JP4260061B2 - 屈折率分布レンズおよびそれを用いた複合光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、屈折率分布レンズおよびそれを用いた複合光学素子、光学回路、光集積回路に関するものである。

従来のレンズは表面が球面などの曲面からなる凸レンズが一般的である。これに対し、ガラスやポリマ材料に屈折率分布を与えた図２６のような屈折率分布型レンズが、例えばセルフォックレンズという商標で生産・販売されている。このようなレンズは小型化に適するだけでなく、例えばレンズ端面に焦点を結ぶように作製できるため、コリメート光学系や共焦点光学系が容易に構成できるという特長があるため、光ファイバ通信やスキャナの光学系など光情報処理分野で広く用いられている。

こうした屈折率分布レンズとして、屈折率が異なる層を多数積層するものが、特開昭６３−２７３８０１号公報に開示されている。このレンズでは、ＺｎＳＳｅなどの結晶をＭＢＥなどの方法で組成比を変えながら積層することにより所望の屈折率分布を得ている。しかしながら、同号公報記載のレンズでは、各層が１０μｍ程度となると周辺部の屈折率の変動の大きい部分での誤差が大きくなり、副スポットが発生し、焦点が多重になるという問題があった。なお、副スポットが発生する原因については十分に解明されていないが、次のように推測される。すなわち、レンズの中央部では、屈折率変化が比較的小さく、また光の通過する物理的な距離も短い。これに対して、レンズの周辺部では、屈折率変化が大きく、光の通過する物理的な距離も長い。このため、レンズの周辺部では特に屈折率分布をステップ近似した影響が大きくなり、実際の焦点距離が設計と異なり、レンズの周辺部を通過した光が副スポットに集光すると推測される。

一方、特開昭６０−８４５０１号公報記載のレンズでは、周辺部の層厚を薄くし、さらにフレネル分布となるように設計することで、集光性の改善を図っている。しかしながら、この出願の方法では屈折率分布が回折格子を形成するよう設計する必要があり、光学素子の寸法、焦点距離や使用波長範囲などの光学特性に制限がある。また、層厚を広範囲に制御する必要があり、製造する上で困難を伴う。
特開昭６３−２７３８０１号公報 特開昭６０−８４５０１号公報

本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、焦点の多重化を抑制し、集光性の改善された屈折率分布レンズを提供することを目的とする。

本発明に係る屈折率分布レンズは、積層方向に屈折率分布を有する多層膜を備える屈折率分布レンズであって、光軸に対して少なくとも一方の側の前記多層膜は、互いに層厚がほぼ等しい２つ以上の層からなる第１の領域と、互いに層厚がほぼ等しく、かつ、第１の領域を構成する各層の層厚よりも厚い２つ以上の層からなる第２の領域を含むことを特徴とする。

本発明によれば、屈折率の異なる複数の層からなる多層膜において、層厚を不均等にしているため、
（１） 焦点距離が一致するように、中央部と周辺部の設計を変える。
（２） 中央部または周辺部の焦点を故意にぼかし、焦点深度を深くする。
のいずれかを実現することが可能となり、これにより、レンズの中央部と周辺部とで焦点距離を一致させ、副スポットの発生を抑制することができる。

層厚の異なる層を含む多層膜の態様としては、様々な形態を採用することができる。多層膜の一部にのみ他層と層厚の異なる層を介在させる形態としてもよいし、多層膜の中心部よりも中心部から離れた周辺部において厚みが大きくなるように構成してもよい。また、層厚分布が光軸を基準として非対称であってもよい。また、多層膜が光軸に対して一方の側にのみ存在していてもよく、多層膜が光軸の両側に存在してもよい。また、光軸が前記多層膜の積層方向のレンズ中心とずれていてもよい。こうした厚みの設計例については実施例にて後述する。

本発明の屈折率分布レンズにおいて、当該屈折率分布レンズの光軸と交差する側面の一部または全部が、前記積層方向と直交する水平面内において曲率をもつ凸面形状を有する構成とすることができる。この構成によれば、水平面内においても集光性を有する屈折率分布レンズが得られ、レンズ全体の集光性がより向上する。この場合、前記積層方向および前記光軸の方向と平行な面内における焦点距離と、前記水平面内における焦点距離とが略一致していることが好ましい。こうすることにより、さらに集光性が向上する。また非点収差を極めて小さくすることが可能である。

本発明の屈折率分布レンズにおいて、前記多層膜を構成する各層の焦点距離または焦点深度が、その層の材料または厚みに応じて調整されており、屈折率分布レンズ全体の焦点がほぼ一致するように構成してもよい。こうすることにより、焦点の多重化の抑制および集光性の改善を、より一層安定的に実現することができる。

本発明において、光軸と直交する多層膜の断面における、多層膜の積層方向に沿う屈折率分布は、様々な態様を採用することができる。たとえば、前記多層膜の積層方向に沿って前記断面の中心部から遠ざかるにしたがって屈折率が低下するようにしてもよい。

このとき、屈折率分布が式（１）で表される非球面をステップ近似した分布になるようにレンズを構成することができる。特に、屈折率分布を式（１）で表される関数のうち、双曲線関数または二次関数で表される分布にすることにより、優れた集光性を安定的に実現することができる。

