(57)【要約】  本発明誘電体多層膜を含んだ光学素子は、入射される光に対して透明な基板の一方の面上に誘電体多層膜を蒸着し、さらに、誘電体多層膜の表面上に応力緩和膜を蒸着して構成される。応力緩和膜は、光が通過し得る領域に開口部を有し、該開口部を取り囲む部分の下面が誘電体多層膜の表面に密着し、かつ、誘電体多層膜との界面で発生する応力の方向が基板と誘電体多層膜の界面で発生する応力の方向に一致するような材料からなる。これにより、応力緩和膜と誘電体多層膜の界面で発生する応力によって、基板と誘電体多層膜の界面で発生する応力の一部が打ち消され、応力による反りの発生が抑えられるようになる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射される光に対して透明な基板の一方の面上に蒸着された誘電体多層膜を含んだ光学素子において、
光が通過し得る領域に開口部を有し、該開口部を取り囲む部分の下面が前記誘電体多層膜の表面に密着し、かつ、前記誘電体多層膜との界面で発生する応力の方向が前記基板と前記誘電体多層膜の界面で発生する応力の方向に一致するような材料からなる応力緩和膜を備えたことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記開口部は、所定の位置を通過する光ビームのスポット領域よりも広い面積を有し、
前記応力緩和膜の厚さは、前記光ビームのスポット領域の外縁から前記開口部の内壁までの距離に比例して設定されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記応力緩和膜は、前記誘電体多層膜の表面上に蒸着されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記応力緩和膜は、二酸化ケイ素、五酸化タンタルおよび五酸化ニオブのうちのいずれか１つの材料を用いたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項５】
前記誘電体多層膜は、予め設定した波長帯域の光を透過する光学特性を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記誘電体多層膜は、予め設定した波長よりも長波長側の光を透過する光学特性を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項７】
前記誘電体多層膜は、予め設定した波長よりも短波長側の光を透過する光学特性を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項８】
前記基板の外形が角型であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項９】
前記基板の外形がディスク型であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項１０】
入射される光に対して透明な基板の一方の面上に蒸着された誘電体多層膜を含んだ光学素子の製造方法であって、
前記基板となるウェハ上に誘電体多層膜を蒸着する工程と、
該蒸着された誘電体多層膜の表面上に、前記光が通過し得る領域の位置に対応させてマスクパターンを形成する工程と、
該形成されたマスクパターンを介して、前記誘電体多層膜の表面上に、前記誘電体多層膜との界面で発生する応力の方向が前記基板と前記誘電体多層膜の界面で発生する応力の方向に一致するような材料からなる応力緩和膜を格子状に蒸着する工程と、
前記マスクパターンを除去する工程と、
前記応力緩和膜の格子中心線に沿って、前記ウェハ、前記誘電体多層膜および前記応力緩和膜を切断し、複数個の前記光学素子を得る工程と、
を含むことを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に用いられる光学素子に関し、特に、透明な基板上に蒸着された誘電体多層膜を含んだ光学素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に波長フィルタ等の用途で利用される従来の誘電体多層膜を含んだ光学素子は、例えば図８に示すように、入射光Ｌに対して透明なガラス等の材料を用いた基板１０１と、該基板１０１上に、二酸化チタン（ＴｉＯ２）や五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等の高屈折率材料からなる薄膜と二酸化ケイ素等の低屈折率材料からなる薄膜とを交互に蒸着した誘電体多層膜１０２と、を備えて構成される。誘電体多層膜１０２は、各薄膜の光学膜厚（薄膜の実際の厚み×薄膜の屈折率）が予め定めた設計波長の１／４となるように設計されており、数層から数百層の薄膜を積層したものが多い（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−３１４８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記のような従来の誘電体多層膜を含んだ光学素子では、例えば図９に示すように、基板１０１および誘電体多層膜１０２の熱膨張率の違いによって、基板１０１と誘電体多層膜１０２の界面に蒸着時から応力がかかることが通常あり、その応力の解放によって基板１０１および誘電体多層膜１０２が歪み、反りと呼ばれる変形が生じることがある。この光学素子の変形量は、誘電体多層膜１０２の層数が増加して充填密度が高くなる程、増加する傾向がある。【０００４】
