(57)【要約】    【課題】  損失光を低減して光結合効率を向上させることが可能な光結合レンズを提供すること。    【解決手段】  光ファイバ(10)から放射される光を光素子(20)の受光部に光結合させるためのレンズであって、上記光ファイバのコア端面に焦点位置が一致するように配置され、上記光ファイバから出射する光を収束光に変換する第１のレンズ(30)と、上記光素子の受光部に焦点位置が一致するように配置され、上記第１のレンズから出射する上記収束光を上記光素子の受光部に集光する第２のレンズ(40)と、を含んで構成される光結合レンズである。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバから放射される光を光素子の受光部に光結合させるためのレンズであって、
前記光ファイバのコア端面に焦点位置が一致するように配置され、前記光ファイバから出射する光を収束光に変換する第１のレンズと、
前記光素子の受光部に焦点位置が一致するように配置され、前記第１のレンズから出射する前記収束光を前記光素子の受光部に集光する第２のレンズと、
を含んで構成される、光結合レンズ。
【請求項２】
光ファイバから放射される光を光素子の受光部に光結合させるためのレンズであって、
前記光ファイバのコア端面に焦点位置が一致するように配置され、前記光ファイバから出射する光のうち、レンズ光軸を含む第１の領域に入射する光を略平行光に変換し、前記第１の領域をリング状に取り囲む第２の領域に入射する光を収束光に変換する第１のレンズと、
前記光素子の受光部に焦点位置が一致するように配置され、前記第１のレンズから出射する前記略平行光及び前記収束光を前記光素子の受光部に集光する第２のレンズと、
を含んで構成される、光結合レンズ。
【請求項３】
前記光ファイバのコア端面の半径をＲC、
前記光ファイバの開口数をＮＡf、
前記第１のレンズと前記第２のレンズの相互間の距離をＤL、
前記第１のレンズの焦点距離をＦL1、
前記第２のレンズの半径をＲL2、
とすると、
前記第１のレンズは、前記第２の領域の内径がＲL2−ＲC・ＤL／ＦL1、外径がＦL1・ＮＡf−ＲC、となるように形成されている、請求項２に記載の光結合レンズ。
【請求項４】
前記第１のレンズは、前記第２の領域をリング状に取り囲む第３の領域を更に有し、当該第３の領域に入射する光を略平行光に変換する、請求項２に記載の光結合レンズ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光結合レンズを用いる光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムなどに用いられ、光ファイバと受光素子等との間を効率よく光結合させるためのレンズと、当該レンズを用いる光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、電気信号を光信号に変換する発光素子と光信号を電気信号に変換する受光素子相互間を光ファイバで接続する構成が用いられる。かかる光学系において、光ファイバから放射される光を受光素子に光結合させ、或いは発光素子から放射される光を光ファイバに光結合させる際の効率（光結合効率）を向上させるべく、受光素子等と光ファイバとの相互間にレンズを配置する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２９４７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の従来技術では、光源と光ファイバとの相互間に２つのレンズを配置し、これらのレンズ間では光軸と平行な平行光にして光を伝搬させている。ところが、光ファイバと受光素子との相互間を光結合させる場合であって、特に光ファイバとしてマルチモード型のものを用いる光学系に対して、上記した２つのレンズ間で平行光を伝搬させる構成を採用すると、光結合効率の低下を招く場合がある。これは、光ファイバのコア中心から径方向にある程度離れた位置から出射する光が１つ目のレンズに入射した後にコリメートされると、その全ての光が２つ目のレンズに入射せずに一部が損失光となることに起因する。複数の光ファイバと受光素子とを所定間隔で並べて配置した多チャンネルの光通信システムを構成する場合には、上記の損失光が隣接する受光素子に漏れ込んで隣接チャンネル間におけるクロストークを生じさせる原因ともなるため、かかる観点からも損失光の低減が望まれる。
