CN107111008A - 光学元件以及光学元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供在使单一光源波长透过的用途中使用、能够确保高的光利用效率且相对于外部环境稳定的光学元件以及光学元件的制造方法。通过以相对于温度变化的折射率变化量(dn/dT)之差是10.5×10‑5以下的方式适当地选定玻璃填料与树脂，能够相对于使用该原材料而形成的光学元件中的常温时的峰值波长，将温度上升时的峰值波长的偏移量抑制得小，因此能够抑制透过率的降低。

Description

光学元件以及光学元件的制造方法
技术领域
本发明涉及例如适合在光通信等中使用的光学元件以及光学元件的制造方法。
背景技术
在包含路由器等网络装置、服务器、大型计算机的各种信息/信号处理装置中，信息/信号处理的大规模化、高速化在不断进步。在这些装置中，电路基板(板：board)中的CPU以及存储器相互间、布线基板相互间、装置(架)相互间等的信号传送在以往通过电布线来进行。但是，从传送速度、传送容量、消耗电力、来自传送路径的辐射、电磁波对传送路径的干扰等观点的优势出发，代替上述的电布线，而将光纤等作为传送路径来通过光传送信号的所谓光互连实际上开始被引入。
在这样的光互连中，包含将电信号变换为光信号并发送光信号的发光元件的光发送模块、以及包括接收光信号并变换为电信号的受光元件的光接收模块、或者具有它们双方的功能的光收发模块作为主要的光部件而被使用。将这些模块统称为光模块。
在光模块间，通过使用传送信道并行地传送光信号，能够实现大容量的通信。作为传送信道，为了在光模块间并行地进行光信号的发送/接收，大多使用光纤。因此，为了光纤与光模块间的光耦合，通常使用光耦合装置。
然而，由于光纤基本上具有挠性，所以被允许某种程度的弯曲、松弛，但在一般的光纤中为了确保光的传送效率而规定了被允许的弯曲的最小径。因此，在因设置空间的限制等而要求最小径以下的弯曲的情况下，使用在切断了光纤的基础上将在被切断的光纤间传递的光束的光路折弯而进行光耦合的光耦合装置，有时作为整体会实现更高效的收纳、提高光的传送效率。使用这样的光耦合装置的优点并不局限于光纤彼此，在发光元件和光纤或者光纤与受光元件之间的光耦合中也同样能产生。这里，将发光元件、光源、受光元件等统称为光元件。
为了进行光元件间的光耦合，有时在光耦合装置使用具有将光路折弯的构造的光连接器。作为这样的光连接器，在连接器内部使光轴变更90°的PT光连接器(以JPCA-PE03-01-06S进行标准化)等被实用化。PT光连接器是将多芯光纤带芯线等多芯光纤与可挠性布线基板上的光元件光耦合的基板安装型的光连接器。
另一方面，近年来光通信信息量不断地增加，并且渴望信息的长距离/高速传送。但是，在以往所使用的多模光纤的情况下，作为光纤的纤芯直径采用50μm/62.5μm，由于以多个模式来传送光信号，所以存在信号的到达时间产生偏差，发生模式分散这一问题。因此，由于因模式分散而产生数据损失，所以不合适长距离/高速传送。
与此相对，单模光纤是模场直径为9.2μm的极细径的光纤，具有通过将光信号的传播设为一个模式，能够极力抑制衰减这一优点。因此，与多模光纤那样使用多个模式的传送方法不同，由于信号的到达时间单一，所以不产生模式损失而适合于长距离/高速传送，因此使用单模光纤的机会变多。
然而，作为使用单模光纤时的课题之一，存在由于其模场直径小至9.2μm，所以在使用光连接器将光纤与光元件光耦合时，位置偏移的允许度小、即组装的困难性高这一情况。尤其成为问题的是使用单一的光连接器对能经由多个纤芯独立地传送信息的多芯光纤与多个光元件进行光耦合的情况。这样的用途所使用的光连接器一般具有多个用于使各个光纤和光元件传播光的透镜面，但在由树脂形成该光连接器时，例如由于因环境温度变化引起的热膨胀，会使光纤的芯间距离、和透镜面彼此的间隔产生偏差，由此存在不能在一部分的光纤与光元件之间进行光耦合的担忧。另一方面，为了抑制信息传送时的光损失，光连接器需要确保某种程度高的透明度(透过率)。
针对上述问题，若使用玻璃作为光连接器的原材料，则由于具有高的透明度并且热膨胀差与光纤接近，所以能够抑制光纤的芯间距离、和透镜面彼此的间隔的偏差。但是，玻璃与树脂相比成形性较差，因此存在不适合于大量生产，导致成本增大这一问题。
与此相对，存在如专利文献1、2所示那样，通过向树脂混入玻璃填料，利用与玻璃的特性接近的原材料来成形光学元件的尝试。
