TWI743295B - 光學零件及光學零件的製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明之光學零件10,其包含:第一層12,其係由具有第一折射率之第一材料所形成,並具有第一主面16、及與第一主面16為相反側的第二主面18;與第二層14,其係由具有與第一折射率不同之折射率之第二折射率的第二材料所形成,並具有第三主面20、及與第三主面20為相反側的第四主面22,其中,第二主面18與第三主面20係以抵接的方式,而使第一層12與第二層14形成積層。於第一層12之第一主面16形成有透鏡24,而於第二層14之第三主面20形成有漩渦形狀26。
Description
本發明是關於一種光學零件及光學零件的製造方法。
近年來,由於網路及行動群眾的普及,資訊通訊量爆炸性地增大。暫時儲存資料、進行連接網路之資料中心內,亦必須以高速處理大容量的資料。
如資料中心內之短距離(數十公尺~數百公尺)的傳送,雖亦可以電訊號進行通訊,但由高速化的觀點,以進行光學通訊較為有利。短距離的光學通訊,藉由組合垂直空腔表面發光雷射(VCSEL,Vertical Cavity Surface Emitting Laser,)等面發光型光源與多模光纖,已可實現傳送速度為數GHz~10GHz的系統。
多模光纖,由於光所通過的核心,設計地較單模光纖為大,故於核心內可傳送多模的光,而有產生差模延遲(DMD,Differential Modal Dispersion)的可能性。若產生DMD則容易使光波形劣化,故有可能使傳送距離受到限制。
作為多模光纖之DMD的改善方法,已知有使光學渦旋產生的螺旋相位板(Vortex Phase Plate)的方法(例如,專利文獻1或2)。通常,雷射所射出之光,具有中心部之強度高之基本高斯形狀的光強度分布,而藉由使該光穿透螺旋相位板,則可改變為具有中心部分之強度為零或低之環狀之光強度分布的光。所謂螺旋相位板,係指例如於任一主面形成有連續或階段狀之漩渦形狀(vortex形狀)的光學零件。
如大家所知,多模光纖視其之製造方法於核心之中心部分的折射率分布會有不安定的情形,而其為引起DMD的主要因素(例如,專利文獻1或2)。因此,使雷射所射出的光,穿透螺旋相位板,而改變成具有環狀之光強度分布的光後,射入多模光纖。藉此,可抑制直接射入多模光 纖之核心之中心部分的光,能於以所謂高階之傳播模式為主體的光纖內進行傳播,故可抑制DMD的產生。
專利文獻1:日本特開2008-46312號公報
專利文獻2:日本特開2016-91014號公報
然而,當於光源與多模光纖之間配置螺旋相位板時,備齊光軸所需的光學零件增加,故與未配置螺旋相位板的情況相比,光軸調整有變難的可能性。又,於有複數之該等組合之陣列型式的光學系,其之調整可能更難。
本發明係有鑑於如此狀況所完成者,其目的在於提供一種技術,其於使光學渦旋產生的光學系中,可容易地調整光軸。
為了解決上述課題,本發明之某樣態之光學零件,其包含:第一層,其係由具有第一折射率之第一材料所形成,並具有第一主面、及與第一主面為相反側的第二主面;與第二層,其係由具有與第一折射率不同之折射率之第二折射率的第二材料所形成,並具有第三主面、及與第三主面為相反側的第四主面,其中,第二主面與第三主面係以抵接的方式,而使第一層與第二層形成積層。於第一層之第一主面形成有透鏡,而於第二層之第三主面形成有漩渦形狀。此處,所謂漩渦形狀,係如上述之具有連續或階梯狀之漩渦形狀,使來自雷射等的光穿透其之後而產生光學渦旋。
本發明之另一樣態亦為光學零件。該光學零件,其包含:第一層,其係由具有第一折射率之第一材料所形成,並具有第一主面、及與第一主面為相反側的第二主面;與第二層,其係由具有與第一折射率不同之折射率之第二折射率的第二材料所形成,並具有第三主面、及與第三主面為相反側的第四主面,其中,第二主面與第三主面係以抵接的方式,而使第一層與第二層形成積層。於第一層之第一主面形成有漩渦形狀,而於第二層之第三主面形成有透鏡。
亦可更包含配置於第二層之第四主面上的光學元件。
亦可更包含基板,該基板具有第五主面、及與第五主面為相反側之第六主面,並且第四主面與第五主面係以抵接的方式,而使第二層配 置於該基板上。
亦可更包含配置於基板之第六主面上的光學元件。
光學元件,可為透鏡、偏光元件、波長板、相位板、稜鏡、繞射光柵、濾光片、鏡子、半透射鏡、發光元件及受光元件的至少一種。
漩渦形狀與透鏡的組合,可配置成陣列狀。
對於波長850nm,第一折射率與第二折射率的折射率差可為0.15以上。
