CN1573378A - 折射率分布透镜及采用其的复合光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够抑制焦点的多重化、改进聚光性的折射率分布透镜。由多层膜构成折射率分布透镜，多层膜含有多层折射率及层厚不同的层。

Description

折射率分布透镜及采用其的复合光学元件

技术领域

本发明涉及一种折射率分布透镜及采用其的复合光学元件、光学回路、光集成回路。

背景技术

以往的透镜，一般为表面由球面等曲面构成的凸透镜。对此，赋予玻璃或聚合物材料折射率分布的如图21的折射率分布透镜，例如以所谓“selfox透镜”的商标生产·销售。如此的透镜不只是适合小型化，例如由于能够以在透镜端面聚焦的方式制造，具有能够容易构成准直光学系或共焦点光学系的特长，所以，广泛用于光纤通信或扫描器的光学系等光信息处理领域。

作为如此的折射率分布透镜，在特开昭63-273801号公报中，公开了多层叠层不同折射率的层的折射率分布透镜。在该透镜中，用MBE等方法，一边变换组成比，一边叠层ZnSSe等结晶，如此得到所要求的折射率分布。但是，在该号公报记载的透镜中，如果各层达到10μm左右，在周边部的折射率的变动大的部分的误差增大，产生副焦点，存在焦点多重的问题。另外，关于产生副焦点的原因，还不能解释十分清楚，但推测如下。即，在透镜的中央部，折射率变化比较小，此外，光通过的物理距离也短。与此相对，在透镜的周边部，折射率变化大，光通过的物理距离也长。因此，可推测为，在透镜的周边部，特别是阶跃式近似折射率分布的影响增大，实际的焦距与设计不同，通过透镜的周边部的光聚光在副焦点。

另外，特开昭60-84501号公报记载的透镜，减薄周边部的厚度，此外，通过以形成非涅耳分布的方式设计，谋求改进聚光性。但是，在该申请的方法中，需要形成衍射光栅地设计折射率分布，对光学元件的尺寸、焦距或使用波长范围等光学特性有限制。此外，需要宽范围地控制厚度，在制造上有困难。

发明内容

本发明是针对上述问题而提出的，目的是提供一种能够抑制焦点的多重化、改进聚光性的折射率分布透镜。

本发明的折射率分布透镜，是备有在叠层方向具有折射率分布的多层膜的折射率分布透镜，其特征在于，相对于光轴，至少一方侧的上述多层膜，具有：第1区域，由折射率不同、层厚大致相等的连续2个以上的层构成；第2区域，由厚度比上述第1区域厚、折射率不同、层厚大致相等的连续2个以上的层构成。

如果采用本发明，在由折射率不同的多层构成的多层膜中，由于不均等地形成厚度，所以，能够实现：

(1)焦距一致地变化中央部和周边部的设计；

(2)故意使中央部或周边部的焦点模棱两可，加深焦点深度；中的任何以一个，由此，在透镜的中央部和周边部，能够使焦距一致，抑制副焦点的发生。

作为含有不同厚度层的多层膜的方式，能够采用各种方式。可以形成只在多层膜的部分层中夹持厚度不同于其他层的层的方式，也可以从多层膜的中心部，远离中心部的周边部，使厚度变大地构成。此外，厚度分布也可以以光轴为基准，为非对称。此外，多层膜，相对于光轴，也可以只存在一方侧，多层膜也可以存在于光轴的两侧。此外，光轴也可以偏离上述多层膜的叠层方向的透镜中心。关于如此的厚度的设计，将在后面以实施例叙述。

在本发明的折射率分布透镜中，与该折射率分布透镜的光轴交叉的侧面的一部或全部能够形成，在与上述叠层方向直交的水平面内，具有带曲率的凸面形状。如果采用此构成，能够得到即使在水平面内也具有聚光性的折射率分布透镜，能进一步提高透镜整体的聚光性。此时，优选上述叠层方向及与上述光轴方向平行的面内的焦距和上述水平面内的焦距大致一致。由此，可进一步提高聚光性。此外，还能够大大减小像散。

在本发明的折射率分布透镜中，构成上述多层膜的各层的焦距或焦点深度，可根据该层的材料或厚度进行调整，也可以以折射率分布透镜整体的焦点大致一致的方式构成。由此，能够更加稳定地实现抑制焦点的多重化及改进聚光性。

在本发明中，与光轴直交的多层膜的截面上的、沿多层膜的叠层方向的折射率分布，能够采用各种方式。例如，也可以沿上述多层膜的叠层方向，随着远离上述截面的中心部，降低折射率。

