CN110178058A - 光学部件及光学部件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

光学部件(10)为如下的光学部件：包括第1层(12)、以及第2层(14)，该第1层(12)由具有第1折射率的第1材料形成，具有第1主表面(16)及第1主表面(16)的相反侧的第2主表面(18)，该第2层(14)由具有与第1折射率不同的第2折射率的第2材料形成，具有第3主表面(20)及第3主表面(20)的相反侧的第4主表面(22)，并且该光学部件(10)中，将第1层(12)与第2层(14)以第2主表面(18)与第3主表面(20)抵接的方式层叠。在第1层(12)的第1主表面(16)，形成有透镜(24)，在第2层(14)的第3主表面(20)，形成有旋涡形状(26)。

Description

光学部件及光学部件的制造方法
技术领域
本发明涉及光学部件及其制造方法。
背景技术
近年来，通过互联网及云的普及，数据通信量正在爆发性地增长。在临时保管数据或进行互联网连接的数据中心内，也需要高速地交换大容量的数据。
虽然像数据中心内那样，对于短距离(数十米～数百米)的传输，也进行基于电信号的通信，但是在高速化这一点上，进行光通信是有利的。在短距离的光通信中，组合了VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER：垂直腔表面发射激光器)等面发光型光源与多模光纤的、传输速度为数GHz～10GHz的系统已经被实现。
因为多模光纤与单模光纤相比，供光通过的芯被设计得较大，所以许多模式的光会在芯内传输，存在发生DMD(Differential Modal Dispersion：差分模式色散)的可能。因为当DMD发生时，光波形会变得易劣化，所以会存在传输距离被限制的可能。
作为改善多模光纤的DMD的方法，已知使用会产生光学旋涡的涡旋相位板(VortexPhase Plate)的方法(例如专利文献1或2)。通常，虽然从激光器射出的光具有中心部的强度较高的基本上高斯状的光强分布，但是当使该光通过涡旋相位板时，能够将其转换为具有中心部分的强度为零或有所降低的环状的光强分布的光。所谓涡旋相位板，例如是指在任意主表面形成有连续或阶梯状的螺旋形状(旋涡形状)的板状的光学部件。
如公知的那样，多模光纤因其制造方法不同而有时芯的中心部分的折射率分布会变得不稳定，这会成为引起DMD的因素(例如专利文献1或2)。因此，在使从激光器射出的光透射过涡旋相位板，从而将其转换为具有环状的光强分布的光之后，才使其入射到多模光纤。由此，因为直接入射到多模光纤的芯的中心部分的光被抑制，所谓的高阶的传播模式会成为主体而在光纤内传播，所以能够抑制DMD的发生。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1:日本特开2008-46312号公报
专利文献2:日本特开2016-91014号公报
发明内容
[发明要解决的课题]
然而，因为在光源与多模光纤之间配置有涡旋相位板的情况下，应对齐光轴的光学部件会増加，所以与不配置涡旋相位板的情况相比，会存在光轴调整变难的可能性。此外，在存在多个其组合的那样的阵列类型的光学系统中，也会存在该调整进一步变难的可能性。
本发明鉴于这样的状况而完成，其目的在于提供一种在使光学旋涡产生的那样的光学系统中，使光轴调整变得容易的技术。
[用于解决技术课题的技术方案]
为了解决上述问题，本发明的一个方案的光学部件包括：第1层，其由具有第1折射率的第1材料形成，具有第1主表面及第1主表面的相反侧的第2主表面；以及第2层，其由具有与第1折射率不同的第2折射率的第2材料形成，具有第3主表面及第3主表面的相反侧的第4主表面；并且该光学部件中，将第1层与第2层以第2主表面与第3主表面抵接的方式层叠。在第1层的第1主表面，形成有透镜，在第2层的第3主表面，形成有旋涡形状。在此，所谓旋涡形状，是指如前所述，具有连续或阶梯状的螺旋形状，并会在使来自激光等的光透射时产生光学旋涡的形状。
本发明的另一方案也为光学部件。该光学部件包括：第1层，其由具有第1折射率的第1材料形成，具有第1主表面及第1主表面的相反侧的第2主表面；以及第2层，其由具有与第1折射率不同的第2折射率的第2材料形成，具有第3主表面及第3主表面的相反侧的第4主表面；并且该光学部件中，将第1层与第2层以第2主表面与第3主表面抵接的方式层叠。在第1层的第1主表面形成有旋涡形状，在第2层的第3主表面形成有透镜。
也可以是，进一步包括被配置在第2层的第4主表面上的光学元件。
也可以是，进一步包括具有第5主表面及第5主表面的相反侧的第6主表面的基板，在基板上，以第4主表面与第5主表面抵接的方式配置有第2层。