近年、光通信の分野において、波長の異なる複数の光信号を短い波長間隔で配置した高密度波長分割多重（Dense Wavelength Division Multiplexing：ＤＷＤＭ）方式を適用した光伝送システムの研究・開発が進めされている。このＤＷＤＭ光伝送システムでは、例えば各波長の光信号の合分波等を行うために、透過波長特性が急峻に変化する光フィルタが求められる。このような急峻な透過特性を有する光フィルタは、上記図８に示した光学素子における誘電体多層膜１０２の層数を増加させることで実現可能になるが、前述した反りの影響が大きくなってしまう。例えば、７０層を超えるような誘電体多層膜１０２では、反りの発生による変形量が１／４波長と同程度となるため、フィルタ特性の劣化が問題になる。具体的には、上記のような反りの発生した状態では、厚さの異なる膜が積層された状態に相当するようになるため、透過特性の急峻性が低下して所望の波長光に対する損失が増加するようになる。【０００５】
上記のような反りの影響を低減するためには、例えば、誘電体多層膜１０２として充填密度の低い材料（軟らかい材料）を用いるか、または、基板１０１として例えば水晶等の硬い基板材料を用いるようにすればよい。しかしながら、充填密度の低い膜は湿気等の影響を受けやすく、耐環境性を考慮すると実用的とはいえない場合が多い。また、水晶等の基板材料は高価であるため、光学素子のコストを上昇させてしまうという欠点がある。【０００６】
本発明は上記の点に着目してなされたもので、基板と誘電体多層膜の界面における応力を緩和して反りの発生を抑え、所要の光学特性が安定して得られる低コストの光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するため本発明は、入射される光に対して透明な基板の一方の面上に蒸着された誘電体多層膜を含んだ光学素子において、光が通過し得る領域に開口部を有し、該開口部を取り囲む部分の下面が前記誘電体多層膜の表面に密着し、かつ、前記誘電体多層膜との界面で発生する応力の方向が前記基板と前記誘電体多層膜の界面で発生する応力の方向に一致するような材料からなる応力緩和膜を備えることを特徴とする。【０００８】
上記のような光学素子では、前述した従来の光学素子の誘電体多層膜の表面上に、開口部を有する応力緩和膜を密着させて設けることで、応力緩和膜と誘電体多層膜の界面で発生する応力により、基板と誘電体多層膜の界面で発生する応力の一部が打ち消され、応力による反りの発生が抑えられるようになる。
また、上記光学素子については、開口部が所定の位置を通過する光ビームのスポット領域よりも広い面積を有し、応力緩和膜の厚さが前記光ビームのスポット領域の外縁から前記開口部の内壁までの距離に比例して設定されるようにするのが好ましい。このような構成では、光学素子に対する光学系の設置のために開口部に余裕を持たせることが必要な場合でも、光ビームのスポット領域の外縁から前記開口部の内壁までの距離に比例させて応力緩和膜の厚さを設定することで、有効な応力緩和効果が得られるようになる。【０００９】
さらに、上記光学素子の応力緩和膜については、誘電体多層膜の表面上に蒸着されるようにしてもよい。これにより、一般的な絶縁膜等と同様な簡易な蒸着工程によって応力緩和膜を形成することが可能になる。
本発明の製造方法は、入射される光に対して透明な基板の一方の面上に蒸着された誘電体多層膜を含んだ光学素子の製造方法であって、前記基板となるウェハ上に誘電体多層膜を蒸着する工程と、該蒸着された誘電体多層膜の表面上に、前記光が通過し得る領域の位置に対応させてマスクパターンを形成する工程と、該形成されたマスクパターンを介して、前記誘電体多層膜の表面上に、前記誘電体多層膜との界面で発生する応力の方向が前記基板と前記誘電体多層膜の界面で発生する応力の方向に一致するような材料からなる応力緩和膜を格子状に蒸着する工程と、前記マスクパターンを除去する工程と、前記応力緩和膜の格子中心線に沿って、前記ウェハ、前記誘電体多層膜および前記応力緩和膜を切断し、複数個の前記光学素子を得る工程と、を含むことを特徴とする。【００１０】
上記のような製造方法によれば、前述したような本発明による光学素子が１枚のウェハから複数個容易に製造されるようになる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のような本発明の誘電体多層膜を含んだ光学素子によれば、誘電体多層膜の層数が増加しても応力緩和膜を設けることで応力による反りの発生を抑えることができるため、急峻なフィルタ特性を安定して得ることが可能になる。また、光ビームのスポット領域の外縁から開口部の内壁までの距離に比例させて応力緩和膜の厚さを決めるようにすることで、光学系の設置のために比較的広い余裕部分を確保する必要がある場合でも、応力による反りの発生を確実に抑えることができる。さらに、応力緩和膜を一般的な絶縁膜等と同様な蒸着工程により形成することで、光学素子を低コストで提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による光学素子の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の側方断面図である。