【０００５】
そこで、本発明は、損失光を低減して光結合効率を向上させることが可能な光結合レンズ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】
【０００６】
第１の態様の本発明の光結合レンズは、光ファイバから放射される光を光素子の受光部に光結合させるためのレンズであって、上記光ファイバのコア端面に焦点位置が一致するように配置され、上記光ファイバから出射する光を収束光に変換する第１のレンズと、上記光素子の受光部に焦点位置が一致するように配置され、上記第１のレンズから出射する上記収束光を上記光素子の受光部に集光する第２のレンズと、を含んで構成されるものである。
【０００７】
このような光結合レンズによれば、光ファイバと受光素子との相互間を光結合させる場合において、損失光を低減して光結合効率を向上させることが可能となる。また、光学系を隣接配置する場合には、隣接する光学系の相互間におけるクロストークを軽減することができるという利点もある。本発明にかかる光結合レンズは、特に光ファイバとしてマルチモード型のものを用いる光学系に適している。
【０００８】
第２の態様の本発明の光結合レンズは、光ファイバから放射される光を光素子の受光部に光結合させるためのレンズであって、上記光ファイバのコア端面に焦点位置が一致するように配置され、上記光ファイバから出射する光のうち、レンズ光軸を含む第１の領域に入射する光を略平行光に変換し、上記第１の領域をリング状に取り囲む第２の領域に入射する光を収束光に変換する第１のレンズと、上記光素子の受光部に焦点位置が一致するように配置され、上記第１のレンズから出射する上記略平行光及び上記収束光を上記光素子の受光部に集光する第２のレンズと、を含んで構成されるものである。
【０００９】
このような光結合レンズによれば、光ファイバと受光素子との相互間を光結合させる場合において、損失光を低減して光結合効率を向上させることが可能となる。また、光学系を隣接配置する場合には、隣接する光学系の相互間におけるクロストークを軽減することができるという利点もある。本発明にかかる光結合レンズは、特に光ファイバとしてマルチモード型のものを用いる光学系に適している。
【００１０】
上述した第１のレンズは、上記第２の領域の内径がＲL2−ＲC・ＤL／ＦL1、外径がＦL1・ＮＡf−ＲC、となるように形成されていることが好ましい。
ただし、
上記光ファイバのコア端面の半径をＲC、
上記光ファイバの開口数をＮＡf、
上記第１のレンズと上記第２のレンズの相互間の距離をＤL、
上記第１のレンズの焦点距離をＦL1、
上記第２のレンズの半径をＲL2、
とする。
【００１１】
かかる条件を採用することにより、より好適な形状の第２の領域が得られる。
【００１２】
また、上記第１のレンズは、上記第２の領域をリング状に取り囲む第３の領域を更に有し、当該第３の領域に入射する光を略平行光に変換することが好ましい。
【００１３】
第３の態様の本発明は、上述した光結合レンズを用いて構成される光通信装置（光トランシーバ）である。このような本発明にかかる光通信装置は、例えば、パーソナルコンピュータやいわゆるＰＤＡ（携帯型情報端末装置）など、光を伝送媒体として外部装置等との間の情報通信を行う各種の電子機器に用いることが可能である。なお、本明細書において「光通信装置」とは、光信号の送信にかかる構成（発光素子等）と光信号の受信にかかる構成（受光素子等）の両方を含む装置のみならず、送信にかかる構成のみを備える装置（いわゆる光送信モジュール）や受信にかかる構成のみを備える装置（いわゆる光受信モジュール）を含む。
【００１４】
これにより、光結合効率が高く、良好な情報通信を行うことが可能な光通信装置を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態の光結合レンズの構成を説明する図である。図１に示す光結合レンズは、光トランシーバ等の光通信用装置の光学系に含まれ、光ファイバ１０から放射される光を光素子２０の受光部に光結合させるためのものであり、光ファイバ１０側に配置される第１のレンズ３０と、光素子２０側に配置される第２のレンズ４０を含んで構成されている。光ファイバ１０、光素子２０、第１のレンズ３０及び第２のレンズ４０を各１つずつ含んで一組（１チャンネル分）の光学系が構成されており、図示の例では３チャンネル分の光学系が所定間隔で配列された構成例が示されている。
