(57)【要約】 【課題】  光学系を組み上げた後で、焦点距離を微調整することができるレンズを提供すること。【解決手段】  光線束を収束または発散させて実像または虚像を結ばせると共に電気入力によって焦点距離を微調整する電気光学レンズであり、ポッケルス効果をもつ固体媒質からなり光線方向に相対する２面に曲面鏡面加工がなされたレンズ体１０と、これに電界を印加するための電極板１１ａおよび電圧発生器１２とを備える。このとき、レンズ体１０をなす固体媒質にはＬiＮbＯ3結晶などの電気光学結晶、もしくは有機非線形光学材を用いる。また、電界印加のための電極はレンズ体表面の外周部付近に形成してもよく、透明電極であれば光透過面に形成できる。さらにレンズ体１０の表面に光透過性の半導体膜を形成すると応答性が向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線束を収束または発散させて実像または虚像を結ばせると共に電気入力によって焦点距離を微調整する電気光学レンズであって、ポッケルス効果をもつ固体媒質からなり光線方向に相対する２面の少なくとも１面に曲面鏡面加工がなされたレンズ体と、このレンズ体に電界を印加するための電極とを備えることを特徴とする電気光学レンズ。
【請求項２】
前記固体媒質はＬiＮbＯ3単結晶からなることを特徴とする、請求項１に記載の電気光学レンズ。
【請求項３】
前記固体媒質は有機非線形光学材からなるこを特徴とする、請求項１に記載の電気光学レンズ。
【請求項４】
前記レンズ体の外部に電極板を設け、前記電極板への電圧印加によって前記レンズ体の屈折率を変化させることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電気光学レンズ。
【請求項５】
前記レンズ体の外周部の表面に前記固体媒質の屈折率を変化させるための複数の電極が設けられたことを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電気光学レンズ。
【請求項６】
前記光線方向に相対する２面に固体媒質の屈折率を変化させるための有機透明電極を複数枚形成したことを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の電気光学レンズ。   
【請求項７】
前記レンズ体の光線方向に相対する２面に、使用する光が透過できる半導体膜を形成したことを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載の電気光学レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光線束を収束または発散させて実像または虚像を結ばせると共に電気入力によって焦点距離を可変にした電気光学レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系に利用されるレンズは、使用波長、形状、屈折率によりその焦点距離が決定される。通常、光学系は使用するレーザ波長、その発散角が決定されているため、これに使用するレンズは、屈折率と曲面形状によって設計される。ただし、素材は加工の容易さや市場性からガラス系のものが用いられることが多く、ほとんどは形状を調節することでその焦点距離を設計している。
【０００３】
このように設計されたレンズは、設計に忠実な光学系でなければ使用できない場合が生じる。これは光学系全体の寸法が決まっている場合によく見られる。また使用するレーザによっては出力端での発散角が一定ではないものが多く存在し、光学系のレンズ等の光学素子の配置を制限される場合がある。これらは、デバイス製造において歩留まりの低下に繋がる。
【０００４】
ＤＦＢ（分布帰還型）レーザダイオードに代表される発光デバイスは、高品質な発振を行う上で、戻り光防止のための光アイソレータを内蔵している。レーザダイオードでは、自身が発振したレーザ光が戻り光となって、共振器内に入力されると、発振が不安定になり、ノイズの発生や出力の不安定を招くため、戻り光を遮断する光アイソレータは高品質なレーザ発振には必要不可欠である。
【０００５】
図６に、光アイソレータを内蔵する発光デバイスの一般的な例を示す。この光アイソレータ４を内蔵するにあたり、レーザダイオードモジュール内部では、半導体レーザチップ１から発振されたレーザ光５を平行光にするレンズ２、その平行光を再びファイバ等の出力端６に集光するためのレンズ３の２枚のレンズを用いるのが一般的である。前記平行光内に光アイソレータ４が配置される構造であると、光学系を組み込む際、レンズはレーザ光に平行なＺ軸とレーザ光に垂直で互いに直交するＸ、Ｙ軸の３軸を調節してレンズを配置する必要がある。ここで光アイソレータ４は平行光束の中で使用するため、さほど精度は必要ないが、それぞれのクリアランスは素子全体の大きさを考慮すると１０μｍオーダーが必要とされ、これを調節して固定する設備は高度かつ複雑になり、発光デバイスの製造歩留まりを低下させている。
【０００６】
