JP2005275060A - 光学素子及び光通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 繰り返しの温度変動の環境下で光学性能の低下を防止可能な光学素子及びその光学素子を含む光通信モジュールを提供する。
【解決手段】 この光学素子１３は、ガラス転移点が２３０℃以上でありかつ線膨張係数が４乃至６（×１０^−５・ｃｍ・ｃｍ^−１・℃^−１）の範囲内である樹脂を主構成成分とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、樹脂からなる光学素子及びその光学素子を含む光通信モジュールに関する。

近年では、小型レンズにおいては量産化や軽量化やコストダウンなどが可能である点でガラスレンズに変わり、例えばＰＣ（ポリカーボネート）やＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等の樹脂材料を用いたレンズが広く用いられている。

しかし、これらの樹脂からなる回折レンズ等の光学素子を例えば車載機器に用いた場合、その使用温度が度々変化する環境では、樹脂の耐熱温度よりも低い温度でありながら性能が劣化し、回折効率や収差などの光学性能の低下が発生するという問題が起こった。特に、回折格子などの微細な構造をもつ光学素子においてはこの問題が顕著であった。

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、繰り返しの温度変動の環境下で回折効率や収差などの光学性能の低下を防止可能な光学素子及びその光学素子を含む光通信モジュールを提供することを目的とする。

本発明者等は上記目的を達成するために、温度変化が繰り返される環境では、ガラス転移点と線膨張係数が回折効率や収差などの光学性能の変化に重要な要素であることを見出したことにより、本発明に至ったものである。

即ち、本発明による光学素子は、ガラス転移点が２３０℃以上でありかつ線膨張係数が４乃至６（×１０^−５・ｃｍ・ｃｍ^−１・℃^−１）の範囲内である樹脂を主構成成分とすることを特徴とする。

この光学素子によれば、繰り返しの温度変動の環境下で使用されても回折効率や収差などの光学性能の低下を防止可能である。

この光学素子は少なくとも片面に格子を有する場合に、回折効率や収差などの光学性能の低下を効果的に防止できる。この場合、格子は、アスペクト比が１以上のバイナリー格子等から構成できる。また、光学素子としては、格子を集光レンズ等のレンズの光学面に形成し、レンズ機能を併せ持つようにしてもよい。

本発明による別の光学素子は、ガラス転移点が２３０℃以上でありかつ線膨張係数が４乃至６（×１０^−５・ｃｍ・ｃｍ^−１・℃^−１）の範囲内である樹脂を主構成成分とし、少なくとも片面に構造性複屈折性を持つ格子を有することを特徴とする。

この光学素子によれば、繰り返しの温度変動の環境下で使用されても光学性能の低下を防止可能であり、少なくとも片面に構造性複屈折性のある格子を有する場合に、回折効率や収差などの光学性能の低下を効果的に防止できる。複屈折とは、光が複数の方向へ屈折作用を起こす現象であり、構造複屈折とは、この屈折作用を微細な構造により起こさせるものである。この構造性複屈折性のある格子としては、例えば、アスペクト比の大きい格子を利用した波長板などがあり、光源の偏光方向により屈折方向が変わる。

また、上記各光学素子において、前記格子が複数の格子を重畳した階段状の格子であるように構成できる。また、前記樹脂が熱可塑性のポリイミド樹脂であることが好ましい。

本発明による光通信モジュールは上記光学素子を含むことを特徴とする。この光通信モジュールによれば、繰り返しの温度変動の環境下で使用されても光学素子の回折効率や収差などの光学性能の低下を防止可能であるので、モジュール性能を維持できる。なお、この場合、光学素子としては回折格子やレンズがある。

本発明による双方向用光通信モジュールは、光ファイバの端末に向け光信号を送る発光素子と、前記光ファイバの端末からの光信号を受光する受光素子と、上記光学素子からなる分光手段と、を備え、前記分光手段が前記各光信号の異なる波長により前記光ファイバの端末と前記発光素子との間の第１光路と、前記光ファイバの端末と前記受光素子との間の第２光路と、を分離するように構成した。

この双方向用光通信モジュールによれば、繰り返しの温度変動の環境下で使用されても分光手段における回折効率や収差などの光学性能の低下を防止可能であるので、モジュール性能を維持できる。

