JP2006133774A - レンズ、レンズアレイ及び光レシーバ - Google Patents

Abstract

【課題】光レシーバ等において、光通信の阻害要因となる信号反射を低減する。
【解決手段】光ファイバ１１０からの光をフォトデテクタ１２５に導くレンズ１３５の、像側表面１６０の面形状は、レンズ１３５の光軸に沿う平面で断面をとったときに、円状、放物線形状、あるいは双曲線形状などの円錐曲線の形と、二等辺三角形の形とを複合させた形状となっている。フォトデテクタ１２５の表面で反射された光は、レンズ１３５に再度に入射するが光ファイバ１１０の端面１５０には入射しない。
【選択図】図７

Description

本発明は、レンズおよびこのレンズを用いた光レシーバに関する。

光通信システムにおいて望ましくない信号反射（すなわち背面反射）が生じ得る箇所は多数ある。一般的な信号反射箇所としては、光ファイバの接続部及び光ファイバコネクタとインターフェース（例えば光レシーバで言えば光信号がフォトデテクタの表面に当たる部分）が挙げられる。

信号反射により生じ得る副産物の１つはパワーロスである（例えば、光レシーバにより検出される際の光信号強度が低減する）。もう１つの可能性のある副産物としては、光通信を生じさせる光源（発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザー）の乱れが挙げられる。システムの光源の乱れは劣悪な信号品質とノイズを生む。信号反射により生じ得る更に他の副産物としては、ゴースト信号（例えば意図した信号に重なってしまうスプリアス信号、又は光伝送が終わった後も続く信号反射）が挙げられる。これらの副産物（例えばパワーロス、劣悪な信号品質及びゴースト信号）は全て光レシーバが誤った、又は存在しない信号を誤って識別してしまい、データ伝送に悪影響を及ぼす可能性を高めるものである。

光レシーバでの背面反射は通常、入射信号パワーに対する反射信号パワーの比である反射減衰量（リターンロス）で評価される。光レシーバにおいては３０％程度の反射減衰量はめずらしいことではない。

信号反射に関わる問題の幾つかは、光アイソレータを光リンクのトランスミッタ付近に導入することにより解消することが出来る。しかしながら、より低コストのトランスミッタにとってはアイソレータを付加するとコストがかかってしまう。更に、アイソレータはリンクのレシーバにおけるゴースト信号の検出を防ぐものではない。

光信号反射に関わる問題を低減する為の他の技術としては、光サーキュレータ又は回折レンズ部品の導入が含まれる。

一実施の形態においては、レンズは物体側の面と像側の面とを含み、像側の面の形状はコニック要素及び円錐要素を持つ式により定義されている。

他の実施の形態においては、レンズアレイが、共通の構造体へとモールディングされた複数のレンズを含んでいる。各レンズは、物体側の面と像側の面とを含み、像側の面の少なくとも一部の形状が、コニック要素及び円錐要素を持つ式により定義されている。

更に他の実施の形態においては、光レシーバがレンズとフォトデテクタを含んでいる。レンズは物体側の面と像側の面とを含み、像側の面の形状はコニック要素及び円錐要素を持つ式により定義されている。フォトデテクタはレンズの像側の面から放射される光を受けるように配置される。

他の実施の形態も開示する。

図は、本発明を説明する為の現在推奨される実施の形態を描いたものである。

図１は、光トランスミッタ１０５、光ファイバ１１０及び光レシーバ１１５を含む光通信システム１００の一例を描いたものである。ファイバ１１０はトランスミッタ１０５へと光学的に結合したトランスミッタ端面１４５と、レシーバ１１５へと光学的に結合したレシーバ端面１５０とを含んでいる。ファイバ１１０は通信システム１００のアプリケーションに応じ、６２．５／１２５μｍ、５０／１２５μｍ、又は１００／１４０μｍマルチモードファイバ、９／１２５μｍシングルモードファイバ、又は２００μｍＨＣＳ（ハードクラッドシリカ）ファイバ等を含むがこれらに限られないマルチモード、シングルモード、又はその他のタイプのファイバとすることが出来る。光通信システム１００は、ファイバ１１０という手段を通じてトランスミッタ１０５及びレシーバ１１５間における信号（データ等）の伝送を実施することが出来るものである。

