JPWO2014050442A1 - 光通信用のレンズ及び光通信モジュール - Google Patents

Abstract

光学素子もしくは光ファイバーから出射された光束を集光する光通信専用のレンズ２０であって、前記光通信専用のレンズは、プラスチック素材から形成された単一のレンズであり、温度変化に起因したピント位置変動を補正するための回折構造Ｄを有した光ファイバー側の光学面（Ｓ２面）と、凸面である反光ファイバー側の光学面（Ｓ１面）とを有し、以下の式φＳＦ＞φＳＬ （１）│ＳｇＦｍａｘ−ＳｇＦｍｉｎ│＜０．０５ （２）を満足することを特徴とする、光通信用のレンズ。但し、φＳＦ：前記光ファイバー側の光学面の有効径（ｍｍ）φＳＬ：前記反光ファイバー側の光学面の有効径（ｍｍ）ＳｇＦｍａｘ：前記光ファイバー側の光学面の最大サグ量（ｍｍ）ＳｇＦｍｉｎ：前記光ファイバー側の光学面の最小サグ量（ｍｍ）

Description

本発明は、光通信等に用いられ、例えば半導体レーザ等の光学素子からの光を光ファイバーもしくは受光素子に結合する光通信用のレンズ及び光通信モジュールに関する。

光通信モジュールにおいて、半導体レーザまたは受光素子と、光ファイバーとの間で効率よく光結合させるために、光結合用のレンズが用いられている。ところで、従来の光結合用のレンズでは、主にガラスレンズをステンレス製の脚部で支持する構成が広く用いられている。しかるに、非球面を有するガラスレンズは一般的に高価であり、顕著なコスト高を招くという問題がある。そこで、高精度な非球面の成形が容易で大量生産を可能とするプラスチック製のレンズを、ガラス製のレンズに置き換えて、半導体レーザまたは受光素子と、光ファイバーとの間で光結合を実現できないかという試みがある。

ここで、ガラスレンズと比較してプラスチックレンズの特徴の一つに、温度変化に対する屈折率変化が比較的大きいということがある。光通信用モジュール内部は-40℃〜＋100℃という幅広い温度環境下にさらされる可能性があるが、一般的なプラスチックレンズの場合、環境温度変化に応じて屈折率が変化するので、それによりピント位置の変動を招くことになる。しかるに、光ファイバー端面への光の結合効率が光源の横モード（ビーム径）で決まることから、レンズの屈折率変化によりベストフォーカス位置が変動すると、結合効率が大きく変動してしまうという光通信用光学系に固有の問題がある。そのために、線膨張係数が比較的小さいガラス製のレンズが重用されてきたという実情がある。しかし、上述したようにガラス製の非球面レンズはプラスチック製と比較して高価であり、光通信用モジュールのコスト削減のためにはプラスチック製のレンズを用いたいという強いニーズがある。

プラスチック製のレンズを用いる際の対策として、特許文献１に記載されたように、温度変化によって光学素子−レンズ間隔が変化するような構成とすることで、環境温度変化によるピント位置変動を抑えることができるが、その効果は屈折率変化による影響を完全に打ち消すほどに十分とはいえない。

特開2011-003857号公報 特開2006-235293号公報

これに対し、プラスチック製のレンズに波長依存性のある回折構造を付加し、半導体レーザの温度による波長変動（dλ/dＴ）が生じることを利用して、環境温度変化時のピント位置変動をキャンセルするという技術思想がある。しかるに、半導体レーザの温度変化による波長変動（dλ/dＴ）が大きい方が、温度変化に伴うピント位置変動の補正には有効であるが、光通信では光の波長が略一定であることを前提に情報通信を行っているので、光通信に用いられる一般的な半導体レーザは、温度変化による波長変動（ｄλ/dＴ）が小さいものが好んで用いられる傾向がある。従って、このような温度変化による波長変動（ｄλ/dＴ）が小さい半導体レーザを用いると、波長の変動が小さいため波長が変化した場合であっても回折構造による補正効果が小さくなり、温度変化時のピント位置変動補正機能を十分に発揮できなくなる。つまり光通信用のレンズにおいては回折構造による補正効果が小さいため、より強い回折パワーが求められることになる。これに対し、回折パワーによる補正機能をより高めるためには、回折構造をより微細とすることも考えられる。
しかし回折構造が微細になると成形金型の加工性や成形性など製造難易度が高まり、製造誤差が生じやすくなる。成形したレンズの回折構造に製造誤差が生じると回折効率が低下し、レンズの結合効率が低下するとともに不要光も増加する。このような結合効率の低下や不要光の増加は、プラスチック製のレンズを光通信に用いる際の障害となっている。

