(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガウス光束を発する発光エレメントと該発光エレメントからの前記ガウス光束を受ける受光エレメントとの間の自由空間での光配線のために、当該両エレメント間に配置される光学レンズ装置であって、
前記発光エレメントからのガウス光束を受ける第１の集光用レンズと、該集光用レンズに対応して配置され、前記発光エレメントに対応する前記受光エレメントに、前記ガウス光束のビームウエストを投影する第２の集光用レンズと、前記第１および第２の集光用レンズ間に挿入され、前記第１の集光用レンズによる前記ガウス光束のビームウエストを等倍で前記第２の集光用レンズの前方ビームウエスト位置に投影する単一のリレーレンズとを含み、該リレーレンズの前方ビームウエスト位置は、前記第１の集光レンズの後方ビームウエスト位置に一致し、かつ前記リレーレンズの後方ビームウエスト位置は前記第２の集光用レンズの前方ビームウエスト位置に一致して配置されており、
前記第１の集光用レンズの焦点距離ｆ１、前記第２の集光用レンズの焦点距離ｆ２、前記第１および第２の集光用レンズ間距離（結合長）Ｌ、および前記リレーレンズの焦点距離ｆｒが、数１の関係を満たすことを特徴とする、自由空間光配線用光学レンズ装置。
【数１】
0003915942.tif 000019
【請求項２】
前記リレーレンズからそのビームウェストまでの距離をＬｒとすると、前記結合長Ｌと該距離Ｌｒとの比が下記条件を満たすことを特徴とする請求項１記載の自由空間光配線用光学レンズ装置。
２Ｌｒ／Ｌ≒０．５
【請求項３】
前記第１の集光用レンズの焦点距離ｆ１、前記第２の集光用レンズの焦点距離ｆ２、および前記リレーレンズの焦点距離ｆｒが、数２、数３および数４でそれぞれ示されることを特徴とする請求項１記載の自由空間光配線用光学レンズ装置。
【数２】
0003915942.tif 000020
【数３】
0003915942.tif 000021
【数４】
0003915942.tif 000022
（ここで、ω１は前記発光エレメントのビームウエスト半径、ω２は前記第１の集光用レンズのビームスポット半径、ω３は前記第１の集光用レンズによる前記発光エレメントの中間像のビームウエスト半径、ω４は前記第２の集光用レンズによるガウス光束のビームウエスト半径、λは前記ガウス光束の波長であり、Ｌｒは前記リレーレンズからそのビームウエスト迄の距離であり、Ｒは（２Ｌｒ／Ｌ）である。）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆるオプトエレクトロニクスの回路の一部として使用するのに好適な、ガウス光束を取り扱う自由空間光配線用光学レンズ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オプトエレクトロニクス回路では、光の持つ高帯域特性および光ビームによる集積度の有利性から、例えば基板上のオプトエレクトロニクスチップモジュール間の接続に、自由空間を媒体とする光線を用いて配線する、いわゆる自由空間光配線用光学レンズ装置が用いられている。
【０００３】
このような光配線用光学レンズ装置では、取り扱うガウス光束の直径およびレンズの直径等は、例えば望遠レンズや光学顕微鏡のような通常の光学装置に比較して、取り扱うガウス光束の波長に著しく近似する。そのため、例えば発光エレメントと受光エレメントとの間に配置される一対の集光レンズから成るコリメータのレンズ間距離が数センチに達すると、ガウス光束の回折現象が顕著に現れて、種々の問題を引き起こす。このことから、このようなガウス光束系の光学レンズ装置では、光学レンズ装置による接続長の増大を図る技術が要求される。
また、光配線用光学レンズ装置では、光学レンズ装置と、その入力光源となる発光エレメントとの配置上の僅かなずれが、大きな問題となることから、発光エレメントの配置上の誤差許容量を大きくする技術が要求される。
【０００４】
