JP2004020720A

JP2004020720A - コリメートレンズ

Info

Publication number: JP2004020720A
Application number: JP2002172969A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Suzuki; 鈴木　良政
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2004-01-22
Also published as: US20040051956A1; US6744563B2

Abstract

【課題】コリメートレンズを、ＤＷＤＭ通信システムのような広波長帯域を使用する通信に使用しても信号強度が劣化せず、しかも生産性にも優れたものとする。
【解決手段】コリメートレンズ２の入射面２ａを平面、出射面２ｂを回転対称非球面とする平凸レンズとする。硝材の選定は、１．５５μｍの波長を基準としてアッベ数に類似した赤外分散指標ｘを定義し、この赤外分散指標ｘと１．５５μｍの波長における硝材の屈折率ｙの関係に基づいて予想される低分散で生産性に優れた範囲に絞って行う。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コリメートレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信システムは、インターネットの普及および通信データ量の増大に伴い、さらなる高速化・大容量化が求められ、信号の多重化が試みられている。例えば、ＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：　高密度波長多重）通信システムは、２００〜１０００種類の波長に信号を乗せて、信号を多重化することが可能であり、高速化・大容量化が可能な光通信手段として注目されている。
従来、このような光通信システムでは、半導体レーザなどの光源から出力される波長の異なる光信号を、光学素子を用いて光ファイバーなどの伝送手段に結合する技術が用いられている。例えば、光源から放射される、波長を厳密に制御された発散光をコリメートレンズで平行光束とし、光ファイバー結合レンズに入射させ、その焦点面に配置された光ファイバーに光束を結合していた。
その際、コリメートレンズや光ファイバー結合レンズには、屈折率分布レンズが使われていた。
また最近では、光ファイバーに対するビーム、あるいは光源に対するビームの結合効率を向上させるために非球面レンズが提案されている。例えば特開２００２−５５２７６公報には、光通信システムに用いるために、色収差を低減し、高効率を得るための非球面レンズが開示されている。さらに屈折率分布レンズに代わり得る非球面レンズも市販されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のコリメートレンズや光ファイバー結合レンズでは、以下のような問題があった。
まず、屈折率分布レンズを用いる場合、波長が変わると焦点位置が変わり、光ファイバーの受光位置でデフォーカスが起こる。これは、屈折率分布レンズは外周部に行くに従って屈折率が下がる構造を備えているが、その屈折率の低下量が波長により大きく違うことによる。そのため、広波長帯域で信号多重化を行うＤＷＤＭなどでは、波長によっては結合効率が低下し信号強度が劣化するという問題があった。その結果、通信伝送速度の向上の妨げになっていた。
【０００４】
次に、非球面レンズを用いる場合である。Ｌｉｇｈｔ　Ｐａｔｈ社から販売されている非球面レンズ（型番３７０８４０）は、アッベ数が大きく色分散が小さい硝材（ＰＢＨ７１　小原製）を用いている。しかしながら、この硝材は、屈折率が大きいため（ｎ_ｄ＝１．９２２８６）、光学面の形状のわずかな誤差が結像性能の劣化につながる。そこで、光学面の面精度を厳しくする必要がある。しかしながら、特に、光通信システムでは、直径数ｍｍ程度の小型のレンズが要求されるので、口径の大きなレンズに比べて面の加工誤差を小さく抑えることがより難しくなる。その結果、非球面レンズの製造に手間がかかり生産性を向上できないという問題が生じる。
【０００５】
また、例えば、Ｌｉｇｈｔ　Ｐａｔｈ社から販売されている非球面レンズ（型番３５０５７０）は、アッベ数が大きく色分散が小さい硝材（ＳＫ１６　ショット製）を用いている。しかしながら、この硝材は、転移点（Ｔ_ｇ）が高いため（Ｔ_ｇ＝６３８度）、レンズを成形する金型に与えるダメージが大きくなる。その結果、金型の耐久性が低下し、非球面レンズの生産性が低下するという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、これらの問題に鑑みてなされたものであって、ＤＷＤＭ通信システムのような広波長帯域を使用する通信において使用しても信号強度が劣化せず、しかも生産性にも優れたコリメートレンズレンズを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、波長１．２μｍ〜１．７μｍの範囲で用いられ、少なくとも１面に非球面を備えるコリメートレンズであって、該コリメートレンズを構成する硝材の波長ａにおける屈折率をｎ（ａ）としたときに、下式により定義される赤外分散指標ｘおよび波長１．５５μｍにおける屈折率ｙが、（２２６≦ｘ≦４５６）かつ（ｙ≦１．８）を満たす構成を用いる。
ｘ＝（ｎ（１．５５）−１）／（ｎ（１．４５）−ｎ（１．６５））
ｙ＝ｎ（１．５５）
【０００８】
この発明によれば、波長１．２μｍ〜１．７μｍの範囲で色収差が小さく、信号強度の劣化を起こすほど大きな焦点位置ずれを起こさないコリメートレンズを実用上合理的なコストで製造することができる。また、製造に際して、高い面精度を必要としない。
ｘに関する条件の下限を下回ると、色収差を良好に補正できない。また、上限を上回ると、低コストで硝材を入手することが難しくなる。また、ｙに関する条件の上限を上回ると、加工に手間がかかる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のコリメートレンズにおいて、前記コリメートレンズの開口数をＮＡとしたときに、下式により定義される球欠定数αが、（０．６≦α≦１．１）を満たす構成を用いる。
α＝ＮＡ／（ｎ（１．５５）−１）
