(57)【要約】【課題】  光学素子の入射側および出射側の光結合が容易で、小型かつ安価なレンズ機能付き複合光学素子を提供する。【解決手段】  レンズ機能複合型光学素子は、屈折率ｎ１を有する第１球面レンズ１ａと、屈折率ｎ２を有する第２球面レンズ１ｂと、それらの間に配置された光学素子３とを備えている。屈折率ｎ１およびｎ２は相違しており、第１球面レンズ１ａの曲率中心とだい２球面レンズ１ｂの曲率中心とが一致している。入射側および出射側の開口数を異ならせ、レンズ機能を備えた安価な複合型光学素子とすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率ｎ１を有する第１球面レンズと、屈折率ｎ２を有する第２球面レンズと、前記第１球面レンズおよび前記第２球面レンズの間に配置された光学素子と、を備え、前記屈折率ｎ１およびｎ２は相違しているとともに、前記第１球面レンズの曲率中心と前記第２球面レンズの曲率中心とが一致していることを特徴とするレンズ機能複合型光学素子。
【請求項２】
前記第１球面レンズの曲面半径と、前記第２球面レンズの曲面半径とが異なっていることを特徴とする請求項１記載のレンズ機能複合型光学素子。
【請求項３】
前記光学素子が、光アイソレータ，光フィルター，波長板，エタロン板，減衰器，共振器，ビームスプリッター，またはこれらを組み合わせたものであることを特徴とする請求項１または２記載のレンズ機能複合型光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信用途に用いられ、光をフィルタリングしたり、逆方向の光を遮断したり、偏波方向を回転させたりする機能を有する光学素子とレンズとを組み合わせたレンズ機能素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザモジュール内で使用される光学素子として、半導体レーザからの出射光を平行光に変換するコリメータレンズ、逆方向から入射する光を遮断する光アイソレータ、一部波長帯域の光を位相格子等により戻し、素子内部で共振させる共振器、ファブリペロ共振により光学素子基板の屈折率と厚さに依存する周期的な波長特性を有する光を出射するエタロン板、特定波長の光を透過又は反射するフィルター、直交する偏光成分の間に位相差を生じさせる波長板等がある。そうした機能を有する光学素子を用いて半導体レーザモジュール内にて光回路が構成され、最後に集光レンズによりファイバ端と結合させて半導体レーザモジュール外へ光信号が取り出される。
【０００３】
これら光回路においては、光学素子がレンズを介して接続される場合が多い。それに対し、例えば特許文献１には、光学素子とレンズとから光回路を組むときの調整を容易にするため、球レンズ１０１の光路を横切る位置に溝１０２を形成し、この溝１０２に光学素子１０３を挿入する方法が示されている。図７は、この方法を用いた光回路を示し、二つの光ファイバ１０８間に、球レンズ１０１に溝１０２を加工し、光学素子１０３を挿入することで、レンズ機能を付加した複合光学機能素子を配置する例が提案されている。これによって、片側光ファイバ１０８からの出射光を平行光に変換するコリメータレンズと、光学素子１０３を通過後のコリメータ光を他方の光ファイバ１０８に入射させる集光レンズとを不要にし、光学系の簡素化および集積化を図ることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３５２３６４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図７に示すような同じ特性の光ファイバ１０８間ではなく、例えば半導体レーザ素子等の光源と光ファイバ１０８との間のように複合光学機能素子の入射および出射側の開口数が異なる場合、一つの球レンズ１０１で最適な結合にはできない。すなわち、半導体レーザ素子の出射光の開口数は大きいのに対し、光ファイバ１０８の開口数は小さい為、球レンズ１０１が光ファイバ１０８の開口数に一致するようにした場合、半導体レーザ素子からの出射光を効率よく複合光学機能素子を介して出射側の光ファイバ１０８に結合させることは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一実施形態に係るレンズ機能複合型光学素子は、屈折率ｎ１を有する第１球面レンズと、屈折率ｎ２を有する第２球面レンズと、前記第１球面レンズおよび前記第２球面レンズの間に配置された光学素子とを備え、前記屈折率ｎ１およびｎ２は相違しているとともに、前記第１球面レンズの曲率中心と前記第２球面レンズの曲率中心とが一致していることを特徴とする。
