(57)【要約】【課題】非点隔差を補正することができるとともに、レンズの位置に対する許容性が大きい光結合装置を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る光結合装置１００は、入力されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズ１３０と、コリメートレンズがレーザ光を出力する方向に設けられ、レーザ光の光軸に平行な異なる２つの面の間で異なる焦点距離を有する補正レンズ１４０と、補正レンズがレーザ光を出力する方向に設けられ、レーザ光を集光する集光レンズ１５０と、を備え、焦点距離は、２つの面において、補正レンズと集光レンズとの間の距離よりも大きい。【選択図】図１
2017142450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズが前記レーザ光を出力する方向に設けられ、前記レーザ光の光軸に平行な異なる２つの面の間で異なる焦点距離を有する補正レンズと、
前記補正レンズが前記レーザ光を出力する方向に設けられ、前記レーザ光を集光する集光レンズと、
を備え、
前記焦点距離は、前記２つの面において、前記補正レンズと前記集光レンズとの間の距離よりも大きいことを特徴とする光結合装置。
【請求項２】
前記補正レンズの入力面と出力面との少なくとも一方が、前記２つの面のうち一方において曲面であり、前記２つの面のうち他方において平面であることを特徴とする、請求項１に記載の光結合装置。
【請求項３】
前記レーザ光を発生させて前記コリメートレンズに入力する半導体レーザと、
前記集光レンズが前記レーザ光を出力する方向に設けられ、前記レーザ光が光結合する光学素子と、をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の光結合装置。
【請求項４】
前記焦点距離は、前記半導体レーザの非点隔差を補正する値に設定されていることを特徴とする、請求項３に記載の光結合装置。
【請求項５】
前記２つの面は、前記半導体レーザの活性層に水平な面および垂直な面であることを特徴とする、請求項３または４に記載の光結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を光学素子に光結合させるための光結合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザにおいて、半導体レーザの活性層に垂直な面（以下、垂直面という）と水平な面（以下、水平面という）との間で見掛け上の発光点の位置が異なることが知られている。このような垂直面と水平面との間の発光点の位置の差を非点隔差という。非点隔差が大きいと、垂直面と水平面との間でレーザ光の結像点に大きな位置ずれが発生するため、レーザ光を光学素子等に光結合させる際の結合効率が悪化する。
【０００３】
同じ設計のレーザ素子であっても、非点隔差にはばらつきが生じる。非点隔差が変化すると、最適な像倍率は変化する。図９は、様々な非点隔差αにおける像倍率に対する結合効率のグラフを示す図である。図９のグラフにおいて、横軸は像倍率であり、縦軸は結合効率である。図９のグラフから明らかなように、非点隔差αが大きいほど、結合効率がピークとなる像倍率が小さい。例えば非点隔差αが０μｍの場合は像倍率が２．０〜２．５のときに結合効率が最大であり、非点隔差αが１０μｍの場合は像倍率が１．０〜１．５のときに結合効率が最大である。このように、非点隔差のばらつきによって、結合効率がさらに悪化する場合がある。
【０００４】
レーザ素子と光学素子との間に非点隔差を補正するための光結合装置を設けることによって、結像点の位置ずれを抑制することができる。特許文献１に記載の技術は、半楕円球状の屈折率勾配を有する平板レンズを設けることによって、非点隔差を補正することができる。特許文献２に記載の技術は、楕円形状の溝を有するフレネルレンズを設けることによって、非点隔差を補正することができる。
【０００５】
特許文献３に記載の技術は、垂直面と水平面との間で異なる曲率を有するレンズを用いることによって、非点隔差を補正することができる。図１０は、特許文献３に記載の光結合装置１の模式図である。光結合装置１は、半導体レーザ２と光ファイバ３との間に、第１のレンズ４、第２のレンズ５および第３のレンズ６を順に備える。第１のレンズ４は、垂直面および水平面においてレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズである。第２のレンズ５は、垂直面においてはレーザ光の入出力面が平面であるが、水平面においてはレーザ光の入出力面が曲面であるレンズである。第３のレンズ６は、垂直面においてはレーザ光の入出力面が平面であるが、水平面においてはレーザ光の入力面が曲面であるとともに出力面が平面であるレンズである。
