(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に少なくとも１層以上の固体膜層を形成し、該固体膜層の厚さ方向全体もしくは一部分に凹凸形状を形成した光学部材が組み込まれた光学モジュールまたは情報記録／再生装置において、前記基板を結晶化ガラスとし、使用環境温度の変化による該光学モジュールまたは該情報記録／再生装置の特性変動の少なくとも一部を、前記光学部材の基板の熱膨張による光学特性の変化によって打ち消すために、前記結晶化ガラスにおける結晶の析出割合を制御することにより前記基板の熱膨張係数を定めたことを特徴とする光学モジュールまたは情報記録／再生装置。
【請求項２】
前記結晶化ガラスがβ−石英固溶体結晶を主たる析出結晶として含むことを特徴とする請求項１に記載の光学部材。
【請求項３】
凹凸形状を形成した前記固体膜層のうち少なくとも１層は、つぎの化学式ＲmＭＸn-mで表される有機無機複合材料を主成分とした原材料を用いて形成され、化学式中のＲ基を残留成分として含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光学部材。ただし、Ｒはアルキルまたはアリール基（ｍ＝１，２）、Ｍは原子価ｎ（ｎ＝３，４）の金属、Ｘはアルコキシル基またはハロゲン基である。
【請求項４】
凹凸形状を形成した前記固体薄膜層のうち少なくとも１層は、つぎの化学式ＭＸnで表される有機無機複合材料と増粘剤を主成分とした原材料を用いて形成されることを特徴とする請求項１、２に記載の光学部材。ただし、Ｍは原子価ｎ（ｎ＝３，４）の金属、Ｘはアルコキシル基またはハロゲン基である。
【請求項５】
前記光学部材が回折格子であり、前記光学モジュールの特性変動が分波特性の温度変化であり、前記光学部材の光学特性が回折波長であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に微細な凹凸形状を有する光学部材、特に微小光学素子および情報記録媒体基板に応用される光学部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折光学素子、フレネルレンズ、平板マイクロレンズアレイ（多数の微小レンズを平板上に平行配列したレンズ列）などの光学部品、ＣＤ−ＲＯＭ、その他の情報記録媒体は、その表面に微小な凹凸構造を具備している。この表面の微小な凹凸部は、光学部品においては、光の集束もしくは拡散を行う回折格子もしくはマイクロレンズとして機能し、また情報記録媒体においては、ピットまたはトラッキングガイドとして機能する。
【０００３】
近年、これら微細凹凸構造を具備した光学部材を組み込んだ光学モジュールや情報記録装置に対する要求性能は高度化し、その使用環境、特に使用温度域において安定した出力特性を発揮する必要がある。
【０００４】
例えば高密度波長多重通信において回折格子を組み込んだ光分波器用に用いられる光学モジュールの場合、使用温度範囲内での回折波長の変動は０．５ｎｍ以下であることが求められている。しかも使用温度域、保存温度範囲に対する要求範囲も従前に比べて広くなる傾向があり、−４０℃から＋８０℃という広い温度範囲（温度差ΔＴ＝１２０ｄｅｇ）での使用が要求される場合もある。この場合、要求される回折波長の温度係数は約４．２ｐｍ／ｄｅｇ以下となる。さらに少なくとも上記使用温度範囲内での耐候性が保証されなければならないのは勿論である。これらの要求を満たすために、温度依存性が小さく、耐候性が良い素子を組み合わせ、回折波長の変動を抑える手法が必要とされる。
また、その他の光学モジュール、情報記録装置についても特性の温度変動を小さく抑えることが要求されている。
【０００５】
本出願人は良好な耐候性をもった微細凹凸構造の製造方法を開示している（特許協力条約に基づいて公開された国際出願：WO99/39890）。すなわち、ガラスなど広い温度範囲で安定な基板の表面に塑性変形可能な状態に調整した有機無機複合材料を膜状に塗布し、これに微細凹凸構造を形成した成形型を押し当てる。次いで離型し、加熱処理することによって成型型の微細凹凸構造を反転した構造を前記基板上に形成できる。この微細凹凸構造は樹脂製などに比べて耐熱性が高く、クラックの発生や基板からの剥離も起こりにくい特徴をもっている。このため、基板材料として石英ガラスを採用すると、この方法で形成した光学部材単独の光学特性の温度変動は極めて小さくすることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、一般に光学モジュールや情報記録／再生装置は上記光学部材の他、複数の部品、材料から構成される。このため、所望の光学性能を満足しつつ、光学モジュールや情報記録／再生装置を構築するすべての素子に温度依存性が小さい部材を選定することは困難である。例えばこれらの素子を組み合わせる際に素子固定のために用いる接着剤の膨張特性は通常かなり大きく、使用温度領域を限定する原因となっていた。したがって１部品の特性の温度依存性を小さくしても、系全体の温度による特性変動が小さくなるとは限らないという問題点があった。
【０００７】
