(57)【要約】【課題】ポートへの光の結合効率を低下させることなく、簡単な構成によって小型化と信頼性の向上を図る。【解決手段】入射光ファイバ１ａ及び出射光ファイバ１ｂの入出射ファイバアレイ２とフォトダイオード７との間に、入射光ファイバ１ａ側からフォトダイオード７に向けてアナモルフィック面を有する光ディバイス用レンズ３及び分岐膜が順次配置され、入射光ファイバ１ａと出射光ファイバ１ｂ、レンズ３、分岐膜及びフォトダイオード７がモジュールを形成し、レンズ３は出射側の面にアナモルフィック面４を形成し、分岐膜はレンズ３と一体にかつアナモルフィック面を被覆し、レンズ３を通過して入射する光を出射ポート側へ折り返すものであると共に、入射する光の一部を透過可能であり、フォトダイオード７は上記透過した光の受光素子であって、上記モジュールの中心からずれた位置にある。【選択図】        図１
2004205539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ本体の出射側の面にアナモルフィック面が形成されており、上記レンズ本体の出射側の面に上記アナモルフィック面を被覆するようにフィルターを上記レンズ本体と一体に形成してあり、上記フィルターは入射する光を上記レンズ本体側に反射可能であると共に、光の一部を透過可能であることことを特徴とする光ディバイス用レンズ。
【請求項２】
アナモルフィック面は下記の式によって成立されていることを特徴とする請求項１記載の光ディバイス用レンズ。
ｚ＝（ＣＵＸｘ２＋ＣＵＹｙ２）÷〔１＋ＳＱＲＴ｛１−（１＋ＫＸ）ＣＵＸ
２ｘ２−（１＋ＫＹ）ＣＵＹ２ｙ２｝〕＋ＡＲ｛（１−ＡＰ）ｘ２＋
（１＋ＡＰ）ｙ２｝２＋ＢＲ｛（１−ＢＰ）ｘ２＋（１＋ＢＰ）ｙ２｝３
＋ＣＲ｛（１−ＣＰ）ｘ２＋（１＋ＣＰ）ｙ２｝４＋
ＤＲ｛（１−ＤＰ）ｘ２＋（１＋ＤＰ）ｙ２｝５
ただし、
ｚ                      ｚ軸を回転中心とした時のｚ軸上の値
ＣＵＸ，ＣＵＹ          ｘ及びｙそれぞれの曲率
ＫＸ，ＫＹ              ｘ及びｙでのｃｏｎｉｃ（円錐）係数で非球面形状におけるＫ値、離芯率と一致する。
ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ  回転軸対称形で円錐形状からのズレを表す４次、６次、８次、１０次の係数
ＡＰ，ＢＰ，ＣＰ，ＤＰ  回転軸対称でない形状での円錐形状からのズレを表す４次、６次、８次、１０次の係数。
この値はＣＵＸ＝ＣＵＹ、ＫＸ＝ＫＹ，ＡＰ＝ＢＰ＝ＣＰ＝ＤＰ＝０の時、回転対称非球面形状になる。
ＡＰ＝ＢＰ＝ＣＰ＝ＤＰ＝＋１又は−１の時、高次の非球面化は単にｙ又はｘである。
【請求項３】
レンズ本体の入射側の面は非球面に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光ディバイス用レンズ。
【請求項４】
入出射光伝送路部の固定素子と光半導体との間に、上記入出射光伝送路部側から上記光半導体側に向けて請求項１記載の光ディバイス用レンズ及びフィルターが順次配置されており、
上記固定素子、光ディバイス用レンズ、フィルター及び光半導体がモジュールを形成しており、
上記入出射光伝送路部は、本体が入射光ファイバと出射光ファイバとからなる構造であって、上記入射ファイバの入射ポート及び出射ファイバの出射ポートが上記固定素子によって一体化されており、
上記光ディバイス用レンズは、入射する光を上記フィルターへ平行光にするためのものであり、
上記フィルターは、上記光ディバイス用レンズを通過して入射する光を上記光ディバイス用レンズを介して上記出射ポート側へ折り返すものであると共に、入射する光の一部を透過可能であり、
上記光ディバイス用レンズの出射側の面にアナモルフィック面を被覆するように上記フィルターを上記レンズ本体と一体に形成してあり、