此时，能够以折射率分布形成用式(1)表示的阶跃式近似非球面的分布的方式，构成透镜。特别是，通过将折射率分布形成，用式(1)表示的函数中的双曲线函数或二次函数表示的分布，由此能够稳定实现优良的聚光性。

数1

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+\sqrt{1-(K+1)c^2{h}^2}}+A\·h^4+B\·h^6+C\·h^8+D\·h^{10}+E\·h^{12}+F\·h^{14}+G\·h^{16}+H\·h^{18}...\left(1\right)$

此处

另外，在阶跃式近似折射率分布在元件中央部与周边部不同的多个的二次函数的透镜中，通过使中央部与周边部的焦点一致，可以改善聚光性。也可以通过使周边部的层厚从元件中央部开始逐渐变大，阶跃式近似不同的多个二次函数。

在本发明的折射率分布透镜中，上述多层膜也可以由至少含有一种的金属烷氧化物的有机无机复合体构成。如果采用此构成，能够用简易的工序稳定形成含有折射率及厚度不同的多个层的多层膜。例如，准备按不同的组成含有上述材料的多种溶液，通过在基板上依次注模、硬化上述溶液，能够形成多层膜。此外，如果混合2种以上的液体，调制如此的溶液，通过变化其混合比率，能够控制性良好地形成所期望的折射率分布。

构成本发明的折射率分布透镜的多层膜，也可以形成在基板上。也能够不设置基板地形成。在设定不设置基板的构成时，例如，在基板上叠层多层膜后，能够利用去除基板的工序形成。

本发明的折射率分布透镜，可适用于多个领域。例如，能够设定与其他光学元件组合的复合元件。作为此种复合光学元件的例子，可举例发光元件、受光元件、纤维中的任何一种与本发明的折射率分布透镜一体化的构成。此外，在该复合光学元件中，形成折射率分布透镜具有与光轴斜交叉的侧面，在上述侧面，包括全反镜、部分透镜及波长选择元件中的至少1个的构成。通过如此形成，能够紧凑地实现光学特性优良的复合光学元件。

此外，如果采用本发明，能够提供一种与其他光学元件、光功能元件等组合上述折射率分布透镜的光学回路。此外，能够提供一种在一块基板上构成该光学回路的光集成回路。在该光集成回路，也可以整体形成上述折射率分布透镜和光学回路的一部分或全部。

此外，如果采用本发明，能够提供具有如此的光学回路或上述折射率分布透镜的光学记录装置、光学再生装置、光拾波器装置。此外，能够提供含有发光元件及受光元件中的至少一方，具有光导纤维或连接光导纤维的连结器、上述折射率分布透镜或上述光学回路的光收发送模块。此外，在该光学回路、光集成回路上，也可以利用与上述折射率分布透镜相同的材料，构成基板的一部或全部、光学回路的一部或全部中的至少任何一个。通过设定如此的构成，能够高精度定位地汇总成形：组合多个上述折射率分布透镜的光集成回路，或一体化用于设置上述折射率分布透镜中的至少一个和其他光学元件的导向槽、指示灯、平台等的光集成回路基板。

