JPH09325246A - カップリングレンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部品点数が少なく、安価かつ製作が容易なカ
ップリングレンズを提供する。 【解決手段】 一方から他方の装置に、光による電力を
供給しつつ双方向の光信号伝送を行なうためのカップリ
ングレンズとして、従来は複数種類のレンズを組み合わ
せたものを用いていたが、この発明では図１に示すよう
な基板の両面に回折格子を形成したカップリングレンズ
２３０（２４０）を用いることにより、部品点数を減ら
し低コスト化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光給電システム
の受電側光学系等に設けられる、光ファイバと一体化光
電／電光変換器との間を光学的に結合するためのカップ
リングレンズに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】１本の光ファイバを伝送路に用いて２つ
の光信号伝送装置の間を接続し、この光ファイバを介し
て双方向通信を行なうとともに、一方の光信号伝送装置
（これを主光信号伝送装置ともいう）から他方の光信号
伝送装置（これを従光信号伝送装置ともいう）へ光によ
りエネルギーを供給する伝送システムの従来例として、
例えば図２に示すものが知られている。主光信号伝送装
置１０には、光源１１０，光分岐結合器１２０および受
光器１３０が設けられる。光分岐結合器１２０は凸レン
ズとプリズムとを一体化して構成され、プリズム側の表
面には光波長選択フィルタ１２２が形成されている。

【０００３】従光信号伝送装置２０には、カップリング
レンズ２１０と一体化光電／電光変換器２２０が設けら
れ、カップリングレンズ２１０は凸レンズ２１１，両面
円錐レンズ２１２および球レンズ２１３を、共軸に配置
して構成される。また、一体化光電／電光変換器２２０
は、中心部に光源２２１を、その周囲に小形の受光器２
２２と大形の受光器アレイ２２３をそれぞれ配置して構
成される。図３（ｂ）に一体化光電／電光変換器２２０
の構成例を示す。一方、光ファイバ３０は両端にコネク
タ３１１，３１２を有し、それぞれ主光信号伝送装置１
０，従光信号伝送装置２０に接続されている。また、光
源１１０と光源２２１とでは互いに発光波長が異なり、
光分岐結合器１２０の光波長選択フィルタ１２２は光源
１１０の発光波長では透過率が大きく、光源２２１の発
光波長では反射率が大きくなる特性を有している。

【０００４】上記のようなシステムにおいて、光信号と
光エネルギーの伝送は以下のように行なわれる。主光信
号伝送装置１０の光源１１０から出射した光は、光分岐
結合器１２０の凸面１２１により収束され、コネクタ３
１１で支持されている光ファイバ３０の端面３１に入射
する。この光は光ファイバ３０中を伝送し、コネクタ３
１２で支持されている光ファイバの端面３２から従光信
号伝送装置２０に入射する。一般に、光ファイバ中を伝
送した光の遠視野像は、図３（ａ）に示すように中央で
大きく、周辺で小さくなるような強度分布を持ってい
る。光ファイバ３０から入射した光のうち、そのエネル
ギーの大部分が含まれる遠視野像の中央部分は、凸レン
ズ２１１，両面円錐レンズ２１２を順に通って一体化光
電／電光変換器２２０の受光器２２２と受光器アレイ２
２３に達する。したがって、光ファイバ３０から従光信
号伝送装置２０に入射した光エネルギーの大部分が、図
３（ｂ）の強度特性で示すように受光器２２２と受光器
アレイ２２３に達することになる。

【０００５】主光信号伝送装置１０の光源１１０から出
射される光の強度は、図４に示すように直流成分と交流
成分を重畳した形に変調される。この光の強度の大部分
は直流成分が占め、交流成分は主光信号伝送装置１０か
ら従光信号伝送装置２０に伝送する信号となっている。
大面積の受光器アレイ２２３は、光ファイバ３０から一
体化光電／電光変換器２２０に入射する光の大部分を受
光し、光電変換を行なって従光信号伝送装置２０の駆動
源となる電力を供給する。これに対し、小形の受光器２
２２は大面積の受光器アレイ２２３に比べて光電変換の
応答速度が大きく、入射光を光電変換して入射光の交流
成分を変換した電気信号を発生する。