上記光半導体は、上記透過した光を受光可能な受光素子である
ことを特徴とする光ディバイス。
【請求項５】
ディバイス用レンズは請求項２記載のものを使用していることを特徴とする請求項４記載の光ディバイス。
【請求項６】
レンズ本体の入射側の面は非球面に形成されていることを特徴とする請求項４または請求項５記載の光ディバイス。
【請求項７】
光半導体は、モジュールの中心からずれた位置にあることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の光ディバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディバイス用レンズ及び光ディバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特許第２９０５７６７号に係る光部品は、入出射光ファイバ、レンズ、フィルター（無偏光ビームスプリッター）及びフォトダイオードからなり、入射光ファイバ及び出射光ファイバの端末はファイバアレイで結合されている。そして入射光ファイバから伝送されファイバアレイの入射ポートから出射された信号光はレンズを通過してフィルターに入射し、信号光の大部分はフィルターで反射されて上記レンズを通過して出射光ファイバのファイバアレイの出射ポートに結合され、また上記信号光の一部分はフィルターを透過して、フォトダイオードに受光され、モニター光として利用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光通信用の光アンプなどに使用される光ディバイスはコンパクトなモジュールであることが望ましいものである。上記従来例において、小型化を図るためにレンズとフィルターとを一体化することが考えられるが、この一体化構造はポートへの結合効率が大幅に低下する新たな課題が生じる。
本発明の目的は、ポートへの光の結合効率を低下させることなく、簡単な構成によって小型化と信頼性の向上を図ることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ディバイス用レンズは、レンズ本体の出射側の面にアナモルフィック面が形成されている。上記レンズ本体の出射側の面に上記アナモルフィック面を被覆するようにフィルターを上記レンズ本体と一体に形成してあり、上記フィルターは入射する光を上記レンズ本体側に反射可能であると共に、光の一部を透過可能である。
上記アナモルフィック面は下記の式によって成立されている。
ｚ＝（ＣＵＸｘ２＋ＣＵＹｙ２）÷〔１＋ＳＱＲＴ｛１−（１＋ＫＸ）ＣＵＸ
２ｘ２−（１＋ＫＹ）ＣＵＹ２ｙ２｝〕＋ＡＲ｛（１−ＡＰ）ｘ２＋
（１＋ＡＰ）ｙ２｝２＋ＢＲ｛（１−ＢＰ）ｘ２＋（１＋ＢＰ）ｙ２｝３
＋ＣＲ｛（１−ＣＰ）ｘ２＋（１＋ＣＰ）ｙ２｝４＋
ＤＲ｛（１−ＤＰ）ｘ２＋（１＋ＤＰ）ｙ２｝５
ただし、
ｚ                      ｚ軸を回転中心とした時のｚ軸上の値
ＣＵＸ，ＣＵＹ          ｘ及びｙそれぞれの曲率
ＫＸ，ＫＹ              ｘ及びｙでのｃｏｎｉｃ（円錐）係数で非球面形状におけるＫ値、離芯率と一致する。
ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ  回転軸対称形で円錐形状からのズレを表す４次、６次、８次、１０次の係数
ＡＰ，ＢＰ，ＣＰ，ＤＰ  回転軸対称でない形状での円錐形状からのズレを表す４次、６次、８次、１０次の係数。
この値はＣＵＸ＝ＣＵＹ、ＫＸ＝ＫＹ，ＡＰ＝ＢＰ＝ＣＰ＝ＤＰ＝０の時、回転対称非球面形状になる。
ＡＰ＝ＢＰ＝ＣＰ＝ＤＰ＝＋１又は−１の時、高次の非球面化は単にｙ又はｘである。