【００１７】
第１のレンズ３０は、光ファイバ１０のコア端面に焦点位置が一致するように配置され、光ファイバ１０から放射される光を収束光に変換する。この第１のレンズ３０としては、例えばガラス又はプラスチック等の材料からなる屈折型のレンズを採用できる。
【００１８】
第２のレンズ４０は、光素子２０の受光部に焦点位置が一致するように配置され、第１のレンズ３０から出射する収束光を光素子２０の受光部に集光する。この第２のレンズ４０としては、例えばガラス又はプラスチック等の材料からなる屈折型のレンズを採用できる。
【００１９】
図２は、第１の実施形態の光結合レンズを通過する光の光路図の計算例を示す図である。また、図３は、上記図２の計算例に対する比較例を示す図であり、各レンズ間において略平行光で光の伝搬がなされる場合の計算例を示している。なお、各図に示す第１及び第２のレンズは、位置関係を分かりやすくするために便宜上描かれているものであり、形状等は簡略化して表現されている。
【００２０】
これらの計算例は、以下のような条件を設定して計算されている。
(1)光ファイバ１０のファイバ端面を基準位置（ｘ＝０）とし、第１のレンズ３０をファイバ端面から０．６ｍｍの位置、第２のレンズ４０をファイバ端面から１．８ｍｍ、光素子２０の受光面をファイバ端面位置から２．４ｍｍの位置にそれぞれ配置する。
(2)光ファイバ１０は、コア径が６２．５μｍ、開口数ＮＡf＝０．２２のマルチモードファイバとする。また、光ファイバ１０のファイバ端面に多数の点光源が存在し、当該点光源のそれぞれから光が放射されるものとする。
(3)光ファイバ１０、光素子２０及び各レンズ３０、４０の各々は、２５０μｍ間隔で隣接配置されている。
(4)各レンズのレンズ面の厚みは計算の簡略化のために零とした。但し、当該レンズ面には光軸からの距離に応じた仮想的な傾きをもつ界面が設定されており、この界面における光の屈折はスネルの法則を満足し、屈折型レンズと同様に機能するものとする。
(5)光ファイバ１０と第１のレンズ３０の間の媒質の屈折率を１．５、第１のレンズ３０と第２のレンズ４０の間の媒質の屈折率を１．０、第２のレンズ４０と光素子２０の間の媒質の屈折率を１．５とする。
【００２１】
図２（Ａ）及び図３（Ａ）は、それぞれファイバ１０のコア中心（ｙ＝０）から光が出射する場合の計算例である。図２（Ａ）に示すように、本実施形態の光学系では、ファイバ１０から出射した光は、第１のレンズ３０により収束光に変換されて第２のレンズ４０に入射し、当該第２のレンズ４０により光素子２０の受光面に集光されている。これに対して、図３（Ａ）に示すように、比較例の光学系では、ファイバ１０から出射した光は、第１のレンズ３０’により略平行光に変換されて第２のレンズ４０’に入射し、当該第２のレンズ４０’により光素子２０の受光面に集光されている。このように、ファイバ１０のコア中心（ｙ＝０）から光が出射する場合には、いずれの光学系においても光結合効率にはほとんど差が生じない。
【００２２】
図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）は、それぞれファイバ１０のコア中心から３０μｍ離れた位置（ｙ＝３０μｍ）から光が出射する場合の計算例である。図２（Ｂ）に示すように、本実施形態の光学系では、ファイバ１０のコア中心から離れた位置から光が出射した場合でも、当該出射光は、第１のレンズ３０によって収束光に変換されることにより、光漏れをほとんど生じることなく第２のレンズ４０に入射し、当該第２のレンズ４０により光素子２０の受光面に集光されている。これに対して、図３（Ｂ）に示すように、比較例の光学系では、ファイバ１０から出射した光は、第１のレンズ３０’により略平行光に変換されており、当該略平行光の大部分は第２のレンズ４０’により光素子２０の受光面に集光されるものの、一部が第２のレンズ４０’に入射せずに漏れ光となり、隣接する他の光学系に侵入している。このような漏れ光の発生により、光結合効率が低下し、更に当該漏れ光が隣接する光学系に侵入するためチャンネル間のクロストークが増大するという不都合が生じる。