专利文献1:日本特开2006-312706号公报
专利文献2:日本特开2006-169324号公报
根据专利文献1、2，公开了通过向树脂混入玻璃填料来提高机械强度，进而通过使折射率与玻璃接近而确保树脂的透明度的技术。然而，上述的现有技术所公开的原材料例如是用电设备、电子设备的显示部的盖、汽车、建材所使用的板玻璃的代替品那样的、要求透明性以及强度双方物性的成形品用途所使用的材料，在现有技术中没有言及因透过光通信等所使用的单一光源波长的光而产生的课题。
发明内容
本发明正是鉴于上述问题而做出的，其目的在于，提供一种在使单一光源波长透过的用途中使用、能够确保高的光利用效率且相对于外部环境稳定的光学元件以及光学元件的制造方法。
为了实现上述目的中的至少一个，反映了本发明的一个侧面的光学元件是使从具有单一光源波长的光源射出的光束透过的光学元件，其特征在于，
上述光学元件由混合了树脂与玻璃填料的原材料形成，至少在上述光源波长附近，上述树脂与上述玻璃填料的相对于温度变化的折射率变化量(dn/dT)之差是10.5×10-5以下。
以下，对本发明的一个方式中的原理进行说明。本发明人们在预先研究中，设想为通过将树脂原材料与玻璃填料进行混合，由此相对于波长透过率发生变化，产生透过率最高的波长(称为峰值波长)，但其与混入量无关是不变的。另一方面，在光通信等所使用的光学元件的情况下，由于光源波长被预先决定，所以可以说没必要在所有波段确保透过率。因此，在单一光源波长用的光学元件的设计中，例如为了对线膨胀系数进行调整，而决定了使用适当混入了玻璃填料的树脂原材料这一方针。但是，明确了在混入了玻璃填料的树脂原材料中，产生在温度变化时透过率变化这一现象。对该现象具体地进行说明。以下，在本说明书中，没有特别规定而称为“折射率”时是指常温时(25℃)的折射率。此外，由于只要树脂原材料与玻璃填料混合即可所以使用“混合”这一表现，但通常由于向树脂原材料中混入玻璃填料来进行成形，所以在本说明中使用“混入”这一表现来进行说明。
图1是表示将纵轴设为透过率、横轴设为波长，针对由混入了30wt％玻璃填料的树脂构成的厚度3mm的试验片，一边使周围温度变化，一边使分别改变了波长的透过光透过，从而对每个波长的透过率进行调查的结果的图。根据图1可知，成形品的周围温度越上升则峰值波长越向短波长侧偏移，并且所设想的峰值波长(此时是589nm)中的透过率越减少。另一方面，在预先研究中，未设想在基于光学元件的设计式样的树脂原材料中产生该现象。
本发明人们对在设计式样与实际的树脂原材料之间，产生了光学特性的差异的原因进行了考察。图2是对混入了玻璃填料的树脂进行放大观察的示意图。在树脂PL内多数的玻璃填料GF的棒状体片以重叠的方式被配置。这里，若考虑混入了玻璃填料的树脂的成形工序，则首先混入了玻璃填料的树脂被加热至300℃前后，在注射模塑到被加热到120℃前后的模具内并固化之后，被放置为20℃前后的室温。根据这样放置了树脂的温度环境进行冷却，但此时由于混入的玻璃填料的束缚，处于其周围的树脂的收缩被阻碍，推断为树脂密度产生偏差。具体而言，推断为例如在树脂成形品的内部玻璃填料的束缚强而密度变疏，另一方面，在接近树脂成形品的表面的部位玻璃填料的束缚弱而密度变密。既然如此，由于玻璃填料本身几乎不变性，所以可认为若与树脂相比则折射率变化小，与此相对，树脂根据密度而折射率局部发生变化。另外，在设计式样中，假定为与场所无关树脂本身的折射率是恒定的。
图3是表示将纵轴设为折射率、将横轴设为波长的图。本发明人们假定为树脂PL以及玻璃填料GF的本来的折射率/波长特性是以限定于(例如光源波长±100nm等)狭窄的波段为条件，都随着透过光的波长λ变高而折射率n变低那样的线性特性。但是，由于实际上推断为因混入玻璃填料GF而树脂PL的折射率局部地发生变化，所以可认为树脂PL的折射率/波长特性成为如图3中阴影线所示那样在规定的范围内散乱的宽带状的区域PCr。因此，推断为常温时的峰值波长是在带状的区域PCr中由最多分布的密度量构成的折射率特性PCc与由虚线所示的玻璃填料GF的折射率/波长特性线GC交叉的点PK1的位置。
另外，由于在成形品内部的折射率分布比较大的之中，嵌有玻璃填料GF，所以透过各个玻璃填料的波长不同，作为其结果，推断为成为使整体的透过率下降的一个重要因素。
