(57)【要約】 【課題】  球面収差が小さく、平行光束光学系を用いた光学デバイスの挿入損失の低減および小形化を可能にする光学結晶レンズを提供すること。【解決手段】  ２枚の複屈折材を貼り合わせてなる光学結晶レンズであり、入力側複屈折材１での入力側光学軸３の方向と、出力側複屈折材２での出力側光学軸４の方向はいずれも光線透過方向に垂直でかつ互いに直交している。また、その結晶レンズは両凸状に形成されている。また、全体形状を球状の結晶レンズとすることもできる。【選択図】  図１
2006317569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の複屈折材を貼り合わせてなる光学結晶レンズにおいて、前記複屈折材の光学軸方向はいずれも光線透過方向に垂直でかつ互いに直交していることを特徴とする光学結晶レンズ。
【請求項２】
両凸形状のレンズであることを特徴とする請求項１記載の光学結晶レンズ。
【請求項３】
外形が球状であることを特徴とする請求項１記載の光学結晶レンズ。
【請求項４】
２枚の複屈折材を貼り合わせてなる光学結晶レンズにおいて、前記複屈折材の光軸方向はいずれも光線透過方向に平行であることを特徴とする光学結晶レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信用などの光学デバイスに使用される光学結晶レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信装置において、分波、合波、反射防止など行う場合、ファイバーから一旦光を取り出し、各機能を備えた光学素子を通過させ、再度ファイバーに入力しなければならない。そのときにファイバーから出た光をコリメータ光（平行光束）にして、各機能を持った光学素子に通すと、デバイスの光学設計が容易になる。
【０００３】
ここで従来のレンズの使用形態を説明する。光通信用モジュールではファイバーから出た光をレンズに通して収束、発散または平行光にして対向するレンズを通しファイバーに結合させることが多い。しかし、収束、発散光の場合には、レンズ間距離が十分に取れないため、機能素子（アイソレータやフィルタ）を挿入することは難しい。そのためレンズ間距離が比較的大きく取れる平行光束にすることが一般的である。従来のレンズ材料は一般にＢＫ７（屈折率ｎ＝１．５００６５）やＴａＦ３（ｎ＝１．７７５５３）が使用される。なお、屈折率ｎは波長１５５０ｎｍでの値であり、以下も同様とする。
【０００４】
図７は従来のコリメータモジュールを示す光学図である。レンズ材料が屈折率１．５のＢＫ７でＲ１．１ｍｍの球状レンズ（ボールレンズ）である。入力側レンズ３１、出力側レンズ３２の光線透過方向には１５５０ｎｍ帯の対空気反射防止膜を施している。入力側レンズ３１と入力側ファイバー３３を平行光束３５になるようそれぞれを調芯し、このときレンズ間距離３７を５ｍｍと決め、出力側レンズ３２と出力側ファイバー３４を調芯する。このときの結合効率は波長１５５０ｎｍの光源を使用し、９５．４％になりロスに変換すると０．２ｄＢである。
【０００５】
そのときの焦点距離は１．４６ｍｍ、焦点位置は０．４６ｍｍの点であり、入力側ファイバー３３および出力側ファイバー３４の距離に対応する焦点位置間距離３６は１０．５ｍｍになる。
【０００６】
よってこの結合形態であるとモジュールの光学系自体で０．２ｄＢのロスを含むことになり、レンズ間に挿入される機能素子デバイスに対して全体の特性が悪くなる。このようなボールレンズを用いた光学系は例えば特許文献１に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１５７９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のようなファイバーとレンズを用いて平行光束を作り機能素子を通過させて使用する光デバイスにおいて、ファイバーとレンズの距離はレンズの屈折率に依存するため、屈折率が小さいほど距離が長くなる。これはデバイスにしたときの全体のサイズに関わる。また、レンズの持つ収差により、レンズにより収束される光束の集束度が悪化する。この場合の収差とはレンズへの入射光線の高さによって、レンズ射出後の集光位置が異なってしまう球面収差の影響である。この集束度の悪化はデバイスのロスとなるため、可能な限り球面収差を小さくすることが望ましい。
【０００９】
