专利名称：光学元件和使用该元件的光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件和使用该元件的光学零部件，特别是涉及一种用于使传播的光进行反射而变换光路，并聚光的光学元件和使用该元件的光学装置。
现在，在光通信领域内，期望通信速度高速化，随之也要求光收发器内部的光接收元件小型化。但是，该光收发器11中，在设置在光接收元件6与光纤4间的光接收系统的光学元件上，由于没有聚光作用，如
图1(b)所示，从光纤4射出的光L变宽了，若小型化光接收元件6，光L的损耗就变大。此外，这样的光收发器11中，由于光接收元件6的光接收面向着光纤4的方向，因此，从光投射元件5射出、并在光纤4的端面反射的光作为返回光被光接收元件6接收，成为串光的原因。
在此，将从光投射元件5射出的光导到光纤4上，或者将来自光纤4的射出光导到光接收元件6上的情况下，在使光的光路变换(偏向)的同时，若使用用于聚光的光学元件，就能提高光接收效率。作为这样的光学元件的例子，参照图2(a)和图2(b)来说明光路变换元件1。图2(a)是光路变换元件1的立体图，图2(b)是入射面S1与射出面S2的横截面积不同的通道型弯曲导波路径10的平面图，并示出弯曲导波路径10内光的传播情况。在该光路变换元件1中，在基板8的上面形成由透明树脂构成的弯曲了的弯曲导波路径10。在光纤4内传播来的光L从入射面S1射入到弯曲导波路径10内，进入到弯曲导波路径10内的光L由弯曲导波路径10的上下面和两侧面反复进行全反射，并在弯曲导波路径10内传播下去，从弯曲导波路径10的射出面S2射出的光L由与射出面S2对向配置的光接收元件6接收。因此，在弯曲导波路径10内传播的光L利用弯曲导波路径10的弯曲使传播方向弯曲。此外，由于射出面S2的面积比弯曲导波路径10的入射面S1的面积小，因此从弯曲导波路径10的射出面S2射出的光L被聚光，被光接收面积小的光接收元件6高效率地接收。
但是，这样的弯曲导波路径10中，在入射面S1的面积与射出面S2的面积不等的情况下，由于外周面上的曲率会变得更大，如图2(b)所示，在弯曲导波路径10内传播的光容易从弯曲导波路径10的外周面漏出，而变为损耗光L’，光传播效率低下。因此，在用于同径的光纤4间的光路的变换等的情况下，可以设定导波路径的横截面积为一定，因此没有问题，但使从光纤4射出的光L聚光，并由光接收面积小的光接收元件6接收的用途中，光传播损耗变大，就不合适。
本发明所述的光学元件，是由高折射率的透明材料构成的光学元件，其中，该光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；弯曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该弯曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射。
本发明所述的另外的光学元件，是由高折射率的透明材料构成的光学元件，其中，该光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；折曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该折曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射。
本发明所述的光学元件，其中，该光学元件的该一组平面间的距离随着从光入射面向光射出面而变小，从该光入射面射入到该光学元件的光被聚光，从该光射出面射出。
本发明所述的光学元件，其中，该光路变换面用反射层覆盖，从该光入射面射入到该光学元件内的光由该反射层反射，从该光射出面射出。
本发明所述的光学元件，其中，在该光路变换面上形成半透明反射镜，从该光入射面射入到该光学元件内的光中的一部分光透过该光路变换面，其它的光由该光路变换面反射，从该光射出面射出。
本发明所述的光学元件，其中，在该光路变换面上形成光栅，从该光入射面射入到该光学元件的光中的特定波长的光透过该光路变换面，其它波长的光由该光路变换面反射，从该光射出面射出。
本发明所述的光学元件，其中，在所述光路变换面上形成具有不同聚光点的多个弯曲面，从该光入射面射入到该光学元件内的光由该光路变换面反射时，利用该多个弯曲面进行分支，从该光射出面的不同处射出。
本发明所述的光学元件，其中，包括在该光射出面上形成为从该光射出面向该光学元件的外部突出的突出部，该突出部相对于该光射出面在垂直方向上突出，且随着从光射出面向外部而与该光射出面平行的面的横截面积变小，到达了该光射出面的光在该突出部的内部传播、聚光。
