(57)【要約】【課題】  光の出射部と入射部を結合させる光学系に少なくとも２枚のレンズが配置された場合に、温度変動等が生じても結合効率が低下せず、かつ、部品コストを低減できる光学系及びこの光学系を含む光通信装置を提供する。【解決手段】  この光学系は、光の出射部と入射部を少なくとも２枚のレンズ１３，１５によって結合させ、レンズの内のＮＡの大きい側のレンズ１３のみを環境変化に対し屈折率の変化が少ない材料から構成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の出射部と入射部を少なくとも２枚のレンズによって結合させる光学系であって、前記レンズの内のＮＡの大きい側のみを環境変化に対し屈折率の変化が少ない材料から構成したことを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記レンズの内のＮＡの小さい側をプラスチック材料から構成したことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記出射部及び前記入射部の少なくとも一方が光ファイバの端面に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
【請求項４】
発光部からの光を少なくとも２枚のレンズによって光ファイバの端面に結像させる光学系であって、前記発光部側のレンズを環境変化に対し屈折率の変化が少ない材料から構成し、前記光ファイバ側のレンズをプラスチック材料から構成したことを特徴とする光学系。
【請求項５】
前記光ファイバの端面からの光を受光部で受光し、前記受光部の受光面がアレイ状に構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の光学系。
【請求項６】
前記屈折率の変化が少ない材料に光学ガラス、アサーマル化した樹脂、成形性のよい低融点ガラス、またはカルコゲナイト系のガラス材料を用いたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項７】
前記ＮＡの大きい側の一方のレンズのＮＡが０．４５乃至０．８０であり、他方のレンズのＮＡが０．０８乃至０．１５であることを特徴とする請求項１，２または３に記載の光学系。
【請求項８】
前記発光部側のレンズのＮＡが０．４５乃至０．８０であり、前記光ファイバ側のレンズのＮＡが０．０８乃至０．１５であることを特徴とする請求項４に記載の光学系。
【請求項９】
前記レンズの一方が回折構造を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項１０】
前記光学系に回折構造を有する光学素子を加えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項１１】
前記プラスチック材料から構成されたレンズが回折構造を有することを特徴とする請求項２，４または５に記載の光学系。
【請求項１２】
前記回折構造がエシュロン構造の回折格子であることを特徴とする請求項９，１０または１１に記載の光学系。
【請求項１３】
前記回折構造を有する光学面が入射光が通過する入射光領域と出射光が通過する出射光領域とがそれぞれ一部で重なり合って回折構造を有する共用領域を形成し、前記入射光領域の少なくとも一部が回折効率の比較的大きい回折構造を有することを特徴とする請求項９，１０または１１に記載の光学系。
【請求項１４】
請求項１乃至１３いずれか１項に記載の光学系を含み、前記光学系を介して光信号の送信及び受信の少なくとも一方を行うことを特徴とする光通信装置。
【請求項１５】
請求項９乃至１３いずれか１項に記載の光学系を含み、前記光学系を介して光信号の送信及び受信を行う際に、前記回折構造が複数の光信号を異なる波長により分離して送信用光路と受信用光路とを形成することを特徴とする光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の出射部と入射部を少なくとも２枚のレンズによって結合させる光学系及びその光学系を含む光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、波長の異なる光による双方向伝送による光通信システムでは、光信号の送受信端末に受光素子や発光素子やレンズ等からなる光学系を含む光通信モジュールを配置し、光学系が送信・受信の各光を回折格子で分離し、発光素子からの送信光を光ファイバに結像させ、光ファイバからの受信光を受光素子に受光させる構成であり、小型化できコストダウンを図ることができる（下記特許文献１参照）。
【０００３】
上述のような従来の光通信モジュールの光学系では、光ファイバ側にレンズを配置し、発光素子側に別のレンズを配置する場合、これらのレンズは光ファイバ及び発光素子に対し固定であり、温度変動等に対処し結合効率を維持するするために材質がガラスであった。このため、レンズコストが高くなり、また、回折格子をレンズに形成し難いので、回折格子を別部材とする必要があり、これらは光通信モジュール等の光通信装置のコスト高の要因となってしまう。