このような要求の一つである接続長については、光配線用光学レンズ装置による接続長の増大を図る従来技術が、「Optical Engineering （オプチカルエンジニアリング）」第３３卷、第１５５０〜１５６０頁（１９９４）に開示されている。
この従来技術によれば、ガウス光束のビームスポット径を等しくする両集光用レンズ間に、ビームウエスト（結合像）が存在するように、当該集光用レンズを配置することにより、与えられた集光用レンズによる接続長を最大に設定できる。
このため、前記従来技術では、与えられた集光用レンズで、最適すなわち最長の接続長を達成することはできるが、光学レンズ装置と発光エレメントとの配置上の誤差許容量すなわちアライメント誤差の許容量は、１〜２μｍという高い精度が要求されていた。
【０００５】
しかしながら、オプトエレクトロニクスチップの現実的なアライメント誤差の許容量としては、一般的には、２〜５μｍが必要とされている（ Hybrid integration of surface-emitting microlaser chip and planar optics substrate for interconnection applications 、IEEE Photon. Tech. Lette. 4, p.1369〜1372）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、結合長を増大させることのできる自由空間光配線用光学レンズ装置において、発光エレメントのアライメント誤差許容量を比較的大きく確保できる自由空間光配線用光学レンズ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
〈構成〉
本願発明者は、ガウス光束を発する発光エレメントと該発光エレメントからの前記ガウス光束を受ける受光エレメントとの間の自由空間での光配線のために、当該両エレメント間に配置される光学レンズ装置において、発光エレメントからのガウス光束を受ける第１の集光用レンズと、該集光用レンズに対応して配置され、発光エレメントに対応する受光エレメントに、ガウス光束のビームウエストを投影する第２の集光用レンズと、第１および第２の集光用レンズ間に挿入され、第１の集光用レンズによるガウス光束のビームウエストを等倍で第２の集光用レンズの前方ビームウエスト位置に投影する単一のリレーレンズを挿入し、これら第１の集光用レンズの焦点距離ｆ1 、第２の集光用レンズの焦点距離ｆ2 、第１および第２の集光用レンズ間距離（結合長）Ｌ、およびリレーレンズの焦点距離ｆr との間に特定の関係を満たすことにより、アライメント誤差の許容量を比較的大きく設定できることを見出した。
【０００８】
その条件は、数５に示されるとおりである。
【数５】
0003915942.tif 000002
【０００９】
基本的には、前記式（１）を満たすように、各焦点距離ｆ1 、ｆ2 、ｆr およびレンズ間距離Ｌを設定することにより、レンズ間距離Ｌの如何に拘わらず、入力側である発光エレメント側のずれに対する出力側である第２集光用レンズの軸ずれの発生をほぼ零とすることができる。
【００１０】
第１の集光用レンズの焦点距離ｆ1 、前記第２の集光用レンズの焦点距離ｆ2 、および前記リレーレンズの焦点距離ｆr は、数６、数７および数８でそれぞれ示されるとおりである。
【数６】
0003915942.tif 000003
【数７】
0003915942.tif 000004
【数８】
0003915942.tif 000005
【００１１】
ここで、ω1 は発光エレメントのビームウエスト半径、ω2 は第１の集光用レンズのビームスポット半径、ω3 は第１の集光用レンズによる発光エレメントの中間像のビームウエスト半径、ω4 は第２の集光用レンズによるガウス光束のビームウエスト半径、λはガウス光束の波長であり、Ｌｒはリレーレンズからそのビームウエスト迄の距離であり、Ｒは（２Ｌｒ／Ｌ）である。
【００１２】