本發明之又另一樣態,為上述光學零件的製造方法。該方法係包含下述步驟:將第二材料,滴下至用以形成第二層之第二層用模具的步驟;使第二材料展開的步驟;對第二材料照射光以使其硬化的步驟;使第二層用模具脫模以取出第二層的步驟;將第一材料,滴下至用以形成第一層之第一層用模具的步驟;使第二層貼合於第一層用模具,以使第一材料展開的步驟;對第一材料照射光以使其硬化的步驟;以及,使第一層用模具脫模以取出第一層與第二層之積層體的步驟。
本發明之又另一樣態,為上述光學零件的製造方法。該方法係包含下述步驟:將第二材料,射出至用以形成第二層之第二層用模具、與共通模具之間的步驟;冷卻第二材料以使其硬化的步驟;將第二層用模具與共通模具開模的步驟;使第一材料,射出至用以形成第一層之第一層用模具、與形成有第二層之共通模具之間的步驟;冷卻第一材料以使其硬化的步驟;以及,將第一層用模具與共通模具開模,以取出第一層與第二層之積層體的步驟。
又,以上之構成要素的任意組合、將本發明之呈現以方法、裝置、系統等之間進行變換者,皆為本發明的有效樣態。
藉由本發明,可提供一種技術,其於使用具備漩渦形狀使光學渦旋產生的光學系,以將雷射等光源與多模光纖結合時,可容易地進行該等的光軸調整。
10、50、70、200、300‧‧‧光學零件
12、72、212‧‧‧第一層
14、74、214‧‧‧第二層
16、76、216‧‧‧第一主面
18、78、218‧‧‧第二主面
20、80、220‧‧‧第三主面
22、82、222‧‧‧第四主面
24、84、224‧‧‧透鏡
26、86、226‧‧‧漩渦形狀
30‧‧‧光學模組
32‧‧‧光源
34‧‧‧聚光透鏡
36‧‧‧多模光纖
36a‧‧‧核心
40、60‧‧‧光學元件
52、252、322‧‧‧基板
54、254‧‧‧第五主面
56、256‧‧‧第六主面
90‧‧‧透鏡用模具
91‧‧‧漩渦形狀用模具
93、94‧‧‧不鏽鋼材
95、96‧‧‧化學鍍鎳一磷
97、100、103、107‧‧‧玻璃基板
98、101、104、111、112‧‧‧紫外線硬化性樹脂
99、102、105‧‧‧複製模具
106‧‧‧漩渦形狀成形層
108‧‧‧透鏡成形層
140‧‧‧成形機
141‧‧‧旋轉台
142‧‧‧共通模具
145‧‧‧一次側澆口
146‧‧‧二次側澆口
150‧‧‧成形品
310、326‧‧‧金屬配線
320‧‧‧VCSEL陣列
324‧‧‧VCSEL
328‧‧‧錫銲凸塊
圖1是用以說明本發明之實施形態之光學零件的概略截面圖。
圖2是使用本實施形態之光學零件之光學模組的概略構成圖。
圖3(a)及圖3(b)是用以說明入射於多模光纖之光之強度分布的圖。
圖4是顯示於光學零件組合光學元件之實施形態的圖。
圖5(a)及圖5(b)是用以說明本發明之其他實施形態之光學零件的圖。
圖6是用以說明本發明之另一其他實施形態之光學零件的圖。
圖7是顯示於光學零件組合光學元件之實施形態的圖。
圖8(a)及圖8(b)是用以說明本發明之另一其他實施形態之光學零件的圖。
圖9(a)~圖9(c)是顯示於光學零件之基板形成有金屬配線之實施形態的圖。
圖10(a)及圖10(b)是顯示於形成有金屬配線之光學零件之基板,覆晶封裝VCSEL陣列基板之實施形態的圖。
圖11是用以說明本發明之本發明之另一其他實施形態之光學零件的概略截面圖。
圖12(a)~圖12(d)是說明用以成形透鏡與漩渦形狀之模具的圖。
圖13(a)~圖13(d)是用以說明透鏡之複製模具之製作步驟的圖。
圖14(a)及圖14(b)是用以說明漩渦形狀之複製模具之製作步驟的圖。
圖15(a)~圖15(d)是用以說明於基板上製作陣列狀之漩渦形狀之步驟的圖。
圖16(a)~圖16(d)是用以說明於基板上製作透鏡陣列之步驟的圖。
圖17(a)~圖17(c)是用以說明漩渦形狀與透鏡之對準之靶的圖。
圖18是用以說明成形機之構成的圖。
圖19是用以說明陣列狀之漩渦形狀之成形的圖。
圖20是顯示用以成形陣列狀之漩渦形狀所進行之樹脂射出之狀況的圖。
圖21是顯示取出成形品之狀態的圖。
以下,說明本發明之實施形態之光學零件。該光學零件,是一種含有漩渦形狀的光學零件。於各圖示所顯示之相同或同等的構成要素、構件、處理,皆賦予相同的符號,並適當地省略重複的說明。又,實施形態,僅為例示並非用以限定發明者,實施形態所記述之所有特徵及其之組合,並不一定為發明的本質。
圖1是用以說明本發明之實施形態之光學零件10的概略截面圖。如圖1所示,光學零件10,係積層第一層12與第二層14所得者。第一層12是由具有第一折射率n1之第一材料所形成。第二層14是由具有第二折射率n2之第二材料所形成。第一折射率n1與第二折射率n2互相不同(亦即n1≠n2)。