本発明に係る光ディバイスは、入出射光伝送路部の固定素子と光半導体との間に、上記入出射光伝送路部側から上記光半導体側に向けて上記アナモルフィック面を有する光ディバイス用レンズ及びフィルターが順次配置されており、上記固定素子、光ディバイス用レンズ、フィルター及び光半導体がモジュールを形成している。上記入出射光伝送路部は、本体が入射光ファイバと出射光ファイバとからなる構造であって、上記入射ファイバの入射ポート及び出射ファイバの出射ポートが上記固定素子によって一体化されている。上記光ディバイス用レンズは、入射する光を上記フィルターへ平行光にするためのものである。上記フィルターは、上記光ディバイス用レンズを通過して入射する光を上記光ディバイス用レンズを介して上記出射ポート側へ折り返すものであると共に、入射する光の一部を透過可能である。上記光ディバイス用レンズの出射側の面にアナモルフィック面を被覆するように上記フィルターを上記レンズ本体と一体に形成してある。上記光半導体は、上記透過した光を受光可能な受光素子である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明に係る光ディバイス用レンズの実施の形態を、この光ディバイス用レンズが使用される光ディバイスの実施の形態と共に説明する。
図１に示す本発明に係る光ディバイスＤは、入出射光伝送路１、光ディバイス用レンズ３、機能性フィルターである分岐膜５（図２）及び光半導体であるフォトダイオード７を具備している。入出射光伝送路１における入射光ファイバ１ａ及び出射光ファイバ１ｂの端末は固定素子である入出射ファイバアレイ２で結合され固定されている。各構成素子である入出射ファイバアレイ２、光ディバイス用レンズ３、分岐膜５及びフォトダイオード７は、図１下方に向けて順次配置され、モジュールを形成している。
光ディバイス用レンズ３は、入射光ファイバ１ａの入射ポート１ａ１から出射されて、この光ディバイス用レンズに入射される光を平行光にして出射するものである。光ディバイス用レンズ３は、図２乃至図５に示すように上面（入射側の面）３ａが非球面になっており、下面（出射側の面）にはアナモルフィック面４が形成されている。アナモルフィック面４は図３に示すように、光ディバイス用レンズ３の下面の所定形状（図示の例では楕円形）に囲まれた範囲内に形成されており、この形状の中心とレンズ軸心とが一致している。アナモルフィック面４は下記の式を満たすものである。
ｚ＝（１）÷（２）＋（３）＋（４）＋（５）＋（６）
ＣＵＸｘ２＋ＣＵＹｙ２                    ・・・（１）式
１＋ＳＱＲＴ｛１−（１＋ＫＸ）ＣＵＸ２ｘ２
−（１＋ＫＹ）ＣＵＹ２ｙ２｝              ・・・（２）式
ＡＲ｛（１−ＡＰ）ｘ２＋（１＋ＡＰ）ｙ２｝２・・・（３）式
ＢＲ｛（１−ＢＰ）ｘ２＋（１＋ＢＰ）ｙ２｝３・・・（４）式
ＣＲ｛（１−ＣＰ）ｘ２＋（１＋ＣＰ）ｙ２｝４・・・（５）式
ＤＲ｛（１−ＤＰ）ｘ２＋（１＋ＤＰ）ｙ２｝５・・・（６）式
ただし、
ｚ                      ｚ軸を回転中心とした時のｚ軸上の値
ＣＵＸ，ＣＵＹ          ｘ及びｙそれぞれの曲率
ＫＸ，ＫＹ              ｘ及びｙでのｃｏｎｉｃ（円錐）係数で非球面形状におけるＫ値、離芯率と一致する。
ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ  回転軸対称形で円錐形状からのズレを表す４次、６次、８次、１０次の係数
ＡＰ，ＢＰ，ＣＰ，ＤＰ  回転軸対称でない形状での円錐形状からのズレを表す４次、６次、８次、１０次の係数。
この値はＣＵＸ＝ＣＵＹ、ＫＸ＝ＫＹ，ＡＰ＝ＢＰ＝ＣＰ＝ＤＰ＝０の時、回転対称非球面形状になる。
ＡＰ＝ＢＰ＝ＣＰ＝ＤＰ＝＋１又は−１の時、高次の非球面化は単にｙ又はｘである。
光ディバイス用レンズ３の外周は、保護部材６によって覆われている。
