JPH0610686B2 - ジオデツジツク光学部品 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、平坦表面部分と該平坦表面部分に接する彎
曲表面部分とを有する基板、及び該基板の表面上の光導
波路層を具え、該光導波路層はほぼ均一な厚さを有しか
つ前記基板の傾斜に沿って設けられ該基板より大きい屈
折率を有している所定の光学的機能を実現するためのジ
オデジツク(geode-sic)光学部品に関する。

この型の部品は導波光フアイバを用いる光通信システム
において、例えば光フアイバ連結の二つの部分の間の中
継所において又は光フアイバケーブルの送端又は受端に
おける送信所又は受信所において用いうる。該部品は光
源及び光検出器及びそれらの間にそう入された特別の光
学機能を有する１個又はそれより多い光学部品から成り
単一基板上に集積された光学系の部分を形成しうる。ジ
オデジツク光学素子はビーム偏向、ビームスプリツテイ
ング、反射及びイメージング（imaging）のような種々
の光学的機能を果たしうる。

「アルヒーフ ヒュール エレクトロニツク ウントユ
ーペルトラーグンクステヒニツク」（ Archiv fr Elektronik und bertragungstechnik)(A
EU)第34巻第10号、1980年10月、第385〜393頁にて刊行
された論文「導波光学用ジオデジツク部品」において、
種々のジオデジツク部品の形状寸法及び動作が記載され
る。そこに記載される光学部品の設計は基板における比
較的大きな高さの差、数ミリメートル程度を利用するも
のである。プレス技術又はエツチングを用いる場合その
ようなかなりの高さの差を所要の精度でつくり出すこと
は極めて困難である。しかし、集積光学部品又は回路を
大量に手ごろな価格で製造しうる為には、この種の技術
がやはり望ましい。

この発明の目的は安価なエツチング又はプレス技術を用
いて所要の精度で製造しうるようなジオデジツク光学部
品の設計を提供することである。この発明に従うジオデ
ジツク光学部品の新規な特徴は、前記彎曲表面部分の輪
郭は多数の交互に設けられた反対傾斜を有する第１及び
第２の小部分からなり；該小部分はジオデジック光学部
品の光学的特性を決定する実質的に単調な輪郭曲線を第
１及び第２の曲線部分に分割し、前記第２曲線部分を前
記平坦表面部分の平面に平行な平面に関して鏡像反転さ
せ、前記平坦表面部分の平面から一層離れて位置するこ
れら第１及び第２の曲線部分を前記平坦表面部分の平面
に向けて変化させて前記彎曲表面部分の深さを著しく減
少することによって得られたものであることである。

この発明は、基板表面のくぼみが光学的に該表面上の突
起と同一の効果を有するので、この事実を光学的機能を
決定する波形すなわち輪郭の最大深さ又は高さをかなり
減小するのに用いうるということを見抜いたことに基づ
く。

この発明に従うジオデジツク光学部品の好適例は、さら
に、前記彎曲表面部分の輪郭は前記第１小部分と前記第
２小部分との間の変化部に丸味を有し、前記実質的に単
調な輪郭曲線は、前記変化部の位置に相当する位置にお
いて、単調な第１及び第２の曲線部分の間に、前記平坦
表面部分の平面に平行な小さい部分を有する曲線である
という新規な特徴を有する。

引用論文「AEU」第34巻第10号、1980年10月第385〜393
頁において基板のくぼみ部から平たん部への変化は漸次
でなければならないということが述べられていることに
注目すべきである。しかし、該論文中に記載される部品
においては輪郭曲線はその形状が単調であり唯一つの変
化部のみがなだらかな曲率を有することが必要であるだ
けである。さらに、この輪郭曲線は平たん部を有する曲
線からつくられなかつた。