例如,能以第一折射率n1=1.7左右之高折射率材料形成第一層12,以第二折射率n2=1.4左右之低折射率材料形成第二層14。或者,亦可以第一折射率n1=1.4左右之低折射率材料形成第一層12,以第二折射率n2=1.7左右之高折射率材料形成第二層14。兩者之折射率差△n=n2-n1之絕對值愈大,當積層兩者形成光學系時,可的折射能力愈大的光學系,而可減低後述之漩渦形狀的高低差(漩渦形狀之最高處與最低處之差)。構成第一層12與第二層14之材料,例如可使用樹脂或玻璃。玻璃之原料,可使用容易薄膜化而能形成細微構造的溶膠凝膠材料。又,當令漩渦形狀之最大高低差為d、漩渦形狀中之一周內之高低差d的重覆數(循環數)之電荷數為mc、使用波長為λ時,相位差△Φ以△Φ=2 π×mc×△n×d/λ來表示。
第一層12,具有第一主面16、及與第一主面16為相反側的第二主面18。第二層14,具有第三主面20、及與第三主面20為相反側的第四主面22,第一層12與第二層14,係以使第二主面18與第三主面20抵接的方式積層。
於第一層12之第一主面16,形成有透鏡24。圖1所示之透鏡24為球面凸透鏡,而亦可為球面凹透鏡、非球面凸透鏡、非球面凹透鏡、繞射式透鏡(菲涅耳透鏡)等。
於第二層14之第三主面20,形成有漩渦形狀26。漩渦形狀26,係於光軸之周圍形成為連續或階梯狀之螺旋形狀的光學要素,具有產生光學渦旋、亦即使光轉換成於圓周方向具有相位差的功能。如此之功能,以漩渦狀之繞射光柵、或於圓周方向每於既定之旋轉角度使等效折射率改變的元件等施可實現。改變等效折射率之方法,有於材料形成多數之使用波長以下的孔洞,藉由改變洞的密度來改變等效折射率的方法。但並不限定於該等,藉由使用任一元件,可得下述效果:使入射光轉變為於圓周方向具有 相位差的光,而以透鏡聚光該光時之光強度分布呈環狀。漩渦形狀26,因應欲賦予的相位差可使用各種種類者。例如,可使用於一周賦予2 π之相位差者(電荷數mc=1、相位差△Φ=2 π)、360度連續賦予相位差者、每180度分別賦予2 π之相位差者(mc=2、△Φ=2 π×2)、每120度分別賦予2 π之相位差者(mc=3、△Φ=2 π×3)等。又,當相位差△Φ為2 π×m時,可得具有相對於中心軸之軸對稱性最高之環狀光強度分布的光束。m為整數,為漩渦形狀或螺旋相位板的次數。又,圖1所示之漩渦形狀26,請注意為模式顯示漩渦形狀之截面形狀者。
於第一層12之第一主面16所形成之透鏡24、與第二層14之第三主面20所形成之漩渦形狀26,係以使該等之光軸為一致的方式配置(一致之光軸為光學零件10之光軸Ax)。
第二層14之第三主面20,為對應於所抵接之第二主面18的形狀。又,第二層14之第四主面22,係形成為平面狀。
圖2是使用本實施形態之光學零件10之光學模組30的概略構成圖。如圖2所示,光學模組30包含光源32、光學零件10、聚光透鏡34、與多模光纖36。圖2係顯示由光源32所射出之光,透過光學零件10與聚光透鏡34,入射至多模光纖36之核心36a的狀況。
光源32,可利用VCSEL等面發光雷射、或雷射二極體。光學零件10,係以使第二層14之第四主面22為接受來自光源32之光之入射面的方式配置。由第四主面22入射至第二層14內的光,藉由漩渦形狀26,變換成具有環狀之光強度分布的光。該光,入射至第一層12,藉由形成於第一層12之第一主面16的透鏡24作為平行光射出。該平行光,入射至多模光纖36的核心36a。又,圖2,係實施形態之一例,藉由其他的構成亦可實現相同功能。例如,光學零件10之透鏡面亦可面向光源32側,又,光學零件10與聚光透鏡34亦可互換。又,亦可為平行光入射至漩渦形狀的光學系。
圖3(a)及圖3(b)是用以說明入射於多模光纖之光之強度分布的圖。圖3(a),作為比較例,係顯示取代圖2所示之光學模組30中之光學零件10而僅配置準直透鏡時,入射至多模光纖之光的強度分布。圖3(b),係顯示使用本實施形態之光學零件10之入射至多模光纖之光的強度分布。
比較圖3(a)及圖3(b)可知,藉由使用本實施形態之光學零件10,可將具有中心部分之強度降低之環狀強度分布的光,入射至多模光纖36之核心36a。藉此,折射率可能變得不安定之入射至核心36a之中心部分的光消失,故可抑制DND的產生,結果可提升光模組30的光傳遞性能。