【特許文献１】特開平５−２４１０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、光の出射部と入射部を結合させる光学系に少なくとも２枚のレンズが配置された場合に、温度変動等が生じても結合効率が低下せず、かつ、部品コストを低減できる光学系及びこの光学系を含む光通信装置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】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明による光学系は、光の出射部と入射部を少なくとも２枚のレンズによって結合させる光学系であって、前記レンズの内のＮＡの大きい側のみを環境変化に対し屈折率の変化が少ない材料から構成したことを特徴とする。
【０００６】
この光学系によれば、少なくとも２枚のレンズの内のＮＡの大きい側のみを温度や湿度等の環境変化に対し屈折率の変化が少ない材料から構成することで、温度変動等の環境変化が生じても結合効率が低下せず、例えば、前記レンズの内のＮＡの小さい側を比較的低コストのプラスチック材料から構成することができ、部品コストを低減できる。
【０００７】
上記光学系は、前記出射部及び前記入射部の少なくとも一方が光ファイバの端面に形成されるように構成できる。例えば、光ファイバの端面を出射部とし、入射部を受光部の受光面とすることができ、また、出射部を発光部とし、出射部からの光が入射する光ファイバの端面を入射部とすることができる。また、光ファイバの端面を出射部とし、別の光ファイバの端面を入射部としてもよい。
【０００８】
また、前記ＮＡの大きい側の一方のレンズのＮＡが０．４５乃至０．８０であり、他方のレンズのＮＡが０．０８乃至０．１５であることが好ましい。一方のレンズのＮＡが０．８０以下であるとワーキングディスタンスを確保でき、０．４５以上であれば、例えば発光部（半導体レーザ等）からの出射光がこのレンズによってけられる量が少なく、結合効率が低下しない。また、他方のレンズのＮＡが０．０８乃至０．１５の範囲内であれば、結合効率が低下しない。
【０００９】
本発明による別の光学系は、発光部からの光を少なくとも２枚のレンズによって光ファイバの端面に結像させる光学系であって、前記発光部側のレンズを環境変化に対し屈折率の変化が少ない材料から構成し、前記光ファイバ側のレンズをプラスチック材料から構成したことを特徴とする。
【００１０】
この光学系によれば、少なくとも２枚のレンズの内の発光部側に配置されたレンズを温度や湿度等の環境変化に対し屈折率の変化が少ない材料から構成しかつ光ファイバ側に配置されたレンズをプラスチック材料から構成することで、温度変動等の環境変化が生じても結合効率が低下せず、かつ、比較的低コストのプラスチック材料から構成できるので部品コストを低減できる。
【００１１】
また、前記光ファイバの端面からの光を受光部で受光し、前記受光部の受光面がアレイ状に構成されていることが好ましい。
【００１２】
また、前記発光部側のレンズのＮＡが０．４５乃至０．８０であり、前記光ファイバ側のレンズのＮＡが０．０８乃至０．１５であることが好ましい。発光部側のレンズのＮＡが０．８０以下であるとワーキングディスタンスを確保でき、０．４５以上であれば、半導体レーザ等の発光部からの出射光がこのレンズによってけられる量が少なく、結合効率が低下しない。また、光ファイバ側のレンズのＮＡが０．０８乃至０．１５の範囲内であれば、結合効率が低下しない。
【００１３】
上記各光学系において、前記屈折率の変化が少ない材料に光学ガラス、アサーマル化した樹脂、成形性のよい低融点ガラス、またはカルコゲナイト系のガラス材料を用いることが好ましい。
【００１４】
また、前記レンズの一方が回折構造を有することが好ましい。また、前記光学系に回折構造を有する光学素子を加えたてもよい。
【００１５】
また、前記プラスチック材料から構成されたレンズが回折構造を有することが好ましい。プラスチック材料により一体成形等でレンズを製造することで、微細構造である回折構造をレンズに容易に一体的に形成できる。また、前記回折構造がエシュロン構造の回折格子に形成され、その回折格子を別に配置してもよい。  また、上述の回折構造を有する光学面は、入射光領域と出射光領域の各一部が重なり合う回折構造を有する共用領域を形成することで入射光領域及び出射光領域において重なり合わない各専用領域を設けることができ、入射光領域の少なくとも一部が回折効率の比較的大きい回折構造を有することにより、入射光に関する回折効率を相対的に高めることができ、好ましい。
【００１６】
なお、前記入射光領域の前記少なくとも一部が前記共用領域以外の入射光専用領域に対応するように構成できる。また、前記入射光領域が前記回折効率の比較的大きいブレーズ構造等の回折構造を有するように構成できる。即ち、入射光専用領域と共用領域との入射光領域全体が回折効率の比較的大きい回折構造を有することができる。また、前記共用領域が回折効率の比較的小さいエシュロン構造等の回折構造を有していてもよい。即ち、入射光領域では入射光専用領域だけが回折効率の比較的大きい回折構造を有する。