これに対し近年では、Ｓｉ等のエッチング技術が進み、図７に概念図で示すようなＶ溝レール９を１〜３μｍの公差で作製することが可能になり、各光学素子、特に図７の場合ではボールレンズ７および８の設置誤差を前記Ｘ、Ｙ軸方向では考慮する必要がなくなり、レンズの設置を簡易化することに貢献している。このようなＶ溝付きシリコン基板の一例は特許文献１に開示されている。
【０００７】
しかしながら、前記Ｚ軸方向の許容誤差については従来通りであり、設計によっては１μｍ程度の許容誤差になっている。この許容誤差への対応は、通常の微動台レベルを超えるもので、パルスアクチュエータ等の精密な移動装置が必要になってくる。
【０００８】
また、これらの光学素子の固定には紫外線硬化の有機接着剤が多く使われ、この場合、パッケージ後にレンズの位置が、Ｖ溝を使った場合でも、Ｚ軸方向にずれることがある。これを防止するため、出力端ファイバを後付けする方法もあるが、この場合光学調芯が２度手間になってしまい、生産性を低下させていた。
【０００９】
これとは別に、光部品の特性測定工程において、例えば挿入損失の測定において光ファイバ光学系がよく使われるが、この場合、機械的にレンズ位置を微調整した後で、光学部品の挿入損失を測定していた。その結果、特性測定工程の工数が大きくなっていた。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−７２０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような状況にあって、本発明の課題は、光デバイスの組み立て後に焦点距離の調節が可能なレンズを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の他の課題は、光部品の特性測定工程においてレンズに関わる調整を簡素化することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような問題を受け、本発明は、組み立て後にレンズの屈折率を変動させて前記Ｚ軸のずれに対して焦点距離を変動させて補正することを特徴としている。ところで、レーザダイオードには駆動電流が供給されるので、レンズの屈折率を電圧で制御できれば構造上無理はない。
【００１４】
すなわち、本発明の電気光学レンズは、光線束を収束または発散させて実像または虚像を結ばせると共に電気入力によって焦点距離を微調整する電気光学レンズであって、ポッケルス効果をもつ固体媒質からなり光線方向に相対する２面の少なくとも１面に曲面鏡面加工がなされたレンズ体と、このレンズ体に電界を印加するための電極とを備えることを特徴とする。
【００１５】
前記固体媒質にはＬiＮbＯ3単結晶を用いるとよい。
【００１６】
前記固体媒質には有機非線形光学材を用いるとよい。
【００１７】
前記レンズ体の外部に電極板を設け、前記電極板への電圧印加によって前記レンズ体の屈折率を変化させるとよい。
【００１８】
前記レンズ体の外周部の表面に前記固体媒質の屈折率を変化させるための複数の電極が設けられてもよい。
【００１９】
前記光線方向に相対する２面に固体媒質の屈折率を変化させるための有機透明電極を複数枚形成してもよい。 
【００２０】
前記レンズ体の光線方向に相対する２面に、使用する光が透過できる半導体膜を形成してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の電気光学レンズを用い、その印加電圧よってレンズ媒質の屈折率を変化させ、焦点距離を調節して発光デバイスの光学系を最適に調節できることが確認された。このことから、実際のモジュールに組み込んだ場合、焦点位置がずれたような場合でも十分に対応可能な高信頼性モジュールを製造することが出来る。
【００２２】
また、光学測定系においてもレンズの移動無しで焦点距離を変化させることは、その光軸調芯の工数が大幅に低減できるため、生産性の良い光学素子特性測定に貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明の実施の形態を説明する。ＧaＡs、ＬiＮbＯ3、ＬiＴaＯ3に代表される電気光学効果をもつ光学結晶は、特定の結晶軸方向に電圧が印加されると、屈折率が変化する。これをポッケルス効果と称している。前記ポッケルス効果を持つ結晶でレンズを作製すれば、形状や使用波長を変更させることなく、その屈折率を変化させることで焦点距離を変化させることが出来る。この場合、ポッケルス効果の大きなＬiＮbＯ3を用いても、ｒ33＝３０．８×１０-10ｃｍ／Ｖと小さいため、数ミクロンの微調整にしか使用できないが、分解能はｎｍオーダーに達する。光学系の許容誤差を考えると、微調方法としては最適な方法といえる。
【００２４】
図１は、本発明のポッケルス効果を用いたレンズの構成を示す。このように、電圧を印加する電極板１１ａをレンズ体１０外周の外側に配置した場合は数１０Ｖの大きな電力が必要となる。ここで、１２は電圧発生器、１３は光束、１４は電圧を印加しないときの焦点、１５は電圧を印加したときの焦点を示す。これを図２のように、レンズ体１０にスパッタ等で光の透過しない部分に電極層１１ｂを成膜して、結晶軸に平行に電界がかかるようにすれば電力量は少なくて済む。また、図３のように、透明電極１１ｃを用いればレンズ体１０の光透過面に配置しても光損失の問題が少ないため、可能であり、電界効率は良好となり、駆動電圧を低減することが出来る。
