(57)【要約】【課題】光を発光する機能又は光を受光する機能の少なくとも一方の機能を有する光素子と、光ファイバとの光学的な結合効率を可及的に向上させる。【解決手段】光を発光する機能又は光を受光する機能の少なくとも一方の機能を有する光素子４を光ファイバ６と光学的に結合する集光用レンズ３を有する光通信用レンズ部品１であって、集光用レンズ３を、不純物濃度が１．０×１０１６／ｃｍ３以下のガリウムフォスファイドから形成し、１２６０〜１６７５ｎｍの波長帯域の全部の光に対して、内部透過率が９０％以上で且つ屈折率が２．１〜４．５となるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発光する機能又は光を受光する機能の少なくとも一方の機能を有する光素子を光ファイバと光学的に結合する集光用レンズを有する光通信用レンズ部品において、
前記集光用レンズが、前記光素子とは別体のIII−V族化合物半導体又はII−VI族化合物半導体からなり、１２６０〜１６７５ｎｍの波長帯域の一部又は全部の光に対して、内部透過率が９０％以上で且つ屈折率が２．１〜４．５であることを特徴とする光通信用レンズ部品。
【請求項２】
前記集光用レンズが、III−V族化合物半導体であるガリウムフォスファイドからなり、その不純物濃度が、１．０×１０１６／ｃｍ３以下である請求項１に記載の光通信用レンズ部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を発光する機能又は光を受光する機能の少なくとも一方の機能を有する光素子を、光ファイバと光学的に結合するための集光用レンズを有する光通信用レンズ部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信用レンズ部品としては、スリーブ状又はキャップ状の金属製ホルダーに、集光用レンズを封着用ガラスによって固着したものが知られている（例えば、下記の特許文献１）。この集光用レンズは、発光素子から出射された光を光ファイバに集光する機能、或いは光ファイバから出射された光を受光素子に集光する機能の少なくとも一方の機能を果たすもので、光学ガラスを球状に加工したものが広く利用されている。
【０００３】
また、近年では、この種の集光用レンズとして、光学ガラス以外のものも提案されるに至っている。具体的には、下記の特許文献２には、発光素子や受光素子等の光素子を構成する半導体物質の一部にレンズ機能を付与して、光素子と集光用レンズを一体化することにより、集光用レンズを光素子と同じ半導体で形成することが提案されている。
【特許文献１】特開平３−６８９０６号公報
【特許文献２】特開平１０−２４２５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年の光通信システムの発展に伴って、例えばＦＴＴＨや都市間、或いは国際長距離光通信では、大容量の情報通信が推進されているのが実情であり、更なる通信効率の向上が要求されている。そして、この通信効率を向上させるには、集光用レンズによって光素子と光ファイバとを光学的に結合する際に生じる損失を低減すること、すなわち、集光用レンズによる光の結合効率を向上させることが重要となる。
【０００５】
しかしながら、上記の特許文献１に開示されているように、従来、集光用レンズとして広く利用されている光学ガラス製レンズ（屈折率１．５〜１．８程度）を、光素子と光ファイバの光学結合に用いた場合、光学ガラス製レンズの曲率半径等により程度は異なるが、結合効率は、球面収差の影響を受けて、例えば１０〜２０％程度しか得られない場合がある。これは、ＦＴＴＨや都市間、或いは国際長距離光通信で現在主流となっている光通信波長帯域（１２６０〜１６７５ｎｍ）の光に対して、光学ガラス製レンズの屈折率が小さく、その値を高めようとしても２．０程度が限界であることに起因する。
【０００６】