【００１７】
上述のような微細構造の回折構造を形成するにはプラスチック材料の方が容易であるが、上述の本発明の構成によれば、回折構造を配置する側のレンズを加工容易なプラスチック材料から構成することができ、低コストでかつ精度よく回折構造付きのレンズまたは光学素子を製造できる。
【００１８】
本発明による光通信装置は、上述の光学系を含み、前記光学系を介して光信号の送信及び受信の少なくとも一方を行うことを特徴とする。
【００１９】
この光通信装置によれば、光学系が温度変動等の環境変化が生じても結合効率が低下せず、部品コストを低減できるので、光通信装置において安定した通信が可能なり、また装置のコスト減に寄与できる。
【００２０】
本発明による別の光通信装置は、上述の回折構造のあるレンズ（または光学素子）を有する光学系を含み、前記光学系を介して光信号の送信及び受信を行う際に、前記回折構造が複数の光信号を異なる波長により分離して送信用光路と受信用光路とを形成することを特徴とする。
【００２１】
この光通信装置によれば、光学系が温度変動等の環境変化が生じても結合効率が低下せず、部品コストを低減できるので、光通信装置において安定した通信が可能なり、また装置のコスト減に寄与できるとともに、回折構造で複数の光信号を異なる波長により分離し送信用光路と受信用光路とを形成することで双方向通信用の光通信装置を提供できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の光学系及び光通信装置によれば、光学系において光の出射部と入射部を結合させるように少なくとも２枚のレンズが配置された場合に、温度変動等が生じても結合効率が低下せず、かつ、部品コストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。
【００２４】
〈第１の実施の形態〉
【００２５】
図１は第１の実施の形態による光学系を概略的に示す図である。図１の光学系は、発光部１１からの光が２枚のレンズ１３，１５を介して光ファイバ１６の端面１７に入射するように構成したものである。
【００２６】
発光部１１は半導体レーザからなり、発光部１１側に配置されるカップリングレンズ１３は、光学ガラスから構成されている。光学ガラスは、一般にプラスチック材料よりも温度や湿度等の環境変化に対し屈折率の変化が少なく、屈折率の温度依存性等が低い。なお、光学ガラスとは、レンズ等の光学素子のためにつくられたガラス材料であり、普通のガラスと比べて特にガラス内部の均一性に優れており、更に、屈折率、分散、光透過率、均質性等を調整し制御されたものである。
【００２７】
カップリングレンズ１３のＮＡ（開口数）は、半導体レーザ（発光部１１）の発光角度が広い側に対し０．４５乃至０．８０の範囲内であり、例えば０．６である。カップリングレンズ１３のＮＡが０．８０以下であると、発光部１１の前面１１ａに対しワーキングディスタンス（図１中、ＷＤで示す。）を確保できカップリングレンズ１３が前面１１ａに当たらない。また、ＮＡが０．４５以上であれば、半導体レーザ（発光部１１）からの出射光がこのカップリングレンズ１３によってけられる量が少なく、結合効率が低下しない。なお、カップリングレンズ１３の焦点距離は、０．３乃至１．５ｍｍの範囲内が好ましく、ワーキングディスタンスを確保できる。
【００２８】
また、光ファイバ１６側に配置されるレンズ１５は、光学用プラスチック材料から構成されている。レンズ等のための光学用プラスチック材料は、例えば、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂があり、軽量であり、加工性・成形性がよく、衝撃に強く、低コストであるという特徴を有する一方、温度・湿度の影響で屈折率が比較的大きく変化するという欠点がある。
【００２９】
レンズ１５のＮＡは、光ファイバ１６の端面１７に対し０．０８乃至０．１５の範囲内であり、例えば０．１である。レンズ１５のＮＡが、０．０８乃至０．１５の範囲内であれば、温度変動等による結合効率が低下しない。また、光ファイバ１６のＮＡは例えば約０．１程度である。レンズ１５の焦点距離は、（レンズ１３のＮＡ）／（レンズ１５のＮＡ）に比にレンズ１３の焦点距離を掛けた値程度が好ましい。
【００３０】
図１の光学系において、発光部１１から出射したレーザ光がカップリングレンズ１３で平行光になり、レンズ１５で光ファイバ１６の端面１７に結像し、光ファイバ１６内で導波される。
【００３１】
図１の光学系を光信号の送信のための光通信装置に適用した場合、発光部１１から所定の信号に基づき変調されたレーザ光が出射し、光学系を介してその光信号が光ファイバ１６を通して外部へと送信される。なお、光通信装置は、図１の光学系が全体としてケース内に収容されて遮光状態で使用され、外部に延びる光ファイバ１６が光通信システムの光ケーブル網に接続可能である。図１の光学系を含む光通信装置は、例えば光信号の送信を行う光通信システムに適用できる。