【０００７】
なお、上記レンズ機能複合型光学素子において、前記第１球面レンズの曲面半径と、前記第２球面レンズの曲面半径とが異なっていてもよい。
【０００８】
また、上記レンズ機能複合型光学素子において、前記光学素子が、光アイソレータ，光フィルター，波長板，エタロン板，減衰器，共振器，ビームスプリッター，またはこれらを組み合わせたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一実施形態に係るレンズ機能複合型光学素子は、屈折率ｎ１を有する第１球面レンズと、屈折率ｎ２を有する第２球面レンズと、前記第１球面レンズおよび前記第２球面レンズの間に配置された光学素子とを備え、前記屈折率ｎ１およびｎ２は相違しているとともに、前記第１球面レンズの曲率中心と前記第２球面レンズの曲率中心とが一致していること、またはこれに加えて、第１球面レンズの曲面半径と、第２球面レンズの曲面半径とが異なっていることから、レンズ機能複合型光学素子の入出射面の開口数を調整することができ、異なる開口数をもつ光学系同士の最適な結合を実現することができる。
【００１０】
また、光学素子が、光アイソレータ，光フィルター，波長板，エタロン板，減衰器，共振器，ビームスプリッター，またはこれらを組み合わせたものである場合、各用途に対して、必要な機能が提供できるレンズ機能複合型光学素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るレンズ機能複合型光学素子の例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るレンズ機能複合型光学素子の他の例を示す正面図であり、（ａ）〜（ｃ）はその製造工程ごとに示した正面図である。
【図３】光学素子の一例として、光学素子が光アイソレータの場合の断面図で、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図ある。
【図４】本発明の一実施形態に係るレンズ機能複合型光学素子を有限系として使用した場合の光線追跡を示した正面図である。
【図５】図４に示すレンズ機能複合型光学素子の光束半径Ｓと開口数ＮＡ、作動距離ＷＤとの関係を示した線図であり、（ａ）は、球面半径ｒ＝０．５ｍｍの場合、（ｂ）は球面半径ｒ＝１ｍｍの場合を示したものである。
【図６】本発明の一実施形態に係るレンズ機能複合型光学素子の光学素子に光アイソレータを用い、半導体レーザ素子と光ファイバとを結合させる場合の一実施例を示した縦断面図である。
【図７】従来の複合光学機能素子の例を示した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の各例について説明する。
【００１３】
図１（ａ），図１（ｂ）は、本発明のレンズ機能複合型光学素子の実施の形態の一例を示す図である。図１のレンズ機能複合型光学素子は、半径ｒ、屈折率ｎ１を有する半球状の第１球面レンズ１ａと、半径ｒ、屈折率ｎ２を有する半球状の第２球面レンズ１ｂとを貼り合わせた球レンズ１と、球レンズ１の内側の第１球面レンズ１ａおよび第２球面レンズ１ｂの間に配置された光学素子３とから構成されている。半径ｒは第１球面レンズ１ａおよび第２球面レンズ１ｂにおいて同じ大きさであり、屈折率ｎ１およびｎ２は第１球面レンズ１ａおよび第２球面レンズ１ｂにおいて相違している。
【００１４】
