(57)【要約】【課題】耐熱性に優れ、屈折率の高い球状屈折率分布型レンズ及びそれを用いた光結合装置を提供する。【解決手段】フォトブリーチング用ポリマ材料で透明な球状レンズを形成し、その球状レンズに、紫外線照射により球体レンズの外周１２から中心１１に向かって屈折率が高くなる屈折率分布１３を形成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトブリーチング用ポリマ材料で透明な球状レンズを形成し、その球状レンズに、紫外線照射により球状レンズの外周から中心に向かって屈折率が高くなる屈折率分布を形成したことを特徴とする球状屈折率分布型レンズ。
【請求項２】
上記中心の屈折率と上記外周の屈折率とが略連続的な勾配を有する請求項１記載の球状屈折率分布型レンズ。
【請求項３】
上記フォトブリーチング用ポリマ材料は、ポリシラン、ポリシランにシリコーンを添加した材料、或いはニトロン化合物含有シリコーン樹脂のいずれかである請求項１または２に記載の球状屈折率分布型レンズ。
【請求項４】
上記フォトブリーチング用ポリマ材料でロッドを形成し、１５０〜３００℃で加熱しながら上記球状レンズを形成した請求項１〜３いずれかに記載の球状屈折率分布型レンズ。
【請求項５】
請求項１〜４いずれかに記載の球状屈折率分布型レンズを用いたことを特徴とする光結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状レンズに係り、特に、屈折率分布構造を有する球状屈折率分布型レンズ及びそれを用いた光結合装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、屈折率分布型レンズとして、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示される円柱状のガラスやプラスチックで実現したものが用いられている。図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、屈折率分布型レンズ７０は円柱状に形成され、図７（ｃ）に示すように、縦断面（径方向）の屈折率分布７１は、中心部が最も高く、外周に近づくにつれて低くなる分布となっている。ガラス材料を用いて形成された屈折率分布型レンズ７０として、例えば、日本板硝子製のセルホックレンズ（登録商標）、東洋ガラス製のＧＲＩＮレンズが製品化されている。また、プラスチック材料を用いて形成されたものとして、オリンパス光学工業から共重合体からなる材料を用いた屈折率分布型レンズ、小池康博氏の重合法によるレンズ作製方法が特許出願されている。
【０００３】
図８は、円柱状の屈折率分布型レンズ７０を用いた光結合装置８０を示す図である。図８に示すように、光結合装置８０は、コア８２とクラッド８３とからなる光ファイバ８１の先端８４に屈折率分布型レンズ７０を結合させ、コア８２からの光信号を屈折率分布型レンズ７０内で徐々に拡径させて伝搬させ、屈折率分布型レンズ７０の端面８５で平行光に変換されたビームＢとなって出力するようにしたものである。
【０００４】
また、光導波路の作製やバイオ分野においてフォトブリーチング技術が用いられている。フォトブリーチング技術は、フォトブリーチング用の材料に紫外線を照射すると、紫外線照射された箇所の屈折率が下がる現象を利用したものである。
【０００５】
図９は、フォトブリーチング用ポリマ材料を用いて形成した光導波路を示す断面図である。図９に示すように、光導波路９０は、基板９１の上に低屈折率ｎｂの下部クラッド層９２が設けられ、その下部クラッド層９２の上にフォトブリーチング用ポリマ材料で形成された高屈折率ｎｐ（ｎｐ＞ｎｂ）のコア層９３が設けられ、コア層９３の両側面に低屈折率ｎｓ（ｎｓ＜ｎｐ）の側面クラッド層９４ａ，９４ｂが設けられ、コア層９３及び側面クラッド層９４ａ，９４ｂ上に低屈折率ｎｂの上部クラッド層９５が設けられてなる。
【０００６】