本発明の光学素子及び光通信モジュールによれば、繰り返しの温度変動の環境下で回折効率や収差などの光学性能の低下を防止可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は本実施の形態の双方向光通信モジュールを半割にして内部を示す斜視図である。図２は図１の双方向光通信モジュールの縦方向の要部断面図（ａ）、図１の結合レンズの面上に形成されたグレーティングを拡大して示す平面図（ｂ）及びそのグレーチング構造をＣ−Ｃ線方向に切断して見た概略的な断面図（ｃ）である。図３は、図２（ｃ）のエシュロン格子１８の段数、ステップの総高さ及び総幅Ｗを説明するための図である。図４は、格子１５において互いに反対方向に向いている波長λ０の０次回折光と波長λ１の高次回折光とを模式的に示す図である。

図１，図２（ａ）に示すように、双方向光通信モジュール１０は、細長い略円筒状の筐体１９内に、発光素子１１と、受光素子１２と、光学素子としての結合レンズ１３と、を備える。発光素子１１と受光素子１２とは共通の基台１６上に設けられ、基台１６とともに筐体に固定されており、また、基台１６から外部に突き出た複数の接続ピン１７に電気的に接続している。

光ファイバ１を支持したファイバホルダ２が筐体１９内に挿入されて固定されており、光ファイバ１の端面３が筐体１９の内部に形成された空洞１４に露出している。光ファイバ１は波長多重方式による双方向光ファイバ通信のために外部の光ファイバ等の光伝送路に接続される。

結合レンズ１３は、筐体１９の空洞１４内に反対側の発光素子１１及び受光素子１２と対向するようにかつ光ファイバ１の端面３の近傍に配置されている。

結合レンズ１３の端面３側の面には、図２（ｂ）のように、格子１５が縞状に形成されている。格子１５は、図２（ｃ）の断面図に示すように、エシュロン格子１８が階段状に繰り返して形成されている。

発光素子１１が発光する光ビームｂ０は、結合レンズ１３及び格子１５を通過して０次回折光として光ファイバ１の端面３に入射し、光ファイバ１を通して外部の光伝送路に送ることができる。

一方、外部から伝送されてきた光ファイバ１の端面３からの光ビームは、格子１５及び結合レンズ１３を通過して格子１５により回折されて高次回折光ｂ１になって受光素子１２に入射する。

上述のように、双方向光通信モジュール１０では、図１，図２（ａ）、図４のように、光ファイバ１の端面３では光ビームｂ０と高次回折光ｂ１とは合波状態であるが、結合レンズ１３上に形成された格子１５により分波し、波長λ０の光ビームｂ０が一点鎖線のような第１光路を進み、波長λ１の高次回折光ｂ１が破線のような第１光路とは反対方向に第２光路を進み、発光素子１１及び受光素子１２側において互いの光路が分離する。

図２（ｃ）の格子１５のエシュロン格子１８（階段状格子）は、図３に示すように、例えば、段数が４であり、全体の高さＨが１５μｍ及び全体の幅Ｗが３８μｍである。

格子１５の形成された結合レンズ１３は樹脂からなり、樹脂としては、ガラス転移点が２３０℃以上のものであって、線膨張係数が４〜６(×１０^−５・ｃｍ・ｃｍ^−１・℃^−１)の範囲内のものである。好ましい樹脂としては熱可塑性のポリイミド樹脂があり、具体例としては、べスペルＴＰ８００５（デュポン製）、べスペルＴＰ８０５４（デュポン製）、ユピモールＲ（宇部興産製）等が挙げられる。

本実施の形態の双方向光通信モジュール１０をＷＤＭ（波長分割多重方式）により波長の異なる複数の光信号を同時に光ファイバで伝送可能な光通信システムの送信・受信端末に用いることで、上り及び下りの双方向において効率的な光信号の送信及び受信が可能となる。

また、結合レンズ１３には、図３のような微細構造のエシュロン格子１８からなる格子１５が形成されているが、図１の双方向光通信モジュール１０が繰り返しの温度変動の環境下で使用されても、格子１５は上記樹脂から構成されているので、回折効率や収差などの光学性能の低下を防止できる。

次に、格子１５を有する結合レンズ１３の作製法について図５を参照して説明する。図５は図１〜図３の格子を有する結合レンズを電子ビーム描画法により作製する手順（ａ）乃至（ｅ）を説明するための図である。