【０００６】
光結合装置１においては、第２のレンズ５と第３のレンズ６との間に結像点７が形成され、さらに光ファイバ３の端面上に結像点８が形成される。このような構成において、第３のレンズ６を光軸方向に移動させることによって、結像点８の位置を水平面においてのみ変化させることができるため、非点隔差を補正することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６１−２８３１８７号公報
【特許文献２】特開平４−１０７８９５号公報
【特許文献３】特開平８−２２０３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１および２に記載の技術は、特殊な平板レンズまたはフレネルレンズを用いるため、製造コストが高い。また、平板レンズまたはフレネルレンズの位置には高い精度が要求されるため、レンズの位置に対する許容性（トレランス）が低い。
【０００９】
特許文献３に記載の技術においては、図１０に示すように２つの結像点７、８を形成するため、２つの結像点７、８を正確に形成するように装置の組み立てを行うことが要求される。光軸方向に沿った調整の精度は緩和されているものの、装置の組み立てを容易にするためにはレンズの位置に対する許容性をさらに大きくすることが求められる。
【００１０】
本発明は上述の問題に鑑みて行われたものであって、非点隔差を補正することができるとともに、レンズの位置に対する許容性が大きい光結合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】
【００１１】
本発明の一態様は、光結合装置であって、入力されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズと、前記コリメートレンズが前記レーザ光を出力する方向に設けられ、前記レーザ光の光軸に平行な異なる２つの面の間で異なる焦点距離を有する補正レンズと、前記補正レンズが前記レーザ光を出力する方向に設けられ、前記レーザ光を集光する集光レンズと、を備え、前記焦点距離は、前記２つの面において、前記補正レンズと前記集光レンズとの間の距離よりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光結合装置においては、レーザ光の光軸に平行な２つの面の間で焦点距離が異なる補正レンズを設けることによって、レーザ光の非点隔差を補正することができる。また、補正レンズの焦点距離は補正レンズと集光レンズとの間の距離より大きく設定されており、結像点が補正レンズと集光レンズとの間には形成されない。そのため、補正レンズの位置への許容性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る光結合装置の概略構成図である。
【図２】実施形態に係るレーザ素子の概略構成図である。
【図３】実施形態に係る補正レンズの側面図である。
【図４】実施形態に係る補正レンズの側面図である。
【図５】実施形態に係る光結合装置の各部材の位置関係を示す模式図である。
【図６】実施形態に係るレーザ素子の非点隔差に対する結像点の位置ずれ量のグラフを示す図である。
【図７】実施形態に係るレーザ素子の非点隔差に対する結像点の位置ずれ量のグラフを示す図である。
【図８】実施形態に係る補正レンズの移動量に対する結像点の位置ずれ量のグラフを示す図である。
【図９】様々な非点隔差における像倍率に対する結合効率のグラフを示す図である。
【図１０】従来の光結合装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る光結合装置１００の概略構成図である。光結合装置１００は、レーザ素子１１０と、光学素子１２０と、コリメートレンズ１３０と、補正レンズ１４０と、集光レンズ１５０とを備える。図１に示す光結合装置１００の構成は一例であり、適宜変更されてよい。例えば、光結合装置１００に、光変調器、光スイッチ等の光学素子や、レンズ、光スプリッタ等の光学系が追加で設けられてよい。
【００１６】
レーザ素子１１０は、半導体を用いたレーザ発振によりレーザ光Ａを発生させて出力する半導体レーザである。レーザ光Ａは、レーザ素子１１０上の発光点１１１から出力される。レーザ素子１１０の詳細な構成については、図２を用いて後述する。
【００１７】
