(57)【要約】  単一光源波長を透過する用途で用いられ、高い光利用効率を確保でき、外部環境に対して安定した光学素子及び光学素子の製造方法を提供する。温度変化に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）の差が１０．５×１０-5以下となるように、ガラスフィラーと樹脂とを適切に選定することで、かかる素材を用いて形成した光学素子における常温時のピーク波長に対して、温度上昇時のピーク波長のシフト量を小さく抑えることができるから、透過率の低下を抑制できる。
2016114336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一光源波長を持つ光源から出射した光束を透過する光学素子において、
前記光学素子は、樹脂とガラスフィラーとを混合した素材から形成されており、少なくとも前記光源波長付近において、前記樹脂と前記ガラスフィラーの温度変化に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）の差が、１０．５×１０-5以下であることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
単一光源波長を持つ光源から出射した光束を透過する光学素子において、
前記光学素子は、樹脂とガラスフィラーとを混合した素材から形成されており、少なくとも前記光学素子の使用温度範囲における、前記樹脂と前記ガラスフィラーの線膨張係数の差が、６．０×１０-5以下であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記樹脂の透過率は、厚さ３ｍｍの平行平板に成形した状態で、前記光源波長の光に対して５０％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記樹脂は、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリオレフィン系樹脂、透明ポリアミド（ＰＡ）、ポリサルホン（ＰＳＵ）／ポリフェニレンサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド(ＰＥＩ)、ポリエーテルエーテルケトン(ＰＥＥＫ)のいずれかであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記ガラスフィラーの混合量は２〜４０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記ガラスフィラーはガラスファイバであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項７】
前記ガラスファイバの形状は、断面がφ５〜５０μｍであり、長さが１０〜５００μｍである棒状体であることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記光源波長は、８５０±１５０nm、１３１０±１５０nm、１５５０±１５０nmのいずれかであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子。
【請求項９】
前記光学素子は、光通信に用いられる光学面がアレイ状に並んだ光学素子であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１０】
単一光源波長を持つ光源から出射した光束を透過し、且つ樹脂とガラスフィラーとを混合した素材から形成される光学素子の製造方法であって、
少なくとも前記光源波長付近において、前記樹脂と前記ガラスフィラーの温度変化に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）の差が、１０．５×１０-5以下となる樹脂とガラスフィラーとを混合する混合工程と、
前記混合した素材を金型内に形成されたキャビティ内に注入する工程と、
前記金型内で前記混合した素材を冷却し光学素子を成形する工程と、
前記成形した光学素子を取り出す工程と、
を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１１】
単一光源波長を持つ光源から出射した光束を透過し、且つ樹脂とガラスフィラーとを混合した素材から形成される光学素子の製造方法であって、
少なくとも前記光学素子の使用温度範囲における、前記樹脂と前記ガラスフィラーの線膨張係数の差が、６．０×１０-5以下となる樹脂とガラスフィラーとを混合する混合工程と、
前記混合した素材を金型内に形成されたキャビティ内に注入する工程と、
前記金型内で前記混合した素材を冷却し光学素子を成形する工程と、
前記成形した光学素子を取り出す工程と、
を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信等に好適に用いられる光学素子及び光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ルータ等のネットワーク装置、サーバ、大型コンピュータを含む様々な情報／信号処理装置において、情報／信号処理の大規模化、高速化が進んでいる。これらの装置においては、回路基板（ボード）におけるＣＰＵおよびメモリ相互間、配線基板相互間、装置（ラック）相互間等における信号伝送は、従来から電気配線により行われてきた。しかし、伝送速度、伝送容量、消費電力、伝送路からの輻射、伝送路に対する電磁波の干渉等の観点における優位性から、上述の電気配線に代えて、光ファイバ等を伝送路として光により信号を伝送する、いわゆる光インタコネクションが実際に導入されはじめている。【０００３】