なお、電子ビーム描画法とは、本発明者等が、例えば、先に特願２００２−２４９６１４で提案したように、レンズのような光学素子等の面上に所望の描画パターンを電子ビームによる３次元描画でサブミクロンオーダーの高精度で形成できるものである。

まず、図５（ａ）のように、母型となる円柱状の樹脂材料からなる基材８０について基材８０の外径８１を基準として外周面８０ａを切削加工し、誤差０．５μｍ以下の精度で中心だしを行う。次に、図５（ｂ）のように、切削加工でレンズ形状となる凸型曲面８２（または凹型曲面）を加工する。

次に、図５（ｃ）のように、切削加工で外周面８０ａを基準として同心円線８３を加工してから、図５（ｄ）のように、同心円線８３を基準として凸型曲面８２の中心を合わせ、電子ビーム描画によって図２（ｃ）、図３のような格子パターンをレジスト上に形成する。必要に応じてＸ−Ｙ軸を決めるためのマークを加工する。この場合、レジスト厚さは例えば２μｍ程度である。

上述のようにして作製された基材８０には、図５（ｅ）の平面図のように、凸型曲面８２に回折パターンが形成される。

次に、プラズマシャワー等によるドライエッチングで、電子ビーム描画により形成されたレジストの格子パターンをマスクとして基材８０を加工する。このドライエッチングにより、基材８０上に格子パターンが転写される。

次に、ドライエッチングで成形した基材を母材として、電鋳金型を作製し、その金型によりポリアミド樹脂でレンズ成形を行うことで、図１〜３の格子１５を有する結合レンズ１３を得る。なお、基材を直接、母型金型として回折レンズを押圧成形するようにしてもよい。

次に、構造性複屈折性のある格子を有する光学素子としての波長板について図６を参照して説明する。

図６に示す波長板３０は、直線状に延びた溝状の凹部３１と、凹部３１を挟んで突き出た凸部３２とを規則正しく繰り返し形成したものであり、ガラス転移点が２３０℃以上のものであって、線膨張係数が４〜６(×１０^−５・ｃｍ・ｃｍ^−１・℃^−１)の範囲内の樹脂、好ましくはポリイミド樹脂から、図５と同様の電子ビーム描画法で作製できる。複数の凹部３１と複数の凸部３２とによりバイナリー格子が形成される。

波長板３０は、図６のように、凸部３２の高さｈ（溝の深さ）を波長程度とすることで、１／４波長板や１／２波長板として作用する。凸部３２の高さｈ及び凹部３１の幅ｄは、所望の光学機能が得られるように決められる。

複屈折とは、光が複数の方向へ屈折作用を起こす現象であり、構造複屈折とは、この屈折作用を微細な構造により起こさせるものであるが、図６の微細構造のバイナリー格子により入射光ａに対し遅相軸ａ１と進相軸ａ２の各方向に異方性が生じ、光が複数の方向ａ１，ａ２に屈折作用を起こす。

図６の格子のアスペクト比（ｈ／ｄ）が１以上になったり、格子が微細な構造となると、温度変動の影響が現れ易いが、図６の光学素子としての波長板によれば、波長板３０はポリイミド樹脂のようなガラス転移点が２３０℃以上であり線膨張係数が４〜６(×１０^−５・ｃｍ・ｃｍ^−１・℃^−１)の範囲内である樹脂から形成されるので、温度変動の影響を低減でき、このため、繰り返しの温度変動の環境下で使用されても光学性能の低下を防止できる。

次に、本発明を実施例により更に詳しく説明する。表１に示すように、実施例１として、べスペルＴＰ８００５（デュポン製ポリイミド樹脂）を用い、２波長を分波する図３のような階段状エシュロン格子をそれぞれ作成した。

更に、比較例１乃至３として、ゼオノア４８０Ｒ（日本ゼオン製ポリシクロオレフイン樹脂）、ポリカーボネート（光学グレード）、ポリメチルメタクリレート（光学グレード）を用い、同様の階段状エシュロン格子をそれぞれ作成した。

