(57)【要約】  本発明の光結合素子は、複数の発光素子３２から発光された光がそれぞれ入射する所定の曲率を有する複数の入射面１１１と、前記入射面にそれぞれ入射した前記光を反射させる所定の曲率を有する反射面１２１１と、前記反射面によって反射された前記光を光ファイバ４の端面４１に向けてそれぞれ出射させる所定の曲率を有する複数の出射面１３１とを備える。前記入射面、前記反射面、前記出射面は、Ｘ方向のトレランスをＹ方向のトレランスよりも大きくするための曲率調整がされている。なお、複数の前記入射面が単一列に整列位置される場合、その整列方向を、前記Ｘ方向とし、前記光の進行方向をＺ方向とし、前記Ｘ、Ｚ方向に直交する方向を、前記Ｙ方向とする。  本発明によれば、製造効率および設計の自由度の向上を図りつつ、光結合効率の温度依存性を有効に緩和することができる。
2014057666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光素子と複数の光ファイバとの間に配置された状態で、前記複数の発光素子と前記複数の光ファイバの端面とをそれぞれ光学的に結合可能に構成された光結合素子であって、
光結合素子本体における前記複数の発光素子側の第１の面上に、前記複数の発光素子にそれぞれ対応して配置され、前記複数の発光素子から発光された光がそれぞれ入射する、曲率を有する複数の入射面と、
前記光結合素子本体における前記第１の面と反対側の第２の面上に、前記第１の面に対して傾きを有するように配置され、前記複数の入射面にそれぞれ入射した前記複数の発光素子ごとの光を前記複数の光ファイバ側に反射させる、曲率を有する反射面と、
前記光結合素子本体における前記複数の光ファイバ側の第３の面上に、前記複数の光ファイバの端面にそれぞれ対応するように配置され、前記反射面によって反射された前記複数の発光素子ごとの光を前記複数の光ファイバの端面に向けてそれぞれ出射させる、曲率を有する複数の出射面と
を備え、
前記複数の入射面が、単一列のみを呈するようにして前記単一列の整列方向に整列配置されている場合には、前記整列方向を「Ｘ方向」と定義し、
前記複数の発光素子から発光された光の進行方向を「Ｚ方向」と定義し、
前記Ｘ方向および前記Ｚ方向に直交する方向を「Ｙ方向」と定義し、
前記複数の発光素子を、前記複数の光ファイバの端面とのそれぞれの光結合効率が予め設定された最大効率を示す位置から前記最大効率に対する所定の光結合効率の低下が示される位置まで移動させたと仮定した場合における移動前の位置と移動後の位置との間の前記Ｘ方向の距離を「Ｘ方向のトレランス」と定義し、
前記移動前の位置と前記移動後の位置との間の前記Ｙ方向の距離を「Ｙ方向のトレランス」と定義した場合、
前記入射面、前記反射面および前記出射面は、前記Ｘ方向のトレランスが前記Ｙ方向のトレランスよりも大きくなるように曲率調整されている、
光結合素子。
【請求項２】
前記複数の入射面が、所定数以上の前記入射面を整列させた単位列を、この単位列の整列方向に直交する並列方向に沿って複数列並列させた状態で配置されている場合、前記整列方向および前記並列方向のうち、前記第１の面上における前記光結合素子本体の熱変形の所定の基準点とこの基準点から最も離間された前記入射面の中心点とを結ぶ仮想直線とのなす角度が相対的に小さい方を、「Ｘ方向」と定義する、
請求項１に記載の光結合素子。
【請求項３】
前記複数の入射面は、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに異なるような前記発光素子側に凸のバイコーニック面であり、
前記反射面は、ＹＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＸＺ断面において曲率を有しないような前記発光素子側および前記光ファイバの端面側に凹のシリンドリカル面であり、
前記複数の出射面は、ＸＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＹＺ断面において曲率を有しないような前記光ファイバの端面側に凸のシリンドリカル面である、
請求項１または請求項２に記載の光結合素子。
【請求項４】
前記複数の入射面は、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記発光素子側に凸の非球面であり、
前記反射面は、ＹＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＸＺ断面において曲率を有しないような前記発光素子側および前記光ファイバの端面側に凹のシリンドリカル面であり、
前記複数の出射面は、ＸＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＹＺ断面において曲率を有しないような前記光ファイバの端面側に凸のシリンドリカル面である、
請求項１または請求項２に記載の光結合素子。
【請求項５】
前記Ｙ方向のトレランスは、
前記複数の入射面を、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記発光素子側に凸の非球面と仮定し、
前記複数の出射面を、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記光ファイバの端面側に凸の非球面と仮定し、