以上，说明了本发明的构成，但上述构成要素的任意组合，作为本发明的方式，同样有效。

如果采用以上说明的本发明，由于通过含有折射率及厚度不同的多个层的多层膜，构成折射率分布透镜，所以能够抑制焦点的多重化，改进聚光性。

附图说明

图1是表示实施例的折射率分布透镜的结构的图。

图2是表示实施例的折射率分布透镜的折射率分布的图。

图3是表示折射率分布透镜的厚度方向的光强度分布的测定结果的图。

图4是表示实施例的折射率分布透镜的结构的图。

图5是表示实施例的折射率分布透镜的折射率分布的图。

图6是表示折射率分布透镜的厚度方向的光强度分布的测定结果的图。

图7是表示实施例的折射率分布透镜的结构的图。

图8是表示实施例的折射率分布透镜的折射率分布的图。

图9是表示实施例的折射率分布透镜的结构的图。

图10是表示实施例的折射率分布透镜的折射率分布的图。

图11是表示实施例的折射率分布透镜的结构及折射率分布的图。

图12是表示实施例的折射率分布透镜的结构及折射率分布的图。

图13是表示实施例的折射率分布透镜的结构及折射率分布的图。

图14是表示实施例的折射率分布透镜的结构及折射率分布的图。

图15是表示实施例的折射率分布透镜的结构的图。

图16是表示实施例的光学元件的结构的图。

图17是表示实施例的光学元件的结构的图。

图18是表示实施例的光学元件的结构的图。

图19是实施例的光收发送模块的眼形图形。

图20是表示实施例的光学元件的结构的图。

图21是表示实施例的光学元件的结构的图。

图22是表示实施例的光拾波器的结构的图。

图23是表示实施例的光收发送模块的结构的图。

图24是搭载实施例7的光收发送模块的便携式信息终端的方块图。

图25是表示以往的折射率分布透镜的结构的图。

图26是表示以往的折射率分布透镜的折射率分布的图。

图27是表示以往的折射率分布透镜的厚度方向的光强度分布的测定结果的图。

图中：100：折射率分布透镜、102：光导纤维、104：硅基板、106：导槽、108：方型波长选择元件、110：光导纤维、120：折射率分布透镜、122：折射率分布透镜、124：折射率分布透镜、130：波长选择元件、132：受光元件、134：折射率分布透镜、136：折射率分布透镜、137：基板、138：受光元件、150：显示器、152：中央处理装置、154：接口线路、158：存储装置

具体实施方式

本发明从制造上的简易性方面考虑，以叠层厚度比较厚的层为前提，为解决此时产生的多重焦点的问题，提出以下结构。

第1结构是，对构成折射率分布透镜的多层膜中的部分层，通过变化厚度，有意图地降低聚光性，相反延伸焦点深度，由此利用其它部分使聚光的焦点一致。

第2结构是，在光学元件的中央部和周边部，通过设定阶跃式近似不同的二次函数的分布，修正周边部的焦点的偏差。

本发明的光学元件，由于在水平方向形成大致相同的层结构，因此，通过在平面基板上叠层，能够容易制作其厚度方向的折射率分布。其后，能够利用切削、冲压加工、刻蚀等，制作含有用于聚光的侧面的曲面的任意平面形状。因此，容易一体整形多个本发明的光学元件的光学回路，或容易整形附加聚光以外功能的本发明的光学元件。此外，由于不需要纺丝装置这样大规模的设备或含有作为原材料的特殊杂质的正圆度高的精密玻璃棒等，所以能够低成本制造。

以下，说明本发明的多层膜的构成材料。多层膜，可以由有机系材料、半导体材料或有机无机复合材料构成。

有机无机复合材料，至少含有1种金属烷氧化物。有机无机复合材料，还可以含有有机聚合物。

作为金属烷氧化物，一般，可以采用以M(OR)_n(M：金属、R：烷基、n：2、3、4或5)、R′M(OR)_n-1(M：金属、R：烷基、R′：有机基、n：2、3、4或5)或R′₂ M(OR)_n-2(M：金属、R：烷基、R′：有机基、n：2、3、4或5)表示的金属烷氧化物。金属烷氧化物，也可以包含称之为有机烷氧基硅烷及硅烷偶合剂的材料。

作为金属(M)，优选Si、Ti、Zr、Al、Sn、Zn等。例如，在金属(M)为4价的金属时，可以采用以M(OR)₄、R′M(OR)₃或R′₂M(OR)2表示的金属烷氧化物。

作为烷基(R)，可以采用碳数1～5的烷基。

作为有机基(R′)，例如，可以采用烷基、含芳基的基团、含丙烯酰氧基的基团、含甲基丙烯酰氧基的基团、含苯乙烯基的基团、含环氧基的基团等。

作为金属烷氧化物，优选采用烷氧基硅烷、烷氧基钛、烷氧基锆或烷氧基铌，特别优选采用烷氧基硅烷。

作为烷氧基硅烷，举例有四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷、四正丙氧基硅烷、四异丙氧基硅烷、四正丁氧基硅烷、四异丁氧基硅烷、苯三乙氧基硅烷、苯三甲氧基硅烷、二苯二乙氧基硅烷、二苯二甲氧基硅烷、二苯二乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧丙基甲基二甲氧基硅烷、3-丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、二苯二甲氧基硅烷等。

作为烷氧基钛，举例有异丙氧基钛或丁氧基钛等。作为烷氧基锆，举例有异丙氧基锆或丁氧基锆等。作为烷氧基铌，举例有五丁氧基铌等。

作为有机聚合物，只要是能够与金属烷氧化物形成有机无机复合体，哪种都可以采用。作为有机聚合物，例如，可以举例具有羰基的高分子聚合物、具有苯环的高分子聚合物及具有萘环的高分子聚合物。作为有机聚合物的具体例，例如，可举例聚乙烯吡咯烷酮、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、尿素树脂、密胺树脂等。从形成光学透光性优良的有机无机复合物材料的角度考虑，作为有机聚合物，优选采用聚乙烯吡咯烷酮、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或它们的混合物。