本发明所述的光学装置，是由光投射元件、光接收元件、由高折射率的透明材料构成的第1光学元件、由高折射率的透明材料构成的第2光学元件构成，其中，所述第1光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；弯曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该弯曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射，所述第2光学元件包括使从第2光入射面射入的光反射向第2光射出面传播的、由高折射率的透明材料构成的三棱镜；和与第2光入射面接合的用于聚光的透镜，该第1光学元件和该第2光学元件配置成该第1光入射面和该第2光射出面结合于光纤，该光投射元件配置成在该第2光入射面的该透镜上射入光，该光接收元件配置在从该第1光入射面射入的光由该光路变换面进行反射聚光的该第1光射出面上。
本发明所述的另一种光学装置，是由光投射元件、光接收元件、由高折射率的透明材料构成的第1光学元件、第2光学元件构成，其中，该第1光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；弯曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该弯曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射，上述第2光学元件包括由高折射率的透明材料构成的使从第2光入射面射入的光向第2光射出面传播的芯子；由包围芯子周围的比芯子的折射率低的材料构成的包层基板，与该第2光入射面平行的面的芯子的横截面积随着从该第2光入射面向该第2光射出面而变小，该第1光学元件和该第2光学元件通过分离层层叠成该第1光入射面和该第2光射出面在同一平面上，该光投射元件配置在该第2光入射面的近旁，该光接收元件配置在该第1光入射面射入的光由该光路变换面进行反射聚光的该第1光射出面的近旁。
本发明所述的另一种光学装置，是由光投射元件、光接收元件、由高折射率的透明材料构成的第1光学元件、第2光学元件构成，其中，该第1光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；弯曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该弯曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射，上述第2光学元件包括由高折射率的透明材料构成的使从第2光入射面射入的光向第2光射出面传播的芯子；由包围芯子周围的比芯子的折射率低的材料构成的包层基板，与该第2光入射面平行的面的芯子的横截面积随着从该第2光入射面向该第2光射出面而变小，该第1光学元件和该第2光学元件通过分离层层叠成该第1光射出面和该第2光入射面在同一平面上，该光投射元件配置在该第1光入射面的近旁，该光接收元件配置在该第2光射出面的近旁。
本发明所述的光学装置，是由高折射率的透明材料构成的光学元件和输入输出端子构成，其中，所述光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；弯曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该弯曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射，该输入输出端子连接成与从该光学元件的该光射出面射出的光耦合，该光学元件和该输入输出端子成一体化。
图25(b)是图24中所示的光收发器的接收用芯子的右视图。
该光路变换元件100由聚碳酸酯树脂和甲基丙烯酸树脂等折射率大(例如，折射率n＝1.4～1.5左右)的透明树脂成型(例如，注射成型)而形成，由与ZX平面基本平行的上下主平面122、123、和相互正交的光入射面S101(XY平面)及光射出面S102(YZ平面)、和弯曲成弧形的光路变换面126包围着。
下面，参照图4(a)和图4(b)说明光路变换元件100的作用效果。首先，考虑将光纤104配置在光路变换元件100的光入射面S101中接近光路变换面126的位置上，与光射出面S102对向配置光电二极管和光电晶体管等光接收元件106的情况。从光纤104射出后一旦发散的光从光入射面S101射入到光路变换元件100内，封闭在光路变换元件100内，如图4(b)所示，一边由光路变换元件100的上下主平面122和123反复进行全反射，一边向Z轴方向前进。这样地向Z轴方向前进的光如图4(a)所示，不久就射入到弯曲的光路变换面126上，利用在光路变换面126上进行全反射，使光轴方向折曲大约90°。其结果，光向着X轴方向前进，从光射出面S102射出的光由光接收元件106接收。