尚、特許文献２には、回折構造を一方の光学面に形成してなる光通信用のレンズが開示されているが、特許文献２のレンズの回折構造は、送信用の光と受信用の光の波長が相互に異なることを利用して、回折構造で光路の振り分けを行うものであり、温度変化に起因したピント位置変動を補正するものではない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、コストを低減でき、製造容易でありながら、大きい環境温度変化が生じてもピント位置変動を抑えて高精度な光通信を実現できる光通信用のレンズ及びそれを用いた光通信モジュールを提供することを目的とする。

請求項１に記載の光通信用のレンズは、光学素子もしくは光ファイバーから出射された光束を集光する光通信用のレンズであって、
前記光通信用のレンズは、プラスチック素材から形成された単一のレンズであり、温度変化に起因したピント位置変動を補正するための回折構造を有した光ファイバー側の光学面（Ｓ２面）と、凸面である反光ファイバー側の光学面（Ｓ１面）とを有し、以下の式を満足することを特徴とする。
φＳＦ＞φＳＬ （１）
│ＳｇＦｍａｘ−ＳｇＦｍｉｎ│＜０．０５ （２）
但し、
φＳＦ：前記光ファイバー側の光学面の有効径（ｍｍ）
φＳＬ：前記反光ファイバー側の光学面の有効径（ｍｍ）
ＳｇＦｍａｘ：前記光ファイバー側の光学面の最大サグ量（ｍｍ）
ＳｇＦｍｉｎ：前記光ファイバー側の光学面の最小サグ量（ｍｍ）

本発明によれば、温度変化に起因したピント位置変動を補正するための回折構造を用いている。これにより、前記レンズに入射した光の波長が温度に応じて変化することを利用し、前記プラスチックレンズの屈折率変化によるピント位置の変動を、前記回折構造を通過した光の回折パワーを変化させることによってキャンセルすることができ、すなわち環境温度変化が生じたときのピント位置変動を抑制でき、光結合効率を高めることができる。更に、（１）式を満たすように、前記光ファイバー側の光学面の有効径が、前記反ファイバー側の光学面の有効径を大きくすることで、特にファイバー側光束のＮＡが反ファイバー側光束のＮＡより小さい場合に、各光学面のパワーバランスを確保でき、十分な軸上性能を確保できる設計を行える。又、有効径が大きな前記光ファイバー側の光学面に回折構造を設けることで、S1面に回折を設けるよりも回折ピッチを大きくすることができ、製造容易性を高めることができる。加えて、（２）式を満たすことで、前記光ファイバー側の光学面の最も出っ張った量（ＳｇＦｍａｘ）と、最も引っ込んだ量（ＳｇＦｍｉｎ）の差が小さくなり、回折構造を付与する光学面が平面に近くなる。例えば深い曲面に回折構造を形成するような場合、回折構造を成形する転写面を有する金型の加工において、周囲の転写面の見込み角（軸線に対する傾き角）が大きくなり、工具の干渉が生じてやすくなる。これに対し、本発明のように光学面を平面に近づけることで、回折構造を形成しやすくなり、製造容易性を高めることができる。尚、「光学面」とは、前記光学素子もしくは前記光ファイバーから出射された光束が通過しうる、回折構造を形成した範囲の面である。「光学素子」とは、例えば半導体レーザを用いることができる。また有効径とは、前記光学素子もしくは前記光ファイバーから出射された光束の中で、前記光学素子から前記光ファイバーへの光結合に寄与する光束、もしくは前記光ファイバーから前記光学素子内への集光に寄与する光束の、各光学面を通過する際の直径である。またサグ量とは、光学面と光軸との交点を通り、かつ、光軸に垂直な面を基準面としたときの、光軸方向への変位量を表わすものであり、交点と光ファイバー側に最も近づいた位置との差が最大サグ量、交点と光源側に最も近づいた位置との差が最小サグ量であって、範囲は光学面全体とする。

