屈折率分布型光学素子の製造方法
本発明は、特定の処理雰囲気を必要とせず、また溶融塩を用いることなく、ガラス基材の所望部位に対して容易に屈折率分布を形成できる屈折率分布型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、銅化合物、有機樹脂及び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屈折率分布型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、銅化合物、有機樹脂及び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屈折率分布型光学素子の製造方法を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率分布型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。
【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。
【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手法として、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に対して、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。
【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等も、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】
イオン交換法による屈折率分布型レンズの製造では、用いる溶融塩の温度は通常２５０〜４００℃程度であり、製造設備はＣＶＤ等の気相法に比べて安価である。また、球面レンズの作製と比較して、研磨加工が容易であるという利点もある。しかしながら、従来知られているイオン交換法には、下記の問題がある。
【０００７】
一点目は、イオン交換時における溶融塩の条件制御の問題である。イオン交換速度及びガラス基材中でのイオン拡散速度は、溶融塩の温度に依存する。また、溶融塩の液相温度は溶融塩の混合比（組成）に依存し、イオン交換温度は塩の液相温度以上でしか制御できない。そのため、溶融塩中のイオン濃度とイオン交換温度とを独立に制御することができない場合がある。従って、イオン交換法により所望の屈折率プロファイルを有する屈折率分布型レンズを作製するに際して、溶融塩の組成、温度、浸漬時間等のイオン交換条件の決定は容易ではなく、高度なノウハウを必要とする。さらに、空気中で酸化され易いイオンを用いる場合には、イオン交換を還元雰囲気で行うことにも注意しなければならない。これらの問題点は、屈折率分布型レンズの製造のみならず、ガラス基材に屈折率分布を形成して作製する屈折率分布型光学素子の製造にも共通する問題点である。
【０００８】
二点目は、イオン交換阻止膜の塗布である。イオン交換を溶融塩で行う際、屈折率分布を形成する部分以外には、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。この問題点も、ガラス基材に屈折率分布を形成して作製する屈折率分布型光学素子の製造に共通する問題点である。
【特許文献１】特開２００１−１５９７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、特定の処理雰囲気を必要とせず、また溶融塩を用いることなく、ガラス基材の所望部位に対して容易に屈折率分布を形成できる屈折率分布型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、銅化合物を含む特定のペーストを用いて、ガラス基材中に銅イオン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、下記の屈折率分布型光学素子の製造方法に係る。
【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、銅化合物、有機樹脂及び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屈折率分布型光学素子の製造方法。
【００１３】
２．屈折率分布型光学素子がレンズ、レンズアレイ又は回折格子である上記項１記載の製造方法。
【００１４】
３．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又は２に記載の製造方法。
【００１５】
４．ガラス基材が、ＳｉＯ２：４０〜８２重量％、Ｂ２Ｏ３：１２〜５０重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：２５重量％以下、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種：２０重量％以下、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２から選ばれた少なくとも１種：１０重量％以下、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３及びＳｎＯから選ばれた少なくとも１種：５重量％以下、並びにＣｌ、Ｂｒ及びＩから選ばれた少なくとも１種：０．０５〜１０重量％を含むホウケイ酸塩ガラス基材である上記項３記載の製造方法。
【００１６】
５．上記項１〜４のいずれかの製造方法により製造された屈折率分布型光学素子。
【００１７】
６．レンズ、レンズアレイ又は回折格子である上記項５記載の屈折率分布型光学素子。
以下、本発明の屈折率分布型光学素子の製造方法について詳細に説明する。なお、本発明の屈折率分布型光学素子は、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、回折格子等が該当する。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
１）ＳｉＯ２：４０〜８０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％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏ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）、Ａｌ２Ｏ３：１５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）、Ｆｅ２Ｏ３及びＳＯ３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。