【００３２】
図１の光学系によれば、２枚のレンズの内のＮＡの大きいレンズ１３のみを温度や湿度等の環境変化に対し屈折率の変化が少ない光学ガラスから構成することで、温度変動等の環境変化が生じても結合効率が低下せず、ＮＡの小さいレンズ１５を比較的低コストのプラスチック材料から構成でき、部品コストを低減でき、また、光通信装置において安定した通信が可能なり、光通信装置のコスト減に寄与できる。
【００３３】
なお、温度や湿度等の環境変化に対し屈折率の変化が少ない材料として、光学ガラス以外の材料を用いてもよく、例えば、成形性のよい低融点ガラス、カルコゲナイト系のガラス材料、アサーマル化した樹脂等を挙げることができる。
【００３４】
成形性のよい低融点ガラスとは、例えば、ガラス転移点が４５０℃以下のものであり、レンズを製造するときに、低融点ガラス材料を所定形状に形成したプリフォームを一対の金型の間に投入して加熱し加圧成形するが、低融点であるため、成形性がよく、歪みが少なく高精度なレンズを得ることができ、また、金型が熱で損傷し難く寿命が長くなるので、製造コストの面でも有利である。
【００３５】
カルコゲナイト系のガラス材料とは、カルコゲン元素（酸素、硫黄、セレン、テルル）との化合物により生成されるガラスであり、成形加工が可能であり、コストメリットがあり、赤外透過率が高く、光通信の用途に合っており、また屈折率が２．５以上と大きい等の特徴がある。例えば、Ｇｅ１０Ａｓ２０Ｔｅ７０のカルコゲナイトガラスは、波長１〜２０μｍの範囲で光透過性がよく、化学的安定性に優れ、屈折率が２．５〜３と大きい。上述の発光部１１側のカップリングレンズ１３は、焦点距離が短く、ＮＡが大きいため、結果的にワーキングデスタンスが小さくなって、半導体レーザの構造や配置の仕方に制約がでるが、屈折率が大きいと同じ焦点距離でもワーキングデスタンスを大きくとることができる利点がある。
【００３６】
アサーマル化した樹脂とは、プラスチック樹脂に無機粒子等の微粉末を混合させることで、屈折率の温度依存性を低くしたものである。プラスチック樹脂は一般に温度が上昇することで屈折率が低下する温度特性を有する一方、特定の無機粒子では温度が上昇すると屈折率が上昇する温度特性を有することが知られており、両者を混合させて両者の性質を打ち消しあうように作用させ、屈折率変化が生じないようにする。レンズの母材となるプラスチック樹脂に３０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１０〜１５ｎｍの無機粒子を分散させることで、屈折率の温度依存性がないかまたはきわめて低いレンズを提供できる。
【００３７】
アサーマル化した樹脂として、例えばアクリル樹脂に酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）の微粒子を分散させた材料等がある。この場合、アクリル樹脂と酸化ニオブの体積比は、例えば８０：２０であるが、９０：１０から４０：６０までの間で適宜調整可能である。９：１よりも少ないと温度変化抑制の効果が小さくなり、逆に２：３を越えると樹脂の成形性に問題が生じるために好ましくない。また、微粒子は無機物が好ましく、さらに酸化物が好ましい。酸化物の場合、酸化状態が飽和していて、それ以上酸化しない酸化物であることが好ましい。無機物であることは、高分子有機化合物であるプラスチック樹脂との反応を低く抑えられるために好ましく、また酸化物であることで使用に伴う劣化を防止できる。特に、高温化や、レーザ光を照射されるという過酷な条件において、酸化が促進され易くなるが、このような無機酸化物の微粒子であれば、酸化による劣化を防ぐことができる。また、その他の要因による樹脂の酸化を防止するために、酸化防止剤を添加することも勿論可能である。また、母材となるプラスチック樹脂は、特願２００２−３０８９３３号、特願２００２−３０９０４０号、特願２００２−３０８９４６号等に記載されているような樹脂を適宜好ましく採用できる。
【００３８】
〈第２の実施の形態〉
【００３９】
図２は第２の実施の形態による光学系を概略的に示す図である。図３は図２のレンズ１５の光学面に形成した回折構造を示す平面図（ａ）及びＢ−Ｂ線方向に切断して見た断面図（ｂ）である。
【００４０】
図２の光学系は、図１と同様に発光部１１からの光が２枚のレンズ１３，１５を介して光ファイバ１６の端面１７に入射し、更に光ファイバ１６の端面１７から出射した光が２枚のレンズ１５，１４を介して受光部１２に入射するように構成したものである。図２において図１と同じ部分には同じ符号を付け、その説明は省略する。
【００４１】
図２の光学系では、レンズ１５のレンズ１３側の光学面１５ａに回折構造としてエシュロン回折格子１８が形成されている。レンズ１５の光学面１５ａには、図３（ａ）のように、エシュロン回折格子１８が縞状に形成されている。エシュロン回折格子１８は、図３（ｂ）の断面図のように、エシュロン階段格子が例えば階段状に繰り返して形成されている。エシュロン回折格子１８は、図３（ｂ）のように、例えば、段数が４であり、全体の高さＨを１５μｍ、全体の幅Ｗを３８μｍに設定できる。