前記反射面を平面と仮定した場合におけるトレランスと同値であり、この値よりも前記Ｘ方向のトレランスを大きくするための前記曲率調整がされている、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光結合素子。
【請求項６】
前記Ｘ方向のトレランスを前記Ｙ方向のトレランスよりも１．２倍以上大きくするための前記曲率調整がされている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光結合素子。
【請求項７】
前記反射面は、前記複数の発光素子からの光を前記複数の出射面に向けてそれぞれ全反射させる全反射面である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光結合素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の光結合素子と、
発光素子と、
を有する、光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光結合素子およびこれを備えた光モジュールに係り、特に、複数の発光素子と複数の光ファイバの端面とを光学的に結合するのに好適な光結合素子およびこれを備えた光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信の高速化および通信デバイスの小型化のニーズを反映し、マルチチャンネルの光通信をコンパクトな構成で実現するのに有効な光学部品として、複数のレンズが配置されたレンズアレイの需要が益々高まりつつある。【０００３】
以前から、この種のレンズアレイには、複数の発光素子（例えば、ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を備えた光電変換装置および複数の光ファイバを取り付け可能であった。【０００４】
そして、レンズアレイは、これら光電変換装置と複数の光ファイバとの間に配置された状態で、光電変換装置の各発光素子から出射された光を各光ファイバの端面に光学的に結合させて、マルチチャンネルの光通信を行うことが可能であった。【０００５】
また、このようなレンズアレイの中には、例えば、特許文献１〜３に示すように、発光素子の光の光路上に反射面を備えたものもあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−５９４８４号公報
【特許文献２】特開２００１−５１１６２号公報
【特許文献３】特開平９−２８１３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、以前から、レンズアレイは、金型を用いた樹脂材料（例えば、ポリエーテルイミドなど）の射出成形法によって形成されることが主流であった。しかしながら、このようなレンズアレイは、レーザ自身の発熱による温度変化や、サーバ内等の高温に温度変化し易い使用環境下における温度上昇にともなって変形（膨張）するおそれがある。また、このようなレンズアレイは、低温時には、常温時よりも収縮するおそれがある。【０００８】
したがって、この種のレンズアレイは、温度変化による変形（熱変形）を想定して、変形が生じた場合であっても、発光素子と光ファイバの端面との光結合効率を維持する必要があった。【０００９】
一方、このような温度変化を考慮した光結合効率の維持を、アクテイブアライメントなどによる光電変換装置の高精度な位置決めや金型の加工精度（寸法精度）に頼るのでは、製造効率および設計の自由度の向上を見込むことが困難であるといった問題点があった。【００１０】
本発明の目的は、製造効率および設計の自由度を向上させつつ、光結合効率の温度依存性を有効に緩和することができる光結合素子およびこれを備えた光モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以下の光結合素子および光モジュールに関する。【００１２】
［１］複数の発光素子と複数の光ファイバとの間に配置された状態で、前記複数の発光素子と前記複数の光ファイバの端面とをそれぞれ光学的に結合可能に構成された光結合素子であって、光結合素子本体における前記複数の発光素子側の第１の面上に、前記複数の発光素子にそれぞれ対応して配置され、前記複数の発光素子から発光された光がそれぞれ入射する、曲率を有する複数の入射面と、前記光結合素子本体における前記第１の面と反対側の第２の面上に、前記第１の面に対して傾きを有するように配置され、前記複数の入射面にそれぞれ入射した前記複数の発光素子ごとの光を前記複数の光ファイバ側に反射させる、曲率を有する反射面と、前記光結合素子本体における前記複数の光ファイバ側の第３の面上に、前記複数の光ファイバの端面にそれぞれ対応するように配置され、前記反射面によって反射された前記複数の発光素子ごとの光を前記複数の光ファイバの端面に向けてそれぞれ出射させる、曲率を有する複数の出射面とを備え、前記複数の入射面が、単一列のみを呈するようにして前記単一列の整列方向に整列配置されている場合には、前記整列方向を「Ｘ方向」と定義し、前記複数の発光素子から発光された光の進行方向を「Ｚ方向」と定義し、前記Ｘ方向および前記Ｚ方向に直交する方向を「Ｙ方向」と定義し、前記複数の発光素子を、前記複数の光ファイバの端面とのそれぞれの光結合効率が予め設定された最大効率を示す位置から前記最大効率に対する所定の光結合効率の低下が示される位置まで移動させたと仮定した場合における移動前の位置と移動後の位置との間の前記Ｘ方向の距離を「Ｘ方向のトレランス」と定義し、前記移動前の位置と前記移動後の位置との間の前記Ｙ方向の距離を「Ｙ方向のトレランス」と定義した場合、前記入射面、前記反射面および前記出射面は、前記Ｘ方向のトレランスが前記Ｙ方向のトレランスよりも大きくなるように曲率調整されている、光結合素子。【００１３】