象这样在光路变换元件100内传播的光由上下主平面122、123反复进行全反射而前进，由于在弯曲的光路变换面126上只反射1次(设计上是1次，但即使是反射2次以上的光线也无妨)，因此，不容易从光路变换面126漏出而损耗。加之，如图4(a)所示，由光路变换面126进行了全反射的光向着光接收元件106聚光。因此，能较高地保证光纤104与光接收元件106间的光耦合效率，且能较大地弯曲光轴。而且，由于能够在光路变换面126上较大地弯曲光轴，所以，只需要在光路变换面126上反射1次，能在较小的区域内变换光路，能小型化光路变换元件100。因此，不设置与位于外周侧上的光路变换面126大致平行的内周面(使内周侧的光反射面脱离光路)，并且，在设计上设计成在光入射面S101和光射出面S102不能反射光。另外，由于使该光学元件100为平板形，因此空间利用率高，也容易实现阵列化。此外，虽然图中没有示出，但若设置光投射元件代替光接收元件106，则能使从各光投射元件射出的光分别由弯曲面126反射，向着光纤104的端面聚光，在光纤104上耦合。
(第2实施方式)图5示出本发明的光学元件的另一个实施例的光路变换元件100。该光路变换元件100是为了提高聚光效率的元件，厚度从光入射侧向光射出侧逐渐变薄。例如，该光路变换元件100如图5所示，在光入射面S101厚度为最厚，在与光入射面S101对向的边(端面130)厚度为最薄。因此，若从与光射出面S102垂直的方向看，光路变换元件100呈楔形。
图5示出与光路变换元件100的光入射面S101对向配置光纤104，与光射出面S102对向配置光电二极管和光电晶体管等光接收元件106的情况。图6(a)示出光从光纤104射出后的从Y轴方向看的光的传播情况，图6(b)示出从X轴(负)方向看的光的传播情况。在从Y轴方向看的平视中，从光纤104射出后一旦发散的光由光路变换面126进行全反射而聚光，光被聚集在光接收元件106的光接收面上。另外，在从X轴方向看的侧视中，由于光路变换元件100的厚度沿光行进方向逐渐变薄，因此光在光路变换元件100的厚度方向上也被逐渐聚光，用光接收元件106接收聚光在比光入射面S101的厚度窄的区域上的光。因此，在该光路变换元件106中，光在ZX平面内和YZ平面内被聚光，成为聚光效率更高的结构。
再者，该光路变换元件100中，将无助于光路变换的部分，即与光入射面S101对向的端面130切割掉，使之与光入射面S101平行，由此能进一步小型化光路变换元件100的同时，能增加基准面，使得安装和装配更容易。此外，虽然图中没有示出，但若设置光投射元件代替光接收元件106，则能使从各投射元件射出的光分别由弯曲面126进行反射，向着光纤104的端面聚光，在光纤104上耦合。
此外，为了进一步提高平视中的聚光效率，如图7所示，最好光路变换面126为平视中的椭圆132的一部分，光投射元件和光纤104等光投射装置的端面与该椭圆132的其中一个焦点O1一致，光接收元件106和光纤等光接收装置的光接收面与该椭圆132的另一个焦点O2一致。特别是，最好使光纤104这样的光投射装置的光轴133与椭圆132的长轴134构成的角度α等于45度。根据这样的结构，从光投射装置(椭圆的一个焦点O1)射出的光在光路变换面126上反射后，重新被会聚在椭圆的另一个焦点O2上，因此能高效率地聚光在光投射装置上，聚光效率良好。
再者，光路变换面126不限于弯曲成平视中的弧形，如图8或图9示出的光路变换元件100那样，也可以由弯曲的多角形构成。特别是，也可以由弯曲成弧形的近似于规定的光路变换面126的多角形的平面构成。对于这些光路变换元件100，由于能通过注射成型和透明基板的切削等进行制作，因此能非常简单地制作可光路变换和聚光的光路变换元件100，能控制制造成本。
另外，如图10所示，通过从光路变换元件100上去掉实质上光不传播的区域(虚线示出的区域138)，从而能实现更小型化，此外，能利用材料成本的节约而削减成本。例如，光纤的数值孔径(NA)是0.5，光路变换元件100的折射率是1.5时，在光路变换元件100内，光传播时的光的扩展角是大约40度。只要考虑该扩展角，去掉区域138即可。
此外，如图11所示，也可以在光路变换面126的所需要部分上蒸镀金属层，或者形成多层反射层，而形成反射层140。象这样，利用在光学元件100的光路变换面126上设置反射层140，能防止光从光路变换面126泄漏，能进一步提高光传播效率。