【００４２】
図２の光学系には、図１の発光系に加えて、受光系としてフォトダイオードから構成された受光部１２と、受光部１２の受光面１２ａに結像させるレンズ１４とが配置されている。光ファイバ１６の端面１７からの光がレンズ１５の光学面１５ａのエシュロン回折格子１８で回折されて光路が光軸ｐに対し折り曲げられて受光部１２の受光面１２ａに結像するようになっている。
【００４３】
受光部１２側に配置されるレンズ１４は、光学用樹脂や温度や湿度等の環境変化に対し屈折率の変化が少ない光学ガラスから構成されるが、上述と同様の材料を用いることができる。レンズ１４のＮＡは、例えば、０．２であり、０．０５乃至０．８の範囲内であることが好ましい。
【００４４】
図２の光学系において、発光部１１から出射した波長λ１０（例えば、１．３１μｍ）の光は、カップリングレンズ１３を介してエシュロン回折格子１８を通過するが、エシュロン回折格子１８で回折されない光（０次光）が出射光としてレンズ１５により端面１７に集光され、光ファイバ１６内で導波される。
【００４５】
また、光ファイバ１６から送られて端面１７から出射した光がレンズ１５を介してエシュロン回折格子１８で回折され、波長λ１（例えば、１．４９μｍ）の例えば１次回折光が光軸ｐから曲がりレンズ１４を介して受光部１２に入射する。
【００４６】
図２の光学系を光信号の送信及び受信のための光双方向の光通信装置に適用した場合、発光部１１から所定の信号に基づき変調された例えば波長１．３１μｍのレーザ光が出射し、光学系を介してその光信号が光ファイバ１６を通して外部へと送信される一方、光ファイバ１６から送られてきて端面１７から出射した光が光学系を介し例えば波長１．４９μｍの１次回折光となって受光部１２の受光面１２ａに結像し電気信号に変換される。なお、光通信装置は、図２の光学系が全体としてケース内に収容されて遮光状態で使用され、外部に延びる光ファイバ１６が光通信システムの光ケーブル網に接続可能である。
【００４７】
図２，図３の光学系によれば、複数のレンズの内のＮＡの大きいレンズ１３、１４を温度や湿度等の環境変化に対し屈折率の変化が少ない光学ガラスから構成することで、温度変動等の環境変化が生じても結合効率が低下せず、ＮＡの小さいレンズ１５を比較的低コストのプラスチック材料から構成でき、部品コストを低減でき、また、光通信装置において安定した通信が可能なり、光通信装置のコスト減に寄与できる。
【００４８】
また、光ファイバ１６側のレンズ１５をプラスチック材料から構成したので、図３のエシュロン回折格子１８のような微細構造を有する回折構造を金型成形により、レンズ１５と一体に精度よくかつ低コストで形成できる。
【００４９】
また、図２の光学系を含む光通信装置は、波長分割多重方式による波長の異なる光信号を伝送する光通信システムに適用可能であり、光ファイバ１６が光通信システムの光ケーブル網に接続される一方、光通信装置の端子（図示省略）が例えばルータ等の接続機器の差込口に差し込まれ、パソコン等と接続される。このようにして、図２の光学系を含む光通信装置により波長の異なる光信号が同じ光ファイバ１６内で上り及び下りの双方向に伝送されることで、パソコン等によりインターネット等を介して送受信の通信を行うことができる。
【実施例】
【００５０】
図１の光学系について実施例により更に具体的に説明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。
【００５１】
図１において、カップリングレンズ１３の焦点距離が０．９ｍｍ、波長λが１．３１μｍで、ＮＡ０．６５での波面収差が０．０３６λＲＭＳであり、ＮＡ０．６５以下であれば充分に使用可能である。レンズ１５の焦点距離が３．５６ｍｍで、レンズ１５のＮＡ０．１で光ファイバ１６のコア径が１０μｍである。また、レンズ１５と発光部１１の前面１１ａとの間のワーキングデスタンスＷが０．３２ｍｍ、レンズ１３と１５との距離Ｌが４５ｍｍであり、レンズ１３と１５との間における光ビーム径が１．２２ｍｍである。
【００５２】
図１の光学系において、上述の条件でレンズ１５をプラスチックレンズ（Ｐ）、レンズ１３を光学ガラスレンズ（Ｇ）として全体の結合効率を求めた。この場合、温度を変化させ、常温（２５℃）を基準にした温度変化と結合効率の関係（ＧＰ）を図４に示す。図４には、比較例としてレンズ１３，１５をともにプラスチックレンズ（Ｐ）とし、常温（２５℃）からの温度変化と結合効率の関係（ＰＰ）を併せて示す。
【００５３】
図４から、レンズ１３，１５をともにプラスチックレンズとした比較例（ＰＰ）に比べて、レンズ１５をプラスチックレンズ、レンズ１３を光学ガラスレンズとした実施例（ＧＰ）の方が温度変動による結合効率の低下の度合いが低く、温度変動による影響が少ないことが分かる。
【００５４】
〈第３の実施例〉
【００５５】