【０００６】一方、従光信号伝送装置２０の光源２２１
から出射した光は、球レンズ２１３，両面円錐レンズ２
１２，凸レンズ２１１を順に通ってコネクタ３１２で支
持されている光ファイバの端面３２に入射し、光ファイ
バ３０中を伝送してコネクタ３１１で支持されている光
ファイバの端面３１から主光信号伝送装置１０に入射す
る。この光は光分岐結合器１２０の光波長選択フィルタ
１２２で反射され、受光器１３０に入射する。この光の
強度は、従光信号伝送装置２０から主光信号伝送装置１
０に伝送する信号で変調されており、これは受光器１３
０での光電変換により電気信号に変換される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のような光伝送シ
ステムの従光信号伝送装置では、光ファイバからの入射
光のエネルギーを効率良く受光器に結合させるため、光
ファイバの出射光のうちの遠視野像の中央部分を、光源
の周囲にある受光器に導くようにカップリングレンズを
構成することが望まれる。さらに、この場合は光源から
の出射を、光ファイバの出射光の遠視野像の周辺に相当
する部分から光ファイバに入射させるように、カップリ
ングレンズを構成しなければならない。このような要求
を満足させるため、従来は図２にも示すように３個の単
レンズを用いている。しかし、こうすると各レンズの軸
合わせを行なうことができる寸法精度の良いレンズホル
ダが必要になるという問題がある。また、両面円錐レン
ズは通常の球面レンズと異なり、複数個を同時に研磨し
て製作できないので、高価になるという問題もある。し
たがって、この発明の課題は部品点数が少なく安価に製
作可能なカップリングレンズを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
べく、請求項１の発明では、光ファイバと、中央に光源
を備えその周辺に受光器を配置された一体化光電／電光
変換器との間を光学的に結合するためのカップリングレ
ンズにおいて、１つの基板の両面にそれぞれ回折格子が
形成され、いずれの回折格子ともその中央部分の位相差
分布は、凹面の円錐レンズにおける光軸の周り部分の位
相差分布に相当し、その中央部分に隣接する周辺部分の
位相差分布は、凸レンズにおける光軸から離れた周辺部
分の位相差分布に相当するよう各回折格子を構成するよ
うにしている。上記請求項１の前記回折格子はブレーズ
ド型であることができる（請求項２の発明）。

【０００９】請求項３の発明では、光ファイバと、中央
に光源を備えその周辺に受光器を配置された一体化光電
／電光変換器との間を光学的に結合するためのカップリ
ングレンズにおいて、１つの基板の両面にそれぞれフレ
ネルレンズが形成され、いずれのフレネルレンズともそ
の中央部分の位相差分布は、凹面の円錐レンズにおける
光軸の周り部分の位相差分布に相当し、その中央部分に
隣接する周辺部分の位相差分布は、凸レンズにおける光
軸から離れた周辺部分の位相差分布に相当するよう各フ
レネルレンズを構成するようにしている。上記１〜３の
発明では、光源または光ファイバからの光線が、回折格
子またはフレネルレンズで不要な反射光を生じさせない
ように、回折格子またはフレネルレンズに無反射コーテ
ィングを施すことができる（請求項４の発明）。

【００１０】すなわち、請求項１に記載のカップリング
レンズを用いると、一体化光電／電光変換器の光源から
出射した光は、カップリングレンズのその変換器に向き
合う面に形成された回折格子の中央部分に入射して、回
折により偏向される。この回折格子の中央部分の位相差
分布は、凹面の円錐レンズにおける光軸の周り部分の位
相差分布に相当するので、この部分への入射光は凹面の
円錐レンズに入射した場合と同じく断面が環状となり、
進むに従って拡がるように偏向されてカップリングレン
ズの内部を伝播し、カップリングレンズの光ファイバと
向き合う面に形成された回折格子の周辺部分に達する。
この回折格子の周辺部分の位相差分布は、凸レンズにお
ける光軸から離れた周辺部分の位相差分布に相当するの
で、この部分への入射光は凸レンズに入射した場合と同
じく、収束するように偏向されてカップリングレンズを
出射し、光ファイバの端面に達して入射する。