【００２３】
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態の光結合レンズについて説明する。第２の実施形態は、光学系については上記図１に示したものと同様であり、光ファイバ１０側に配置される第１のレンズの機能・構造が異なるものである。
【００２４】
図４は、第２の実施形態に用いられる第１のレンズの構造を説明する図である。より具体的には、図４（Ａ）は第１のレンズの平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）に示すＢ−Ｂ線における断面図を示している。また、図４（Ｃ）及び図４（Ｄ）は、第１のレンズの形状を設定する手法を上記平面図及び断面図と対応付けして説明する図である。
【００２５】
図４に示す第１のレンズ３０ａは、光ファイバ１０から放射される光のうち、レンズ光軸を含む第１の領域５０に入射する光を略平行光に変換し、第１の領域５０をリング状に取り囲む第２の領域５２に入射する光を収束光に変換する機能を有する。また、第１のレンズ３０ａは、第２の領域５２をリング状に取り囲む第３の領域５４を更に含み、当該第３の領域５４に入射する光を略平行光に変換する機能を有する。そして、この第１のレンズ３０ａは、光ファイバ１０のコア端面に焦点位置が一致するように配置される（図１参照）。また、第２のレンズ４０は、光素子２０の受光部に焦点位置が一致するように配置され、第１のレンズ３０ａから出射する略平行光及び収束光を光素子２０の受光部に集光する。
【００２６】
ここで、本実施形態の第１のレンズ３０ａは、図４（Ｃ）に示すように基本的には非球面状の形状プロファイルを有する。第１の領域５０及び第３の領域５４は当該形状プロファイルをそのまま活かして形成されている。また、第２の領域５２については、図４（Ｄ）に示すような補正量を重畳して形状プロファイルを変更することにより、収束光への変換機能を持たせている。
【００２７】
より具体的には、第２の領域５２は、内径ｒa0と外径ｒa1がそれぞれ以下の式を満たすように設定されている。
内径ｒa0＝ＲL2−ＲC・ＤL／ＦL1
外径ｒa1＝ＦL1・ＮＡf−ＲC
ただし、
ＲC  ：光ファイバ１０のコア端面の半径
ＮＡf：光ファイバ１０の開口数
ＤL  ：第１のレンズ３０ａと第２のレンズ４０の相互間距離
ＦL1 ：第１のレンズ３０ａの焦点距離
ＲL2 ：第２のレンズ４０の半径
【００２８】
図５は、第２の実施形態の光結合レンズを通過する光の光路図の計算例を示す図である。なお、当該計算例において採用される条件（計算パラメータ）は上記第１の実施形態の場合と同様である。
【００２９】
図５（Ａ）は、ファイバ１０のコア中心（ｙ＝０）から光が出射する場合の計算例である。また、図５（Ｂ）は、ファイバ１０のコア中心から３０μｍ離れた位置（ｙ＝３０μｍ）から光が出射する場合の計算例である。なお、各図に示す第１及び第２のレンズは、位置関係を分かりやすくするために便宜上描かれているものであり、形状等は簡略化して表現されている。
【００３０】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、本実施形態の光学系では、ファイバ１０から出射して第１のレンズ３０ａに入射した光は、第１の領域５０及び第３の領域５４に入射する光がそれぞれ略平行光に変換され、第２の領域５２に入射した光が収束光に変換されて第２のレンズ４０に入射する。図５（Ｂ）に示すように、本実施形態の光学系では、ファイバ１０のコア中心から離れた位置から光が出射した場合でも、当該出射光のうちで光軸から遠い成分が第１のレンズ３０ａの第２の領域２によって収束光に変換されることにより、上記比較例（図３参照）の場合に比べて光漏れやクロストークを低減することが可能となる。
【００３１】
このように、第１又は第２の実施形態の光結合レンズによれば、光ファイバと受光素子との相互間を光結合させる場合において、損失光を低減して光結合効率を向上させることが可能となる。また、光学系を隣接配置する場合には、隣接する光学系の相互間におけるクロストークを軽減することができる。本実施形態の光結合レンズは、特に光ファイバとしてマルチモード型のものを用いる光学系に適している。
【００３２】
