(57)【要約】【課題】基板を持たない光学フィルタの、温度上昇による分光特性の波長シフトを従来品のレベルよりも格段に低減することである。【解決手段】本発明の多層膜素子４は、隣接する層間（膜間）で屈折率が互いに異なるように複数の膜を積層した多層膜１から構成された基板を持たない多層膜素子であって、前記多層膜１の温度に対する分光特性変化を低減する為に、補償膜２が多層膜１の上面上と下面上に更に積層されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接する膜間で屈折率が互いに異なるように複数の膜を積層した多層膜から構成された基板を持たない多層膜素子であって、前記多層膜の温度に対する分光特性変化を低減する為の補償膜が更に積層されていることを特徴とする多層膜素子。
【請求項２】
前記補償膜を、前記多層膜の上面と下面とに具えることを特徴とする請求項１に記載の多層膜素子。
【請求項３】
前記補償膜の線膨張係数が、前記多層膜を構成する膜の平均線膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の多層膜素子。
【請求項４】
前記補償膜が、酸化マグネシウムを成膜して成る膜であることを特徴とする請求項１〜３何れか１項に記載の多層膜素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板を持たない多層膜素子、特に光通信用の光学フィルタ等の光学用途の光学薄膜素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ポリイミド基板面上に、高屈折率膜と低屈折率膜とを複数層真空蒸着法により多層膜を成膜し、光通信用の光学フィルタ等の光学薄膜素子が作製されている。（例えば特許文献１）
この光通信用の光学フィルタは、光ファイバの中途に設けられたギャップにセットして用いられる。光ファイバ間に於ける光の結合損失の低減の為に、光通信用の光学フィルタは通常はコリメータレンズと一緒に用いられる。しかしながら最近は低コスト化の為に、コリメータレンズを用いず、光ファイバや導波路に２０〜４０μｍの狭いギャップを設け、そこに薄いチップ状にした光通信用の光学フィルタを接着層で埋め込む方式が実用化され始めている。光の結合損失を減らす為にはこのギャップを出来るだけ狭くする必要があり、狭いギャップにこの光通信用の光学フィルタをセットする為に、光通信用光学フィルタの基板を出来るだけ薄くすることが要請されている。
【０００３】
しかしながら、従来、基板を薄くすると、ガラス基板の場合には基板の破壊の問題が発生したり、又、基板を薄くする技術に限界がある為に、光通信用の光学フィルタを充分に薄くできないという問題があった。
【０００４】
そこで、平面ガラス基板面上にアルミニウム薄膜を成膜し、このアルミニウム薄膜面上に多層膜をイオンプレーティング装置を用いて成膜し、その後、アルミニウム薄膜を溶解して除去し、多層膜をガラス基板から分離することにより、基板を持たない光学フィルタを作製することが提案されている。（例えば特許文献２）
又、溶媒に対して可溶性の担体に対して多層膜を成膜し、その後、担体を溶媒で溶解することにより、多層膜のみから成る自立多層膜素子を作製することが提案されている。（例えば特許文献３）
このような自立多層膜素子は厚みが数μｍ〜数十μｍと薄いので、光通信に於いて光ファイバの中途に設けられたギャップを狭くすることができ、その結果、光の結合損失を低減させることが出来る。
【０００５】
このようにして作製された、基板を持たない光学フィルタの光学特性は、使用環境の温度が変化したときに、無視できない大きさの波長シフトを生じていた。この波長シフトは光学フィルタの光学特性の変化の一つであり、光学特性を特徴付ける波長のシフトを意味する。この波長のシフトは、例えば、短波長透過フィルタ等のエッジフィルタでは例えばカットオフ波長のシフト、バンドパスフィルタでは例えば極大透過率を示す波長のシフトである。図８にバンドパスフィルタの場合の温度上昇による波長シフトの例を示す。このような波長シフトのある光学フィルタを光学装置に組み込んだ場合に所望の光学特性の安定性を得ることが出来ない。
【０００６】
