(57)【要約】【課題】発光部から情報伝達部への高効率な結合を実現するとともに、半導体レーザの耐環境性を確保するためにステムと、保持部材及びガラス製球レンズに囲まれた密閉空間の気密性を高めることができ、低コストを図ることの可能な通信用光モジュールおよびそれに用いる非球面レンズを提供する。  【解決手段】発光部からの光信号が入射するガラスレンズと、前記発光部が搭載されたステムと、前記ステムに取り付けられ、前記発光部を囲むとともに、前記ガラスレンズを保持する保持部材と、前記ガラスレンズの外面と同じ曲率を有する凹面形状を有し、前記ガラスレンズの外面の一部を覆うように取り付けられたプラスチック製非球面レンズを備えた。【選択図】図１
2011158867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部からの光信号が入射するガラスレンズと、
前記発光部が搭載されたステムと、
前記ステムに取り付けられ、前記発光部を囲むとともに、前記ガラスレンズを保持する保持部材と、
前記ガラスレンズの外面と同じ曲率を有する凹面形状を有し、前記ガラスレンズの外面の一部を覆うように取り付けられたプラスチック製非球面レンズを備えた通信用光モジュール。
【請求項２】
前記非球面レンズの内面及び外面の光軸が偏芯していることを特徴とする請求項１に記載の通信用光モジュール。
【請求項３】
前記ガラスレンズが球レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の通信用光モジュール。
【請求項４】
前記ガラスレンズの屈折率が１．７以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の通信用光モジュール。
【請求項５】
前記非球面レンズが回折光学素子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の通信用光モジュール。
【請求項６】
前記非球面レンズを前記ガラスレンズに一体成形して接合することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の通信用光モジュール。
【請求項７】
前記非球面レンズを前記ガラスレンズに接着して接合することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の通信用光モジュール。
【請求項８】
前記発光部が半導体レーザであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の通信用光モジュール。
【請求項９】
信号光を送信する発光部を囲いガラスレンズを保持する保持部材の端部に、前記ガラスレンズの外面と同じ曲率を有する凹面形状で、前記ガラスレンズの外面の一部を覆うように接合するプラスチック製非球面レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気信号を光信号へ変換する光電変換モジュール（光モジュール）およびそれに用いる非球面レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信において、情報である電気信号を光信号へ変換し、発光部から情報伝達部である光ファイバーへ導入する。光ファイバーは情報伝達において光信号の劣化が少ないため、長距離伝達に優れている。伝達された光信号は、光ファイバー出力端において半導体受光素子の受光面に照射され、光信号から電気信号へと変換され、情報を伝達する仕組みとなっている。
光モジュールは各種の光半導体素子を組み込んだ光部品であって、光コネクタや光コリメータなどがあり、様々な分野で使用されている。
【０００３】
具体的には、光半導体素子（例えば、レーザダイオード等の半導体発光素子あるいはフォトダイオード等の半導体受光素子）とレンズ、及び接続相手の光プラグのフェルールを嵌合保持するレセプタクルコア等を具備し、光プラグ接続時に光半導体素子とフェルールの光ファイバーとがレンズを介して光学的に結合する構造となっている。
【０００４】
光モジュールには、種々の形態があり、その一つとして、発光部、レンズ、ステム、レンズに保持してステムに固定する保持部材、情報伝達部を備えるものがある。この形態においては、発光部は、レンズ、ステム、保持部材によって密閉されて空間的に設けられる。
【０００５】
光通信用光モジュールに使用されるレンズは、光通信ユニットの発光部である半導体レーザの光を情報伝達部である光ファイバーへ高効率で結合する第一の役割と、半導体レーザの耐環境性を確保するためにステムと、レンズを保持する保持部材に囲まれた密閉空間において気密を有する第二の役割を有するレンズキャップとして機能する。
【０００６】
これまで、レンズキャップとして機能するレンズは、上記役割を担うために、ガラス製球レンズ若しくはガラス製非球面レンズを用いて構成されていた。ここで、ガラス製球レンズにより構成されたレンズキャップは、レンズの加工が容易なため安価に製造可能であるが、第一の役割である、発光部から情報伝達部への高効率な結合が十分ではなかった。