(第3实施方式)图12是示出本发明的光学元件的另外的实施例的光合分波器(dividingfilter)101的立体图。在该光合分波器101中，是在本发明的光路变换元件100的光路变换面126上设置光栅(格子形的光学形式)143。即，利用沿光路变换面126设置在Y轴方向上延伸的V型槽形式，形成光栅143。
图13示出使用图12的光合分波器用于光分波的状态，与光入射面S101对向配置光纤104，在光射出面S102上，在由光栅143反射的波长λ1的反射光的焦点位置的近旁配置一个光接收元件106a，隔着光栅143与光纤104对向、在透过光栅143的波长λ2的透射光的焦点位置的近旁设置光接收元件106b。然后，如图13所示，从光纤104传播来的2个波长λ1和λ2的光重合后的光L从光纤104的端面射出，在光路变换元件100内被导光，到达光栅143后，其中一个波长λ1的光L1就由光栅143反射，向着光接收元件106a聚光，由光接收元件106a接收。此外，另一个波长λ2的光L2透过光栅，向着光接收元件106b聚光，由光接收元件106b接收。
此外，虽然图中没有示出，但若配置产生波长λ1的光的光投射元件代替光接收元件106a，配置产生波长λ2的光的光投射元件代替光接收元件106b，从前者的光投射元件射出的波长λ1的光由光栅143反射后，在光纤104上耦合，此外，从后者的光投射元件射出的波长λ2的光透过光栅143之后，在光纤104上耦合，在光纤104上，波长λ1的光与波长λ2的光耦合。即，成为光合波器。
(第4实施方式)图14是本发明的光学元件的另外的实施例的光合分歧器(ぶんき器)102的立体图。该光合分歧器102是在本发明的光路变换元件100的光路变换面126上粘接了半透明反射镜145的装置。图15示出使用图14的光合分歧器102用于光分支的状态，与光入射面S101对置配置光纤104，在光射出面S102上设置一个光接收元件106a，通过半透明反射镜145，在光纤104的前方配置另一个光接收元件106b。
然后，如图15所示，光从光纤104一射出，在光路变换元件100内传播，射入到光路变换面126的半透明反射镜145的光L的一部分由半透明反射镜145反射，向着光接收元件106a聚光，由光接收元件106a接收。此外，透过了半透明反射镜145的光L缓慢地聚光，由光接收元件106b接收。因此，从光纤104射出的光L由半透明反射镜145进行分支，由两个光接收元件106a和106b接收。
再者，若使分色镜粘接在光路变换面126上来代替本实施例中的半透明反射镜145，也能作光分波器使用。此外，虽然图中没有示出，但若设置光投射元件代替光接收元件106a和106b，使从一个光投射元件射出的光由半透明反射镜145反射，从另一个投射元件射出的光在半透明反射镜透射后，使两方面的光向着光纤104的端面聚光，就能在光纤104上耦合。即，能作光耦合器使用。
(第5实施方式)图16是示出本发明的光学元件的另外的实施例的光合分歧器103的立体图。该光合分歧器103是形成与本发明涉及的光路变换元件100的光路变换面126邻接的多个弯曲面的装置。图17中，在光路变换面126上形成2个弯曲面147a和147b。图17示出使用该光合分歧器103作光分歧器使用的情况，与光入射面S101对向配置光纤104。从光纤104射出的光L在光路变换元件100内传播，由光路变换面126进行全反射，但这时，由弯曲面147a反射的光L和由弯曲面147b反射的光L，在光射出面S102的不同位置上进行聚光。因此，若在由弯曲面147a反射的光L的聚光点近旁配置一个光接收元件106a，在由弯曲面147反射的光L的聚光点近旁配置另一个光接收元件106b，就能在将光纤104的光进行光路变换的同时，进行分支，并由光接收元件106a和106b接收。
此外，虽然图中没有示出，但若设置光投射元件代替光接收元件106a和106b，则能使从各投射元件射出的光分别由弯曲面147a和147b反射，向着光纤104的端面聚光，在光纤104上耦合。即，也能作为光耦合器使用。
(用于光学装置的第1实施例)图18示出适用了本发明的光学元件的光学装置的例子。图18(a)是示出光收发器111的结构的剖面图，图18(b)是示出光收发器111的光接收部的从图18(a)的箭头B看的视图。另外，图18(a)和图18(b)的虚线表示光的光路。该光收发器111中，在基底上面设置的元件支持部上安装光投射元件105，在来自投射元件105的光射出方向上设置三棱镜117，在与投射元件105对向的三棱镜117的面上粘接透镜118。在与三棱镜117邻接的位置上固定本发明的光路变换元件光学元件100(也可以是光合分波器101、光合分歧器102和103。以下相同)。此外，在光路变换元件100的光射出面S102上装配光接收元件106。另外，三棱镜117的光射出面和光学元件100的光入射面S101与光纤104结合。
