JP2006227366A - 光通信用カップリングレンズ及び光通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 光通信モジュールにおける上り光と下り光の２波長に対応して温度変化による結合損失を補正可能な光通信用回折カップリングレンズ及び光通信モジュールを提供する。
【解決手段】 この光通信用カップリングレンズ４は、光ファイバ１の端部を固定する固定手段と、波長λ１のレーザ光を発振する半導体レーザ５ａと、光ファイバからの半導体レーザとは異なる波長λ２の光を受光する受光器６と、を備える光通信モジュールで光ファイバと半導体レーザ及び受光器との間に配置されて光を集光し結合させるものであって、プラスチック材料または屈折率の温度依存性ｄｎ／ｄＴ＜−５×１０^-5の材料からなり、その光学面の少なくとも１つに正の屈折力を有する位相構造４ａが形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、位相構造が形成された光通信用回折カップリングレンズ及び光通信モジュールに関するものである。

下記特許文献１は、半導体レーザ発振器と、該発振器からのレーザ光をファイバ入射端面に結合するプラスチック製の集光レンズと、アパーチャー部材を備えたファイバ端部固定手段から成り、球面もしくは非球面形状の集光レンズの少なくとも一つの表面に同心円状の回折輪帯構造を形成している半導体レーザモジュールを開示する。この半導体レーザモジュールは、温度変化による半導体レーザ発振器の発振波長の変化とプラスチックレンズの光学特性の変化とに対応して、ファイバ端面への結像位置の移動の少ない安定な光結合効率が得られるように温度補償をした光結合用の半導体レーザモジュールであるので、光通信におけるいわゆる上り専用のものである。

しかし、光通信システムでは、波長の異なる光による双方向伝送が要求されており、いわゆる下りの光信号の受信機能をも兼ね備えた光通信モジュールが必要である。すなわち、半導体レーザから光ファイバに送る光信号と、光ファイバから受光素子における光信号を集光させることができ、かつ、上述の２つの異なる波長の光信号に対応した温度補正が可能な光通信モジュールが必要である。
特開平１１−１４２６９６号公報

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、光通信モジュールにおける上り光と下り光の２波長に対応して温度変化による結合損失を補正可能な光通信用回折カップリングレンズ及び光通信モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による光通信用カップリングレンズは、光ファイバの入射端の位置を固定する固定手段と、波長λ１のレーザ光を発振する半導体レーザと、前記光ファイバからの前記半導体レーザとは異なる波長λ２の光を受光する受光器と、を備える光通信モジュールで前記光ファイバと前記半導体レーザ及び前記受光器との間に配置されて光を集光し結合させるカップリングレンズであって、プラスチック材料または屈折率の温度依存性ｄｎ／ｄＴ＜−５×１０^-5の材料からなり、その光学面の少なくとも１つに正の屈折力を有する位相構造が形成されたことを特徴とする。

この光通信用カップリングレンズによれば、プラスチックレンズ（または、屈折率の温度変化率がｄｎ／ｄＴ＜−５×１０^-5の材料）が光通信モジュールの使用中に温度変化により焦点位置のずれ（結合損失）を生じたとき、カップリングレンズに回折面（位相構造）を保有させることで、半導体レーザから光ファイバへの波長λ１の上り光と、光ファイバから受光器への波長λ２の下り光の２波長両用の温度補正を行うことができる。これにより、上り光と下り光の２波長に対応した光通信モジュールにおいて温度変化による結合損失を補正できる。また、光通信モジュールにおいてプラスチック製のカップリングレンズを用いることができるので、ガラスレンズを用いる場合に比べてコストダウンを図ることができる。

上記光通信用カップリングレンズにおいて前記位相構造は輪帯構造を有し、その断面形状及び各輪帯間隔は、前記半導体レーザの温度変化による発振波長の変動及び／又は前記光ファイバの温度変化による移動が及ぼす焦点移動と、前記カップリングレンズの温度変化による屈折率変化と熱膨張または熱収縮が及ぼす焦点移動が、互いに反対方向となるように設定されることが好ましい。位相構造がないカップリングレンズでは、温度変化により光信号の発振波長がシフトすることと、カップリングレンズの屈折率が変化することと、カップリングレンズが線膨張することとが要因となって結像位置（焦点距離）が移動して結合効率が低下してしまうのであるが、上述の位相構造をカップリングレンズに持たせることで、結像位置のシフトと逆方向なシフトを生じさせることができるので、温度変化による結像位置シフトを補正することができる。