也可以是，进一步包括被配置在基板的第6主表面上的光学元件。
也可以是，光学元件为透镜、偏振器、波长板、相位板、棱镜、衍射光栅、滤光器、镜子、半反射镜、发光元件、以及受光元件中的至少一个。
也可以是，阵列状地配置有旋涡形状与透镜的组。
也可以是，针对波长850nm的第1折射率与第2折射率的折射率差为0.15以上。
本发明的又一方案为上述的光学部件的制造方法。该方法包括：向用于使第2层成形的第2层用模具滴下第2材料的工序；展开第2材料的工序；对第2材料照射光以使其固化的工序；使第2层用模具脱模并取出第2层的工序；向用于使第1层成形的第1层用模具滴下第1材料的工序；将第2层与第1层用模具贴合，并展开第1材料的工序；对第1材料照射光以使其固化的工序；以及使第1层用模具脱模，取出第1层与第2层的层叠体的工序。
本发明的又一方案也为上述光学部件的制造方法。该方法包括：向用于使第2层成形的第2层用模具与共用模具之间射出第2材料的工序；冷却第2材料以使其固化的工序；对第2层用模具和共用模具进行开模的工序；对用于使第1层成形的第1层用模具与形成有第2层的共用模具之间，射出第1材料的工序；冷却第1材料以使其固化的工序；以及对第1层用模具和共用模具进行开模，取出第1层与第2层的层叠体的工序。
另外，以上构成要素的任意组合、以及将本发明的表述在方法、装置、系统等之间转换后的结果，作为本发明的方案也是有效的。
[发明效果]
根据本发明，能够提供一种技术，其在使用具备旋涡形状、产生光学旋涡的那样的光学系统来使激光器等光源与多模光纤耦合的情况下，使它们的光轴调整变得容易。
附图说明
图1是用于说明本发明的实施方式的光学部件的概略剖视图。
图2是使用了本实施方式的光学部件的光模块的概略构成图。
图3的(a)及图3的(b)是用于说明入射到多模光纤的光的强度分布的图。
图4是表示将光学元件组合于光学部件的实施方式的图。
图5的(a)及图5的(b)是用于说明本发明的另一实施方式的光学部件的图。
图6是用于说明本发明的又一实施方式的光学部件的概略剖视图。
图7是表示将光学元件组合于光学部件的实施方式的图。
图8的(a)及图8的(b)是用于说明本发明的又一实施方式的光学部件的图。
图9的(a)～图9的(c)是表示在光学部件的基板上形成有金属布线的实施方式的图。
图10的(a)及图10的(b)是表示在形成有金属布线的光学部件的基板上，倒装(flip chip)式地安装有VCSEL阵列基板的实施方式的图。
图11是用于说明本发明的又一实施方式的光学部件的概略剖视图。
图12的(a)～图12的(d)是用于说明使透镜和旋涡形状成形用的模具的图。
图13的(a)～图13的(d)是用于说明透镜的复制模的制作工序的图。
图14的(a)及图14的(b)是用于说明旋涡形状的复制模的制作工序的图。
图15的(a)～图15的(d)是用于说明将阵列状的旋涡形状制作在基板上的工序的图。
图16的(a)～图16的(d)是用于说明将透镜阵列制作在基板上的工序的图。
图17的(a)～图17的(c)是用于说明旋涡形状和透镜的定位用的靶的图。
图18是用于说明成形机的构成的概略图。
图19是用于说明阵列状的旋涡形状的成形的图。
图20是表示为了使阵列状的旋涡形状成形而进行树脂射出的情况的图。
图21是表示成形品的取出的情况的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式的光学部件进行说明。该光学部件为包含旋涡形状的光学部件。对于各附图所示的相同或等同的构成要素、构件、以及处理，标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。此外，实施方式并不对发明进行限定，仅为例示，并非实施方式所记述的一切特征及其组合都是发明的实质性内容。
图1是用于说明本发明的实施方式的光学部件10的概略剖视图。如图1所示，光学部件10为层叠有第1层12和第2层14的光学部件。第1层12由具有第1折射率n1的第1材料形成。第2层14由具有第2折射率n2的第2材料形成。第1折射率n1与第2折射率n2彼此不同(即，n1≠n2)。
例如，可以第1折射率n1＝1.7左右的高折射率材料来形成第1层12，以第2折射率n2＝1.4左右的低折射率材料来形成第2层14。或者，也可以是，以第1折射率n1＝1.4左右的低折射率材料来形成第1层12，以第2折射率n2＝1.7左右的高折射率材料来形成第2层14。两者的折射率差Δn＝n2－n1的绝对值越大，在形成层叠有两者的光学系统时，就会得到折光力越大的光学系统等，从而能够使后述的旋涡形状的高度差(旋涡形状的最高处与最低处之差)变低。作为构成第1层12和第2层14的材料，例如能够使用树脂或玻璃。作为玻璃的原料，也可以使用易于薄膜化且能够形成微细构造的溶胶－凝胶材料。另外，在将旋涡形状的最大的高度差记为d，将旋涡形状中的一周内的高度差d的形状的重复次数(循环次数)、即拓扑荷数记为mc，将使用波长记为λ时，相位差ΔΦ由ΔΦ＝2π×mc×Δn×d/λ来表示。