また、屈折率分布が素子中央部と周辺部で異なる複数の２次関数をステップ近似したレンズでは、中央部と周辺部での焦点を一致されることにより、集光性を改善できる。周辺部の層厚を素子中央部より大きくすることにより、異なる複数の２次関数をステップ近似してもよい。

本発明の屈折率分布レンズにおいて、前記多層膜は、少なくとも一種の金属アルコキシドを含む有機無機複合体により構成してもよい。この構成によれば、屈折率および層厚の異なる複数の層を含む多層膜を簡便な工程で安定的に形成することができる。たとえば、上記材料を異なる組成で含む複数の溶液を用意し、これらを基板上に順次、注型、硬化することにより多層膜を形成することができる。また、こうした溶液を２種以上の液を混合して調製することとすれば、その混合比率を変えることで、所望の屈折率分布を制御性良く形成することが可能となる。

本発明の屈折率分布レンズを構成する多層膜は、基板上に形成してもよいし、基板を設けることなく形成することもできる。基板を設けない構成とする場合は、たとえば、基板上に多層膜を積層した後、基板を除去する工程により形成することができる。

本発明の屈折率分布レンズは、様々な分野に適用することが可能である。たとえば、他の光学素子と組み合わせた複合素子とすることができる。こうした複合光学素子の例として、発光素子、受光素子、ファイバのいずれかと、本発明に係る屈折率分布レンズとを一体化した構成が挙げられる。また、この複合光学素子において、屈折率分布レンズが光軸と斜めに交差する側面を有し、この側面に、全反射鏡、部分透過鏡および波長選択素子のうち少なくとも一つを備えた構成とすることができる。このようにすることで、コンパクトで光学特性に優れた複合光学素子を実現できる。

さらに、本発明によれば、上記屈折率分布レンズを、その他の光学素子、光機能素子等と組み合わせた光学回路が提供される。また、この光学回路を一枚の基板上に構成した光集積回路が提供される。この光集積回路において、上記屈折率分布レンズと光学回路の一部または全部が一体で形成されていてもよい。

また、本発明によれば、こうした光学回路または上記屈折率分布レンズを備えた光学的記録装置、光学的再生装置、光ピックアップ装置が提供される。さらに、発光素子および受光素子の少なくとも一方を含み、光ファイバまたは光ファイバを接続するためのコネクタと、上記屈折率分布レンズまたは上記光学回路とを備える光送受信モジュールが提供される。また、この光学回路、光集積回路において、基板の一部または全部、光学回路の一部または全部の少なくともいずれかが上記屈折率分布レンズと同じ材料により構成されていてもよい。このような構成とすることで、複数の上記屈折率分布レンズを組み合わせた光集積回路や、上記屈折率分布レンズを少なくとも一つと他の光学素子を設置するための案内溝、マーカー、テラスなどを一体化した光集積回路基板が、精度良く位置決めされて一括成型できる。

以上、本発明の構成について説明したが、これらの構成要素の任意の組合せもまた、本発明の態様として有効である。

以上説明したように本発明によれば、屈折率および層厚の異なる複数の層を含む多層膜により屈折率分布レンズを構成しているので、焦点の多重化を抑制し、集光性を改善することができる。

本発明は、製造上の簡便さから層厚の比較的厚い層を積層することを前提として、その場合に発生する焦点が多重となる問題を解決するため、以下の構造を提案するものである。

第一の構造は、屈折率分布レンズを構成する多層膜のうち一部の層について層厚を変えて意図的に集光性を落とし、逆に焦点深度を伸ばすことにより、その他の部分により集光された焦点と一致させるものである。

第二の構造は、光学素子の中央部と周辺部で異なる２次関数をステップ近似した屈折率分布とすることにより、周辺部の焦点のずれを補正するものである。
本発明の光学素子は、水平方向にはほぼ一様な層構造をなすため、平面基板上への積層により、その厚み方向の屈折率分布は容易に作製できる。その後、集光のための側面の曲面を含む任意の平面形状を切削、プレス加工、エッチングなどで作製できる。そのため、複数の本発明の光学素子を含む光学回路を一体整形することや、集光以外の機能を付加した本発明の光学素子を整形することが容易である。また、紡糸装置のような大規模な設備や、原材料としての特殊な不純物を含む真円度の高い精密なガラスロッドなどが不要なため、低コストで製造できる。

以下、本発明における多層膜の構成材料について説明する。多層膜は、有機系材料、半導体材料、または有機無機複合体材料により構成することができる。

有機無機複合体材料は、少なくとも１種の金属アルコキシドを含む。有機無機複合体材料は、さらに、有機重合体を含むこともできる。

金属アルコキシドとしては、一般には、Ｍ（ＯＲ）_ｎ（Ｍは金属、Ｒはアルキル基、ｎは２、３、４または５）、Ｒ′Ｍ（ＯＲ）_ｎ−１（Ｍは金属、Ｒはアルキル基、Ｒ′は有機基、ｎは２、３、４または５）、またはＲ′_２Ｍ（ＯＲ）_ｎ−２（Ｍは金属、Ｒはアルキル基、Ｒ′は有機基、ｎは２、３、４または５）で表されるものを用いることができる。金属アルコキシドは、オルガノアルコキシシランおよびシランカップリング剤と称されるものも含むことができる。