於光學模組中,當將螺旋相位板與其他兩個透鏡(亦即準直透鏡及聚光透鏡)以個別的零件製作,並組合該等使用時,必須使螺旋相位板與其他透鏡的光軸對準來固定。然而,光學零件的數目愈多當然光軸調整變得更難。藉由使來自光源的光變成環狀光的漩渦形狀26、與使通過漩渦形狀26之光變成平行光的透鏡24一體化,可使光學零件10宛如一般之一片透鏡同樣地進行操作。亦即,只要光學零件10與聚光透鏡34之兩個零件的光軸對準即可,因此,與進行螺旋相位板與其他兩個透鏡之光軸調整的情況相比,光軸調整變得容易。當操作積層有複數個陣列狀的光學零件時,此點更為有利。
於本實施形態之光學零件10,於露出於光學零件之外部之介質(例如空氣)的表面,亦即第一主面16(透鏡24)及第四主面22,施可形成有用以抑制反射損失的抗反射層。抗反射層,例如,能以多層介電膜、具有數十~數百奈米之週期的微細構造、或具有外部介質之折射率與光學元件之折射率中間之折射率的匹配層等來形成。
圖4是顯示將光學元件40組合於光學零件10之實施形態的圖。如上述,於第二層14之第四主面22係形成為平面狀。因此,於第四主面22可自由地配置其他的光學元件。於第四主面22所配置之光學元件40,例如,可為透鏡、偏光元件、波長板、相位板、稜鏡、繞射光柵、濾光片、鏡子、半透射鏡、發光元件及受光元件等。由於第四主面22為平面狀,故於面上形成電極或金屬配線之後,可構裝發光元件或受光元件,於該點亦為有利。藉由如此於第四主面22配置光學元件40,較將光學元件40與光學零件10各別地分開配置相比,可謀求光學模組的省空間化。又,由於係將光學元件40直接固定於光學零件10,故光學元件40與光學零件10的光軸調整容易,且固定後不易產生光軸偏離,是其優點。
圖5(a)及圖5(b)是用以說明本發明之其他實施形態之光學零件200的圖。圖5(a)是俯視圖,圖5(b)是圖5(a)之A-A截面圖。
於圖2所示之實施形態,係說明使光入射於一條多模光纖36的情形,但當排列複數條多模光纖36以進行空間多工化時,如圖5(a)及圖5(b)所示,係使用將光軸一致之透鏡224及漩渦形狀226之組合配置成陣列狀的光學零件200、與聚光透鏡34(參照圖2)的陣列。
光學零件200,係於第一主面216複數之透鏡224形成為陣列狀(一列)之第一層212、與於第三主面220複數之漩渦形狀226形成為陣列狀(一列)之第二層214,以使第二主面218與第三主面220底接的方式積層者。第二層214之第四主面222,係形成為平面狀。第一層212係由具有第一折射率n1之第一材料所形成,第二層214係由具有第二折射率n2之第二材料所形成。第一折射率n1與第二折射率n2互相不同(亦即n1≠n2)。
當使用本實施形態之光學零件200時,亦只要進行光學零件200與聚光透鏡34之陣列的光軸調整即可,故與進行陣列狀之漩渦形狀與其他兩個透鏡之光軸調整的情況相比,光軸調整的進行可容易許多。
圖6是用以說明本發明之另一其他實施形態之光學零件50的概略截面圖。如圖6所示,光學零件50更包含基板52,而具有於該基板52上配置有圖1所說明之第一層12與第二層14之積層體的構成。基板52為樹脂或玻璃所形成的平板狀構件,具有第五主面54、及與該第五主面為相反側的第六主面56。第一層12與第二層14之積層體,係以使第二層14之第四主面22抵接於基板52之第五主面54的方式配置。如此所形成之光學零件50,亦與上述之光學零件同樣地,於組裝光學模組時容易進行光軸調整。基板52,係使用於使用波長(例如850nm)下為透明的介電基板。例如,使用環烯烴等透明樹脂或玻璃等作為基板52。
圖7是顯示將光學元件60組裝於光學零件50之實施形態。基板52之第六主面56為平面狀。因此,可於基板52之第六主面56自由地配置其他的光學元件60。配置於第六主面56的光學元件60,例如,可為透鏡、偏光元件、波長板、相位板、稜鏡、繞射光柵、濾光片、鏡子、半透射鏡、發光元件及受光元件等。第六主面56,係事先於面上形成有電極或金屬配線,故可構裝發光元件或受光元件,並且,藉由使用包含具有玻璃通孔(TGV,Through Glass Via)之透明玻璃基板的載板(interposer)等,可進一步提升集成性,於該點上亦為有利。
圖8(a)及圖8(b)是用以說明本發明之另一其他實施形態之光學零件300的圖。圖8(a)是俯視圖,圖8(b)是圖8(a)之B-B截面圖。
如圖8(b)所示,本實施形態之光學零件300,更包含基板252,具備有於該基板252上配置圖5(a)及圖5(b)所說明之第一層212與第二層214之積層體的構成。基板252為以樹脂或玻璃所形成之平板狀的構件,具有第五主面254、及與該第五主面為相反側的第六主面256。第一層212與第二層214之積層體,係以使第二層124之第四主面222抵接於基板252之第五主面254的方式配置。如此所形成之光學零件300,亦與上述之光學零件同樣地,於組裝光學模組時容易進行光軸調整。基板252,係使用於使用波長(例如850nm)下為透明的介電基板。例如,使用環烯烴等透明樹脂或玻璃等作為基板252。