従来、基板を持つ光学フィルタの場合には、多層膜の温度上昇による屈折率や膜厚の変動以外に、基板の熱膨張によるこの多層膜の体積歪みをも考慮して基板の線膨張係数を決定することによって、光学フィルタの温度上昇による波長シフトを略零にすることが提案されている。（例えば特許文献４）
【０００７】
【特許文献１】
特開平４−３２８５０２号公報
【特許文献２】
特開平３−１９６００１号公報
【特許文献３】
特開平３−２３３５０１号公報
【特許文献４】
特開平７−１９８９３５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献４による方法は、基板を持たない光学フィルタには適用できないという問題があった。
【０００９】
本発明は以上の課題を解決し、基板を持たなくても、光学フィルタ等の多層膜素子の、温度による波長シフト等の光学特性の変化を通常レベルよりも格段に小さくすることが出来る多層膜素子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】
以上の課題を解決する為に、本発明の第１の態様の多層膜素子は、隣接する膜間で屈折率が互いに異なるように複数の膜を積層した多層膜から構成された基板を持たない多層膜素子であって、前記多層膜の温度に対する分光特性変化を低減する為の補償膜が更に積層されている。
【００１１】
本発明の第２の態様の多層膜素子は、第１の態様の多層膜素子であって、前記補償膜を、前記多層膜の上面と下面とに具える。
【００１２】
本発明の第３の態様の多層膜素子は、第１又は第２の態様の多層膜素子であって、前記補償膜の線膨張係数が、前記多層膜を構成する膜の平均線膨張係数よりも大きい。
【００１３】
本発明の第４の態様の多層膜素子は、第１〜第３の何れかの態様の多層膜素子であって、前記補償膜が、酸化マグネシウムを成膜して成る膜である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［実施形態］
図１は本実施形態の多層膜素子４を示す断面図である。
【００１５】
図１にて、本実施形態の多層膜素子４は、多層膜１と、多層膜１の上面と下面とに積層された、温度に対する分光特性の波長シフトを補償する補償膜２とから構成され、基板を持たない。
【００１６】
本実施形態の多層膜素子４の多層膜１は、本実施形態の多層膜素子４の光学特性の大方を決定する層であり、複数の膜を、隣接する膜間で屈折率が互いに異なるように積層した多層膜であり、好ましくは高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に複数層積層して作製される。ここで言う高屈折率膜は低屈折率膜よりも屈折率が高い膜の意味であり、低屈折率膜は高屈折率膜よりも屈折率が低い屈折率の膜の意味である。高屈折率膜の物質としては、酸化ニオブ、酸化ネオジム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、酸化ハフニウム、酸化セリウム、酸化亜鉛、及び２種類以上の物質の混合物質、の物質群から選ばれた一つ以上が使用でき、又低屈折率膜の物質としては、酸化ケイ素、フッ化マグネシウム、フッ化アルミニウム、フッ化カルシウム、及び２種類以上の物質の混合物質、の物質群から選ばれた一つ以上が使用でき、使用波長に対して透明であれば特に物質に制限は無い。
【００１７】
本実施形態の多層膜素子４は、周知のコンピュータプログラムを用いることにより所望の光学特性を得る膜構成（層毎の屈折率や膜厚）を設計することが出来る。
【００１８】
本実施形態の多層膜素子４の補償膜２の線膨張係数は、多層膜１を構成する複数の膜の平均線膨張係数よりも大きくする必要がある。
【００１９】
補償膜２の膜材料としてはＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３を好ましく用いることができる。これらの膜はスパッタ等の真空蒸着法で成膜される。又、補償膜２の膜材料としてポリイミドも用いることが出来、ポリイミドの膜はスピンコート法又は真空蒸着重合法で成膜することができる。
【００２０】
又、本実施形態の多層膜素子４の補償膜２は、この補償膜２が多層膜１に付け加わることにより多層膜１の特性に大きな変化を与えないことが好ましく、その為に、補償膜２は、その膜厚が多層膜１を構成する膜よりも充分に厚い単層膜であることが好ましい。