此外，作为有机聚合物，优选采用3-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷的水解缩聚物、3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷的水解缩聚物、p-苯乙烯基三乙氧基硅烷的水解缩聚物、二苯二甲氧基硅烷的水解缩聚物、二苯二乙氧基硅烷的水解缩聚物及p-苯乙烯基三甲氧基硅烷的水解缩聚物。采用这些有机聚合物，在利用溶胶凝胶法准备上述有机无机复合体材料时，可以采用甲醇、乙醇、异丙醇及丁醇等醇类作为溶剂。

另外，作为有机聚合物，在采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯及聚乙烯萘等树脂时，可以采用N-甲基-2-吡咯烷酮及二甲基甲酰胺等溶剂。

此外，多层膜能够由多种UV硬化树脂构成。作为如此UV硬化的树脂，例如，可以采用以环氧树脂为主成分的环氧系UV硬化树脂、丙烯酸系UV硬化树脂、环氧丙烯酸酯系UV硬化树脂、聚氨酯系等UV硬化树脂。

本发明的多层膜，也可以由半导体材料构成。例如，可以采用GaAs/GaAlAs系、InP/InGaAsP系、GaN/InGaN系等其他的III-V族或ZnSe/ZnS系等的II-VI族，特别是，即使在可视区的波长带也能够使用GaN/InGaN系或ZnSe/ZnS系。

由如此材料构成的层，能够用MOCVD法、MBE法、ALD(原子层堆积法)等形成。

本发明的折射率分布透镜，能够用于电配线用基板、光收发送模块或光开关、可变衰减器、光回转器、交织器、分散补偿器、光耦合器、光合分波器等光通信器件，光电耦合器、光电遮断器、光电反射器、红外线遥控用发送及接收模块、带透镜的半导体激光模块、带透镜的光电二极管模块等光功能部件、摄像机、扫描器、光拾波器等光学仪器等。

实施例1

以下，就在基板上形成多层膜的薄摸透镜及采用其的元件的事例，参照附图进行说明。

图1是表示第1实施例的光学元件的形状·尺寸的图，图2是表示折射率分布的图。以形成阶跃状近似式1的分布的方式，设计折射率。

该光学元件，由按以下工序合成的有机无机复合体制作。

(1)金属烷氧化物的水解缩聚溶液的制作

溶液A

3-甲基丙烯酰氧丙基三乙氧基硅烷(以下简称MPTES)：13.2g

乙醇：14.2g

盐酸(2N)：1.35g

混合上述原料，30℃下放置45小时后，通过用加热炉，90℃加热40分钟，去除乙醇(溶剂)，得到溶液A。

溶液B

苯基三甲氧基硅烷(PhTMS)：13.2g

乙醇：14.2g

盐酸(2N)：1.35g

混合上述原料，30℃下放置45小时后，通过用加热炉，90℃加热40分钟，去除乙醇(溶剂)，得到溶液B。

通过合混溶液A和溶液B，利用缩聚结合MPTES的水解物中的OH基(在此阶跃，还是溶液状态)，然后，利用光照射或加热，聚合MPTES中的甲基丙烯酰氧基，整体硬化，形成固体。得到的固体的折射率，根据溶液A和溶液B的混合比，能够控制到大约1.49(溶液A为100wt％时)～大约1.64(溶液A为23.5wt％时)。

(2)光学元件的制作

(i)在玻璃基板上设置用弹性材料制作的模。另外，弹性材料能够选用聚硅氧烷系的材料。作为此种材料，例如可以采用硅酮橡胶。由此，提高剥离性。

(ii)在上述模内加入溶液A(加入液面从玻璃基板侧升高到大约0.5mm左右)，通过从玻璃基板的下方，按规定时间照射紫外灯(150W)，从溶液A的玻璃基板侧，硬化到大约10μm的区域(区域1)。另外，区域1的折射率大约为1.505。

(iii)然后，通过在残留在模内的未硬化的溶液A中，加入溶液B，在充分搅拌后，与上述(ii)同样，进行光照射，在区域1上再形成具有10μm厚度的区域2。另外，区域2的折射率为1.506。

(iv)区域5以下，将其厚度设定为20μm，继续同样的叠层。中央部的区域7和8的折射率同为1.510，该层合计达到40μm。区域11以下，将厚度设定为10μm，重复与(iii)同样的工序。

叠层结束后，通过去除模，制作图1所示结构的折射率分布透镜。图中，a～e的值能够适宜变更，但在本实施例中确定如下。a表示从第5层到第10层的各层的厚度。e表示从第1层到第4层及从第11层到第14层的各层的厚度。此处，所谓的第1层，在图1(a)中，指的是最下层的层，朝上为第2层、第3层……。

a＝20μm

b＝10μm

c＝200μm

d＝2mm

e＝1mm

在上面图中，面2的曲率为0.675。该折射率分布透镜，具有如图2所示的层厚方向的折射率分布。

比较例1

在本比较例中，构成基板上的多层膜的各层的厚度固定为10μm。除此以外，与实施例1相同地制作折射率分布透镜。得到的透镜，具有图26所示的结构。折射率分布的近似函数，与实施例1同样，用图26中的式1表示。