【００２５】
２）ＳｉＯ２：２０〜８０重量％、好ましくは３０〜７５重量％、Ｂ２Ｏ３：３〜５０重量％、好ましくは５〜３０重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏ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）、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３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）、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２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）、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３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。
【００２６】
３）Ｐ２Ｏ５：４０〜８０重量％、好ましくは５０〜７５重量％、ＳｉＯ２：２０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）、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏ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％、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３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）、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２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。
【００２７】
４）Ｐ２Ｏ５：２０〜５０重量％、好ましくは３０〜４０重量％、Ａｌ２Ｏ３：５〜３０重量％、好ましくは１０〜２５重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏ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。
【００２８】
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、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形後、必要に応じて研磨したものを使用してもよい。
【００２９】
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、これに銅化合物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。
【００３０】
ペーストとしては、銅化合物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、熱処理により銅イオンを拡散させることのできる銅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。
【００３１】
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銅化合物が、ガラス基材中のアルカリ金属成分と交換して銅イオン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。銅イオンとしては１価及び２価の陽イオンが考えられるが、主に１価の陽イオンとして拡散されていると考えられる。このようにペースト中の銅が１価のイオンとして拡散する理由は、ペーストに含まれる有機樹脂が炭化されて還元性雰囲気となり、１価の銅イオンが形成されることに基づくものと考えられる。
【００３２】
該ペーストに含まれる銅化合物としては、熱処理によって銅イオンをガラス基材に拡散可能なイオン結合性銅化合物であれば特に限定されず、１価の銅化合物及び２価の銅化合物のいずれでもよい。かかる銅化合物としては、無機塩類を用いることが好ましい。
【００３３】
銅化合物としては、例えば、ＣｕＳＯ４、ＣｕＣｌ、ＣｕＣｌ２、ＣｕＢｒ、ＣｕＢｒ２、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、Ｃｕ（ＮＯ３）２、ＣｕＳ、ＣｕＩ、ＣｕＩ２、Ｃｕ（ＮＯ３）・３Ｈ２Ｏ等が挙げられる。この中でも、ＣｕＳＯ４、Ｃｕ（ＮＯ３）２等が好ましい。これらの銅化合物は、１種単独で使用してもよく、又は２種以上を混合しても使用できる。
【００３４】
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いが、分解により炭化して容易に還元雰囲気を作りだせる樹脂であって、また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。
【００３５】
該ペーストにおいて用いる有機溶剤は、銅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。
【００３６】
該ペーストにおける各成分の含有量については、特に限定的ではないが、銅化合物１００重量部に対して、有機溶剤５〜３０重量部、好ましくは７〜２５重量部、樹脂成分２０〜５５重量部、好ましくは２５〜４５重量部程度である。
【００３７】
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、銅化合物の融点を低下させる添加剤としては、Ｎａ２ＳＯ４、Ｋ２ＳＯ４、ＮａＮＯ３、ＫＮＯ３、ＮａＣｌ、ＮａＢｒ、ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＮａＩ、ＫＩ等が挙げられる。この中でも、特にＮａ２ＳＯ４、Ｋ２ＳＯ４、ＮａＮＯ３、ＫＮＯ３等が好ましい。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、銅化合物１００重量部に対して、５〜２５重量部、好ましくは１０〜２０重量部程度である。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
また、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、染色等に用いられているスクリーニング（スクリーン印刷）を利用してもよい。線形にパターニングする場合には、線形幅は光学素子（回折格子）の所望の特性に応じて適宜設定できるが、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。