第３の実施例は、図２の光学系において回折構造が形成されたレンズ１５の光学面１５ａで入射光領域と出射光領域とがそれぞれ一部で重なり合って回折構造を有する共用領域を形成し、入射光領域の少なくとも一部が回折効率の比較的大きい回折構造を有するようにしたものである。
【００５６】
図１の発光部１１からの出射光及び受光部１２への入射光がレンズ１５の光学面１５ａにおいて占める各領域について図５乃至図９を参照して説明する。
【００５７】
図５は図２の要部配置構成及びその座標系を示す概略図である。図６は図２の光ファイバの傾斜した端面を説明するための要部側面図である。図７は図５の発光部と各理想レンズと光ファイバの傾斜した端面との配置関係を示す概略図である。図８は図２のレンズ１５の光学面１５ａにおける出射光領域と入射光領域を概略的に示す平面図である。
【００５８】
図５において図２の各レンズ１３，１５は、けられや収差のない理想的なレンズと仮定し、発光部１１であるレーザ半導体（ＬＤ）はレンズ１３の焦点位置に位置し、光ファイバ１６を最も結合効率の高い位置に設置する。
【００５９】
次に、図６のように、光ファイバ１６の端面１７は傾斜しており、端面１７の傾斜角を例えば６°とすると、光ファイバ１６の等価屈折率ｎを例えば１．４６８２とすると、光ファイバ１６からは、次式（１）から得られるように、光ファイバ１６から光軸ｐに対し２．８２８°だけ斜めに光が進む。
【００６０】
ｓｉｎ−１(１．４６８２×ｓｉｎ(６°))−６°＝２．８２８°    （１）
【００６１】
一方、図７を参照して、発光部１１の半導体レーザ（ＬＤ）からのレーザ光は、図５のｘ方向（図７の紙面垂直方向）における広がり角θｘ及び図５のｙ方向（図７の紙面上下方向）の広がり角θｙ（半幅）を持ち、焦点距離ｆ０にあるレンズ１３で平行光となると、その光束は、次の式（２）、（３）の大きさの楕円形となる。
【００６２】
Ｒｘ＝ｆ０・ｔａｎ(θｘ)    （２）
【００６３】
Ｒｙ＝ｆ０・ｔａｎ(θｙ)    （３）
【００６４】
この光束が、図６の光ファイバ１６の２．８２８°の傾斜角に対応した角度θ０で端面１７に入射するには、レンズ１５においてレンズ１５の中心から次の式（４）から求められるｙ０だけ方向ｙに離れた位置を前記平行光の光軸が通過するように、発光部１１及びレンズ１３を光軸ｐに対し平行にずらす。
【００６５】
ｙ０＝ｆ１・ｔａｎθ０    （４）
但し、ｆ１は光ファイバ側のレンズ１５の焦点距離である。
【００６６】
従って、半導体レーザ（ＬＤ）からのレーザ光（出射光）が光ファイバ側のレンズ１５上で形成する影（出射光領域）は、次式（５）を満たす楕円形の領域となる。
【００６７】
(ｘ／Ｒｘ)２＋((ｙ−ｙ０)／Ｒｙ)２≦１    （５）
【００６８】
また、光ファイバ１６の端面１７から出た受光部１２に向かう入射光が光ファイバ側のレンズ１５上で形成する影（入射光領域）は、次式（６）を満たす半径ｒの円形の領域となる。
【００６９】
ｘ２＋(ｙ−ｙ０)２≦ｒ２    （６）
【００７０】
なお、半導体レーザ（ＬＤ）が形成する楕円形の光束よりも半導体レーザ（ＬＤ）側のレンズ１３の有効径（半径ｒ１）が小さい場合には、けられが発生するため、出射光領域は、上述の式（５）と（６）（ｒ＝ｒ１）の両方を満たす領域となる。
【００７１】
上述の結果から分かるように、レンズ１３とレンズ１５との間の回折構造のある光学面１５ａにおいて上記式（５）による楕円形状の出射光領域と、上記式（６）による入射光領域とが形成されるが、出射光領域と入射光領域とは、完全に一致せずかつ一方が他方に含まれることがなくそれぞれの領域に専用領域があるように形成され得る。
【００７２】
即ち、図８に示すように、例えば図１の発光部１１側の光学面１５ａには、略楕円形状の出射光領域１と、略円形状の入射光領域２が形成され、出射光領域１の一部と入射光領域２の一部とが重なり合い、共用領域Ｃを形成している。
【００７３】
従って、出射光領域１は、共用領域Ｃと、発光部１１からの光である出射光のみが通過する出射光専用領域Ｂと、から構成される。また、入射光領域２は、共用領域Ｃと、受光部１２に向かう入射光のみが通過するように共用領域Ｃの両側に略三日月状の入射光専用領域Ｄと、から構成される。
【００７４】
次に、図８の光学面１５ａに各領域Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対応して形成する異なる回折構造について図９乃至図１１を参照して説明する。
【００７５】
図９は、図８の光学面１５ａの各領域Ａ乃至Ｄに形成される複数の回折構造と回折無領域との組合せ（８種類）を示す表である。図１０は、図８の光学面１５ａに形成したブレーズ回折構造とエシュロン回折構造を部分的にかつ概略的に示す側断面図である。図１１は、図１０のブレーズ回折構造とエシュロン回折構造を概略的に示す断面斜視図である。
【００７６】
図８，図９に示すように、組み合わせ１では、入射光専用領域Ｄをブレーズ回折構造に形成し、入射光専用領域Ｄ以外はエシュロン回折構造に形成している。即ち、入射光専用領域Ｄが比較的回折効率の高いブレーズ回折構造であり、共用領域Ｃと出射光専用領域Ｂと領域Ｂ、Ｃ、Ｄ以外の光学面１５ａ内の領域Ａとがブレーズ回折構造よりは回折効率の低いエシュロン回折構造である。