このような光インタコネクションにおいては、電気信号を光信号に変換して光信号を送信する発光素子を含む光送信モジュール、および、光信号を受信し電気信号に変換する受光素子を含む光受信モジュール、あるいは、それらの両方の機能を有する光送受信モジュールが主要な光部品として用いられる。これらのモジュールを総称して、光モジュールという。【０００４】
光モジュール間で、伝送チャネルを用いて並行して光信号を伝送することで、大容量の通信が可能になる。伝送チャネルとしては、光モジュール間で並行して光信号の送信／受信を行うために、光ファイバが用いられることが多い。よって、光ファイバと光モジュール間の光結合のため、一般的に光結合装置が用いられる。【０００５】
ところで、光ファイバは基本的に可撓性を有するので、ある程度の曲げや弛みが許容されるが、一般的な光ファイバでは光の伝送効率を確保するために許容される曲げの最小径が規定されている。従って、設置スペースの制限等によって最小径以下の曲げが要求される場合には、光ファイバを切断した上で，切断された光ファイバ間で伝達される光束の光路を折り曲げて光結合を行う光結合装置を用いる方が、全体としてより効率的な収納につながることや光の伝送効率が高まることがある。このような光結合装置を用いるメリットは、光ファイバ同士に限らず、発光素子と光ファイバ或いは光ファイバと受光素子との間の光結合においても同様に生じうる。ここで、発光素子、光源、受光素子等を総称して、光素子という。【０００６】
光素子間の光結合を行うために、光路を折り曲げる構造を持つ光コネクタが光結合装置に用いられることがある。このような光コネクタとしては、コネクタ内部で光軸を９０°変更させるＰＴ光コネクタ（ＪＰＣＡ−ＰＥ０３−０１−０６Ｓで規格化）等が実用化されている。ＰＴ光コネクタは、多芯光ファイバテープ芯線などの多芯光ファイバと、フレキシブル配線基板上の光素子とを光結合する基板実装型の光コネクタである。【０００７】
一方、近年において光通信情報量は増加の一途をたどっており、加えて情報の長距離・高速伝送が切望されている。ところが、従来から用いられているマルチモードファイバの場合、光ファイバのコア径として５０μｍ・６２．５μｍのものが採用されており、光信号を複数のモードで伝送するため、信号の到達時間にズレが生じ、モード分散が発生するという問題がある。従って、モード分散によってデータ損失が発生するために、長距離・高速伝送は不向きとされている。【０００８】
これに対し、シングルモードファイバはモードフィールド径９．２μｍの極細径の光ファイバであり、光信号の伝播をひとつのモードにすることで、減衰を極力抑えることができるという利点がある。従ってマルチモードファイバのように多くのモードを使用する伝送方法と違い、信号の到達時間が単一であるため、モード損失の発生がなく、長距離・高速伝送に適していることから、シングルモードファイバが使用される機会が多くなってきた。【０００９】
しかるに、シングルモードファイバを用いる際の課題の一つとして、そのモードフィールド径が９．２μｍと小さいことから、光コネクタを用いて光ファイバと光素子とを光結合する際に、位置ずれの許容度が狭まり、すなわち組付の困難性が高まるということがある。特に問題となるのが、複数のコアを介して独立して情報を伝送できる多芯光ファイバと、複数の光素子とを単一の光コネクタを用いて光結合を行う場合である。このような用途に用いる光コネクタは、一般的に、個々の光ファイバと光素子とに光を伝播させるためのレンズ面を複数個有しているが、かかる光コネクタを樹脂から形成した場合、例えば環境温度変化による熱膨張によって、光ファイバの芯間距離と、レンズ面同士の間隔とにずれが生じ、これにより一部の光ファイバと光素子との間で光結合が行えなくなる恐れがある。その一方で、情報伝送時における光ロスを抑えるべく、光コネクタはある程度高い透明度（透過率）を確保する必要がなる。【００１０】
かかる問題に対し、光コネクタの素材としてガラスを用いれば、高い透明度を有しつつ、光ファイバに対して熱膨張差が近づくので、光ファイバの芯間距離と、レンズ面同士の間隔とのずれを抑えることができる。ところが、ガラスは樹脂に比べて成形性が劣るため大量生産に不向きであり、コストの増大を招くという問題がある。【００１１】
これに対し、特許文献１，２に示すように、樹脂にガラスフィラーを混入させることで、ガラスの特性に近づけた素材により光学素子を成形しようとする試みがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００６−３１２７０６号公報
【特許文献２】特開２００６−１６９３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１，２によれば、樹脂にガラスフィラーを混入させることで機械的強度を高め、更には屈折率をガラスに近づけることで樹脂の透明度を確保する技術が開示されている。しかしながら、上述した従来技術に開示された素材は、例えば、電気機器や電子機器の表示部のカバー、自動車や建材に用いる板ガラスの代替品のような、透明性及び強度の両方の物性が要求される成形品用途に用いられるものであり、光通信などに用いられる単一光源波長の光を透過することによって生じる課題について、従来技術では言及されていない。【００１４】
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、単一光源波長を透過する用途で用いられ、高い光利用効率を確保でき、外部環境に対して安定した光学素子及び光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した光学素子は、単一光源波長を持つ光源から出射した光束を透過する光学素子において、