［２］前記複数の入射面が、所定数以上の前記入射面を整列させた単位列を、この単位列の整列方向に直交する並列方向に沿って複数列並列させた状態で配置されている場合、前記整列方向および前記並列方向のうち、前記第１の面上における前記光結合素子本体の熱変形の所定の基準点とこの基準点から最も離間された前記入射面の中心点とを結ぶ仮想直線とのなす角度が相対的に小さい方を、「Ｘ方向」と定義する、［１］に記載の光結合素子。【００１４】
［３］前記複数の入射面は、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに異なるような前記発光素子側に凸のバイコーニック面であり、前記反射面は、ＹＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＸＺ断面において曲率を有しないような前記発光素子側および前記光ファイバの端面側に凹のシリンドリカル面であり、前記複数の出射面は、ＸＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＹＺ断面において曲率を有しないような前記光ファイバの端面側に凸のシリンドリカル面である、［１］または［２］に記載の光結合素子。【００１５】
［４］前記複数の入射面は、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記発光素子側に凸の非球面であり、前記反射面は、ＹＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＸＺ断面において曲率を有しないような前記発光素子側および前記光ファイバの端面側に凹のシリンドリカル面であり、前記複数の出射面は、ＸＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＹＺ断面において曲率を有しないような前記光ファイバの端面側に凸のシリンドリカル面である、［１］または［２］に記載の光結合素子。【００１６】
［５］前記Ｙ方向のトレランスは、前記複数の入射面を、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記発光素子側に凸の非球面と仮定し、前記複数の出射面を、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記光ファイバの端面側に凸の非球面と仮定し、前記反射面を平面と仮定した場合におけるトレランスと同値であり、この値よりも前記Ｘ方向のトレランスを大きくするための前記曲率調整がされている、［１］〜［４］のいずれか１項に記載の光結合素子。【００１７】
［６］前記Ｘ方向のトレランスを前記Ｙ方向のトレランスよりも１．２倍以上大きくするための前記曲率調整がされている、［１］〜［５］のいずれか１項に記載の光結合素子。【００１８】
［７］前記反射面は、前記複数の発光素子からの光を前記複数の出射面に向けてそれぞれ全反射させる全反射面である、［１］〜［６］のいずれか１項に記載の光結合素子。【００１９】
［８］［１］〜［７］のいずれか１項に記載の光結合素子と、発光素子と、を有する、光モジュール。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、製造効率および設計の自由度の向上を図りつつ、光結合効率の温度依存性を有効に緩和することができる。【００２１】
［１］に係る発明によれば、入射面、反射面および出射面の曲率調整によって、熱変形による光結合効率への影響が出やすいＸ方向のトレランスをＹ方向のトレランスよりも大きくすることができる。このため、発光素子に求められる位置精度を緩和することができ、製造効率および設計の自由度の向上を図りつつ、光結合効率の温度依存性を有効に緩和することができる。【００２２】
［２］に係る発明によれば、入射面が複数列並列されている場合においても、熱変形の影響が最も出やすい方向（Ｘ方向）のトレランスを大きくすることができる。このため、発光素子の配置態様の多様化に柔軟に対応することができる。【００２３】
［３］に係る発明によれば、トレランスを有効に改善することができる。【００２４】
［４］に係る発明によれば、トレランスを確実に改善することができる。【００２５】
［５］に係る発明によれば、Ｘ方向のトレランスを従来に比べて積極的に向上させることができる。このため、発光素子に求められる位置精度を更に有効に緩和することができる。【００２６】
［６］に係る発明によれば、Ｘ方向のトレランスを十分に向上させることができる。【００２７】