光導波路９０の製造方法を図１０（ａ）〜図１０（ｄ）に基づいて説明する。図１０（ａ）に示すように、基板９１上に低屈折率の下部クラッド層９２を形成し、その上に屈折率ｎｐのフォトブリーチング用ポリマ材料からなるフォトブリーチング用ポリマ層９６を形成する。これらの層は、通常、ポリマ溶液をスピンコーティングによって塗布し、その後で加熱することにより得られている。図１０（ｂ）に示すように、フォトブリーチング用ポリマ層９６の上にフォトマスク９７を置き、そのフォトマスク９７の上から紫外線ＵＶを照射する。ここで、フォトマスク９７は紫外線ＵＶを透過させる領域の中に紫外線を透過させないコア層用のパターン９８が形成されている。紫外線ＵＶをフォトマスク９７を介してフォトブリーチング用ポリマ層９６に照射することにより、図１０（ｃ）に示すように、紫外線の照射された領域は、屈折率ｎｐからｎｓに低下し、側面クラッド層９４ａ，９４ｂを形成する。他方、紫外線の照射されなかった領域は、屈折率ｎｐがそのまま保持されて光信号が伝搬するコア層９３を形成する。最後に図１０（ｄ）に示すように、コア層９３及び側面クラッド層９４ａ，９４ｂ上に低屈折率ｎｂの上部クラッド層９５を形成することで光導波路９０が得られる。
【０００７】
なお、本発明に係る屈折率分布型レンズの先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００８】
【特許文献１】特開平６−３５０８号公報
【特許文献２】実開平５−２７７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の屈折率分布型レンズには次のような課題があった。
（１）円柱状の屈折率分布型レンズは製造方法が複雑であるために高価である。
（２）円柱状の屈折率分布型レンズの軸方向及び径方向の屈折率分布の制御が難しい。
（３）屈折率が高い屈折率分布型レンズは形成しにくく、また、中心部と外周部との屈折率差Δを大きく形成することができない。
（４）プラスチックの屈折率分布型レンズはガラスよりも安価に作製でき、屈折率の大きいものはあるが、プラスチックのレンズは耐熱性に問題がある。
（５）フォトブリーチング用ポリマ材料は耐熱性に優れており、光導波路用として有望であるが、今までの用途は有機溶剤の溶かした溶液を塗布する技術しか開発されておらず、フィルム状に形成した部品用にしか用いられていなかった。
（６）球状屈折率分布型レンズの考えはあったが、具体的に作られたものはなく、また、比屈折率差Δを大きくとれるような構造は見出されていなかった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、耐熱性に優れ、比屈折率差Δの高い球状屈折率分布型レンズ及びそれを用いた光結合装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、フォトブリーチング用ポリマ材料で透明な球状レンズを形成し、その球状レンズに、紫外線照射により球状レンズの外周から中心に向かって屈折率が高くなる屈折率分布を形成した球状屈折率分布型レンズである。
【００１２】
請求項２の発明は、上記中心の屈折率と上記外周の屈折率とが略連続的な勾配を有する請求項１記載の球状屈折率分布型レンズである。
【００１３】
請求項３の発明は、上記フォトブリーチング用ポリマ材料は、ポリシラン、ポリシランにシリコーンを添加した材料、或いはニトロン化合物含有シリコーン樹脂のいずれかである請求項１または２に記載の球状屈折率分布型レンズである。
【００１４】
請求項４の発明は、上記フォトブリーチング用ポリマ材料でロッドを形成し、１５０〜３００℃で加熱しながら上記球状レンズを形成した請求項１〜３いずれかに記載の球状屈折率分布型レンズである。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１〜４いずれかに記載の球状屈折率分布型レンズを用いた光結合装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、耐熱性に優れ、比屈折率差Δを高くすることができるという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１は本発明に係る球状屈折率分布型レンズの第１の好適な実施の形態を示した図である。
【００１９】