光レシーバ１１５はレンズ１３５及びフォトデテクタ１２５を含んでいる。図示したように、フォトデテクタ１２５はトランジスタアウトライン（ＴＯ）缶１２０の基部に搭載することが出来る。レンズ１３５及びフォトデテクタ１２５は複合ハウジング、又は複数部品ハウジング１６５ａ、１６５ｂという手段により相対的に位置決めされて支持される。ハウジング１６５ａ、１６５ｂは少なくともレンズ１３５を支持し、フォトデテクタ１２５及び光ファイバ１１０をこのレンズ１３５に対して位置決めする為の造作（例えば窪み、レセプタクル、ブラケット又はカプラー）を含んでいる。一実施の形態においては、ハウジングの一部（例えば部品１６５ｂ）又は全体がレンズ１３５と一体化されている。この説明において重要なのは、ハウジング１６５ａ、１６５ｂの特定の構成ではなく、レンズ１３５、フォトデテクタ１２５及びファイバ１１０を位置決めすることを可能とするハウジングの機能だけである。システム１００においては、ハウジング１６５ｂはレンズ１３５とフォトデテクタ１２５の間にある空洞１４０（例えばエアギャップ）を画定している。

レンズ１３５は物体（入力、入射）側の面１５５と像（出力、射出）側の面１６０を含んでいる。レンズ１３５は物体側の面１５５がファイバ１１０から放射される入射光を受け、像側の面１６０が光をフォトデテクタへと放射することになるようにアライメントされている。

物体側の面１５５は様々な形状とすることが出来、一実施の形態においては式１（下記）により定義されるコニック形状の面等の凸面をしている。

像側の面１６０は、コニック要素と円錐要素を有する式により定義される。図２はコニック面２００の一例を示す等角図である。図２に例示したコニック面は、以下の式により定義される。なお、本明細書中において、レンズ形状を説明する際に「コニック」、「円錐」という言葉について、次のように使い分けをする。
１） レンズの光軸に沿う断面をとったときに、そのレンズの断面形状を円錐曲線で表すことができるとき、そのレンズは「コニック形状を有する」と云う。
２） レンズの光軸に沿う断面をとったときに、そのレンズの断面形状が三角形となるとき、そのレンズは「円錐形状を有する」、あるいは「円錐表面を有する」と云う。

ここでｚは面２００のサグ量、即ちｚ座標であり、ｘ及びｙは面２００の横方向の座標であり、ｋは円錐定数、そしてｃは面２００の曲率半径の逆数である。一例として、コニック要素は半球、放物線形又は双曲線形とすることが出来る。

図３は、円錐表面３００の一例を描いた等角図である。図３に例示した円錐の表面は、以下の式により定義される。

ここでｚは面３００のサグ量、即ちｚ座標であり、ｘ及びｙは面３００の横方向の座標であり、そしてｄは定数である。

図４は像側の面１６０の等角図である。像側の面１６０はコニック要素と円錐要素を含む式により次のように定義される。

像側の面１６０はまた、以下の式により定められる通りに一次奇数次非球面（一次の非球面係数あるいは補正係数を有する非球面）としても説明することが出来る。

ここでｒは像側の面１６０の動径座標（例えば√ｘ²＋ｙ²）であり、β₁は非球面の一次定数（一次の非球面係数）である。

特定の光ファイバ１１０（例えばファイバタイプやコア径等）に対応するレンズ１３５、光ファイバ１１０を経て受光するものとして想定される光（例えば光の波長、モードプロファイル、及び光がレーザＬＥＤにより作られたのかどうか等）、そしてハウジング１６５ａ、１６５ｂによる光ファイバ１１０及びフォトデテクタ１２５のレンズ１３５に対する配置位置などを要因とするリターンロスを緩和すべく、レンズ１３５の面１５５及び１６０、特に像側の面１６０を最適化することが出来る。面１５５及び１６０は更に、開口数、カップリング効率及び許容背面反射についても最適化することが出来る。

コニック要素と円錐要素を含む式により定義される像側の面１６０を持つレンズ１３５は、そのアプリケーションに応じて様々な有用な機能を提供することが出来る。その機能の１つが、入射光をフォトデテクタ１２５へと収束することである。他の機能としては、フォトデテクタ１２５での反射によりファイバ１１０へと再入射してしまう光の緩和である。レシーバ１１５における背面反射を緩和することにより、１）トランスミッタ１０５の作用と干渉する；又は２）ゴースト信号を生成してしまう；可能性のある信号反射が許容レベルにまで低減され、これによってシステム１００の信頼性と最大帯域幅を増大させることが出来るのである。

