(57)【要約】【課題】光デバイスだけでなくそれを用いた光モジュールも小型化することを可能とする。【解決手段】屈折率が１．９以上、かつ光透過率が８０％以上である光学素子１をホルダ２に固定してなる。【選択図】　図１
2004085930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が１．９以上、かつ光透過率が８０％以上である光学素子をホルダに固定してなることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
上記光学素子が、ガラス、結晶化ガラス、多結晶セラミックス、単結晶体の少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
【請求項３】
請求項１記載の光デバイスにおいて、素材を型により加圧成形して上記光学素子を形成した後、接合手段を用いてホルダに固定することを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の光デバイスにレーザダイオードを組み込んだことを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられる光デバイスおよびその製造方法およびそれを用いた光デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信等にはレンズ、偏光子、検光子、旋光子、反射鏡、半透明反射鏡、ビ−ムスプリッタ、フィルタ、プリズム、回折格子等の光学系を構成する部材である光学素子が使用される。
【０００３】
これらの光学素子を使用した光デバイスの典型例として、球面レンズを用いたレーザダイオードモジュールを用いて説明する。
【０００４】
半導体レーザーや発光ダイオード等の発光素子やフォトダイオード等の受光素子を光ファイバと光学的に結合するための集光用レンズとして、球面レンズが用いられている。ところで、発光素子や受光素子を光ファイバと光学的に効率良く結合するためには素子と球面レンズの位置合わせを精密に行うことが要求されるが、球面レンズだけでは位置合わせが困難であるため、通常は球面レンズをリング状、スリーブ状、キャップ状又は板状にした金属製ホルダーの所定箇所に配置して、封着用ガラス、接着剤、はんだ、又は圧入により両者を固定することによって、球面レンズ部品を作製し、それを素子ユニットに結合して素子と球面レンズの位置合わせを行う。
【０００５】
図６は本発明の球面レンズ部品を搭載したレーザーダイオードモジュールの概略図である。集光用レンズである光学素子１は、ステンレス製のホルダ２に封着用ガラスである接合手段３を介して固定されており、ステンレス製のホルダ２はレーザーダイオード４、窓５、電極リード線６を備えたレーザーダイオードユニット７と溶接によって接合されている。集光用レンズ１である光学素子１はほう珪酸ガラス系のＢＫ−１、ＢＫ−７、もしくはクラウンガラス系のＫ−３、Ｋ−７、更には重フリントガラス系のＳＦ−６、又はタンタルフリントガラス系のＴａＦ−３が用いられており、なかでも価格が安価なことからＢＫ−７、また高屈折率という観点からＢＫ−７よりは高価ではあるがＴａＦ−３が多用されている。
【０００６】
上記構造を有するレーザーダイオードモジュールにおいて、電極リード線６と結ばれたレーザーダイオード４から出射された光線８は、窓５を通過して集光用球面レンズ１により集光されて光ファイバ９に入射される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のレンズ等の光学素子１は切削、研磨加工により仕上げられていたために、該光学素子１の素材の硬度が低い場合は難削材として削りにくいので、加工に手間取りまた歩留まりも悪くなるために高価であった。
【０００８】
そこで、安価な快削材であるＢＫ−７が多用されまた、光路長の短いものが要求される場合はＢＫ−７より多少高価ではあるが高屈折率素材としては加工のしやすいＴａＦ−３が用いられていたが、それ以上の高屈折率素材はかなりの難削材となり、実質的には屈折率が１．８０４を超える光学素子１は使われておらず、高密度実装を要求される光デバイスにおいて、小型化を推進できない要因となっていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記従来の問題点に鑑みて本発明は、屈折率が１．９以上、かつ光透過率が８０％以上である光学素子をホルダに固定してなることを特徴とする。