前記光学素子は、樹脂とガラスフィラーとを混合した素材から形成されており、少なくとも前記光源波長付近において、前記樹脂と前記ガラスフィラーの温度変化に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）の差が、１０．５×１０-5以下であることを特徴とする。【００１６】
以下、本発明の一態様における原理について説明する。本発明者らの事前検討において、樹脂素材とガラスフィラーとを混合することで、波長に対して透過率が変化するようになり、最も透過率が高くなる波長（ピーク波長という）が生じるものの、それは混入量にかかわらず不変であると想定されていた。一方、光通信などに用いる光学素子の場合、光源波長が予め決まっているので、全波長帯域で透過率を確保する必要はないといえる。よって、単一光源波長用の光学素子の設計において、例えば線膨張係数を調整するために、ガラスフィラーを適宜混入した樹脂素材を用いるという方針が決まった。ところが、ガラスフィラーを混入した樹脂素材において、温度変化時に透過率が変化するという事象が生じることが判明した。この事象について、具体的に説明する。以下、本明細書中で、特に規定することなく「屈折率」というときは、常温時（２５℃）の屈折率をいうものとする。なお、樹脂素材とガラスフィラーとが混ざっていればよいため「混合」という表現を用いているが、通常は樹脂素材にガラスフィラーを混ぜて成形するため、本説明においては「混入」という表現を用いて説明することもある。【００１７】
図１は、縦軸に透過率をとり、横軸に波長をとって、ガラスフィラーを３０ｗｔ％混入した樹脂からなる厚さ３ｍｍの試験片に対して、周囲温度を変化させながら、それぞれ波長を変えた透過光を透過させることで、波長毎の透過率を調べた結果を示す図である。図１によれば、成形品の周囲温度が上昇するほど、ピーク波長が短波長側にシフトし、更に想定しているピーク波長（この場合は５８９ｎｍ）における透過率が減少することが分かる。一方、事前検討では、光学素子の設計仕様による樹脂素材において、かかる事象が生じることは想定されていなかった。【００１８】
本発明者らは、設計仕様と実際の樹脂素材との間で、光学特性の差異が生じた原因につき考察した。図２は、ガラスフィラーを混入した樹脂を拡大して見た模式図である。樹脂ＰＬ内には、多数のガラスフィラーＧＦの棒状体片が組み重なるようにして配置されている。ここで、ガラスフィラーを混入した樹脂の成形工程を考えると、まずガラスフィラーを混入した樹脂は３００℃前後に加熱され、１２０℃前後に加熱された金型内に射出されて固化した後、２０℃前後の室温に放置される。このように樹脂の置かれた温度環境に応じて冷却が進行するが、その際に、混入されたガラスフィラーの拘束によって、その周囲にある樹脂の収縮が妨げられ、樹脂密度に偏りが生じると推認される。具体的に、例えば樹脂成形品の内部ではガラスフィラーの拘束が強く粗になり、一方、樹脂成形品の表面に近い部位ではガラスフィラーの拘束が弱く密になると推認される。してみると、ガラスフィラー自体はあまり変性していないので、樹脂に比べれば屈折率変化は小さいのに対して、樹脂は密度に応じて局所的に屈折率が変化すると考えられる。尚、設計仕様では、場所によらず樹脂自体の屈折率は一定であると仮定していた。【００１９】
図３は、縦軸に屈折率をとり、横軸に波長をとって示す図である。本発明者らは、樹脂ＰＬ及びガラスフィラーＧＦの本来の屈折率／波長特性は、(例えば光源波長±100nmなど)狭い波長域に限定することを条件に、いずれも透過光の波長λが高くなるにつれて屈折率ｎが低くなるようなリニアな特性であるものと仮定していた。ところが、実際には、ガラスフィラーＧＦを混入することで樹脂ＰＬの屈折率が局所的に変化すると推認されるから、樹脂ＰＬの屈折率／波長特性は、図３でハッチングに示すように所定の範囲でばらついた広い帯状の領域ＰＣｒとなると考えられる。よって常温時のピーク波長は、帯状の領域ＰＣｒの中で最も多く分布する密度量からなる屈折率特性ＰＣｃと、点線で示すガラスフィラーＧＦの屈折率／波長特性ラインＧＣが交差する点ＰＫ１の位置であると推認される。【００２０】
また、成形品内部における屈折率分布が比較的大きい中に、ガラスフィラーＧＦが散りばめられているため、それぞれのガラスフィラーを透過する波長が異なることとなり、結果として、全体の透過率を下げる１つの要因となっていると推認される。【００２１】
これに対し、温度上昇時には、樹脂ＰＬの密度とガラスフィラーＧＦの密度とがそれぞれ変化する。従って、樹脂ＰＬの屈折率／波長特性は、図３に示すように、所定の範囲でばらついたまま短波長側にシフトした帯状の領域ＰＣｒｔとなると考えられる。又、温度上昇と共にガラスフィラーＧＦの密度も若干ではあるが低くなるから、これに応じて屈折率も低下し、図３に実線で示すようにシフトする。よって温度上昇時のピーク波長は、樹脂ＰＬにおける帯状の領域ＰＣｒｔの中で最も多く分布する密度量からなる屈折率特性ＰＣｃｔと、ガラスフィラーＧＦの屈折率／波長特性ラインＧＣｔが交差する点ＰＫ２の位置になると推認される。【００２２】
図４は、縦軸に透過率をとり、横軸に波長をとって、ガラスフィラーを混入した樹脂の常温時（Ａ）と温度上昇時（Ｂ）の特性を模式的に示した図である。いずれも透過率分布が生じているが、ここではピーク波長を中心としたガウシアン分布とした。図３を参照して上述したように常温から温度が上昇した場合、ピーク波長ＰＫ１が、それより低波長側のピーク波長ＰＫ２へとシフトするが、単一の光源波長をＰＫ１と仮定すると、温度上昇時には樹脂素材が特性（Ｂ）に従うため、透過率がΔだけ低下することが分かる。【００２３】