在按实施例1及比较例1得到的折射率分布透镜的面2上，入射HeNe激光器出射的准直光。无论哪种，在利用折射率分布透镜的厚度方向的折射率分布，逐渐弯曲光的同时，在水平方向，利用面2的圆柱形状弯曲，聚光在面1上。

该面1上的聚光点的、折射率分布透镜的厚度方向的光强度分布的测定结果表明，在实施例1中形成图3所示的分布，在比较例中形成图27所示的分布。确认在比较例1中，周边部的折射率的变动大的部分的误差变大，产生副焦点，焦点形成多重。对此，在实施例1中，未发现产生副焦点，得到良好的光强度分布。此外，在实施例1中，光点的半值总宽度大约为7μm，与比较例1的大约6μm相比较，改进了聚光特性。此外，在实施例1的透镜中，由于与下面垂直地制作各面，所以，折射率分布透镜不弯曲光轴，直进。

在实施例1中，作为多层膜材料，采用MPTES，但通过实验发现，即使代替MPTES采用3-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)，或代替PhTMS采用苯基三乙氧基硅烷(PhTES)，也能够得到相同的结果。此外，本次从易于制作的角度考虑，将面2设定为圆筒面，但通过将该面加工成二次函数状，在近轴区域，像散在理论上为0。此外，如本实施例，不采用有机无机复合体，通过相同地叠层调整到所期望的折射率的树脂，即使用聚合物也能够制造同样的结构。

此外，本次，区域1～4、11～14的薄的部分的层厚设定为10μm，但实验发现，该厚度在为波长的2倍以下时，上述焦点的多重化的减少不显著，此外在30倍以上时，聚光功能本身显著劣化。因此，薄的部分的层厚只要在波长的2倍～30倍的范围内，如本发明，就能够有效修正变化部分层厚造成的焦点偏差。

实施例2

图4是表示第2实施例的折射率分布透镜的形状·尺寸的图，图5是表示折射率分布的图。以在元件中央部形成阶跃近似式2-1的分布、在周边部形成阶跃近似式2-2的分布的方式，设计折射率。

在实施例2中，采用与实施例1相同的材料，各层的厚度如下。

第1层～第4层及第17层～第20层：11μm

第5层和第16层：10μm

第6层和第15层：16μm

对如此制作的本实施例的折射率分布透镜，与第1实施例同样，在入射HeNe激光器的光后，还在面1上聚光。本实施例中的厚度方向的光强度分布如图6。半光谱幅值(全幅半值、半值全幅)大约为5μm，比实施例1相比有进一步改进。

如本实施例，即使是用在中央部和周边部付与阶跃近似不同二次函数的折射率分布的方法，与实施例1同样薄的部分的层厚，只要在使用波长的2倍～30倍的范围内，就能够有效修正焦点偏差。

如果采用本实施方式，通过在光学元件的中央部和周边部设定阶跃近似不同二次函数的折射率分布，能够有效修正周边部的焦点偏差，提供性能优良的折射率分布透镜。

实施例3

图7是表示第3实施例的折射率分布透镜的形状的图。在上面图中，面2的曲率为0.697，外形尺寸与实施例1同样，图中横向长度为2mm、纵向长度为1mm。图8是表示折射率分布的图。以在元件中央部形成阶跃近似式3-1的分布、在周边部形成阶跃近似式3-2的分布的方式，设计折射率。各层的厚度与实施例2相同。

在本实施例中，利用CVD法叠层石英膜，通过在各层形成所期望的折射率的成膜中，添加Ge，制作折射率分布透镜。折射率与Ge的添加关系，例如在文献1“光通信手册”柳井久义编朝仓书店刊的5.3节进行了介绍。此外，在通过光刻法和利用氟酸的湿法腐蚀进行形状加工后，研磨各侧面。

对如此制作的本实施例的折射率分布透镜，与第1实施例同样，在入射HeNe激光器的光后，仍在面1上聚光。

另外，作为采用玻璃的本发明的折射率分布透镜的制造方法，通过一边在石英中添加Ge等杂质，一边进行火焰堆积、溅射、蒸镀等，也能够形成折射率分布。

实施例4

图9是表示第4实施例的折射率分布透镜的形状的图。在上面图中，面2具有式4-3所示的形状。外形尺寸与实施例1同样，图中横向长度为2mm、纵向长度为1mm。图10是表示折射率分布的图，以在元件中央部形成阶跃近似式4-1的分布、在周边部形成阶跃近似式4-2的分布的方式，设计折射率。此外，面2的形状不是圆筒面，为用式4-3的二次函数表示的曲面。该曲面可以是双曲线函数。