次に、この発明を図面に基づいて説明する。第１図は既
知のジオデジツク光学部品の斜視図である。このジオデ
ジツクレンズは例えばガラス、透明プラスチツク、半導
体物質又はニオプ酸リチウムのような結晶でつくられた
基板１から成る。基板１は非平坦部、この例では多数の
同心円４で示される回転対称くぼみ３を有する。第２図
は回転軸ａを含む平面における前記非平坦部の輪郭曲線
６を示す。基板に設けるのは薄い光導波路層すなわち導
光層２で、その厚さは多モード導光の場合約30〜75μｍ
で単一モード導光の場合約１μｍである。

この層は屈折率が基板より高い透明材料から構成され
る。導光層は均一な厚さを有し、したがつて基板の形状
にならう。該層の屈折率はその外側より大きいので左か
ら入るビームｂの放射エネルギーの大部分は導光層内に
閉じ込められたままである。基板のくぼみの位置で層２
の形状が変化するので、ビームｂの周囲射線の方向も変
化する。したがつてビームはもはや平行でなくて収斂し
点Ｆで焦点をむすぶ。

ジオデジツクレンズの能力はくぼみの深さｄにより決ま
る。ｄの値が小さい場合レンズは弱く、これに対してレ
ンズのこの値が一層大きくなる場合一層強く焦点をむす
ぶ。実際の場合に必要なレンズ能を得る為には深さｄは
数ミリメートルなければならない。ジオデジツク光学素
子の製造、又は一層一般的に述べれば、ジオデジツク光
学回路の大量かつ許容しうる価格での製造の為には基板
の輪郭をプレス又はエツチング技術によりつくることが
望ましくなる。これらの輪郭が比較的深い場合輪郭を所
望の精度、３μｍ程度でプレス又はエツチングによりつ
くることは極めて困難である。

この発明によつて特定の光学的機能を果たすことが必要
なジオデジツク光学部品の比較的深い輪郭を比較的浅い
輪郭により置き換える。したがつて安価なエツチング又
はプレス技術を使用しうる。ここに提案する輪郭の曲線
はもはや単調でなく波状形状をなし、すなわち輪郭曲線
は交互に正及び負の斜面を有する多数の部分曲線から構
成される。第３図は第１図のレンズと同一効果を有する
ジオデジツクレンズのこのような輪郭曲線７を示す。比
較のため後者のレンズの輪郭曲線を第３図に破線曲線６
により示す。

曲線７は最初基板１の平坦表面部分の平面８から元の曲
線６を特定の深さｄ_１に達するまでなぞることによりつ
くる。曲線６の次の部分は基板１の平坦表面部分の平面
８に平行な平面９に関して鏡像反転させ、この部分の長
さはこの部分の鏡像部が基板１の平坦表面部分の元の平
面に達するように選ぶのが好ましい。曲線７で示す輪郭
の設計において、光学的用語においては、くぼみは突起
と同一効果を有するという事実を利用する。明らかに、
第１図において基板上に位置する観察者はくぼみを観察
するが、これに対して基板下方に位置する場合彼は突起
又は丘を観察することになる。

第３図に示す輪郭曲線は正及び負の斜面の間で鋭い変化
部を示すが、このような変化部は光散乱を起こさせう
る。このような散乱を避ける為に変化部に丸みをつけ、
また基板のくぼみ部から平たん部への変化部にも第２図
に示すように丸みをつける。これらの丸みつけはレンズ
機能と関係がないという意味で付帯的であるので丸みつ
けの面積はできるだけ小さくしてそれらによりレンズの
動作が不当に影響されないようにしなければならない。
この発明に従つて丸みをレンズの設計において考慮に入
れることにより散乱抑制の見地から一層よい一層広い面
積にわたつて広がる丸みを実現することは可能である。
所定の機能を実現する為に単調な輪郭曲線において該曲
線の他の部分へなめらかに流れる水平部分を有する曲線
を計算する。第４図は水平部分１０を有するこのような
輪郭曲線６′を示す。この輪郭曲線を、第２図の曲線６
を第３図の曲線７に変換したのと同じ方法でジグザグ曲
線７′に変える。第５図に示す曲線７′はかなりの丸み
をつけた面積を有するが、レンズの動作はやはり第２図
の曲線の動作と同一である。上述の説明から明らかなよ
うに、本発明において「実質的に単調な輪郭曲線」と
は、第２図に示すような単調な輪郭曲線６及び第４図に
示すような水平部分10を有する輪郭曲線６′を包含す
る。