圖9(a)~圖9(c)是顯示於光學零件300之基板252形成有金屬配線310之實施形態的圖。圖9(a)是俯視圖,圖9(b)是圖9(a)之C-C截面圖,圖9(c)為仰視圖。如圖9(a)~圖9(c)所示,於基板252之第六主面256,於每一透鏡224及漩渦形狀226的組合形成有金屬配線310。
圖10(a)及圖10(b)是顯示於形成有金屬配線310之光學零件300之基板252,覆晶封裝VCSEL陣列320的實施形態。圖10(a)為以正交於透鏡等之排列方向之面截斷的截面圖,圖10(b)為以平行於透鏡等之排列方向之面截斷的截面圖。
VCSEL陣列320,係於基板322將複數之VCSEL324形成為陣列(一列)者。每一透鏡224及漩渦形狀226的組合配置一個VCSEL324。如圖10(a)及圖10(b)所示,於基板322所形成之金屬配線326,係藉由錫銲凸塊328連接於光學零件300之基板252所形成之金屬配線310。藉由如此將VCSEL陣列320直接構裝於光學零件300,集成性提升,可謀求光學模組之省空間化。又,由於係將VCSEL陣列320直接固定於光學零件300,故VCSEL陣列320與光學零件300之光軸調整容易進行,且固定後之光軸亦不易產生偏差。
圖11是用以說明本發明之本發明之另一其他實施形態之光學零件70的概略截面圖。如圖11所示,本實施形態之光學零件70,與圖1所示之光學零件10同樣地,係將具有第一折射率n1之第一材料所形成之 第一層72、與具有第二折射率n2之第2材料所形成之第二層74積層積層者。第一折射率n1與第二折射率n2互相不同(亦即n1≠n2)。
第一層72,具有第一主面76、及與第一主面76為相反側之第二主面78。第二層74,具有第三主面80、及與第三主面80為相反側之第四主面82。第一層74與第二層74,係以使第二主面78與第三主面80抵接的方式積層。
本實施形態之光學零件70,係於第一層72之第一主面76形成漩渦形狀86、於第二層74之第三主面80形成透鏡84,在此點上與圖1所示的光學零件10不同。圖11所示之透鏡84為球面凸透鏡,而亦可為球面凹透鏡、非球面凸透鏡、非球面凹透鏡、繞射式透鏡(菲涅耳透鏡)等。
如本實施形態之光學零件70,於露出於光學零件之外部介質(例如空氣)的第一主面76形成漩渦形狀86,於光學零件70內部之第一層72與第二層74的介面形成透鏡84者,亦可適用於圖2所示之光學模組。該光學零件70,藉由使自光源的光變成平行光的透鏡84、與使通過透鏡84之光變成環狀光的漩渦形狀86一體化,亦可使光學零件70宛如一般之透鏡同樣地進行操作,故於組裝光學模組時容易進行光軸調整。又,此時之漩渦形狀86的相位差△Φ,若空氣的折射率為1,則以△Φ=2 π×mc×(n1-1)×d/λ來表示。
於本實施形態之光學零件70,第二層74之第四主面82亦形成為平面狀,故可於第四主面82自由地配置其他光學元件。第四主面82所配置之光學元件,例如,可為透鏡、偏光元件、波長板、相位板、稜鏡、繞射光柵、濾光片、鏡子、半透射鏡、發光元件及受光元件等,具備平面狀主面的優點則如上所述。
接著,說明上述之光學零件的製造方法。此處說明具代表性的兩種製造方法。
(1)2P(Photo Polymerization,光聚合)成形
所謂2P成形,係指藉由紫外線硬化的成形,將紫外線硬化性樹脂充填於具有依光學性所設計之形狀的模具(mold),與作為基板之玻璃、丙烯酸等板貼合,照射紫外線使樹脂硬化後,脫模而將模具的反轉形狀轉印成形於基板上的成形法。
此處,說明使用玻璃作為底層材料,以2P成形法於第一層之第一主面,以高折射率材料形成透鏡,於第二層之第三主面以低折射率材料形成漩渦形狀的情況。
圖12(a)~圖12(d)是說明用以成形透鏡與漩渦形狀之模具的圖。圖12(a)為透鏡用模具90之概略斜視圖。圖12(b)為透鏡用模具90之概略截面圖。圖12(c)為漩渦形狀用模具91之概略斜視圖。圖12(d)為漩渦形狀用模具91之概略截面圖。
透鏡用模具90與漩渦形狀用模具91,係於不鏽鋼材93、94表面施以化學鍍鎳-磷95、96的模具基材,藉由超精密奈米加工機,使用超精密切削工具進行加工成形而製作成主模。該等金屬製模具之主模以可作為2P成形用之模具使用,但由於紫外線無法穿透金屬製之主模,故2P成形之基板限制為紫外線可穿透的材質,並且,由防止操作時之破損等的觀點需有保護主模的效果,綜合上述,較佳為,以2P成形於玻璃基板成形複製模具而以其作為2P成形用的模具。