【０００７】
これに対し、ガラス製非球面レンズにより構成されたレンズキャップは、第一の役割である発光部から情報伝達部への高効率な結合が良好であるが、レンズの製造にコストがかかるため、ガラス製非球面レンズのレンズキャップの価格が球レンズのキャップよりも高価になってしまうという問題があった。
【０００８】
さらに、プラスチック製の非球面レンズは、安価な製造が可能であるが、プラスチック及び非球面レンズを固定するための接着剤に吸湿性があるため、第二の役割である密閉空間における気密の確保に問題が生じていた。
【０００９】
図７は関連する技術にかかるガラス製球レンズキャップを用いた光モジュールの構成図を示す。
図７に係る光モジュールは、発光部としての半導体レーザ１０、ガラス製球レンズ１１、保持部材としての金属プレス缶１５、ステム１６、低融点シールガラス１４、情報伝達部としての光ファイバー１３、ヒートシンク１８、リードピン１７を備える。これらのうち、ガラス製球レンズ１１を保持し、密閉空間の気密性を高めるために、ガラス製球レンズ１１と金属プレス缶１５の間を低融点シールガラス１４によって接着している。
【００１０】
しかし、図７に係る光モジュールでは、ガラス製球レンズの光学的収差が大きいため高効率な結像が得られず結合効率の低い用途での使用に限られていた。
【００１１】
図８は関連する技術にかかるガラス製非球面レンズキャップを用いた光モジュールの構成図を示す。
図８に係る光モジュールは、半導体レーザ１０、ガラス製非球面レンズ２３、金属プレス缶１５、ステム１６、低融点シールガラス１４、光ファイバー１３、ヒートシンク１８、リードピン１７を備える。図８に係る光モジュールは、発光部から情報伝達部への結合効率を高めるため、ガラス製非球面レンズ２３を配置しており、このガラス製非球面レンズ２３と金属プレス缶１５を固定するため、低融点シールガラス１４で接着している。
【００１２】
しかし、図８に係る光モジュールでは、ガラス製非球面レンズ２３の製造コストが高いため安価に製造が出来ない問題があった。
【００１３】
図９は関連する技術にかかるガラス製非球面レンズキャップを用いた光モジュールの構成図を示す。
図９に係る光モジュールは、半導体レーザ１０、ガラス製非球面レンズ２３、金属切削ホルダ２４、ステム１６、光ファイバー１３、ヒートシンク１８、リードピン１７を備える。図９に係る光モジュールは、発光部から情報伝達部への結合効率が高いため、ガラス非球面レンズ２３を配置しており、このガラス非球面レンズ２３と金属切削ホルダ２４を直接接合する構成となっている。
【００１４】
図９に係る光モジュールは、図８に係る光モジュールと同様に、ガラス製非球面レンズ２３の製造コストが高いため安価に製造が出来ない問題があった。
【００１５】
例えば、特許文献１には、光通信に用いられる光電交換モジュールを備えた光サブアセンブリに関する発明が記載され、かかる光サブアセンブリは、光コネクタのフェルールを受納する光レセプタクル部材と、ボールレンズを介して、フェルールの光ファイバーへ信号光を送信し、光ファイバーから信号光を受信する光電変換モジュールとを備えており、ボールレンズと光ファイバーとの間の光路上に、信号光の光軸に対して傾いて配置された平板状の光学部材と、ボールレンズ及び光学部材により生じる波面収差を補正する収差補正部材とを備えるものである。特許文献１に係る光サブアセンブリによれば、レセプタクル部材に一体に成型した位相差補正部により球面収差及び非点収差を抑制することができるので、良好な光学特性を得ることができるというものである。
【００１６】
しかし、収差補正部材及び部材保持部品が必要となるための部品点数の増加と、収差補正部材の位置精度を確保するための部品の高精度化若しくは調芯工程の追加とが必要になりコストがかかる問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００９−２５８３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
以上のように、背景技術にかかる、光モジュールに使用されるレンズキャップは、製造コストを抑えつつ、光通信ユニットの発光部の光を情報伝達部である光ファイバーへ高効率で結合するのが困難であり、また、発光部の耐環境性を確保するために要求されるステムとレンズキャップに囲まれた密閉空間の気密性を高めるのが難しいという問題点があった。