金属（Ｍ）としては、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａ１、Ｓｎ、Ｚｎ等が好ましく用いられる。たとえば、金属（Ｍ）が４価の金属の場合、Ｍ（ＯＲ）_４、Ｒ′Ｍ（ＯＲ）_３、またはＲ′_２Ｍ（ＯＲ）_２で表される金属アルコキシドを用いることができる。

アルキル基（Ｒ）としては、炭素数１〜５のアルキル基を用いることができる。
有機基（Ｒ′）としては、たとえば、アルキル基、アリール含有基、アクリロキシ含有基、メタクリロキシ含有基、スチリル含有基、エポキシ含有基等を用いることができる。

金属アルコキシドとしては、アルコキシシラン、チタンアルコキシド、またはジルコニウムアルコキシドが好ましく用いられ、特にアルコキシシランが好ましく用いられる。

アルコキシシランとしては、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラ−ｎ−プロポキシシラン、テトライソプロポキシシラン、テトラ−ｎ−ブトキシシラン、テトライソブトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、３−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン等が挙げられる。

チタンアルコキシドとしては、チタンイソプロポキシド、またはチタンブトキシド等が挙げられる。ジルコウムアルコキシドとしては、ジルコニウムイソプロポキシド、またはジルコニウムブトキシド等が挙げられる。

有機重合体としては、金属アルコキシドと有機無機複合体を形成し得るものであればどのようなものを用いることもできる。有機重合体としては、たとえば、カルボニル基を有する高分子重合体、ベンゼン環を有する高分子重合体、およびナフタレン環を有する高分子重合体を挙げることができる。有機重合体の具体例としては、たとえば、ポリビニルピロリドン、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミド、ポリイミド、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂等が挙げられる。光学的透明性に優れた有機無機複合体材料を形成する観点からは、ポリビニルピロリドン、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレンまたはこれらの混合物が有機重合体として好ましく用いられる。

さらに、３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシランの加水分解重縮合物、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランの加水分解重縮合物、ｐ−スチリルトリエトキシシランの加水分解重縮合物、およびｐ−スチリルトリメトキシシランの加水分解重縮合物も、有機重合体として好ましく用いられる。これらの有機重合体を用いて、ゾルゲル法により上記有機無機複合体材料を準備する場合、メタノール、エタノール、イソプロパノール、およびブタノール等のアルコールを溶媒として用いることができる。

一方、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン、およびポリビニルナフタレン等の樹脂を有機重合体として用いる場合には、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、およびジメチルホルムアミド等の溶媒を用いることができる。

また、多層膜は、種々のＵＶ硬化樹脂により構成することができる。このようなＵＶ硬化樹脂としては、たとえば、エポキシ樹脂を主成分とするエポキシ系ＵＶ硬化樹脂、アクリル系ＵＶ硬化樹脂、エポキシアクリレート系ＵＶ硬化樹脂、ポリウレタン系等ＵＶ硬化樹脂を用いることができる。

本発明における多層膜は、半導体材料により構成してもよい。たとえば、ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ系など他のIII−Ｖ族、あるいはＺｎＳｅ／ＺｎＳ系などのII−ＶＩ族が使用可能であり、特にＧａＮ／ＩｎＧａＮ系やＺｎＳｅ／ＺｎＳ系は可視域の波長帯でも使用できる。

こうした材料で構成する層は、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＡＬＤ（原子層堆積法）等により形成することができる。

本発明の屈折率分布レンズは、電気配線用基板、光送受信モジュールや光スイッチ、可変光減衰器、光サーキュレータ、光アイソレータ、光変調器、光増幅器、ビームスプリッタ、光カプラ、波長スプリッタ、インターリーバ、分散補償器、光結合器、光合分波器等の光通信デバイス、フォトカプラ、フォトインタラプタ、フォトリフレクタ、赤外線リモコン用送信および受信モジュール、レンズ付半導体レーザモジュール、レンズ付フォトダイオードモジュール等光機能部品、カメラ、スキャナ、光ピックアップなどの光学機器等に適用することができる。

以下、基板上に多層膜を形成した構成の薄膜レンズおよびそれを用いた素子の例について、図面を参照して説明する。

（実施例１）
図１は第１の実施例における光学素子の形状・寸法を示す図であり、図２は屈折率分布を示す図である。屈折率は式１を階段状に近似した分布となるよう設計されている。

この光学素子は下記の工程で合成される有機無機複合体から作製されている。

（１）金属アルコキシドの加水分解重縮合溶液の作製
＜溶液Ａ＞
３−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン（以下ＭＰＴＥＳ）：１３．２ｇ
エタノール：１４．２ｇ
塩酸（２Ｎ）：１．３５ｇ
を混合し、３０℃で４５時間放置後、加熱炉にて９０℃で４０分加熱することでエタノール（溶媒）を除去し、溶液Ａを得る。

＜溶液Ｂ＞
フェニルトリメトキシシラン（ＰｈＴＭＳ）：１３．２ｇ
エタノール：１４．２ｇ
塩酸（２Ｎ）：１．３５ｇ
を混合し、３０℃で４５時間放置後、加熱炉にて９０℃で４０分加熱することでエタノール（溶媒）を除去し、溶液Ｂを得る。