【００１０】
また、上記光学素子が、ガラス、結晶化ガラス、多結晶セラミックス、単結晶体の少なくとも一種からなることを特徴とする。
【００１１】
更には、上記光デバイスにおいて、素材を型により加圧成形して上記光学素子を形成した後、接合手段を用いてホルダに固定することを特徴とする。
【００１２】
しかも、光モジュールにおいて、上記光デバイスにレーザダイオードを組み込んだことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の光学素子の実施形態について図を用いて説明する。
【００１４】
図１は本発明の光デバイスの断面図である。光学素子１とホルダ２が接合手段により固定されている光デバイスにおいて、屈折率が１．９以上、かつ光透過率が９５％以上である光学素子１を用いたことを特徴としている。
【００１５】
ここで、本発明の光学素子１とは、光アイソレータに用いる偏光子、検光子、ファラデー回転子のみならず、レンズ、偏光板、旋光子、反射鏡、半透明反射鏡、ビ−ムスプリッタ、フィルタ、プリズム、回折格子、方解石、ルチル、ＬＮ結晶等の複屈折結晶、１／２λ波長板、１／４λ波長板、プリズム、ミラー等の光学系を構成するあらゆる部材に適用することが出来る。
【００１６】
これら光学素子１の中でも、特にレンズに用いることが光デバイスを小型化する点では特に望ましい。
【００１７】
光学素子１の材質は石英ガラス、ほう珪酸ガラス等の各種ガラス材やそのガラス材中に金属粒子を散布させたもの及びガーネット等を用いることができる。また、多結晶性セラミックス、結晶化ガラス、透明無アルカリガラス、ＬｉＮｂＯ３の単結晶体等を用いることでも本発明の効果を奏することが出来るが詳細は後述する。
【００１８】
次に、ホルダ２の材質としては、熱膨張係数が小さく、またＹＡＧレーザ溶接する事を考慮してステンレス（ＳＵＳ３０４）を使用することが望ましいが、金属、セラミックス、プラスチックス等の使用も可能である。例えば、金属ではＦｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金等があり、セラミックスでは、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミ、ジルコニア等がある。更に樹脂ではＰＢＴ、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＰＥＩ、ＬＣＰ、ＰＡ等を用いることが出来る。
【００１９】
更に、接合手段３は、エポキシ樹脂系接着剤、紫外線硬化型接着剤、嫌気性接着剤等の接着剤、もしくはＡｕ−Ｓｎ半田、Ｐｂ−Ｓｎ半田等の半田、もしくは鉛系、鉛フリー系等の低融点ガラス等を用いることが出来る。
【００２０】
それぞれの接合手段３はエポキシ樹脂系接着剤は熱硬化、紫外線硬化型接着剤では紫外線照射、嫌気性接着剤等では真空硬化、各種半田は熱硬化、そして各種低融点ガラスは熱硬化によりホルダ２と光学素子１を固着接合する。
【００２１】
この中で、特に望ましくは、エポキシ樹脂系接着剤を６０℃〜１５０℃で所定時間熱して硬化させる方法、半田を１２０℃〜４００℃で熱し溶融させた後、常温冷却して硬化させる方法、または、低融点ガラスを３００℃〜５００℃の高温で熱し溶融させた後、常温まで冷却して硬化させる方法が好ましい。
【００２２】
また、上記接合手段３として接合部材を用いなくとも、圧入やかしめや圧着等で固定する方法で本発明の効果を奏することができる。
【００２３】
本発明で屈折率を１．９以上の光学素子１としているのは、従来は高屈折率材料では切削や研磨しにくい材料であり、つまりは難削材であるが故に高価な部品となり、低価格化を要求される光通信用の光デバイスには採用されえなかったのである。
【００２４】
そこで本発明では、切削、研削、研磨等の機械加工から、金型によるモールド成形とすることにより屈折率が１．９以上の材料でも光学素子１を形成できることを見出した。
【００２５】
そして、屈折率が１．９以上の光学素子１を採用することによって、光デバイスに限らず光モジュールを更に小型化することが出来る。
【００２６】
ここで、屈折率はプリズムカラー（Ｍｅｔｒｉｃｏｎ社製、ＭＯＤＥＬ２０１０）を用いて測定波長を６３３ｎｍとして測定している。
【００２７】
以下、本発明の光学素子１に用いる材料を詳述する。