【００１９】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、低コストを図りつつ、発光部から情報伝達部への高効率な結合を実現するとともに、密閉空間において気密性を高めることが可能な通信用光モジュールおよびそれに用いる非球面レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係る通信用光モジュールは、発光部からの光信号が入射するガラスレンズと、前記発光部が搭載されたステムと、前記ステムに取り付けられ、前記発光部を囲むとともに、前記ガラスレンズを保持する保持部材と、前記ガラスレンズの外面と同じ曲率を有する凹面形状を有し、前記ガラスレンズの外面の一部を覆うように取り付けられたプラスチック製非球面レンズを備えたものである。
【００２１】
本発明に係るプラスチック製非球面レンズは、信号光を送信する発光部を囲いガラスレンズを保持する保持部材の端部に、前記ガラスレンズの外面と同じ曲率を有する凹面形状で、前記ガラスレンズの外面の一部を覆うように接合するものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、低コストを実現でき、発光部から情報伝達部への高効率な結合を実現するとともに、半導体レーザの耐環境性を確保するためにステム、保持部材及びガラス製球レンズに囲まれた密閉空間の気密性を高めることが可能な通信用光モジュールおよびそれに用いる非球面レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る光モジュールの断面図である。
【図２】本発明に係る通信用光モジュールの動作を示す図である。
【図３】光ファイバーを所定の角度にカットした図である。
【図４】光ファイバー集光主光線角度αを構成する配置図である。
【図５】半導体レーザの角度をα傾けた図である。
【図６】実際に使用するプラスチック製非球面レンズ１２の形状図である。
【図７】関連技術にかかるガラス製球レンズキャップを用いた光モジュールの構成図である。
【図８】関連技術にかかるガラス製非球面レンズキャップを用いた光モジュールの構成図である。
【図９】関連技術にかかるガラス製非球面レンズキャップを用いた光モジュールの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、以下の実施形態に関する記載及び図面は、明確化のため、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、その説明は省略することとする。
【００２５】
（実施の形態１）
本発明の実施形態１に係る通信用光モジュールついて、図１を参照して説明する。
図１は本発明に係る光モジュールの断面図を示す。図１に示されるように、電気−光変換素子（発光部）である半導体レーザ１０は、ステム１６、保持部材１５、ガラス製球レンズ１１、及び、低融点シールガラス１４にて密閉空間に設置されている。ここで、発光部は、半導体レーザ１０の他に、フォトダイオード、スーパールミネッセントダイオード、発光ダイオード等であってもよい。
【００２６】
ステム１６と保持部材１５は、抵抗溶接を用いて接合し、保持部材１５とガラス製球レンズ１１は、低融点シールガラス１４を介して接合されている。一方、ガラス製球レンズ１１の片面にはプラスチック製非球面レンズ１２が接合されている。プラスチック製非球面レンズ１２の片面はガラス製球レンズ１１と同じ曲率を持つ凹面形状を有している。このような形状をすることで、ガラス製球レンズ１１とプラスチック製球レンズ１２を接合することが可能となり、プラスチック製非球面レンズ１２の保持部材の削減が可能となる。
【００２７】
ガラス製球レンズ１１とプラスチック製非球面レンズ１２との接合方法は、ガラス製球レンズ１１上に直接、プレスチック製非球面レンズ１２を成形する方法、別に成形製造したプレスチック製非球面レンズ１２を接着剤を用いて接合する方法を用いることができる。
【００２８】
上記成形方法としては、射出成型、プレス成型、ＵＶ硬化型成型法等が挙げられる。
【００２９】
非球面レンズに用いる光学プラスチック材料の屈折率ｎｄは、１．６以下であるものが一般的である。他方、光学ガラス材料は、屈折率ｎｄが２．１を超えるものがある。レンズの屈折率が高いと、光をより曲げることが可能となり、ＦＦＰ(Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ)がより大きな半導体レーザ１０においての結合を高めることが可能となる。このため、本発明においては、ガラス製球レンズ１１に使用されるガラス材料は、屈折率ｎｄが１．７以上であることが好ましい。
【００３０】
非球面レンズに用いる光学プラスチック材料（樹脂材料）は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ノルボルネン系樹脂（ＣＯＰ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド、環状オレフィレン共重合体（ＣＯＣ）、ポリオレフィン、ポリエステル、等が挙げられ、この中でも耐熱性、吸湿性の点で、ノルボルネン系樹脂（ＣＯＰ）が好ましい。
【００３１】