【００７７】
図１０，図１１に示すように、ブレーズ回折構造４は、傾斜が比較的急で面積の小さい傾斜面４ａと、傾斜が比較的緩やかで面積の大きい傾斜面４ｂとが所定ピッチｔ及び所定高さｈで繰り返し形成されて構成されている。また、エシュロン回折構造５は、それぞれ所定幅ｓと所定深さｄからなる複数の段差が繰り返し形成されて構成されている。
【００７８】
また、図１０，図１１のように、ブレーズ回折構造４とエシュロン回折構造５の境界では、ブレーズ回折構造４の傾斜が比較的緩やかで面積の大きい傾斜面４ｂの傾斜方向と、エシュロン回折構造５の各段差が落ち込む方向とが同じ向きであるように形成されている。
【００７９】
以上のように、従来までは光強度の大きい発光部１１からの出射光が光強度の小さい受光部１２への入射光に対し悪影響を与え易かったのであるが、上述の光学面１５ａのあるレンズ１５を含む図２の光学系によれば、回折効率の比較的大きいブレーズ回折構造が形成された入射光専用領域Ｄにより受光部１２への入射光の回折光の効率を大きくできるので、入射光に関する回折効率を相対的に高めることができ、入射光と出射光との光学的なクロストークによる影響を低減することが可能となる。
【００８０】
一方、回折効率の比較的小さいエシュロン回折構造による出射光領域１により発光部１１からの出射光の効率が低下しても、出射光は発光部１１の電流制御等により光強度の制御が可能であるので、さほど問題とならない。
【００８１】
また、出射光は、発光部１１がファブリ・ペロー半導体レーザであるため波長変動が大きい場合でも、０次光を用いるので、波長変動による影響を抑えることができる。また、ファブリ・ペロー半導体レーザは低コストであるので、光通信装置のコスト減に寄与できる。
【００８２】
また、図８，図９のように、レンズ１５の光学面１５ａの各領域Ａ乃至Ｄに形成される複数の回折構造と回折無領域との組み合わせは、組み合わせ１に限定されずに、他の組み合わせ２〜８であってもよい。
【００８３】
即ち、組み合わせ２では、共用領域Ｃと出射光専用領域Ｂ（即ち、出射光領域１）をエシュロン回折構造とし、それ以外の領域Ａ及び入射光専用領域Ｄをブレーズ回折構造にしている。これにより、光学面１５ａの加工が容易となり、また、入射光の回折効率を向上できる。
【００８４】
また、図９の組み合わせ３では、共用領域Ｃをエシュロン回折構造とし、出射光専用領域Ｂを回折構造を形成しない回折無領域とし、それ以外の領域Ａ及び入射光専用領域Ｄをブレーズ回折構造にしている。これにより、出射光の効率を向上できる。
【００８５】
また、図９の組み合わせ４では、出射光専用領域Ｂを回折構造を形成しない回折無領域とし、それ以外の領域Ａ，Ｃ，Ｄをブレーズ回折構造にしている。これにより、組み合わせ１よりも出射光の効率を向上できる。
【００８６】
更に、組み合わせ５，６，７，８では、それぞれ図９の組み合わせのように各領域Ａ乃至Ｄの各回折構造及び回折無領域を決めている。
【００８７】
次に、図１０，図１１に示すブレーズ回折構造及びエシュロン回折構造を図８，図９の組み合わせ１で配置したレンズの作製法について図１２を参照して説明する。図１２は、図２，図８〜図１１のレンズを電子ビーム描画法により作製する手順（ａ）乃至（ｃ）を説明するための図である。
【００８８】
なお、電子ビーム描画法とは、本発明者等が、例えば、先に特願２００２−２４９６１４で提案したように、回折格子のような光学素子等の面上に所望の描画パターンを電子ビームによる３次元描画でサブミクロンオーダーの高精度で形成できるものである。
【００８９】
まず、図１２（ａ）のように、母型となる円柱状の樹脂材料からなる基材８０について基材８０の外径８１を基準として外周面８０ａを切削加工し、誤差０．５μｍ以下の精度で中心だしを行い、次に、切削加工で基材８０の一端面の円形平面８２を平面加工する。
【００９０】
次に、図１２（ｂ）のように、切削加工で外周面８０ａを基準として同心円線８３を加工してから、同心円線８３を基準として平面８２の中心を合わせ、電子ビーム描画によって回折格子パターンをレジスト上に形成する。必要に応じてＸ−Ｙ軸を決めるためのマークを加工する。この場合、レジスト厚さは例えば２μｍ程度である。
【００９１】
上述のようにして作製された基材８０には、図１２（ｃ）の平面図のように、平面８２上の円形８４内に図８，図９の組み合わせ１の回折格子構造に対応した回折パターンがレジストに形成される。
【００９２】
次に、プラズマシャワー等によるドライエッチングで、電子ビーム描画により形成されたレジストの回折格子パターンをマスクとして基材８０を加工する。このドライエッチングにより、基材８０上に回折格子パターンが転写される。
【００９３】
次に、ドライエッチングで成形した基材を母材として、電鋳金型を作製し、その金型によりプラスチック材料で成形を行うことで、図８，図９の組み合わせ１の回折格子構造のあるレンズを精度よくかつ低コストで得ることができる。なお、基材を直接、母型金型として回折レンズを押圧成形するようにしてもよい。
