(57)【要約】 【課題】  使用波長域が広帯域にわたる場合にも、レンズ特性の波長依存性が小さいレンズ系を提供する。【解決手段】  光源から射出した光束をコリメートビームあるいは収束ビームに変換するためのレンズ系において、複屈折物質を用いた凸レンズであるレンズ１と、磁性ガーネット厚膜を用いた凹レンズであるレンズ２とを組み合わせてなるレンズ系である。そのとき複屈折物質はＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＸＶＯ４（ＸはＹ、Ｌａ、Ｇａ、Ｌｕ、Ｅｕのいずれか）、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３のうちから選ばれる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
射出された光束をコリメートビーム又は収束ビームに変換するためのレンズ系において、複屈折物質を用いた凸レンズを少なくとも１枚有し、かつ磁性ガーネット厚膜を用いた凹レンズを少なくとも１枚有することを特徴とするレンズ系。
【請求項２】
請求項１記載のレンズ系において、前記複屈折物質はＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＸＶＯ４（ＸはＹ、Ｌａ、Ｇａ、Ｌｕ、Ｅｕのいずれか）、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３のうちから選ばれたことを特徴とするレンズ系。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載のレンズ系において、光路に沿って順次、複屈折物質を用いた第１の凸レンズ、磁性ガーネット厚膜を用いた凹レンズ、複屈折物質を用いた第２の凸レンズを配置してなることを特徴とするレンズ系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレンズ機能を有する光学素子を組み合わせてなるレンズ系に関し、特に光源から射出した光束をコリメートビーム又は収束ビームに変換すると共に光機能素子として動作するか又は別の光導波路に入射結合させるのに適したレンズ系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、本用途のレンズ系では、光学硝子を射出成形により非球面形状に加工した非球面レンズ、ボールレンズ、あるいは円筒状のガラス内部に光の進行方向あるいは半径方向に屈折率分布を付与した屈折率分布型レンズが用いられている。例えば、特許文献１に開示されているようなレンズ系がある。図５は従来例として、このレンズ系を示した断面図である。図５において、１２２は屈折率分布型ロッドレンズ、１２３は単一モードファイバ、１２４はキャピラリ、１２５はガラスチューブである。図５において、屈折率分布型ロッドレンズ１２２に入射したビームは、屈折率分布型ロッドレンズ１２２の内部の屈折率分布で収束され、収束ビームとなって屈折率分布型ロッドレンズ１２２を射出する。射出した収束ビームは、キャピラリ１２４に支持された単一モードファイバ１２３に結合する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２１５３９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら従来技術には、以下に示すような問題点があった。非球面レンズ、屈折率分布型レンズ、ボールレンズ等に用いられる光学硝子には、透過する光の波長に依って屈折率が変化する分散特性があり、この為、波長に依ってレンズの焦点距離が異なるという特性があった。
【０００５】
使用波長帯域が狭い場合には問題とならない場合が多いが、近年提案されているＣＷＤＭ（Coarce Wavelength Division multiplexing）においては、１２６０ｎｍ〜１６２５ｎｍの波長帯域を１８のチャンネルに波長分割し、多重化する方式が提案されている。
【０００６】
このような場合、例えば短波長側の１２６０ｎｍと、長波長側の１６２５ｎｍにおいては、レンズの焦点距離及び焦点位置が大きくずれる。例えば光学硝子であるＨＯＹＡ株式会社製のＴａＦ３を材質とした、直径４ｍｍのボールレンズを使用した場合、その焦点距離と焦点位置は表１のとおりになる。