首先,說明透鏡之複製模具之製作。於製作複製模具時所使用之紫外線硬化性樹脂,不須與本發明之光學零件成形時所使用之紫外線硬化性樹脂相同,作為複製模具,使用反覆轉印性及形狀(尺寸)安定性優異(例如,硬化收縮小)的紫外線硬化性樹脂。
透鏡之主模,係使用透鏡成形時之材料之紫外線硬化性樹脂的折射率1.70(波長850nm),根據使來自表面發光雷射(VCSEL)以發射角20°所發出之光變換成平行光的樣式所設計。具體而言,係於透明基板上,形成以0.25mm的間隔配置8個透鏡徑=φ 0.24mm、透鏡高度(sag)=0.033mm之透鏡的非球面透鏡陣列所成。
圖13(a)~圖13(d)是用以說明透鏡之複製模具之製作步驟的圖。首先,如圖13(a)所示,使用形成有透鏡之反轉形狀(凹形狀)之透鏡用模具90作為主模,藉由2P成形於玻璃基板97上以紫外線硬化性樹脂98形成凸形狀的複製模具。圖13(b)顯示完成之凸形狀的複製模具99。接著,如圖13(c)所示,使用凸形狀之複製模具99,藉由2P成形於玻璃基板100上以紫外線硬化性樹脂101形成凹形狀的複製模具。圖13(d)顯示完成之凹形狀之複製模具102。
接著,說明漩渦形狀之複製模具的製作。在此之前,先敘述較佳之漩渦形狀的形態。藉由漩渦形狀與透性之組合所得的光束,當漩渦形狀之相位差△Φ為2 π×m(m為漩渦形狀之次數的整數。)時,可得軸對稱性高之環狀的光強度分布。再者,漩渦形狀之相位差的絕對值愈大,光束之束徑(環徑)愈大。
另一方面,於使光束入射至多模光纖時需要適當的束徑。若束徑過小,則容易受到多模光纖之核心之中心部的影響,而難以抑制DMD。若束徑過大,則容易與多模光纖之所謂高階的傳播模式結合而容易產生彎曲損失等。因此,於本實施形態,使入射至多模光纖之光的束徑為10~50μm。此處之束徑,係指光強度分布之最大值1/e2之強度下的最大徑,當為環狀之光束時,則為對應於環徑者。
根據與漩渦形狀一同使用之透徑的焦距及繞射極限為首的性能,考量為漩渦形狀的次數為6、亦即相位差△Φ=2 π×6的漩渦形狀。
漩渦形狀,係根據其成形所使用之紫外線硬化性樹脂的折射率1.70(波長850nm)、與於漩渦形狀上之層(亦即第一層)所形成之透鏡用之紫外線硬化性樹脂之折射率之差△n的絕對值0.33所設計者。隨著次數之正負或△n之正負,漩渦形狀的相位差△Φ亦有正或負,而當相位差之絕對值相同而正負符號相反時,只要光學渦旋的旋轉方向相反,所得之光強度分布即會產生差異,故此處考量漩渦形狀的相位差時,均使各項的符號為正(+)。
由以上的探討,關於漩渦形狀的形狀,具體而言,係以0.25mm的間隔配置8個電荷數mc=1、徑=φ 0.24mm、最大高低差d=0.015mm之漩渦形狀來製作。
漩渦形狀的模具,即使主模與由其所得之複製模具於形狀上為反轉,相位差的絕對值仍為相同,故形成本發明之光學零件之2P成形用模具,可使用1次轉印成形、2次轉印成形之任一的複製模具。與只能使用偶數次或奇數次轉印中之一的一般凸或凹透鏡的情形相比,模具的使用效率提高,即使由於各種要因使模具損壞,亦容易獲得支援,故較佳。
圖14(a)及圖14(b)是用以說明漩渦形狀之複製模具之製作 步驟的圖。如圖14(a)所示,使用主模作為漩渦形狀用模具91,藉由2P成形於玻璃基板103上,以紫外線硬化性樹脂104形成凸形狀的複製模具。圖14(b)顯示完成之凸形狀的複製模具105。
於透鏡用模具90、漩渦形狀用模具91、以及用以2P成形本發明之光學零件的複製模具,較佳為,施以脫模劑的塗敷,以使紫外線硬化性樹脂之硬化後的脫模容易進行。脫模劑,係以氟系之塗敷劑稀釋為0.1%,以旋塗法或浸漬塗布法塗布後,保持於60℃、90%RH左右的高溫高濕環境氣氛下1小時以上來塗敷。
玻璃基板,只要於所使用之波長(例如850nm)下為透明者即可,可使用鈉鈣玻璃或硼矽玻璃等實質上不含鹼金屬元素的無鹼玻璃。特別是,當使用包含具有TGV之玻璃基板的載板作為基板時,若玻璃基板含有鹼金屬,則高頻特性變差,故使用無鹼玻璃作為基板有其優點。於玻璃基板表面,較佳為實施矽烷耦合劑的表面處理,用以改善與成形漩渦形狀之紫外線硬化性樹脂的接著性(強度)。
圖15(a)~圖15(d)是用以說明製作陣列狀之漩渦形狀之步驟的圖。首先,如圖15(a)所示,於漩渦形狀之成形用複製模具105,滴入紫外線硬化性樹脂111。紫外線硬化性樹脂111,可使用丙烯酸酯系之紫外線硬化性樹脂,具有硬化後之折射率為1.37(波長850nm)、透光率90%的特性者。