また、上記の特許文献２に開示されているように、光素子と一体となった集光用レンズでは、光素子の光電変換機能、あるいは電光変換機能を実現するために、光素子を構成する半導体を、不純物がドーピングされたｐ型またはｎ型半導体にする必要がある。そのため、ドーピングされた不純物が集光用レンズ部分にも拡散することになる。その結果、上記の光通信波長帯域で不純物に由来する非常に大きな吸収が生じ、結合効率が大幅に低下してしまう場合がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、光を発光する機能又は光を受光する機能の少なくとも一方の機能を有する光素子と、光ファイバとの光学的な結合効率を可及的に向上させることを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために創案された本発明は、光を発光する機能又は光を受光する機能の少なくとも一方の機能を有する光素子を光ファイバと光学的に結合する集光用レンズを有する光通信用レンズ部品において、前記集光用レンズが、前記光素子とは別体のIII−V族化合物半導体又はII−VI族化合物半導体からなり、１２６０〜１６７５ｎｍの波長帯域の一部又は全部の光に対して、内部透過率が９０％以上で且つ屈折率が２．１〜４．５であることに特徴づけられる。
【０００９】
このような構成によれば、集光用レンズが、光素子（受光素子、発光素子、或いは受発光素子）とは別体のIII−V族化合物半導体又はII−VI族化合物半導体から形成されるので、集光用レンズと光素子とを一体化する場合のように、集光用レンズに不純物を積極的にドープする必要がなくなる。そのため、光通信として主流となっている１２６０〜１６７５ｎｍの波長帯域の一部又は全部の光に対する内部透過率を９０％以上とすることができる。また、このように集光用レンズをIII−V族化合物半導体又はII−VI族化合物半導体から形成することで、従来、集光用レンズとして広く利用されている光学ガラス製レンズに比べて、非常に高い屈折率を実現することができる。具体的には、１２６０〜１６７５ｎｍの波長帯域の一部又は全部の光に対する屈折率を２．１〜４．５とすることができる。
【００１０】
そして、集光用レンズの内部透過率が、９０％以上となる波長においては、光の吸収は少なくなるため、レンズを通過することによる光の損失を確実に低減することができる。また、集光用レンズの屈折率が、上記数値範囲内にあれば、集光用レンズを光学ガラスで製作した場合に生じる球面収差の問題も確実に解消することができる。したがって、集光用レンズの内部透過率と屈折率を、それぞれ上記数値範囲内にすれば、集光用レンズによって、光素子と光ファイバとの光学的な結合効率を確実に高めることができ、損失の少ない良好な光通信を実現することが可能となる。
【００１１】
なお、上記の集光用レンズは、１２６０〜１６７５ｎｍの波長帯域の一部又は全部の光に対して、内部透過率が９５％以上であることが好ましく、９９％以上であることがより好ましい。また、集光用レンズは、１２６０〜１６７５ｎｍの波長帯域の一部の光に対して、内部透過率が９０％以上であるよりも、この波長帯域の全部の光に対して、内部透過率が９０％以上であることが好ましい。この場合、集光用レンズは、１２６０〜１６７５ｎｍの波長帯域の全部の光に対して光の吸収が少なくなるため、異なる波長の光に対して使用される光通信用レンズ部品に適用することが可能となる。
【００１２】
上記の構成において、前記集光用レンズは、III−V族化合物半導体であるガリウムフォスファイド（ＧａＰ）からなり、その不純物濃度が、１．０×１０１６／ｃｍ３以下であることが好ましい。
【００１３】
このようにすれば、内部透過率と屈折率との関係が、既述した数値範囲内となる集光用レンズを簡単に製造することができる。また、ガリウムフォスファイドは、比較的安価に製作できることから、低コスト化を図る上でも有利となる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明に係る光通信用レンズ部品によれば、光を発光する機能又は光を受光する機能の少なくとも一方の機能を有する光素子と、光ファイバとの光学的結合の結合効率を確実に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光通信用レンズ部品を組み込んで、光素子と光ファイバとを光学的に結合した状態を模式的に示す図である。この光通信用レンズ部品１は、有蓋円筒状のキャップ２と、キャップ２の蓋部２ａに固着された集光用レンズ３とを備えている。そして、この光通信用レンズ部品１は、光素子４が搭載されたステム５に固定され、光素子４と光ファイバ６とを集光用レンズ３により光学的に結合するようになっている。
【００１７】
詳述すると、キャップ２は、蓋部２ａの中心に貫通孔２ａ１を有すると共に、筒部２ｂの底部に半径方向外方に延出したフランジ部２ｃを有する。この蓋部２ａの貫通孔２ａ１に、集光用レンズ３が低融点ガラス７により固着されている。
【００１８】