本発明者らの検討結果によれば、ガラスフィラーの混入量が３０ｗｔ％である樹脂において、実際に成形した成形品で、２８℃のピーク波長が５０３ｎｍであり、透過率は５２．１％であったのに対し、同成形品を４０℃に温度上昇した場合、ピーク波長が４９０ｎｍとなり、透過率は５１．７％に低下し、更に４９℃に温度上昇した場合、ピーク波長が４８０ｎｍとなり、波長５０３ｎｍにおける透過率は５１．４％に低下し、また５６℃に温度上昇した場合、ピーク波長が４７６ｎｍとなり、透過率は５１．２％に低下することが分かった。【００２４】
以上の検討結果から、本発明者らは、樹脂と、混入するガラスフィラーのそれぞれの温度変化に対する屈折率変化量を工夫することで、上述した問題を解消できることを見出した。より具体的には、図３において、常温時のピーク波長ＰＫ１が温度上昇時のピーク波長ＰＫ２と重なれば、透過率の低下を極力抑制することができる。これを言い換えると、縦軸に屈折率をとり、横軸に波長をとって示す図５において、常温時における樹脂ＰＬの帯状の領域ＰＣｒの中で最も多く分布する密度量からなる屈折率特性ＰＣｃと、ガラスフィラーＧＦの屈折率／波長特性ラインＧＣが交差する点ＰＫ１に対して、温度上昇時における樹脂ＰＬの帯状の領域ＰＣｒｔの中で最も多く分布する密度量からなる屈折率特性ＰＣｃｔと、ガラスフィラーＧＦの屈折率／波長特性ラインＧＣｔが交差する点ＰＫ２とが、横軸において重なるようにすれば、温度変化に関わりなくピーク波長のずれを抑制できる。但し、ピーク波長ＰＫ１，ＰＫ２とは完全に一致しなくても、その差が小さければ効果がある。【００２５】
つまり、温度変化に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）の差が１０．５×１０-5以下となるように、混入するガラスフィラーと樹脂とを適切に選定することで、かかる素材を用いて成形した光学素子における常温時のピーク波長に対して、温度上昇時のピーク波長のシフト量を小さく抑えることができるから、透過率の低下を抑制できる。【００２６】
被写体光の透過やカラー画像の表示などを目的とした光学素子用途の場合には可視光領域の全波長域が必要となるため、ガラスフィラーと樹脂との屈折率が全波長域においてできるだけ同じになるような材料を選定することが考えられる。しかしながら、本態様においては単一光源を用いるため、被写体光の透過やカラー画像の表示などを目的とした光学素子用途のようにガラスフィラーと樹脂との屈折率が全波長域においてできるだけ同じにしなくて済み、むしろ、少なくとも光源波長付近で、温度変化に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）を１０．５×１０-5以下とすれば、本態様の光学素子に用いることができる。
尚、「光源波長付近」とは、光源波長に対して±１００ｎｍの範囲をいうものとする。更に、ｄｎ／ｄＴの算出に当たっては、光源波長付近の屈折率を用いた１次か２次の近似曲線を使用しても良い。【００２７】
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した別の光学素子は、単一光源波長を持つ光源から出射した光束を透過する光学素子において、
前記光学素子は、樹脂とガラスフィラーとを混合した素材から形成されており、少なくとも前記光学素子の使用温度範囲における、前記樹脂と前記ガラスフィラーの線膨張係数の差が、６．０×１０-5以下であることを特徴とする。【００２８】
以上の説明から明らかであるが、少なくとも前記光学素子の使用温度範囲における、前記樹脂と前記ガラスフィラーの線膨張係数の差が、６．０×１０-5以下となるように、ガラスフィラーと樹脂とを適切に選択すれば、かかる素材を用いて成形した光学素子における常温時のピーク波長に対して、温度変化（上昇または減少）時のピーク波長のシフト量を小さく抑えることができるから、透過率の低下を抑制できる。また、樹脂とガラスフィラーの線膨張係数の差が６．０×１０-5以下であるため、温度変化（上昇または減少）時にはガラスフィラーも樹脂と同じように膨張又は収縮する。これにより、ガラスフィラーの拘束によって、その周囲にある樹脂の膨張や収縮が妨げられることを抑制でき、結果として樹脂密度に偏りが生じることも抑制できる。従って、例えば樹脂成形品の内部で樹脂密度が様々に分布してしまうことを防止でき、樹脂の屈折率／波長特性が広い帯状でなくすることができるため、透過率が低下してしまうことを抑制できる。この光学素子を例えば光コネクタとして用いる場合、更に光学素子と光ファイバ側の線膨張係数とを合わせることが望ましい。尚、「使用温度範囲」とは、−２０℃〜８５℃の範囲をいうものとする。【００２９】
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した光学素子の製造方法は、単一光源波長を持つ光源から出射した光束を透過し、且つ樹脂とガラスフィラーとを混合した素材から形成される光学素子の製造方法であって、
少なくとも前記光源波長付近において、前記樹脂と前記ガラスフィラーの温度変化に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）の差が、１０．５×１０-5以下となる樹脂とガラスフィラーとを混合する混合工程と、
前記混合した素材を金型内に形成されたキャビティ内に注入する工程と、
前記金型内で前記混合した素材を冷却し光学素子を成形する工程と、
前記成形した光学素子を取り出す工程と、
を有することを特徴とする。【００３０】
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した別の光学素子の製造方法は、単一光源波長を持つ光源から出射した光束を透過し、且つ樹脂とガラスフィラーとを混合した素材から形成される光学素子の製造方法であって、