【０００７】
【表１】
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【０００８】
この場合、焦点距離及び焦点位置が１０μｍ程異なる結果となる。このように、焦点位置及び焦点距離が異なる場合、同時に広帯域の波長の光をレンズに入射すると、波長に依って光束の収束位置が異なることとなり、レンズを用いてシングルモードファイバなどの光源に光ビームを結合させる場合、結合効率に波長依存性が出るなどの問題点があった。
【０００９】
本発明は、従来技術の有するこのような問題点を解決し、使用波長域が広帯域にわたる場合に於いても、レンズの特性の波長依存性が小さい、レンズ系を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記に鑑みてなされ、第１の発明のレンズ系は、射出された光束をコリメートビーム又は収束ビームに変換するためのレンズ系において、複屈折物質を用いた凸レンズを少なくとも１枚有し、かつ磁性ガーネット厚膜を用いた凹レンズを少なくとも１枚有することを特徴とする。
【００１１】
第２の発明のレンズ系は、第１の発明のレンズ系において、前記複屈折物質はＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＸＶＯ４（ＸはＹ、Ｌａ、Ｇａ、Ｌｕ、Ｅｕのいずれか）、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３のうちから選ばれたことを特徴とする。
【００１２】
第３の発明のレンズ系は、第１又は第２の発明のレンズ系において、光路に沿って順次、複屈折物質を用いた第１の凸レンズ、磁性ガーネット厚膜を用いた凹レンズ、複屈折物質を用いた第２の凸レンズを配置してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、複屈折物質の凸レンズと、ガーネット厚膜の凹レンズを組み合わせてレンズ系を構成したので、使用波長域が広帯域にわたる場合にも、レンズ特性の波長依存性が小さいレンズ系を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図表によって説明する。図１は、本発明のレンズ系の構成を示す光学的な模式図である。図１において、１は複屈折結晶で作られた凸面のレンズであり、２は磁性ガーネット厚膜で作られた凹面のレンズである。
【００１５】
レンズを構成する材料の波長分散性が原因で、波長によって焦点位置が異なる現象は色収差と呼ばれるが、これは以下のような形となる。レンズ１とレンズ２の焦点距離を各々ｆ１、ｆ２とする。また、材料の分散を示す指標として、アッベ数を用いる。アッベ数νは元々、可視光域での分散を表す為に定義された指標であるが、ここでは以下の式（１）のように定義する。
【００１６】
ν＝（ｎ1440−１）／（ｎ1260−ｎ1625）  ・・・（１）
ｎ1440：波長１４４０ｎｍでの屈折率，
ｎ1260：波長１２６０ｎｍでの屈折率，
ｎ1625：波長１６２５ｎｍでの屈折率
【００１７】
式（１）に従い、レンズ１のアッベ数をν１、レンズ２のアッベ数をν２とする。波長１２６０ｎｍと、波長１６２５ｎｍにて色収差による焦点位置のずれが無いようにするには、以下の式（２）が成り立つように、焦点距離ｆ１及びｆ２と、アッベ数ν１及びν２を決めればよい。
【００１８】
１／（ν１ｆ１）＋１／（ν２ｆ２）＝０  ・・・（２）
【００１９】
色収差を除去する為には、通常アッベ数の大きな材料を焦点距離が正の値を取るレンズ１に用い、アッベ数の小さな材料を焦点距離が負の値を取るレンズ２に用いる。レンズ１に用いられる複屈折結晶と、レンズ２に用いられる磁性ガーネット厚膜のアッベ数とを比較すると、複屈折結晶のアッベ数は１００前後であり、磁性ガーネット厚膜は６７程度であるので、複屈折結晶を、正の焦点距離を有するレンズ１に用い、磁性ガーネット厚膜を、負の焦点距離を有するレンズ２に用いることとなる。
【００２０】
以上の色収差補正の為のレンズ系の設計については、例えば、「ユーザーエンジニアのための光学入門」（オプトロニクス社、１９９０年発行）に詳しい。