【００４１】
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銅化合物の種類、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。
【００４２】
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。
【００４３】
次いで、乾燥した塗膜を熱処理する。熱処理温度は、通常３００〜６００℃程度、好ましくは３５０〜５５０℃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。熱処理雰囲気については、通常は空気中等の酸素含有雰囲気中でよい。
【００４４】
上記した方法によって熱処理を行うことによって、銅イオンがガラス基材に拡散する。拡散した銅イオンは、処理条件によって異なるが、Ｃｕ＋イオン、Ｃｕ２Ｏ、金属銅微粒子等として存在し、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。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。
【００４５】
また、上記方法で屈折率分布型レンズ及び屈折率分布型レンズアレイを作製する際に、特に、ガラス基材が、酸化物換算量として、ＳｉＯ２：４０〜８２重量％、Ｂ２Ｏ３：１２〜５０重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：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２重量％程度とすることが望ましい）、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種：２０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５重量％程度とすることが望ましい）、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２から選ばれた少なくとも１種：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１重量％程度とすることが望ましい）、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３及びＳｎＯから選ばれた少なくとも１種：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０．５重量％程度とすることが望ましい）、並びにＣｌ、Ｂｒ及びＩから選ばれた少なくとも１種：０．０５〜１０重量％を含むホウケイ酸塩ガラス基材である場合には、ガラス基材中に拡散した銅イオンがガラス基材に含まれるＣｌ、Ｂｒ及びＩから選ばれた少なくとも１種のハロゲン原子と反応してハロゲン化銅となる。このハロゲン化銅が拡散することにより、ガラス内に紫外線吸収効果、レーザー加工性向上効果等を付与することができる。
【００４６】
以上の過程を経て、屈折率分布レンズ、屈折率分布型レンズアレイ、回折格子等の屈折率分布型光学素子が製造できる。
【００４７】
例えば、屈折率分布型レンズであれば、レーザー光線の焦点補正、光ファイバー間の空間での光結合等の用途に使用できる。屈折率分布型レンズアレイであれば、光通信における光分波、並列画像処理等の用途に使用できる。また、回折格子であれば、センサ素子等の用途に使用できる。
【発明の効果】
【００４８】
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、銅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連続的に変化する屈折率分布を形成して屈折率分布型レンズを製造することができる。この方法によれば、特定の処理雰囲気（例えば、還元雰囲気）等を必要としないため、煩雑な製造工程を要することなく、低コストで屈折率分布型レンズを製造できる。
【００４９】
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銅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。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施例１において作製した屈折率分布型レンズの、レンズ中心から半径方向の距離と銅の分散量との関係を示すＥＤＸ線分測定結果図である。
【図２】実施例１において作製した屈折率分布型レンズの中心部における、基材表面からの深さと銅の分散量及び屈折率との関係を示す図である。
【図３】実施例２の屈折率分布型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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
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。
【００５２】
実施例１
（屈折率分布型レンズの作製）
市販ＳｉＯ２−ＣａＯ−Ｎａ２Ｏ系ガラス（型番：Ｂ２７０、ショット製）を縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ３ｍｍに加工し、洗浄後、片面にＣｕＳＯ４：５５重量％、Ｎａ２ＳＯ４：１０重量％、アクリル樹脂：１５重量％、セルロース樹脂：１０重量％及びテルピネオール：１０重量％からなるペースト（銅化合物１００重量部に対して、有機溶剤１８．２重量部、樹脂成分４５．５重量部及び添加剤１８．２重量部を配合したもの）を注射器滴下により円形（半径０．１〜０．２ｍｍ）に塗布した。ペースト厚さは０．２ｍｍとなるように塗布した。
【００５３】
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５１０℃で１２時間熱処理を行った。
【００５４】
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）により銅の分布を測定することにより、塗布したペーストの中心から半径３００μｍ程度の範囲に銅が多く分布（拡散）していることを確認した。ＥＤＸ線分測定結果図を図１に示す。
【００５５】
また、深さ方向に対してＥＤＸにより銅の分布を測定することにより約２５μｍまで銅が分布していることを確認した。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、ガラス基材との屈折率差が最大で約１×１０−２増大し、表面から約２０μｍまで屈折率の分布が生じていることが分かった。図２に、塗布ペースト中心部における、基材表面からの深さと銅の分布及び屈折率の関係を示す。図２の矢印（←・→）は、グラフが屈折率と検出強度のどちらに対応するかを示すものである。