ここで、球欠定数αの意味について簡単に説明する。ここで、球欠とは、レンズの深さ、つまりサグ量のことを指す。レンズの球欠はレンズの屈折率の大きさと開口数ＮＡの大きさによって決まる。上式の分母（ｎ（１．５５）−１）と曲率の積は、屈折面でのパワーを表す量である。よって、所定のパワーを備えるためには、（ｎ（１．５５）−１）の値が小さいほど、曲率を大きくする必要がある。この結果、レンズの球欠は大きくなる。逆に（ｎ（１．５５）−１）の値が大きいほど、曲率は小さくする必要がある。その結果、レンズの球欠は小さくなる。また、開口数ＮＡが大きいほど、レンズ径（口径）を大きくする必要がある。そのため、球欠が大きくなる。したがって、上式において、分子の開口数ＮＡが大きいほど、あるいは分母が小さいほど、球欠が大きくなるから、球欠定数αは球欠の大きさを表す指標となっている。
本発明によれば、光源に用いられる半導体レーザから射出したほとんどの光をコリメートレンズで集光することができる。したがって信号強度が低下することがない。また、加工が容易なコリメートレンズとすることができる。
条件の下限を下回ると、コリメートレンズのＮＡを十分にとることができない。そのため、効率よく光源からの光を就航できない。また、条件の上限を上回ると、レンズの加工が困難になる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のコリメートレンズにおいて、前記コリメートレンズの硝材の赤外分散指標ｘが、（ｘ≧３００）を満たす構成を用いる。
本発明によれば、請求項１の発明よりも色収差がさらに小さく抑えられるので、広波長帯域であってもより性能の優れたコリメートレンズとすることができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれかにに記載のコリメートレンズにおいて、前記コリメートレンズの硝材の波長１．５５μｍにおける屈折率ｙが、（ｙ≧１．７５）を満たす構成を用いる。
本発明によれば、球欠が小さいコリメートレンズとすることができる。したがって、製造がさらに容易となる。
【００１２】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載のコリメートレンズにおいて、波長１．２μｍ〜１．７μｍの少なくとも一部の範囲で、反射率が１％以下となる光学面を有する構成を用いる。
本発明によれば、より光損失を少なくすることができる。したがって信号強度の劣化を低減できるコリメートレンズとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なお、すべての図面を通して、同一または相当する部材には、同一の符号を付している。図１は、本実施形態に係るコリメートレンズが光通信システムの光信号入射部に用いられた場合を示す光軸方向の断面模式図である。
【００１４】
本実施形態に係るコリメートレンズ２を用いた光信号入射部１００は光通信システムなどの装置の一部をなすもので、半導体レーザ１、コリメートレンズ２、光ファイバー結合レンズ３、光ファイバー４を備え、それらが順次配置されている。符号５は光束の最外部を模式的に表している。
【００１５】
半導体レーザ１は、波長１．２μｍ〜１．７μｍの範囲において波長が可変であり、かつ１ｎｍ以下の精度で波長が制御された光を変調して光信号を発生させるものである。
【００１６】
コリメートレンズ２は、半導体レーザ１から放射される発散光束を平行光束とする光学素子である。そのため、半導体レーザ１の不図示の発光点がコリメートレンズ２の焦点位置と一致するように、半導体レーザ１とコリメートレンズ２は配置されている。符号２ａ、２ｂはそれぞれコリメートレンズ２の入射面、出射面を示す。
【００１７】
コリメートレンズ２は、均一な屈折率を有する硝材で作られた単玉レンズまたは複数のレンズの組合せからなり、正のパワーを有するように構成される。少ない光学面で良好な収差補正を行うために、少なくとも１つの光学面は非球面とされている。そして、特に製作コストの低減と小型化を図るためには、単玉レンズであることが好ましい。さらに好ましくは、入射面２ａが半導体レーザ１の光軸に垂直な平面で、出射面２ｂが凸非球面とされた平凸レンズとするのがよい。
【００１８】
コリメートレンズ２の硝材は、赤外分散指標ｘ、屈折率ｙを、
ｘ＝（ｎ（１．５５）−１）／ｎ（１．４５）−ｎ（１．６５））　（１）
ｙ＝ｎ（１．５５）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
ここで、ｎ（ａ）は、波長ａ（μｍ）における硝材の屈折率を表す関数、
と定義したときに、
以下の式（３）、（４）を同時に満足する値を有するものを採用する。
２２６≦ｘ≦４５６　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
ｙ≦１．８　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
ｘのさらに好ましい範囲は、以下の式（５）に示される範囲である。
３００≦ｘ＜４５６　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）
また、ｙのさらに好ましい範囲は、以下の式（６）に示される範囲である。
１．７５≦ｙ≦１．８　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）
なお、式（５）かつ（６）の条件であれば、一層好ましいことは言うまでもない。
また、開口数ＮＡを用いて、球欠定数αを、
α＝ＮＡ／（ｎ（１．５５）−１）　　　　　　　　　　　　　　　（７）
と定義したときに、コリメートレンズ２は、
０．６≦α≦１．１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）
を満たす範囲の値となるように構成される。
なお、球欠とは、レンズの深さ、つまりサグ量のことを指す。
【００１９】
以上に説明した本実施形態に係るコリメートレンズ２は、硝材を加熱し、レンズ金型でプレスし冷却してから脱型するガラスモールド成形により製造することができる。単玉レンズでない場合は、それらのレンズを張り合わせてもよい。
【００２０】