第1层12具有第1主表面16、以及第1主表面16的相反侧的第2主表面18。第2层14具有第3主表面20、以及第3主表面20的相反侧的第4主表面22。第1层12与第2层14被以第2主表面18与第3主表面20抵接的方式层叠。
在第1层12的第1主表面16，形成有透镜24。虽然图1所示的透镜24为球面凸透镜，但是也能够设为球面凹透镜、非球面凸透镜、非球面凹透镜、以及衍射型透镜(菲涅尔透镜)等。
在第2层14的第3主表面20，形成有旋涡形状26。旋涡形状26为围绕光轴而连续或阶梯状地形成的螺旋形状的光学要素，具有光学旋涡的产生，即转换为沿圆周方向具有相位差的光的功能。那样的功能也能够以涡旋状的衍射光栅、或是在周向上每隔预定的旋转角度就改变了有效折射率的元件等来实现。作为改变有效折射率的方法，存在通过形成多个使用于材料的波长以下的空孔，并改变孔的密度来改变有效折射率的方法。不限于此，通过使用任意元件，入射光被转换为沿周向具有相位差的光，从而会得到如下这样的效果：在用透镜使该光聚光时的光强分布成为环状。作为旋涡形状26，能够根据应赋予其的相位差来使用各种种类。例如，能够使用一周中赋予2π的相位差的形状(拓扑荷数mc＝1，相位差ΔΦ＝2π)、连续360度地赋予相位差的形状、每180度赋予2π相位差的形状(mc＝2，ΔΦ＝2π×2)、以及每120度赋予2π相位差的形状(mc＝3，ΔΦ＝2π×3)等。此外，在相位差ΔΦ为2π×m的情况下，会得到具有相对于中心轴而轴对称性最高的环状的光强分布的光束。m为整数，且为旋涡形状或涡旋相位板的阶数。另外，需注意的是，图1所示的旋涡形状26示意性地表示旋涡形状的截面形状。
关于被形成于第1层12的第1主表面16的透镜24、以及被形成于第2层14的第3主表面20的旋涡形状26，它们的光轴被配置为一致(将一致的光轴记为光学部件10的光轴Ax)。
第2层14的第3主表面20被设为与抵接的第2主表面18的形状对应的形状。此外，第2层14的第4主表面22被形成为平面状。
图2是使用了本实施方式的光学部件10的光模块30的概略构成图。如图2所示，光模块30包括光源32、光学部件10、聚光透镜34、以及多模光纤36。图2表示从光源32射出的光介由光学部件10及聚光透镜34而入射到多模光纤36的芯36a的情况。
作为光源32，能够利用VCSEL等面发光激光或激光二极管。光学部件10被配置为：第2层14的第4主表面22成为接受来自光源32的光的入射面。从第4主表面22入射到第2层14内的光通过旋涡形状26而被转换为具有环状的光强分布的光。该光入射到第1层12，并通过被形成于第1层12的第1主表面16的透镜24而转换为平行光并射出。该平行光由被与光学部件10相对配置的聚光透镜34聚光，并入射到多模光纤36的芯36a。另外，图2为实施方式的一例，也能够通过其他构成来实现同样的功能。例如，也可以是，使光学部件10的透镜面朝向光源32一侧，此外，还可以是，将光学部件10与聚光透镜34互换。此外，也可以采用准直光入射到旋涡形状那样的光学系统。
图3的(a)及图3的(b)是用于说明入射到多模光纤的光的强度分布的图。图3的(a)作为比较例，表示在图2所示的光模块30中，不配置光学部件10，而是配置单纯的准直透镜的情况下的、入射到多模光纤的光的强度分布。图3的(b)表示在使用本实施方式的光学部件10的情况下的、入射到多模光纤的光的强度分布。
对图3的(a)及图3的(b)进行比较，可知：通过使用本实施方式的光学部件10，能够使具有中心部分的强度降低的环状的强度分布的光入射到多模光纤36的芯36a。由此，因为入射到折射率可能会不稳定的芯36a的中心部分的光会消失，所以DMD的发生会被抑制，结果，能够提高光模块30的光传输性能。
在光模块中，在将涡旋相位板与其他2个透镜(即准直透镜及聚光透镜)制成不同的部件，并将它们组合使用时，需要使涡旋相位板与其他透镜的光轴对齐并将其固定。然而，当然，当光学部件的数量增加时，光轴调整会变得困难。通过使将来自光源的光转换为环状的光的旋涡形状26与将从旋涡形状26通过的光转换为平行光的透镜24一体化，从而能够像与通常的一个透镜同样地对待光学部件10。即，因为将光学部件10与聚光透镜34这2个部件的光轴对齐即可，所以与进行涡旋相位板和其他2个透镜的光轴调整的情况相比，光轴调整会变得容易。这在处理多个阵列状的被层叠的光学部件时会变得更为有利。