また、前記位相構造の断面形状及び各輪帯間隔は、次式（１）を満たすことが好ましい。

０．２６＜Ｐ_D／Ｐ＜０．８８ （１）
ただし、
Ｐ_D：前記カップリングレンズの第ｉ面に形成された位相構造により、前記カップリングレンズを通過する波面に付加される光路差関数Φｂを光軸からの高さｈ（ｍｍ）の関数として、次の数２

により定義される光路差関数で表したとき（ここで、λは入射光束の波長、λ_Bは製造波長、ｍは位相構造で発生する回折光のうち最大の回折光量を有する回折光の回折次数、ｂ_2iは光路差関数の係数である）、
Ｐ_D＝Σ（−２×ｂ_2i×（λ／λ_B）×ｍ）
により定義される回折レンズとしての回折パワー（ｍｍ^-1）、
Ｐ：波長λ１または波長λ２における前記カップリングレンズのトータルの近軸パワー（ｍｍ^-1）。

プラスチックからなる集光レンズ（カップリングレンズ）を用いた光学系において、発光素子（半導体レーザ）が温度変化により波長シフトする場合、上記位相構造の屈折パワーの比率（Ｐ_D／Ｐ）が０．８８以上となると、上り波長λ１の発振波長が温度変化に対して０．１（ｎｍ／℃）よりも小さいレーザ光源を使用しなければ温度変化による結合効率変化を最適に補正できず、または、上り波長λ１が１３６０ｎｍよりも高波長のレーザ光源を使用しなければ温度変化による結合効率変化を最適に補正できない。また、上記Ｐ_D／Ｐが０．２６以下であると、プラスチックではなくガラスのような小さい線膨張係数のものでなければ温度変化を最適に補正できず、または、上り波長λ１が１２６０ｎｍよりも低波長のレーザ光源を使用しなければ温度変化を最適に補正できない。

また、上記式（１）は、近軸領域においてｄＰ／ｄＴ＝０（Ｐ＝1／ｆ、但し、ｆ：レンズの焦点距離(ｍｍ)、Ｔ：温度(℃)）となる条件を表しているとも言える。この条件の下では温度変化に伴う焦点距離の移動量が０となるので、結合効率の変化も０となることが分かる。

また、半導体レーザ（ＤＦＢ）の場合、温度変化に対する発振波長の変化率は、０．１ｎｍ／℃程度であり、半導体レーザ（ＦＰ）の場合、温度変化に対する発振波長の変化率は０．４ｎｍ／℃であるが、半導体レーザの温度変化による発振波長の変化率が０．１〜０．４（ｎｍ／℃）のとき、または、波長が１２６０ｎｍ〜１３６０ｎｍのとき、温度変化による結合効率変化が最も小さくなるＰ_D／Ｐの値が式（１）の範囲内にあるので、上記Ｐ_D／Ｐが式（１）の範囲内で温度変化による結合効率変化を最適に補正できる。

また、前記位相構造の断面形状は、前記波長λ１とλ２が次の各条件式（２）、（３）を満たすとき、
１２７０ｎｍ≦λ１≦１３６０ｎｍ （２）
１４５０ｎｍ≦λ２≦１５７０ｎｍ （３）
前記波長λ１とλ２に対する回折光がそれぞれ、８次回折光と７次回折光が最大の回折光量を有するように設定されることが好ましい。上記波長範囲内であれば、波長λ１、λ２に対する回折光がともに７０％以上の回折効率を満たす。

また、前記位相構造の断面形状は、前記波長λ１とλ２が次の各条件式（４）、（５）を満たすとき、
１２９２ｎｍ≦λ１≦１３４７ｎｍ （４）
１４８１ｎｍ≦λ２≦１５５３ｎｍ （５）
前記波長λ１とλ２に対する回折光がそれぞれ、１５次回折光と１３次回折光が最大の回折光量を有するように設定されることが好ましい。上記波長範囲内であれば、波長λ１、λ２に対する回折光がともに７０％以上の回折効率を満たす。