ガラスモールド成形を高精度に行うためには、冷却のムラなどによる成形面のひけを低減するためにレンズ厚を均肉に近づけ、特に球欠を小さくすることが望ましい。
また硝材は、転移点（Ｔ_ｇ）が低いものを採用することが望ましい。そのように構成すれば、比較的低温でもガラスの流動性が高くなり、レンズ金型の耐久性を向上することができる利点がある。
【００２１】
コリメートレンズ２の光学面には、反射防止コーティングが施されることが好ましい。特に、波長１．２μｍ〜１．７μｍの範囲で、光学面の反射率が１％以下となるような波長範囲を有する構成とするのが良い。そして、そのような波長範囲の一部もしくはその近傍に、透過光の波長範囲、例えば光通信の波長帯域が含まれるようにすることが好ましい。このような反射防止コーティングは、例えば、屈折率の異なる薄膜を交互に蒸着して多層薄膜を形成するなどして、適宜に構成することが可能である。
【００２２】
次に、光ファイバー結合レンズ３は、平行光束を所定の焦点位置に結像するための正のパワーを備える光学素子であり、低分散のガラス硝材による単玉レンズまたは複数のレンズの組合せからなる。そして光ファイバー結合レンズ３はコリメートレンズ２と光軸が一致するように配置されている。なお、符号３ａ、３ｂはそれぞれ入射面、出射面である。
【００２３】
光ファイバー結合レンズ３として、コリメートレンズ２と同じレンズを用いるのが好ましい。特に、コリメートレンズ２を、その出射面２ｂが入射面３ａとなり、入射面２ａが出射面３ｂとなる位置に配置して用いることが好ましい。
【００２４】
光ファイバー４は、ガラスファイバーなどからなり、入射口４ａが光ファイバー結合レンズ３の焦点位置にほぼ一致して、光ファイバー結合レンズ３によって結像される光束５が入射可能な位置に配置される。
【００２５】
次に、本実施形態に係るコリメートレンズ２の作用について説明する。
まずコリメートレンズ２は、非球面を備えるから、少ない面数で精度よく収差補正することができる。また、光学面の数を低減できるので、小型化と低コスト化が可能である。特に、平凸単玉レンズで構成した場合、レンズ加工面が凸非球面のみなのでもっとも効果的である。また、その平面側をレンズの受け面または取付面とすれば、装置への組み込みや調整・取り付けが容易となるという利点がある。
【００２６】
次に硝材の選定について説明する。まず、赤外分散指標ｘと屈折率ｙについて、図２を参照して説明する。図２は種々の硝材の赤外分散指標ｘと屈折率ｙの関係を示すグラフである。横軸は赤外分散指標ｘ、縦軸は屈折率ｙで、いずれも無単位である。黒点は現在流通している硝材のデータからｘ、ｙをそれぞれもとめてプロットした。符号Ａ、Ｂのデータは後述する本発明に係る数値実施例に引用しているものである。
【００２７】
発明者は、赤外帯域で使用するコリメートレンズを設計するにあたって、赤外帯域においてアッベ数に類似する分散の特性を表す赤外分散指標ｘと、波長１．５５μｍでの屈折率ｙとの関係から硝材を選択することにより、赤外帯域での合理的な設計を行うという新規な着想を得た。
図２によれば、縦軸は屈折率ｙを表している。また横軸は、赤外分散指標ｘなので、赤外帯域での分散の大きさを表し、その値が大きいほど低分散である。
【００２８】
本実施形態に係るコリメートレンズ２は、赤外分散指標ｘが２２６以上の硝材により構成されているので（式（３））、好適な低分散特性が得られ、色収差を低減することができる。その結果、使用波長が変動してもコリメートレンズ２の焦点位置の変動量が低く維持され、デフォーカスした光束５が入射口４ａよりも大きなスポット径となってけられることがない。したがって、けられによる信号強度の劣化を防止することができる。
また、ｘが４５６以下とされるのは（式（３））、そのような硝材は入手性が悪く、経済性が劣るためである。
【００２９】
さらに本実施形態に係るコリメートレンズ２は、波長１．５５μｍにおける屈折率ｙが１．８以下の硝材により構成されている（式（４））。よって、光学面の形状のわずかな誤差で光路長が大きく変化し、結像性能が劣化するという不具合が生じない。その結果、一般的な加工能力を超えた面精度が要求されることがないので加工が容易になる。また、完成したコリメートレンズ２のレンズ特性が光学面の形状誤差に大きく影響されることがない。
上記のように、屈折率ｙが大きいほど厳しい面精度が要求されるが、一方では硝材のパワーが大きくなるから、光学面の曲率半径を大きくして、球欠を小さくすることができる。そこで本実施形態では、屈折率ｙを１．７５以上とすることが好ましいとしている（式（６））。このような条件を満足することで、ガラスモールド成形に好適な球欠を備えるコリメートレンズ２が得られる。
【００３０】
また、本実施形態に係るコリメートレンズ２は、式（７）、（８）によって、開口数ＮＡの大きさが規制される。半導体レーザ１から放射される光束は所定の発散角で発散する光束であるが、本条件により、コリメートレンズ２で光束のほとんどを集光することができる。その結果、入射光束のけられによって光信号強度が低下することがないコリメートレンズ２とすることができる。
【００３１】
さらに本実施形態に係るコリメートレンズ２は、１．２μｍ〜１．７μｍの波長範囲の少なくとも一部で反射率が１％以下となる反射防止コーティングが施される。その結果、光学面の反射による光損失が低減され、光信号強度の低下を抑えることができる。
【００３２】
次に本実施形態に係るコリメートレンズ２の具体的な数値実施例について説明する。図３は、本実施形態に係るコリメートレンズ２の第１の数値実施例の光路図である。図４は、同じく第１の数値実施例の球面収差図である。図５は、本実施形態に係るコリメートレンズ２の第２の数値実施例の光路図である。図６は、同じく第２の数値実施例の球面収差図である。
【００３３】
〔実施例１〕
上記に説明したコリメートレンズ２に用いることができる具体的なレンズ設計の第１の数値実施例を図３、４を参照して説明する。
本実施例では、コリメートレンズ２は、平凸レンズで構成される。図３に示すように、出射面２ｂが非球面（ｒ_１）を備える凸面、入射面２ａが平面（ｒ_２＝∞）である。本実施例では、波長１．２μｍ〜１．７μｍでは、図示で分かるほどの光路の差が出ていない。
【００３４】
以下に本実施例の具体的な構成パラメータを示す。
ｒ_１の非球面は、式（９）によって表されるＺ軸を対称軸とする回転対称な非球面である。
【数１】