この発明は、このような従来技術の問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、耐候性の高い微細凹凸表面を有する光学部材を簡便で生産性に優れた方法で提供し、かつこの光学部材を組み込んだ光学モジュールまたは情報記録／再生装置の温度変化による出力特性の変動を抑制することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明では、基板の表面に少なくとも１層以上の固体膜層を形成し、該固体膜層の厚さ方向全体もしくは一部分に凹凸形状を形成した光学部材が組み込まれた光学モジュールまたは情報記録／再生装置において、使用環境温度の変化による該光学モジュールまたは該情報記録／再生装置の出力特性の変動の少なくとも一部を、前記光学部材の基板の熱膨張による光学特性の変化によって打ち消すことを特徴としている。
【０００９】
上記基板材料としてはβ-石英固溶体結晶を析出結晶として含む結晶化ガラスを用いる。
【００１０】
また凹凸形状を形成した前記固体膜層のうち少なくとも１層は、つぎの化学式
ＲmＭＸn-m
で表される有機無機複合材料を主成分とした原材料を用いて形成され、化学式中のＲ基を残留成分として含むことを特徴とする。
ただし、Ｒはアルキルまたはアリール基（ｍ＝１，２）、Ｍは原子価ｎ（ｎ＝３，４）の金属、Ｘはアルコキシル基またはハロゲン基である。
【００１１】
あるいは前記固体膜層はつぎの化学式
ＭＸn
で表される有機無機複合材料と増粘剤を主成分とした原材料を用いて形成してもよい。
ただし、Ｍは原子価ｎ（ｎ＝３，４）の金属、Ｘはアルコキシル基またはハロゲン基である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明が対象とする光学部材は、熱膨張係数が既知である基板の表面に厚さ数μｍ〜数百μｍの有機無機複合材料膜を塗布し、その表面に断面形状が円弧、楕円弧、正弦波曲線、鋸歯状などの微細凹凸形状を形成したものである。図１はこの光学部材の断面図であり、基板１上に微細凹凸形状を形成した固体膜層２が形成されている。この微細凹凸形状が図１（ａ）に示すように連続した峰３からなる場合は回折格子として作用し、円周上に配置される場合はフレネルレンズとして作用する。またこの微細凹凸形状が図１（ｂ）に示したように独立した円弧４または楕円弧である場合は微小レンズとして作用する。
【００１３】
このような微細凹凸形状を形成する基板として最適な材料を選ぶ方法を説明する。
まず、互いに線膨張係数（既知）の異なる２種類以上の基板上に所望の凹凸形状を形成し試験用光学部材を作製する。これらの試験用光学部材を所望の光学モジュールまたは情報記録／再生装置に組み込み、温度変化を与えた際の出力特性を実測する。この結果から各基板に対する温度−出力特性を得る。これらの温度−出力特性の傾きを、基板の線膨張係数に対してプロットする。得られた特性曲線から温度−出力特性の傾きが０となるような基板の線膨張係数が推定できる。
【００１４】
このように推定された最適線膨張係数をもつ基板材料は単純に既存の材料から選定できるとは限らない。一般に正の膨張係数をもつ部材が多いため、これを補償するために基板に負の線膨張係数が要求される場合が多くなると予想されるが、適当な材料がなかった。有機樹脂材料には負の線膨張係数をもつものがあるが、耐候性が十分でない場合が多い。
【００１５】
結晶が析出した結晶化ガラスは、結晶が負の線膨張係数を持つ場合、ガラス部分の正の線膨張係数を相殺させることにより、その線膨張係数をある程度制御できる。本発明によれば、結晶化ガラスを利用することにより、線膨張係数が最適値に近く、かつ良好な耐候性を備えた基板を得ることができる。
【００１６】
【実施例】
実際に反射型回折格子を製造し、この回折格子を組み込んだ高密度波長多重通信用光分波器に用いられる光学モジュールを製造する方法をつぎに説明する。
【００１７】
回折格子の製造方法として、有機無機複合材料としてはメチルトリエトキシシランとテトラエトキシシランを混合したものを用いた。これをアルコール希釈した後、酸水溶液を混合、撹拌し加水分解させる。次いでこの液を基板に塗布、乾燥させる。最終的な基板材料を決定するための、試験用基板材料としてはフロート法による通常のソーダライムガラス、パイレックスガラス、光学ガラスであるＢＫ７，石英ガラスの４種類を使用した。成形型をプレス機内を減圧状態として前記の基板上塗布膜に押圧、硬化させる。離型したのち、３５０℃以下の温度で焼成すると膜内に有機成分が残留し、これによって型の形状を正確に反映した微細凹凸形状が固体薄膜表面に形成される。微細凹凸形状の表面にＡｌ反射膜を成膜することにより反射型の回折格子が形成できる。
【００１８】
この微細凹凸形状を形成する層の下に必要に応じて下地層を設けてもよい。また、この凹凸形状表面には、本光学部材を光透過型として使用する場合、反射防止膜を成膜してもよく、光反射型として使用する場合は反射膜を成膜してもよい。
【００１９】