図６は、上述した光結合レンズを備える光モジュール（光通信装置）の構成例を説明する図である。図６（Ａ）は光モジュール１００の外観を斜視図により示す図であり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）に示すＢ−Ｂ線方向の断面図である。図６に示すように、光モジュール１００は、透明基板１１０、光素子１１１、プラグ１１２、レセプタクル１１３、反射板１１４、第１のレンズ１１５、第２のレンズ１１６を含んで構成される。
【００３３】
透明基板１１０は、使用される光の波長に対して光透過性を有し、光モジュール１００を構成する各要素を支持する。例えば、光素子１１１から出射される光信号あるいは光素子１１１により受光される光信号の波長が可視光またはそれに近い値（例えば８５０ｎｍなど）の場合には、ガラスやプラスチックなどの材料により透明基板１１０を構成するとよい。
【００３４】
光素子１１１は、駆動信号（電流又は電圧）の供給を受けて光信号を出射し、又は透明基板１１０を通して受光した信号光の強度に応じて出力信号（電流又は電圧）を発生するものであり、透明基板１１０の一方面側の所定位置に、発光面又は受光面を透明基板１１０側に向けて配置されている。例えば、情報送信側に用いられる光素子１１１としてはＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）などの発光素子が挙げられ、情報受信側に用いられる光素子１１１としてはフォトダイオード等の受光素子が挙げられる。
【００３５】
プラグ１１２は、光伝送媒体であるテープファイバ２００と光モジュール１００とを光学的に接続する機能を担うものであり、レセプタクル１１３に挿入されている。
【００３６】
レセプタクル（ソケット）１１３は、プラグ１１２と嵌合すべき孔を備えており、当該孔にプラグ１１２が挿入される。このレセプタクル１１３は、プラグ１１２により支持されているテープファイバ２００の一端と光素子１１１とを光学的に結合させる機能を担うものであり、例えば、ガラスやプラスチック等を用いて形成されている。
【００３７】
反射板１１４は、レセプタクル１１３に取り付けられており、透明基板１１０の他方面側に配置され、光素子１１１から出射される光信号の進路を略９０度変更してテープファイバ２００へ導き、又はテープファイバ２００から出射される光信号の進路を略９０度変更して光素子１１１に導く機能を担う。この反射板１１４は、光素子１１１の光軸（信号光の主伝搬方向）に対して略４５度の角度で配置される。
【００３８】
第１のレンズ１１５は、光素子１１１から出射される光信号を集光して反射板１１４に導き、又はテープファイバ２００から出射されて反射板１１４によって反射される光信号を集光して光素子１１１に導く機能を担う。
【００３９】
第２のレンズ１１６は、光素子１１１から出射し、反射板１１４により反射された光信号を集光してテープファイバ２００に導き、又はテープファイバ２００から出射される光信号を集光して反射板１１４に導く。
【００４０】
このように本発明にかかる光結合レンズを用いて光モジュールを構成することにより、光結合効率を高め、また隣接する光学系の相互間におけるクロストークを低減することが可能となる。
【００４１】
なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１の実施形態の光結合レンズの構成を説明する図である。
【図２】第１の実施形態の光結合レンズを通過する光の光路図の計算例を示す図である。
【図３】図２の計算例に対する比較例を示す図である。
【図４】第２の実施形態に用いられる第１のレンズの構造を説明する図である。
【図５】第２の実施形態の光結合レンズを通過する光の光路図の計算例を示す図である。
【図６】光モジュール（光通信装置）の構成例を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…光ファイバ、  ２０…光素子、  ３０…第１のレンズ、  ４０…第２のレンズ、  １００…光モジュール（光通信装置）
【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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