【００５６】
実施例２
（屈折率分布型マイクロレンズアレイの作製）
実施例１と同じガラス（加工後のもの）及び同じペーストを用意した。
【００５７】
洗浄後のガラスの片面に、ディスペンサー分注試験装置を用いて、ペーストを円形（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。ペーストの厚さは、１ｍｍとなるように塗布した。パターニングの模式図を図３に示す。
【００５８】
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５００℃で１２時間熱処理を行った。
【００５９】
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）により銅の分布を測定することにより、銅が円形に滴下した部分に分布していることを確認した。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、ガラス基材との屈折率差が最大で約１×１０−２増大し、表面から約２０μｍまで屈折率の分布が生じていることが分かった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、屈折率分布型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。
【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。
【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手法として、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に対して、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。
【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等も、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】
イオン交換法による屈折率分布型レンズの製造では、用いる溶融塩の温度は通常２５０〜４００℃程度であり、製造設備はＣＶＤ等の気相法に比べて安価である。また、球面レンズの作製と比較して、研磨加工が容易であるという利点もある。しかしながら、従来知られているイオン交換法には、下記の問題がある。
【０００７】
一点目は、イオン交換時における溶融塩の条件制御の問題である。イオン交換速度及びガラス基材中でのイオン拡散速度は、溶融塩の温度に依存する。また、溶融塩の液相温度は溶融塩の混合比（組成）に依存し、イオン交換温度は塩の液相温度以上でしか制御できない。そのため、溶融塩中のイオン濃度とイオン交換温度とを独立に制御することができない場合がある。従って、イオン交換法により所望の屈折率プロファイルを有する屈折率分布型レンズを作製するに際して、溶融塩の組成、温度、浸漬時間等のイオン交換条件の決定は容易ではなく、高度なノウハウを必要とする。さらに、空気中で酸化され易いイオンを用いる場合には、イオン交換を還元雰囲気で行うことにも注意しなければならない。これらの問題点は、屈折率分布型レンズの製造のみならず、ガラス基材に屈折率分布を形成して作製する屈折率分布型光学素子の製造にも共通する問題点である。
【０００８】
二点目は、イオン交換阻止膜の塗布である。イオン交換を溶融塩で行う際、屈折率分布を形成する部分以外には、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。この問題点も、ガラス基材に屈折率分布を形成して作製する屈折率分布型光学素子の製造に共通する問題点である。
【特許文献１】特開２００１−１５９７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、特定の処理雰囲気を必要とせず、また溶融塩を用いることなく、ガラス基材の所望部位に対して容易に屈折率分布を形成できる屈折率分布型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、銅化合物を含む特定のペーストを用いて、ガラス基材中に銅イオン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、下記の屈折率分布型光学素子の製造方法に係る。
【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、銅化合物、有機樹脂及び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屈折率分布型光学素子の製造方法。
【００１３】
２．屈折率分布型光学素子がレンズ、レンズアレイ又は回折格子である上記項１記載の製造方法。
【００１４】
３．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又は２に記載の製造方法。
【００１５】
４．ガラス基材が、ＳｉＯ２：４０〜８２重量％、Ｂ２Ｏ３：１２〜５０重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：２５重量％以下、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種：２０重量％以下、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２から選ばれた少なくとも１種：１０重量％以下、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３及びＳｎＯから選ばれた少なくとも１種：５重量％以下、並びにＣｌ、Ｂｒ及びＩから選ばれた少なくとも１種：０．０５〜１０重量％を含むホウケイ酸塩ガラス基材である上記項３記載の製造方法。
【００１６】
５．上記項１〜４のいずれかの製造方法により製造された屈折率分布型光学素子。
【００１７】
６．レンズ、レンズアレイ又は回折格子である上記項５記載の屈折率分布型光学素子。
以下、本発明の屈折率分布型光学素子の製造方法について詳細に説明する。なお、本発明の屈折率分布型光学素子は、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、回折格子等が該当する。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