与此相对，在温度上升时，树脂PL的密度与玻璃填料GF的密度分别变化。因此，可认为树脂PL的折射率/波长特性如图3所示，成为在规定的范围散乱的状态下向短波长侧偏移的带状的区域PCrt。另外，由于伴随着温度上升玻璃填料GF的密度也稍许下降，所以与此对应折射率也降低，如图3中实线所示那样偏移。因此，推断为温度上升时的峰值波长成为在树脂PL的带状的区域PCrt中由最多分布的密度量构成的折射率特性PCct与玻璃填料GF的折射率/波长特性线GCt交叉的点PK2的位置。
图4是示意性地表示将纵轴设为透过率、将横轴设为波长，混入了玻璃填料的树脂的常温时(A)与温度上升时(B)的特性的图。虽然均产生透过率分布，但这里设为以峰值波长为中心的高斯分布。可知在参照图3如上述那样温度从常温上升了的情况下，峰值波长PK1向比其低的低波长侧的峰值波长PK2偏移，若将单一的光源波长假定为PK1，则由于在温度上升时树脂原材料依据特性(B)，所以透过率降低Δ。
根据本发明人们的研究结果可知，在玻璃填料的混入量是30wt％的树脂中，在实际成形的成形品中，28℃的峰值波长是503nm、透过率是52.1％，相对于此，在使该成形品温度上升到40℃时，峰值波长为490nm，透过率下降到51.7％，进而在温度上升到49℃时，峰值波长为480nm、波长503nm下的透过率下降到51.4％，另外在温度上升到56℃时，峰值波长为476nm，透过率下降到51.2％。
根据以上的研究结果，本发明人们发现通过对树脂和混入的玻璃填料各自的相对于温度变化的折射率变化量进行设计，能够消除上述的问题。更具体而言，在图3中，若常温时的峰值波长PK1与温度上升时的峰值波长PK2重合，则能够极力地抑制透过率的降低。换言之，在将纵轴设为折射率、横轴设为波长来进行表示的图5中，若在温度上升时的树脂PL的带状的区域PCrt中由最多分布的密度量构成的折射率特性PCct与玻璃填料GF的折射率/波长特性线GCt交叉的点PK2相对于在常温时的树脂PL的带状的区域PCr中由最多分布的密度量构成的折射率特性PCc与玻璃填料GF的折射率/波长特性线GC交叉的点PK1在横轴重叠，则能够与温度变化无关地抑制峰值波长的偏差。其中，即使峰值波长PK1、PK2不完全一致，只有其差变小则也有效果。
即，通过以相对于温度变化的折射率变化量(dn/dT)之差为10.5×10-5以下的方式，适当地选定混入的玻璃填料和树脂，能够相对于使用该原材料成形的光学元件中的常温时的峰值波长，将温度上升时的峰值波长的偏移量抑制得小，所以能够抑制透过率的降低。
由于在以被摄体光的透过、彩色图像的显示等为目的光学元件用途的情况下，需要可见光区域的全波段，所以考虑为选定玻璃填料与树脂的折射率在全波段中尽可能相同那样的材料。然而，由于在本方式中使用单一光源，所以可以不如以被摄体光的透过、彩色图像的显示等为目的光学元件用途那样玻璃填料与树脂的折射率在全波段中尽可能相同，反倒若至少在光源波长附近将相对于温度变化的折射率变化量(dn/dT)设为10.5×10-5以下，则能够用于本方式的光学元件。
其中，“光源波长附近”是指相对于光源波长为±100nm的范围。并且，在进行dn/dT的计算时，也可使用利用了光源波长附近的折射率的1阶或2阶近似曲线。
为了实现上述目的中的至少一个，反映了本发明的一个方面的其它光学元件是使从具有单一光源波长的光源射出的光束透过的光学元件，其特征在于，
上述光学元件由混合了树脂与玻璃填料的原材料形成，至少上述光学元件的使用温度范围中的、上述树脂与上述玻璃填料的线膨胀系数之差是6.0×10-5以下。
根据以上的说明可知，若以至少上述光学元件的使用温度范围中的、上述树脂与上述玻璃填料的线膨胀系数之差为6.0×10-5以下的方式，适当地选择玻璃填料与树脂，则能够相对于使用该原材料成形的光学元件中的常温时的峰值波长，将温度变化(上升或者减少)时的峰值波长的偏移量抑制得小，因此能够抑制透过率的降低。另外，由于树脂与玻璃填料的线膨胀系数之差是6.0×10-5以下，所以在温度变化(上升或者减少)时玻璃填料也与树脂相同地膨胀或者收缩。由此，能够抑制因玻璃填料的束缚而妨碍位于其周围的树脂的膨胀、收缩，作为结果，能够抑制树脂密度产生偏差。因此，可防止例如在树脂成形品的内部树脂密度分布为各种各样的情况，能够不使树脂的折射率/波长特性成为宽的带状，因此能够抑制透过率降低。在将该光学元件例如作为光连接器使用时，进而优选使光学元件与光纤侧的线膨胀系数匹配。其中，“使用温度范围”是指-20℃～85℃的范围。