［作用］
以下に図２を参照して本実施形態の多層膜素子４の温度補償の作用を順を追って説明する。
▲１▼温度が上昇すると、多層膜１を構成する膜は通常は膜面方向のみならず膜厚方向に伸びるので、膜厚は増加する。又、温度が上昇すると、多層膜１を構成する膜の屈折率は通常は増加する。その結果、多層膜素子４の光学特性に波長シフトを生じる。
【００２１】
今、多層膜１を構成する任意の膜の膜厚をｄ、屈折率をｎで表し、この温度上昇によって増加する膜厚の増加量をΔｄ、屈折率の増加量をΔｎとすると、この温度上昇によってこの膜の光学的膜厚はｎｄからｎｄ｛１＋（Δｄ／ｄ）＋（Δｎ／ｎ）｝に増加する。Δｄ／ｄとΔｎ／ｎは各々、任意の膜の光学的膜厚の温度上昇による相対的増加量の、膜厚の増加量による寄与分と屈折率の増加量による寄与分である。
【００２２】
これらΔｄ／ｄとΔｎ／ｎを、多層膜１を構成する複数の膜について各々平均したものを各々（Δｄ／ｄ）ＡＶと（Δｎ／ｎ）ＡＶとする。これら（Δｄ／ｄ）ＡＶと（Δｎ／ｎ）ＡＶは各々、多層膜１を構成する複数の膜について平均した値であって、温度上昇によって生じる光学的膜厚の相対的増加量への、膜厚の増加量による寄与分と屈折率の増加量による寄与分である。そうすると、多層膜１を構成する複数の膜の各々の平均的な光学的膜厚は、例えば、増加する前の光学的膜厚を１とすると、温度上昇によって変化した光学的膜厚の平均値は｛１＋（Δｄ／ｄ）ＡＶ＋（Δｎ／ｎ）ＡＶ｝に増加する。（Δｄ／ｄ）ＡＶ＋（Δｎ／ｎ）ＡＶは、多層膜１の温度上昇によって生じる、多層膜１を構成する複数の膜について平均した値であって、光学的膜厚の増加する割合を示し、又、多層膜１の波長シフトの量（通常は正）を示す。
▲２▼温度が上昇すると、▲１▼が生じると共に、補償膜２が熱膨張し、膜厚方向のみならず膜面方向に伸びる。
▲３▼補償膜２が熱膨張によって膜面方向に伸びる結果、多層膜１は上面と下面に於いて膜面方向に引っ張られるので、多層膜１全体が膜面方向に引っ張られる。尚、補償膜２が多層膜１を膜面方向に引っ張る力は、熱膨張による補償膜２の膜面方向への伸び量から多層膜１の膜面方向への伸び量を減じた相対的伸び量とほぼ比例した大きさである。この相対的伸び量が正でないと補償膜２の熱膨張時に、多層膜１全体を補償膜２に生ずる引っ張る力により膜面方向に伸ばすことができなくなるため、補償膜２の線膨張係数は多層膜１の平均線膨張係数よりも大きくなければならないのである。
▲４▼多層膜１が膜面方向に伸びる結果、多層膜１は力学の原理により膜厚方向に縮み、多層膜１を構成する複数の膜の各膜厚は減少する。多層膜１を構成する任意の膜（膜厚をｄとする）の膜厚の減少量をδ（正）で示すと、δ／ｄは、補償膜２の熱膨張によって生ずる任意の膜の膜厚の相対的減少量を表す。この膜厚の相対的減少量を多層膜１を構成する複数の膜について平均した平均相対的減少量を（δ／ｄ）ＡＶで示すと、多層膜１を構成する複数の膜の平均光学的膜厚は、屈折率変化が伴わないとすれば、相対的に１から｛１−（δ／ｄ）ＡＶ｝に減少する。この−（δ／ｄ）ＡＶと、補償膜の熱膨張効果によって多層膜１に生じる波長シフトの量（負）とは比例する。
▲５▼以上▲１▼〜▲４▼の過程の結果、多層膜１には▲１▼で生じる波長シフト量と▲４▼で生じる波長シフト量が合成された以下の量と比例して波長シフトが生じる。
（Δｄ／ｄ）ＡＶ＋（Δｎ／ｎ）ＡＶ−（δ／ｄ）ＡＶ
しかしながら、本実施形態の多層膜素子４各層の光学的膜厚変化は、熱膨張による正の光学的膜厚変化量を、補償膜２の熱膨張効果による負の光学的膜厚変化量によってほぼ相殺するように調整されている。
【００２３】
即ち、次式が成立するように調整されている。
（Δｄ／ｄ）ＡＶ＋（Δｎ／ｎ）ＡＶ−（δ／ｄ）ＡＶ≒０
即ち、
（Δｄ／ｄ）ＡＶ＋（Δｎ／ｎ）ＡＶ≒（δ／ｄ）ＡＶ・・・・・１式
従って、本実施形態の多層膜素子４は温度が上昇しても各層の光学的膜厚変化がほぼ生じない。故に、本実施形態の多層膜素子４は温度が上昇しても波長シフトをほぼ生じない様になっている。
【００２４】
以上、補償膜２の作用を、温度上昇の場合についてのみ説明したが、温度低下の場合についても符号を変えれば同様である。
【００２５】
尚、以上の▲１▼から▲５▼までの説明で変化量（Δｄ、Δｎ、δ）の２次以上の成分を無視している。