分岐膜５は、図２及び図３に示すように、光ディバイス用レンズ３の下面に蒸着などの方法によって光ディバイス用レンズと一体的に形成されており、アナモルフィック面４を被覆している。分岐膜５は入射ポート１ａ１から出射されて光ディバイス用レンズ３を通過した光をこのレンズ側に反射可能であり、光の一部をフォトダイオード７側に透過可能である。分岐膜５は無偏光ビームスプリッターなどが使用されており、この無偏光ビームスプリッターである場合の分配率は、用途に応じて例えば９５：５、９９：１、９０：１０などのように適宜決定される。分岐膜５として、例えば分配率が９５：５の無偏光ビームスプリッターが使用されていれば、入射光の９５％を反射し、残りの５％を透過可能なものである。
分岐膜５の反射光は出射ポート１ｂ１に向けて進行し、透過光はフォトダイオード７に向けて進行する。
フォトダイオード７は、図１に示すように平面円形であるキャップ状の支持体８の上面にこの支持体の中心より離れた位置（偏心位置）に取付けられている。フォトダイオード７は分岐膜５を透過した光のみを受光する受光素子である。フォトダイオード７はその後方に端子ピン９ａ，９ｂが延びている。
【０００６】
光ディバイスＤの構成素子と光路との関係について説明する。
図１に示すように、入射光ファイバ１ａを経て入出射ファイバアレイ２の入射ポート１ａ１から出力された光Ｌ１ａは光ディバイス用レンズ３で集光され、平行光となって分岐膜５に入射される。入射された光は、分岐膜５によって任意の割合（例えば９５％反射、５％透過）で分岐され、図１矢印Ｒ１に示すように、反射光Ｌ１ｂは再び光ディバイス用レンズ３を通り出射ポート１ｂ１に結合されて、やがて出射光ファイバ１ｂへ出射される。
一方、図１矢印Ｒ２に示すように、分岐膜５を透過した透過光Ｌ１ａ１はフォトダイオード７に入射される。
【０００７】
光ディバイスＤにおいては、光ディバイス用レンズ３を使用しているので、反射光Ｌ１ｂの出射ポート１ｂ１に結合効率が高められる。
高結合効率に関して図６及び図７を参照して説明する。
図６は本発明の光ディバイス用レンズ３と同様に下面にアナモルフィック面を有するレンズ１３を使用した場合の光の軌跡を示し、図７は下面が平坦面としているレンズ２３を使用した場合の光の軌跡を示している。
図６において、入射ファイバ１１ａの入射ポート１１ａ１からの光はレンズ１３を通過してアナモルフィック面１４を被覆しているフィルター（図示せず。）でその一部は反射してアナモルフィック面を通過して出射ファイバ１１ｂの出射ポート１１ｂ１に結合される。最大結合率は約９８．７％であった。
図７において、入射ファイバ１１ａの入射ポート１１ａ１からの光はレンズ２３を通過して平坦面を被覆しているフィルター（図示せず。）でその一部は反射して平坦面を通過して出射ファイバ１１ｂの出射ポート１１ｂ１に結合される。最大結合率は約８０％であった。
図６に示すレンズ１３と、図７に示すレンズ２３とを比較すると、結合効率がアナモルフィック面１４を有するレンズ１３を使用した方が高いことがわかった。これは、レンズ１３の上面を非球面とし、下面にアナモルフィック面１４を形成することによって、軸対称性の破れによる非点収差を生じないようにしたことによるものである。
下面が平坦面であるレンズ２３を使用した場合には、非点収差が生じる結果、レンズ１３に比較して出射ポートにおける光の最大結合率が劣る。
【０００８】
図１に示す光ディバイスＤにおいて、図２に示すように、光ディバイス用レンズ３の下面に分岐膜５を設けて、このレンズと分岐膜とを一体化することによって、部品点数が少なくてすむと共に、簡単な構成となって小型化に寄与し、レンズと分岐膜とを光学条件を満たした状態で双方を固定する手間を省略できるから、組み立てが容易となり、部品が少なくなる分だけ光ディバイスの信頼性が向上する。そしてレンズと分岐膜とが分離されることによって、レンズの入射面と出射面の双方の面からの反射が生じるが、一体化によって分岐膜側の面と分岐膜と間の反射がなくなり、光モジュールでの特性劣化要因である多重反射及び迷光成分を抑制できる。さらに光ディバイス用レンズ３と分岐膜５との一体化により、屈折率及び熱膨張係数を最適化したレンズを選択することにより、温度による波長シフトを大幅に改善することができる。