为了实现上述目的中的至少一个，反映了本发明的一个方面的光学元件的制造方法是使从具有单一光源波长的光源射出的光束透过，并且由混合了树脂与玻璃填料的原材料形成的光学元件的制造方法，所述光学元件的制造方法的特征在于，包括：
将至少在上述光源波长附近上述树脂与上述玻璃填料的相对于温度变化的折射率变化量(dn/dT)之差为10.5×10-5以下的树脂与玻璃填料进行混合的混合工序；
将上述混合后的原材料注入到形成在模具内的空腔内的工序；
在上述模具内将上述混合后的原材料冷却并成形光学元件的工序；以及
取出上述成形后的光学元件的工序。
为了实现上述目的中的至少一个，反映了本发明的一个方面的光学元件的制造方法是使从具有单一光源波长的光源射出的光束透过，并且由混合了树脂与玻璃填料的原材料形成的光学元件的制造方法，所述光学元件的制造方法的特征在于，包括：
将至少上述光学元件的使用温度范围中的、上述树脂与上述玻璃填料的线膨胀系数之差为6.0×10-5以下的树脂与玻璃填料进行混合的混合工序；
将上述混合后的原材料注入到形成在模具内的空腔内的工序；
在上述模具内将上述混合后的原材料冷却并成形光学元件的工序；以及
取出上述成形后的光学元件的工序。
根据本发明，能够提供在使单一光源波长透过的用途中使用、可确保高的光利用效率并且相对于外部环境稳定的光学元件以及光学元件的制造方法。
附图说明
图1是表示在对玻璃纤维的混入量进行了变更的树脂中，由于温度变化而透过光的峰值波长偏差且透过率处于降低趋势的图。
图2是对混入了玻璃纤维的树脂进行放大来观察的示意图。
图3是表示在混入了玻璃纤维的树脂中，因温度上升而透过光的峰值波长降低的图。
图4是表示在混入了玻璃纤维的树脂中，因温度上升而透过光的峰值波长降低的图。
图5是用于对本发明的一个方式的原理进行说明的图。
图6是以分解的状态对本实施方式涉及的光耦合装置100进行表示的立体图。
图7是沿光耦合装置100的一个光轴的剖视图。
图8是光耦合装置100所使用的光路变更元件120的立体图。
图9是光路变更元件120的放大剖视图。
图10是表示利用混入了玻璃纤维的树脂成形光路变更元件的工序的图。
具体实施方式
在本实施方式中，说到“单一光源波长”时意味着特定的目的所使用的光源波长是单一的，例如在光通信等中，有时即使在上行通信与下行通信中使用相同的光学元件时也存在光源波长不同的情况，该情况下，是指上行通信时的光源波长是单一的，而且下行通信时的光源波长是单一的。
作为玻璃填料，可以使用通用的E玻璃、C玻璃、A玻璃、S玻璃、D玻璃、NE玻璃、T玻璃、石英玻璃等，例如能够使用从二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钙(CaO)、氧化钛(TiO2)、氧化硼(B2O3)、氧化镁(MgO)、氧化锌(ZnO)、氧化钡(BaO)、氧化锆(ZrO2)、氧化锂(Li2O)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)等进行选择并对各自比率进行了适当调整的材料。
在本实施方式中，作为玻璃填料，能够使用玻璃纤维(glass fiber)、玻璃粉(glass powder)、玻璃片(glass flake)、研磨纤维(milled fiber)或玻璃珠等。在下述的实施方式以及实施例中，以玻璃填料为代表来对玻璃纤维进行说明。
玻璃纤维能够使用以往公知的玻璃长纤维的纺丝方法来获得。例如，能够使用在熔融炉中对玻璃原料连续地进行玻璃化并向供料道(forehearth)导出、在供料道的底部安装套管(bushing)来进行纺丝的直接熔融(DM)法；或者将熔融的玻璃加工成大理石状、碎玻璃状(cullet)、棒状之后再熔融并进行纺丝的再熔融法等各种方法来对玻璃进行纤维化。
玻璃纤维的径没有特别限定，优选使用φ5～50μm的玻璃纤维。在比φ5μm细的情况下，玻璃纤维与树脂的接触面积增大而成为漫反射的原因，存在成形品的透明性降低的情况。在比φ50μm粗的情况下，存在注射模塑成形(injection molding)时的填充压力变高，从而导致针对模具的转印不足的情况。更优选为φ10～φ45μm。