【００２６】
又、（Δｄ／ｄ）ＡＶ、（Δｎ／ｎ）ＡＶ、及び（δ／ｄ）ＡＶは、多層膜１を構成する各層について各層が波長シフトに与える影響度に応じて（Δｄ／ｄ）、（Δｎ／ｎ）、及び（δ／ｄ）の各々を加重平均することを意味している。実際にはこれらの量を単純平均しても大きな誤差を生じない。
【００２７】
本実施形態の多層膜素子４の設計に当たって、少なくとも以下の二つを配慮しなければならない。
【００２８】
第１は、補償膜２は温度上昇に伴って膜面方向に伸び、多層膜１を引っ張って引き延ばすが、多層膜１から反力を受けて充分に引き伸ばせられないことがある。この反力は補償膜２が多層膜１を引き延ばして膜厚を低減する働きを弱めるよう影響する。この多層膜１の反力による影響の程度は補償膜２の剛性に反比例する。多層膜１の反力の影響は、剛性が大きければ小さく、剛性が小さければ大きい。剛性を大きくする為には補償膜２の膜厚を大きくすることが有効である。
【００２９】
第２は、補償膜２を更に積層することによって多層膜１の光学特性が若干は変化することである。本実施形態の多層膜素子４の設計に当たってはこの変化をも考慮して多層膜素子４全体として設計しなければならない。
【００３０】
本実施形態の多層膜素子４の補償膜２は、図１に示すように多層膜１の上面と下面との２個所に対称型に設けると、熱膨張により、上下の補償膜２が、多層膜１を上方と下方とから面方向にバランス良く引っ張るので、多層膜素子４全体が撓むことが少ない。又、補償膜２を上面と下面との２個所に対称型に設けると、補償膜２の、一般的に膜内部に存在する膜応力によって生じる曲げモーメントが上面の補償膜２と下面の補償膜２との間で相殺することからも多層膜素子４が撓むことが少ない。その結果、この構成の多層膜素子４は取り扱いがし易く、又、斜め入射による光学特性の変化も少ない。
【００３１】
本実施形態では多層膜素子４の補償膜２を多層膜１の上下に２個所対称型に設ける他、上下に２個所異なる膜厚に設けても、上下に２個所異なる膜材料で設けても良い。又、本実施形態の多層膜素子４の補償膜２は、多層膜１の上又は下に１個所設けても、多層膜１の内部（積層の中途）に設けても良く、設ける位置、個所数には制限がない。
【００３２】
本実施形態の多層膜素子４の作製に当たっては、緻密な膜質の薄膜の成膜が可能なスパッタやイオンアシスト蒸着やイオンプレーティング等のイオンプロセスを用いることが好ましい。これらの方法で本実施形態の多層膜素子４を作製することによって、補償膜２が多層膜１に効果的に作用し、温度に対する波長シフト等の光学特性の変化が少ない高性能な多層膜１素子４を得ることができる。
【００３３】
本実施形態の多層膜素子４は、基板を持たない。この基板を持たない多層膜素子４は可溶性の基板面上に多層膜１及び補償膜２を成膜し、その後基板を溶解して作製しても良いし、ガラス基板面上にアルミニウム等の可溶性物質の薄膜を成膜し、その可溶性物質薄膜面上に多層膜１及び補償膜２を成膜し、その後可溶性物質薄膜を溶解して剥離することによって作製しても良い。
［実施例］
本実施例の多層膜素子は、図４にその分光特性を示すように、１２６０〜１３８０ｎｍの光を透過し、１４８０〜１６００ｎｍの光を反射する（即ち透過しない）いわゆる短波長透過フィルタ（エッジフィルタの一種）である。
【００３４】
本実施例の多層膜素子は、基板を持たないフィルタであり、入射媒質及び出射媒質として屈折率が１．４７の接着層の中に埋め込んで用いられる。
【００３５】
図３は、本実施例の多層膜素子の膜構成を示す。
【００３６】
以下に本実施例の多層膜素子４の作製方法を図７を参照して説明する。
（ａ）ガラス基板５を用意する。このガラス基板５は少なくとも膜形成面が研磨されている。
（ｂ）ガラス基板５面上にアルミニウム膜３を膜厚９０ｎｍ形成する。
（ｃ）次にアルミニウム膜３が形成されたガラス基板５を反応性スパッタ装置の真空槽内にセットする。ターゲットとガラス基板５との距離は約１２０ｍｍである。本実施例では１物質当たりに１００ｍｍ×３６０ｍｍの大きさの金属ターゲットを２枚使用するデュアルマグネトロンタイプの反応性スパッタ装置を用い、金属ターゲットをスパッタすることにより金属の酸化物膜を成膜する。デュアルマグネトロンタイプの反応性スパッタ装置については、特願２００２−３３６２８３に記されている。