［７］に係る発明によれば、反射面を光結合素子本体の面形状のみによって構成することができる。このため、部品点数および製造工数の削減による製造効率の更なる向上を図ることができる。【００２８】
［８］に係る発明によれば、製造効率および設計の自由度の向上をともなう光結合効率の温度依存性の緩和を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、実施の形態１に係る光結合素子としてのレンズアレイおよび光モジュールの構成を示す図である。
【図２】図２は、レンズアレイの正面図である。
【図３】図３は、レンズアレイの底面図である。
【図４】図４は、レンズアレイの背面図である。
【図５】図５Ａ〜Ｃは、レンズアレイの模式図である。
【図６】図６は、従来のレンズアレイの構成を示す模式図である。
【図７】図７は、実施の形態１の効果を説明するための図である。
【図８】図８は、実施の形態１に係るレンズアレイを用いたトレランスのシミュレーション結果である。
【図９】図９は、実施の形態２に係るレンズアレイを用いたトレランスのシミュレーション結果である。
【図１０】図１０は、実施の形態３に係るレンズアレイの断面図である。
【図１１】図１１は、レンズアレイの正面図である。
【図１２】図１２は、レンズアレイの底面図である。
【図１３】図１３は、レンズアレイの背面図である。
【図１４】図１４は、実施の形態３において、Ｘ方向を説明するための図である。
【図１５】図１５は、実施の形態３において、変形例を示す模式図である。
【図１６】図１６は、実施の形態３の他の変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る光結合素子としてのレンズアレイ（レンズアレイ本体）１の縦断面図（図２のＡ−Ａ断面図）である。図１では、レンズアレイ１を備えた光モジュール２の概要も示している。図２は、図１に示すレンズアレイ１の正面図である。図３は、図１に示すレンズアレイ１の底面図である。図４は、図１に示すレンズアレイ１の背面図である。
【００３２】
図１に示されるように、レンズアレイ１は、光電変換装置３と光ファイバ４との間に配置されている。レンズアレイ１は、発光素子３２と光ファイバ４の端面４１とを光学的に結合する。レンズアレイ１は、透光性の樹脂材料（例えば、ポリエーテルイミドなど）によって一体的に形成される。レンズアレイ１は、例えば射出成形法により形成してもよい。
【００３３】
（発光素子の構成）
光電変換装置３は、複数の発光素子３２を有する。発光素子３２は、半導体基板３１におけるレンズアレイ１に臨む面に対して垂直方向（図１における右方向）にレーザ光Ｌ（図５Ａ参照）を出射（発光）する。発光素子３２は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を構成している。なお、複数の発光素子３２は、図１の紙面垂直方向に配置されている。光電変換装置３は、例えば、半導体基板３１のレンズアレイ１側の面がレンズアレイ１に当接するように、レンズアレイ１に対して対向して配置されている。そして、光電変換装置３は、公知の固定手段によってレンズアレイ１に取り付けられている。
【００３４】
（光ファイバの構成）
光ファイバ４は、各発光素子３２の整列方向と同じ方向（図１の紙面垂直方向）に配置されている。光ファイバ４の数は、発光素子３２と同じである。複数の光ファイバ４は、複数の発光素子３２と同一ピッチで整列されている。光ファイバ４は、端面４１側の部位が多芯一括型のコネクタ４２内に保持された状態で、公知の固定手段によってレンズアレイ１に取り付けられている。
【００３５】
なお、光ファイバ４は、マルチモードファイバであってもよく、シングルモードファイバであってもよい。
【００３６】
図１および図２に示されるように、レンズアレイ１は、複数の第１のレンズ面１１１（入射面）と、全反射面１２１１（反射面）と、複数の第２のレンズ面１３１とを有する。
【００３７】
（入射面の構成）
第１のレンズ面１１１は、光電変換装置３（発光素子３２）が取り付けられる前端面１１（第１の面）上に配置されている。本実施の形態では、第１のレンズ面１１１の数は、発光素子３２と同じ１２個である。図１に示されるように、前端面１１における各第１のレンズ面１１１が形成された領域（以下、第１のレンズ形成領域と称する）１１２は、前端面１１における第１のレンズ形成領域１１２以外の領域よりも全反射面１２１１側に形成された凹部の内面である。また、第１のレンズ形成領域１１２とこれ以外の領域とは、互いに平行な平面である。図１および図２に示されるように、複数の第１のレンズ面１１１は、複数の発光素子３２にそれぞれ対向するように、所定の方向（図１の紙面垂直方向、図２の左右方向）に配置されている。また、各第１のレンズ面１１１は、発光素子３２と同一ピッチで形成されている。さらに、各第１のレンズ面１１１上の中心軸ＯＡ（１）（図１参照）は、各第１のレンズ面１１１にそれぞれ対応する各発光素子３２から発光されるレーザ光Ｌ（図５参照）の光軸に一致していることが好ましい。
【００３８】
（反射面の構成）