然后，在该光收发器111中，从投射元件105向水平方向射出的光如图18(a)所示，由透镜118聚光之后，由三棱镜117的斜面向着上方进行全反射，在光纤104的端面进行耦合。反之，从光纤104射出的光如图18(b)所示，从光入射面S101进入光路变换元件100内，在光路变换元件100内进行导光，利用由光路变换面126进行全反射，在使光路折曲90°的同时进行聚光，由设置在光射出面S102上的光接收元件106进行接收。
根据这样的光收发器111，在通过光路变换元件100折曲射入的光的光路的同时，能使光聚光并射入到光接收元件106中，因此不需要另外用于聚光的透镜等，并且使用光接收面积小的光接收元件106，能高效率地接收光信号。
此外，由于光接收元件106的光接收面不与光纤104的端面相对，因此能防止从光投射元件105射出、由光纤104的端面反射的光作为返回光被光接收元件106接收，能防止光收发器111的串光。另外，由于从光投射元件105射出的光进行传播的平面(与图18(a)的纸面平行的面)与由光接收元件106接收的光传播的平面(与图18(a)的纸面垂直的面)正交，因此从光投射元件105射出的由光纤104的端面反射的光即使万一射入到了光路变换元件100内，也几乎不射入到光接收元件106中，就能更准确地防止串光。
(用于光学装置的第2实施例)图19和图20示出将本发明的光学元件适用于另一个光学装置的例子。图19是示出在光学元件160上配置了光投射元件105、光纤104和光接收元件106的光收发器112的立体图，图20(a)是在该光收发器112上使用的光学元件160的分解立体图，图20(b)是说明对该光收发器160连接光纤104的状况的图。在此使用的光学元件160如图20(a)所示，在设置于包层基板161的直线形的槽162内埋入发送信号用芯子(core)163，用分离层164覆盖包层基板161和发送信号用芯子163，例如，将如图3和图5示出的光路变换元件100(也可以为光合分波器101、光合分歧器102和103。以下相同。)作为接收信号用芯子，层叠在分离层164上。在此，发送信号用芯子163和接收信号用芯子(光路变换元件100)的折射率比分离层164和包层基板161的折射率大。发送信号用芯子163形成锥状体形，一个端面(入射端面166)的面积比另一端面(射出端面167)的面积大。
光收发器112中，如图19所示，在包层基板161的端面上，与发送信号用芯子163的入射端面166对向设置光投射元件105，在接收信号用芯子(光路变换元件100)的光射出面S102上装配光接收元件106。此外，发送信号用芯子163的射出端面167如图20(b)所示，位于接收信号用芯子165的光入射面S101的下面。与发送信号用芯子163的射出端面167和接收信号用芯子(光路变换元件100)的光入射面S101对向，在光收发器112的端部连接单芯的光纤104的端部，如图20(b)所示，连接光纤104，将发送信号用芯子163的射出端面167包括在光纤104的端面的区域中。
然后，如图19所示，从光投射元件105射出的光从入射端面166进入到发送信号用芯子163内，在发送信号用芯子163内传播。从发送信号用芯子163的射出端面167射出的光进入到光纤104内，在光纤104内传输。反之，在光纤104内传播来的光从光入射面S101进入到接收信号用芯子(光路变换元件100)内，在由接收信号用芯子(光路变换元件100)的光路变换面126反射的同时进行聚光，从光射出面S102射出，由光接收元件106接收。该光收发器112能用于以单芯光纤104进行例如光电传感器等的光投射接收的情况。
(用于光学装置的第3实施例)图21和图22示出将本发明的光学元件适用于另外的光学装置的例子。图21是示出在光学元件169上配置了光投射元件105、光纤104和光接收元件106的光收发器113的立体图，图22(a)是在该光收发器113上使用的光学元件169的分解立体图，图22(b)是说明对该光收发器169连接光纤104的情况的图。在此使用的光学元件169如图20(a)所示，在设置于包层基板161的直线形的槽170内埋入接收信号用芯子(core)171，用分离层覆盖包层基板161和接收信号用芯子171，例如，将如图3和图5示出的光路变换元件100(也可以为光合分波器101、光合分歧器102和103。以下相同。)作为接收信号用芯子(光路变换元件100)，层叠在分离层164上。在此，接收信号用芯子171和发送信号用芯子(光路变换元件100)的折射率比分离层164和包层基板161的折射率大。接收信号用芯子171形成锥状体形，一个端面(入射端面166)的面积比另一端面(射出端面167)的面积大。