在本实施例中，在GaAs基板上，利用金属有机气相生长法生长GaAlAs结晶，通过变化生长中的TMGa(三甲基镓)和TMAl(三甲基铝)的流量，得到式3的折射率分布。另外，结晶的组成与折射率的关系，例如在文献2“应用物理学系列半导体激光器”伊贺健一著欧姆社刊等中进行了介绍。形状加工，利用光刻法和RIE(反应性离子腐蚀)进行。由此，面2的形状即使不是圆形，也容易加工。

在本实施例中，由于材料不透过可视光，所以作为光源，在单一模式光导纤维中导入波长1.3μm的半导体激光，进行了工作确认。在本实施例中，确认也在面1聚光。

在本实施例中，材料采用GaAs/GaAlAs系，除此以外，也采用InP/InGaAsP系、GaN/InGaN系等另外的III-V族或ZnSe/ZnS系等的II-VI族，特别是GaN/InGaN系或ZnSe/ZnS系，即使是可视区的波长带，也能够使用。

实施例5

图11(a)是表示第5实施例的折射率分布透镜的形状·尺寸的图，图11(b)是表示折射率分布的图。本实施例中的折射率分布的近似函数，与实施例1相同，以形成阶跃状近似以光轴作为最大值的二次曲线的分布的方式进行设计。

在实施例5中，采用与实施例1相同的材料。在本实施例中折射率分布透镜的各层的厚度，与实施例1相反，将周边部的第1层、第2层及第15层、第16层分别加厚到20μm，从中央部的第3层到第14层分别设定减薄到10μm。在按本实施例构成折射率分布透镜时，确认也与实施例1同样，能够抑制副焦点。

实施例6

图12(a)是表示第6实施例的折射率分布透镜的形状·尺寸的图，图12(b)是表示折射率分布的图。本实施例中，折射率分布的近似函数及折射率分布透镜的各层的厚度，与实施例2基本相同，但为了配合构成光学系的其他的光器件与光轴，最外层的任何一层(图12(a)中的第1层)，比从第2层到第4层的各层加厚地设定。因此，在实施例6中，光轴偏向多层膜的叠层方向的透镜的中心。在实施例6中，采用与实施例1相同的材料。按本实施例，在以光轴为基准，层厚分布非对称地构成折射率分布透镜时，确认也与实施例1同样，能够抑制副焦点。

另外，也可以减薄形成最外层的任何一层的厚度，即使是如此的构成，也与实施例1同样，能够抑制副焦点。

实施例7

图13(a)是表示第7实施例的折射率分布透镜的形状·尺寸的图，图13(b)是表示折射率分布的图。本实施例中，相对于光轴，均等地构成一方侧的各层(图13(a)中的上半部分)的层厚，按与实施例2相同的折射率分布透镜及层厚分布，相对于光轴，构成另一方侧的各层(图13(a)中的下半部分)的层厚。本实施例中，只在主焦点的下侧发生副焦点。该副焦点可用于，例如将光导纤维的固定台作为光电二极管，检测监视信号的用途等。如本实施例，多层膜相对于光轴只存在于一方侧，在以光轴为基准，层厚分布非对称地构成折射率分布透镜时，确认也与实施例1同样，能够抑制副焦点。

实施例8

图14(a)是表示第8实施例的折射率分布透镜的形状·尺寸的图，图14(b)是表示折射率分布的图。本实施例中，与光轴垂直方向的截面上的折射率分布与实施例2相同，但各层叠层成以光轴为中心的同心圆状。本实施例中，根据折射率分布透镜的折射率分布，还聚光通过中心的任何角度的平面内的光。因此，本实施例中，用不着端面的曲面加工。

实施例9

图15是表示第9实施例的折射率分布透镜的形状·尺寸的图。由于厚度方向的结构、折射率分布与实施例2相同，所以省略。此外，关于制作方法，在进行了与实施例1大致相同的加工后，重叠相同形状的本实施例的折射率分布透镜，实施只露出不需要反射膜的部分的金属掩模，真空蒸镀Al。反射膜，可另外通过电镀或涂布反射涂料等方法制作。