接著,如圖15(b)所示,貼合玻璃基板107,使紫外線硬化性樹脂111展開至目標之樹脂展開區域為止。當需要進行玻璃基板107與漩渦形狀的對準(例如於玻璃基板107設置開口)時,於以顯微鏡等進行玻璃基板107之靶複製模具105之靶的對準下,展開紫外線硬化性樹脂111。
接著,如圖15(c)所示,照射紫外線以使紫外線硬化性樹脂111硬化。紫外線硬化性樹脂111之硬化後,如圖15(d)所示,進行複製模具105的脫模,而得漩渦形狀成形層106。
圖16(a)~圖16(d)是用以說明製作透鏡陣列之步驟的圖。於圖15(a)~圖15(d)之步驟所製作之漩渦形狀成形層106(圖1所示之光學零件10的第二層14)上,成形透鏡成形層(圖1所示之光學零件10的第一 層12)。
首先,如圖16(a)所示,於透鏡成形用之複製模具102,滴入紫外線硬化性樹脂112。紫外線硬化性樹脂112,可使用丙烯酸酯系之紫外線硬化性樹脂。紫外線硬化性樹脂,可為具有硬化後折射率為1.70(波長850nm)、透光率80%的特性者。
接著,如圖16(b)所示,與玻璃基板107上所成形之漩渦形狀成形層106貼合,於進行漩渦形狀成形層106之靶、與透鏡成形用之複製模具102靶的對準之下,使紫外線硬化性樹脂112展開至目標之樹脂展開區域為止。此時,為了對準漩渦形狀與透鏡,需於進行漩渦形狀與透鏡之靶彼此的對準之下,進行紫外線硬化性樹脂112的展開。
接著,如圖16(c)所示,照射紫外線使其硬化。紫外線硬化性樹脂112之硬化後,如圖16(d)所示,進行複製模具102的脫模,而得透鏡成形層108。
圖17(a)~圖17(c)是用以說明漩渦形狀與透鏡之對準之靶的圖。圖17(a)為漩渦形狀成形層106的靶。圖17(b)為透鏡成形用之複製模具102的靶。圖17(c)顯示漩渦形狀成形層106的靶、與透鏡成形用之複製模具102的靶為符合的狀態。
於上述說明,係說明於第一層之第一主面形成透鏡、於第二層之第三主面形成漩渦形狀之光學零件的製造方法,但於第一層之第一主面形成漩渦形狀、於第二層之第三主面形成透鏡的光學零件,亦可以同樣的方法製造。
(2)射出成形(二色成形)
接著,說明射出成形(二色成形)。此處,係說明於第一層之第一主面以低折射率材料形成漩渦形狀、於第二層之第三主面以高折射率材料形成透鏡的情形。於本實施例,不使用底層材料(基板)。
於射出成形,使用與圖12(a)~圖12(d)所說明者同樣的模具(透鏡用模具90與漩渦形狀用模具91)。
於二色成形,一次側(一次成形材料),係使用射出成形溫度較二次側(二次成形材料)高的材料。此處,係於一次側使用聚碳酸酯(PC)成形透鏡,於二次側丙烯酸(PMMA)成形漩渦形狀。
透鏡之模具(件),例如,係使用透鏡成形時之材料之PC的折射率1.64(波長850nm),根據使來自表面發光雷射(VCSEL)以發射角20°所發出之光變換成平行光的樣式所設計。具體而言,係形成以0.25mm的間隔配置8個透鏡徑=φ 0.24mm、透鏡高度(sag)=0.035mm之透鏡的非球面透鏡陣列所成。
漩渦形狀之模具(件),與2P成形時同樣地,作成於使用波長λ=850nm下產生2 π×6之相位差的形狀,而根據漩渦形狀之成形所使用之PMMA的折射率1.49(波長850nm)、與形成漩渦形狀下之層(亦即第二層)之透鏡用PC之折射率1.64之差△n的絕對值0.15所設計者。具體而言,係以0.25mm的間隔配置8個電荷數mc=1、徑=φ 0.24mm、最大高低差d=0.015mm之漩渦形狀來製作。
圖18是用以說明成形機140之構成的概略圖。如圖18所示,於固定側之模槽配置透鏡用模具90(件)及漩渦形狀用模具91(件),於可動側之旋轉台141裝載共通模具142作為核心。
首先,如圖18所示,於一次成形部配置共通模具142,進行透鏡的成形。使用射出成形機附屬的射出單元(未圖示),透過一次側澆口145,將樹脂射出至透鏡用模具90與共通模具142之間。
圖19是用以說明陣列狀之漩渦形狀之成形的圖。如圖19所示,開模後,使旋轉台141旋轉,以使形成有透鏡的共通模具142移動至二次成形部。
圖20是顯示用以成形漩渦形狀所進行之樹脂射出之狀況的圖。使用裝設於模具的射出單元(未圖示),透過二次側澆口146,將樹脂射出至漩渦形狀用模具91與共通模具142之間。
圖21是顯示取出成形品之狀態的圖。脫模後,取出成形品150而製得本發明的光學零件。
於上述說明,係說明於第一層之第一主面形成漩渦形狀、於第二層之第三主面形成透鏡之光學零件的製造方法,但於第一層之第一主面形成透鏡、於第二層之第三主面形成漩渦形狀的光學零件,亦可以同樣的方法製造。