少なくとも前記光学素子の使用温度範囲における、前記樹脂と前記ガラスフィラーの線膨張係数の差が、６．０×１０-5以下となる樹脂とガラスフィラーとを混合する混合工程と、
前記混合した素材を金型内に形成されたキャビティ内に注入する工程と、
前記金型内で前記混合した素材を冷却し光学素子を成形する工程と、
前記成形した光学素子を取り出す工程と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、単一光源波長を透過する用途で用いられ、高い光利用効率を確保でき、外部環境に対して安定した光学素子及び光学素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ガラスファイバの混入量を変更した樹脂において、温度変化により透過光のピーク波長がずれ透過率が低下傾向にあることを示す図である。
【図２】ガラスファイバを混入した樹脂を拡大して見た模式図である。
【図３】ガラスファイバを混入した樹脂において、温度上昇により透過光のピーク波長が低下することを示す図である。
【図４】ガラスファイバを混入した樹脂において、温度上昇により透過光のピーク波長が低下することを示す図である。
【図５】本発明の一態様における原理を説明するための図である。
【図６】本実施形態にかかる光結合装置１００を分解した状態で示す斜視図である。
【図７】光結合装置１００の１つの光軸に沿った断面図である。
【図８】光結合装置１００に用いる光路変更素子１２０の斜視図である。
【図９】光路変更素子１２０の拡大断面図である。
【図１０】光路変更素子を、ガラスファイバを混入した樹脂により成形する工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本実施形態において、「単一光源波長」というときは、特定の目的に使用する光源波長が単一であることを意味し、例えば光通信等において、上り通信と下り通信とで同じ光学素子を用いる場合でも光源波長が異なる場合があり、かかる場合には、上り通信時の光源波長が単一であり、また下り通信時の光源波長が単一であるという意味である。
【００３４】
ガラスフィラーとしては、汎用的なＥガラス、Ｃガラス、Ａガラス、Ｓガラス、Ｄガラス、ＮＥガラス、Ｔガラス、石英ガラスなどを用いてもよく、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化リチウム（Ｌｉ2Ｏ）、酸化ナトリウム（Ｎａ2Ｏ）、酸化カリウム（Ｋ2Ｏ）などから選択して、それぞれ比率を適宜調整したものを用いることができる。
【００３５】
本実施形態では、ガラスフィラーとして、ガラス繊維（ガラスファイバ）、ガラスパウダー、ガラスフレーク、ミルドファイバ又はガラスビーズなどを用いることができる。以下に述べる実施形態及び実施例では、ガラスフィラーを代表してガラスファイバについて説明する。
【００３６】
ガラスファイバは、従来公知のガラス長繊維の紡糸方法を用いて得ることができる。例えば、溶融炉でガラス原料を連続的にガラス化してフォアハースに導き、フォアハースの底部にブッシングを取り付けて紡糸するダイレクトメルト（ＤＭ）法、又は、溶融したガラスをマーブル、カレット、棒状に加工してから再溶融して紡糸する再溶融法等の各種の方法を用いてガラスを繊維化することができる。
【００３７】
ガラスファイバの径は特に限定されないが、φ５〜５０μｍのものが好ましく用いられる。Φ５μｍよりも細い場合には、ガラスファイバと樹脂との接触面積が増大して乱反射の原因となり、成形品の透明性が低下する場合がある。φ５０μｍよりも太い場合には、射出成形時の充填圧力が高くなり、ひいては金型への転写不足に繋がる場合がある。更に好ましくは、φ１０〜φ４５μｍである。
【００３８】
尚、ガラスフィラーとしては、光源波長よりも大きなサイズの粒子が、全体の９０％以上（好ましくは９５％以上）であることが重要である。これまでも、例えば直径が３０ｎｍ以下の粒子を混入した樹脂素材を用いて光学素子を成形する試みはあったが、この樹脂素材中では粒子が凝集しやすいという問題や、粒子の表面積が増大して樹脂素材が固くなりがちで成形が困難となるという問題や、更には粒子の表面積が増大して親水性が高まり、成形した光学素子の吸水率が増大して光学特性が変化するという問題があった。一方、ガラスフィラーを光源波長より大きな粒子とすることで、かかる課題を解消できる。
【００３９】
ここで「光学素子」としては、例えばレンズ、プリズム、回折格子素子（回折レンズ、回折プリズム、回折板）、光学フィルター（空間ローパスフィルター、波長バンドパスフィルター、波長ローパスフィルター、波長ハイパスフィルター等々）、偏光フィルター（検光子、旋光子、偏光分離プリズム等々）、位相フィルター（位相板、ホログラム等々）があげられるが、以上に限られることはない。
【００４０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図６は、本実施形態である光学素子としての光路変更素子を有する光結合装置１００を分解した状態で示す斜視図である。図７は、光結合装置１００の光軸に沿った断面図である。図８は、光結合装置１００に用いる光路変更素子１２０の斜視図である。図９は、光路変更素子１２０の拡大断面図である。以下に示す構成は概略図であり、形状や寸法等は実際と異なるものがある。
【００４１】