図１に示すように、球状屈折率分布型レンズ１０は、フォトブリーチング用ポリマ材料で透明な球状レンズを形成し、その球状レンズに、紫外線照射により球状レンズの外周部１２から中心部１１に向かって屈折率が高くなるように屈折率分布１３を形成したものである。
【００２０】
球状屈折率分布型レンズ１０の屈折率分布１３は、中心部１１の屈折率と外周部１２の屈折率とが略連続的な勾配を有する。具体的には、球状屈折率分布型レンズ１０は、中心部１１から外周部１２に向かって屈折率が放物線分布に近い分布で低下した屈折率分布を有する。図示上、球の中心を通る軸上の屈折率分布を２方向で示しているが、球状屈折率分布型レンズ１０の中心を通る屈折率分布はいずれも図示される分布形状となる。
【００２１】
球体レンズを形成するフォトブリーチング用ポリマ材料は、ポリシランのみでもよく、シリコーンが添加されたポリシランでもよく、或いは、ニトロン化合物含有シリコーン樹脂でもよい。ポリシランに添加されるシリコーン化合物の添加量は、１０ｗｔ％から７０ｗｔ％の範囲で適宜選択するのがよい。シリコーン樹脂に添加するニトロン化合物の添加量は１０ｗｔ％から５０ｗｔ％の範囲で適宜選択するのがよい。
【００２２】
ポリシランに添加するシリコーン化合物としては、以下の化１式で表されるものが用いられる。
【００２３】
【化１】
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【００２４】
但し、化１式中、Ｒ１からＲ１２は、炭素数１〜１０のハロゲンまたはグリシジルオキシ基で置換されていてもよい脂肪族炭化水素基、炭素数６〜１２の芳香族炭化水素基、炭素数１〜８のアルコキシ基からなる群より選択される基であり、同一でも異なっていてもよい。また、ａ、ｂ、ｃ及びｄは０を含む整数であり、以下の式（１）を満たすものである。
【００２５】
ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ≧１                  （１）
このシリコーン化合物が有する、脂肪族炭化水素基の具体例として、メチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、トリフルオロプロピル基、グリシジルオキシプロピル基等の循環式のものが挙げられる。また、アルコキシル基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、オクチルオキシ基、ｔｅｒ−ブトキシ基等が挙げられる。化１式のＲ１からＲ１２の種類及びａ，ｂ，ｃ，ｄの値は特に重要ではなく、ポリシラン及び有機溶媒と相溶し、膜が透明なものであれば特に限定されない。相溶性を考慮したい場合には、使用するポリシランが有する炭化水素基と同じ基を有していることが好ましい。例えば、ポリシランとして、フェニルメチル系のものを使用する場合には、同じフェニルメチル系またはジフェニル系のシリコーン化合物を用いるのが好ましい。また、Ｒ１からＲ１２のうち、少なくとも二つが炭素数１〜８のアルコキシ系であるような、１分子中にアルコキシ基を二つ以上有するシリコーン化合物は、架橋剤として利用可能である。そのようなものとしてはアルコキシ基を１５〜３５重量％含んだメチルフェニルメトキシシリコーンやフェニルメトキシシリコーン等を挙げることができる。分子量としては１００００以下がよく、特に３０００以下のものが好ましい。
【００２６】
このようなシリコーン化合物として、例えば、信越化学工業社、東芝シリコーン社或いはダウコーニング社から市販されているものを用いるとよい。具体的な製品としては、信越化学工業社製の変性用シリコーン（ＫＲ−２１３、ＫＲ−２１７）、分子末端にメトキシ基を有する東芝シリコーン社製のシリコーンワニス（ＴＳＲ−１６５）等が挙げられる。
【００２７】
球状屈折率分布型レンズ１０の直径は１ｍｍから１０数ｍｍの範囲内であるのが好ましい。本実施の形態では直径を５ｍｍとした。
【００２８】
次に球状屈折率分布型レンズの作製方法を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００２９】