以上,根據實施形態說明本發明。該實施形態係僅為例示, 該所屬技術領域者應可理解,該等各構成要素及各處理製程的組合能有各種變形例,且如此之變形例亦屬本發明的範圍內。
本發明可利用於使用多模光纖的光通訊。
10‧‧‧光學零件
12‧‧‧第一層
14‧‧‧第二層
16‧‧‧第一主面
18‧‧‧第二主面
20‧‧‧第三主面
22‧‧‧第四主面
24‧‧‧透鏡
26‧‧‧漩渦形狀
Claims (12)
- 一種光學零件,其係包含:一第一層,其係由具有第一折射率之第一材料所形成,並具有第一主面、及與第一主面為相反側的第二主面;以及一第二層,其係由具有與第一折射率不同之折射率之第二折射率的第二材料所形成,並具有第三主面、及與前述第三主面為相反側的第四主面,前述第二主面與前述第三主面係以抵接的方式,而使前述第一層與前述第二層形成積層,其中,於前述第一層之前述第一主面形成有透鏡,而於前述第二層之前述第三主面形成有漩渦形狀,前述第二層之前述第四主面受光,從前述第一層之前述第一主面射出光。
- 一種光學零件,其係包含:一第一層,其係由具有第一折射率之第一材料所形成,並具有第一主面、及與第一主面為相反側的第二主面;以及一第二層,其係由具有與第一折射率不同之折射率之第二折射率的第二材料所形成,並具有第三主面、及與前述第三主面為相反側的第四主面,前述第二主面與前述第三主面係以抵接的方式,而使前述第一層與前述第二層形成積層,其中,於前述第一層之前述第一主面形成有漩渦形狀,而於前述第二層之前述第三主面形成有透鏡,前述第二層之前述第四主面受光,從前述第一層之前述第一主面射出光。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之光學零件,前述漩渦形狀係具有螺 旋形狀,前述螺旋形狀係形成於其光軸周圍,前述漩渦形狀的光軸、與前述透鏡的光軸係為一致。
- 如申請專利範圍第3項所述之光學零件,前述光學零件可將入射光轉換為具有環狀光強度分布的光束。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之光學零件,其更包含光學元件,其係配置於前述第二層之前述第四主面上。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之光學零件,其更包含有基板,該基板具有第五主面、及與前述第五主面為相反側之第六主面,使前述第四主面與前述第五主面係以抵接的方式,而使前述第二層配置於前述基板上。
- 如申請專利範圍第6項所述之光學零件,其中,其更包含有光學元件,其係配置於前述基板之前述第六主面上。
- 如申請專利範圍第5項所述之光學零件,其中,前述光學元件,為透鏡、偏光元件、波長板、相位板、稜鏡、繞射光柵、濾光片、鏡子、半透射鏡、發光元件及受光元件之至少一種。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之光學零件,其中,前述漩渦形狀與前述透鏡的組合,係配置成陣列狀。
- 如申請專利範圍第1或2項所述之光學零件,其中,對於波長850nm,前述第一折射率與前述第二折射率的折射率差為0.15以上。
- 一種光學零件之製造方法,其係申請專利範圍第1或2項所述之光學零件之製造方法,其特徵係包含下述步驟:將前述第二材料,滴下至用以形成前述第二層之第二層用模具的步驟,使前述第二材料展開的步驟, 對前述第二材料照射光以使其硬化的步驟,使前述第二層用模具脫模以取出前述第二層的步驟,將前述第一材料,滴下至用以形成前述第一層之第一層用模具的步驟,使前述第二層貼合於前述第一層用模具,以使前述第一材料展開的步驟,對前述第一材料照射光以使其硬化的步驟,以及使前述第一層用模具脫模以取出前述第一層與前述第二層之積層體的步驟。
- 一種光學零件之製造方法,其係申請專利範圍第1或2項所述之光學零件之製造方法,其特徵係包含下述步驟:將前述第二材料,射出至用以形成前述第二層之第二層用模具、與共通模具之間的步驟,冷卻前述第二材料以使其硬化的步驟,將前述第二層用模具與前述共通模具開模的步驟,使前述第一材料,射出至用以形成前述第一層之第一層用模具、與形成有第二層之前述共通模具之間的步驟,冷卻前述第一材料以使其硬化的步驟,以及將前述第一層用模具與前述共通模具開模,以取出前述第一層與前述第二層之積層體的步驟。
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