図６、７に示すように、光結合装置１００は、光モジュール１１０と、光路変更素子１２０と、光コネクタ１３０とから構成されている。光モジュール１１０は、ここでは光を送信する機能を有し、大容量サーバ等の背面に複数枚積層されて差し込まれる基板に設置可能なものである。基板自体を光モジュール１１０としても良い。光モジュール１１０は、矩形状であって上面が平面である台板１１１上に、複数の発光素子であるＶＣＳＥＬタイプの半導体レーザ１１２を１列に配置してなる。半導体レーザ１１２の光源波長は、８５０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍのいずれかである。台板１１１上において、半導体レーザ１１２の並び方向両端近傍には、円筒状のピン１１３が配置されている。尚、半導体レーザ１１２の周囲に、光路変更素子１２０を位置決めするための凹凸等を形成しても良い。光モジュール１１０のＮＡは０．１〜０．６である。
【００４２】
光コネクタ１３０は、樹脂で形成される本体部１３１を備え、光ファイバ１３２に連結され、これを保持する機能を有している。
【００４３】
光ファイバ１３２として、例えば、全石英型のマルチモード型光ファイバ、あるいはシングルモード型光ファイバ等を用いることができる。光ファイバ１３２の形態としては、例えば、単心光ファイバを用いても良いが、ここでは複数本の光ファイバを有する多芯光ファイバテープ（リボン）が用いられている。
【００４４】
本体部１３１は、厚めの矩形板状に成形され、図６で上方から見て一辺が矩形状に切り欠かれて凹部１３１ａを形成している。本体部１３１の凹部１３１ａと反対側には、図７に示すように、光ファイバ１３２を挿入する挿入孔１３１ｂが形成されている。挿入孔１３１ｂは、光ファイバ１３２の被覆としての保護部１３２ａを収容可能なように幅広の矩形形状断面を持つ。挿入孔１３１ｂの底面から凹部１３１ａに向かって、複数の細い貫通孔１３１ｃが形成されている。貫通孔１３１ｃには、光ファイバ１３２の被覆を除去されたファイバ素線１３２ｂの先端部が挿通されている。
【００４５】
貫通孔１３１ｃが露出した凹部１３１ａの底面１３１ｄは、本体部１３１の下面１３１ｅに対して直交している。又、図６に示すように、凹部１３１ａを挟むようにしてその両側に、ピン１１３と同径である円形開口１３１ｆが一対形成されている。
【００４６】
図８、９において、光路変更素子１２０は，後述するようにしてガラスファイバを所定量混入した樹脂により一体的に形成されている。光路変更素子１２０は、細長い三角プリズム状の形状を有し、第１面１２１と、第２面１２２と、第３面１２３と、を有している。第１面１２１と第３面１２３とは直交している。なお、光路変更素子１２０の光軸方向（ＯＡ１、ＯＡ２方向）の大きさは、１０ｍｍ以下であることが小型化の観点で好ましい。又、光ファイバを曲げた際の最小径よりも小型にすることができるという観点から、その大きさを５ｍｍ以下にすることが更に好ましい。但し、光学素子内を通る光線経路の長さは１ｍｍ程度であることが好ましく。光線経路の長さを１ｍｍより小さくする場合には透過率の低い材料を使うことも可能となるため好ましく、逆に光線経路の長さを１ｍｍよりも大きくする場合には透過率の高い材料を用いることで光路偏光素子として十分な透過率を確保することができる。
【００４７】
第１面１２１は平面であって、光モジュール１１０の半導体レーザ１１２から出射した光束を入射する機能を有する。第２面１２２は、複数個一列に並べて設けた反射面１２２ａと、反射面１２２ａの周囲に形成された平面状の繋ぎ面１２２ｂと、繋ぎ面１２２ｂの周囲を囲むようにして第２面１２２の外周に形成された矩形枠状の突出部１２２ｃとを有する。繋ぎ面１２２ｂと突出部１２２ｃとの間には斜面１２２ｄが形成されていると好ましい。第３面１２３は平面であって、反射面１２２ａから反射した光束を透過する機能を有する。
【００４８】
反射面１２２ａは，繋ぎ面１２２ｂから突出してなる同一形状をそれぞれ有し、具体的には正面から見て楕円形状であって、円錐状の発散光束が入射したときに光軸を９０°折り曲げて円錐状の収束光束を反射できるようなアナモフィックな自由曲面を有する。図８の例においては、一方向が楕円形状であるトロイダル面（広義のアナモフィック面）となっている。これにより、収差をほぼなくすことができる。反射面１２２ａの並び間隔は、光モジュール１１０の半導体レーザ１１２の並び間隔、及び貫通孔１３１ｃ内に挿通されたファイバ素線１３２ｂの並び間隔に等しくなっている。反射面１２２ａの並び方向は、１つの反射面１２２ａの２つの光軸を含む面に直交する方向である。なお、反射面１２２ａの外周縁における接平面と光軸とのなす角度（鋭角）は通常７５度以下となる。突出部１２２ｃと反射面１２２ａとの距離は、結合効率に影響を与えないという観点から０．０５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００４９】
突出部１２２ｃの繋ぎ面１２２ｂからの高さは全周において一様であり、反射面１２２ａの突出量よりも大きくなっている。従って、図９に示すように、突出部１２２ｃの全周（ここでは平面部）に接するような仮想平面ＶＰを規定したとき、仮想平面ＶＰは反射面１２２ａに接することはない。又、仮想平面ＶＰは反射面１２２ａの任意の点（この例では光軸上の点ＰＴであるが、少なくとも反射面１２２ａの外周縁より内側の点であれば足りる）における接平面に平行となっている。
【００５０】
図９において、１つの反射面１２２ａにおける、光モジュール１１０側の光軸をＯＡ１とし、光コネクタ１３０側の光軸をＯＡ２とすると、光軸ＯＡ１，ＯＡ２は反射面１２２ａ上で直交している。第１面１２１から反射面１２２ａまでの光軸ＯＡ１に沿った距離（又は第３面１２３から反射面１２２ａまでの光軸に沿った距離）をＡとし、反射面１２２ａの光軸ＯＡ１上の点ＰＴから仮想平面ＶＰまでの距離をＢとしたときに、以下の式を満たす。なお、距離Ａは通常０．０６２５ｍｍ以上２．９ｍｍ以下となる。
Ｂ／Ａ＜１．０      （１）
【００５１】