也可以是，在本实施方式的光学部件10中，为了抑制反射损失，在露出到光学部件的外部的介质(例如空气)的表面，即第1主表面16(透镜24)及第4主表面22，形成有反射防止层。反射防止层例如可以由电介质多层膜或具有数十～数百纳米的周期的微细构造、以及具有外部介质的折射率与光学元件的折射率的中间的折射率的匹配层等形成。
图4表示将光学元件40组合于光学部件10的实施方式。如上所述，第2层14的第4主表面22被形成为平面状。因此，能够在第4主表面22自由地配置其他光学元件40。被配置于第4主表面22的光学元件40例如可以为透镜、偏振器、波长板、相位板、棱镜、衍射光栅、滤光器、镜子、半反射镜、发光元件、以及受光元件等。因为第4主表面22为平面状，所以能够在将电极及金属布线形成在表面上之后才安装发光元件及受光元件，在这一点上，也是有利的。这样，通过将光学元件40配置于第4主表面22，从而与将光学元件40与光学部件10彼此分开地配置的情况相比，能够谋求光模块的省空间化。此外，因为将光学元件40直接固定于光学部件10，所以也会存在如下这样的优点：光学元件40和光学部件10的光轴调整较为容易，也难以发生固定后的光轴偏移。
图5的(a)及图5的(b)是用于说明本发明的另一实施方式的光学部件200的图。图5的(a)为俯视图，图5的(b)为图5的(a)的A－A剖视图。
虽然在图2所示的实施方式中，说明了使光入射到1根多模光纤36的情况，但是在排列多个多模光纤36来进行空间上的复用的情况下，使用如图5的(a)及图5的(b)所示的、阵列状地配置有光轴一致的透镜224及旋涡形状226的组的光学部件200、以及聚光透镜34的(参照图2)的阵列。
光学部件200中，第1层212与第2层214被以第2主表面218与第3主表面220抵接的方式层叠，该第1层212在第1主表面216阵列状(一列)地形成有多个透镜224，该第2层214在第3主表面220阵列状(一列)地形成有多个旋涡形状226。第2层214的第4主表面222被形成为平面状。第1层212由具有第1折射率n1的第1材料形成，第2层214由具有第2折射率n2的第2材料形成。第1折射率n1与第2折射率n2彼此不同(即，n1≠n2)。
因为在使用本实施方式的光学部件200的情况下，也只需对光学部件200和聚光透镜34的阵列进行光轴调整即可，所以与对阵列状的旋涡形状和其他2个透镜阵列进行光轴调整的情况相比，能够极其容易地进行光轴调整。
图6是用于说明本发明的又一实施方式的光学部件50的概略剖视图。如图6所示，光学部件50具有如下构成：还包括基板52，并在该基板52上具有在图1中说明的、配置有第1层12与第2层14的层叠体。基板52为由树脂或玻璃形成的平板状的构件，具有第5主表面54及该第5主表面54的相反侧的第6主表面56。第1层12与第2层14的层叠体被配置为：第2层14的第4主表面22与基板52的第5主表面54抵接。这样形成的光学部件50也与上述的光学部件同样，在组装光模块时易于调整光轴。关于基板52，使用针对使用波长(例如850nm)透明的电介质基板。例如使用环烯烃等透明树脂或玻璃等作为基板52。
图7表示将光学元件60组合于光学部件50的实施方式。基板52的第6主表面56为平面状。因此，在基板52的第6主表面56，能够自由地配置其他光学元件60。被配置于第6主表面56的光学元件60例如可以为透镜、偏振器、波长板、相位板、棱镜、衍射光栅、滤光器、镜子、半反射镜、发光元件、以及受光元件等。关于第6主表面56，能够在将电极或金属布线预先形成在表面上之后才安装发光元件及受光元件，也能够通过使用进一步包含具有TGV(Through Glass Via：玻璃通孔)作为基板52的透明玻璃基板的内插器(interposer)等，从而进一步提高集成性，在这些点上也是有利的。
图8的(a)及图8的(b)是用于说明本发明的又一实施方式的光学部件300的图。图8的(a)为俯视图，图8的(b)为图8的(a)的B－B剖视图。
如图8的(b)所示，本实施方式的光学部件300具有如下构成：进一步包括基板252，并在该基板252上配置有在图5的(a)及图5的(b)中说明的第1层212与第2层214的层叠体。基板252为由树脂或玻璃形成的平板状的构件，具有第5主表面254及该第5主表面254的相反侧的第6主表面256。第1层212与第2层214的层叠体被配置为：第2层214的第4主表面222与基板252的第5主表面254抵接。这样形成的光学部件300也与上述的光学部件同样，在组装光模块时，光轴调整会变得容易。关于基板252，使用针对使用波长(例如850nm)透明的电介质基板。例如，使用环烯烃等透明树脂或玻璃等来作为基板252。
图9的(a)～图9的(c)表示将金属布线310形成于光学部件300的基板252的实施方式。图9的(a)为俯视图，图9的(b)为图9的(a)的C－C剖视图，图9的(c)为仰视图。如图9的(a)～图9的(c)所示，在基板252的第6主表面256，对于每个透镜224及旋涡形状226的组都形成有金属布线310。