まず、フォトブリーチング用ポリマ材料であるポリシラン化合物の粉末を固めて加熱処理によりロッドを形成する（ステップＳ１）。
【００３０】
次に、ロッドを温度制御された金型の中に入れる。金型は、二つの半球状の中空容器からなり、この二つの半球状の中空容器内にロッドを挿入する。ロッドを挿入した後、所定温度に加熱しながら二つの半球状中空容器の外側から圧力を加えて中空容器内に閉じ込めてロッドを球状レンズ（フォトブリーチング球）に成形する。フォトブリーチング球に成形するときの加熱温度は１５０〜３００℃であるのが好ましい。その後、フォトブリーチング球を冷却し、金型から取り出す（ステップＳ２）。
【００３１】
次に、紫外線を透過する球形容器内にフォトブリーチング球を入れ、この容器を３６０°の方向に自在に回転させながら球の真円度を向上させる（ステップＳ３）。
【００３２】
球形容器の外側には球形容器に向けて紫外線を照射する紫外線ランプを設け、球形容器を回転させると共に、球形容器の外周から紫外線を所望パワに保ちつつ所望時間照射してフォトブリーチング球にフォトブリーチングを施す。このとき、球体レンズの外周部１１から照射される紫外線照射を中心部１２まで紫外線のエネルギーが到達するように、照射時間と照射エネルギーとを調節している。本実施の形態では、照射パワを一定とし、照射時間を調節した。
【００３３】
これにより、球の外周部ほど紫外線が強く照射され、球の内部は紫外線が弱く照射されるので、球の中心部１１から外周部１２に向けて図１に示した屈折率分布１３のような屈折率の低下が起こり、球状屈折率分布型レンズ１０が得られる（ステップＳ４）。
【００３４】
球状レンズの外周から紫外線を一定パワ、一定照射時間に保って照射して形成した球状屈折率分布型レンズ１０の屈折率変化特性の測定例を示す。
【００３５】
図３に示すグラフは、フォトブリーチング用ポリマ材料としてポリシランにシリコーン化合物を２０ｗｔ％添加したものを用い、直径約５ｍｍの球状レンズを形成し、その球状レンズに、紫外線を２０００ｍＪのパワで４０分照射して作製した屈折率分布型レンズの屈折率特性を示したものである。ただし、図５の各屈折率特性線３１，３２，３３は、それぞれ球状レンズを２００℃、２５０℃、３００℃の加熱温度にて作製した球状屈折率分布型レンズの屈折率特性を示したものである。
【００３６】
図３に示すように、加熱温度が２００℃の時、中心部１１の屈折率が最も高く、加熱温度が高くなるにつれて中心部１１の屈折率が小さい。また、外周部１２の屈折率は、いずれの加熱温度の場合でも略同じである。
【００３７】
本実施の形態の球状屈折率分布型レンズ１０では、中心部１１と外周部１２との比屈折率差Δが、約５％（加熱温度２００℃時）と大きな値を得ることができた。しかも、図３からわかるように、球状レンズ成形時の加熱温度によって、屈折率とその屈折率分布を制御することができる。
【００３８】
本実施の形態の球状屈折率分布型レンズは、その直径を５ｍｍに形成したものであるが、例えば、直径が２ｍｍの小さい球状レンズを形成する場合、紫外線の照射時間は３０分とする。逆に、球の直径を大きくする場合は、紫外線照射時間を長くする必要がある。すなわち、照射エネルギーを大きくする必要がある。
【００３９】
次に、フォトブリーチング用ポリマ材料と屈折率分布との関係について説明する。図４は、フォトブリーチング用ポリマ材料としてニトロン化合物含有シリコーン樹脂を用いて形成した球状屈折率分布型レンズの屈折率特性を示したものである。屈折率特性線４１，４２は、シリコーン樹脂にニトロン化合物４０ｗｔ％添加したものと２０ｗｔ％添加したものについてそれぞれ１５０℃で熱処理して球状レンズを作製し、図３で説明した条件で紫外線を照射して作製した球状屈折率分布型レンズの屈折率特性である。
【００４０】
図４に示すように、この屈折率特性線４１，４２によれば、ニトロン化合物の添加量で屈折率を決定することができ、球状レンズの屈折率分布も制御することができる。
【００４１】
本実施の形態の球状屈折率分布型レンズによれば、以下の効果を期待することができる。
（ｉ）耐熱性に優れ、かつ高屈折率の球状屈折率分布型レンズを実現することができる。