光路変更素子１２０は、仮想平面ＶＰに重なるようにして、平行平板状のカバー部材１２５を、突出部１２２ｃの全周に接着している。カバー部材１２５は遮光性の部材であると、光路変更素子１２０の劣化を抑制でき、外部からの光がレンズ内部に侵入することを防げるため、好ましい。カバー部材１２５を設けることで反射面１２２ａとの間に隙間が生じ、カバー部材１２５が反射面１２２ａを傷つけたり、また反射面１２２ａに反射膜が成膜されているような場合にも、それを傷つける恐れがない。加えて、仮想平面ＶＰに重なるようにしてカバー部材１２５を設けることができるため、光結合装置１００を設けた基板を積層するような場合にも積層方向の小型化に貢献することができる。更に、カバー部材１２５により反射面１２２ａを密閉空間に封止することで、異物の付着等、反射面１２２ａを外部環境の悪影響から保護することができる。また、反射面１２２ａと仮想平面ＶＰとの隙間を樹脂により封止して異物の付着や結露の防止を行っても良い。カバー部材１２５または樹脂による封止は必ず行わなければならないわけではないが、上述の理由で、カバー部材１２５または樹脂による封止を行うことが好ましい。図９に示すように、カバー部材１２５は、光路変更素子１２０に取り付けたときに、光路変更素子１２０より外側に突出しない形状であると、光結合装置１００を小型化できるので好ましい。
【００５２】
（光路変更素子の成形）
図１０は、光路変更素子の樹脂による成形工程を示す図である。図１０（ａ）に示すように、第１型ＭＤ１は、斜面ＭＤ１ａ、ＭＤ１ｂからなるＶ溝状の転写面を有する。一方、第２型ＭＤ２は、光学面転写面ＭＤ２ａと、繋ぎ面転写面ＭＤ２ｂと、突出部転写面ＭＤ２ｃとを有する。尚、第２型ＭＤ２の端面では，点線で示すように突出部転写面ＭＤ２ｃが局所的に拡大している。第１型ＭＤ１と第２型ＭＤ２は型締めした状態で、紙面垂直方向の両端がゲートを除き閉じている。
【００５３】
ここでは、樹脂に対してガラスファイバ２〜４０ｗｔ％を混入してなる素材を用いて光路変更素子を成形する。細長い棒状のガラスファイバを破砕し、２〜４０ｗｔ％の割合で樹脂材料と混ぜ、混ぜた材料を射出成形機にいれて射出成形を行う。少なくとも光源波長付近において、樹脂とガラスファイバの温度変化に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）の差が、１０．５×１０-5以下であるような樹脂とガラスファイバとを選択し、樹脂にガラスファイバを混入して樹脂素材とする。又は、少なくとも使用温度範囲内で、樹脂とガラスファイバの線膨張係数の差が、６．０×１０-5以下であるような樹脂とガラスファイバとを選択し、樹脂にガラスファイバを混入して樹脂素材とする。樹脂の透過率は、厚さ３ｍｍの平行平板に成形した状態で、光源波長において５０％以上であると好ましい。尚、ガラスファイバの形状は、断面がφ５〜５０μｍであり、長さが１０〜５００μｍである棒状体であると好ましい。また、ｗｔ％とは重量％のことを意味する。
【００５４】
図１０（ａ）に示すように、第１型ＭＤ１の下面と第２型ＭＤ２の上面を密着するように型締めし、不図示のゲートから溶融した樹脂素材を、第１型ＭＤ１と第２型ＭＤ２のキャビティ内へと流し込む。このとき、ゲートの位置は、第１型ＭＤ１又は第２型ＭＤ２の端面（図１０にて一部点線で示す紙面垂直方向の端面）内のいずれかにあることが望ましい。
【００５５】
第１型ＭＤ１の斜面ＭＤ１ａにより、光路変更素子１２０の第１面１２１が転写成形され、斜面ＭＤ１ｂにより第３面１２３が転写成形される。一方、第２型ＭＤ２の型上の光学面ＭＤ２ａにより、光路変更素子１２０の反射面１２２ａが転写成形され、繋ぎ面転写面ＭＤ２ｂにより繋ぎ面１２２ｂが転写形成され、突出部転写面ＭＤ２ｃにより突出部１２２ｃが転写成形される。突出部転写面ＭＤ２ｃは、型上の光学面ＭＤ２ａから離間しているので、突出部転写面ＭＤ２ｃによる突出部１２２ｃ成形時の悪影響が、光学面転写面ＭＤ２ａにより成形される反射面１２２ａに及ぶ恐れが少なく、反射面１２２ａの形状を精度良く維持できる。
【００５６】
樹脂素材の固化後、図１０（ｂ）に示すように、第１型ＭＤ１と第２型ＭＤ２を型開きすることで、成形された光路変更素子１２０を取り出すことができる。本実施形態によれば、光路変更素子１２０の第１面１２１と第３面１２３が平面であるので、単一の第１型ＭＤ１を用いても容易に離型が可能となる。
【００５７】
以下、上記光学素子の好ましい態様についてまとめて説明する。
【００５８】
上記光学素子において、前記樹脂の透過率は、厚さ３ｍｍの平行平板に成形した状態で、前記光源波長の光に対して５０％以上であることが好ましい。
【００５９】
本発明者らの検討結果によれば、前記樹脂の透過率を、厚さ３ｍｍの平行平板に成形した状態で、前記光源波長の光に対して５０％以上とすると、その両面に反射防止コートを施すことで、片面５％程度の透過率向上が期待できるから、トータルで透過率６０％（内部吸収分４０％）を確保できる。実際の光学素子は、光学素子内を通る光線経路の長さが１ｍｍ相当であることが多いので、内部吸収分は１３％（４０％／３ｍｍ）となり、すなわち製品透過率は８７％を得られることとなって好ましい。
【００６０】
また、前記樹脂は、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリオレフィン系樹脂、透明ポリアミド（ＰＡ）、ポリサルホン（ＰＳＵ）／ポリフェニレンサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド(ＰＥＩ)、ポリエーテルエーテルケトン(ＰＥＥＫ)のいずれかであることが好ましい。このような樹脂は透明性に優れ、ガラスフィラーとの相性も良いので、光学素子の素材として好適である。
【００６１】