光收发器113中，如图21所示，在包层基板161的端面上，与发送信号用芯子171的射出端面167对向设置光接收元件106，在发送信号用芯子(光路变换元件100)的光入射面S101上装配投射元件105。此外，接收信号用芯子171的入射端面166如图22(b)所示，位于发送信号用芯子(光路变换元件)的光射出面S102的下面。与接收信号用芯子171的入射端面166和发送信号用芯子(光路变换元件100)的光射出面S102对向，在光收发器113的端部连接单芯的光纤104的端部，如图22(b)所示，连接光纤104，使接收信号用芯子171的入射端面166从光纤104的端面区域超出。
然后，如图21所示，从投射元件105射出的光从光入射面S101进入到发送信号用芯子(光路变换元件100)内，在由发送信号用芯子(光路变换元件100)的光路变换面126反射的同时进行聚光，从光射出面S102射出，射入到光纤104的端面，沿光纤104传输。反之，在光纤104内传播来的光从入射端面166进入到接收信号用芯子171内，在接收信号用芯子171内传播。从接收信号用芯子171的射出端面167射出的光由光接收元件106接收。根据以上这样的光收发器111、112、113，能实现光收发器本身的小型化和通信速度的高速化，另外，也能减少光的损耗和串光。
(用于光学装置的第4实施例)图23示出将本发明的光学元件适用于另外的光学装置的例子。图23是示出弯插接件(コネクタ)114的结构的剖面图。该弯插接件114中，使单芯光纤104的端面与本发明涉及的光路变换元件100(也可以为光合分波器101、光合分歧器102和103。以下相同。)的光入射面S101或光射出面S102对向，使输入输出端子187的基端面与光路变换元件100的光射出面S102或光入射面S101对向。
该弯插接件114由于在光纤104与输入输出端子187间任何方向上都能传输光，因此，将输入输出端子187的部分插入到对应的插接件(例如，设置在机器上的用于信号输入输出的插接件)中，而与对应的插接件光学地连接。例如，若在导线(光纤104)的两端设置该弯插接件114，则利用将弯插接件插入到进行光通信的2个机器中，就能进行两机器间的光通信。
这样的弯插接件114在象直型的插接件一样插入到机器中时，由于导线和插接件不太突出，因此很好。但是，如果利用在插接件内部弯曲光纤来实现这样的弯插接件，由于光纤的最小弯曲半径为25mm，很大，因此很难实现弯插接件的小型化。对此，根据使用了本发明的光学元件的弯插接件114，能在3～5mm的程度上实现用于弯曲光路的光学元件，因此能制作非常小的弯插接件。另外，由于该弯插接件114也能由光路变换元件100进行聚光，因此，也能实现芯子直径不同的光纤和导光路径(导波路径)等以低损耗进行连接。
再者，上述各实施例中，光投射装置和光接收装置不作特殊限定，例如，光投射元件→光学元件→光接收元件、光投射元件→光学元件→光纤、光纤→光学元件→光接收元件的任何结构当然都可以。此外，作为光纤，可以使用阶梯转位型塑料光纤，但也不限于此。
(用于光学装置的第5实施例)图24和图25示出将本发明的光学元件适用于另外的光学装置的例子。图24是适用于光收发器115的例子的概略立体图。此外，图25(a)和图25(b)是作为图24中示出的光收发器115的接收信号用芯子而使用的光路变换元件191(也可以为光合分波器101、光合分歧器102和103。以下相同。)的平面图和右侧视图。该光收发器115是将光投射元件105和光纤104及用于高速通信的小型的光接收元件206与光路变换元件191光学地连接的装置。
光收发器115由如下装置构成包层基板161；在包层基板161表面的槽的内部形成的发送信号用芯子163；在包层基板161上形成的分离层164；在分离层164上形成的光路变换元件191。光投射元件105配置在与发送信号用芯子163的光入射端面对向的位置上，光纤104配置在与发送信号用芯子163的光射出端和光路变换元件191的光入射端对向的位置上。此外，在与光路变换元件191的突出部191a的前端面对向的位置上配置光接收元件206。
如图25(a)和图25(b)所示，光收发器115的光路变换元件191变为附加了形成为锥状体形的突出部191a这样的形状，该突出部191a是在图19和图20中以概略立体图和概略分解立体图示出的光收发器112的接收信号用芯子(光路变换元件100)的光射出端的附近突出形成，高度和宽度向着其前端部变得越来越窄。由于该突出部191a的前端面成为光路变换元件191的光射出面，因此，构成突出部191a的各面的倾斜情况被设计成突出部191a的前端面成为适合于光接收元件206的光接收面的面积和形状。