溶液Ｂと溶液Ａを混合することで、ＭＰＴＥＳの加水分解物中のＯＨ基とＰｈＴＥＳの加水分解物中のＯＨ基が重縮合により結合する（この段階ではまだ溶液状態）、更に光照射や加熱により、ＭＰＴＥＳ中のメタクリロキシ基が重合することで全体が硬化し固体となる。得られた固体の屈折率は、溶液Ａと溶液Ｂの混合比により約１．４９（溶液Ａが１００ｗｔ％時）〜約１．５４（溶液Ａが２３．５ｗｔ％時）まで制御可能である。

（２）光学素子の作製
(i)弾性材料で製作された型をガラス板上に設置する。なお、弾性材料は、ポリシロキサン系の材料とすることができる。このような材料として、たとえばシリコーンゴムを用いることができる。これにより、剥離性が向上する。

(ii)上記型内に溶液Ａを加え（液面がガラス基板側から約０．５ｍｍ程度まで入れる）、ガラス基板の下方より紫外線ランプ（１５０Ｗ）を一定時間照射することで、溶液Ａのガラス基板側から約１０μｍの領域までを硬化する（領域１）。なお、領域１の屈折率は約１．５０５である。

(iii)次に型内に残留している未硬化の溶液Ａに溶液Ｂを加え十分に攪拌後、上記(ii)と同様に光照射することで、領域１上にさらに１０μｍの厚みを有する領域２を形成する。なお、領域２の屈折率は１．５０６である。

(iv)領域５以降はこの厚みを２０μｍとし、同様の積層を続ける。中央部の領域７と８は１．５１０と同じ屈折率なので、この層は合計４０μｍとなる。領域１１以降は厚みを１０μｍとし、(iii)と同様の工程を繰り返した。

積層終了後、型を除去することで、図１に示す構造の屈折率分布レンズを作製した。図中、ａ〜ｅの値は、適宜変更可能であるが、本実施例では以下のようにした。ａは、第５層から第１０層までの各層の厚みを示す。ｂは、第１層から第４層まで、および第１１層から第１４層までの各層の厚みを示す。ここで第１層とは、図１（ａ）において、最下層の層を指し、上方にむかって、第２層、第３層・・・とする。
ａ＝２０μｍ
ｂ＝１０μｍ
ｃ＝２００μｍ
ｄ＝２ｍｍ
ｅ＝１ｍｍ
上面図において、面２の曲率は０．６７５である。この屈折率分布レンズは、図２に示すような層厚方向の屈折率分布を有する。

（比較例１）
本比較例では、基板上の多層膜を構成する各層の層厚を１０μｍと一定にした。このこと以外は実施例１と同様にして屈折率分布レンズを作製した。得られたレンズは、図２６に示す構造を有する。屈折率分布の近似関数は、実施例１と同様、図２６中の式１で表される。

実施例１および比較例１で得られた屈折率分布レンズの面２に、ＨｅＮｅレーザより出射されたコリメート光を入射した。いずれについても、光は屈折率分布レンズの厚み方向の屈折率分布により次第に曲げられるとともに、水平方向には面２のシリンドリカル形状により曲げられ、面１上に集光された。

この面１における集光スポットの、屈折率分布レンズの厚み方向の光強度分布を測定した結果、実施例１では図３のような分布となり、比較例１では図２７のような分布となった。比較例１では、周辺部の屈折率の変動の大きい部分での誤差が大きくなり、副スポットが発生して焦点が多重になることが確認された。これに対し実施例１では、副スポットの発生は認められず、良好な光強度分布が得られた。また、実施例１ではスポットの半値全幅が約７μｍであり、比較例１の約６μｍと比較して集光特性が改善された。また、実施例１のレンズでは、各面が下面に対し垂直となるように作製したので、光軸が屈折率分布レンズによって曲げられることなく直進した。

実施例１では多層膜材料としてＭＰＴＥＳを用いたが、これに代えて３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン（ＭＰＴＭＳ）、あるいはＰｈＴＭＳの代わりにフェニルトリエトキシシシラン（ＰｈＴＥＳ）を用いても同様の結果が得られることを実験により確認している。また、今回は作製が容易であることから面２を円筒面としたが、この面を２次関数状に加工することで、近軸領域では非点収差が理論上０となる。さらに、本実施例のように有機無機複合体を用いるのではなく、所望の屈折率に調整された樹脂を同様に積層することにより、ポリマでも同様の構造は作製可能である。

また、今回は領域１〜４、１１〜１４の薄い部分の層厚を１０μｍとしたが、この層厚は波長の２倍以下では前述の焦点が多重化する減少は顕著でなく、また３０倍以上では集光機能そのものが著しく劣化することが実験で確認された。よって、薄い部分の層厚が波長の２倍〜３０倍の範囲であれば、本発明のように一部の層厚を変えることによる焦点のずれの補正は有効である。

（実施例２）
図４は第２の実施例における屈折率分布レンズの形状・寸法を示す図であり、図５は屈折率分布を示す図であり、屈折率は素子中央部では式２−１、周辺部では式２−２の分布をステップ近似した分布となるよう設計されている。