請求項２に記載の光通信用のレンズは、請求項１に記載の発明において、前記回折構造は、回転対称な回折面を含むことを特徴とする。

回転対称な回折面を設けることで、前記回折構造による回折パワーを環境変化によるピント位置変動の補正に使用できる。

請求項３に記載の光通信用のレンズは、請求項１又は２に記載の発明において、前記光ファイバー側の光学面は、球面もしくは非球面上に前記回折構造を形成してなることを特徴とする。

特に、回折構造を形成する面を回転対称な単純球面とすることで、正弦条件を補正することが可能となる。一方、回折構造を形成する面を回転対称な非球面とすることで、軸上性能を確保するとともに正弦条件をさらに良く補正でき、軸外性能を十分確保することが可能となる。但し、前記光ファイバー側の光学面を平面としても良い。

請求項４に記載の光通信用のレンズは、請求項３に記載の発明において、前記光ファイバー側の光学面は、変曲点を有することを特徴とする。

これにより、より高い軸上性能／軸外性能を確保することが可能となる。「変曲点」とは、レンズの光軸方向断面をとったとき、光学面に引いた接線の向きが、その位置により光軸直交方向を挟んで正方向から負方向へ、あるいはその逆に変化するとき、光軸直交方向に向く位置をいうものとする。

請求項５に記載の光通信用のレンズは、請求項３又は４に記載の発明において、前記光ファイバー側の光学面におけるΔｓａｇは、変曲点を有することを特徴とする。

これにより、より高い軸上性能／軸外性能を確保することが可能となる。Δｓａｇとは、光学面のサグ量の変化率をいう。

請求項６に記載の光通信用のレンズは、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記レンズは、−４０℃〜＋１００℃の範囲で使用されることを特徴とする。

本発明のレンズは、かかる幅広い温度環境下で使用された場合でも、ピント位置変動を十分に抑えることができる。

請求項７に記載の光通信用のレンズは、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記光学素子の波長変動（ｄλ／ｄＴ）は、０＜（ｄλ／ｄＴ）＜０．２（ｎｍ／℃）であることを特徴とする。

光通信用の光学素子の波長変動（ｄλ／ｄＴ）は、０＜（ｄλ／ｄＴ）＜０．２（ｎｍ／℃）であることが多く、この条件では温度変化に起因したピント位置変動を回折構造により補正する効果が小さい。よって補正機能を高めるため回折構造をより微細とする傾向となるため、特に本発明のレンズは好適である。

請求項８に記載の光通信用のレンズは、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記レンズは、前記光学素子から出射した光束を前記光ファイバーの端面に集光することを特徴とする。

光ファイバーの端面の面積が小さいことから、ピント位置変動は直ちに光結合効率の低下に影響を及ぼすこととなる。従って、ピント位置変動が小さい本発明のレンズは、前記光学素子から出射した光束を前記光ファイバーの端面に集光するのに用いられると好適である。但し、光ファイバーから出射した光束を受光素子に集光させるために用いても良い。

請求項９に記載の光通信モジュールは、請求項１〜８のいずれかに記載の光通信用のレンズを、光学素子を支持する基板に組み付けてなることを特徴とする。

本発明によれば、コストを低減でき、製造容易でありながら、大きい環境温度変化が生じてもピント位置変動を抑えて高精度な光通信を実現できる光通信用のレンズ及びそれを用いた光通信モジュールを提供することができる。