【００１１】また、光ファイバから出射して、カップリ
ングレンズの光ファイバに向き合う面に形成された回折
格子の中央部分に入射した光は、回折により偏向され
る。この回折格子の中央部分の位相差分布は、凹面の円
錐レンズにおける光軸の周り部分の位相差分布に相当す
るので、この部分への入射光は凹面の円錐レンズに入射
した場合と同じく断面が環状となり、進むに従って拡が
るように偏向されてカップリングレンズの内部を伝播
し、カップリングレンズの一体化光電／電光変換器と向
き合う面に形成された回折格子の周辺部分に達する。こ
の回折格子の周辺部分の位相差分布は、凸レンズにおけ
る光軸から離れた周辺部分の位相差分布に相当するの
で、この部分への入射光は凸レンズに入射した場合と同
じく、収束するように偏向されてカップリングレンズを
出射し、上記変換器の受光器が配置された領域に達す
る。

【００１２】請求項３のカップリングレンズでは、その
両面に形成されるフレネルレンズ面の位相差分布が、請
求項１のカップリングレンズの両面に形成される回折格
子と同等なので、入射光に対して同様に作用する。した
がって、請求項３のカップリングレンズも請求項１のカ
ップリングレンズと同じく、一体化光電／電光変換器と
光ファイバとの間を光学的に結合する。上記回折格子を
ブレーズド型とすることで、回折効率を上げるようにす
ることができ（請求項２の発明）、回折格子またはフレ
ネルレンズ面に無反射コーティングを施すことで、不要
な反射を回避することができる（請求項４の発明）。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を説
明するための説明図で、（ａ）に従光信号伝送装置の全
体構成を、（ｂ）にそのカップリングレンズの詳細を示
す。すなわち、図１（ａ）に示す従光信号伝送装置には
図２と同じく、カップリングレンズ２３０および一体化
光電／電光変換器２２０が設けられる。このカップリン
グレンズ２３０は、基板の両面にそれぞれ回折格子、特
にブレーズド（のこぎりの歯）型の回折格子を形成して
いる。ブレーズド型にするのは、回折効率を高めるため
である。カップリングレンズ２３０は図２と同じく、中
心に光源２２１を、その周囲に小形の受光器２２２と大
形の受光器アレイ２２３を、それぞれ図３（ｂ）の如く
配置して構成される。光ファイバ３０は両端にコネクタ
３１１（図示省略）とコネクタ３１２を備え、それぞれ
主光信号伝送装置（図示省略）と従光信号伝送装置に接
続されている。

【００１４】カップリングレンズは詳しくは図１（ｂ）
のように、光ファイバ３０と向き合う面にはその中央部
に回折格子２３１が、この回折格子２３１に隣接する周
辺部には回折格子２３２がそれぞれ形成されている。ま
た、一体化光電／電光変換器２２０と向き合う面にはそ
の中央部に回折格子２３３が、この回折格子２３３に隣
接する周辺部には回折格子２３４がそれぞれ形成されて
いる。回折格子２３１と回折格子２３３は、それぞれ別
個の凹面の円錐レンズにおける光軸の回りの部分に相当
する位相差分布を持つ。また、回折格子２３２と回折格
子２３４は、それぞれ別個の凸レンズにおける光軸から
離れた周辺部分に相当する位相差分布を持つ。なお、こ
こでいう円錐レンズの表面は幾何学的に正確な円錐面に
限定されるものではなく、また、凸レンズの表面も同様
に幾何学的に正確な球面に限定されないことを付言す
る。

【００１５】上述のようなカップリングレンズ２３０を
用いると、図１（ａ）に矢印にて示すように、一体化光
電／電光変換器２２０から出射した光は回折格子２３３
に入射し、回折により凹面の円錐レンズの中央部分に入
射した場合と同じように偏向されて断面が環状となり、
進むに従って拡がるようにカップリングレンズ２３０の
内部を伝播し、回折格子２３２に達する。さらに、回折
格子２３２では、回折により凸レンズの周辺部分に入射
した場合と同じく収束するように偏向され、カップリン
グレンズ２３０を出射して光ファイバの端面３２に達
し、光ファイバ３０に入射する。また、光ファイバ３０
から出射して回折格子２３１に入射した光は、回折によ
り凹面の円錐レンズの中央部分に入射した場合と同じよ
うに偏向されて断面が環状となり、進むに従って拡がる
ようにカップリングレンズ２３０の内部を伝播し、回折
格子２３４に達する。さらに、回折格子２３４では、回
折により凸レンズの周辺部分に入射した場合と同じく収
束するように偏向され、カップリングレンズ２３０を出
射して一体化光電／電光変換器２２０の受光器２２２と
受光器アレイ２２３を含む領域に達することになる。