また、長距離光通信の光の波長は１．３１μｍや１．５５μｍであるため、プラスチック材料に吸収があると光量が減衰する。そのため、吸湿性の優れた材料、即ち、吸湿性が低い材料を選択することが好ましい。具体的には、ノルボルネン系樹脂（ＣＯＰ）が挙げられる。さらにプラスチック製非球面レンズの厚さを出来る限り薄くすることが好ましい。また、プラスチック製非球面レンズの厚さは、プラスチック材料の種類に応じて適宜選択することができる。 
【００３２】
プラスチック製非球面レンズ１２の先には、情報伝達部である光ファイバー１３が配置される。
なお、以下の説明は、情報伝達部として光ファイバーを適用した場合について行う。
【００３３】
光ファイバー１３は、フェルール２２及びスリーブ２１を介して保持部材１５と固定される。保持部材１５とスリーブ２１の接合は、接着剤やレーザにて固定する方法が好ましい。
【００３４】
光ファイバー１３及びフェルール２２は、斜めにカットしたものを使用することが可能である。これは、光ファイバー１３の端面からの反射光が半導体レーザ１０に戻らないための工夫である。この点については、後述する。
【００３５】
このような構成にすることにより、光学素子である光アイソレータを削減することが可能となる。本発明においては、斜めカット光ファイバー１３に対応するためプラスチック製非球面レンズ１２を偏心している。
【００３６】
保持部材１５は、ステム１６と保持部材１５とガラス製球レンズ１１と低融点シールガラス１４で覆われた密閉空間の気密性を確保するために、金属プレス缶が好ましく、また金属切削ホルダでもよい。また、金属の種類は、特に限定されることはなく、ステンレス、鉄、Ｎｉ合金等を挙げることができる。また、金属表面にはＮｉめっきや金めっきを施す場合もある。
【００３７】
次に、本発明に係る通信用光モジュールの動作方法について、図面を用いて説明する。 
図２は、本発明に係る通信用光モジュールの動作を示す図である。
【００３８】
図２に係る通信用光モジュールは、半導体レーザ１０、ガラス製球レンズ１１、プラスチック製非球面レンズ１２、金属プレス缶１５、低融点シールガラス１４、ステム１６、ヒートシンク１８、光ファイバー１３、リードピン１７、及びガラス製球レンズ１１とプラスチック製非球面レンズ１２とから構成される合成レンズ２６を備える。
【００３９】
まず、通信信号である電気信号がリードピン１７に入力されて半導体レーザ１０により電気−光変換される。変換された信号光は発散光であるが、ガラス製球レンズ１１及びプラスチック製非球面レンズ１２を通過する時に光の屈折が起こり集光光へと変換される。この集光点に光ファイバー１３の端面を配置することで光ファイバー１３へ光を導入する。
【００４０】
光ファイバー１３に導入された光信号は、光ファイバー１３のコアを伝達する。特に、光ファイバー１３が、石英製シングルモードファイバーであるならば、光ファイバー１３の特徴である伝達距離の長距離化がより可能となる。
【００４１】
しかし、光ファイバー１３にも損失があるため、長距離伝達には限界がある。より長距離伝達するためには光ファイバー１３への導入エネルギを出来る限り大きくする必要がある。前記エネルギを大きくするためには、半導体レーザ１０のパワーを上げること、また後述する結合効率を上げる方法がある。
【００４２】
ここで、結合効率とは、半導体レーザ１０の発光エネルギと光ファイバー１３に導入された光エネルギの比を言う。結合効率を上げるためには、設計時において半導体レーザ１０の発散角度は光モジュール中の合成レンズ２６（ガラス製球レンズ１１とプラスチック製非球面レンズ１２の合成レンズ）の倍率により任意の集光角度へ変換する方法等が挙げられる。
【００４３】
上記合成レンズ２６の倍率は、合成レンズ２６の焦点距離及び半導体レーザ１０とガラス製球レンズ１１の距離により決定される。この設計時の倍率を選択することで、光ファイバー１３が光を導入できる最適角と前記集光角を一致させる手段である。例えば、半導体レーザ１０の開口数を０．４、光ファイバー１３の最適角の開口数を０．１とすると、倍率は４倍を選択すればよい。
【００４４】
上記結合効率を高める手段として、レンズ表面は表面反射によりレンズ通過光を減らしており、使用する半導体レーザ１０の発光の波長にて反射を防止する蒸着膜をレンズの表面に付ける方法もある。更に、合成レンズ２６による集光能力を上げること、すなわち、球レンズ１１では球面収差が大きく集光能力が良くないが、非球面レンズ１２はこの集光能力を良くなるような形状にすることにより、結合効率を上げることが可能となる。
【００４５】
本発明においては、球レンズ１１で発生した収差を打ち消すような形状のプラスチック非球面レンズ１２を用いて集光能力を向上させている。その他、合成レンズ２６の集光能力の特性を表現する光学的収差表記として波面収差を用いる方法も用いることができる。
【００４６】
半導体レーザ１０は、自身の発光光が発光部に戻ると発振を起こす。この発振は通信の信号情報を変化させるため、戻り光を極力なくす必要がある。この戻り光をなくすために、光アイソレータを挿入する方法と、光ファイバー１３を斜めカットする方法を用いることができる。