この状況にあって、本発明の課題は、球面収差が小さく、平行光束光学系を用いた光学デバイスの挿入損失の低減および小形化を可能にする光学結晶レンズを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の結晶光学レンズは、２枚の複屈折材を貼り合わせてなる光学結晶レンズにおいて、前記複屈折材の光学軸方向はいずれも光線透過方向に垂直でかつ互いに直交していることを特徴とする。
【００１１】
また本発明の結晶光学レンズは両凸形状のレンズとすることができる。
【００１２】
また本発明の結晶光学レンズの外形は球状とすることができる。
【００１３】
また本発明の結晶光学レンズは、２枚の複屈折材を貼り合わせてなる光学結晶レンズにおいて、前記複屈折材の光軸方向はいずれも光線透過方向に平行であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、光学軸方向が光線透過方向に垂直でかつ互いに直交する２枚の複屈折材料を貼り合わせ、両凸状に加工することで、屈折率の高い材料を用い、偏波依存性を解消し、球面収差の少ない高屈折率のレンズが得られ、コリメータ光学系に使用したとき、結合効率が高くなる。さらに焦点位置も従来よりも短くなり、デバイスの小型化が可能になる。
【００１５】
また複屈折材料を選択することで加工がし易い球状にすることができる。
【００１６】
また光学軸を光線透過方向と平行にすることでも結合効率の改善が可能となる。
【００１７】
すなわち、本発明によれば、球面収差が小さく、平行光束光学系を使用した光学デバイスの挿入損失の低減および小形化を可能にする光学結晶レンズを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の両凸レンズの模式的な側面図であり、図２は本発明の両凸レンズを用いたコリメータモジュールを示す光学図である。
【００１９】
図１において、光の透過方向は図の面内で左側から右側に向かい、１は両凸レンズの入力側複屈折材、２は両凸レンズの出力側複屈折材である。３は入力側光学軸を示し、図の面内にあり、４は出力側光学軸を示し、図の面に垂直である。このように、入力側の半分と出力側の半分とが互いに対称な形状を持ち、互いの光学軸が直交する方向に組み合わされていると、入射光に対する偏光依存性が解消される。たとえば、入射光のうち、両凸レンズの入力側複屈折材１を異常光として通過した偏光成分は出力側複屈折材２を常光として通過し、その偏光成分に直交する偏光成分の入射光は両凸レンズの入力側複屈折材１を常光として通過し、出力側複屈折材２を異常光として通過する。したがって、入射光に対する偏光依存性はない。また、この両凸レンズに使用する複屈折材には、ＴｉＯ２、ＧｄＶＯ４、ＹＶＯ４、ＺｎＯ、ＣａＭｏＯ４、ＣａＷＯ４などが適する。
【００２０】
その作製については、面に平行な光学軸を持つ複屈折板を用意し、その片面に球面加工を施し、他面は平面のまま光学研磨を施し、球面には対空気の反射防止膜を施し、平面には対接着剤の反射防止膜を施し、互いの光学軸が直交するように２枚を接着剤で貼り合わせ、本実施の形態の両凸形状の光学結晶レンズを得る。このレンズは、図２のようなコリメータモジュールに使用することができる。
【００２１】
次に、本発明の他の実施の形態の球状の結晶レンズについて説明する。図３は本発明の直交する光学軸を持つ球状レンズの模式的な側面図であり、図４は本発明の直交する光学軸を持つ球状レンズを用いたコリメータモジュールを示す光学図である。
【００２２】
図３において、光の透過方向は図の面内で左側から右側に向かい、１１は球状レンズの入力側複屈折材、１２は球状レンズの出力側複屈折材である。１３は入力側光学軸を示し、図の面内にあり、１４は出力側光学軸を示し、図の面に垂直である。
【００２３】
その作製方法については、面に平行な光学軸を持つ複屈折板を用意し、対接着剤の反射防止膜を施した２枚を、互いの光学軸方向が直交するように接着剤で貼り合わせた後、全体を球状に研磨し、さらに対空気の反射防止膜を施して本実施の形態の球状の結晶レンズを得る。これを用いると、図４のようなコリメータモジュールを作製することができる。
【００２４】
本発明のさらに他の実施の形態の球状レンズについて説明する。図５は本発明の平行な光学軸を持つ球状レンズの模式的な側面図であり、図６は本発明の平行な光学軸を持つ球状レンズを用いたコリメータモジュールを示す光学図である。
【００２５】
図５において、光の透過方向は図の面内で左側から右側に向かい、２１は球状レンズの入力側複屈折材、２２は球状レンズの出力側複屈折材である。２３は入力側光学軸を示し、２４は出力側光学軸を示し、いずれも光透過方向に平行になっている。