また、前記位相構造の断面形状は、前記波長λ１とλ２が次の各条件式（６）、（７）を満たすとき、
１２７９ｎｍ≦λ１≦１３３１ｎｍ （６）
１４６５ｎｍ≦λ２≦１５３７ｎｍ （７）
前記波長λ１とλ２に対する回折光がそれぞれ、１５次回折光と１３次回折光が最大の回折光量を有するように設定されることが好ましい。上記波長範囲内であれば、波長λ１、λ２に対する回折光がともに７０％以上の回折効率を満たす。

上述のように、各回折次数の回折光を使用することで、２波長の回折効率がともにそれらの回折次数で最大となる位相構造を満たすことができるとともに、２波長両用の温度補正可能なカップリングレンズを実現できる。

例えば、温度補正をしない場合、レーザ波長（基準波長１．４９μｍ）の温度変化率をｄλ／ｄＴ＝０．４ｎｍ／℃としたとき、光ファイバ上の結合効率は、基準設計温度２５℃→７０℃で相対的に約３５％分の低下がみられるのに対し、８次回折及び７次回折の位相構造を持たせた場合、上記条件式（２）、（３）の波長範囲内で結合効率の低下が５％程度になる。

また、前記位相構造の断面形状は、前記波長λ１とλ２が次の各条件式（８）、（９）を満たすとき、
１２６０ｎｍ≦λ１≦１３６０ｎｍ （８）
１４５０ｎｍ≦λ２≦１５９０ｎｍ （９）
前記波長λ１とλ２に対するｍ次回折光（ｍ＝１、２）がともに最大の回折光量を有するように設定されることが好ましい。上記波長範囲内であれば、波長λ１、λ２に対する１次回折光同士または２次回折光同士がともに７０％以上の回折効率を満たす。上述の８次回折／７次回折や１５次回折／１３次回折に比べ、１次回折／１次回折、または、２次回折／２次回折は、下り光（光ファイバ→受光器）の焦点距離がカップリングレンズ側にシフトする。言い換えると、半導体レーザの発光素子面に対する受光器の受光面がカップリングレンズ側に近づく。これにより、１次回折／１次回折、または、２次回折／２次回折の方が受光面でのスポット径を小さくすることができるため、下り結合効率（受光面結合効率）を増すことができる。

また、前記位相構造は、８次回折光と７次回折光を用いる場合、段差（図９の高さｄ）が１８．４μｍ〜２１．３μｍの範囲内となるように設定されることが好ましい。上記段差範囲内であれば、上記各条件式（２）、（３）を満たす波長λ１、λ２に対する各回折光がともに７０％以上の回折効率を満たす。

また、前記位相構造は、１５次回折光と１３次回折光を用いる場合、段差（図９の高さｄ）が３５．７μｍ〜３８．８μｍの範囲内となるように設定されることが好ましい。上記段差範囲内であれば、上記各条件式（４）、（５）、または、（６）、（７）を満たす波長λ１、λ２に対する各回折光がともに７０％以上の回折効率を満たす。

また、前記位相構造は、１次回折光と１次回折光を用いる場合、段差（図９の高さｄ）が１．９μｍ〜３．３μｍの範囲内となるように設定されることが好ましい。上記段差範囲内であれば、波長λ１、λ２に対する各回折光がともに７０％以上の回折効率を満たすとともに、下り結合効率（受光面結合効率）を増すことができる。

また、前記位相構造は、２次回折光と２次回折光を用いる場合、段差（図９の高さｄ）が５．１μｍ〜５．９μｍの範囲内となるように設定されることが好ましい。上記段差範囲内であれば、波長λ１、λ２に対する各回折光がともに７０％以上の回折効率を満たすとともに、下り結合効率（受光面結合効率）を増すことができる。

上述のような各範囲の段差の位相構造を持たせることで、各波長範囲内の２波長の回折効率がともに最大となる位相構造を満たすことができるとともに、２波長両用の温度補正可能なカップリングレンズを実現できる。

また、上記光通信用カップリングレンズにおいて前記位相構造が形成された光学面とは別の光学面に前記波長λ１とλ２の各光を分離するための分離構造が形成されることが好ましい。かかる分離構造として、例えば、階段状の回折格子構造がある。