集光用レンズ３は、III−V族化合物半導体又はII−VI族化合物半導体を球状に加工したもので、１２６０〜１６７５ｎｍの波長帯域の全部の光に対して、内部透過率が９９％以上で且つ屈折率が２．１〜４．５となる特性を有している。
【００１９】
ここで、III−V族化合物半導体とは、III族のアルミニウム、ガリウム、インジウムなどと、V族の窒素、リン、ヒ素、アンチモンなどからなる化合物半導体の総称であり、具体的には、例えば、アルミニウムナイトライド、アルミニウムフォスファイド、アルミニウムガリウムアルセナイド、アルミニウムガリウムインジウムフォスファイド、アルミニウムガリウムインジウムナイトライド、ガリウムナイトライド、ガリウムフォスファイド、ガリウムアルセナイド、ガリウムアンチモナイド、ガリウムアルセナイドアンチモナイド、ガリウムインジウムフォスファイド、ガリウムインジウムアルセナイド、ガリウムインジウムアンチモナイド、ガリウムインジウムナイトライド、インジウムフォスファイド、インジウムアルセナイド、インジウムアンチモナイド、インジウムアルセナイドアンチモナイド、ガリウムインジウムアルセナイドアンチモナイド、ガリウムインジウムアルセナイドフォスファイド、ガリウムインジウムナイトライドアルセナイド等が挙げられる。
【００２０】
また、II−VI族化合物半導体とは、II族のマグネシウム、亜鉛、ガドミウム、水銀などと、VI族の酸素、硫黄、セレン、テルルなどからなる化合物半導体の総称であり、具体的には、例えば、ジンクオキサイド、ジンクセレナイド、ジンクサルファイド、ガドミウムサルファイド、カドミウムテルライド等が挙げられる。
【００２１】
本実施形態では、集光用レンズ３は、これらのうち、III−V族化合物半導体に属し、不純物濃度が１．０×１０１６／ｃｍ３以下に管理されたガリウムフォスファイドから形成されている。
【００２２】
このようにガリウムフォスファイドを集光用レンズ３の材料として採用したのは、ＦＴＴＨや都市間、あるいは国際長距離光通信で現在主流となっている光通信波長帯域（１２６０〜１６７５ｎｍ）において、ガリウムフォスファイドの屈折率は３．０４〜３．１０程度あり、一般的な光学ガラスの屈折率（１．５〜１．８程度）や超高屈折率光学ガラスの屈折率（２．０程度）に比べ、非常に高い値を示すためである。
【００２３】
一般的に、球面収差の程度は、集光用レンズ３の口径の３乗に比例する。つまり、集光用レンズ３への入射角が大きくなるほど球面収差の影響が著しい。そのため、単レンズで球面収差を低減するためには、焦点距離が同じであるならば、より屈折率が高い材料を選択した方が有利となる。すなわち、屈折率が高い材料であれば、集光用レンズ３の曲率を小さくして入射角を小さくすることができるので、球面収差の影響を低減できる。したがって、屈折率の高い、III−V族化合物半導体又はII−VI族化合物半導体を集光用レンズ３の材質として採用することが好ましく、本実施形態では、III−V族化合物半導体に属するガリウムフォスファイドを採用している。
【００２４】
一方、ガリウムフォスファイドの不純物濃度を上記のように管理したのは、上記の光通信波長帯域（１２６０〜１６７５ｎｍ）において、上記した内部透過率特性を実現するためである。詳述すると、半導体が有するバンドギャップ中に不純物による不純物準位が形成されて、光通信に用いるレーザ光が集光用レンズ３で吸収されるという事態を防止するために、不純物（例えば、シリコン）濃度を上記数値範囲のように管理している。なお、ガリウムフォスファイド以外のIII−V族化合物半導体、又はII−VI族化合物半導体を集光用レンズ３の材料として採用する場合にも、不純物濃度をアンドープの状態と同程度に管理することが重要である。なお、ここでいうアンドープの状態とは、ｎ型やｐ型半導体を製造する際に積極的にドーピングされる程度の不純物は含有せず、不可避的に混入する微量のコンタミ等の不純物が含有している状態は許容することを意味する。
【００２５】
このような集光用レンズ３の不純物を管理して得られる上記の透過率特性は、図１に示したように、光素子４と、集光用レンズ３とを別体に構成することにより初めて実現できる。すなわち、集光用レンズ３と発光素子（ＬＤ）等の光素子４とを一体化した場合には、光素子４を構成するｐ型又はｎ型半導体から、不純物が集光用レンズ部分に拡散し、透過率が著しく低下するおそれがあるためである。
【００２６】