【００２５】
また、これら電気光学効果を持つ結晶にはＤＣドリフトと呼ばれる電圧のチャージ現象があるものがあり、その場合、特性は電圧に対して直線的でなく、ヒステリシスや不安定さを招くため、これを解決するため、本発明ではレンズ全面に使用する光波長で透過率の良いＳiなどの半導体膜を形成することを特徴とする。その結果、応答速度を速め、印加電圧に対する屈折率変動の直線性を高めることができる。
【００２６】
具体的には、光線束を発散・収束させて実像・虚像を結ぶレンズにおいて、少なくとも１面を曲面加工したレンズの素材には、ポッケルス効果をもつＬiＮbＯ３単結晶などの電気光学結晶または２-メチル-４-ニトロアニン（ＭＮＡ）などの有機材を用いる。レンズ外周部または相対するレンズ面に、金属の複数の電極またはジブロムアンスアンスロン（ＤＢＡＡ）など用いた複数の有機透明電極を配置し、そこに印加される電圧によって、前記レンズの屈折率を制御する構造を有する。
【実施例１】
【００２７】
以下、本発明の実施例を挙げて説明する。
【００２８】
実施例１では、電気光学効果を持つ結晶として代表的なＬiＮbＯ3単結晶を用いた。この結晶の屈折率は高いので、レンズとして使用する場合、片面凸面球面（片面平面）でも問題ないが、両面凸面球面とした。レンズ形状はφ１ｍｍで、表面にＳｉ膜をスパッタにより積層し、Ｓｉ膜の前後にＡＲ（反射防止）コート膜を施した。このとき、挿入損失は測定波長１．５５μｍで０．５ｄＢと良好な値を示した。また、光透過方向の結晶軸はｘ軸とし、電気光学効果の高いｒ33面と平行にした。
【００２９】
こうして作られた電気光学レンズを、図４のような、平行光に調整された１５５０ｎｍ波長のレーザ光１９を入力して光ファイバ２３に入力する光学系で測定した。なお同図で１６は電極板、１７はレーザ光源、１８は固定焦点レンズ、２２は電圧発生器、２４は本実施例１の電気光学レンズのレンズ体である。測定は、その電気光学レンズのＺ軸を調整して最大光を出し、その距離を測定する方法を用いた。またこの時、図４の電極板１６に電圧を印加して、その焦点距離を測定し、両者に違いが生じることを確認した。
【００３０】
電圧をかけない焦点距離に対して、５００Ｖの電圧を印加したときの焦点距離は約１μｍの違いが生じた。また５０Ｈｚでの応答のヒステリシスは光強度モニタで行い、正負とも差が生じないことが確認された。
【実施例２】
【００３１】
実施例２では、電気光学効果を持つ結晶として代表的なＬiＮbＯ3単結晶を用いた。この結晶の屈折率は高いので、レンズとして使用する場合、片面凸面球面（片面平面）でも問題ないが、両面凸面球面とした。レンズ形状はφ１ｍｍで、表面にＳｉ膜をスパッタにより積層し、Ｓｉ膜の前後にＡＲコート膜を施した。挿入損失は測定波長１．５５μｍで０．５ｄＢと良好な値を示した。また、光透過方向の結晶軸はｘ軸とし、電気光学効果の高いｒ33面と平行にした。この後、電気光学レンズにマスクを使用して電極膜を形成してリード線により電源と結線した。
【００３２】
こうして作られた電気光学レンズを、図５のような平行光に調整された１５５０ｎｍ波長のレーザ光１９を入力し、光ファイバ２３に入力する光学系で測定した。測定は、電気光学レンズのＺ軸を調整して最大光を出し、その距離を測定する方法を用いた。またこの時、電極層２１に電圧を印加して、その焦点距離を測定し、両者に違いが生じることを確認した。電圧をかけない焦点距離に対して、３８０Ｖの電圧を印加したときの焦点距離では約１μｍの違いが生じた。また５０Ｈｚでの応答のヒステリシスは光強度モニタで行い、正負とも差が生じないことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の電気光学レンズの構成図。
【図２】本発明の電気光学レンズの他の構成図。
【図３】本発明の電気光学レンズのさらに他の構成図。
【図４】実施例１の評価光学系の図。
【図５】実施例２の評価光学系の図。
【図６】光アイソレータを内蔵する発光デバイスの一例を示す図。
【図７】レンズを配置したＳｉのＶ溝レールの概念図。
【符号の説明】
【００３４】
１    半導体レーザチップ
２，３    レンズ
４    光アイソレータ
５，１９    レーザ光
６    出力端
７，８    ボールレンズ
９    Ｖ溝レール
１０，２４    レンズ体
１１ａ，１６    電極板
１１ｂ，２１    電極層
１１ｃ    透明電極
１２，２２    電圧発生器
１３    光束
１４    電圧を印加しないときの焦点
１５    電圧を印加したときの焦点
１７    レーザ光源
１８    固定焦点レンズ
２３    光ファイバ
【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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