一実施の形態においては、光学システム１００は、８５０ｎｍの光源波長；ファイバ１１０が６２．５μｍのコア径と１２５μｍのクラッド径を持つマルチモードファイバ；物体側の面１５５の頂点から像側の面１６０の頂点までのレンズ１３５の長さ（厚み）が０．８ｍｍ；物体側の面１５５の径（絞り径）が０．５ｍｍ；像側の面１６０の径（絞り径）が０．３ｍｍ；像側の面１６０の頂点からフォトデテクタ１２５までの距離が０．４ｍｍ；物体側の面１５５の頂点からファイバ１１０のレシーバ端面１５０までの距離が０．５ｍｍ；像側の面１６０の定数（面形状を決める定数）が、ｄ＝−０．２３、ｋ＝０、ｃ＝２（曲率半径０．５ｍｍ：式３）；そしてレンズ１３５の物体側の面１５５の定数が、ｋ＝０及びｃ＝４（曲率半径０．２５ｍｍ：式１）；という特性を持っている。

図５Ａは、上記段落において説明したシステム１００の実施の形態（システム１００ａ）の順方向の（レンズ１３５へ入射する方向の）光線追跡５００を描いたものである。放射された光はファイバ１１０を通じて進み、物体側の面１５５を通ってレンズ１３５へと入り、像側の面１６０と空洞１４０を通じてフォトデテクタ１２５へと入る。図５Ｂはフォトデテクタ１２５へと入射する光の輪帯状光線プロファイル５５０を示している。

図６Ａは図５Ａに示したシステム１００ａの戻り方向光線トレース６００を描いたものである。図示したように、フォトデテクタ１２５はそれに入射した光のうちのあるパーセンテージを反射する。一部の例においては、反射光は３０％程度である。しかしながら、このパーセンテージはフォトデテクタ１２５の特性（その材料、又は反射防止コーティングがあるかないか等）によって異なる。像側の面１６０は光をフォトデテクタ１２５へと収束することに加え、背面反射される光を（フォトデテクタ１２５に入射する前に）曲げることによりこの光がファイバ１１０へと戻らないようにしている。更には、背面反射された光が（レンズ１３５を経て）ファイバ端面１５０の平面に結像されることがないように、像側の面１６０の開口部（絞り）は物体側の面１５５の径よりも小さくすることが出来る。

図６Ｂはファイバ１１０のレシーバ端面１５０における背面反射された光の輪帯状光線プロファイル６５０を描いたものである。この光線プロファイルにおいては背面反射がファイバ１１０径の外側に散乱している（そしてファイバ１１０へは入り込んでいない）点に注目されたい。従前のレシーバレンズを採用した光学システムの一部では背面反射した光の１０％程度がファイバへと結合してしまうものであるが、図５Ａに示した光学システム１００ａがファイバ１１０へと結合してしまう背面反射光は１％程度である。

図７は、システム１００の、第二の実施の形態（システム１００ｂ）における順方向（伝送方向）及び戻り方向（背面反射方向）の両光線経路を示す光線追跡７００を描いたものである。この第二の実施の形態１００ｂにおけるシステムの特性は、先の実施の形態１００ａに関して説明したものと同様であるが；物体側の面１５５の頂点から像側の面１６０の頂点までのレンズ１３５の長さ（厚さ）が０．７ｍｍ；像側の面１６０の直径（絞り径）が０．５ｍｍ（物体側の面１５５と同じ）；像側の面１６０の頂点からフォトデテクタ１２５までの距離が０．５ｍｍ；物体側の面１５５の頂点からファイバ１１０のレシーバ端面１５０までの距離が０．４３ｍｍ；レンズ１３５の像側の面１６０の定数が、ｄ＝−０．２３、ｋ＝−２．６６、ｃ＝３．３３（曲率半径０．３ｍｍ）；であるという点が異なる。

このシステム１００ｂにおいては、像側の面１６０がより大きな径（絞り径）を持っており、より大量の背面反射光がレンズ１３５へと入射する。しかしながら、このレンズ１３５の構成によれば、それでも尚、背面反射光をファイバ１１０の直径の外側へと散乱させているものである（そしてファイバ１１０の中へは入れさせていない）。
物体側の面１５５及び像側の面１６０を含むレンズ１３５は、例えばポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等のポリマーを、ダイアモンド旋削処理することにより形成された金型のキャビティ中へと射出することにより成形出来る。好適なポリマーの１つは、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙが販売する非晶質熱可塑性ＰＥＩ樹脂のＵｌｔｅｍ（登録商標）である。Ｕｌｔｅｍ（登録商標）は、８５０ｎｍ及び１３００ｎｍ波長において高い透過係数を持っており、光レシーバ、トランスミッタ、及びトランシーバモジュールにおける利用に好適である。Ｕｌｔｅｍ（登録商標）は約２１５℃の高いガラス転移温度を持ち、製造においてモジュールの高温はんだ処理や他の高温処理が可能である。レンズ１３５はまた、好適な光学特性を持つ他の材料（他のポリマー又はガラス等）を使って射出成形、研磨又は他の処理により製造することが出来る。