実施例２では、実施例１と同じ材料を用い、各層の厚みを以下のようにした。
第１層から第４層まで、および第１７層から第２０層まで：１１μｍ
第５層および第１６層：１０μｍ
第６層と第１５層：１６μｍ
このようにして作製した本実施例の屈折率分布レンズに、第１の実施例と同様にＨｅＮｅレーザの光を入射したところ、やはり面１上に集光された。本実施例における集光スポットの厚み方向の光強度分布は図６である。半値全幅は約５μｍであり、実施例１よりもさらに改善された。

本実施例のように中央部と周辺部で異なる２次関数をステップ近似した屈折率分布を与えることによる方法でも、実施例１同様薄い部分の層厚が使用する波長の２倍〜３０倍程度であれば焦点のずれの補正は有効である。

本実施例によれば、光学素子の中央部と周辺部で異なる２次関数をステップ近似した屈折率分布とすることにより、周辺部の焦点のずれが補正され、優れた性能の屈折率分布レンズが提供される。

（実施例３）
図７は第３の実施例における屈折率分布レンズの形状を示す図である。上面図において、面２の曲率は０．６９７、外形寸法は、実施例１と同様、図中横の長さが２ｍｍ、縦の長さが１ｍｍである。図８は屈折率分布を示す図であり、屈折率は素子中央部では式３−１、周辺部では式３−２の分布をステップ近似した分布となるよう設計されている。各層の厚みは実施例２と同様にした。

本実施例では、ＣＶＤ法により石英膜を積層し、各層が所望の屈折率となるよう成膜中にＧｅを添加することにより、屈折率分布レンズを作製した。屈折率とＧｅ添加量の関係は、例えば文献１「光通信ハンドブック」柳井久義編朝倉書店刊の５．３節に示されている。また、形状の加工はフォトリソグラフィとフッ酸によるウエットエッチングにより行った後、各側面を研磨した。

このようにして作製した本実施例の屈折率分布レンズに、第１の実施例と同様にＨｅＮｅレーザの光を入射したところ、やはり面１上に集光されることが確認された。

なお、ガラスを用いた本発明の屈折率分布レンズの製造方法として、石英にＧｅなどの不純物を添加しながら火炎堆積、スパッタリング、蒸着などを行うことでも屈折率分布の形成が可能である。

（実施例４）
図９は第４の実施例における屈折率分布レンズの形状を示す図である。上面図において、面２は式４−３に示される形状を有する。外形寸法は、実施例１と同様、図中横の長さが２ｍｍ、縦の長さが１ｍｍである。図１０は屈折率分布を示す図であり、屈折率は素子中央部では式４−１、周辺部では式４−２の分布をステップ近似した分布となるよう設計されている。また、面２の形状は円筒面ではなく式４−３の二次関数で表される曲面となる。この曲面は双曲線関数であってもよい。

本実施例では、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｌＡｓ結晶を有機金属気相成長法により成長し、成長中のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）の流量を変化させることにより式３の屈折率分布を得ている。なお、結晶の組成と屈折率の関係は、例えば文献２「応用物理学シリーズ半導体レーザ」伊賀健一著オーム社刊などで開示されている。形状の加工はフォトリソグラフィとＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により行った。そのため面２の形状が円筒でなくても加工が容易である。

本実施例においては、材料が可視光を透過しないため、光源として波長１．３μｍの半導体レーザを単一モード光ファイバに導入して動作の確認を行った。本実施例においても、面１上に集光することが確認された。

本実施例では材料にＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ系を用いたが、これ以外にＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ系など他のIII−Ｖ族、あるいはＺｎＳｅ／ＺｎＳ系などのII−ＶＩ族も使用可能であり、特にＧａＮ／ＩｎＧａＮ系やＺｎＳｅ／ＺｎＳ系は可視域の波長帯でも使用できる。

（実施例５）
図１１（ａ）は、第５の実施例における屈折率分布レンズの形状・寸法を示す図であり、図１１（ｂ）は、屈折率分布を示す図である。本実施例における屈折率分布の近似関数は、実施例１と同様であり、光軸を最大値とする二次曲線を階段状に近似した分布となるように設計されている。

実施例５では、実施例１と同じ材料が用いられる。本実施例では、屈折率分布レンズの各層の厚みは、実施例１とは逆に、周辺部の第１層、第２層および第１５層、第１６層がそれぞれ２０μmと厚くなっており、中央部の第３から第１４層がそれぞれ１０μmと薄く設定されている。本実施例のように構成された屈折率分布レンズの場合にも、実施例１と同様に副スポットが抑制されることが確認された。

（実施例６）
図１２（ａ）は、第６の実施例における屈折率分布レンズの形状・寸法を示す図であり、図１２（ｂ）は、屈折率分布を示す図である。本実施例では、屈折率分布レンズの屈折率分布の近似関数および屈折率分布レンズの各層の厚みは、実施例２と基本的には同様であるが、光学系を構成する他の光デバイスと光軸を合わせるために、最外層のいずれか（図１２（ａ）では第１層）を第２層から第４層の各層よりも厚く設定した。このため、実施例６では、光軸が多層膜の積層方向のレンズ中心とずれている。実施例６では、実施例１と同じ材料が用いられる。本実施例のように層厚分布が光軸を基準として非対称になるように構成された屈折率分布レンズの場合にも、実施例１と同様に副スポットが抑制されることが確認された。