本発明に係る前記光学レンズ装置では、所定の条件を満たすことにより、レンズ間距離Ｌの如何に拘わらず、入力側である発光エレメント側のずれに対する出力側である第２集光用レンズの軸ずれの発生をほぼ零とすることができることから、発光エレメントの配置に関し、その誤差許容量を従来に比較して大きく設定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態について詳細に説明する。
〈具体例〉
図１は、本発明に係る自由空間光配線用光学レンズ装置の具体例を模式的に示す説明図である。
本発明に係る自由空間光配線用光学レンズ装置１０は、例えば半導体レーザのような点光源を含む発光エレメントｓと、この発光エレメントｓからのガウス光束を受ける例えばフォトディテクタのような受光エレメントｄとの間の光信号の伝達に用いられる。発光エレメントｓからのガウス光束は、その光軸と直角な断面で見た光強度がガウス分布に沿った、いわゆるガウシアンビームと呼ばれる光線である。
【００１４】
光学レンズ装置１０は、図１に示されているように、発光エレメントｓに対応して配置される第１の集光用レンズ１１ａと、第１の集光用レンズ１１ａを経た発光エレメントｓからのガウス光束を受けるように、該第１の集光用レンズに光軸を一致してこれから所定の間隔を置いて配置されかつ受光エレメントｄに対応して配置される第２の集光用レンズ１１ｂと、両集光用レンズ１１ａおよび１１ｂ間に挿入された単一のリレーレンズ１２とを含む。
【００１５】
図１に示す例では、第１および第２の集光用レンズ１１ａおよび１１ｂは、それぞれ焦点距離ｆ1 およびｆ2 を有する凸状の形状レンズから成る。また、リレーレンズ１２は、焦点距離ｆr を有する凸状の形状レンズから成る。
【００１６】
発光エレメントｓは、ビームウエスト半径がω1 で示されるガウス光束を第１の集光用レンズ１１ａに向けて照射する。このガウス光束により、発光エレメントｓから距離Ｌ1 を隔てて配置された第１の集光用レンズ１１ａには、ガウス光束のビームスポット半径がω2 で示されるビームスポットが形成される。第１の集光用レンズ１１ａは、このガウス光束の入射により、距離Ｌ2 を隔てた後方に、ビームウエスト半径がω3 で示される中間像を投影する。
【００１７】
リレーレンズ１２は、ビームウエスト半径がω3 で示される中間像を、距離Ｌｒを隔てた後方位置に、ビームウエスト半径ω3 で示される等倍の結像として投影する。この結像位置は、第２の集光用レンズ１１ｂから見て距離Ｌ2 を隔てた前方ビームウエスト位置であり、第２の集光用レンズ１１ｂには、ビームスポット半径がω2 のビームスポットが形成される。この第２の集光用レンズ１１ｂは、距離Ｌ3 を隔てた後方位置すなわち受光エレメントｄの受光面にビームウエスト半径がω4 で示される結像を投影する。
【００１８】
図１に示されたリレーレンズ１２を含む光学装置１０では、両集光用レンズ１１ａおよび１１ｂ間の結合長Ｌは数９で示される。
【数９】
0003915942.tif 000006
【００１９】
また、結合長Ｌ対するリレーレンズ１２の長さの割合Ｒを数１０で示す。
【数１０】
0003915942.tif 000007
【００２０】
この割合Ｒを用いて、前記距離Ｌ1 および距離Ｌｒを表すとそれぞれ数１１および数１２で示される。
【数１１】
0003915942.tif 000008
【数１２】
0003915942.tif 000009
【００２１】
また、各距離Ｌ1 、距離Ｌ2 および距離Ｌ3 を対応するビームスポット半径ω2 およびビームウエスト半径ω1 、ω3 、ω4 を用いて表すと、数１３で示される。
【数１３】
0003915942.tif 000010
【００２２】
各集光用レンズ１１ａおよび１１ｂにおけるビームスポット半径ω2 とビームウエスト半径ω3 とがそれぞれ割合Ｒの関数として、数１４で示されている。
【数１４】
0003915942.tif 000011
【００２３】
さらに、距離Ｌ1 およびＬ3 が割合Ｒの関数として、数１５で示されている。
【数１５】