第１球面レンズ１ａは、球レンズ１の外側となる一表面１ａａが球レンズ１の球面の一部であり、その反対面１ａｂは平面となっている。第２球面レンズ１ｂも、球レンズ１の外側となる一表面１ｂａが球レンズ１の球面の一部であり、その反対面１ｂｂは平面となっている。そして、第１球面レンズ１ａの平面である反対面１ａｂと光学素子３表面および第２球面レンズ１ｂの平面である反対面１ｂｂと光学素子３表面とが接して対面するように配置される。また、第１球面レンズ１ａの球面（一表面１ａａ）の曲率中心と、第２球面レンズ１ｂの球面（一表面１ｂａ）の曲率中心とが一致するように配置されている。これによって、第１球面レンズ１ａの一表面１ａａおよび第２球面レンズ１ｂの一表面１ｂａは、球レンズ１の球体表面の一部となっている。
【００１５】
このようなレンズ機能複合型光学素子は、例えば、次のようにして作製する。球レンズ１は半球状の第１球面レンズ１ａと同じく半球状の第２球面レンズ１ｂとを平面側で合わせて接合し、その後、第１球面レンズ１ａと第２球面レンズ１ｂとの間に、球レンズ１を整列治具上に多数個並べて固定用テープにより固定し、ダイシングマシンによって幅Ｄ、深さｒ＋Ｋのスリット状の溝２を形成し、この溝２内に光学素子３を挿入することによって作製したものである。Ｋは、球レンズ１の中心から溝２の底面までの距離を表わす。そして、Ｋは、Ｋ≦ｒ／２とするのが好ましい。溝２の深さが深ければ、球レンズ１の第1球面レンズ１ａと第２球面レンズ１ｂとを溝２の底面下部で繋ぐ連結部の強度が弱くなる。また、溝２の幅Ｄは、ｒ≧Ｄとして半径以下に抑えるのが好ましい。
【００１６】
その溝２に、図３に示すような、厚さＴ、幅Ｗ、高さＨの光学素子３が固定される。図３に示す光学素子３は、光アイソレータを例にしたものであるが、その他に、光フィルター，波長板，エタロン板，減衰器，共振器，ビームスプリッター等の機能を有する光学素子３を用いることができる。なお、これら光学素子３を組み合わせて一つの光学素子３として用いてもよいことは言うまでもない。
【００１７】
一例として、光アイソレータは、例えば図３に示したように、一辺１１ｍｍのＢｉ置換ガーネット基板から成るファラデー回転子４の両面に、同様なサイズの２色性の偏光子基板から成る偏光子５を、透光性の接着剤６等により接着して製作される。このようにして得られた積層基板をダイシングソウにより、例えば幅Ｗ及び高さＨが３００〜５００μｍの矩形状に切断することによって個片の光学素子３が作製される。なお、ファラデー回転子基板の厚さは、３００〜４５０μｍ程度、偏光子の厚さは、１００〜２００μｍ程度で、素子厚Ｔは、５１０〜９６０μｍ程度のものである。また、透光性接着剤６の厚さは５〜１０μｍ程度である。
【００１８】
このようにして構成した光学素子３を、例えば中心に幅Ｄが１ｍｍ程度のスリット溝２を有する半径ｒ＝１ｍｍ以下の球レンズ１の溝２の片側壁面にＵＶ接着剤などの透光性接着剤６により固定する。ＵＶ接着剤は、屈折率が第１球面レンズ１ａの屈折率ｎ１と光学素子３の屈折率の中間に合わせたものを選択するのが好ましい。また、もう一方の片側壁面と光学素子３との隙間には同様にして光学素子３と第２球レンズ１ｂの屈折率ｎ２との間の屈折率差のほぼ中間に整合したゲル状の透光性樹脂材料９を充填し、隙間部が無いようにするのが好ましい。隙間部があると、隙間部と素子間との屈折率差により、フレネル反射および光軸ズレが生じ、それにより反射損失および透過損失の増大または多重反射という光学特性上好ましくない結果を生じるからである。
【００１９】
また、光学素子３の接着を溝２の片側の壁面のみにしているのは、球レンズ１と光学素子３との線膨張率の違いにより発生する撓みによる歪みを防ぐためである。したがって、反対側の壁面との隙間にはＵＶ硬化するシリコーン系の樹脂材料のような柔軟な塑性材料を透光性樹脂材料９として用いると、熱膨張差による歪みを吸収することができ、光学系に収差による損失増大等を来たさないので好ましい。また、透光性樹脂材料９はシーリング材としても機能する。
【００２０】