１）ＳｉＯ２：４０〜８０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％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏ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）、Ａｌ２Ｏ３：１５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）、Ｆｅ２Ｏ３及びＳＯ３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。
【００２５】
２）ＳｉＯ２：２０〜８０重量％、好ましくは３０〜７５重量％、Ｂ２Ｏ３：３〜５０重量％、好ましくは５〜３０重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏ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）、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３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）、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２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）、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３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。
【００２６】
３）Ｐ２Ｏ５：４０〜８０重量％、好ましくは５０〜７５重量％、ＳｉＯ２：２０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）、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏ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％、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３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）、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２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。
【００２７】
４）Ｐ２Ｏ５：２０〜５０重量％、好ましくは３０〜４０重量％、Ａｌ２Ｏ３：５〜３０重量％、好ましくは１０〜２５重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏ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。
【００２８】
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、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形後、必要に応じて研磨したものを使用してもよい。
【００２９】
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、これに銅化合物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。
【００３０】
ペーストとしては、銅化合物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、熱処理により銅イオンを拡散させることのできる銅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。
【００３１】
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銅化合物が、ガラス基材中のアルカリ金属成分と交換して銅イオン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。銅イオンとしては１価及び２価の陽イオンが考えられるが、主に１価の陽イオンとして拡散されていると考えられる。このようにペースト中の銅が１価のイオンとして拡散する理由は、ペーストに含まれる有機樹脂が炭化されて還元性雰囲気となり、１価の銅イオンが形成されることに基づくものと考えられる。
【００３２】
該ペーストに含まれる銅化合物としては、熱処理によって銅イオンをガラス基材に拡散可能なイオン結合性銅化合物であれば特に限定されず、１価の銅化合物及び２価の銅化合物のいずれでもよい。かかる銅化合物としては、無機塩類を用いることが好ましい。
【００３３】
銅化合物としては、例えば、ＣｕＳＯ４、ＣｕＣｌ、ＣｕＣｌ２、ＣｕＢｒ、ＣｕＢｒ２、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、Ｃｕ（ＮＯ３）２、ＣｕＳ、ＣｕＩ、ＣｕＩ２、Ｃｕ（ＮＯ３）・３Ｈ２Ｏ等が挙げられる。この中でも、ＣｕＳＯ４、Ｃｕ（ＮＯ３）２等が好ましい。これらの銅化合物は、１種単独で使用してもよく、又は２種以上を混合しても使用できる。
【００３４】
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いが、分解により炭化して容易に還元雰囲気を作りだせる樹脂であって、また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。
【００３５】
該ペーストにおいて用いる有機溶剤は、銅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。
【００３６】
該ペーストにおける各成分の含有量については、特に限定的ではないが、銅化合物１００重量部に対して、有機溶剤５〜３０重量部、好ましくは７〜２５重量部、樹脂成分２０〜５５重量部、好ましくは２５〜４５重量部程度である。
【００３７】
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、銅化合物の融点を低下させる添加剤としては、Ｎａ２ＳＯ４、Ｋ２ＳＯ４、ＮａＮＯ３、ＫＮＯ３、ＮａＣｌ、ＮａＢｒ、ＫＣｌ、ＫＢｒ、ＮａＩ、ＫＩ等が挙げられる。この中でも、特にＮａ２ＳＯ４、Ｋ２ＳＯ４、ＮａＮＯ３、ＫＮＯ３等が好ましい。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、銅化合物１００重量部に対して、５〜２５重量部、好ましくは１０〜２０重量部程度である。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