図１および図４に示されるように、全反射面１２１１は、所定の曲率を有する反射面である。全反射面１２１１は、レンズアレイ１の後端面１２（第２の面）上に配置されている。全反射面１２１１は、後端面１２に形成された楔状の凹部１２１の内底面である。また、全反射面１２１１の上端部は、下端部よりも光電変換装置３側に位置している。なお、図５Ａに示されるように、前端面１１に対する全反射面１２１１の傾斜角θ（前端面１１と、全反射面１２１１の上端部と下端部とを結ぶ直線とがなす角度のうち小さい角度；傾斜角θ）は、４５°であってもよい。
【００３９】
（出射面の構成）
第２のレンズ面１３１（出射面）は、所定の曲率を有しており、光ファイバ４が取り付けられる下端面１３（第３の面）上に配置されている。本実施の形態では、第１のレンズ面１１１の数は、発光素子３２と同じ１２個である。なお、図１および図３に示されるように、下端面１３における各第２のレンズ面１３１が形成された領域（以下、第２のレンズ形成領域と称する）１３２は、下端面１３における第２のレンズ形成領域１３２の外側の領域よりも全反射面１２１１側に形成された凹部の内面である。また、第２のレンズ形成領域１３２と外側の領域とは、互いに平行な平面である。下端面１３は、前端面１１に対して第１のレンズ面１１１の配置方向に直交する方向において隣接している。
【００４０】
図１に示されるように、複数の第２のレンズ面１３１は、複数の光ファイバ４の端面４１に対応して、図１の紙面垂直方向（図３における横方向）に配置されている。第２のレンズ面１３１の配置方向は、第１のレンズ面１１１の配置方向と同じである。第２のレンズ面１３１は、第１のレンズ面１１１と同一ピッチで形成されている。第２のレンズ面１３１は、光学的に対応する第１レンズ面１１１との配置方向における位置が同じである。なお、各第２のレンズ面１３１上の中心軸ＯＡ（２）（図１参照）は、各第２のレンズ面１３１にそれぞれ対応する各光ファイバ４の端面４１の中心軸に一致していることが好ましい。
【００４１】
図５Ａに示されるように、各発光素子３２から出射されたレーザ光Ｌは、各第１のレンズ面１１１で入射する。このとき、レーザ光Ｌは、レンズ面１１１のパワー（屈折力）に応じて収束されて、レンズアレイ１の内部へと進行する。入射したレーザ光Ｌは、臨界角よりも大きな入射角で全反射面１２１１に到達する。そして、全反射面１２１１に到達したレーザ光Ｌは、光ファイバ４側（下側）に向かって全反射される。全反射面１２１１で全反射した光は、第２のレンズ面１３１に到達する。第２のレンズ面１３１に到達した光は、対応する各光ファイバ４の端面４１に向けてそれぞれ出射される。このようにして、各発光素子３２と各光ファイバ４の端面４１とは、各第１のレンズ面１１１、全反射面１２１１および各第２のレンズ面１３１を介して光学的に結合される。
【００４２】
（入射面、反射面および出射面の曲率調整）
本実施の形態において、第１のレンズ面１１１、全反射面１２１１および第２のレンズ面１３１は、Ｘ方向のトレランスをＹ方向のトレランスよりも大きくするために、同一光学面内および異光学面間において曲率調整がされている。
【００４３】
ここで、「Ｘ方向」とは、本実施形態のように複数の第１のレンズ面１１１が一列に配置されている場合には、この単一列の整列方向と定義する（図２および図３参照）。
【００４４】
本実施の形態では、レンズアレイ１における各発光素子３２のレーザ光Ｌの進行方向を、「Ｚ方向」と定義する。なお、図５に示されるように、本実施の形態では、全反射面１２１１において光路が折れ曲がる構成になっているため、前端面１１上におけるＺ方向と下端面１３上におけるＺ方向とは、互いに異なっている（直交している）。
【００４５】
「Ｙ方向」とは、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向と定義する（図２および図５参照）。
【００４６】
「Ｘ方向のトレランス」とは、複数の発光素子３２（換言すれば、光電変換装置３）を、複数の光ファイバ４の端面４１とのそれぞれの光結合効率が予め設定された最大効率を示すような位置から最大効率に対する所定の光結合効率の低下が示されるような位置までＸ方向に沿って移動させたと仮定した場合における移動前の発光素子３２の位置と移動後の発光素子３２の位置との間のＸ方向の距離と定義する。
【００４７】
「Ｙ方向のトレランス」とは、複数の発光素子３２（換言すれば、光電変換装置３）を、複数の光ファイバ４の端面４１とのそれぞれの光結合効率が前述した最大効率を示すような位置から最大効率に対する所定の光結合効率の低下が示されるような位置までＹ方向に沿って移動させたと仮定した場合における移動前の発光素子３２の位置と移動後の発光素子３２の位置との間のＹ方向の距離と定義する。
【００４８】
また、「Ｙ方向のトレランス」は、図６に示されるように、複数の第１のレンズ面１１１を、Ｘ方向の曲率とＹ方向の曲率とが互いに同一とされた発光素子３２側に凸の非球面と仮定し、複数の第２のレンズ面１３１を、Ｘ方向の曲率とＹ方向の曲率とが互いに同一とされた光ファイバ４の端面４１側に凸の非球面と仮定し、全反射面１２１１を平面と仮定した場合におけるトレランスと同値である。この値は、反射面を備えた従来のレンズアレイのトレランスということができる。
【００４９】
したがって、曲率調整は、このような従来のトレランスよりもＸ方向のトレランスを積極的に大きくするためのものである。
【００５０】