作製した回折格子を図２に示すような光分波器用光学モジュール６に組み付け、その分波特性の温度変化を測定した。作製した光学モジュール６全体をを恒温槽内１０に置き、温度を−４０℃から８５℃まで変化させる。波長可変レーザ１４の出射光を光ファイバ１６を介して恒温槽１０内に導き、光ファイバ端１８から出射する光をコリメートレンズ２０で平行光２２として試験する回折格子８に入射する。回折された光を再びコリメートレンズ２０で受光ファイバ端２４上に集光する。この光の中心波長を波長計１２にて測定した。測定結果を図３に示す。各ガラス基板の波長変動の温度係数として、それぞれソーダライムガラス：１３ｐｍ／ｄｅｇ、ＢＫ７：１２ｐｍ／ｄｅｇ、パイレックス：８ｐｍ／ｄｅｇ、石英ガラス：３ｐｍ／ｄｅｇを得た。
【００２０】
これらの波長温度係数を各ガラスの線膨張係数（それぞれ９９×１０-7／ｄｅｇ、９０×１０-7／ｄｅｇ、３６×１０-7／ｄｅｇ、５．５×１０-7／ｄｅｇ）に対してプロットした。得られた特性は図４に示すようにほぼ直線であり、波長温度係数が０ｐｍ／ｄｅｇとなる基板の膨張係数を最小二乗法によって求めると、約−２５×１０-7／ｄｅｇと負の値になる。したがって、負の線膨張係数を持つ基板が最適である。
【００２１】
一般のガラスは上記試験用に用いた例からもわかるように正の線膨張係数をもつため、使用に適さない。しかし結晶化ガラスはその成分によっては負の線膨張係数をもち得、かつ耐候性も一般のガラス材料同様に優れている。例えばβ−石英結晶にリチウムイオンとアルミニウムイオンが固溶したβ−ユークリプタイトなどのβ−石英固溶体結晶は負の線膨張係数をもつことが知られている。この結晶が析出した結晶化ガラスは、結晶の負の線膨張係数とガラス部分の正の線膨張係数を相殺させることにより、その線膨張係数を結晶の析出割合によって０付近である程度制御できる。このようなβ−石英固溶体結晶を析出させた結晶化ガラスの製法（母材ガラスの組成および熱処理条件）は特公昭46-39879号などに開示されている。本実施例ではＳｉＯ2：７０％、Ａｌ2Ｏ3：２０％、Ｌｉ2Ｏ：４％、ＴｉＯ2：１．８％、ＺｒＯ2：１．５％を主成分とする母材ガラスを１０００℃以上の温度で熱処理することにより、線膨張係数がおよそ−１０×１０-7の結晶化ガラスを得た。
【００２２】
この基板上に前記と同様の手順にて回折格子を成形した。この回折格子を前記の光分波器用光学モジュールに組み付け、波長変動の温度係数を評価したところ、約１ｐｍ／ｄｅｇであった。これは、目標の０ｐｍ／ｄｅｇに十分近い値であり、本件に記載した実施例により光学モジュール全体の温度係数値を抑制できたことがわかる。
【００２３】
上記回折格子基板は可視光域を中心にして透明であり、組み込まれる光学モジュールによっては透過型回折格子としても使用できる。その際には、回折格子表面に反射防止膜を成膜することが望ましい。
なお、図３あるいは図４の特性は一例であって、組み込む機器、モジュールによって変わってくる。しかし図４と同様な手法で求めた温度係数が０となる基板の線膨張係数は、その値が負であっても結晶化ガラスを基板として用いることにより実現できる。もちろん使用できる結晶化ガラスの材質は上記に限られたものではなく、母材ガラスの組成と熱処理条件によって特性の異なるものが得られる。
【００２４】
さらに対象となる光学部材、光学素子も回折格子に限られない。回折格子の場合は回折波長を特性値としその温度係数を測定したが、その他の光学部材、光学素子においてもそれぞれの特性値の温度係数を測定すれば、同様に基板の材質を決定できる。
【００２５】
また有機無機複合材料としては上記以外にフェニルトリエトキシシラン、ジメチルエトキシシラン混合系、メチルトリエトキシシラン単体、テトラエトキシシランに増粘剤を添加した液、これらの液にチタン、ジルコニウム、アルミニウムなどの金属有機化合物あるいは、酸化物微粒子を添加した液、上述組成の重合体からなる液も使用できる。
【００２６】
【発明の効果】
光学モジュールまたは情報記録／再生装置の使用環境での温度変化がその光学モジュールまたはその情報記録／再生装置の出力特性の変動へ寄与する効果のすべてまたは一部をうち消すように光学部材の基板の線膨張係数を決定することで、単に低膨張係数の基板を選定するよりも光学モジュールまたは情報記録／再生装置の環境温度変化による出力特性の変動を抑制できる。また、本発明により開示した光学部材の作製方法は前記のごとく基板種類を変更した場合でもプロセスの変更が少なく、簡便に適した光学部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の凹凸表面を有する光学部材の例の断面図である。
【図２】回折波長の温度変動の評価系を示す図である。
【図３】試験溶回折格子における回折波長の温度変動の実測結果を示す図である。
【図４】回折波長の温度係数と基板の線膨張係数の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  基板
２  固体膜層
３、４  微細凹凸構造
６  光学モジュール
８  回折格子
１０  恒温槽
１６、２４  光ファイバ
２０  コリメータレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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