本実施の形態にかかる光通信モジュール１０の光軸方向断面図である。 比較例にかかるレンズの断面図である。 実施例１にかかるレンズの断面図である。 実施例２にかかるレンズの断面図である。 実施例３にかかるレンズの断面図である。 比較例と実施例１〜３において、光軸からの高さを横軸にとり、縦軸にΔｓａｇをとって示す図である。 比較例における温度変化による光結合率変化を示す図である。 実施例１における温度変化による光結合率変化を示す図である。 実施例２における温度変化による光結合率変化を示す図である。 実施例３における温度変化による光結合率変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態にかかる光通信モジュール１０の光軸方向断面図である。光通信モジュール１０内は、−４０℃〜＋１００℃の範囲で温度変化が生じうる。給電用の棒状の端子１１を有する円板状のステム１２の中央に、チップ搭載部１３が取り付けられ、チップ搭載部１３の側面にヒートシンク１４を介して発光素子としてのレーザチップ１５が取り付けられている。レーザチップ１５は、不図示の配線を介して端子１１に接続されており、その波長変動（ｄλ／ｄＴ）は、０＜（ｄλ／ｄＴ）＜０．２（ｎｍ／℃）である。

レーザチップ１５の外側を覆うようにして、レンズ２０が配置されている。レンズ２０は、プラスチック製であり、略円筒状の脚部２１と、脚部２１の端部に設けられたレンズ部２２とから一体的に形成されている。脚部２１の先端２１ｂをステム１２に接着することで、レンズ２０はステム(光学素子を支持する基板)１２に取り付けられている。尚、脚部２１の先端２１ｂは、取り付け基準面である。又、レンズ２０に脚部を設けず、別体のホルダでステム１２に固定しても良い。

レンズ部２２は、光ファイバー側の光学面（Ｓ２面）を回転対称である凸状もしくは凹状の球面もしくは非球面としており（但し平面でも良い）、温度変化に起因したピント位置変動を補正するための回折構造Ｄを形成している。図１では誇張して示された回折構造Ｄは、光軸を中心とした複数の輪帯形状であって回折面を含み、回折ピッチは３μｍ以上である。光ファイバー側の光学面（Ｓ２面）は、変曲点を有すると好ましい。又、レンズ部２２は、反光ファイバー側の光学面（Ｓ１面）を回転対称である凸面の球面もしくは非球面としている。更にレンズ部２２は、以下の式を満足する。
φＳＦ＞φＳＬ （１）
│ＳｇＦｍａｘ−ＳｇＦｍｉｎ│＜０．０５ （２）
但し、
φＳＦ：光ファイバー側の光学面Ｓ２の有効径（ｍｍ）
φＳＬ：反光ファイバー側の光学面Ｓ１の有効径（ｍｍ）
ＳｇＦｍａｘ：光ファイバー側の光学面Ｓ２の最大サグ量（ｍｍ）
ＳｇＦｍｉｎ：光ファイバー側の光学面Ｓ１の最小サグ量（ｍｍ）

レンズ２０の光軸直交方向外側に、隙間を空けて円筒状のステンレス製であるホルダ３０が、ステム１２に溶接されるようにして取り付けられている。ホルダ３０の先端には、より小さい径の円筒状のスリーブ３１が固定され、その内部に光ファイバーＦＢが挿入されているフェルール３２が挿入されており、光ファイバーＦＢの端部はレンズ部２２に対向している。

本実施の形態の光通信モジュール１０の動作を説明する。端子１１を介して給電が行われると、レーザチップ１５が発光し、その出射光束は、レンズ部２２に入射するが、光学面Ｓ１で屈折され、更に光学面Ｓ２の回折面で回折され、且つ光学面Ｓ２が屈折面であるときは屈折パワーが加わり、この作用で、光ファイバーＦＢの端面に集光し、その後光ファイバーＦＢ内を伝播することとなる。ここで、光通信モジュール１０内で温度変化が生じた場合、レーザチップ１５の発光光に波長変化が生じる。一方、レンズ部２２の温度変化に起因した屈折率変化によりピント位置変動が生じるが、入射光の波長変化により生じた回折パワー変化によって、かかるピント位置変動をキャンセルできる。従って、−４０℃〜＋１００℃の範囲で環境温度変化が生じても、光結合効率を維持できる。尚、本実施の形態では、脚部２１をプラスチックで一体成形しているので、脚部２１の熱膨張によりピント位置変動を補助的にキャンセルする効果もある。