なお、最外層のいずれかの層厚を薄くすることも可能であり、このような構成においても実施例１と同様に副スポットが抑制される。

（実施例７）
図１３（ａ）は、第７の実施例における屈折率分布レンズの形状・寸法を示す図であり、図１３（ｂ）は、屈折率分布を示す図である。本実施例では、光軸に対して一方の側の各層（図１３（ａ）では上半分）の層厚が均等に構成され、光軸に対して他方の側の各層（図１３（ａ）では下半分）の層厚が実施例２と同様の屈折率分布レンズおよび層厚分布で構成されている。本実施例では、主スポットの下側にのみ副スポットが発生する。この副スポットは、たとえば光ファイバの固定台をフォトダイオードとして、モニタ信号を検出する用途などに利用可能である。本実施例のように、多層膜が光軸に対して一方の側にのみ存在し、層厚分布が光軸を基準として非対称になるように構成された屈折率分布レンズの場合にも、実施例１と同様に副スポットが抑制されることが確認された。

（実施例８）
図１４（ａ）は、第８の実施例における屈折率分布レンズの形状・寸法を示す図であり、図１４（ｂ）は、屈折率分布を示す図である。本実施例では、光軸と垂直方向の断面における屈折率分布は実施例２と同様であるが、各層は光軸を中心とする同心円状に積層されている。本実施例においては、屈折率分布レンズの屈折率分布に応じて、中心を通るいずれの角度の平面内の光も集光される。このため、本実施例では、端面の曲面加工はなくてもかまわない。

（実施例９）
図１５は第９の実施例における屈折率分布レンズの形状・寸法を示す図である。厚み方向の構造、屈折率分布は実施例２と同様であるので省略する。また、作製方法は第１実施例とほぼ同様の加工を行った後、同じ形状の本実施例の屈折率分布レンズを積み重ね、反射膜の必要な部分のみ露出するメタルマスクを施してＡｌを真空蒸着した。反射膜は、他にメッキや反射塗料を塗布するなどの方法で作製できる。

本実施例においては、面２より入射した平行光は反射膜を施した曲面により、面１上に集光する。

なお、本実施例の屈折率分布レンズは、面１、面２ともに平面であるため、複数の本実施例の屈折率分布レンズを接続する場合に一体化が可能であるなどの特徴を有する。

（実施例１０）
図１６は第１０の実施例を示す図である。屈折率分布レンズ１００を光ファイバ１０２に組み合わせ、光ファイバ１０２の出射光を平行光として出力する機能を持たせたものである。屈折率分布レンズ１００はシリコン基板１０４上に形成されている。シリコン基板１０４にはウエットエッチングにより光ファイバの案内溝１０６が形成されており、光ファイバはその案内溝１０６によって位置決めされ接着剤で固定されている。

なお、光ファイバの代わりに発光素子を配置した光源を同様に作製することも可能であり、その場合案内溝はなくてもよいし逆にテラス状としてもよい。受光素子についても同様の構成とすることができる。

（実施例１１）
本実施例では、発光素子、受光素子および光ファイバに、屈折率分布レンズ１２０、１２２、１２４をそれぞれ取り付けたものと、キューブ型波長選択素子１０８とを、図１７のように同一基板上に配置した構造の素子を示す。発光素子としては発振波長１．３μｍの半導体レーザを用い、波長選択素子は１．３μｍ帯の光を透過し１．５５μｍ帯の光を反射するよう設計されたものを使用する。以上のような構成で、例えば特開昭６０−１８４２１６で開示されているような、送信と受信の光を波長多重した光送受信モジュールと同等の機能を、本発明の屈折率分布レンズを用いて構成できる。図１８はこの動作を説明する図である。送信においては発光素子から出射された１．３μｍの光信号が屈折率分布レンズ１２０によりコリメートされ、キューブ型波長選択素子１０８を透過し、屈折率分布レンズ１２４により集光され光ファイバ１１０に入射する。受信においては光ファイバ１１０より入射した光が屈折率分布レンズ１２４によりコリメートされ、キューブ型波長選択素子１０８で反射され、屈折率分布レンズ１２２により集光され受光素子によって受信される。

基板は発光素子の放熱や発光素子・受光素子の電気配線を考慮し、金属フレームを樹脂モールドしたものを基板とし、その上に第１の実施例と同様に有機無機複合体を積層、その後所望の形状に金型でスタンプする。スタンプの際、圧力を調整することにより本発明の屈折率分布レンズの下面周辺に同じ材料からなる薄い膜を剥離防止のために残してもよい。また、この金型で同時に基板の樹脂モールドにも溝を作製し、これを光ファイバを設置するための案内溝とした。

作製方法は以下に述べる通りである。まずこのシリコン基板上に実施例１と同様に、シリコーンゴム型を用いて図にある位置に３つの屈折率分布レンズ１２０、１２２、１２４を一括形成する。これらの屈折率分布レンズを基準にして発光素子、受光素子、光ファイバ、キューブ型フィルタを配置する。なお、３つの本発明の屈折率分布レンズが丁度キューブ型波長選択素子の３つの側面に接するよう配置すればフィルタ設置時の位置ずれが軽減できる。