【００４７】
図３は、光ファイバーを所定の角度にカットした図である。
図３中、端面斜めカット光ファイバー１３ｂ、集光光束２７、光ファイバー集光主光線角度α、端面斜めカット角度βを示す。
カットファイバー１３ｂの端面斜めカット角度をβとすると、集光光束は光ファイバー集光主光線角度αにて結合効率が最良となる。これは、下記式（１）から求めることができる。
【００４８】
ｓｉｎ（α−β）＝ｎｓｉｎβ      （１）
（式（１）中、α（degree）は光ファイバー集光主光線角度、β（degree）は斜めカット角度、ｎ(λ)は屈折率を表す。）
【００４９】
例えば、半導体レーザ１０の波長を１．３１μｍとし、光ファイバー１３を石英製光シングルモードファイバーとすると、必要な角度αを計算で求めることが出来る。結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
2011158867.tif 000003
【００５１】
図４は、光ファイバー集光主光線角度αを構成する配置図である。
図４（ａ）中、半導体レーザ１０、ガラス製球レンズ１１、プラスチック製非球面レンズ１２、端面フラット光ファイバー１３ａである。また、図４（ｂ）中、端面斜めカット光ファイバー１３ｂを示す。
【００５２】
プラスチック製非球面レンズ１２は、図４（ａ）のα＝０°にて最適な集光となるような形状を持たせている。使用する光ファイバー１３の斜めカット角度βが決まったとき、プラスチック製非球面レンズ１２と半導体レーザ１０の位置関係を保持したまま、ガラス製球レンズ１１の中心を回転軸として、光軸を傾ける。この時、半導体レーザ１０も一緒に回転させるが、光ファイバー１３は回転させず集光点にシフトさせる。このようにして構成されたものが図４（ｂ）であり、構成上最良の結合効率を得ることができる。 
【００５３】
図５は、半導体レーザの角度をα傾けた図である。
図５中、半導体レーザ１０、ヒートシンク１８、ステム１６、ポスト２５、光ファイバー集光主光光線角度αを示す。
半導体レーザの角度をα傾けるため、ステム１６上のポスト２５をαの角度だけ傾ける構造とすることもできる。
【００５４】
図６は、実際に使用するプラスチック製非球面レンズ１２の形状図である。
図６中、プラスチック製非球面レンズ１２、接合球面部２８、非球面部２９、光ファイバー集光主光線角度α、内径φ１、外径φ２を示す。
【００５５】
ガラス製球レンズと接合される接合球面部２８の球芯を回転軸としてαの角度で非球面部２９を傾けるが、φ２で表す外径は保持部材１５と同じ角度にする方がスリーブ２１を被せる時の障害とならない。また、非球面部２９は回転対称形状でも非回転対象形状、回折光学面でも良い。
【００５６】
本実施の形態に係る通信用光モジュールにおいては、非球面レンズに接合するガラスレンズについて、ガラス球レンズを用いたが、ガラス製平面板を用いても構わない。
【００５７】
本発明に係る非球面レンズは、回折光学素子でもよい。この回折光学素子（ＤＯＥ）とは、光の回折現象を利用した光学素子であり、回折格子やホログラムを表面上に加工した素子であり、回折による屈折効果を用いて集光を向上させる効果が得られる。
また、本発明に係る非球面レンズは、受光モジュールとして使用してもよい。
【００５８】
なお、本発明は上記に示す実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲において、上記実施形態の各要素を、当業者であれば容易に考えうる内容に変更、追加、変換することが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１０  半導体レーザ
１１  ガラス製球レンズ 
１２  プラスチック製非球面レンズ 
１３  光ファイバー 
１３ａ  端面フラット光ファイバー 
１３ｂ  端面斜めカット光ファイバー 
１４  低融点シールガラス 
１５  保持部材 
１６  ステム 
１７  リードピン 
１８  ヒートシンク 
１９  モニター受光素子 
２１  スリーブ 
２２  フェルール 
２３  ガラス製非球面レンズ 
２４  金属切削ホルダ 
２５  ポスト 
２６  合成レンズ 
２７  集光光束 
２８  接合球面部 
２９  非球面部 
α  光ファイバー集光主光線角度 
β  端面斜めカット角度 
ｎ  光ファイバーのコア部屈折率
【図１】
2011158867.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2011158867.tif 000008
【図６】
2011158867.tif 000009
【図７】
2011158867.tif 000010
【図８】
2011158867.tif 000011
【図９】
2011158867.tif 000012