以下、比較例と比較して、本実施の形態に好適な実施例について説明する。尚、これ以降（表のレンズデータ含む）において、１０のべき乗数（例えば、２．５×１０^-3）を、Ｅ（例えば、２．５×Ｅ−３）を用いて表す場合がある。また、レンズの光学面（Ｓ１面、Ｓ２面）は、それぞれ数１式に表に示す係数を代入した数式で規定される、光軸の周りに軸対称な非球面に形成されている。

ここで、Ｘは光軸方向の軸（光の進行方向を正とする）、κは円錐係数、Ａ2iは非球面係数、ｈは光軸からの高さ、ｒは近軸曲率半径である。

また、回折構造を用いた実施例の場合、その回折構造により光源波長の光束に対して与えられる光路差は、数２式の光路差関数に、それぞれ示す係数Ｃ₁を代入した数式で規定される。

ここで、λ_B：使用波長、ｈ：光軸から光軸垂直方向の距離、Ｃ₁：光路差関数係数である。

（比較例）
図２は、比較例にかかるレンズＬＳの断面図である。表１に,比較例のレンズデータを示す。尚、比較例の光路差関数係数Ｃ₁＝−０．１７５である。ＬＤは発光部であり、ＦＢが光ファイバーの端面である。レンズＬＳは、Ｓ１面及びＳ２面が凸状の非球面であって、Ｓ２面に回折構造を設けている。Ｓ１面の有効径φＳＬ＝１．２０５ｍｍであり、Ｓ２面の有効径φＳＦ＝０．８２１ｍｍである。図２に示すように、比較例では、Ｓ１面に比べＳ２面の曲率半径が小さくなっている。

（実施例１）
図３は、実施例１にかかるレンズＬＳの断面図である。表２に,実施例１のレンズデータを示す。尚、実施例１の光路差関数係数Ｃ₁＝−０．２８５である。ＬＤは発光部であり、ＦＢが光ファイバーの端面である。レンズＬＳは、Ｓ１面及びＳ２面が凸状の非球面であって、Ｓ２面に回折構造を設けている。実施例１においては、Ｓ１面の有効径φＳＬ＝１．３４５ｍｍであり、Ｓ２面の有効径φＳＦ＝０．９９９ｍｍである。図３に示すように、実施例１では、Ｓ２面は平坦に近くなり、光軸付近が凸状で周辺が凹状で,すなわち変曲点を持つ。

（実施例２）
図４は、実施例２にかかるレンズＬＳの断面図である。表３に,実施例２のレンズデータを示す。尚、実施例２の光路差関数係数Ｃ₁＝−０．３０６である。ＬＤは発光部であり、ＦＢが光ファイバーの端面である。レンズＬＳは、Ｓ１面及びＳ２面が凸状の非球面であって、Ｓ２面に回折構造を設けている。実施例２においては、Ｓ１面の有効径φＳＬ＝１．３３１ｍｍであり、Ｓ２面の有効径φＳＦ＝１．００３ｍｍである。図４に示すように、実施例２では、Ｓ２面は平坦に近くなり、光軸付近が凸状で周辺が凹状で,すなわち変曲点を持つ。

（実施例３）
図５は、実施例３にかかるレンズＬＳの断面図である。表４に,実施例３のレンズデータを示す。尚、実施例３の光路差関数係数Ｃ₁＝−０．３３７である。ＬＤは発光部であり、ＦＢが光ファイバーの端面である。レンズＬＳは、Ｓ１面及びＳ２面が凸状の非球面であって、Ｓ２面に回折構造を設けている。実施例３においては、Ｓ１面の有効径φＳＬ＝１．３１４ｍｍであり、Ｓ２面の有効径φＳＦ＝１．００８ｍｍである。図５に示すように、実施例３では、Ｓ２面は平坦に近くなり、光軸付近が凸状で周辺が凹状で,すなわち変曲点を持つ。