またフォトダイオード７は、支持体８の中心より離れた位置、換言すれば図１示すモジュールの中心ＣＬより外れた位置にセットされているので、支持体８の中心をモジュールの中心ＣＬに配置することが可能になり、モジュールの径を小さくすることが、モジュールの小型化に寄与できる。
【０００９】
光ディバイス用レンズ３は下面にアナモルフィック面４を有することによって、光線を補正し、入射ポート１ａ１及び出射ポート１ｂ１への結合効率を大幅に改善することができ、そして上面３ａの形状が緩やかになり、レンズ作成が容易となる利点がある。光ディバイス用レンズ３は上面３ａを非球面とすれば、結合効率を改善することができるが、必ずしも非球面であることを要せず、球面であっても良い。そして機能性フィルター５は、波長の選択又は波形の補正をするものであっても良く、例えば波長を選択するものとして帯域フィルターであるバンドパスフィルター、波形を補正するものとして例えばゲインフラットフィルター（通称ＧＦＦ）などが使用される。またフォトダイオード７は、図１に示すように支持体８の中心より離れた位置（偏心位置）に取付けられているが、取付け位置は中心であって良い。さらに、支持体８はキャップ状のものであったが、板状のものなどであっても良い。
【００１０】
【発明の効果】
本発明において、光ディバイス用レンズはアナモルフィック面を有し、当該レンズとフィルターが一体化されているから、そして光ディバイスはこのような光ディバイス用レンズを用いているので、ポートへの光の結合効率を低下させることなく、簡単な構成によって小型化と信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ディバイスの斜視図である。
【図２】本発明に係る光ディバイス用レンズの使用状態を示す一部切欠拡大正面図である。
【図３】図１の底面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図であって、保護部材を省略している図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線断面図であって、保護部材を省略している図である。
【図６】本発明に係る光ディバイス用レンズに対応しているレンズによる光の結合効率を明らかにするための光軌跡を示す斜視図である。
【図７】本発明に係る光ディバイス用レンズの下面に形成されているアナモルフィック面に代えて平坦面としたレンズによる光の結合効率を明らかにするための光軌跡を示す斜視図である。
【符号の説明】
１                  入出射光伝送路
１ａ                入射光ファイバ
１ａ１              入射ポート
１ｂ                出射光ファイバ
１ｂ１              出射ポート
２                  入出射ファイバアレイ（固定素子）
３                  光ディバイス用レンズ
３ａ                上面（入射側の面）
４                  アナモルフィック面
５                  分岐膜（フィルター）
７                  フォトダイオード（光半導体）
Ｄ                  光ディバイス
【図１】
2004205539.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004205539.tif 000007
【図６】
2004205539.tif 000008
【図７】
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