在本实施例中，从面2入射的平行光由实施反射膜的曲面，聚光在面1上。

另外，本实施例的折射率分布透镜，其特征在于，由于面1、面2都为平面，所以在连接多个本实施例的折射率分布透镜时，能够一体化等。

实施例10

图16是表示第10实施例的图。在光导纤维102上组合折射率分布透镜100，维持作为平行光输出光导纤维102的出射光的功能。在硅基板上104上形成折射率分布透镜100。在硅基板104，通过湿法腐蚀形成光导纤维的导向槽106，光导纤维由该导向槽106定位，用粘合剂固定。

另外，同样也能够制作代替光导纤维，配置发光元件的光源，此时，也可以不设置导向槽，也可以相反形成台阶状。对于受光元件，也能够形成同样的构成。

实施例11

在本实施例中的构成元件，如图17所示，是在同一基板上，配置在发光元件、受光元件及光导纤维上分别安装有折射率分布透镜120、122、124的元件和方型波长选择元件108。作为发光元件，采用振荡波长1.3μm的半导体激光器，波长选择元件使用以透过带宽1.3μm的光的方式设计的。按以上的构成，采用本发明的折射率分布透镜，能够构成，例如，如特开昭60-184216中公开的、与波长多重发送和接收的光的光收发送模块同等的功能。图18是说明该工作的图。在发送中，从发光元件出射的1.3μm的光信号，被折射率分布透镜120准直，透过方型波长选择元件108，由折射率分布透镜124聚光，入射到光导纤维110。在接收中，由光导纤维110入射的光被折射率分布透镜124准直，由方型波长选择元件108反射，被折射率分布透镜122聚光，由受光元件接收。

基板，考虑到发光元件的散热或发光元件·受光元件的电配线，采用树脂模压金属框架的基板，在其上面，与第1实施例同样，叠层有机无机复合体，然后，用金属模压印成所要求的形状。在压印时，通过调整压力，也可以在本发明的折射率分布透镜的下面周边，残留由相同材料构成薄膜，以防止剥离。此外，用该金属模，也同时在基板的树脂压制中制作槽，将其作为设置光导纤维的导向槽。

制作方法如以下所述。首先，在该硅基板上，与实施例1同样，采用硅酮橡胶模，在图内的位置上，汇总形成3个折射率分布透镜120、122、124。以这些折射率分布透镜为基准，配置发光元件、受光元件、光导纤维及方型滤波器。另外，如果以连接在正方形方型波长选择元件的3个侧面的方式，配置3个本发明的折射率分布透镜，能够减轻设置滤波器时的位置偏差。

在采用本实施例的光收发送模块进行通信时，如果是发送时使用1.55μm带、接收时使用1.3μm带的市场出售的收发送模块，收发送都良好地再生传送波形。图19示出其眼形图形。

另外，在本实施例中，采用方型波长选择元件，但如果是采用在基板上汇总成型导向槽等的方法，也能够使用板状的波长选择元件。此外，在可以用半双工通信的情况下，也可以代替波长选择元件，采用方型或板状的部分透过反射镜。此外，也可以利用连接器装卸光导纤维。

实施例12

图20表示本实施例的元件结构。在本实施例中，倾斜折射率分布透镜134的侧面，在此形成波长选择元件130。折射率分布透镜134，采用实施例2所示的结构。折射率分布透镜134的倾斜角度设定为45°，采用V型的刀刃，通过切块形成。作为波长选择元件130，此处，采用付与波长选择功能的透明片。发光元件，在折射率分布透镜134上，以其下面和光轴平行的方式，倾斜设置。在可以用半双工通信的情况下，也可以代替波长选择元件，采用付与部分透过功能的透明片。

实施例13

图21表示本实施例的元件结构。该元件，是采用付与波长选择功能的实施例13的元件的光收发送模块。

在基板137中埋设受光元件132，在其上面，形成折射率分布透镜134。折射率分布透镜134的侧面，与实施例12同样，倾斜形成，在此设置波长选择元件130。发光元件138，借助由折射率分布透镜134附近的材料构成的三角棱镜，以光轴通过折射率分布透镜134的侧面中央附近的方式配置。图中，折射率分布透镜136，为与在实施例1中说明的透镜相同的透镜。

从发光元件138发出的光，沿图中的箭头方向前进，借助折射率分布透镜134及折射率分布透镜136，导入光导纤维。另外，从光导纤维的入光，沿图中的箭头方向前进，借助折射率分布透镜136及折射率分布透镜134，导入受光元件132。

实施例14

图22是第14实施例，是在第13实施例中，代替波长选择元件，采用配置部分透过反射镜的折射率分布透镜的光拾波器。图中，与图21重复的符号，省略说明。另外，为缩小聚光点，在本实施例中，采用加大设计口径及NA的折射率分布透镜。材料为与在实施例1中详述的相同的有机无机复合体。