本実施例の光送受信モジュールを用いて、送信に１．５５μｍ帯、受信に１．３μｍを使用する市販の送受信モジュールと通信を行ったところ、送信受信とも良好に伝送波形が再生された。そのアイパターンを図１９に示す。

なお、本実施例ではキューブ型波長選択素子を用いたが、基板に案内溝を一括成型するなどの方法を用いれば板状の波長選択素子も使用できる。また、半二重通信でよい場合は波長選択素子の代わりにキューブ型または板状の部分透過ミラーを用いてもよい。また、光ファイバはコネクタにより着脱可能としても構わない。

（実施例１２）
図２０に、本実施例に係る素子構造を示す。本実施例では、屈折率分布レンズ１３４の側面を斜めにし、そこへ波長選択素子１３０を形成している。屈折率分布レンズ１３４は、実施例２に示した構造のものを用いた。屈折率分布レンズ１３４の斜め角度は４５°とし、Ｖ型の刃を用いてダイシングにより形成した。波長選択素子１３０としては、ここでは、波長選択の機能を付与した透明シートを用いた。発光素子は、屈折率分布レンズ１３４において、その下面と光軸が平行になるよう斜めに設置した。半二重通信でよい場合は波長選択機能の代わりに部分透過機能を付与した透明シートを用いてもよい。

（実施例１３）
図２１に、本実施例に係る光送受信モジュールを示す。この光送受信モジュールは、波長選択機能を付与した実施例１３の素子を用いる。

基板１３７中に受光素子１３２が埋設され、その上に、屈折率分布レンズ１３４が形成されている。屈折率分布レンズ１３４の側面は、実施例１２と同様、斜めに形成されており、そこへ波長選択素子１３０が設けられている。発光素子１３８は、屈折率分布レンズ１３４に近い屈折率の材料からなる三角プリズムを介し、光軸が屈折率分布レンズ１３４の側面中央付近を通るように配置される。図中、屈折率分布レンズ１３６は、実施例１で説明したものと同じレンズである。

発光素子１３８から発せられた光は、図中の矢印の向きに進行し、屈折率分布レンズ１３４および屈折率分布レンズ１３６を介して光ファイバに導入される。一方、光ファイバからの入光は、図中の矢印の向きに進行して、屈折率分布レンズ１３６、屈折率分布レンズ１３４を介して受光素子１３２へ導かれる。

（実施例１４）
図２２は第１４の実施例で、第１３の実施例において波長選択素子の代わりに部分透過ミラーを配した屈折率分布レンズを用いた光ピックアップである。図中、図２１と重複する符号については説明を省略する。なお、集光スポットを小さく絞るため、本実施例では、口径およびＮＡを大きく設計した屈折率分布レンズを用いた。材料は実施例１で詳述したものと同じ有機無機複合体である。

（実施例１５）
本実施例に係る送受信モジュールの構造を図２３に示す。このモジュールは、実施例９に示した屈折率分布レンズを３個一体化してなる屈折率分布レンズ１４４と、実施例１１で示したキューブ型波長選択素子１４６とを一体形成した構成となっている。屈折率分布レンズ１４４には、発光素子（発行波長１．３μｍ）１４０と、受光素子１４２が接合している。

この光送受信モジュールの作製方法は以下の通りである。まず、実施例１および２の手順で、シリコーンゴム型に厚み方向に連続な屈折率分布を持つ一体化した本発明の屈折率分布レンズを形成する。次に、この屈折率分布レンズを金属基板に貼り付け、波長選択素子を挟むための切り込みを入れる。この切り込みは、加熱した刃を用いて機械的に加工することにより作製した。さらに、この切り込みに波長選択素子１４６を挟み込み、屈折率分布レンズに近い屈折率の接着剤で固定した。続いて発光素子を所定の位置に設置する。この後、この発光素子を光らせながら、光ファイバの位置を出力が最大になるよう調整した後、接着剤で固定した。最後に光ファイバの反対側より光を導入し、その光を受光素子で検出しながら、その出力が最大になるよう調整した後、接着剤で固定した。

（実施例１６）
図２４は第１６の実施例で、実施例１１の光送受信モジュールを搭載した携帯情報端末のブロック図である。中央処理装置１５２に、ディスプレイ１５０、記憶装置１５８、インターフェイス回路１５４が接続している。このインターフェイス回路１５４を介して、実施例７の光送受信モジュール１５６が接続されている。