【００２８】
例えば、ガラス材の例として、ＰｂＯ３を主成分として、ＳｉＯ２　を２０．３％、Ｎａ２　Ｏを０．４％、Ｓｂ２　Ｏ３　を０．３％含有したＳＦＳ１を用いることが出来、この屈折率は１．９２３なので光デバイスを小型化することができ、また、金型モールド成形しやすい材料なので安価に成形可能である。
【００２９】
また、上記ＳＦＳ１はＰｂを使用しており、近年の鉛全廃の動きの中、脱鉛製の光学素子１とするために透光性多結晶セラミックスを用いることも可能である。これはセラミックスの原料から混合粉砕、成形、焼成における各技術を結集し、最適化をはかることにより、気孔欠陥の大幅な低減をなしえることにより、従来に比べて緻密で均質な透光性を有する多結晶性セラミックスを用いることが出来る。
【００３０】
例えば、上記多結晶性セラミックスでは、Ｂａ（Ｍｇ、Ｔａ）Ｏ３　系やＢａ（Ｚｎ、Ｔａ）Ｏ３　系であってもよい。
【００３１】
さらに、上記多結晶性セラミックスに鉄族金属（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）を１．２モル％以下含有するものであってもよい。上記構成によれば、必要に応じた吸光特性（各波長毎の光透過特性や光吸収特性）を鉄族金属を１．２モル％以下含有することにより調整でき、光学部品としての、例えば光学フィルタといった適用範囲を広げることができる。
【００３２】
また、上記多結晶性セラミックスは、ペロブスカイト型結晶構造を主結晶相とすることが好ましい。上記ペロブスカイト型結晶構造には、複合ペロブスカイト型結晶構造が含まれる。
【００３３】
上記多結晶性セラミックスであれば、光学部品として好適な物性である、屈折率が１．９以上が確実に達成できる。
【００３４】
次に、光学素子１としてＬｉＮｂＯ３　の単結晶を用いることができる。ＬｉＮｂＯ３　の単結晶は、その電気化学的特性と複屈折を利用して、光導波路などの光学部品に用いることができ、このような光学部品を用いた光ピックアップ等の光学素子では、さらなる小型化や薄型化が可能となる。さらに、ＬｉＮｂＯ３　等の単結晶は、屈折率は１．９以上ではあるが、複屈折があるため、複屈折を利用した光デバイスに用いることが可能である。
【００３５】
更には、結晶化ガラスや透明無アルカリガラスなどのニューガラス等も用いることが出来る。
【００３６】
例えば、ＳｉＯ２　−Ａｌ２　Ｏ３　−Ｌｉ２　Ｏを主成分とする透明結晶化ガラス、又はＳｉＯ２　−Ａｌ２　Ｏ３　−Ｂ２Ｏ３　−アルカリ土類金属酸化物あるいはＳｉＯ２−Ａｌ２　Ｏ３　−アルカリ土類金属酸化物を主成分とする透明無アルカリガラスを用いることができる。
【００３７】
ＳｉＯ２　−Ａｌ２　Ｏ３　−Ｌｉ２　Ｏを主成分とする透明結晶化ガラスとしては、例えばβ−石英固溶体系のガラス組成がＳｉＯ２　、Ａｌ２　Ｏ３　、Ｌｉ２　Ｏ、Ｎａ２　Ｏ、Ｋ２　Ｏ、ＭｇＯ、ＴｉＯ２　、ＺｒＯ２　、Ｐ２　Ｏ５　、Ａｓ２　Ｏ３　等から構成されるものがあげられる。
【００３８】
また、ＳｉＯ２　−Ａｌ２　Ｏ３　−Ｂ２　Ｏ３　−アルカリ土類金属酸化物を主成分とする透明無アルカリガラスとしては、ガラス組成がＳｉＯ２　、Ａｌ２　Ｏ３　、Ｂ２　Ｏ３　、ＢａＯ等から構成されるものがあげられる。更には、ガラス組成がＳｉＯ２　、Ａｌ２　Ｏ３　、Ｂ２　Ｏ３　、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯから構成される透明無アルカリガラスもあげられる。
【００３９】
また、ＳｉＯ２　−Ａｌ２　Ｏ３　−アルカリ土類金属酸化物を主成分とする透明無アルカリガラスとしては、ガラス組成がＳｉＯ２　、Ａｌ２　Ｏ３　、ＲＯ（但しＲはアルカリ土類金属元素）から構成されるものがあげられる。
【００４０】
上記いずれの材料の光学部品であっっても、屈折率が１．９以上、かつ光透過率が８０％以上であることが特徴である。
【００４１】
ここで、光透過率が８０％以上としているのは、８０％未満であると光の透過効率が悪くなり、光部品の最重要な特性である接続損失が悪化してしまうために８０％以上としている。また、光透過率が９０％以上であることが特に望ましく、更に接続損失を向上できるという効果をもつからである。
【００４２】
なお、光透過率は光学素子１の板厚を０．５ｍｍとした並行平板として、島津製分光光度計（ＵＶ−２００Ｓ）を用いて測定波長を６３３ｎｍにして測定したものである。