其中，作为玻璃填料，比光源波长大的尺寸的粒子为整体的90％以上(优选为95％以上)是重要的。以往，进行了使用混入了例如直径为30nm以下的粒子的树脂原材料来成形光学元件的尝试，但存在在该树脂原材料中粒子容易凝结这一问题；粒子的表面积增大而树脂原材料容易固化，成形变得困难这一问题；以及粒子的表面积增大而亲水性变高，成形后的光学元件的吸水率增大而光学特性发生变化这一问题。另一方面，通过将玻璃填料设为比光源波长大的粒子，能够消除该课题。
这里，作为“光学元件”，例如可举出透镜、棱镜、衍射光栅元件(衍射透镜、衍射棱镜、衍射板)、光学滤波器(空间低通滤波器、波长带通滤波器、波长低通滤波器、波长高通滤波器等等)、偏振滤光器(分析仪、方位角旋转器、偏振分离棱镜等等)、相位滤波器(相位板、全息照相等等)，但并不限定于此。
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图6是在分解的状态下对具有作为本实施方式的光学元件的光路变更元件的光耦合装置100进行表示的立体图。图7是沿光耦合装置100的光轴的剖视图。图8是光耦合装置100所使用的光路变更元件120的立体图。图9是光路变更元件120的放大剖视图。以下所示的构成是概略图，形状、尺寸等有时与实际不同。
如图6、7所示，光耦合装置100由光模块110、光路变更元件120、光连接器130构成。光模块110在这里具有发送光的功能，是能够设置于在大容量服务器等的背面层叠多枚并被插入的基板的模块。也可将基板本身作为光模块110。光模块110通过在矩形状且上表面是平面的台板111上将多个发光元件即VCSEL类型的半导体激光器112配置为1列而成。半导体激光器112的光源波长是850nm、1310nm、1550nm中的任一个。在台板111上，在半导体激光器112的排列方向两端附近配置有圆筒状的销113。此外，也可在半导体激光器112的周围形成用于对光路变更元件120进行定位的凹凸等。光模块110的NA是0.1～0.6。
光连接器130具备由树脂形成的主体部131，具有与光纤132连结，并对其进行保持的功能。
作为光纤132，例如能够使用全石英型的多模型光纤或单模型光纤等。作为光纤132的形态，例如可以使用单芯光纤，但这里使用具有多根光纤的多芯光纤带(带：ribbon)。
主体部131被成形为厚的矩形板状，在图6中从上方观察时一边被切口为矩形状而形成凹部131a。如图7所示，在主体部131的与凹部131a相反侧形成有供光纤132插入的插入孔131b。插入孔131b具有宽幅的矩形形状剖面以便能够收容作为光纤132的被覆的保护部132a。从插入孔131b的底面朝向凹部131a形成有多个细的贯通孔131c。在贯通孔131c插入除去了光纤132的被覆的光纤裸线132b的前端部。
露出了贯通孔131c的凹部131a的底面131d与主体部131的下表面131e正交。另外，如图6所示，以夹着凹部131a的方式在其两侧形成有一对与销113同径的圆形开口131f。
在图8、9中，光路变更元件120如后述那样通过混入了规定量的玻璃纤维的树脂而被一体形成。光路变更元件120具有细长的三角棱镜状的形状，具有第1面121、第2面122、和第3面123。第1面121与第3面123正交。此外，光路变更元件120的光轴方向(OA1、OA2方向)的大小从小型化的观点出发优选为10mm以下。另外，从能够设为比将光纤弯曲时的最小径小型的观点出发，更优选将其大小设为5mm以下。其中，优选在光学元件内通过的光线路径的长度是1mm左右。由于在使光线路径的长度比1mm小的情况下也能够使用透过率低的材料所以优选，相反在使光线路径的长度大于1mm的情况下通过使用透过率高的材料，作为光路偏振元件能够确保充分的透过率。
第1面121是平面，具有入射从光模块110的半导体激光器112射出的光束的功能。第2面122具有多个被排列设置为一列的反射面122a、被形成于反射面122a的周围的平面状的连接面122b、和以包围连接面122b的周围的方式被形成于第2面122的外周的矩形框状的突出部122c。优选在连接面122b与突出部122c之间形成有斜面122d。第3面123是平面，具有使从反射面122a反射的光束透过的功能。