【図３】図１の上面図である。
【図４】上記の実施形態による光学素子の製造工程の一例を示す図である。
【図５】図４の製造工程において、ウェハ上に形成される誘電体多層膜および応力緩和膜の状態を例示した上面図である。
【図６】上記の実施形態に関連して開口部の形状を円形にした変形例を示す斜視図である。
【図７】上記の実施形態に関連して光学素子の外形をディスク型にした変形例を示す斜視図である。
【図８】従来の誘電体多層膜を含んだ光学素子の一例を示す斜視図である。
【図９】従来の光学素子における応力による反りの発生を説明するための図である。
【符号の説明】
【００１３】
１，１’，１”…光学素子
１１，１１’…基板
１２，１２’…誘電体多層膜
１３，１３’…応力緩和膜
１３Ａ，１３Ａ’…開口部
Ｌ…入射光
Ｔ…応力緩和膜の厚さ
Ｂ１，Ｂ２…界面
Ｓ…スポット領域
Ｄ…スポット領域の外縁から開口部の内壁までの距離
Ｗ…ウェハ
Ｍ…マスクパターン
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の誘電体多層膜を含んだ光学素子を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。
図１は、本発明の一実施形態による光学素子の構成を示す斜視図である。また、図２は、図１の側方断面図である。【００１５】
図１および図２において、本実施形態の光学素子１は、例えば、入射光Ｌに対して透明な材料からなる基板１１と、該基板１１の一方の面上に蒸着された誘電体多層膜１２と、該誘電体多層膜１２の基板１１とは反対側に位置する表面上に蒸着された応力緩和膜１３と、を備えて構成される。
基板１１および誘電体多層膜１２は、上述した従来の光学素子に用いられるものと同様である。ここでは、基板１１の具体例としてガラス基板を用いる。ただし、基板１１の材料はガラスに限定されるものではなく、入射光Ｌに対して透明な公知の材料を用いることが可能である。誘電体多層膜１２は、相対的に高い屈折率を有する材料（例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）等）からなる薄膜と、相対的に低い屈折率を有する材料（例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等）からなる薄膜とを、各々の光学膜厚が予め定めた設計波長の１／４となるように、交互に積層したものである。また、誘電体多層膜１２の層数は、透過（または反射）波長特性の急峻性などを考慮して設定される。誘電体多層膜１２の光学特性を適宜に設計することで、本光学素子１は、予め設定した波長帯域の光を透過するバンドパスフィルタ、予め設定した波長よりも長波長側の光を透過するロングウェーブパスフィルタ、または、予め設定した波長よりも短波長側の光を透過するショートウェーブパスフィルタとして機能するようになる。【００１６】
応力緩和膜１３は、入射光Ｌが通過し得る領域に例えば方形の開口部１３Ａを有し、該開口部１３Ａを取り囲む部分の下面が誘電体多層膜１２の表面に密着している。この応力緩和膜１３は、図２に示すように、誘電体多層膜１２との界面Ｂ２で発生する応力（白矢印）の方向が、基板１１と誘電体多層膜１２の界面Ｂ１で発生する応力（白矢印）の方向に一致するような材料を用いて形成されている。すなわち、界面Ｂ１で発生する応力が誘電体多層膜１２に対して引張り応力（または圧縮応力）である場合、界面Ｂ２で発生する応力も誘電体多層膜１２に対して引張り応力（または圧縮応力）となるように、応力緩和膜１３の材料が決められる。具体的な応力緩和膜１３の材料としては、誘電体多層膜１２との密着性（剥離し難さ）も考慮すると、前述したような基板１１および誘電体多層膜１２に対しては、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）等を使用することが可能である。また、応力緩和膜１３の厚さＴは、例えば図３の上面図に示すように、所定の位置に入射された光ビームのスポット領域Ｓの外縁から開口部１３Ａの内壁までの距離Ｄに比例させて設定されるものとする。【００１７】
なお、本発明における応力緩和膜の材料は上記の具体例に限定されるものではない。また、本発明の構成では光が応力緩和膜１３を通過することはないため、光の波長に対して不透明な材料を応力緩和膜１３に用いることも可能である。
ここで、基板１１と誘電体多層膜１２の界面Ｂ１で発生する応力による反りの発生が、上記のような応力緩和膜１３を設けることで抑えられるようになる原理について図２を参照しながら説明する。【００１８】