なお、トレランスの基準となる所定の光結合効率の低下量は、最大効率に対して１８％（−１ｄＢ）であってもよい。
【００５１】
そして、このような曲率調整の結果として、本実施形態では、各第１のレンズ面１１１は、Ｘ方向の曲率とＹ方向の曲率とが互いに異なるような発光素子３２側に凸のバイコーニック面である。
【００５２】
また、本実施形態では、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、全反射面１２１１は、発光素子３２側および光ファイバ４の端面４１に対して凹のシリンドリカル面である。全反射面１２１１は、ＹＺ断面において曲率を有する（換言すれば、曲線形状である）。また、全反射面１２１１は、ＸＹ断面およびＸＺ断面において曲率を有しない（換言すれば、直線形状である）。
【００５３】
さらに、本実施形態では、図５Ａおよび図５Ｃに示されるように、各第２のレンズ面１３１は、光ファイバ４の端面４１側に凸のシリンドリカル面である。各第２のレンズ面１３１は、ＸＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＹＺ断面において曲率を有しない。
【００５４】
（その他の構成）
また、図２に示されるように、第１のレンズ形成領域１１２に対して第１のレンズ面１１１の配置方向（すなわち、本実施形態におけるＸ方向）における両外側位置には、平面円形状の穴部１１３がそれぞれ形成されている。これらの穴部１１３は、半導体基板３１側に形成されたピン（図示省略）に嵌合することによって、レンズアレイ１に光電変換装置３を固定する際の光電変換装置３の機械的な位置決めに用いられる。
【００５５】
さらに、図１および図３に示されるように、第２のレンズ形成領域１３２に対して第２のレンズ面１３１の配置方向（本実施形態におけるＸ方向）における両外側位置には、平面円形状のピン１３３が立設されている。ピン１３３は、光ファイバ４のコネクタ４２側に形成された不図示の穴部に挿入されることによって、レンズアレイ１に光ファイバ４を機械的に位置決めするために用いられる。
【００５６】
（作用および効果）
本実施形態によれば、上述したように、第１のレンズ面１１１をバイコーニック面、全反射面１２１１をＹＺ断面において主たるパワーを持つシリンドリカルミラー面、第２のレンズ面１３１をＸＺ断面において主たるパワーを持つシリンドリカル面とする。これにより、熱変形による光結合効率への影響が出やすいＸ方向のトレランスを、Ｙ方向のトレランスよりも大きく、かつ従来のトレランスに比べて積極的に向上させることができる。また、発光素子３２に求められる位置精度を緩和することができる。
【００５７】
この結果、実施の形態１に係るレンズアレイ１は、製造効率および設計の自由度の向上を図りつつ、光結合効率の温度依存性を有効に緩和することができる。
【００５８】
また、図６に示される従来のレンズアレイにおいて、Ｘ方向のトレランスをΔ（デルタ）Ｘとし、Ｙ方向のトレランスをΔＹとし、本実施形態に係るレンズアレイ１におけるＸ方向のトレランスをΔＸ’とし、Ｙ方向のトレランスをΔＹ’とすると、これらのパラメータ間には、式（１）が成立する。
【００５９】
ΔＸ’＞ΔＹ’＝ΔＹ＝ΔＸ      （１）
【００６０】
また、レンズアレイ１の熱変形（膨張または収縮）による第１のレンズ面１１１の位置変化量をΔＬとすると、ΔＬは、式（２）で表すことができる。
【００６１】
ΔＬ＝α×ΔＴ×Ｌ      （２）
【００６２】
ただし、式（２）において、αは、レンズアレイ１を形成する樹脂材料の線膨脹係数であり、ΔＴは、温度差（例えば、レンズアレイ１の温度と常温との差）である。Ｌは、前端面１１上におけるレンズアレイ１の熱変形の所定の基準点（変形中心点）とこの基準点から最も遠い第１のレンズ面１１１の中心点との間のＸ方向の距離である。なお、図７に示されるように、Ｌを定義する熱変形の基準点Ｐは、前端面１１の中心点となることが多い。しかしながら、本実施の形態では、このような態様以外にも、シミュレーションなどによって予め求められる種々の位置の基準点に対応することができる。
【００６３】
さらに、上述したトレランスの意義より、ΔＸ’とΔＬとの間には、式（３）が成立する。
【００６４】
ΔＸ’＞ΔＬ＝α・ΔＴ・Ｌ      （３）
【００６５】
そして、式（３）をΔＴについて解くと、式（４）のようになる。
【００６６】
ΔＴ＜ΔＸ’／（α・Ｌ）        （４）
【００６７】
ここで、式（４）におけるΔＸ’が従来のレンズアレイのΔＸよりも大きいため、左辺の値ΔＴも従来のレンズアレイよりも大きくすることができる。
【００６８】
すなわち、本実施形態によれば、使用可能な温度範囲を従来よりも広げることができる。なお、本実施の形態によれば、レンズアレイ１の温度変化が小さいまたはゼロの場合であっても、トレランスが広くなり、デバイス（ＶＣＳＥＬなど）とファイバとの位置精度をきつくすることなく使用することができる。
【００６９】
一方、式（３）をＬについて解くと、式（５）のようになる。
【００７０】
Ｌ＜ΔＸ’／（α・ΔＴ）      （５）
【００７１】
ここで、式（４）同様、式（５）におけるΔＸ’が従来のレンズアレイのΔＸよりも大きいため、左辺の値Ｌも従来のレンズアレイよりも大きくすることができる。