【００２１】
このような構成を取ることにより、単一の材料を用いて製作されたレンズ系に比べて、色収差を軽減させ、広波長帯域で使用する場合にも、色収差の影響による過剰損失の波長依存性が小さいレンズ系を提供することが可能になるものである。
【実施例１】
【００２２】
図２は、本発明の実施例１であるレンズ系の構成を示す断面図である。なお光学図面の慣例より、ハッチングは省略してある。図２において、１１は複屈折結晶であるＴｉＯ２（ルチル）で作られた凸面のレンズであり、その形状は以下の表２の通りになっている。また１２は磁性ガーネット厚膜でつくられた凹面のレンズであり、その形状は表２の通りになっている。１３は複屈折結晶であるＴｉＯ２（ルチル）で作られた凸面のレンズであり、その形状は表２の通りになっている。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
また１４は、磁性ガーネット厚膜に磁場を印加する為の永久磁石であり、鉄酸化物とバリウムを主原料とする磁石である。
【００２５】
レンズ１１においては、ルチルの光学軸は紙面に平行な面内で、レンズ系の対称軸と４７．８度を成す方向に指向している。またレンズ１３においては、ルチルの光学軸は、レンズ１１における光学軸の方位から、レンズ系の対称軸を回転軸とし、ビームの入射方向から見て時計回り方向に４５度回転させた方位に指向している。またレンズ１２において、磁性ガーネット厚膜はファラデー効果により、入射したビームの偏波方向を、ビームの入射方向から見て４５度回転させる作用を有する。
【００２６】
次に、図２に基づき、実施例１の作用を説明する。レンズ１１に入射した平行ビームは、レンズ１１、レンズ１２、レンズ１３の順に透過し、収束光となってレンズ１３を射出する。
【００２７】
表３は、本実施例１のレンズ系の各波長における焦点位置の値を示したものである。比較の為に、ＨＯＹＡ株式会社の光学ガラスＳＦ５８を用いて、本実施例のレンズ系と同一焦点距離２ｍｍのボールレンズを製作した場合の焦点位置を示す。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
表３に示されるように、本実施例１のレンズ系は従来の光学硝子を用いたレンズに比べて、波長の違いによる焦点位置のずれが少なく、よって焦点位置のずれに起因する過剰損失の発生、すなわち過剰損失の波長依存性の発生を抑えることが出来るものである。
【００３０】
加えて本実施例１においては、レンズ１１及びレンズ１３が複屈折結晶で出来ており、またレンズ１２は磁性ガーネット厚膜で出来ている為に、偏光依存型の光アイソレータとして動作する。
【００３１】
まずレンズ１１側から、レンズ１１を構成するルチルにとって常光となるビームが、レンズ１１の対称軸に沿って入射する場合を考える。レンズ１１内部においては、ビームは常光成分である為、レンズ１１内部を直進し、磁性ガーネット厚膜で形成されたレンズ１２の内部で、偏波方向を４５度回転される。レンズ１２を射出したビームは、レンズ１３に入射する。レンズ１３を形成するルチルの光学軸は、レンズ１１を形成するルチルの光学軸に対して４５度回転されているが、入射ビームの偏光方向も、レンズ１２の内部によってやはり４５度回転されている為、レンズ１１を常光として透過したビームは、レンズ１３についても常光として透過する。すなわちレンズ１３内部を直進し収束光となって射出、焦点位置近傍に収束する。
【００３２】
次に、レンズ１３側から、ビームが入射した場合を説明する。レンズ１３に入射した光束は、レンズ１３にて２つの光束に分離される。すなわち、レンズ１３を構成するルチルにとり常光として伝搬する成分と、異常光として伝搬する成分とに分離される。常光としての成分は、レンズ１３内部を直進するが、異常光成分は、レンズ１３内部を伝搬する間にウォークオフを生じ、レンズ１２射出時には光軸から０．１ｍｍ離れた位置に達する。
【００３３】
この互いに直交する偏波成分を有する２つの光束は、レンズ１２に入射するが、ここで偏波方向は、レンズ１２を構成する磁性ガーネット厚膜が有するファラデー効果により、偏波方向を反時計回りに４５度回転させられる。
【００３４】