なお、集光用レンズ３の表面には、図示しない反射防止膜が形成されており、集光用レンズ３の表面での反射光が光通信に影響を与えないレベル（例えば、片面当たり反射率０．５％以下）に低減されている。
【００２７】
以上のような本実施形態に係る光通信用レンズ部品１によれば、集光用レンズ３が、光素子４とは別体のガリウムフォスファイドから形成されているので、集光用レンズ３と光素子４とを一体化する場合のように、集光用レンズ３に不純物を積極的にドープする必要がなくなる。そのため、光通信として主流となっている１２６０〜１６７５ｎｍの波長帯域の全部の光に対する集光用レンズ３の内部透過率を９０％以上とすることができる。また、このように集光用レンズ３をガリウムフォスファイドから形成することで、集光用レンズとして広く利用されている光学ガラス製レンズに比べて、非常に高い屈折率を実現することができる。具体的には、１２６０〜１６７５ｎｍの波長帯域の全部の光に対する屈折率を２．１〜４．５とすることができる。
【００２８】
そして、集光用レンズ３の内部透過率が、９０％以上となる波長においては、光の吸収は少なくなり、集光用レンズ３を通過することによる光の損失を確実に低減することができる。また、集光用レンズ３の屈折率が、上記数値範囲内にあれば、集光用レンズ３を光学ガラスで製作した場合に生じる球面収差の問題も確実に解消することができる。したがって、集光用レンズ３の内部透過率と屈折率を、それぞれ上記数値範囲内にすれば、集光用レンズ３によって、光素子４と光ファイバ６との光学的な結合効率を確実に高めることができ、損失の少ない良好な光通信を実現することが可能となる。
【００２９】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施することができる。例えば、上記の実施形態では、集光用レンズ３を有蓋筒状のキャップ２に低融点ガラス７で固着した形態の光通信用レンズ部品１を説明したが、図２に示すように、集光用レンズ３をバタフライパッケージ８に図示しない接着剤又は低融点ガラスなどで固着した形態であってもよい。また、バタフライパッケージ８内が平らな一平面である場合、集光用レンズ３や光ファイバ６を実装・固定する際の位置決めの自由度が高い反面、容易に位置ずれしてしまう可能性があるため、バタフライパッケージ８内において、集光用レンズ３や光ファイバ６が実装されるべき位置に予めＶ溝などを形成しておいてもよい。さらに、光素子４と集光用レンズ３の間、又は集光用レンズ３と光ファイバ６の間の少なくとも一方に、接着剤又は低融点ガラスを充填した構造であってもよい。
【００３０】
また、上記の実施形態では、集光用レンズ３として球形のものを例示したが、半球形、ドラム形、ロッド形、シリンダ形等、屈折作用で光の進行方向を目的とする方向へ変更するものであればいずれの形状でもよい。
【実施例】
【００３１】
本発明の実施例１として、不純物濃度が１．０×１０１６／ｃｍ３以下に管理されたガリウムフォスファイドから形成された直径２．０ｍｍの球状の集光用レンズ３を製造した。なお、この集光用レンズ３は、不純物濃度が１．０×１０１６／ｃｍ３以下に管理されたガリウムフォスファイドの単結晶インゴットを液体封止チョクラルスキー法により製作した後、この単結晶インゴットを機械研磨により球状（直径２．０ｍｍ）に加工することにより製造した。
【００３２】
まず初めに、実施例１に係る集光用レンズ３の波長に対する内部透過率の変化を測定した。その結果を図３に示す。また、比較例１として、不純物（シリコン）濃度が４．０×１０１７／ｃｍ３のガリウムフォスファイドから形成された直径２．０ｍｍの球状の集光用レンズを製造し、同様に波長に対する内部透過率の変化を測定した。その結果を図４に示す。
【００３３】
図３に示すように、実施例１に係る集光用レンズ３は、ＦＴＴＨや都市間、あるいは国際長距離光通信で現在主流となっている光通信波長帯域（１２６０〜１６７５ｎｍ）を含む１１００〜１７５０ｎｍの波長帯域において、内部透過率が９９％以上となっており、伝送特性に影響を及ぼすような光の吸収は見られない。なお、ガリウムフォスファイドの３００ＫにおけるエネルギーギャップＥｇは２．２６ｅＶ（光の波長に変換すると約５４９ｎｍ）、エネルギーセパレーションＥ０（Γ1Ｃ−Γ１５Ｖ）は２．７８ｅＶ（光の波長に変換すると約４４６ｎｍ）であり、図中の内部透過率における吸収帯に相当する。
【００３４】
これに対し、比較例１に係る集光用レンズでは、バンドギャップ中に不純物準位が形成されるため、図４に示すように、上記の光通信波長帯域（１２６０〜１６７５ｎｍ）において非常に大きな吸収が見られ、この波長帯域での内部透過率は５〜２０％程度となっている。