実施例１及び比較例１乃至３の各樹脂の線膨張係数は、ＡＳＴＭ Ｅ−２２８またはＪＩＳＫ７１９７（２０〜７０℃）による線膨張係数測定方法により得たものであり、表１にそれぞれ示す。実施例１の樹脂の線膨張係数は、４〜６(×１０^−５・ｃｍ・ｃｍ^−１・℃^−１)の範囲内であるが、比較例１〜３の各樹脂の線膨張係数は、６(×１０^−５・ｃｍ・ｃｍ^−１・℃^−１)以上である。また、実施例１の樹脂のガラス転移点は２３０℃以上であるが、比較例１乃至３の各樹脂のガラス転移点は、２３０℃未満である。

実施例１及び比較例１乃至３の階段状エシュロン格子は、図５の電子ビーム描画法により作製した金型で表１の各樹脂を用いてそれぞれ成形して得た。

実施例１及び比較例１乃至３の各階段状エシュロン格子について、２３℃５５％ＲＨの部屋で２４時間調湿した後、−１０℃と５０℃の温度を２時間毎に交互に維持し、それを５０回繰り返した後の、回折効率の劣化を調べた。なお、温度を変化させるときは、１０℃／分の変化率で行った。回折効率は光パワーメータによって測定した。

上記結果を表１に示す。表１から分かるように、光学性能としての回折効率は、実施例１では、上述の繰り返しの温度変動の環境下でも比較例１〜３よりも高く維持でき、光学性能の低下を防止できた。

以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、光学素子に形成する格子として図６のようなバイナリー格子であってもよい。この場合、アスペクト比（ｈ／ｄ）が１以上である格子が好ましい。

また、図１，図２の光通信モジュールでは、結合レンズに格子を形成したが、格子を別部材に形成し、格子を別部材として配置してもよいことは勿論である。

本実施の形態の双方向光通信モジュールを半割にして内部を示す斜視図である。 図１の双方向光通信モジュールの縦方向の要部断面図（ａ）、図１の結合レンズの面上に形成されたグレーティングを拡大して示す平面図（ｂ）及びそのグレーチング構造をＣ−Ｃ線方向に切断して見た概略的な断面図（ｃ）である。 図２（ｃ）のエシュロン格子１８の段数、ステップの総高さ及び総幅Ｗを説明するための図である。 図２、図３の格子１５において互いに反対方向に向いている波長λ０の０次回折光と波長λ１の高次回折光とを模式的に示す図である。 図１〜図３の格子を有する結合レンズを電子ビーム描画法により作製する手順（ａ）乃至（ｅ）を説明するための図である。 本実施の形態における光学素子としてバイナリー格子を有する波長板を概略的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 光ファイバ
１０ 双方向光通信モジュール
１１ 発光素子
１２ 受光素子
１３ 結合レンズ
１５ 格子
１８ エシュロン格子
３０ 波長板
３１ 凹部
３２ 凸部
ｈ 凸部３２の高さ
ｄ 凹部３１の幅
ｈ／ｄ アスペクト比

Claims (7)

1. ガラス転移点が２３０℃以上でありかつ線膨張係数が４乃至６（×１０^−５・ｃｍ・ｃｍ^−１・℃^−１）の範囲内である樹脂を主構成成分とすることを特徴とする光学素子。
2. 少なくとも片面に格子を有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. ガラス転移点が２３０℃以上でありかつ線膨張係数が４乃至６（×１０^−５・ｃｍ・ｃｍ^−１・℃^−１）の範囲内である樹脂を主構成成分とし、
   少なくとも片面に構造性複屈折性を持つ格子を有することを特徴とする光学素子。
4. 前記格子が複数の格子を重畳した階段状の格子であることを特徴とする請求項２または３に記載の光学素子。
5. 前記樹脂がポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の光学素子。
6. 請求項１乃至５いずれか１項に記載の光学素子を含むことを特徴とする光通信モジュール。
7. 光ファイバの端末に向け光信号を送る発光素子と、前記光ファイバの端末からの光信号を受光する受光素子と、請求項１乃至５いずれか１項に記載の光学素子からなる分光手段と、を備え、
   前記分光手段が前記各光信号の異なる波長により前記光ファイバの端末と前記発光素子との間の第１光路と、前記光ファイバの端末と前記受光素子との間の第２光路と、を分離するように構成した双方向用の光通信モジュール。
   
   

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