【００７２】
すなわち、本実施形態によれば、チャンネル数（発光素子３２、レンズ面１１１、１３１、光ファイバ４の数）を従来よりも増加させることができる。
【００７３】
（シミュレーション）
実施の形態１に係るレンズアレイ１の各パラメータを表１に示すとおりに設定した。表１のＲは光学面の曲率半径であり、ＲｘはＸ方向の曲率半径（ｍｍ）であり、ＲｙはＹ方向の曲率半径（ｍｍ）である。また、表１において、Ｄは、次の光学面までの距離（ｍｍ）である。ｎは、使用波長８５０ｎｍに対応するレンズアレイ１（樹脂材料）の屈折率である。Ｋは光学面のコーニック係数であり、ＫｘはＸ方向のコーニック係数であり、ＫｙはＹ方向のコーニック係数である。
【００７４】
【表１】
2014057666.tif 000003
【００７５】
また、比較例として図６に示す従来のレンズアレイの各パラメータを表２に示すとおりに設定した。表２における各パラメータの意義は、表１と同様である。
【００７６】
【表２】
2014057666.tif 000004
【００７７】
各パラメータを所定の値に設定した実施の形態１および比較例のレンズアレイを用いて、トレランスのシミュレーションを行った。図８は、実施の形態１および比較用のレンズアレイを用いたトレランスのシミュレーション結果である。図８の横軸は、発光素子３２の移動距離を示している。また、縦軸は、光の結合効率を示している。図８には、実施の形態１および比較例の各レンズアレイに対して、発光素子３２を、光結合効率の最大効率が示される位置からＸ方向およびＹ方向にそれぞれ沿って移動させた場合における光結合効率の変化が示されている。Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれのトレランスは、このような光結合効率の変化特性に基づいて求めることができる。
【００７８】
図８に示されるように、実施の形態１のレンズアレイ１のＸ方向のトレランスΔＸ’は、比較例のレンズアレイのＸ方向のトレランスΔＸに比べて１．５倍以上長かった。また、Ｘ方向のトレランスΔＸ’は、Ｙ方向のトレランスΔＹ’より、１．５倍以上（すなわち、１．２倍以上）長かった。実施の形態１では、最大効率に対して光結合効率の低下が僅か５％見られるようになるまでの発光素子３２の移動量をトレランスとしている。しかしながら、トレランスの基準を光学性能的に厳しく（小さくなるように）設定した場合であっても、有意義なトレランスの向上を示すことがわかった。
【００７９】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係るレンズアレイについて、実施の形態１のレンズアレイとの差異を中心に、図９を参照して説明する。
【００８０】
実施の形態１のレンズアレイ１と実施の形態２のレンズアレイとの相違点は、第１のレンズ面１１１の曲率調整の態様である。具体的には、実施の形態２のレンズアレイにおいて、第１のレンズ面１１１におけるＸ方向の曲率とＹ方向の曲率とは、同じである。また、第１のレンズ面１１１は、発光素子３２側に凸の非球面である。
【００８１】
実施の形態２のレンズアレイは、実施の形態１と同様に、Ｘ方向のトレランスをＹ方向のトレランスよりも大きくすることができ、発光素子３２に求められる位置精度を緩和することができる。
【００８２】
（シミュレーション）
実施の形態２に係るレンズアレイ１の各パラメータを表３に示すとおりに設定した。表３におけるパラメータは、表１と同様である。また、比較例として用いた従来のレンズアレイは、実施の形態１と同じである。
【００８３】
【表３】
2014057666.tif 000005
【００８４】
各パラメータを所定の値に設定した実施の形態２および比較例のレンズアレイを用いて、トレランスのシミュレーションを行った。シミュレーションの結果を図９に示す。図９の横軸は、発光素子３２の移動距離を示している。また、縦軸は、光の結合効率を示している。
【００８５】
図９に示されるように、本実施の形態においても、実施の形態２のレンズアレイ１のＸ方向のトレランスΔＸ’は、比較例のレンズアレイのＸ方向のトレランスΔＸに比べて１．５倍以上長かった。また、Ｘ方向のトレランスΔＸ’は、Ｙ方向のトレランスΔＹ’より、１．５倍以上長かった。実施の形態２でも、最大効率に対して光結合効率の低下が僅か５％見られるようになるまでの発光素子３２の移動量をトレランスとしている。しかしながら、トレランスの基準を光学性能的に厳しく（小さくなるように）設定した場合であっても、有意義なトレランスの向上を示すことがわかった。
【００８６】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３に係るレンズアレイ１について、実施の形態１に係るレンズアレイ１との差異を中心に、図１０〜図１５を参照して説明する。
【００８７】
図１０は、本実施形態におけるレンズアレイ１の縦断面図（図１１のＢ−Ｂ断面図）である。図１１は、図１０に示すレンズアレイ１の正面図である。図１２は、図１０に示すレンズアレイ１の下面図である。図１３は、図１０に示すレンズアレイ１の背面図である。図１４は、実施の形態３において、Ｘ方向を説明するための図である。図１５は、実施の形態３において、変形例を示す模式図である。
【００８８】