また、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、染色等に用いられているスクリーニング（スクリーン印刷）を利用してもよい。線形にパターニングする場合には、線形幅は光学素子（回折格子）の所望の特性に応じて適宜設定できるが、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。
【００４１】
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銅化合物の種類、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。
【００４２】
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。
【００４３】
次いで、乾燥した塗膜を熱処理する。熱処理温度は、通常３００〜６００℃程度、好ましくは３５０〜５５０℃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。熱処理雰囲気については、通常は空気中等の酸素含有雰囲気中でよい。
【００４４】
上記した方法によって熱処理を行うことによって、銅イオンがガラス基材に拡散する。拡散した銅イオンは、処理条件によって異なるが、Ｃｕ＋イオン、Ｃｕ２Ｏ、金属銅微粒子等として存在し、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。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。
【００４５】
また、上記方法で屈折率分布型レンズ及び屈折率分布型レンズアレイを作製する際に、特に、ガラス基材が、酸化物換算量として、ＳｉＯ２：４０〜８２重量％、Ｂ２Ｏ３：１２〜５０重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：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２重量％程度とすることが望ましい）、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種：２０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５重量％程度とすることが望ましい）、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２から選ばれた少なくとも１種：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１重量％程度とすることが望ましい）、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３及びＳｎＯから選ばれた少なくとも１種：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０．５重量％程度とすることが望ましい）、並びにＣｌ、Ｂｒ及びＩから選ばれた少なくとも１種：０．０５〜１０重量％を含むホウケイ酸塩ガラス基材である場合には、ガラス基材中に拡散した銅イオンがガラス基材に含まれるＣｌ、Ｂｒ及びＩから選ばれた少なくとも１種のハロゲン原子と反応してハロゲン化銅となる。このハロゲン化銅が拡散することにより、ガラス内に紫外線吸収効果、レーザー加工性向上効果等を付与することができる。
【００４６】
以上の過程を経て、屈折率分布レンズ、屈折率分布型レンズアレイ、回折格子等の屈折率分布型光学素子が製造できる。
【００４７】
例えば、屈折率分布型レンズであれば、レーザー光線の焦点補正、光ファイバー間の空間での光結合等の用途に使用できる。屈折率分布型レンズアレイであれば、光通信における光分波、並列画像処理等の用途に使用できる。また、回折格子であれば、センサ素子等の用途に使用できる。
【発明の効果】
【００４８】
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、銅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連続的に変化する屈折率分布を形成して屈折率分布型レンズを製造することができる。この方法によれば、特定の処理雰囲気（例えば、還元雰囲気）等を必要としないため、煩雑な製造工程を要することなく、低コストで屈折率分布型レンズを製造できる。
【００４９】
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銅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。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施例１において作製した屈折率分布型レンズの、レンズ中心から半径方向の距離と銅の分散量との関係を示すＥＤＸ線分測定結果図である。
【図２】実施例１において作製した屈折率分布型レンズの中心部における、基材表面からの深さと銅の分散量及び屈折率との関係を示す図である。
【図３】実施例２の屈折率分布型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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
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。
【００５２】
実施例１
（屈折率分布型レンズの作製）
市販ＳｉＯ２−ＣａＯ−Ｎａ２Ｏ系ガラス（型番：Ｂ２７０、ショット製）を縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ３ｍｍに加工し、洗浄後、片面にＣｕＳＯ４：５５重量％、Ｎａ２ＳＯ４：１０重量％、アクリル樹脂：１５重量％、セルロース樹脂：１０重量％及びテルピネオール：１０重量％からなるペースト（銅化合物１００重量部に対して、有機溶剤１８．２重量部、樹脂成分４５．５重量部及び添加剤１８．２重量部を配合したもの）を注射器滴下により円形（半径０．１〜０．２ｍｍ）に塗布した。ペースト厚さは０．２ｍｍとなるように塗布した。
【００５３】
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５１０℃で１２時間熱処理を行った。
【００５４】
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）により銅の分布を測定することにより、塗布したペーストの中心から半径３００μｍ程度の範囲に銅が多く分布（拡散）していることを確認した。ＥＤＸ線分測定結果図を図１に示す。
