を行ってから 浸漬後、 70°Cで乾燥させて直径約 10mmのドライゲルを得た。得られたドライゲルを 、室温から 800°Cまでは酸素雰囲気中で 150°CZhrで昇温し、その後 1250°Cまで ヘリウム雰囲気中で 50°C/hrで昇温して焼成し透明なガラス体を得た。この円柱状ガ ラス体の長さ方向中央付近の断面における径方向の濃度分布と屈折率分布を測定 した結果、拡散パラメータ αは、ほぼ 0. 08であり、中心部で屈折率 nd= l. 570、周 辺部で nd= l. 470の NA力 . 55で、かつ、分布定数 q値がほぼ 2の 2乗カーブを有 する GRINレンズが得られた。
[0025] 実施例 実施例 2、実施例 3及び比較例 1、の結果から、 2回及び 3回の濃度分布 付与工程、すなわち、浸漬する酸の溶液がゲル中心部まで到達して、濃度分布付与 金属成分が溶解し、かつその溶解した成分がゲル外へ拡散し得る適当な時間、によ つて、 NAが大きく取れ、かつ分布定数 qの制御が可能であることがわ力つた。
産業上の利用可能性
[0026] 本発明の GRINレンズは、光ファイバの先端に溶着して光ファイバ結合部品、コリメ ータなどとして利用することができる。

Claims

請求の範囲
[1] シリコンアルコキシドと屈折率を高める金属アルコキシドとを含むゾルから円柱状ゥ エツトゲルを作成する工程と、
該ウエットゲルを前記金属を溶出させる処理液に浸漬し、該ウエットゲルの中心部ま で前記処理液を浸透させて前記金属を溶出させる前記金属の濃度分布付与工程を 有するゾルゲル法による GRINレンズ製造方法であって、
前記ウエットゲルの中心部まで前記処理液を浸透させる前記濃度分布付与工程を 少なくとも 2回行うことを特徴とする GRINレンズの製造方法。
[2] 請求項 1の GRINレンズの製造方法において、 1回目の前記ウエットゲルの中心部 まで前記処理液を浸透させる前記濃度分布付与工程における拡散パラメータ ocが、
0. 03≤ a≤0. 08であり、最後の前記ウエットゲルの中心部まで前記処理液を浸透 させる前記濃度分布付与工程における拡散パラメータ α力 0. 06≤ α≤0. 10であ ることを特徴とする GRINレンズの製造方法。
[3] 請求項 1又は 2の製造方法で製造され、開口数が 0. 4以上であることを特徴とする
GRINレンズ。
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