实施例15

图23表示本实施例的收发送模块的构成。该模块，为一体形成使实施例9所示的3个折射率分布透镜一体化而成的折射率分布透镜144和实施例11所示的方型波长选择元件146的构成。在折射率分布透镜144，接合发光元件(发光波长1.3μm)140和受光元件142。

该光收发送模块的制作方法如下。首先，按实施例1及2的顺序，在硅酮橡胶模中，形成在厚度方向具有连续的折射率分布的一体化的本发明折射率分布透镜。然后，在金属基板上贴装该折射率分布透镜，装入夹持波长选择元件的切口。该切口，采用加热的刀，通过机械加工制作。然后，在该切口夹持波长选择元件146，用折射率接近折射率分布透镜的粘合剂固定。之后，在规定的位置设置发光元件。然后，一边使该发光元件发光，一边将光导纤维的位置调整到输出功率达到最大，之后用粘合剂固定。最后，由光导纤维的相反侧导入光，一边用受光元件检测该光，一边将该输出功率调整到最大，之后用粘合剂固定。

实施例16

图24是第16实施例，是搭载实施例11的光收发送模块的便携式信息终端的方块图。在中央处理装置152，连接显示器150、存储装置158、接口回路154。借助该接口回路154，连接实施例7的光收发送模块156。

本发明的折射率分布透镜及光学回路，由于能够极小型、低背(low-profile)地构成，所以，特别适合在如此的便携式信息终端、便携式电话等上搭载。此外，除转换器、网络中枢、ONU、电话机等通信设备或个人计算机或其他周边设备等信息设备外，也能够用于以电视接收机为代表的空调机、电冰箱等即网络家电的接口。

以上，根据实施例说明了本发明。这些实施例，还可进行各种变形，并且如此变形例也属于本发明的范围，这是该行业者可领会的。

Claims (16)

1.一种折射率分布透镜，备有在叠层方向具有折射率分布的多层膜，其特征在于，相对于光轴，至少一方侧的上述多层膜，具有：第1区域，由折射率不同、层厚大致相等的连续2个以上的层构成；第2区域，由厚度比上述第1区域厚、折射率不同、层厚大致相等的连续2个以上的层构成。

2.如权利要求1所述的折射率分布透镜，其特征在于：

在上述第1区域和上述第2区域的之间，至少具有1层厚度与任何一区域都不同的层。

3.如权利要求1所述的折射率分布透镜，其特征在于：

上述第2区域，相对于光轴，位于上述第1区域的外侧。

4.如权利要求1所述的折射率分布透镜，其特征在于：

厚度分布以光轴为基准，为非对称。

5.如权利要求1所述的折射率分布透镜，其特征在于：

上述多层膜，相对于光轴，只存在一方侧。

6.如权利要求1所述的折射率分布透镜，其特征在于：

上述多层膜存在于光轴的两侧。

7.如权利要求1所述的折射率分布透镜，其特征在于：

光轴与上述多层膜的叠层方向的透镜中心偏离。

8.如权利要求1所述的折射率分布透镜，其特征在于：

该折射率分布透镜的与光轴交叉的部分或全部侧面，在与上述叠层方向直交的水平面内，具有带曲率的凸面形状。

9.如权利要求8所述的折射率分布透镜，其特征在于：

上述叠层方向及与上述光轴方向平行的面内的焦距和上述水平面内的焦距大致一致。

10.一种折射率分布透镜，备有在叠层方向具有折射率分布的多层膜，其特征在于：

上述多层膜以同心圆状叠层。

11.如权利要求1～10中的任何一项所述的折射率分布透镜，其特征在于：

与光轴直交的上述多层膜的截面上的、沿上述多层膜的叠层方向的折射率分布，以随着远离上述截面的中心部而折射率降低的方式构成。

12.如权利要求11所述的折射率分布透镜，其特征在于：

上述折射率分布，是阶跃式近似双曲线函数或二次函数的分布。

13.如权利要求1～12中的任何一项所述的折射率分布透镜，其特征在于：

上述多层膜由至少含有一种金属烷氧化物的有机无机复合体构成。

14.一种复合光学元件，其特征在于：含有如权利要求1～13中的任何一项所述的折射率分布透镜和其他光学元件。

15.如权利要求14所述的复合光学元件，其特征在于：

上述光学元件含有发光元件、受光元件、光导纤维中的任何一种，上述折射率分布透镜与上述光学元件一体化。

16.如权利要求14或15所述的复合光学元件，其特征在于：

上述折射率分布透镜，具有与光轴斜交叉的侧面，在上述侧面，包括全反镜、部分透镜及波长选择元件中的至少1种。

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