この発明のジオデジツク光学部品は最初に基板に所要の
輪郭をつくり次いで導光層を蒸着又は拡散により設ける
既知の方法により製造することができる。輪郭をつけた
基板は輪郭が極めて浅いので既知のエツチング又はプレ
ス技術によるかいわゆるレプリカ方法によるかのいずれ
かにより製造しうる。その方法においては母型を軟化さ
せた材料にプレスする。この形の方法を第６図に示す。

板１０aをじゆうぶん軟化させたプラスチツクのじゆう
ぶん厚い層１１でおおう。このプラスチツクは後で熱、
紫外線照射又は冷却により硬化（固化）されるものであ
る。紫外光線により硬化される光重合性塗料はこの目的
に対して特に好適である。母型１２に製造すべき輪郭、
例えば第３図又は第５図のレンズ輪郭、の逆である構造
１３を設ける。次いでこの母型を、矢印１４で示すよう
に、プラスチツク層に圧入する。次いでプラスチツクを
例えばそれを板１０a又は母型１２を経る紫外光線１５
で照射することにより固化させ、その後母型を取り除
く。

この発明をジオデジツクレンズに基づいて説明した。こ
の発明を「AEU」第３４巻第１０号、1980号１０月、第3
85〜393頁の引用論文に記載されるような他のジオデジ
ツク部品、例えばビームスプリツター、ビーム偏向器及
び反射器に適用しうることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は既知のジオデジツク光学部品の斜視図、 第２図は第１図の部品の輪郭曲線図、 第３図はこの発明に従うジオデジツク光学部品の輪郭曲
線図、 第４図は平たん部を有する輪郭曲線図、 第５図は第４図の輪郭曲線から導いた丸みをつけた変化
部を有するこの発明のジオデジツク光学部品の他の例を
示す輪郭曲線図、 第６図はこの発明のジオデジツク光学部品用輪郭付き基
板の製造方法を示す説明図である。 １……基板、２……光導波路層（導光層） ３……回転対称くぼみ（非平坦部、彎曲表面部分）、４
……同心円 ６，６′，７，７′……輪郭曲線、８……基板の平坦表
面部分の平面 ９……基板の平坦表面部分の平面８に平行な平面、１０
……水平部分 １０ａ……板、１１……プラスチツク層 １２……母型、１３……構造。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平坦表面部分と該平坦表面部分に接する彎
   曲表面部分とを有する基板、及び該基板の表面上の光導
   波路層を具え、該光導波路層はほぼ均一な厚さを有しか
   つ前記基板の傾斜に沿って設けられ該基板より大きい屈
   折率を有している所定の光学的機能を実現するためのジ
   オデジック光学部品において、 前記彎曲表面部分の輪郭は多数の交互に設けられた反対
   傾斜を有する第１及び第２の小部分からなり；該小部分
   はジオデジック光学部品の光学的特性を決定する実質的
   に単調な輪郭曲線を第１及び第２の曲線部分に分割し、
   前記第２曲線部分を前記平坦表面部分の平面に平行な平
   面に関して鏡像反転させ、前記平坦表面部分の平面から
   一層離れて位置するこれら第１及び第２の曲線部分を前
   記平坦表面部分の平面に向けて変位させて前記彎曲表面
   部分の深さを著しく減少することによって得られたもの
   であることを特徴とするジオデジック光学部品。
2. 【請求項２】前記彎曲表面部分の輪郭は前記第１小部分
   と前記第２小部分との間の変化部に丸みを有し、前記実
   質的に単調な輪郭曲線は、前記変化部の位置に相当する
   位置において、単調な第１及び第２の曲線部分の間に、
   前記平坦表面部分の平面に平行な部分を有する曲線であ
   る特許請求の範囲第１項記載のジオデジック光学部品。