【００５５】
また、深さ方向に対してＥＤＸにより銅の分布を測定することにより約２５μｍまで銅が分布していることを確認した。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、ガラス基材との屈折率差が最大で約１×１０−２増大し、表面から約２０μｍまで屈折率の分布が生じていることが分かった。図２に、塗布ペースト中心部における、基材表面からの深さと銅の分布及び屈折率の関係を示す。図２の矢印（←・→）は、グラフが屈折率と検出強度のどちらに対応するかを示すものである。
【００５６】
実施例２
（屈折率分布型マイクロレンズアレイの作製）
実施例１と同じガラス（加工後のもの）及び同じペーストを用意した。
【００５７】
洗浄後のガラスの片面に、ディスペンサー分注試験装置を用いて、ペーストを円形（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。ペーストの厚さは、１ｍｍとなるように塗布した。パターニングの模式図を図３に示す。
【００５８】
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５００℃で１２時間熱処理を行った。
【００５９】
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）により銅の分布を測定することにより、銅が円形に滴下した部分に分布していることを確認した。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、ガラス基材との屈折率差が最大で約１×１０−２増大し、表面から約２０μｍまで屈折率の分布が生じていることが分かった。
【特許請求の範囲】
【請求項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、銅化合物、有機樹脂及び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屈折率分布型光学素子の製造方法。
【請求項２】
屈折率分布型光学素子がレンズ、レンズアレイ又は回折格子である請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
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。
【請求項４】
ガラス基材が、ＳｉＯ２：４０〜８２重量％、Ｂ２Ｏ３：１２〜５０重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：２５重量％以下、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種：２０重量％以下、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２から選ばれた少なくとも１種：１０重量％以下、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３及びＳｎＯから選ばれた少なくとも１種：５重量％以下、並びにＣｌ、Ｂｒ及びＩから選ばれた少なくとも１種：０．０５〜１０重量％を含むホウケイ酸塩ガラス基材である請求項３記載の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの製造方法により製造された屈折率分布型光学素子。
【請求項６】
レンズ、レンズアレイ又は回折格子である請求項５記載の屈折率分布型光学素子。
【請求項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、銅化合物、有機樹脂及び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屈折率分布型光学素子の製造方法。
【請求項２】
屈折率分布型光学素子がレンズ、レンズアレイ又は回折格子である請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
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。
【請求項４】
ガラス基材が、ＳｉＯ２：４０〜８２重量％、Ｂ２Ｏ３：１２〜５０重量％、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ、Ｒｂ２Ｏ及びＣｓ２Ｏから選ばれた少なくとも１種：２〜２５重量％、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＳｒＯ及びＰｂＯから選ばれた少なくとも１種：２５重量％以下、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３から選ばれた少なくとも１種：２０重量％以下、Ｎｂ２Ｏ５及びＺｒＯ２から選ばれた少なくとも１種：１０重量％以下、Ａｓ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３及びＳｎＯから選ばれた少なくとも１種：５重量％以下、並びにＣｌ、Ｂｒ及びＩから選ばれた少なくとも１種：０．０５〜１０重量％を含むホウケイ酸塩ガラス基材である請求項３記載の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの製造方法により製造された屈折率分布型光学素子。
【請求項６】
レンズ、レンズアレイ又は回折格子である請求項５記載の屈折率分布型光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０８０２８３
【国際公開日】平成１７年９月１日（２００５．９．１）
【発行日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１０１９８（Ｐ２００６−５１０１９８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００２２４５
【国際出願日】平成１７年２月１５日（２００５．２．１５）
【出願人】（５９１１１０６５４）五鈴精工硝子株式会社 (19)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年９月１日（２００５．９．１）
【発行日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００２２４５
【国際出願日】平成１７年２月１５日（２００５．２．１５）
【出願人】（５９１１１０６５４）五鈴精工硝子株式会社 (19)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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