本発明の屈折率分布レンズおよび光学回路は極めて小型、低背に構成できるので、このような携帯情報端末、携帯電話などへの搭載に特に適している。その他、メディアコンバータ、ネットワークハブ、ＯＮＵ、電話機などの通信機器やパーソナルコンピュータやその周辺機器など情報機器は言うに及ばず、テレビ受像機をはじめエアコン、冷蔵庫などいわゆるネットワーク家電のインターフェイスにも使用することができる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明した。これらは例示であり、様々な変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施例に係る屈折率分布レンズの構造を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの屈折率分布を示す図である。 屈折率分布レンズの厚み方向の光強度分布を測定した結果を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの構造を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの屈折率分布を示す図である。 屈折率分布レンズの厚み方向の光強度分布を測定した結果を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの構造を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの屈折率分布を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの構造を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの屈折率分布を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの構造および屈折率分布を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの構造および屈折率分布を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの構造および屈折率分布を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの構造および屈折率分布を示す図である。 実施例に係る屈折率分布レンズの構造を示す図である。 実施例に係る光学素子の構造を示す図である。 実施例に係る光学素子の構造を示す図である。 実施例に係る光学素子の構造を示す図である。 実施例に係る光送受信モジュールのアイパターンである。 実施例に係る光学素子の構造を示す図である。 実施例に係る光学素子の構造を示す図である。 実施例に係る光ピックアップの構造を示す図である。 実施例に係る光送受信モジュールの構造を示す図である。 実施例７の光送受信モジュールを搭載した携帯情報端末のブロック図である。 従来の屈折率分布レンズの構造を示す図である。 従来の屈折率分布レンズの屈折率分布を示す図である。 従来の屈折率分布レンズの厚み方向の光強度分布を測定した結果を示す図である。

符号の説明

１００ 屈折率分布レンズ、１０２ 光ファイバ、１０４ シリコン基板、１０
６ 案内溝、１０８ キューブ型波長選択素子、１１０ 光ファイバ、１２０
屈折率分布レンズ、１２２ 屈折率分布レンズ、１２４ 屈折率分布レンズ、１
３０ 波長選択素子、１３２ 受光素子、１３４ 屈折率分布レンズ、１３６
屈折率分布レンズ、１３７ 基板、１３８ 発光素子、１５０ ディスプレイ、
１５２ 中央処理装置、１５４ インターフェイス回路、１５８ 記憶装置。

Claims (15)

1. 積層方向に屈折率分布を有する多層膜を備える屈折率分布レンズであって、光軸に対して少なくとも一方の側の前記多層膜は、互いに層厚がほぼ等しい２つ以上の層からなる第１の領域と、互いに層厚がほぼ等しく、かつ、前記第１の領域を構成する各層の層厚よりも厚い２つ以上の層からなる第２の領域とを含み、
   前記第１の領域及び前記第２の領域を構成する各層の屈折率は、前記積層方向に沿って、断面の中心部から遠ざかるにしたがって低下するように分布していることを特徴とする屈折率分布レンズ。
2. 請求項１に記載の屈折率分布レンズであって、
   前記第１の領域と前記第２の領域との間に、いずれの領域とも異なる層厚の層を少なくとも１層有することを特徴とする屈折率分布レンズ。
3. 請求項１に記載の屈折率分布レンズであって、
   前記第２の領域が光軸に対して前記第１の領域よりも外側にあることを特徴とする屈折率分布レンズ。
4. 請求項１に記載の屈折率分布レンズであって、
   層厚分布が光軸を基準として非対称であることを特徴とする屈折率分布レンズ。
5. 請求項１に記載の屈折率分布レンズであって、
   前記多層膜が光軸に対して一方の側にのみ存在していることを特徴とする屈折率分布レンズ。
6. 請求項１に記載の屈折率分布レンズであって、
   前記多層膜が光軸の両側に存在していることを特徴とする屈折率分布レンズ。
7. 請求項１に記載の屈折率分布レンズであって、
   光軸が前記多層膜の積層方向のレンズ中心とずれていることを特徴とする屈折率分布レンズ。
8. 請求項１に記載の屈折率分布レンズにおいて、
   当該屈折率分布レンズの光軸と交差する側面の一部または全部が、前記積層方向と直交する水平面内において曲率をもつ凸面形状を有することを特徴とする屈折率分布レンズ。
9. 請求項８に記載の屈折率分布レンズにおいて、
   前記積層方向および前記光軸の方向と平行な面内における焦点距離と、前記水平面内における焦点距離とが略一致していることを特徴とする屈折率分布レンズ。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の屈折率分布レンズにおいて、
    前記多層膜が同心円状に積層されていることを特徴とする屈折率分布レンズ。
11. 請求項１乃至１０いずれかに記載の屈折率分布レンズにおいて、
    前記屈折率分布は、双曲線関数または二次関数をステップ近似した分布であることを特徴とする屈折率分布レンズ。
12. 請求項１乃至１１いずれかに記載の屈折率分布レンズにおいて、
    前記多層膜は、少なくとも一種の金属アルコキシドを含む有機無機複合体により構成されていることを特徴とする屈折率分布レンズ。
13. 請求項１乃至１２いずれかに記載の屈折率分布レンズと、他の光学素子とを含むことを特徴とする複合光学素子。
14. 請求項１３に記載の複合光学素子において、
    前記光学素子は、発光素子、受光素子、ファイバのいずれかを含み、前記屈折率分布レンズと前記光学素子とが一体化していることを特徴とする複合光学素子。
15. 請求項１３または１４に記載の複合光学素子において、
    前記屈折率分布レンズは、光軸と斜めに交差する側面を有し、前記側面に、全反射鏡、部分透過鏡および波長選択素子のうち少なくとも一つを備えたことを特徴とする複合光学素子。

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