图10的(a)及图10的(b)表示将VCSEL阵列320倒装(flip chip)式地安装于形成有金属布线310的光学部件300的基板252的实施方式。图10的(a)是以与透镜等的排列方向正交的面来切断而成的剖视图，图10的(b)是以与透镜等的排列方向平行的面来切断而成的剖视图。
VCSEL阵列320中，将多个VCSEL324阵列状(一列)地形成于基板322。针对每个透镜224及旋涡形状226的组都配置一个VCSEL324。如图10的(a)及图10的(b)所示，被形成于基板322的金属布线326被与金属布线310连接，该金属布线310通过焊点328而形成于光学部件300的基板252。通过像这样直接将VCSEL阵列320安装于光学部件300，从而能够提高集成性，并谋求光模块的省空间化。此外，因为将VCSEL阵列320直接固定于光学部件300，所以VCSEL阵列320和光学部件300的光轴调整较为容易，也难以发生固定后的光轴偏移。
图11是用于说明本发明的又一实施方式的光学部件70的概略剖视图。如图11所示，本实施方式的光学部件70也与图1所示的光学部件10同样，层叠有第1层72、以及第2层74，该第1层72由具有第1折射率n1的第1材料形成，该第2层74由具有第2折射率n2的第2材料形成。第1折射率n1与第2折射率n2彼此不同(即，n1≠n2)。
第1层72具有第1主表面76、以及第1主表面76的相反侧的第2主表面78。第2层74具有第3主表面80、以及第3主表面80的相反侧的第4主表面82。第1层72与第2层74被以第2主表面78与第3主表面80抵接的方式层叠。
关于本实施方式的光学部件70，在第1层72的第1主表面76形成有旋涡形状86，在第2层74的第3主表面80形成有透镜84这一点与图1所示的光学部件10不同。虽然图11所示的透镜84为球面凸透镜，但是也能够设为球面凹透镜、非球面凸透镜、非球面凹透镜、以及衍射型透镜(菲涅尔透镜)等。
如本实施方式的光学部件70那样，在露出到光学部件的外部的介质(例如空气)的第1主表面76形成有旋涡形状86，在光学部件70内部的第1层72与第2层74的界面形成有透镜84的情况下，也能够适用于如图2所示的光模块。因为该光学部件70也能够通过使将来自光源的光转换为平行光的透镜84与将从透镜84通过的平行光转换为环状的光的旋涡形状86一体化，从而如与通常的透镜同样地对待光学部件70，所以在光模块的组装中，易于调整光轴。另外，在将空气的折射率设为1时，此时的旋涡形状86的相位差ΔΦ由ΔΦ＝2π×mc×(n1－1)×d/λ来表示。
因为在本实施方式的光学部件70中，第2层74的第4主表面82也被形成为平面状，所以能够在第4主表面82上自由地配置其他光学元件。被配置于第4主表面82的光学元件例如可以为透镜、偏振器、波长板、相位板、棱镜、衍射光栅、滤光器、镜子、半反射镜、发光元件、以及受光元件等，包括平面状的主表面这一有利的点如前所述。
接着，对如上所述的光学部件的制造方法进行说明。在此，对有代表性的2个制造方法进行说明。
(1)2P(Photo Polymerization：光致聚合)成形
所谓2P成形，为基于紫外线固化的成形，是如下的成形方法：向具有被光学设计的形状的模具(mold)中填充紫外线固化性树脂，并使其与作为基板的玻璃、丙烯酸等的板贴合，在对其照射紫外线而使树脂固化后，进行脱模，从而将模具的反转形状在基板上转印成形。
在此，对如下情况进行说明：使用玻璃基板作为基底材料，通过2P成形方法，以高折射率材料来将透镜形成于第1层的第1主表面，以低折射率材料来将旋涡形状形成于第2层的第3主表面。
图12的(a)～图12的(d)是用于说明使透镜和旋涡形状成形用的模具的图。图12的(a)是透镜用模具90的概略立体图。图12的(b)是透镜用模具90的概略剖视图。图12的(c)是旋涡形状用模具91的概略立体图。图12的(d)是旋涡形状用模具91的概略剖视图。
透镜用模具90和旋涡形状用模具91作为主模，以如下方式制作：利用超精密纳米加工机，使用超精密切削工具来加工形成于模具母材，该模具母材中，在不锈钢材93、94的表面，施有无电解镍-磷镀层95、96。虽然也能够将这些金属制模具即主模用作2P成形用的模具，但是因为金属制的主模无法使紫外线透射，所以从会产生2P成形的基板为可使紫外线透射的材质这一限制、或是防止处理时的破损等的观点出发，优选的是，含有保护主模的效果，并以2P成形来将复制模成形于玻璃基板，从而将其作为2P成形用的模具来使用。