図２は、本発明の一実施形態に係るレンズ機能素子の球状レンズ部およびその製造工程を示した正面図である。図２の実施形態において、第１球面レンズ１ａの屈折率ｎ１と第２球面レンズ１ｂの屈折率ｎ２とが異なっていることに加え、第１球面レンズ１ａの曲率半径ｒ１と、第２球面レンズの曲率半径ｒ２とが異なっている。そして、このような半球状の第１球面レンズ１ａおよび第２球面レンズ１ｂの平面同士を、図２（ｂ）に示すように、球面の中心を合せるようにして接着し、その後、図２（ｃ）に示すように、第１球面レンズ１ａと第２球面レンズ１ｂとの間に幅Ｄ、深さｒ＋Ｋのスリット状の溝２を形成し、この溝２内に光学素子３を挿入することによって作製される。
【００２１】
第１球面レンズ１ａの屈折率ｎ１と第２球面レンズ１ｂの屈折率ｎ２とが異なっていることに加え、曲率半径ｒ１とｒ２も異ならせることによって、より大きく開口数の調整を行なうことができる。
【００２２】
使用する第１球面レンズ１ａ，第２球面レンズ１ｂは、ガラス系材料のものを用いればよい。屈折率ｎ１，ｎ２が１．４５〜１．８５程度のものを使って製作することができる。また、曲率半径ｒ１，ｒ２は、０．２５〜１．５ｍｍ程度のものを使用すればよい。第１球面レンズ１ａ，第２球面レンズ１ｂの貼り合わせには、ＵＶ接着剤，熱硬化型接着剤による貼り合わせの他、表面活性化常温接合により貼り合わせることもできる。表面活性化常温接合とは、真空チャンバー内で、接合面の不要な物質を除去する表面処理を行うことにより、表面原子の結合手同士を直接結合させる強固な接合方法である。
【００２３】
また、図１の実施例のように半球レンズの半径ｒ１、ｒ２を等しくして用いる事もできる。その場合、形状が球レンズになる為、扱いやすい。又、第１球面レンズ１ａ，第２球面レンズ１ｂの屈折率ｎ１，ｎ２を変えるには、タリウムを添加したガラスをイオン交換法によって屈折率分布型の直径数ｍｍ程度のガラスロッドまたはガラス板とし、片側が高屈折率、もう一方側が低屈折率とし、それを矩形状に加工、治具基板状に載せ、湿式バレル研磨、又は通常の球面研磨により半球レンズに加工する。もしくは市販の半球レンズを用いたり、又は市販の球レンズを切断したりして用いても差し支えない。
【００２４】
図４は、レンズ機能複合型光学素子の左側の焦点から右側の焦点までの光線追跡を示した縦断面図である。このような球レンズ１は、両側の光を収束させる有限共役系で用いられ、半導体レーザ素子等の光源と光ファイバ８との接続等に使用される。
【００２５】
入射側の開口数ＮＡ１は、
ＮＡ１＝ｓｉｎα１
α１：ｓｉｎ―１（ｎ・ｓｉｎβ１）―β１
レンズ１内の光束半径Ｓは、
Ｓ＝ｒ１・ｓｉｎβ１
β１：ｔａｎ―１（ｓｉｎα１／（ｎ１−ｃｏｓα１））
球端から焦点までの作動距離ＷＤ１は、
ＷＤ１＝ｒ１（（ｓｉｎα１／ｔａｎα１）＋ｃｏｓβ１―１）
で示される。
【００２６】
焦点の位置に光源となる半導体レーザ素子、または光ファイバが設置され、角度α１の出射角で光が出射され、作動距離ＷＤ１の位置にある半径ｒ１の第１球面レンズ１ａに入射する。入射した光は、第１球面レンズ１ａの端面で屈折し、ほぼ光束半径Ｓの平行光で透過し、光学素子３に垂直に近い入射角で入射して、反対側球面まで透過する。なお、出射側の開口数ＮＡ２，ＷＤ２の関係も、上記ＮＡ１の場合の関係式に準じる。
【００２７】
上式から、各半球レンズの作動距離ＷＤ１，ＷＤ２は、球半径ｒ１，ｒ２、屈折率ｎ１、ｎ２から定まる開口角αに依存することがわかる。
【００２８】
光学素子３の幅Ｗおよび高さＨは、球レンズ１内での光束の直径を２Ｓとすると、条件としては、高さＨ（またはＷ）が光束の直径２Ｓより大きいのが好ましい。また、溝２内に設置する光学素子３の高さＨ（または幅Ｗ）は、４Ｓ程度とすれば十分である。
【００２９】
図５は、本発明のレンズ機能素子の光束半径Ｓと開口数ＮＡ、作動距離ＷＤの関係を示したもので、（ａ）はレンズ半径ｒ＝０．５ｍｍの場合、（ｂ）はレンズ半径ｒ＝１ｍｍの場合の関係を示したものである。
【００３０】