【００４３】
次に、図２に本発明の光学素子１の様々な形状の断面図を示す。
【００４４】
図２（ａ）はプリズム等の多角形状である。図２（ｂ）は平板形状である。また、図２（ｃ）は半円形状である。更に図２（ｄ）は円の曲率が対向する部分で異なる形状である。また、図２（ｅ）は図２（ｄ）の周辺部につばがついた形状である。本発明の光学素子１は上記形状に限ることなく、様々な形状に適用することが出来る。
【００４５】
次に、本発明の光学素子１を利用した光デバイスの他の実施形態を示す。
【００４６】
図３は本発明の光学素子を用いたレンズ付光アイソレータの断面図である。レーザダイオード４等の光源から出射した光は、各種光学素子や光ファイバに入射されるが、入射光の一部は各種光学素子、光ファイバを透過する際、反射や散乱を起こす。反射や散乱した光の一部は光源側に戻るが、この戻り光を遮断するため、光アイソレータが用いられる。
【００４７】
レンズ１ａはハンダ等の接合手段によりホルダ２に固定されている。光アイソレータは２枚の偏光素子１ｂの間に配置されたファラデー回転子１ｃと該ファラデー回転子１ｃに磁界を印可するマグネット１０から構成される。
【００４８】
順方向では、レーザダイオード４から出射される光はレンズ１ａによって集光され、偏光子１ｂに入射する。偏光素子１ｂを通過後は直線偏光となり、ファラデー回転子１ｃで４５度偏光面を回転し、第二の偏光素子１ｂを通過し光ファイバ９へ入射する。
【００４９】
また、逆方向では、光ファイバ９から逆戻りした光線８が第二の偏光素子１ｂを通過しファラデー回転子１ｃで４５度回転する。しかし、ファラデー回転子１ｃの非相反性により光は第一の偏光素子１ｂの透過偏光面と直交する偏光面となるため、偏光素子１ｂで光は減衰し、レーザダイオード４に光線８は戻らない。
【００５０】
以上より光アイソレータは一方向からの光は通過させ、逆方向の光の通過を阻止する機能を果たす。
【００５１】
図３は上記光アイソレータにレンズがついた構成であり、２枚の偏光素子１ｂおよびファラデー回転子１ｃ、およびレンズ１ａが光学素子１となるので、それらのうちの少なくとも１つの部材の屈折率が１．９以上でありしかもその光透過率が８０％であることが特徴である。
【００５２】
次に、本発明の光デバイスの製造方法について説明する。
【００５３】
図４は本発明の光学素子の製造方法を示す縦断面図である。成形されるべき光学素子の素材１１はあらかじめ完成寸法と近い形状に加工（いわゆるプリフォーム加工）されている。
【００５４】
成形用の上型１２と下型１３はサファイアを加工して設けたものである。サファイア（Ａｌ２　Ｏ３　）は引き上げ方でほぼ希望する径の物を容易に得ることができる。サファイアの融点は２、０５０℃と高く、加熱しても型の表面が侵されることがない。また型の形状を計算通りに製造できる。線膨張係数が低く加熱成形時と、冷却時とで型形状の変化が小さいので型の設計は容易である。サファイアは結晶体であって加工された表面が緻密のため、形状加工し、研磨した面をそのまま型の面として用いることができる。また、材料をサファイアでなくとも窒化珪素や炭化珪素等を用いることでもよい。
【００５５】
次に、前述のようにして製造された成形用の上型１２と下型１３は図４に示されているように型台１６に支持されたガイド用の筒１４に案内されて保持されている。圧力を加えるための重り１５は押し棒２０により上型１２に押しつけられる。前記各型およびガイド用の筒は型全体を載せる型台１６の上に載置され、該型台１６には車輪１７が設けられており、前記型装置は炉内に配置されている。
【００５６】
次に炉壁１８内の温度を上げて加熱し、圧力を加え、素材１１は上型１２の上にある重り１５の重量もしくはモータ１９の回転により押し下げられ（ねじジャッキの原理により）上型１２と下型１３が密着され光学素子を成形することが出来る。
【００５７】
このようにして得られた光学素子に必要に応じて、更に研削、研磨を行った後、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金等もしくはステンレス（ＳＵＳ３０４）等の金属、又は、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミ、ジルコニア等のセラミックス、又は、ＰＢＴ、ＰＣ、ＰＭＭＡ、ＰＥＩ、ＬＣＰ、ＰＡ等プラスチックス等からなるホルダ２にエポキシ樹脂系接着剤、紫外線硬化型接着剤、嫌気性接着剤等の接着剤、もしくはＡｕ−Ｓｎ半田、Ｐｂ−Ｓｎ半田等の半田、もしくは鉛系、鉛フリー系等の低融点ガラス等の接着手段３を用いて接合し、光デバイスを得る。