首先，针对透镜的复制模的制作进行说明。为了制作复制模而使用的紫外线固化性树脂无需与为了使本发明的光学部件成形而使用的紫外线固化性树脂相同，而是使用重复转印性及形状(尺寸)稳定性优良(例如，固化收缩较少)的紫外线固化性树脂作为复制模。
透镜的主模采用透镜成形时的材料即紫外线固化性树脂的折射率1.70(波长850nm)，并基于以下规格来设计：会将从面发光激光(VCSEL)以20°的辐射角发出的光转换为平行光。具体而言，设为如下这样的规格：在透明基板，形成有非球面透镜阵列，该非球面透镜阵列以0.25mm间隔配置有8个透镜直径＝φ0.24mm、透镜高度(sag)＝0.033mm的透镜。
图13的(a)～图13的(d)是用于说明透镜的复制模的制作工序的图。首先，如图13的(a)所示，将形成有透镜形状的反转形状(凹形状)的透镜用模具90作为主模来使用，通过2P成形，以紫外线固化性树脂98在玻璃基板97上形成凸形状的复制模。图13的(b)表示完成后的凸形状的复制模99。接着，如图13的(c)所示，利用凸形状的复制模99，通过2P成形，以紫外线固化性树脂101来在玻璃基板100上形成凹形状的复制模。图13的(d)表示完成后的凹形状的复制模102。
接着，针对旋涡形状的复制模的制作进行说明。在此之前，针对期望的旋涡形状的形态进行叙述。通过旋涡形状与透镜的组合而得到的光束在旋涡形状的相位差ΔΦ为2π×m(m为旋涡形状的阶数且为整数)时，会取得轴对称性较高的环状的光强分布。进而，旋涡形状的相位差的绝对值越大，光束的光束直径(环直径)就会变得越大。
另一方面，在使光束入射到多模光纤时，要求适当的光束直径。当光束直径过小时，会易于受到多模光纤的芯的中心部的影响，难以抑制DMD。当光束直径过大时，会易于与多模光纤的所谓的高阶的传播模式耦合，并易于引起弯曲损耗等。因此，在本实施方式中，将入射到多模光纤的光的光束直径设为10～50μm。在此，光束直径是指光强分布的最大值的1/e2的强度下的最大的直径，在环状的光束的情况下，与环直径对应。
基于以被与旋涡形状一同使用的透镜的焦点距离及衍射极限为代表的性能，考虑旋涡形状的阶数m为6，即相位差ΔΦ＝2π×6那样的旋涡形状。
旋涡形状基于其成形所使用的紫外线固化性树脂的折射率1.37(波长850nm)与形成于旋涡形状的上层(即第1层)的透镜用的紫外线固化性树脂的折射率之差Δn的绝对值，即0.33而设计。虽然根据阶数的正负或Δn的正负，旋涡形状的相位差ΔΦ会为正或为负，但是在相位差的绝对值相同且正负的符号相反的情况下，因为若仅是光学旋涡的回旋方向逆转，在取得的光强分布上不会产生差异，所以在此，在考虑旋涡形状的相位差时，将各项的符号设为正(+)。
根据以上研究，针对旋涡的形状，具体而言，通过以0.25mm的间隔配置8个拓扑荷数mc＝1、直径＝φ0.24mm、最大高度差d＝0.015mm的旋涡形状的方式来制作。
因为即使旋涡形状的模具的形状在主模与源自其的复制模上是相反的，但是相位差的绝对值也相同，所以对于形成本发明的光学部件的2P成形用的模具而言，1次转印成形、2次转印成形中的哪种复制模都能够使用。可以说，优选的是如下一点：与仅使用偶数次或奇数次转印中的一者的通常的凸或凹透镜的情况相比，模具的使用效率会变高，即使在模具因各种因素而损坏时，也容易得到备用件(backup)。
图14的(a)及图14的(b)是用于说明旋涡形状的复制模的制作工序的图。如图14的(a)所示，将旋涡形状用模具91作为主模来使用，通过2P成形，以紫外线固化性树脂104来在玻璃基板103上形成凸形状的复制模。图14的(b)表示完成后的凸形状的复制模105。
对于透镜用模具90及旋涡形状用模具91、以及用于对本发明的光学部件进行2P成形的复制模，为了使紫外线固化性树脂在固化后容易脱模，优选实施脱模剂的涂敷。关于脱模剂，用氟系的涂敷剂稀释到0.1％，并以旋涂或浸涂进行涂布之后，在60℃、90％RH左右的高温高湿环境中保持1小时以上，进行涂敷。
作为玻璃基板，只要针对使用的波长(例如850nm)为透明即可，也能够使用以钠钙玻璃及硼硅酸玻璃为代表，实质上不含碱金属元素的无碱玻璃。尤其是，在将包含具有TGV的玻璃基板的内插器作为基板而使用的情况下，因为当玻璃基板包含碱金属元素时，高频特性会变差，所以使用无碱玻璃作为基板是有优势的。为了对成形旋涡形状的紫外线固化性树脂的粘接性(强度)进行改良，优选对玻璃表面实施硅烷偶联剂的表面处理。
图15的(a)～图15的(d)是用于说明阵列状的旋涡形状的制作工序的图。首先，如图15的(a)所示，向旋涡形状的成形用的复制模105滴下紫外线固化性树脂111。紫外线固化性树脂111为丙烯酸酯系的紫外线固化性树脂，能够使用具有固化后的折射率为1.37(波长850nm)、光透射率90％的特性的树脂。