コリメートレンズ１３０は、レーザ素子１１０がレーザ光Ａを出力する方向に設けられ、レーザ素子１１０から出力されるレーザ光Ａを平行光に変換する。これは、レーザ光Ａを完全に平行な光に変換することだけでなく、ほぼ平行な光に変換することを含む。
【００１８】
補正レンズ１４０は、コリメートレンズ１３０がレーザ光Ａを出力する方向に設けられる。補正レンズ１４０は、レーザ素子１１０の非点隔差を補正するためのレンズである。焦点距離が異なる複数の補正レンズ１４０が用意され、それらは取り替え可能に構成されている。補正レンズ１４０の詳細な構成については、図３を用いて後述する。
【００１９】
集光レンズ１５０は、補正レンズ１４０がレーザ光Ａを出力する方向に設けられる。集光レンズ１５０は、レーザ光Ａを光学素子１２０の入力部に集光して光結合させる。光学素子１２０は、集光レンズ１５０がレーザ光Ａを出力する方向に設けられる。集光レンズ１５０を通ったレーザ光Ａの結像点１２１は、光学素子１２０の入力部に形成される。光学素子１２０は、レーザ光Ａが光結合する光導波路または光ファイバを有する任意の光学素子でよい。光学素子１２０は、例えば半導体光増幅器（ＳＯＡ）であり、基板上に設けられた光導波路に入力されたレーザ光Ａを増幅して出力する。
【００２０】
図２は、本実施形態に係るレーザ素子１１０の概略構成図である。レーザ素子１１０は、半導体レーザであり、ストライプ状の活性層１１２を有する。活性層１１２は、ストライプ状、すなわち細長い平板状の形状を有し、その一端がレーザ素子１１０の端面に接続される。活性層１１２は半導体を含む層が積層されることにより形成されるため、活性層１１２に水平な面は活性層１１２の積層方向に垂直な面であり、活性層１１２に垂直な面は活性層１１２の積層方向に平行な面である。レーザ素子１１０に対して電圧を印加することによって、活性層１１２上の発光点１１１からレーザ光Ａが出力される。以下では、活性層１１２に水平な方向とは活性層が延在する方向をいい、活性層１１２に垂直な方向とは活性層１１２の上面に垂直な方向をいう。レーザ素子１１０からレーザ光Ａが出力される方向を光軸Ｚとする。また、活性層１１２に水平な方向であって、光軸Ｚに垂直な方向を軸Ｘとする。また、活性層１１２に垂直な方向であって、光軸Ｚに垂直な方向を軸Ｙとする。また、活性層１１２に対して水平な面であって、光軸Ｚを含む面を水平面といい、活性層１１２に対して垂直な面であって、光軸Ｚを含む面を垂直面という。レーザ素子１１０の構成は、ここに示すものに限られず、任意の半導体レーザを用いてよい。レーザ素子１１０の具体的な構成に応じて、各軸および各面の定義は適宜変更されてよい。
【００２１】
図３は、本実施形態に係る補正レンズ１４０の側面図である。図３の上の図は水平面における側面図（すなわち、水平面への投影図）を示し、図３の下の図は垂直面における側面図（すなわち、垂直面への投影図）を示す。図３において、左がレーザ光Ａの入射側であり、右がレーザ光Ａの出射側である。
【００２２】
補正レンズ１４０は、レーザ光Ａが入力される面である入力面１４１、およびレーザ光Ａが出力される面である出力面１４２を有する。補正レンズ１４０として、例えばシリンドリカルレンズを用いてよい。入力面１４１は、水平面および垂直面において平面（すなわち、曲率がゼロである面）である。一方、出力面１４２は、水平面において凸曲面（すなわち、曲率がゼロより大きい面）であり、垂直面において平面である。出力面１４２の水平面における曲率は、非点隔差を補正するための焦点距離を補正レンズ１４０に与える所定の値に設定される。このとき、水平面における補正レンズ１４０の焦点距離は、補正レンズ１４０と集光レンズ１５０との間の距離よりも大きい値である。一方、垂直面においては入力面１４１および出力面１４２は平面であるため、垂直面における補正レンズ１４０の焦点距離は無限とみなせる。そのため、補正レンズ１４０と集光レンズ１５０との間には、水平面および垂直面の両方において結像点が形成されない。このような構成により、水平面において結像点の位置を変化させ、垂直面と水平面との間の発光点の位置の差である非点隔差を補正することができる。
【００２３】
補正レンズ１４０の構成は、図３に示すものに限られない。入力面１４１と出力面１４２との少なくとも一方が、非点隔差を補正するように水平面と垂直面との間で異なる焦点距離を有する面であればよい。図４（ａ）〜４（ｅ）は、他の形態に係る補正レンズ１４０の側面図である。図４（ａ）〜４（ｅ）のそれぞれにおいて、図３と同様に、上の図は水平面における側面図を示し、下の図は垂直面における側面図を示す。
【００２４】