表５に、比較例と実施例１〜３において、│ＳｇＦｍａｘ−ＳｇＦｍｉｎ│の値をまとめて示す。比較例では、ＳｇＦｍａｘの位置は軸上であり、ＳｇＦｍｉｎの位置は光学面外縁である。一方、実施例１〜３では、ＳｇＦｍａｘの位置は、光学面の外縁であり、ＳｇＦｍｉｎの位置は、変曲点の位置である。

図６は、比較例と実施例１〜３において、光軸からの高さを横軸にとり、縦軸にΔｓａｇをとって示す図である。図６から明らかなように、比較例のΔｓａｇは光軸から離れるにつれて単調に負に向かい変曲点を持たないが、実施例１〜３のΔｓａｇは、光軸から離れるにつれて負に向かうが、その後正に向かうので変曲点を持つ。

図７は、比較例にかかる温度変化に対する光結合率の変化を示す図であり、図８〜１０は、比較例にかかる温度変化に対する光結合率の変化を示す図である。図７に示す比較例の場合、環境温度が常温（２０℃）から＋１００℃に上昇すると、光結合効率は３０％近く低下することがわかる。これに対し、図８〜１０に示すように、実施例１〜３のいずれも、光結合効率の低下を１０％以内に抑えることができる。特に、実施例３は光結合効率の低下が殆どなく、ガラス製のレンズに匹敵する光学性能を有する。

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、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態・実施例・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、光ファイバーから出射した光を受光素子に集光するために、本発明のレンズを用いても良い。

１０ 光通信モジュール
１１ 端子
１２ ステム
１３ チップ搭載部
１４ ヒートシンク
１５ レーザチップ
２０ レンズ
２１ 脚部
２１ｂ 先端
２２ レンズ部
３０ ホルダ
３１ スリーブ
３２ フェルール
ＦＢ 光ファイバー

Claims (9)

1. 光学素子もしくは光ファイバーから出射された光束を集光する光通信用のレンズであって、
   前記光通信用のレンズは、プラスチック素材から形成された単一のレンズであり、温度変化に起因したピント位置変動を補正するための回折構造を有した光ファイバー側の光学面（Ｓ２面）と、凸面である反光ファイバー側の光学面（Ｓ１面）とを有し、以下の式を満足することを特徴とする光通信用のレンズ。
   φＳＦ＞φＳＬ （１）
   │ＳｇＦｍａｘ−ＳｇＦｍｉｎ│＜０．０５ （２）
   但し、
   φＳＦ：前記光ファイバー側の光学面の有効径（ｍｍ）
   φＳＬ：前記反光ファイバー側の光学面の有効径（ｍｍ）
   ＳｇＦｍａｘ：前記光ファイバー側の光学面の最大サグ量（ｍｍ）
   ＳｇＦｍｉｎ：前記光ファイバー側の光学面の最小サグ量（ｍｍ）
2. 前記回折構造は、回転対称な回折面を含むことを特徴とする請求項１に記載の光通信用のレンズ。
3. 前記光ファイバー側の光学面は、球面もしくは非球面上に前記回折構造を形成してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光通信用のレンズ。
4. 前記光ファイバー側の光学面は、変曲点を有することを特徴とする請求項３に記載の光通信用のレンズ。
5. 前記光ファイバー側の光学面におけるΔｓａｇは、変曲点を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の光通信用のレンズ。
6. 前記レンズは、−４０℃〜＋１００℃の範囲で使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光通信用のレンズ。
7. 前記光学素子の波長変動（ｄλ／ｄＴ）は、０＜（ｄλ／ｄＴ）＜０．２（ｎｍ／℃）であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光通信用のレンズ。
8. 前記レンズは、前記光学素子から出射した光束を前記光ファイバーの端面に集光することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光通信用のレンズ。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の光通信用のレンズを、光学素子を支持する基板に組み付けてなることを特徴とする光通信モジュール。

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