接着，如图15的(b)所示，使玻璃基板107贴合，并使紫外线固化性树脂111展开到目标树脂展开区域为止。在需要玻璃基板107与旋涡形状的对准(例如在玻璃基板107设置有开口)的情况下，一边用显微镜等来进行玻璃基板107的靶(target)与复制模105的靶的对准，一边使紫外线固化性树脂111展开。
接着，如图15的(c)所示，照射紫外线，从而使紫外线固化性树脂111固化。在紫外线固化性树脂111固化后，如图15的(d)所示，进行复制模105的脱模，得到旋涡形状成形层106。
图16的(a)～图16的(d)是用于说明透镜阵列的制作工序的图。在由图15的(a)～图15的(d)的工序制作的旋涡形状成形层106(图1所示的光学部件10的第2层14)上，使透镜成形层(图1所示的光学部件10的第1层12)成形。
首先，如图16的(a)所示，向透镜成形用的复制模102滴下紫外线固化性树脂112。作为紫外线固化性树脂112，能够使用丙烯酸酯系的紫外线固化性树脂。紫外线固化性树脂可具有固化后折射率为1.70(波长850nm)、光透射率80％的特性。
接着，如图16的(b)所示，将其与被成形在玻璃基板107上的旋涡形状成形层106贴合，一边进行旋涡形状成形层106的靶与透镜成形用的复制模102的靶的对准，一边使紫外线固化性树脂112展开到目标树脂展开区域为止。此时，为了使旋涡形状与透镜对准，一边进行旋涡形状与透镜的两靶的对准，一边进行紫外线固化性树脂112的展开。
接着，如图16的(c)所示，照射紫外线，从而使其固化。在紫外线固化性树脂112固化后，如图16的(d)所示，进行复制模102的脱模，得到透镜成形层108。
图17的(a)～图17的(c)是用于说明旋涡形状与透镜的定位用的靶的图。图17的(a)为旋涡形状成形层106的靶。图17的(b)为透镜成形用的复制模102的靶。图17的(c)表示旋涡形状成形层106的靶与透镜成形用的复制模102的靶相匹配的状态。
虽然在上述说明中，针对在第1层的第1主表面形成有透镜，在第2层的第3主表面形成有旋涡形状的光学部件的制造方法进行了说明，但是针对在第1层的第1主表面形成有旋涡形状，在第2层的第3主表面形成有透镜的光学部件，也能够以同样的方法来制造。
(2)射出成形(双色成形)
接着，针对射出成形(双色成形)进行说明。在此，对在第1层的第1主表面以低折射率材料形成旋涡形状，在第2层的第3主表面以高折射率材料形成透镜的情况进行说明。在本实施例中，不使用基底材料(基板)。
在射出成形中，也使用与在图12的(a)～图12的(d)中说明的模具同样的模具(透镜用模具90及旋涡形状用模具91)。
在双色成形中，1次侧(1次成形材料)使用射出成形温度(树脂熔融温度)高于2次侧(2次成形材料)的材料。在此，在1次侧处，使用聚碳酸酯(PC)来使透镜成形，在2次侧处，使用丙烯酸(PMMA)来使旋涡形状成形。
透镜的模具(芯模)例如采用透镜成形时的材料，即PC的折射率1.64(波长850nm)，并基于如下规格来设计：会将从面发光激光(VCSEL)以辐射角20°发出的光转换为平行光。具体而言，设为了如下这样的规格：形成有非球面透镜阵列，该非球面透镜阵列以0.25mm间隔配置有8个透镜直径＝φ0.24mm、透镜高度(sag)＝0.035mm的透镜。
旋涡形状的模具(芯模)与2P成形的情况相同，设为针对使用波长λ＝850nm，会产生2π×6的相位差那样的形状，并基于旋涡形状的成形所使用的PMMA的折射率1.49(波长850nm)与形成于旋涡形状的下层(即第2层)的透镜用的PC的折射率1.64之差Δn的绝对值0.15来设计。具体而言，以0.25mm间隔配置并制作有8个拓扑荷数mc＝1、直径＝φ0.24mm、最大高度差d＝0.034mm的旋涡形状。
图18是用于说明成形机140的构成的概略图。如图18所示，在固定侧的空腔，配置有透镜用模具90的(芯)及旋涡形状用模具91(芯)，在可动侧的旋转工作台141，搭载有共用模具142作为芯。
首先，如图18所示，将共用模具142配置于1次成形部，进行透镜的成形。使用射出成形机附属的射出单元(未图示)，经由1次侧浇道145来向透镜用模具90与共用模具142之间射出树脂。
图19是用于说明旋涡形状的成形的图。如图19所示，在开模后，使旋转工作台141旋转，并使形成有透镜的共用模具142移动到2次成形部。
图20是表示为了使旋涡形状成形而进行树脂射出的情况的图。使用安装于模具的射出单元(未图示)，经由2次侧浇道146而向旋涡形状用模具91与共用模具142之间射出树脂。
图21是表示成形品的取出情况的图。在开模后，取出成形品150，从而得到本发明的光学部件。
虽然在上述说明中，针对在第1层的第1主表面形成有旋涡形状，在第2层的第3主表面形成有透镜的光学部件的制造方法进行了说明，但是针对在第1层的第1主表面形成有透镜，在第2层的第3主表面形成有旋涡形状的光学部件，也能够以同样的方法来制造。