レンズ１２を射出した光束は、レンズ１１に入射するが、ここでレンズ１１を形成するルチルの光学軸の方向は、光束の進行方向から見ると、レンズ１３の光学軸の方向から時計回りに４５度回転した方位にある為に、
（１）レンズ１３を常光として透過した光束は、レンズ１１においては異常光として、
（２）レンズ１３を異常光として透過した光束は、レンズ１１においては常光として、透過することになる。
【００３５】
このようにレンズ１３を常光として透過した光束は、レンズ１１を異常光として透過する為に、レンズ１１の内部でウォークオフを生じ、レンズ１１を射出するときには、レンズ系の対称軸から０．１ｍｍ離間した位置にて射出することとなる。またレンズ１３を異常光として透過した光束は、レンズ１１を常光として透過する為に、レンズ１１の内部ではウォークオフを生じないが、既にレンズ１３内部でウォークオフを生じている為に、レンズ系の対称軸から０．０９３ｍｍ離間した位置にて射出することとなる。レンズ１３から射出した光束は、レンズ系の焦点位置近傍に収束するが、ここでは、
（１）レンズ１３を常光として透過し、レンズ１１を異常光として透過した光束は、レンズの対称軸から６２μｍ離間した位置に収束し、
（２）レンズ１３を異常光として透過し、レンズ１１を常光として透過した光束は、レンズの対称軸から４２μｍ離間した位置に収束することとなる。
【００３６】
以上の光束の経路は、本来の光束の伝搬からは逆方向の経路であり、例えば光源にレーザーダイオードを用いた場合に、伝搬経路の途中で反射する等して、戻り光となった光束が、レーザーダイオードに戻ってレーザーダイオードの発振を不安定にするのを防止することが出来る。
【実施例２】
【００３７】
図３は、本発明の実施例２であるレンズ系の構成を示す断面図である。なお光学図面の慣例より、ハッチングは省略してある。図３において、２１は複屈折結晶であるＬｉＮｂＯ３で作られたレンズである。２２は磁性ガーネット厚膜で作られたレンズである。２３は複屈折結晶であるＬｉＮｂＯ３で作られたレンズである。その形状は以下の表４の通りとなっている。
【００３８】
【表４】
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【００３９】
また２４は、磁性ガーネット厚膜に磁場を印加する為の永久磁石であり、希土類元素であるサマリウムとコバルトを主成分とする磁石である。
【００４０】
レンズ２１においては、ＬｉＮｂＯ３の光学軸は紙面に平行な面内で、レンズ系の対称軸と４４度を成す方向に指向している。またレンズ２３においては、ＬｉＮｂＯ３の光学軸は、レンズ２１における光学軸の方位から、レンズ系の対称軸を回転軸とし、ビームの入射方向から見て時計回り方向に４５度回転させた方位に指向している。
【００４１】
またレンズ２２において、磁性ガーネット厚膜はファラデー効果により、入射したビームの偏波方向を、ビームの入射方向から見て４５度回転させる作用を有する。
【００４２】
次に、図３に基づき、本実施例２のレンズ系の作用を説明する。レンズ２１に入射した平行ビームは、レンズ２１、レンズ２２、レンズ２３の順に透過し、収束光となってレンズ２３を射出する。表５は、本実施例２のレンズ系の各波長における焦点位置の値を示したものである。比較の為に、ＨＯＹＡ株式会社の光学ガラスＳＦ５８を用いて、焦点距離２ｍｍのボールレンズを製作した場合の焦点位置を示す。
【００４３】
【表５】
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【００４４】
表５に示されるように、本実施例２のレンズ系は従来の光学硝子を用いたレンズに比べて、波長の違いによる焦点位置のずれが少なく、よって焦点位置のずれに起因する過剰損失の発生、すなわち過剰損失の波長依存性の発生を抑えることが出来るものである。
【００４５】
さらに本実施例２においても、本レンズ系はアイソレータとして動作するが、動作原理は実施例１と同様であるので説明を省略する。
【実施例３】
【００４６】
図４は、本発明の実施例３であるレンズ系の構成を示す断面図である。なお光学図面の慣例より、ハッチングは省略してある。図４において、３１は複屈折結晶であるＹＶＯ４で作られたレンズであり、３２は磁性ガーネット厚膜で作られたレンズであり、３３は複屈折結晶であるＹＶＯ４で作られたレンズである。またその形状は、表６の通りである。さらに、３４は磁性ガーネット厚膜に磁場を印加する為の永久磁石であり、鉄とコバルトを主成分とする磁石である。