ここで、
ｚは、Ｚ軸に対する平行面のサグ、
ｃは、面頂点での曲率（１／Ｒ）、
ｋは、円錐係数（コーニック定数）である。
【００３５】
ｒ_１の凸非球面の構成パラメータは、以下のとおりである。

【００３６】
本実施例は、ｘ＝３３０．５、ｙ＝１．４８５９７、α＝１．０３の例になっている。このような硝材としては、図２に符号Ａで示したものを採用することができる。図４に示すように、本実施例は波長１．２μｍ〜１．７μｍの範囲で、良好な収差に収まっており、波長ごとの焦点位置も最大でも０．０１ｍｍほどであり、優れた結像性能を有する。
本実施例では、屈折率ｙが比較的小さいため球欠が比較的大きくなるが、転移点Ｔ_ｇが４６０度と低い硝材を用いているので、成形性に優れており、光学的距離が小さいために面精度を緩くできることと合わせて、生産性を向上することができる。
【００３７】
〔実施例２〕
上記に説明したコリメートレンズ２に用いることができる具体的なレンズ設計の第２の数値実施例を図５、６を参照して説明する。
本実施例では、第１の数値実施例と同様に平凸レンズで構成される。図５に示すように、出射面２ｂが非球面（ｒ_１）を備える凸面、入射面２ａが平面（ｒ_２＝∞）である。本実施例では、波長１．２μｍ〜１．７μｍでは、図示で分かるほどの光路の差が出ていない。
【００３８】
以下に本実施例の具体的な構成パラメータを示す。
ｒ_１の非球面は、式（９）によって表されるＺ軸を対称軸とする回転対称な非球面である。ｒ_１の凸非球面の構成パラメータは、以下のとおりである。