0003915942.tif 000012
【００２４】
前記式（５）〜式（１１−２）は、各レンズ１１ａ、１１ｂおよび１２の結像関係から導き出される式であり、さらにこれらの式を基に、第１の集光用レンズ１１ａの焦点距離ｆ1 および第２の集光用レンズ１１ｂの焦点距離ｆ2 が割合Ｒの関数として、数１６および数１７でそれぞれ示されている。
【数１６】
0003915942.tif 000013
【数１７】
0003915942.tif 000014
【００２５】
また、リレーレンズ１２の焦点距離ｆr と、該リレーレンズからその物点および像点までのそれぞれの距離ＬｒおよびＬｒとの関係から、数１８が導き出される。
【数１８】
0003915942.tif 000015
【００２６】
この式（１４）を前記式（６）を用いて書き換えると、リレーレンズ１２の焦点距離ｆr を割合Ｒの関数として示す式、数１９が導き出される。
【数１９】
0003915942.tif 000016
【００２７】
前記したすべての関係式は、図１に示した各レンズ１１ａ、１１ｂおよび１２の結像関係から導き出される式である。
【００２８】
さらに、図１に示された光学レンズ装置１０からは、従来よく知られた光線行列を求める方法に従って、その光線行列すなわちＡＢＣＤ行列を用いた光線行列式、数２０が導き出される。
【数２０】
0003915942.tif 000017
【００２９】
前記式（１９）で、Δｘr およびΔθr は、受光エレメントｄでの光軸と直角な平面上の軸ずれの量および光軸との角度ずれを示し、またβは、発光エレメントｓでの光軸と直角な平面上の軸ずれの量を示す。
なお、式（１９）では角度ずれΔθr の値が導入されているが、近軸条件が成立することから、この角度ずれΔθr は、無視し得る。
【００３０】
そこで、式（１９）を再考するに、式（１９）は、当該式の一部である数２１の関係が満たされると、β、すなわち、発光エレメントｓのずれの量の如何に拘わらず、受光エレメントｄのずれの量Δｘr が零になることを意味している。
【数２１】
0003915942.tif 000018
【００３１】
すなわち、前記式（１７）の条件が満たされる限り、式上では、発光エレメントｓの誤差許容量は、無限大と考えられる。
【００３２】
そこで、その実現性の確認のために、式（１９）に関して、割合Ｒをパラメータとし、さらに実施例として、発光エレメントｓのビームウエスト半径ω1 を２μｍ、第２の集光用レンズ１１ｂのビームウエスト半径ω4 を５μｍ、波長λを１．３μｍとし、また、発光エレメントｓの位置ずれ量を５μｍとして、それぞれレンズ結合長Ｌが１０ｃｍ、２０ｃｍおよび３０ｃｍの場合について、受光エレメントｄでの軸ずれ量Δｘr を算出した。
式（１９）に代入した各値は、いずれも実用上採用される現実的な値である。
【００３３】
図２は、それらの計算値をまとめたグラフである。グラフの横軸は割合Ｒ（＝２Ｌｒ／Ｌ）を示し、縦軸は軸ずれ量Δｘr を示す。このグラフに符号１３で示される特性線は結合長Ｌを１０ｃｍとしたときの特性線であり、符号１４で示される特性線は結合長Ｌを２０ｃｍとしたときの特性線であり、符号１５で示される特性線は結合長Ｌを３０ｃｍとしたときの特性線である。
【００３４】
図２のグラフに示されているとおり、このグラフに示された各特性線１３、１４および１５は、ある値の割合Ｒで、軸ずれ量Δｘr が零となる点で相互に交差する。
この軸ずれ量Δｘr を零とするリレーレンズ１２のレンズ長割合Ｒは、式（１９）に代入した前記実施例における各値を採用するとき、０．５０２となり、極めて現実的な値となる。
【００３５】
従って、前記実施例の各値を採用するとき、リレーレンズ１２のレンズ長割合Ｒがほぼ０．５となるように、設定する限り、レンズ結合長Ｌの大小に拘わらず、軸ずれ量Δｘr をほぼ零とすることができ、これにより、従来に比較して発光エレメントｓに大きな誤差許容量を確保することができる。
【００３６】