【００２６】
その作製については、面に垂直な光学軸を持つ複屈折板を用意し、対接着剤の反射防止膜を施し、光学軸を平行に２枚の複屈折板を接着剤で貼り合わせる。次に、全体を球状に光学研磨することで、本実施の形態の平行な光軸を持つ球状レンズを得る。この結晶レンズを用いると、図６のようなコリメータモジュールを作製することができる。
【実施例】
【００２７】
（実施例１）図１、図２を参照し本発明の実施例を説明する。レンズに使用する複屈折材料はルチル（ＴｉＯ２）であり、光学軸を持った光学結晶である。このほかの複屈折材料で可能なのは使用波長１５５０ｎｍにおいてＧｄＶＯ４（ｎｏ＝１．９７４０８、ｎｅ＝２．１８００６）、ＹＶＯ４（ｎｏ＝１．９４４７３、ｎｅ＝２．１４８６１）、ＬｉＮｂＯ３（ｎｏ＝２．２１１３０、ｎｅ＝２．１３８０６）などが挙げられる。そして例に挙げるルチルの屈折率はｎｏ＝２．４５３１８、ｎｅ＝２．７０９３０である。
【００２８】
次にレンズの作製について説明する。厚みが０．７ｍｍで両辺が１１ｍｍである板状の複屈折材ＴｉＯ２を用意し、ダイシングソーにて２ｍｍ角に切断する。このときの光学軸は面に平行でかつ辺に平行である。その光学軸と平行な辺にはマーキングを施し、光学軸がわかるようにする。次に片側の面をＲ５ｍｍの球面加工を行い、それぞれに１５５０ｎｍの反射防止膜を施す。このとき球面側には屈折率１．０の対空気反射防止膜、反対側の面には屈折率１．５の対接着反射防止膜が施される。
【００２９】
次にこの複屈折材の平面側にエポキシテクノロジー社の３５３ＮＤ有機接着剤を塗布し、端辺を合わせて接着固定した。このとき光学軸は図１のように入力側光学軸３が光透過方向に垂直でかつ図の面で上向きで、出力側光学軸４が光透過方向に垂直でかつ図の面に垂直である。この貼り合わせた材料をφ２ｍｍに側面研磨し、両凸形状に仕上げた。
【００３０】
この両凸レンズの効果を確認するために図２の光学系を組み立てる。両凸レンズ５を入力側に、両凸レンズ６を出力側にそれぞれ用意し、その外側に端面が８度傾斜で研磨されたジルコニアフェルールに挿入された入力側ファイバー７を配置し、１５５０ｎｍの光線を入力し、平行光束９になるように入力側ファイバー７と両凸レンズ５の位置を調芯した。出力側にはその平行光束９を受ける様に出力側の両凸レンズ６を配置し、その外側には結合損失が最低となるような位置に調芯された、出力側ファイバー８を配置する。このとき入力側ファイバーと出力側ファイバーの焦点位置間距離１０は９．２ｍｍなり、結合効率は９８．６％でロスは０．０６ｄＢとなり、従来材料より焦点位置間の距離が１．３ｍｍ短くなり、結合効率が３．２％改善され、挿入損失で０．１３ｄＢの改善となった。
【００３１】
（実施例２）図３、図４を参照し第２の実施例を説明する。ところで、高屈折率のレンズの形状を球状にした場合は焦点位置がレンズ内部になる場合がある。そのためこのような高屈折材料を使用した場合、屈折率がある範囲内でなければならない。
【００３２】
球状レンズの半径を１．５８ｍｍとし、シミュレーションを行うと、屈折率を約１．８〜１．９５であると焦点位置の問題は解決できた。この屈折率に対応する複屈折材料の一つはＺｎＯで屈折率はｎｏ＝１．９２６６６、ｎｅ＝１．９４１０７である。このほかに可能なのはＣａＭｏＯ４（ｎｏ＝１．９４６０３１、ｎｅ＝１．９５２９９）やＣａＷＯ４（ｎｏ＝１．８８３９９、ｎｅ＝１．８９８１８）などがある。
【００３３】
次にレンズの作製について説明する。厚みが１ｍｍで両辺が１１ｍｍである板状の複屈折材ＺｎＯを２枚用意し、この複屈折材にエポキシテクノロジー社の３５３ＮＤ有機接着剤を塗布し、端辺を合わせて接着固定した。そこでそれぞれの光学軸の設定を、図３のように、入力側光学軸１３の方向を図の面内で上向きに、出力側光学軸１４の方向を図の面に垂直にする。この貼り合わせた板材をダイシングソーにて２ｍｍ四方に切断し、このブロック材に湿式バレル研磨を行い半径が約１．６ｍｍの球状に加工し、球状の表面に鏡面研磨を行い仕上げた。
【００３４】
ここで光線入力位置は貼り合わせ面に垂直な方向になるため、球状であっても入力位置は判断できる。最後に光線入出力位置の両面に１５５０ｎｍ帯の対空気反射防止膜を施した。最終的な形状はＲが１．５８ｍｍの球状である。
【００３５】