但是，从抑制突出部191a内传播损耗的目的出发，构成突出部191a的各侧面最好配置为倾斜成使得传播的光按全反射角以上的角度入射。此外，图24中，示出在高和宽方向上形成锥状体的情况，但也可以仅在其高方向或宽方向中的任一个方向上形成锥状体。
然后，从光纤104向光路变换元件191的光入射端射出的光由光路变换元件191的光路变换面126进行反射，在传播方向上被改变90°，射入到突出部191a。突出部191a的光入射侧的开口部具有仅使由光路变换面126反射的所有光或大部分光射入的面积，此外，配置在使由光路变换面126反射的所有光或大部分光射入的这样的位置上。突出部191a的光射出侧的端面面积比光接收元件206的光接收面的面积小，由于射入到突出部191a内的光利用由其上下面或左右面进行反射，从而向着光接收元件206的光接收面聚光，因此能使光不损耗地射入到光接收元件206中。
象图19示出的光收发器112那样，若接收信号用芯子(光路变换元件100)的一个侧面全都成为光射出端面，则从光纤104射入到接收信号用芯子(光路变换元件100)的光束的横截面积与从接收信号用芯子(光路变换元件100)射出到光接收元件106的光束的横截面积为同等的大小，因此，在使用具有比较大的光束横截面积的光纤104的情况下，不能使射出光的横截面积比光接收元件106小到这样的程度，即与用于小型高速通信的光接收元件206的光接收面的面积相同的程度。因而，即使在如图19示出的接收信号用芯子(光路变换元件100)上配置连接光接收面积小的用于高速通信的光接收元件206，由于不能完全收容于光接收面的光，使得连接损耗变大。
但是，图24中示出的本实施例的光收发器115中，在光路变换元件191上设置突出部191a，配合着光接收元件206的光接收面的形状和大小而形成光射出端，因此能抑制与光接收元件连接的损耗。
权利要求
1.一种光学元件，是由高折射率的透明材料构成的光学元件，其特征在于，该光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；弯曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该弯曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，该光学元件的该一组平面间的距离随着从光入射面向光射出面而变小，从该光入射面射入到该光学元件的光被聚光，从该光射出面射出。
3.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，该光路变换面用反射层覆盖，从该光入射面射入到该光学元件内的光由该反射层反射，从该光射出面射出。
4.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，在该光路变换面上形成半透明反射镜，从该光入射面射入到该光学元件内的光中的一部分光透过该光路变换面，其它的光由该光路变换面反射，从该光射出面射出。
5.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，在该光路变换面上形成光栅，从该光入射面射入到该光学元件的光中的特定波长的光透过该光路变换面，其它波长的光由该光路变换面反射，从该光射出面射出。
6.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，在所述光路变换面上形成具有不同聚光点的多个弯曲面，从该光入射面射入到该光学元件内的光由该光路变换面反射时，利用该多个弯曲面进行分支，从该光射出面的不同处射出。
7.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，包括在该光射出面上形成为从该光射出面向该光学元件的外部突出的突出部，该突出部相对于该光射出面在垂直方向上突出，且随着从光射出面向外部而与该光射出面平行的面的横截面积变小，到达了该光射出面的光在该突出部的内部传播、聚光。
8.一种光学元件，是由高折射率的透明材料构成的光学元件，其特征在于，该光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；折曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该折曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射。
9.如权利要求8所述的光学元件，其特征在于，该光学元件的该一组平面间的距离随着从光入射面向光射出面而变小，从该光入射面射入到该光学元件的光被聚光，从该光射出面射出。