図４（ａ）の補正レンズ１４０において、入力面１４１は水平面において凸曲面であり、それ以外の面は平面である。図４（ｂ）の補正レンズ１４０において、出力面１４２は水平面において凹曲面（すなわち、曲率がゼロより小さい面）であり、それ以外の面は平面である。図４（ｃ）の補正レンズ１４０において、入力面１４１は水平面において凹曲面であり、それ以外の面は平面である。図３および図４（ａ）〜４（ｃ）の補正レンズ１４０において、水平面と垂直面の関係は逆でもよく、水平面および垂直面のうち一方が曲面であり、他方が平面であればよい。
【００２５】
図４（ｄ）の補正レンズ１４０において、入力面１４１は水平面において平面であり、垂直面において凸曲面である。また、出力面１４２は水平面において凸曲面であり、垂直面において平面である。図４（ｅ）の補正レンズ１４０において、入力面１４１は水平面において平面であり、垂直面において凹曲面である。また、出力面１４２は水平面において凹曲面であり、垂直面において平面である。図４（ｄ）〜４（ｅ）の補正レンズ１４０において、水平面と垂直面の関係は逆でもよく、また凸曲面および凹曲面を組み合わせて用いてもよい。
【００２６】
図３および図４（ａ）〜４（ｅ）では、レーザ素子１１０の活性層１１２に対する水平面および垂直面において焦点距離を変化させているが、光軸Ｚに平行な任意の異なる２つの面において焦点距離を変化させてもよい。
【００２７】
本実施形態に係る補正レンズ１４０においては、入力面１４１と出力面１４２との少なくとも一方の曲率を変化させることによって、補正レンズ１４０の焦点距離を調整している。曲率に限られず、補正レンズ１４０のその他の特性を変化させることによって、補正レンズ１４０の焦点距離を変化させてよい。例えば、補正レンズ１４０の屈折率分布を変化させることによって、補正レンズ１４０の焦点距離を変化させてよい。
【００２８】
本実施形態において、異なる特性を有する複数の補正レンズ１４０が用意される。光結合装置１００において、補正レンズ１４０は取り替え可能に構成されている。レーザ素子１１０の非点隔差に応じて適当な焦点距離を有する補正レンズ１４０を選択して光結合装置１００に設けることによって、容易に非点隔差を補正することができる。
【００２９】
本実施形態に係る光結合装置１００による非点隔差の補正効果を以下に説明する。図５は、光結合装置１００の各部材の位置関係を示す模式図である。レーザ素子１１０の非点隔差をαとする。結像点１２１の水平面と垂直面との間の光軸Ｚ上の位置ずれの量をΔＺとする。すなわちΔＺは、水平面上の結像点１２１の位置から垂直面上の結像点１２１の位置を減算したものである。補正レンズ１４０の光軸Ｚ上の移動量をΔｄとする。コリメートレンズ１３０の焦点距離をｆ１、コリメートレンズ１３０と補正レンズ１４０との間の距離をｄ１＋Δｄ、補正レンズ１４０と集光レンズ１５０との間の距離をｄ２−Δｄ、集光レンズ１５０の焦点距離をｆ２、補正レンズ１４０の焦点距離をｆ３とする。
【００３０】
以降のグラフは、例示的にｆ１＝５００μｍ、ｆ２＝１０００μｍ、ｄ１＝１０００μｍ、ｄ２＝３０００μｍに設定し、また補正レンズ１４０または後述の第１の補正レンズ１４０−１の場合は焦点距離ｆ３＝１２５０００μｍ、後述の第２の補正レンズ１４０−２の場合は焦点距離ｆ３＝４００００μｍとして計算を行った結果である。
【００３１】
図６は、補正レンズ１４０の有無における非点隔差αに対する結像点１２１の位置ずれ量ΔＺのグラフを示す図である。図６の横軸はレーザ素子１１０の非点隔差α（μｍ）を示し、縦軸は結像点１２１の水平面と垂直面との間の位置ずれ量ΔＺ（μｍ）を示す。図６は、光結合装置１００において例示的な補正レンズ１４０が有る場合のグラフと補正レンズ１４０が無い場合のグラフとを示す。
【００３２】
製造誤差などによって、同じ設計のレーザ素子１１０であっても非点隔差αにはばらつきが生じる。図６において補正レンズ１４０が無い場合に、非点隔差αが０μｍのときには結像点１２１の位置ずれ量ΔＺは０μｍであるが、非点隔差αが大きくなるほど位置ずれ量ΔＺは０μｍから離れてしまう。それに対して、図６において補正レンズ１４０が有る場合に、所定の範囲の非点隔差αにおいて、結像点１２１の位置ずれ量ΔＺを０μｍ近傍に抑制することができる。例えば、図６で用いる補正レンズ１４０は、０μｍから４μｍの範囲の非点隔差αにおいて、位置ずれ量ΔＺを０μｍ近傍である−１０μｍから１０μｍの範囲に収めることができる。
【００３３】