図１１に示されるように、実施の形態３に係るレンズアレイ１の第１のレンズ面１１１は、２列並列して配置されている。また、第２のレンズ面１３１は、各列の第１のレンズ面１１１にそれぞれ対応する大きさのシリンダ面である。さらに、全反射面１２１１は、各列の第１のレンズ面１１１にそれぞれ対応した、２種類の曲率を有するシリンダミラー面である。特に図示しないが、発光素子３２および光ファイバ４は、レンズアレイ１の構成に対応するように２列ずつ配置されている。
【００８９】
実施の形態１では、複数の第１のレンズ面１１１が配列した単位列の数が１列であったため、レンズ列の配置方向を熱変形による光結合効率への影響が最も出やすい方向としてＸ方向と定義した。
【００９０】
これに対して、実施の形態３では、複数（例えば、３つ）の第１のレンズ面１１１が配列した単位列を、この単位列の配列方向（図１４における横方向）に直交する並列方向（図１４における縦方向）に沿って複数列（図１４において２列）並列配置する場合には、次のようにして「Ｘ方向」を定義した。
【００９１】
実施の形態３では、配列方向および並列方向のうち、前端面１１におけるレンズアレイ１の熱変形の基準点Ｐとこの基準点Ｐから最も離間された第１のレンズ面１１１の中心点Ｏとを結ぶ仮想直線ｌとのなす角度が相対的に小さくなる方を、「Ｘ方向」と定義した。
【００９２】
具体的には、図１４においては、整列（横）方向と仮想直線ｌとのなす角度がθ１、並列（縦）方向と仮想直線ｌとのなす角度がθ２であり、これらのうち、θ１の方が小さくなっている。
【００９３】
したがって、実施の形態３では、図１４における横方向がＸ方向と定義するとともに、縦方向がＹ方向と定義した。この前提の下で、実施の形態１と同様に、Ｘ方向のトレランスをＹ方向のトレランスよりも大きくするために、前述のような各光学面１１１、１２１１、１３１の曲率調整を行った。
【００９４】
以上のように、複数の第１のレンズ面１１１を有する単位列が並列配置されている場合においても、熱変形の影響が最も出やすい方向をＸ方向と定義する。この場合も、Ｘ方向のトレランスをＹ方向のトレランスよりも大きくすることができるため、発光素子３２の配置態様の多様化に柔軟に対応することができる。
【００９５】
なお、図１４と同様の２列配置されたレンズ面１１１構成においても、図１５に示すように、並列方向（縦方向）と仮想直線ｌとのなす角度θ２が最小となった場合には、並列方向がＸ方向となり、整列方向（横方向）がＹ方向となる。
【００９６】
本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限度において種々変更してもよい。
【００９７】
例えば、第１のレンズ面１１１が、例えば碁盤の目のように、複数の方向のいずれに沿って見た場合にも複数列をなすように整列配置される場合には、それら複数の方向のうち、第１のレンズ面１１１の整列数が最多となる方向を整列方向とし、これに直交する方向を並列方向とした上で、「Ｘ方向」を定めるようにしてもよい。
【００９８】
また、図１６に示されるように、第１のレンズ面１１１の整列数が少なく、所定数（例えば、３つ）以上の第１のレンズ面１１１を整列させた単位列を観念できない場合には、各第１のレンズ面１１１の中心点同士を結ぶ線分方向（同図破線部）のうち、熱変形の基準点Ｐとこの基準点Ｐから最も遠い第１のレンズ面１１１の中心点Ｏとを結ぶ線分ｌとのなす角度が最小（同図におけるθ１）となる線分方向を、「Ｘ方向」と定義してもよい。
【００９９】
本出願は、２０１２年１０月１０日出願の特願２０１２−２２５１９７に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明に係る光結合素子および光モジュールは、例えば光ファイバを用いた光通信に有用である。
【符号の説明】
【０１０１】
１  レンズアレイ
１１  前端面
１１１  第１のレンズ面
１２  後端面
１２１１  全反射面
１３  下端面
１３１  第２のレンズ面
３２  発光素子
４  光ファイバ
４１  端面
【図１】
2014057666.tif 000006
【図２】
2014057666.tif 000007
【図３】
2014057666.tif 000008
【図４】
2014057666.tif 000009
【図５】
2014057666.tif 000010
【図６】
2014057666.tif 000011
【図７】
2014057666.tif 000012
【図１０】
2014057666.tif 000013
【図１１】
2014057666.tif 000014
【図１２】
2014057666.tif 000015
【図１３】
2014057666.tif 000016
【図１４】
2014057666.tif 000017
【図１５】
2014057666.tif 000018
【図１６】
2014057666.tif 000019
【図８】
2014057666.tif 000020
【図９】
2014057666.tif 000021
【国際調査報告】
2014057666.tif 000022
2014057666.tif 000023
2014057666.tif 000024
2014057666.tif 000025