（ｉｉ）高屈折率で、かつ屈折率分布の勾配（比屈折率差）を大きく形成することができる。したがって、半導体レーザの出射光を効率良く閉じ込めたりすることができ、また、光部品（光ファイバ、導波路型光部品等）への結合を容易にすることができる。
（ｉｉｉ）１５０〜３００℃の間で加熱処理することによりガラスと同程度の透過特性を実現することができる。また、熱処理温度で屈折率及びその屈折率分布を調節することができるので、種々の用途に適用することができる。
（ｉｖ）球状レンズを形成した後に、紫外線を球状レンズの外周から照射するだけの簡単なプロセスで、対称な屈折率分布を有する球状屈折率分布型レンズを形成することができ、しかも低コスト化が期待できる。
（ｖ）紫外線照射量の調節、及びフォトブリーチング用ポリマ材料の選択により、屈折率分布を制御することができる。
【００４２】
以上、本実施の形態では、球状屈折率分布型レンズについて説明してきたが、本発明は、球状屈折率分布型レンズを用いた光結合装置も含まれる。光結合装置とは、光デバイス（光伝送路、発光素子、受光素子、光制御素子、光演算素子或いは光記憶素子等）と、球状屈折率分布型レンズとを備え、光デバイス間、或いは光デバイスと外部機器との間で球状屈折率分布型レンズを介して光信号を結合させた装置である。
【００４３】
次に第２の実施の形態の球状屈折率分布型レンズについて図５に基づき説明する。
【００４４】
図５に示すように、本実施の形態の球状屈折率分布型レンズ５０は、球の中心５１から半径ａ／２の領域が略平坦（屈折率が中心と略同じ）で、そこから外周５２に向けて屈折率をなだらかに低下させた屈折率分布５３を有する。球状屈折率分布型レンズ５０は、図１の球状屈折率分布型レンズ１０と基本的に同じ作製方法で作製されるが、球状レンズの外周からの紫外線照射時間を図１の球状屈折率分布型レンズ１０の作製時と比べて短くすることにより、平坦部を有する屈折率分布５３の形成を実現している。
【００４５】
次に、第３の実施の形態について図６に基づき説明する。
【００４６】
図６に示すように、本実施の形態の球状屈折率分布型レンズ６０は、球の外周６２から中心部６１に向けて略直線的な勾配で屈折率を高くした屈折率分布６３を有する。球状屈折率分布型レンズ６０は、図１の球状屈折率分布型レンズ１０と基本的に同じ作製方法で作製されるが、フォトブリーチング球を加熱する温度を２００℃の低温に保持することにより、中心部６１の屈折率ｎｃと外周部６２の屈折率ｎ０の比屈折率差Δを約６％と大きく形成したものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る好適な第１の実施の形態の球状屈折率分布型レンズを示す図である。
【図２】図１の球状屈折率分布型レンズの製造方法を示すフローチャートである。
【図３】球状屈折率分布型レンズの屈折率分布の詳細を示す図である。
【図４】球状屈折率分布型レンズの屈折率分布の詳細を示す図である。
【図５】好適な第２の実施の形態の球状屈折率分布型レンズを示す図である。
【図６】好適な第３の実施の形態の球状屈折率分布型レンズを示す図である。
【図７】従来の円柱状の屈折率分布型レンズを示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は径方向の屈折率分布を示す図である。
【図８】図７の屈折率分布型レンズを用いた光結合装置を示す平面図である。
【図９】フォトブリーチング用ポリマ材料を用いた光導波路を示す断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、図９の光導波路の製造方法の各工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  球状屈折率分布型レンズ
１１  中心部
１２  外周部
１３  屈折率分布
【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】
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【図１０】
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