10.一种光学装置，是由光投射元件、光接收元件、由高折射率的透明材料构成的第1光学元件、由高折射率的透明材料构成的第2光学元件构成，其特征在于，所述第1光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；弯曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该弯曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射，所述第2光学元件包括使从第2光入射面射入的光反射向第2光射出面传播的、由高折射率的透明材料构成的三棱镜；和与第2光入射面接合的用于聚光的透镜，该第1光学元件和该第2光学元件配置成该第1光入射面和该第2光射出面结合于光纤，该光投射元件配置成在该第2光入射面的该透镜上射入光，该光接收元件配置在从该第1光入射面射入的光由该光路变换面进行反射聚光的该第1光射出面上。
11.一种光学装置，是由光投射元件、光接收元件、由高折射率的透明材料构成的第1光学元件、第2光学元件构成，其特征在于，该第1光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；弯曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该弯曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射，上述第2光学元件包括由高折射率的透明材料构成的使从第2光入射面射入的光向第2光射出面传播的芯子；由包围芯子周围的比芯子的折射率低的材料构成的包层基板，与该第2光入射面平行的面的芯子的横截面积随着从该第2光入射面向该第2光射出面而变小，该第1光学元件和该第2光学元件通过分离层层叠成该第1光入射面和该第2光射出面在同一平面上，该光投射元件配置在该第2光入射面的近旁，该光接收元件配置在该第1光入射面射入的光由该光路变换面进行反射聚光的该第1光射出面的近旁。
12.一种光学装置，是由光投射元件、光接收元件、由高折射率的透明材料构成的第1光学元件、第2光学元件构成，其特征在于，该第1光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；弯曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该弯曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射，上述第2光学元件包括由高折射率的透明材料构成的使从第2光入射面射入的光向第2光射出面传播的芯子；由包围芯子周围的比芯子的折射率低的材料构成的包层基板，与该第2光入射面平行的面的芯子的横截面积随着从该第2光入射面向该第2光射出面而变小，该第1光学元件和该第2光学元件通过分离层层叠成该第1光射出面和该第2光入射面在同一平面上，该光投射元件配置在该第1光入射面的近旁，该光接收元件配置在该第2光射出面的近旁。
13.一种光学装置，是由高折射率的透明材料构成的光学元件和输入输出端子构成，其特征在于，所述光学元件包括光入射面；与该光入射面不平行的光射出面；对向的一组平面；弯曲的光路变换面，该一组平面是相对于该光入射面和该光射出面大致垂直地形成，该弯曲的光路变换面是相对于该一组平面大致垂直地形成，且设定为反射来自该光入射面的光并进行聚光的形状，从该光入射面射入的光经由这样的光路，即向着该光路变换面传播，由该光路变换面反射，进行聚光，从该光射出面射出，将该光路投影在与该平面平行的面上时，实质上仅由该光路变换面进行反射，该输入输出端子连接成与从该光学元件的该光射出面射出的光耦合，该光学元件和该输入输出端子成一体化。
全文摘要
本发明涉及一种能低损耗地实现传播光的光路变换，此外，也能容易地组合聚光等功能，尺寸也容易小型化的光学元件和使用该元件的光学装置；该光学元件是呈板形的光路变换元件100的上主平面122与下主平面123相互对向，光入射面S101与光射出面S102是大致呈90°的角度构成相互邻接的面。与光入射面S101和光射出面S102对向，形成弯曲的光路变换面126。从光入射面S101射入的光在上主平面122与下主平面123间边反复进行全反射边前进，利用由光路变换面126反射来变换光路，从光射出面S102射出。
文档编号H01S5/00GK1438504SQ03104419
公开日2003年8月27日 申请日期2003年2月13日 优先权日2002年2月15日
发明者寺川裕佳里, 细川速美, 北岛康成, 住野聪史, 石田庆久 申请人:欧姆龙株式会社