以上，基于实施方式，对本发明进行了说明。本领域技术人员应理解的是，本实施方式仅为例示，在它们的各构成要素及各处理过程的组合中能够存在多种变形例，并且那样的变形例也在本发明的范围之内。
[附图标记说明]
10、50、70、200、300 光学部件、12、72、212 第1层、14、74、214 第2层、16、76、216第1主表面、18、78、218 第2主表面、20、80、220 第3主表面、22、82、222 第4主表面、24、84、224 透镜、26、86、226 旋涡形状、30 光模块、32 光源、34 聚光透镜、36 多模光纤、40、60光学元件、52、252、322 基板、54、254 第5主表面、56、256 第6主表面、90 透镜用模具、91旋涡形状用模具、93、94 不锈钢材、95、96 无电解镍-磷镀层、97、100、103、107 玻璃基板、98、101、104、111、112 紫外线固化性树脂、99、102、105 复制模、106 旋涡形状成形层、108透镜成形层、140 成形机、141 旋转工作台、142 共用模具、145 1次侧浇道、146 2次侧浇道、150 成形品、310、326 金属布线、320 VCSEL阵列、324 VCSEL、328 焊点。
[工业可利用性]
本发明能够利用于使用多模光纤的光通信。

Claims (10)

1.一种光学部件，包括：
第1层，其由具有第1折射率的第1材料形成，具有第1主表面及上述第1主表面的相反侧的第2主表面，以及
第2层，其由具有与上述第1折射率不同的第2折射率的第2材料形成，具有第3主表面及上述第3主表面的相反侧的第4主表面；
该光学部件中，将上述第1层与上述第2层以上述第2主表面与上述第3主表面抵接的方式层叠；
该光学部件的特征在于，
在上述第1层的上述第1主表面，形成有透镜；
在上述第2层的上述第3主表面，形成有旋涡形状。
2.一种光学部件，包括：
第1层，其由具有第1折射率的第1材料形成，具有第1主表面及上述第1主表面的相反侧的第2主表面，以及
第2层，其由具有与上述第1折射率不同的第2折射率的第2材料形成，具有第3主表面及上述第3主表面的相反侧的第4主表面；
该光学部件中，将上述第1层与上述第2层以上述第2主表面与上述第3主表面抵接的方式层叠；
该光学部件的特征在于，
在上述第1层的上述第1主表面，形成有旋涡形状；
在上述第2层的上述第3主表面，形成有透镜。
3.如权利要求1或2所述的光学部件，其特征在于，
进一步包括被配置在上述第2层的上述第4主表面上的光学元件。
4.如权利要求1或2所述的光学部件，其特征在于，
进一步包括具有第5主表面及上述第5主表面的相反侧的第6主表面的基板；
在上述基板上，以上述第4主表面与上述第5主表面抵接的方式，配置有上述第2层。
5.如权利要求4所述的光学部件，其特征在于，
进一步包括被配置在上述基板的上述第6主表面上的光学元件。
6.如权利要求3或5所述的光学部件，其特征在于，
上述光学元件为透镜、偏振器、波长板、相位板、棱镜、衍射光栅、滤光器、镜子、半反射镜、发光元件、以及受光元件中的至少一个。
7.如权利要求1～6的任何一项所述的光学部件，其特征在于，
阵列状地配置有上述旋涡形状与上述透镜的组。
8.如权利要求1～7的任何一项所述的光学部件，其特征在于，
针对波长850nm的上述第1折射率与上述第2折射率的折射率差为0.15以上。
9.一种光学部件的制造方法，该光学部件为如权利要求1或2所述的光学部件；
该制造方法的特征在于，包括：
向用于使上述第2层成形的第2层用模具滴下上述第2材料的工序，
展开上述第2材料的工序，
对上述第2材料照射光以使其固化的工序，
使上述第2层用模具脱模并取出上述第2层的工序，
向用于使上述第1层成形的第1层用模具滴下上述第1材料的工序，
将上述第2层与上述第1层用模具贴合，并展开上述第1材料的工序，
对上述第1材料照射光以使其固化的工序，以及
使上述第1层用模具脱模，取出上述第1层与上述第2层的层叠体的工序。
10.一种光学部件的制造方法，该光学部件为如权利要求1或2所述的光学部件；
该制造方法的特征在于，包括：
向用于使上述第2层成形的第2层用模具与共用模具之间，射出上述第2材料的工序，
冷却上述第2材料以使其固化的工序，
对上述第2层用模具和上述共用模具进行开模的工序，
向用于使上述第1层成形的第1层用模具与形成有上述第2层的上述共用模具之间，射出上述第1材料的工序，
冷却上述第1材料以使其固化的工序，以及
对上述第1层用模具和上述共用模具进行开模，取出上述第1层与上述第2层的层叠体的工序。
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