【００５８】
以上より、少なくとも光学素子１とホルダ２からなる光デバイスにおいて、屈折率が１．９以上、かつ光透過率が８０％以上である光学素子を用いたことにより、光デバイスだけでなくそれを用いた光モジュールも小型化することが可能となる。
【００５９】
【実施例】
本発明の光学素子１と従来の光学素子を用いてレンズ結合系の焦点距離を実測し、しかも計算にても求めた。
【００６０】
本発明の光学素子は屈折率２．０７４の多結晶性透光性セラミックスと屈折率１．９２３の重フリントガラス製のＳＦＳ１からなるボールレンズを用いた。比較例として、屈折率１．８０４のタンタルフリントガラス製のＴａＦ−３と屈折率１．５３０のほう珪酸ガラス製のＢＫ−７を用いた。全ての光学素子１は透過率８０％以上のものを用いた。
【００６１】
光学系は図５に示す様に、レーザダイオード４から光線８を出射し、集光レンズである光学素子１にて集光させて光ファイバ９の端面に効率よく入射させた。そのときのレンズから光ファイバ９までの距離を焦点距離Ｆとして、実測した。また、焦点距離計算式より計算値を求めた。
【００６２】
計算式は、
Ｆ＝（Ｎ×Ｒ１×Ｒ２）／（（Ｎ−１）×（（Ｒ２−Ｒ１）×Ｎ＋Ｄ（Ｎ−１）））
Ｆ；焦点距離
Ｎ；屈折率
Ｒ１，Ｒ２；第１球面、第２球面でボール状なのでレンズ径の半値
Ｄ；軸上長さであり、ボール状なのでレンズ径と同一値
を用いた。
【００６３】
ここでレンズ径をφ２ｍｍとして、レーザダイオード４は波長１３１０ｎｍのものを用い、光ファイバ９はシングルモード光ファイバを用いた。
【００６４】
その試験結果を表１に示す。
【００６５】
【表１】
2004085930.tif 000003
【００６６】
以上の結果より、実測値と計算値はほぼ同一の値となった。
【００６７】
従来の屈折率１．８０４のＴａＦ−３の焦点距離を１００として、それぞれの比率で表すと、従来例のＢＫ−７では１２５．０％と焦点距離比率が大きくなり、本発明の屈折率１．９２３のものでは焦点距離比率９２．８％、本発明の屈折率２．０７４のものでは、焦点距離比率が８６．０％と短くすることができた。
【００６８】
これにより、本発明の屈折率１．９以上、かつ透過率が８０％以上である光学素子を用いたことにより、焦点距離が短くなることにより、光デバイスのならず光デバイスも小型化することが可能となる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、屈折率が１．９以上、かつ光透過率が８０％以上である光学素子をホルダに固定してなることにより、光デバイスだけでなくそれを用いた光モジュールも小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光デバイスを示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｅ）は本発明の光デバイスにおける光学素子の様々な形状を示す断面図である。
【図３】本発明の光デバイスの他の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の光デバイスに用いる光学素子の製造方法を示す縦断面図である。
【図５】本発明の光モジュールの光路長を示す概念図である。
【図６】一般的な光モジュールを示す断面図である。
【符号の説明】
１　：光学素子
１ａ：レンズ
１ｂ：偏光素子
１ｃ：ファラデー回転子
２　：ホルダ
３　：接合手段
４　：レーザダイオード
５　：窓
６　：電極リード
７　：レーザダイオードユニット
８　：光線
９　：光ファイバ
１０　：マグネット
１１　：素材
１２　：上型
１３　：下型
１４　：筒
１５　：重り
１６　：型台
１７　：車輪
１８　：炉壁
１９　：モータ
２０　：押し棒
Ｆ　：焦点距離
【図１】
2004085930.tif 000004
【図２】
2004085930.tif 000005
【図３】
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【図４】
2004085930.tif 000007
【図５】
2004085930.tif 000008
【図６】
2004085930.tif 000009