【００９４】
なお、図３のエシュロン回折格子１８も図１２（ａ）乃至（ｃ）と同様の工程によりレンズ１５の光学面１５ａに形成することができる。
【００９５】
以上のように本発明を実施するための最良の形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図２の光学系において、発光部１１とカップリングレンズ１３の発光系を省略し、受光系の光学系としてもよく、その受光系の光学系を含む光通信装置は、例えば光信号を受信する光通信システムに適用可能である。
【００９６】
また、図１、図２の光学系において、発光部１１や受光部１２の代わりに、別の光ファイバを配置した光学系を構成し、かかる光学系を含む光通信装置を光通信システムにおいて中継局的に用いることができる。
【００９７】
また、図８〜図１１では、レンズ１５の発光部１１側の光学面１５ａに各回折構造を形成したが、反対の光ファイバ１６側の光学面に形成してもよく、また、ある領域の回折構造を光学面１５ａに形成し、別の領域の回折構造を反対側の光学面に形成してもよい。また、各回折構造を、回折格子として別の光学素子に形成し、その回折格子をレンズ１５の近傍に配置してもよい。
【００９８】
また、図２の光学系では受光部１２を、図１３のように、アレー状に並べられた複数の受光部１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに分割し、波長の異なる３つの光が入射したときに、レンズ１５の光学面１５ａにおける図３または図８，図９のような回折構造による回折角度の異なる回折光がその回折角度に応じて各受光部１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに入射するように構成してもよい。
【００９９】
図１３の構成の光学系を適用した光通信装置では、光多重信号の各波長は、例えば、発光部１１からの出射光波長λ１０が１．３１μｍであり、光ファイバ１６の端面１７から入射する光の波長がλ０＝１．４７μｍ、λ１＝１．４９μｍ、λ２＝１．５１μｍであるが、かかる波長の異なる複数の光信号を各受光部１２ｂ〜１２ｄで別々に受光できる。このように下り波長多重（ＷＤＭ）通信を行うことで、各波長の光信号に乗せられた種々のデータ、例えば、デジタルテレビ放送、動画、静止画、音声、デジタルデータ通信などを一本の光ファイバを通して受信できる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】第１の実施の形態による光学系を概略的に示す図である。
【図２】第２の実施の形態による光学系を概略的に示す図である。
【図３】図２のレンズ１５の光学面に形成した回折構造を示す平面図（ａ）及びＢ−Ｂ線方向に切断して見た断面図（ｂ）である。
【図４】本実施例において図１のレンズ１５をプラスチックレンズ（Ｐ）、レンズ１３を光学ガラスレンズ（Ｇ）として全体の結合効率を求め、温度を変化させ、常温（２５℃）を基準にした温度変化と結合効率の関係（ＧＰ）を示す図である。比較例としてレンズ１３，１５をともにプラスチックレンズ（Ｐ）とし、常温（２５℃）からの温度変化と結合効率の関係（ＰＰ）を併せて示す。
【図５】図２の要部配置構成及びその座標系を示す概略図である。
【図６】図５の光ファイバの傾斜した端面を説明するための要部側面図である。
【図７】図５の発光部と各理想レンズと光ファイバの傾斜した端面との配置関係を示す概略図である。
【図８】図２のレンズ１５の光学面１５ａにおける出射光領域と入射光領域を概略的に示す平面図である。
【図９】図８のレンズ１５の光学面１５ａの各領域Ａ乃至Ｄに形成される複数の回折構造と回折無領域との組合せ（８種類）を示す表である。
【図１０】図８のレンズ１５の光学面１５ａに形成したブレーズ回折構造とエシュロン回折構造を部分的にかつ概略的に示す側断面図である。
【図１１】図１０のブレーズ回折構造とエシュロン回折構造を概略的に示す断面斜視図である。
【図１２】図８〜図１１の回折構造を持つレンズを電子ビーム描画法により作製する手順（ａ）乃至（ｃ）を説明するための図である。
【図１３】図２の受光素子の受光部の変形例を概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１１ 発光部
１１ａ 前面
１２ 受光部
１２ａ 受光面
１２ｂ〜１２ｄ 各受光部
１３ カップリングレンズ
１４ レンズ
１５ レンズ
１５ａ 光学面
１６ 光ファイバ
１７ 端面
１８ エシュロン回折格子
１ 出射光領域
２ 入射光領域
４ ブレーズ回折構造
５ エシュロン回折構造
Ａ 領域Ｂ，Ｃ，Ｄ以外の領域
Ｂ 出射光専用領域
Ｃ 共用領域
Ｄ 入射光専用領域
ＷＤ ワーキングデスタンス
【図１】
2005284065.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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