本光学素子１の応力緩和膜１３が形成された外周部分では、図２の白矢印に示すように、基板１１と誘電体多層膜１２の界面Ｂ１で発生する応力により基板１１を変形させようとする作用が、誘電体多層膜１２と応力緩和膜１３の界面Ｂ２で発生する同方向の応力によって打ち消されるようになる。これにより、開口部１３Ａに対応する中央部分では基板１１と誘電体多層膜１２の界面Ｂ１で発生する応力が残るものの、光学素子１全体としては上述の図９に示したような反りを生じさせる界面Ｂ１での応力の作用が緩和されるようになり、結果的に、光学特性に悪影響を及ぼす１／４波長レベルの反りの発生を抑えることが可能になる。【００１９】
上記のような原理に基づいて応力による反りの発生をより効果的に抑えるためには、入射される光ビームのスポット領域Ｓ（図３参照）のできるだけ近くまで応力緩和膜１３を設けることが望まれる。しかしながら、光学系の組み立て作業を考えた場合、スポット領域Ｓに対して開口部１３Ａをある程度広くして光学系を設置するための余裕部分を設けておくことが必要であり、この余裕部分が広くなれば、応力緩和膜１３によって得られる応力緩和効果は小さくなってしまう。そこで、本実施形態では、余裕部分の広さに応じて応力緩和膜１３を厚くすることにより応力緩和効果の増大を図るようにしている。このとき、問題となる応力による反りの程度としては１／４波長レベルの微小変形領域を考えればよいので、余裕部分に対応した界面Ｂ１で発生する応力を有効に緩和させるのに必要な応力緩和膜１３の厚さＴは、スポット領域Ｓの外縁から開口部１３Ａの内壁までの距離Ｄに比例すると考えることが可能である。すなわち、距離Ｄが２倍となるような設計を行うときには、応力緩和膜１３の厚さＴを２倍にすることによって、フィルタ特性に悪影響を及ぼすような応力による反りの発生を抑えることができるようになる。【００２０】
次に、上記のような光学素子１の製造方法について説明する。
図４は、光学素子１の製造工程の一例を示したものである。最初に、基板１１となるウェハＷを用意し（Ｓ１）、該ウェハＷの一方の面の全体に誘電体多層膜１２を蒸着する（Ｓ２）。次に、誘電体多層膜１２の表面上に、開口部１３Ａの位置に対応させてマスクパターンＭを形成した後（Ｓ３）、そのマスクパターンＭを介して応力緩和膜１３を格子状に蒸着し、さらに、マスクパターンＭを薬品を用いて除去する（Ｓ４）。【００２１】
なお、応力緩和膜１３の蒸着工程は、誘電体多層膜１２の蒸着工程のように１／４波長の光学膜厚を形成するために蒸着時間を高い精度で制御する必要はなく、一般的な絶縁膜等の蒸着工程と同様な簡易な蒸着工程により厚さＴ（例えば０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度）の応力緩和膜１３を形成することが可能である。
上記の各工程により、図５に示すように誘電体多層膜１２上に応力緩和膜１３が格子状に形成されたウェハＷが得られるので、それを図中の破線で示す格子中心線Ｃに沿ってダイシング・ソー等で切断する（Ｓ５）。これにより、１枚のウェハＷから複数の光学素子１を効率的に製造することができる。【００２２】
以上のように本実施形態の光学素子１によれば、誘電体多層膜１２の層数が増加しても応力緩和膜１３を設けることにより反りの発生を抑えることができるため、誘電体多層膜１２に充填密度の低い（軟らかい）材料を用いることなく、急峻なフィルタ特性を安定して得ることが可能になる。また、絶縁膜等と同様な簡易な蒸着工程により応力緩和膜１３を形成することができ、基板材料として高価な水晶基板等を用いる必要も特にないため、光学素子１を低コストで提供することが可能である。さらに、光ビームのスポット領域Ｓの外縁から開口部１３Ａの内壁までの距離Ｄに比例させて応力緩和膜１３の厚さを決めることで、光学系の設置のために比較的広い余裕部分を確保する必要がある場合でも、応力による反りの発生を確実に抑えることができるようになる。【００２３】
なお、上述した実施形態では、開口部１３Ａの形状を方形とする一例を示したが、本発明はこれに限らず、例えば図６の光学素子１’に示すように円形の開口部１３Ａ’を形成するようにしてもよい。また、光学素子の外形についても角型に限らず、例えば図７の光学素子１”に示すように基板１１’、誘電体多層膜１２’および応力緩和膜１３’の各外形をディスク型（円形）としても構わない。角型の場合は、ウェハからの切り出しをダイシング・ソーだけで行うことができるため生産性に優れているという利点があり、ディスク型の場合は、応力が均質化するという利点がある。
【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】
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【図８】
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【図９】
2007004296.tif 000010
【国際調査報告】
2007004296.tif 000011
2007004296.tif 000012
2007004296.tif 000013
2007004296.tif 000014