反射面122a分别具有从连接面122b突出而成的同一形状，具体而言，从正面观察时是椭圆形状，并具有当入射了圆锥状的发散光束时能够将光轴折弯90°而对圆锥状的收敛光束进行反射那样的畸变(anamorphic)的自由曲面。在图8的例子中，成为一个方向是椭圆形状的环(toroidal)面(广义的畸变(anamorphic)面)。由此，能够几乎消除像差。反射面122a的排列间隔与光模块110的半导体激光器112的排列间隔、以及被插入到贯通孔131c内的光纤裸线132b的排列间隔相等。反射面122a的排列方向是与包含一个反射面122a的2个光轴的面正交的方向。此外，反射面122a的外周缘处的切面与光轴所成的角度(锐角)通常是75度以下。突出部122c与反射面122a的距离从不对耦合效率造成影响的观点出发优选是0.05mm以上。
突出部122c距连接面122b的高度在整周都一样，比反射面122a的突出量大。因此，如图9所示，在规定了与突出部122c的整周(这里是平面部)相接那样的虚拟平面VP时，虚拟平面VP不与反射面122a相接。另外，虚拟平面VP与反射面122a的任意点(在该例中是光轴上的点PT，但只要是至少比反射面122a的外周缘靠内侧的点即可)处的切面平行。
在图9中，若将一个反射面122a中的、光模块110侧的光轴设为OA1，将光连接器130侧的光轴设为OA2，则光轴OA1、OA2在反射面122a上正交。在将从第1面121到反射面122a为止的沿着光轴OA1的距离(或者从第3面123到反射面122a为止的沿光轴的距离)设为A，将从反射面122a的光轴OA1上的点PT到虚拟平面VP为止的距离设为B时，满足以下的式子。其中，距离A通常为0.0625mm以上2.9mm以下。
B/A＜1.0 (1)
对于光路变更元件120而言，以与虚拟平面VP重叠的方式将平行平板状的盖部件125粘贴于突出部122c的整周。若盖部件125是遮光性的部件，则能够抑制光路变更元件120的劣化，为了防止来自外部的光侵入透镜内部而优选。通过设置盖部件125而与反射面122a之间产生缝隙，即使在盖部件125损伤反射面122a或在反射面122a形成反射膜那样的情况下，也没有将其损坏的担忧。并且，由于能够以与虚拟平面VP重叠的方式设置盖部件125，所以即使在对设置了光耦合装置100的基板进行层叠那样的情况下，也能够有助于层叠方向的小型化。进而，通过利用盖部件125将反射面122a密封成密闭空间，能够防止异物的附着等保护反射面122a不受外部环境的不良影响。另外，也可利用树脂对反射面122a与虚拟平面VP的缝隙进行密封而防止异物的附着、结露。并不一定必须进行基于盖部件125或者树脂的密封，但基于上述的理由，优选进行基于盖部件125或者树脂的密封。如图9所示，盖部件125在被安装于光路变更元件120时，若是不从光路变更元件120向外侧突出的形状，则能够使光耦合装置100小型化，因此优选。
(光路变更元件的成形)
图10是表示光路变更元件的基于树脂的成形工序的图。如图10(a)所示，第1模具MD1具有由斜面MD1a、MD1b构成的V槽状的转印面。另一方面，第2模具MD2具有光学面转印面MD2a、连接面转印面MD2b、和突出部转印面MD2c。其中，在第2模具MD2的端面，如虚线所示那样对突出部转印面MD2c进行局部放大。第1模具MD1与第2模具MD2在合模的状态下，除了浇口(gate)以外纸面垂直方向的两端关闭。
这里，使用对树脂混入2～40wt％玻璃纤维而形成的原材料来成形光路变更元件。对细长的棒状的玻璃纤维进行粉碎，以2～40wt％的比例与树脂材料混合，将混合后的材料放入注射模塑成形机来进行注射模塑成形。选择至少在光源波长附近，树脂与玻璃纤维的相对于温度变化的折射率变化量(dn/dT)之差是10.5×10-5以下那样的树脂和玻璃纤维，向树脂中混入玻璃纤维而作为树脂原材料。或者，选择至少在使用温度范围内，树脂与玻璃纤维的线膨胀系数之差是6.0×10-5以下那样的树脂和玻璃纤维，向树脂中混入玻璃纤维而作为树脂原材料。树脂的透过率在成形为厚度为3mm的平行平板的状态下，优选在光源波长中是50％以上。其中，优选玻璃纤维的形状是剖面为φ5～50μm、长度为10～500μm的棒状体。另外，wt％是重量％的意思。
如图10(a)所示，以第1模具MD1的下表面与第2模具MD2的上表面紧贴的方式合模，从未图示的浇口使熔融的树脂原材料向第1模具MD1与第2模具MD2的空腔内流入。此时，优选浇口的位置处于第1模具MD1或者第2模具MD2的端面(图10中用一部分虚线所示的纸面垂直方向的端面)内的任一方。