また、前記ガラスフィラーの混合（混入）量は２〜４０ｗｔ％であることが好ましい。前記ガラスフィラーの混入量を２ｗｔ％以上とすることで、線膨張係数を調整するのに十分な効果を得ることが出来、一方、前記ガラスフィラーの混入量を４０ｗｔ％以下とすることで、射出ができなくなるなど成形性が悪くなるような悪影響を回避できる。又、前記ガラスフィラーの混入量が多すぎても、線膨張係数の調整の効果が薄いという側面もある。
【００６２】
また、前記ガラスフィラーはガラスファイバであることが好ましい。微細な棒状体であるガラスファイバは、樹脂に混入することにより線膨張係数を調整しやすいという効果がある。
【００６３】
また、前記ガラスファイバの形状は、断面がφ５〜５０μｍであり、長さが１０〜５００μｍである棒状体であることが好ましい。これにより一般的なガラスファイバを利用することができる。
【００６４】
また、前記光源波長は、８５０±１５０nm、１３１０±１５０nm、１５５０±１５０nmのいずれかであることが好ましい。このような光源波長は光通信にて多用されるので、これに対応できることが好ましい。
【００６５】
また、前記光学素子は、光通信に用いられ光学面がアレイ状に並んだ光学素子であることが好ましい。
【００６６】
以下、上述した実施形態に用いることができる実施例を説明する。ここで、汎用のＰＣ(ポリカーボネート)材のみの場合を比較例１とし、更に同じＰＣ材にＨＯＹＡ株式会社製のガラスファイバ(製品名ＦＦ５)を混入して比較例２を作製し、また同じＰＣ材にＨＯＹＡ株式会社製のガラスファイバ(製品名ＢＡＣＤ１２)を混入して実施例１を作製した。その後、ピーク波長ずれ量、波長毎の屈折率、温度変化(常温＋５５℃)に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）、ＰＣ材(樹脂)とガラスファイバの温度変化に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）の差、使用温度範囲における線膨張係数、及びＰＣ材(樹脂)とガラスファイバの線膨張係数の差をそれぞれ求めて比較した。なお、光源波長付近におけるｄｎ／ｄＴの算出に当たっては近似曲線を用いてもよい。本比較例及び実施例においては、光源波長λ＝486ｎｍ,587ｎｍ,656ｎｍの屈折率からなる１次曲線で近似してｄｎ／ｄＴの値を計算した。その結果を表１に示す。
【００６７】
【表１】
2016114336.tif 000003
【００６８】
表１の比較結果より、比較例２においては、光源波長（５８７ｎｍ）における樹脂とガラスファイバの温度変化に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）の差が１０．８×１０-5であり且つ光学素子の使用温度範囲における樹脂とガラスファイバの線膨張係数の差が６．４×１０-5であって、ピーク波長ずれ量が、２７ｎｍとなった。これに対し、実施例１では、樹脂とガラスファイバの温度変化に対する屈折率変化量（ｄｎ／ｄＴ）の差が１０．５×１０-5であり且つ光学素子の使用温度範囲における樹脂とガラスファイバの線膨張係数の差が６．０×１０-5であって、ピーク波長ずれ量は１２ｎｍと半分以下に減少した。以上の結果を考察すると、樹脂に混入するガラスファイバの温度変化に対する屈折率変化ｄｎ／ｄＴが、樹脂の屈折率変化ｄｎ／ｄＴに近いほど、ピーク波長ずれ量を抑えることができるものと推認される。又、樹脂に混入するガラスファイバの線膨張係数が、樹脂の線膨張係数に近いほど、ピーク波長ずれ量を抑えることができるものと推認される。
【００６９】
本発明は、明細書に記載の実施形態・実施例に限定されるものではなく、他の実施形態・実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や実施例や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、本発明の光学素子は、光通信に限らず、小型のプロジェクタのコリメータ等や光ピックアップ装置にも用いることができる。
【符号の説明】
【００７０】
１００            光結合装置
１１０            光モジュール
１１１            台板
１１２            半導体レーザ
１１３            ピン
１２０            光路変更素子
１２１            第１面
１２２            第２面
１２３            第３面
１２５            カバー部材
１３０            光コネクタ
１３１            本体部
１３１ａ          凹部
１３１ｂ          挿入孔
１３１ｃ          貫通孔
１３１ｄ          底面
１３１ｅ          下面
１３１ｆ          円形開口
１３２            光ファイバ
１３２ａ          保護部
１３２ｂ          ファイバ素線
【図１】
2016114336.tif 000004
【図２】
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【図３】
2016114336.tif 000006
【図４】
2016114336.tif 000007
【図５】
2016114336.tif 000008
【図６】
2016114336.tif 000009
【図７】
2016114336.tif 000010
【図８】
2016114336.tif 000011
【図９】
2016114336.tif 000012
【図１０】
2016114336.tif 000013
【国際調査報告】
2016114336.tif 000014
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