【００１６】上述のような回折格子は、例えばフォトレ
ジストを塗布した基板に電子ビームを用いて描画する方
法（榎本 紳二他「電子ビーム描画マイクロフレネルレ
ンズの回折効率」電子通信学会技術報告 ＯＱＥ８３−
８９（１９８３）参照）が知られており、かかる手法に
て製作した回折格子を原盤として、射出成形により複製
することができる。

【００１７】上記ではカップリングレンズに回折格子を
形成するようにしたが、基板の両面にフレネルレンズ面
を形成することもできる。この場合を、図１（ｂ）では
カップリングレンズ２４０、フレネルレンズ面２４１〜
２４４として示している。フレネルレンズ面の形状は、
いずれもカップリングレンズの光軸の回りに回転対称で
あるので、例えば数値制御式精密旋盤などにより基板表
面を切削加工してフレネルレンズ面を形成し、カップリ
ングレンズを製作することができる。この場合も、射出
成形により複製することができるのは勿論である。な
お、回折格子またはフレネルレンズ面では無用な反射光
を生じさせないように、無反射コーティングを施してお
くことが望ましい。

【００１８】

【発明の効果】この発明によれば、従来のカップリング
レンズとは異なり１つの部品として製作できるので、複
数の単レンズの軸合わせを行なうためのレンズホルダ等
が不要となり、射出成形等による複製が容易なため安価
に量産が可能となる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による実施の形態を説明するための説
明図である。

【図２】光信号伝送システムの従来例を示す構成図であ
る。

【図３】図１および図２に示す一体化光電／電光変換器
の受光器の配置と、これに入射する信号光の強度分布説
明図である。

【図４】主光信号伝送装置から伝送される信号光を示す
波形図である。

【符号の説明】

１０…主光信号伝送装置、２…従光信号伝送装置、３０
…光ファイバ、３１，３２…端面、１１０，２２１…光
源、１２０…光分岐結合器、１３０，２２２…受光器、
２１０，２３０，２４０…カップリングレンズ、２１１
…凸レンズ、２１２…両面円錐レンズ、２１３…球レン
ズ、２２３…受光器アレイ、２３１〜２３４…回折格
子、２４１〜２４４…フレネルレンズ面、３１１，３１
２…コネクタ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバと、中央に光源を備えその周
   辺に受光器を配置された一体化光電／電光変換器との間
   を光学的に結合するためのカップリングレンズにおい
   て、 １つの基板の両面にそれぞれ回折格子が形成され、いず
   れの回折格子ともその中央部分の位相差分布は、凹面の
   円錐レンズにおける光軸の周り部分の位相差分布に相当
   し、その中央部分に隣接する周辺部分の位相差分布は、
   凸レンズにおける光軸から離れた周辺部分の位相差分布
   に相当するよう各回折格子を構成することを特徴とする
   カップリングレンズ。
2. 【請求項２】 前記回折格子はブレーズド型であること
   を特徴とする請求項１に記載のカップリングレンズ。
3. 【請求項３】 光ファイバと、中央に光源を備えその周
   辺に受光器を配置された一体化光電／電光変換器との間
   を光学的に結合するためのカップリングレンズにおい
   て、 １つの基板の両面にそれぞれフレネルレンズが形成さ
   れ、いずれのフレネルレンズともその中央部分の位相差
   分布は、凹面の円錐レンズにおける光軸の周り部分の位
   相差分布に相当し、その中央部分に隣接する周辺部分の
   位相差分布は、凸レンズにおける光軸から離れた周辺部
   分の位相差分布に相当するよう各フレネルレンズを構成
   することを特徴とするカップリングレンズ。
4. 【請求項４】 光源または光ファイバからの光線が、回
   折格子またはフレネルレンズで不要な反射光を生じさせ
   ないように、回折格子またはフレネルレンズに無反射コ
   ーティングを施すことを特徴とする請求項１ないし３の
   いずれかに記載のカップリングレンズ。