【００３９】
本実施例は、ｘ＝２２６．９、ｙ＝１．７７５１７、α＝０．７７の例になっている。このような硝材としては、図２に符号Ｂで示したものを採用することができる。すなわち分散特性を表す赤外分散指標ｘの下限に近い硝材を使っているが、図４に示すように、本実施例は波長１．２μｍ〜１．７μｍの範囲で、良好な収差に収まっている。波長ごとの焦点位置も最大でも０．０１５ｍｍ以内であり、優れた結像性能を有する。
本実施例では、屈折率ｙが比較的大きい球欠を比較的小さくすることができ、しかも転移点Ｔ_ｇが５７４度と、例えば一部の市販レンズに比較して、かなり低い硝材を用いているので、成形性に優れている。その結果、生産性を向上することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明に係るコリメートレンズによれば、ＤＷＤＭ通信システムのような広波長帯域を使用する通信に使用しても信号強度が劣化しないコリメートレンズを構成することができ、しかも生産性にも優れ、製造コストを低減することが可能なコリメートレンズレンズとすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るコリメートレンズが光通信システムの光信号入射部に用いられた場合を示す光軸方向の断面模式図である。
【図２】種々の硝材の赤外分散指標ｘと屈折率ｙの関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態に係るコリメートレンズの第１の数値実施例の光路図である。
【図４】同じく第１の数値実施例の球面収差図である。
【図５】本発明の実施形態に係るコリメートレンズの第２の数値実施例の光路図である。
【図６】同じく第２の数値実施例の球面収差図である。
【符号の説明】
１　半導体レーザ
２　コリメートレンズ
２ａ、３ｂ　入射面
２ｂ、３ａ　出射面
３　光ファイバー結合レンズ
４　光ファイバー
５　光束

Claims

波長１．２μｍ〜１．７μｍの範囲で用いられ、少なくとも１面に非球面を備えるコリメートレンズであって、
該コリメートレンズを構成する硝材の波長ａにおける屈折率をｎ（ａ）としたときに、下式により定義される赤外分散指標ｘおよび波長１．５５μｍにおける屈折率ｙが、
（２２６≦ｘ≦４５６）かつ（ｙ≦１．８）
を満たすことを特徴とするコリメートレンズ。
ｘ＝（ｎ（１．５５）−１）／（ｎ（１．４５）−ｎ（１．６５））
ｙ＝ｎ（１．５５）
前記コリメートレンズの開口数をＮＡとしたときに、下式により定義される球欠定数αが、
０．６≦α≦１．１
を満たすことを特徴とする請求項１に記載のコリメートレンズ。
α＝ＮＡ／（ｎ（１．５５）−１）
前記コリメートレンズの硝材の赤外分散指標ｘが、
ｘ≧３００
を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のコリメートレンズ。
前記コリメートレンズの硝材の波長１．５５μｍにおける屈折率ｙが、
ｙ≧１．７５
を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコリメートレンズ。
波長１．２μｍ〜１．７μｍの少なくとも一部の範囲で、反射率が１％以下となる光学面を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のコリメートレンズ。