通过第1模具MD1的斜面MD1a转印成形光路变更元件120的第1面121，通过斜面MD1b转印成形第3面123。另一方面，通过第2模具MD2的模具上的光学面MD2a转印成形光路变更元件120的反射面122a，通过连接面转印面MD2b转印形成连接面122b，通过突出部转印面MD2c转印成形突出部122c。由于突出部转印面MD2c远离模具上的光学面MD2a，所以利用突出部转印面MD2c进行的突出部122c成形时的不良影响波及到利用光学面转印面MD2a成形的反射面122a的担心变少，能够精度良好地维持反射面122a的形状。
如图10(b)所示，在树脂原材料固化后，通过将第1模具MD1与第2模具MD2开模，能够取出成形的路变更元件120。根据本实施方式，由于光路变更元件120的第1面121与第3面123是平面，因此即使使用单一的第1模具MD1也能够容易地脱模。
以下对上述光学元件的优选方式进行汇总说明。
在上述光学元件中，优选上述树脂的透过率在成形为厚度为3mm的平行平板的状态下，相对于上述光源波长的光为50％以上。
根据本发明人们的研究结果，若在成形为厚度为3mm的平行平板的状态下，将上述树脂的透过率设为相对于上述光源波长的光为50％以上，则由于通过在其两面实施反射防止涂层，能够期待单面5％左右的透过率提高，所以合计能够确保透过率60％(内部吸收量为40％)。对于实际的光学元件而言，由于在光学元件内通过的光线路径的长度相当1mm的情况很多，所以内部吸收量成为13％(40％/3mm)、即优选产品透过率能够得到87％。
另外，上述树脂优选是聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚烯烃系树脂、透明聚酰胺(PA)、聚砜(PSU)/聚亚苯基砜(PPSU)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)的任一个。由于这样的树脂透明性优异，与玻璃填料的兼容性也良好，因此适合作为光学元件的原材料。
另外，优选上述玻璃填料的混合(混入)量是2～40wt％。通过将上述玻璃填料的混入量设为2wt％以上，能够得到充分调整线膨胀系数的效果，另一方面，通过将上述玻璃填料的混入量设为40wt％以下，能够避免无法注射模塑等成形性变差那样的不良影响。另外，即使上述玻璃填料的混入量过多，也存在线膨胀系数的调整的效果变差这样的一面。
另外，优选上述玻璃填料是玻璃纤维。微小的棒状体的玻璃纤维具有通过混入到树脂而容易对线膨胀系数进行调整这一效果。
另外，优选上述玻璃纤维的形状是剖面为φ5～50μm、长度为10～500μm的棒状体。由此，能够利用一般的玻璃纤维。
另外，优选上述光源波长是850±150nm、1310±150nm、1550±150nm中的任一个。由于这样的光源波长多被用于光通信中，所以能够与其对应而优选。
另外，优选上述光学元件是被用于光通信、且光学面排列成阵列状的光学元件。
以下，对能够用于上述实施方式的实施例进行说明。这里，将仅是通用的PC(聚碳酸酯)材料的情况作为比较例1，并且向相同的PC材料中混入了HOYA株式会社制造的玻璃纤维(产品名FF5)而制成比较例2，另外向相同的PC材料中混入了HOYA株式会社制造的玻璃纤维(产品名BACD12)而制成实施例1。其后，分别求出峰值波长偏差量、每个波长的折射率、相对于温度变化(常温+55℃)的折射率变化量(dn/dT)、PC材料(树脂)与玻璃纤维的相对于温度变化的折射率变化量(dn/dT)之差、使用温度范围中的线膨胀系数、以及PC材料(树脂)与玻璃纤维的线膨胀系数之差并进行了比较。此外，在光源波长附近的dn/dT的计算时也可使用近似曲线。在本比较例以及实施例中，利用由光源波长λ＝486nm、587nm、656nm的折射率构成的1次曲线近似来计算dn/dT的值。表1表示其结果。
[表1]
根据表1的比较结果，在比较例2中，光源波长(587nm)中的树脂与玻璃纤维的相对于温度变化的折射率变化量(dn/dT)之差为10.8×10-5并且光学元件的使用温度范围中的树脂与玻璃纤维的线膨胀系数之差为6.4×10-5，峰值波长偏差量为27nm。与此相对，在实施例1中，树脂与玻璃纤维的相对于温度变化的折射率变化量(dn/dT)之差为10.5×10-5并且光学元件的使用温度范围中的树脂与玻璃纤维的线膨胀系数之差为6.0×10-5，峰值波长偏差量为12nm而减少到一半以下。当考察以上的结果时，能够推断为混入到树脂的玻璃纤维的相对于温度变化的折射率变化dn/dT越接近树脂的折射率变化dn/dT，则越能够抑制峰值波长偏差量。另外，能够推断为混入到树脂的玻璃纤维的线膨胀系数越接近树脂的线膨胀系数，则越能够抑制峰值波长偏差量。