この球状レンズの効果を確認するために図４の光学系を組み立てる。その球状レンズを入力側レンズ１５と出力側レンズ１６にそれぞれ用意し、その外側に端面が８度傾斜で研磨されたジルコニアフェルールに挿入された入力側および出力側ファイバー１７，１８を用意し、１５５０ｎｍの光線を入力し、平行光束になるように入力側ファイバー１７と球状入力側レンズ１５の位置を調芯する。球状出力側レンズ１６は平行光束を受ける様に配置する。その外側には結合損失が最低となるような位置に調芯された、出力側ファイバー１８を配置する。このとき入力側ファイバー１７と出力側ファイバー１８の焦点位置間距離２０は１１．４２ｍｍになったが、結合効率は９８．５％でロスは０．０７ｄＢとなり従来レンズの光学系よりも結合効率が３．１％、挿入損失が０．１３ｄＢの改善となった。
【００３６】
（実施例３）図５、図６を参照し第３の実施例を説明する。レンズに使用する複屈折材料はＺｎＯで屈折率はｎｏ＝１．９２６６６，ｎｅ＝１．９４１０７である。このほかに可能なのは実施例２と同様にＣａＭｏＯ４（ｎｏ＝１．９４６０３１、ｎｅ＝１．９５２９９）やＣａＷＯ４（ｎｏ＝１．８８３９９，ｎｅ＝１．８９８１８）などがある。
【００３７】
次にレンズの作製について説明する。厚みが１ｍｍで両辺が１１ｍｍである板状の複屈折材ＺｎＯを２枚用意し、この複屈折材にエポキシテクノロジー社の３５３ＮＤ有機接着剤を塗布し、端辺を合わせて接着固定した。このときそれぞれの光学軸は図５のように球状レンズの入力側複屈折材２１と球状レンズの出力側複屈折材２２が光線透過方向と平行になるよう貼り合わせる。光学軸と光線方向が平行になることで、どのような偏波が入力しても複屈折の影響を受けることはない。
【００３８】
この貼り合わせた板材をダイシングソーにて２ｍｍ四方に切断し、このブロック材に湿式バレル研磨を行い半径が約１．６ｍｍの球状に加工し、球状の表面に鏡面研磨を行い仕上げた。ここで光線入力位置は貼り合わせ面に垂直な方向になるため、球状であっても入力位置は判断できる。最後に光線入出力方向の両面に１５５０ｎｍ帯の対空気反射防止膜を施した。最終的な形状はＲが１．５８ｍｍの球状である。
【００３９】
この球状レンズの効果を確認するために図６の光学系を組み立てる。球状レンズを入力側レンズ２５と出力側レンズ２６にそれぞれ配置し、その外側に端面が８度傾斜で研磨されたジルコニアフェルールに挿入された入力側ファイバー２７を用意し、１５５０ｎｍの光線を入力し、平行光束２９になるように入力側ファイバー２７と入力側レンズ２５の位置を調芯する。出力側にはその平行光束２９を受けるように球状出力側レンズ２６を配置し、その外側には結合損失が最小となるような位置に調芯された、出力側ファイバー２８を配置する。このとき入力側ファイバー２７と出力側ファイバー２８の焦点位置の距離は１１．４２ｍｍになったが、結合効率は９９．７％で従来レンズの光学系より４．３％改善され、また挿入損失は０．０１２ｄＢとなり、従来レンズの光学系の挿入損失０．１８８ｄＢに対して大きな改善ができた。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の両凸レンズの模式的な側面図。
【図２】本発明の両凸レンズを用いたコリメータモジュールを示す光学図。
【図３】本発明の直交する光学軸を持つ球状レンズの模式的な側面図。
【図４】本発明の直交する光学軸を持つ球状レンズを用いたコリメータモジュールを示す光学図。
【図５】本発明の平行な光学軸を持つ球状レンズの模式的な側面図。
【図６】本発明の平行な光学軸を持つ球状レンズを用いたコリメータモジュールを示す光学図。
【図７】従来の球状レンズを用いたコリメータモジュールを示す光学図。
【符号の説明】
【００４１】
１，１１，２１    入力側複屈折材
２，１２，２２    出力側複屈折材
３，１３，２３    入力側光学軸
４，１４，２４    出力側光学軸
５，６    両凸レンズ
７，１７，２７，３３    入力側ファイバー  
８，１８，２８，３４    出力側ファイバー  
９，１９，２９，３５    平行光束  
１０，２０，３０，３６    焦点位置間距離  
１５，２５，３１    入力側レンズ  
１６，２６，３２    出力側レンズ  
３７    レンズ間距離
【図１】
2006317569.tif 000003
【図２】
2006317569.tif 000004
【図３】
2006317569.tif 000005
【図４】
2006317569.tif 000006
【図５】
2006317569.tif 000007
【図６】
2006317569.tif 000008
【図７】
2006317569.tif 000009