軸ずれ量Δｘr を零とするリレーレンズ１２の割合Ｒは、採用する発光エレメントｓのビームウエスト半径ω1 、第２の集光用レンズ１１ｂのビームウエスト半径ω4 、波長λ、発光エレメントｓの位置ずれ量の各値に応じて、変化するが、いずれにしても、前記式（１７）を満足する条件で光学レンズ装置１０を構成することにより、発光エレメントｓに従来に比較して大きな誤差許容量を確保することができる。
【００３７】
本発明に係る第１および第２の集光用レンズ１１ａおよび１１ｂ、およびリレーレンズ１２として、例えば、エンボスタイプのレンズ、イオン交換によって作られたレンズあるいは計算機ホログラムを用いて作られたレンズ等を適宜採用することができる。
【００３８】
図３は、本発明に係る光学レンズ装置１０の適用例を示す。
図３に示す例では、ガラス基板１６の一方の面１６ａ上にそれぞれ相互に間隔を置いて、第１の集光用レンズ１１ａ、第２の集光用レンズ１１ｂおよびリレーレンズ１２が、例えば計算機ホログラムを用いた平板光学素子として、それぞれ形成されている。
【００３９】
また、各集光用レンズ１１ａおよび１１ｂに対応して、それぞれ発光エレメントｓおよび受光エレメントｄが組み込まれたＩＣチップ１７および１８が、バンプ１９を用いたフリップチップボンディング方式で、ガラス基板１６に固定されている。
【００４０】
このような光学レンズ装置１０では、発光エレメントｓを含むＩＣチップ１７のガラス基板１６への取り付けに際し、その取り付け誤差による軸ずれは、不可避である。
しかしながら、本発明に係る光学レンズ装置１０によれば、その許容誤差量を大きく設定することができることから、この発光エレメントｓを含むＩＣチップ１７の微細な取り付け誤差を問題とすることなく、該ＩＣチップの取り付け作業を行うことができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、前記したとおり、第１および第２の集光用レンズ間に単一のリレーレンズを挿入し、これらレンズ系に所定の条件を付与することにより、レンズ間距離Ｌの如何に拘わらず、発光エレメントの配置に関し、その誤差許容量を従来に比較して大きく設定することができることから、製造が比較的容易であり、かつ量産性に優れ、しかも長期安定動作を補償し得る信頼性に優れた、自由空間光配線用光学レンズ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自由空間光配線用光学レンズ装置の具体例を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明に係る光学レンズ装置の軸ずれΔｘr とリレーレンズのレンズ長割合Ｒとの関係を示す特性図である。
【図３】本発明に係るレンズ装置の適用例を概略的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０  光学レンズ装置
１１ａおよび１１ｂ  第１および第２の集光用レンズ
１２  リレーレンズ
ｓ  発光エレメント
ｄ  受光エレメント
ｆ1   第１集光用レンズの焦点距離
ｆ2   第２集光用レンズの焦点距離
ｆr   リレーレンズの焦点距離
Ｌ  第１および第２の集光用レンズ間距離（結合長）
λ  ガウス光束の波長
π  円周率
ω1   発光エレメントのビームウエスト半径
ω2   第１集光用レンズのビームスポット半径
ω3   第１集光用レンズによる発光エレメントの中間像のビームウエスト半径
ω4   第２集光用レンズにおけるガウス光束のビームウエスト半径
Ｌ1   発光エレメントから第１集光用レンズまでの距離
Ｌ2   第１集光用レンズからその中間像（ω3 ）までの距離
Ｌ3   第２集光用レンズからその中間像（ω4 ）までの距離
Ｌｒ  リレーレンズからそのビームウエスト（ω3 ）までの距離
Ｒ  リレーレンズのレンズ結合長に対する割合
【図１】
0003915942.tif 000023
【図２】
0003915942.tif 000024
【図３】
0003915942.tif 000025