【００３７】
この反応性スパッタ装置を６×１０−４Ｐａ以下に排気すると共にガラス基板５を２００℃に加熱する。
【００３８】
この後、以下の成膜条件で、図３の膜構成に従って、補償膜２としてＭｇＯ膜を、多層膜１としてＮｂ２Ｏ５膜とＳｉＯ２膜の交互層を以下のスパッタ条件で成膜して積層する。ガラス基板の回転速度は共通して１００ｒｐｍである。
ＭｇＯ膜：圧力が０．３Ｐａになるよう、容積比で２対１のＡｒガスとＯ２ガスとを導入しながら、Ｍｇターゲットをスパッタパワー３ＫＷでスパッタし、成膜速度約３Ａ／秒で成膜する。
Ｎｂ２Ｏ５膜：圧力が０．２Ｐａになるよう、容積比で２対１のＡｒガスとＯ２ガスとを導入しながら、Ｎｂターゲットをスパッタパワー３ＫＷでスパッタし、成膜速度約３．５Ａ／秒で成膜する。
ＳｉＯ２膜：圧力が０．２Ｐａになるよう、容積比で２対１のＡｒガスとＯ２ガスとを導入しながら、Ｓｉターゲットをスパッタパワー３ＫＷでスパッタし、成膜速度約５Ａ／秒で成膜する。
【００３９】
所定の層数の成膜が終了したら、ガラス基板５を冷却後、反応性スパッタ装置の真空槽内を大気圧に戻し、ガラス基板５を取り出す。
【００４０】
この後、所望の寸法の多層膜素子４を得る為に、ダイシングソーにより膜面にガラス基板の中にまで届く深さの切り込みを入れて膜を区分する。
（ｄ）ガラス基板５を１０重量％のＮａＯＨ水溶液に浸漬し、アルミニウム膜３を溶解し、多層膜１と補償膜２とから成る多層膜素子４をガラス基板５から剥離させる。
【００４１】
このようにして多層膜素子４が作製される。
【００４２】
本実施例の多層膜素子４の分光特性を室温（２３℃）と７０℃とで測定し、その分光特性の波長シフトから波長シフト量を計算したところ、
波長シフト量は３ｐｍ／℃と極めて小さかった。本実施例の多層膜素子４は、光通信用のフィルタとして安定的に好ましく使用することができる。
［比較例］
本比較例の多層膜素子は、実施例の多層膜素子とほぼ同じ分光特性を持つ、基板を持たない短波長透過フィルタであり、入射媒質及び出射媒質として屈折率が１．４７の接着層の中に埋め込んで用いられる。
【００４３】
図５は、本比較例の多層膜素子の膜構成、図６は本比較例の多層膜素子の分光特性を示す。本比較例の多層膜素子は、実施例との比較の為に、補償膜としてのＭｇＯ膜の代わりにこれと等厚のＳｉＯ２膜を同じ位置に設けた。
【００４４】
本比較例の多層膜素子の作製方法は、実施例の多層膜素子４の作製方法とは、図３ではなくて図５の膜構成に従い、ＭｇＯ膜ではなくてＳｉＯ２膜を成膜することを除いて同じである。
【００４５】
以上の条件で比較例の多層膜素子を作製する。
【００４６】
本比較例の多層膜素子４の分光特性を室温（２３℃）と７０℃とで測定し、その分光特性の波長シフトから波長シフト量を計算したところ、
波長シフト量は１５ｐｍ／℃と通常のレベルだった。本比較例の多層膜素子は、通常の光通信用のフィルタとしては使用できるものの、特に小さな波長シフトが要求される用途には安定性に問題があって使用できない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の多層膜素子は、多層膜の他に補償膜を具えており、この補償膜が多層膜の温度による分光特性変化を相殺するので、基板を持たない通常の多層膜素子よりも温度による分光特性の変化を格段に小さくすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の多層膜素子の構成を示す。
【図２】本実施形態の多層膜素子の作用を説明する。
【図３】実施例の多層膜素子の膜構成を示す。
【図４】実施例の多層膜素子の分光特性を示す。
【図５】比較例の多層膜素子の膜構成を示す。
【図６】比較例の多層膜素子の分光特性を示す。
【図７】実施例の多層膜素子の作製方法を示す。
【図８】多層膜素子の温度変化による波長シフトの例を示す。
【符号の説明】
１    多層膜
２    補償膜
３    アルミニウム膜
４    多層膜素子
５    ガラス基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005017638.tif 000009
【図８】
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