【００３５】
したがって、このことからも、不純物濃度が上記数値範囲内に管理された実施例１に係る集光用レンズ３は、比較例１に係る集光用レンズよりも、上記の光通信波長帯域における内部透過率が大幅に改善されていることが認識できる。
【００３６】
次に、実施例１に係る集光用レンズ３の波長に対する屈折率の変化を測定した。その結果を図５に示す。
【００３７】
図５に示すように、集光用レンズ３の屈折率は、１７５０ｎｍ以下の波長帯域において３．００以上であって、上記の光通信波長帯域（１２６０〜１６７５ｎｍ）においては３．０４〜３．１０程度ある。この集光用レンズ３の屈折率は、一般的な光学ガラス（屈折率１．５〜１．８程度）や超高屈折率光学ガラス（屈折率２．０程度）と比較すると非常に高い。そのため、当該集光用レンズ３を、図１に示したように、光通信用レンズ部品１に組み込んで、光素子４と光ファイバ６との光学結合に使用することにより、球面収差の影響を大幅に低減することができる。
【００３８】
さらに、実施例１に係る集光用レンズ３を、図１に示した光通信用レンズ部品１に組み込むと共に、集光用レンズ３と光素子４との距離や、集光用レンズ３と光ファイバ６との距離を変更することにより、種々の結像倍率における結合効率を測定した。その結果を図６に示す。また、比較例２として、一般的な光学ガラス（屈折率１．５〜１．８程度）からなる直径２．０ｍｍの球状の集光用レンズを製造し、結合効率を測定した。その際、結像倍率はそれぞれ最大の結合効率が得られる結像倍率とした。その結果を図７に示す。なお、これら結合効率の測定に際し、光素子４としては、発光素子であるファブリ・ペロレーザ（半導体基板と平行方向に発光する端面発光型レーザの一種）を使用し、発振波長は１３１０ｎｍ、出力は１０ｍＷにそれぞれ設定した。
【００３９】
図６に示すように、実施例１に係る集光用レンズ３では、結像倍率が２倍の場合、結合効率は３０％、結像倍率が２．５倍の場合、結合効率は３６％となった。更には結像倍率を２．７倍にすれば、結合効率が３８．５％にまで達する。
【００４０】
これに対し、比較例２に係る集光用レンズでは、屈折率が１．４９６の場合、結合効率は９．５％、屈折率が１．７８の場合、結合効率は２０．５％となった。
【００４１】
したがって、このことからも、実施例１に係る集光用レンズ３は、比較例２に係る一般的な光学ガラス（屈折率１．５〜１．８程度）からなる集光用レンズに比べ、結合効率が大幅に改善されることが認識できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る光通信用レンズ部品を組み込んで、光素子と光ファイバを光学的に結合した状態を示す図である。
【図２】本実施形態に係る光通信用レンズ部品の変形例を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係る光通信用レンズ部品（集光用レンズ）の波長に対する内部透過率の変化を示す図である。
【図４】比較例１に係る光通信用レンズ部品（集光用レンズ）の波長に対する内部透過率の変化を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る光通信用レンズ部品（集光用レンズ）の波長に対する屈折率の変化を示す図である。
【図６】本発明の実施例１に係る光通信用レンズ部品（集光用レンズ）の結像倍率に対する結合効率の変化を示す図である。
【図７】比較例２に係る光通信用レンズ部品（集光用レンズ）の屈折率に対する結合効率の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１      光通信用レンズ部品
２      キャップ
２ａ    蓋部
２ａ１  貫通孔
２ｂ    筒部
２ｃ    フランジ部
３      集光用レンズ
４      光素子
５      ステム
６      光ファイバ
７      低融点ガラス
８      バタフライパッケージ
【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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【図７】
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