補正レンズ１４０が有効な非点隔差αの範囲は、補正レンズ１４０の焦点距離を変化させることによって調節することができる。焦点距離が異なる複数の補正レンズ１４０を用意し、レーザ素子１１０の非点隔差αに応じていずれかの補正レンズ１４０を選択して設けることによって、広い範囲の非点隔差αに対して結像点１２１の位置ずれ量ΔＺを抑制することができる。
【００３４】
図７は、例示的な２つの補正レンズ１４０−１、１４０−２を用いる場合における非点隔差αに対する結像点１２１の位置ずれ量ΔＺのグラフを示す図である。図７の横軸はレーザ素子１１０の非点隔差α（μｍ）を示し、縦軸は結像点１２１の水平面と垂直面との間の位置ずれ量ΔＺ（μｍ）を示す。
【００３５】
２つの補正レンズ１４０−１、１４０−２は、それぞれ図３、４（ａ）〜４（ｅ）のいずれかの補正レンズ１４０の構成を有する。第１の補正レンズ１４０−１の焦点距離は、第２の補正レンズ１４０−２の焦点距離とは異なる。そのため、図７に示すように、２つの補正レンズ１４０−１、１４０−２は、結像点１２１の位置ずれ量ΔＺを０μｍ近傍に抑制できる非点隔差αの範囲が異なる。
【００３６】
具体的には、図７の場合には、非点隔差αが０μｍ以上４μｍ未満の場合に第１の補正レンズ１４０−１を用い、非点隔差αが４μｍ以上８μｍ未満の場合に第２の補正レンズ１４０−２を用いる。これにより、０μｍから８μｍの広い範囲において結像点１２１の位置ずれ量ΔＺを０μｍ近傍に抑制することができる。もちろん３つ以上の補正レンズ１４０を用いることによって、さらに有効な非点隔差αの範囲を広げることができる。
【００３７】
さらに、本実施形態に係る光結合装置１００は、レンズの位置に対する許容性（トレランス）が非常に大きい。図８は、補正レンズ１４０の移動量Δｄに対する結像点１２１の位置ずれ量ΔＺのグラフを示す図である。図８の横軸は補正レンズ１４０の光軸Ｚ上の移動量Δｄ（μｍ）を示し、縦軸は結像点１２１の水平面と垂直面との間の位置ずれ量ΔＺ（μｍ）を示す。図８は、非点隔差αが０μｍ、２μｍ、および４μｍの場合のグラフを示す。
【００３８】
図８より、補正レンズ１４０を光軸Ｚ方向に１００μｍ移動させる場合（すなわちΔｄ＝１００μｍ）、結像点１２１の位置ずれ量ΔＺ（絶対値）は０．００６μｍから０．０１８μｍ程度である。換言すると、補正レンズ１４０の移動量Δｄに対する結像点１２１の位置ずれ量ΔＺの変化率は、わずか０．００６％から０．０１８％程度である。
【００３９】
それに対して、特許文献３には、第３のレンズ６を光軸方向に１０〜２０μｍ移動させる場合に、１〜２μｍの精度が達成されることが記載されている。すなわち、第３のレンズ６の移動量に対する結像点の位置ずれ量の変化率は１０％程度であると考えられる。
【００４０】
特許文献３に記載の光結合装置１は、図１０に示すように第２のレンズ５と第３のレンズ６との間に結像点７を形成する必要があるため、レンズの光軸方向の移動に対して敏感であると考えられる。それに対して、本実施形態に係る光結合装置１００は、図１に示すように補正レンズ１４０と集光レンズ１５０との間に結像点を形成しない。そのため、補正レンズ１４０を光軸方向に移動させても、結像点１２１の形成に大きな影響を与えない。
【００４１】
したがって、本実施形態に係る光結合装置１００は、特許文献３に記載の技術よりもレンズの移動に対する許容性が大幅に改善されており、光結合装置１００の組み立てが容易である。特に本実施形態に係る光結合装置１００は補正レンズ１４０を取り替えることによって広い範囲の非点隔差αに有効となることから、このような高い許容性を利用して補正レンズ１４０の取り替えを容易に行えることにより、低コストで導入することができる。
【００４２】
以上のように、本実施形態に係る光結合装置１００によれば、補正レンズ１４０によってレーザ光Ａの非点隔差を補正することができるとともに、補正レンズ１４０の位置への許容性を大幅に向上させることができる。
【００４３】
本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１００  光結合装置
１３０  コリメートレンズ
１４０  補正レンズ
１５０  集光レンズ
【図１】
2017142450.tif 000003
【図２】
2017142450.tif 000004
【図３】
2017142450.tif 000005
【図４】
2017142450.tif 000006
【図５】
2017142450.tif 000007
【図６】
2017142450.tif 000008
【図７】
2017142450.tif 000009
【図８】
2017142450.tif 000010
【図９】
2017142450.tif 000011
【図１０】
2017142450.tif 000012