【００４７】
【表６】
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【００４８】
レンズ３１においては、ルチルの光学軸は紙面に平行な面内で、レンズ系の対称軸と４７．８度を成す方向に指向している。またレンズ３３においては、ルチルの光学軸は、レンズ３１における光学軸の方位から、レンズ系の対称軸を回転軸とし、ビームの入射方向から見て時計回り方向に４５度回転させた方位に指向している。またレンズ３２において、磁性ガーネット厚膜はファラデー効果により、入射したビームの偏波方向を、ビームの入射方向から見て４５度回転させる作用を有する。
【００４９】
表７は、本実施例３のレンズ系の各波長における焦点位置の値を示したものである。比較の為に、ＨＯＹＡ株式会社の光学ガラスＳＦ５８を用いて、本実施例３のレンズ系と同一焦点距離２ｍｍのボールレンズを製作した場合の焦点位置を示す。
【００５０】
【表７】
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【００５１】
表７に示されるように、本実施例３のレンズ系は従来の光学硝子を用いたレンズに比べて、波長の違いによる焦点位置のずれが少なく、よって焦点位置のずれに起因する過剰損失の発生、すなわち過剰損失の波長依存性の発生を抑えることが出来るものである。
【００５２】
さらに本実施例３においても、本レンズ系はアイソレータとして動作するが、動作原理は実施例１と同様であるので説明を省略する。
【００５３】
以上の実施例１〜３においては、３つのレンズを密着させたが、３つのレンズの間に間隙を設け、隣り合う面の曲率半径を独立に変更可能な構成とすると、球面収差の除去がより容易になる。
【００５４】
また以上の実施例１〜３においては、２枚ある凸レンズの形状を同一形状としているが、収差の補正をより良好に行う為に、異なる形状としても差し支えない。
【００５５】
また各実施例においては、各レンズ系にアイソレータ機能を付加する為に、複屈折結晶で作られた凸レンズ２枚で、磁性ガーネット厚膜で作られた凹レンズ１枚を挟み込む構成となっているが、複屈折結晶で作られた凸レンズ１枚と、磁性ガーネット厚膜で作られた凹レンズ１枚とで構成しても、色収差除去の効果を得ることが出来る。この場合、アイソレータとしての機能を付加する為には、磁性ガーネット厚膜で出来た凹レンズから見て、複屈折結晶で出来た凸レンズが配置されていない側に、複屈折結晶で出来た結晶平板を配置し、かつその光学軸の方向を、アイソレータ動作するように調整すればよい。
【００５６】
さらにはガーネット厚膜を２枚以上用いて凹レンズを形成してもよく、そのガーネット厚膜が角形ヒステリシスを持つものであれば、磁界印加用の永久磁石を省略することができる。
【００５７】
また複屈折物質として、上述のＴｉＯ２（ルチル）、ＬｉＮｂＯ３、ＹＶＯ４の他にＮｂ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＸＶＯ４（ＸはＬａ、Ｇａ、Ｌｕ、Ｅｕのいずれか）、及びＬｉＴａＯ３を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のレンズ系の構成を示す光学的な模式図。
【図２】本発明の実施例１であるレンズ系の構成を示す断面図。
【図３】本発明の実施例２であるレンズ系の構成を示す断面図。
【図４】本発明の実施例３であるレンズ系の構成を示す断面図。
【図５】従来例のレンズ系を示す断面図。
【符号の説明】
【００５９】
１，２，１１，１２，１３，２１，２２，２３，３１，３２，３３    レンズ
１４，２４，３４    永久磁石
１２２    屈折率分布型ロッドレンズ
１２３    単一モードファイバ
１２４    キャピラリ
１２５    ガラスチューブ
【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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