図８はコニック要素及び円錐要素により画定される像側の面１６０を持つ角度をつけた（屈曲部を有する）レンズ８００の一例を描いたものである。レンズ１３５と異なり、レンズ８００の物体及び像側の面１５５、１６０は相互に対して角度（約９０°等）を以て配置されている。レンズ８００は更に、物体側の面１５５にて受けた光を像側の面１６０へと向けなおす（反射させる）為に、物体側の面１５５と像側の面１６０の間に反射面８０５を含んでいる。光線を屈曲させる点以外は、レンズ８００の機能はレンズ１３５と同様である。

一部の例においては、複数のレンズ１３５又は８００を共通の構造体へとモールディングしてレンズアレイを形成することも出来る。例えば、図９に示したレンズ１３５ａ、１３５ｂのアレイ９００を参照されたい。各レンズにより放射された光を受けるように、別々のフォトデテクタを配置することが出来る。

光通信システムの一例を描いた図である。 コニック表面の一例を描いた等角図である。 円錐表面の一例を描いた等角図である。 コニック形状及び円錐形状を組み合わせた表面の一例を描いた等角図である。 図１に示したシステムの、第一の実施の形態に係る順方向光線経路トレースを描いた図である。 図５Ａに描いたシステムにおけるフォトデテクタ上に入射する環状ビーム形状を描いた図である。 図５Ａに示したシステムにおける戻り光線経路トレースを描いた図である。 図５Ａに示した光ファイバのレシーバ端面における背面反射光の環状ビーム形状を描いた図である。 図１に示したシステムの、第二の実施の形態に係る順方向及び戻り光線経路トレースを描いた図である。 図１に示したレンズの、コニック及び円錐形状を組み合わせた像側の面を含む角度付きレンズの一例を描いた図である。 図１に示したレンズのアレイ例を描いた図である。

符号の説明

１１０ 光ファイバ
１１５ 光レシーバ
１２５ フォトデテクタ
１３５ レンズ
１５５ 物体側の面
１６０ 像側の面
１６５ａ、１６５ｂ ハウジング
８０５ 反射面

Claims (10)

1. 物体側の面と像側の面を含むレンズであって、前記像側の面の形状が、コニック要素及び円錐要素を含む式により定義されるものであることを特徴とするレンズ。
2. 前記像側の面の形状が、
   

   

   により定義されるものであり、ここでｚは像側の面の、光軸方向に沿うｚ座標であり、ｘ及びｙは像側の面の像面に沿う横方向の座標であり、ｋは円錐定数、ｃはコニック表面の曲率半径の逆数、ｄは円錐定数であることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
3. 前記物体側の面の形状が凸形であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ。
4. 前記像側の面の絞り径が、前記物体側の面の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ。
5. 前記物体側の面で受けた光の向きを変えて前記像側の面へと向ける為に、前記物体側の面と前記像側の面との間に配置された反射面を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ。
6. 物体側の面及び像側の面を含むレンズであって、前記像側の面の形状が、コニック要素及び円錐要素を含む式により定義される、レンズと、
   前記レンズの像側の面から放射される光を受けるように配置されたフォトデテクタと
   を具備することを特徴とする光レシーバ。
7. ハウジングを更に具備し、前記ハウジングが少なくとも前記レンズを支持するものであり、前記ハウジングが前記フォトデテクタ及び光ファイバを前記レンズに相対的に位置決めする為の形状的特徴を含むことを特徴とする請求項６に記載の光レシーバ。
8. 特定の光ファイバに対応する前記レンズ、前記光ファイバを介して受光するものとして想定される光、及びハウジングにより前記光ファイバ及びフォトデテクタが前記レンズに対して配置される位置、によって生じる反射減衰を緩和するように前記レンズの表面が最適化されることを特徴とする請求項７に記載の光レシーバ。
9. 前記レンズの表面が、合成ポリマー材料中にモールディングされたものであることを特徴とする請求項６、７又は８に記載の光レシーバ。
10. 前記ポリマー材料がポリエーテルイミドを含むものであることを特徴とする請求項９に記載の光レシーバ。

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