本发明并不限于说明书所记载的实施方式/实施例，对本领域技术人员而言，根据本说明书所记载的实施方式、实施例、技术思想而得到包含其他实施方式/实施例/变形例的方案是显而易见的。例如，本发明的光学元件并不局限于光通信，也能够用于小型的投影仪的准直器等、光拾取装置。
附图标记的说明
100…光耦合装置；110…光模块；111…台板；112…半导体激光器；113…销；120…光路变更元件；121…第1面；122…第2面；12…3第3面；125…盖部件；130…光连接器；131…主体部；131a…凹部；131b…插入孔；131c…贯通孔；131d…底面；131e…下表面；131f…圆形开口；132…光纤；132a…保护部；132b…光纤裸线。

Claims (11)

1.一种光学元件，使从具有单一光源波长的光源射出的光束透过，该光学元件的特征在于，
上述光学元件由混合了树脂与玻璃填料的原材料形成，至少在上述光源波长附近，上述树脂与上述玻璃填料的相对于温度变化的折射率变化量(dn/dT)之差是10.5×10-5以下。
2.一种光学元件，使从具有单一光源波长的光源射出的光束透过，该光学元件的特征在于，
上述光学元件由混合了树脂与玻璃填料的原材料形成，至少上述光学元件的使用温度范围中的、上述树脂与上述玻璃填料的线膨胀系数之差是6.0×10-5以下。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，
上述树脂的透过率在成形为厚度为3mm的平行平板的状态下，相对于上述光源波长的光是50％以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学元件，其特征在于，
上述树脂是聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚烯烃系树脂、透明聚酰胺(PA)、聚砜(PSU)/聚亚苯基砜(PPSU)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)中的任一个。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学元件，其特征在于，
上述玻璃填料的混合量是2～40wt％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学元件，其特征在于，
上述玻璃填料是玻璃纤维。
7.根据权利要求6所述的光学元件，其特征在于，
上述玻璃纤维的形状是剖面为φ5～50μm、长度为10～500μm的棒状体。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学元件，其特征在于，
上述光源波长是850±150nm、1310±150nm、1550±150nm中的任一个。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学元件，其特征在于，
上述光学元件是光通信所采用的光学面排列为阵列状的光学元件。
10.一种光学元件的制造方法，是使从具有单一光源波长的光源射出的光束透过、并且由混合了树脂与玻璃填料的原材料形成的光学元件的制造方法，该光学元件的制造方法的特征在于，包括：
将至少在上述光源波长附近上述树脂与上述玻璃填料的相对于温度变化的折射率变化量(dn/dT)之差为10.5×10-5以下的树脂与玻璃填料进行混合的混合工序；
将上述混合后的原材料注入到形成在模具内的空腔内的工序；
在上述模具内将上述混合后的原材料冷却并成形光学元件的工序；以及
取出上述成形后的光学元件的工序。
11.一种光学元件的制造方法，是使从具有单一光源波长的光源射出的光束透过、并且由混合了树脂与玻璃填料的原材料形成的光学元件的制造方法，该光学元件的制造方法的特征在于，包括：
将至少上述光学元件的使用温度范围中的、上述树脂与上述玻璃填料的线膨胀系数之差为6.0×10-5以下的树脂与玻璃填料进行混合的混合工序；
将上述混合后的原材料注入到形成在模具内的空腔内的工序；
在上述模具内将上述混合后的原材料冷却并成形光学元件的工序；以及
取出上述成形后的光学元件的工序。
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