光束半径Ｓが大きくなる程、開口数ＮＡも大きくなるが、作動距離ＷＤは逆に小さくなる。また、使用する球レンズ１の屈折率ｎが大きい程、ＮＡは大きくなり、ＷＤは小さくなる。球レンズ１の半径ｒが大きい程、光束半径Ｓが大きくとれ、ＷＤも大きくとることができる。開口数ＮＡを大きくするには、屈折率ｎが大きい材料を用いて、半径ｒを小さくすればよい。また、作動距離ＷＤを大きくしたい場合は、屈折率ｎが小さい材料を用いて、半径ｒを大きくすればよい。
【００３１】
使用する球レンズ１の材料の屈折率ｎは、１．４〜１．７の間で示している。ｎ＝１．４の場合は、ＦＫ系のガラス材料、１．５の場合はＢＫ系、１．６の場合はＳＫ系、１．７の場合は、ＬａＦ系のガラス材料を用いればよい。また、それ以上（ｎ≧１．８）の屈折率材料もＬａＳＫ系、ＬａＳＦ系のガラス材料を用いることで実現できる。
【００３２】
図６は、光学素子に光アイソレータを用い、レンズ機能複合型光学素子を用いて、半導体レーザ素子７と光ファイバ８との接続を行なう場合の一例を示した側面図である。使用する第１球面レンズ１ａ，第２球面レンズ１ｂの球面側は誘電体多層膜からなるＡＲコート処理をほどこしたもので半径ｒ１，ｒ２＝１ｍｍのものを用い、半導体レーザ素子７側の第１球面レンズ１ａの屈折率ｎ１＝１．７、光ファイバ８側の第２球面レンズ１ｂの屈折率ｎ２＝１．４のものを選択した。光束半径Ｓは、約０．４ｍｍとし、入射側の開口数ＮＡ１は０．３７、出射側の開口数ＮＡ２は０．１８である。通常、半導体レーザ素子７のＮＡは、０．３〜０．４程度、光ファイバ８のＮＡは、０．１〜０．２であるから、良好な接続を行なうことが可能である。
【００３３】
光学素子３として使用する光アイソレータは、波長１．５５μｍ帯のもので、２枚の偏光子５を含めた厚さＴは、６７０±５μｍ、高さＨ、幅Ｗは、１０００±５μｍのものである。球レンズ１の溝２の幅Ｄは、７００μｍで加工され、そこに光学素子３を挿入し、溝２の片側壁面にＵＶ硬化型接着剤により固定する。その後、出射面を含む光学素子３の周囲を透光性のＳｉ系樹脂でコートしつつ封止する。出射側の第２球面レンズ１ｂの屈折率ｎ２＝１．４、光学素子３の偏光子５の屈折率が１．４５程度の為、透光性樹脂の屈折率は１．５以下のものを選択して整合させる。
【００３４】
このようにして得た、直径２ｍｍのレンズ機能複合型光学素子を外径３．５ｍｍ、内径２ｍｍの円筒形状の磁石の内側に挿入して固定する。発振波長１．５５μｍ帯，出力５ｍＷの半導体レーザ素子７の前に設置し、端面を５度程度傾斜させて切断したシングルモード光ファイバ８と接続させる。結合効率は、レンズ機能複合型光学素子を通過後で８５％、光ファイバ８に入射後で７０％程度である。通常、半径１ｍｍ、屈折率１．４５の球レンズを用いて同様に結合させた場合、光ファイバ８への結合効率は３０〜４０％程度であるのに比べ、本発明のレンズ機能複合型光学素子の一実施形態を用いた上記結合特性は十分に効果がある。
【００３５】
以上示したように、本発明のレンズ機能複合型光学素子を用いることにより、光学素子機能とレンズ機能とを有する複合機能素子を構成することができ、さらに内部の溝に設置する光学素子３を適宜選択することにより、必要な機能を備えるレンズ機能複合型光学素子とすることができる。また、光学素子３のサイズを光束半径Ｓに合わせて最小化するのが容易で、小型なものにすることができ、価格も安価に提供することができる。また、溝２周囲にシリコーン系等の透光性樹脂材料９で光学素子３を覆うことにより、光学素子３が水分等から保護され、信頼性を確保する上で好ましい。
【００３６】
又、本発明の実施例は、半球レンズを用いて示したが、それにこだわることなく球面形状の屈折率分布型レンズを用いても、同様に実施可能であり、どのレンズを用いても差し支えない。
【符号の説明】
【００３７】
１：球面レンズ
１ａ：第１球面レンズ
１ｂ：第２球面レンズ
２：溝
３：光学素子
４：ファラデー回転子
５：偏光子
６：透光性接着剤
７：半導体レーザ素子
８：光ファイバ
９：透光性樹脂材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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