本発明による光通信モジュールは、光ファイバの入射端の位置を固定する固定手段と、波長λ１のレーザ光を発振する半導体レーザと、前記光ファイバからの前記半導体レーザとは異なる波長λ２の光を受光する受光器と、前記光ファイバと前記半導体レーザ発信器及び前記受光器との間に配置されて光を集光し結合させる上述の光通信用カップリングレンズと、を備える。

この光通信モジュールによれば、プラスチックレンズ（または、屈折率の温度変化率がｄｎ／ｄＴ＜−５×１０^-5の材料）が光通信モジュールの使用中に温度変化により焦点位置のずれ（結合損失）を生じたとき、カップリングレンズに回折面（位相構造）を保有させることで、半導体レーザから光ファイバへの波長λ１の上り光と、光ファイバから受光器への波長λ２の下り光の２波長両用の温度補正を行うことができる。これにより、上り光と下り光の２波長に対応して温度変化による結合損失を補正可能であり、プラスチック製のカップリングレンズを用いることで低コストな光通信モジュールを実現できる。

上記光通信モジュールにおいて、前記波長λ１とλ２の各光を分離するための分離手段を更に備えることが好ましい。光通信用カップリングレンズの別の光学面に波長λ１とλ２の各光を分離するための分離構造が形成されない場合には、別途分離手段を設けることができる。

本発明の光通信用回折カップリングレンズ及び光通信モジュールによれば、光通信モジュールにおける上り光と下り光の２波長λ１，λ２に対応して温度変化による結合損失を補正できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。

〈第１の実施の形態〉

図１は第１の実施の形態による光通信用カップリングレンズを含む光通信モジュールの構成を概略的に示す図である。図２は図１の要部を概略的に示す拡大図である。

図１に示すように、光通信モジュール２０は、ケース３の略中央部に配置されたカップリングレンズ４と、ケース３の図の左端に設けられた中空円筒状の保持体２と、保持体２の中空部に組み込まれ端部が固定された光ファイバ１と、ケース３の図の右端に設けられた基板９と、基板９に取り付けられ光ファイバ１からの光信号を受光するフォトダイオードからなる受光素子６と、基板９に取り付けられ光ファイバ１に光信号を送る発光素子ユニット５と、を備える。

図１の発光素子ユニット５は、半導体レーザ５ａ（発光素子）とガラス製のレンズ５ｂとを一体化し基板９に受光素子６とともに取り付けられている。また、光ファイバ１からの光と発光素子５からの光を分離するための合計３枚のプリズムからなる接合プリズム８が半導体レーザ５ａと受光素子６の前面に配置されている。

基板９に設置されたコネクタ７を介して受光素子６及び半導体レーザ５ａの各電気信号が伝達可能であり、外部のＰＣ（パソコン）等の端末機に接続可能になっている。光ファイバ１は光通信システムに接続されることによって、別の端末の光信号を光ファイバ端面１ａより送信しかつ受信することが可能である。

図２のように、接合プリズム８は、半導体レーザ５ａからの波長λ１の光がプリズム接合面８ａを透過するとともに光ファイバ１からの波長λ２の光がプリズム接合面８ａ、８ｂで屈折させ受光素子６に入射する構造となっている。

次に、図１のカップリングレンズ４について図３を参照して説明する。図３は図１のカップリングレンズ４を発光素子側から見た平面図（ａ）及び図１のカップリングレンズ４の側面の断面図（ｂ）である。

図３（ａ）、（ｂ）のように、カップリングレンズ４は回折構造（位相構造）を有しプラスチックからなる回折レンズに構成されており、かかる回折構造は光軸を中心とした輪帯状の回折パターン４ａとして形成されている。この回折パターン４ａは上述の式（１）（０．２６＜Ｐ_D／Ｐ＜０．８８）を満たすように決定されている。図９に示すように、回折レンズ構造の回折パターン４ａは、フレネルレンズのように各輪帯の境界に光軸方向に高さｄの段差を有する。

図１〜図３の光通信モジュールによれば、光通信モジュールの使用中に温度変化により焦点位置のずれ（結合損失）を生じたとき、カップリングレンズ４に回折構造）を持たせることで、半導体レーザ５ａから光ファイバ１への波長λ１の上り光と、光ファイバ１から受光素子６への波長λ２の下り光の２波長両用の温度補正を行うことができる。これにより、上り光と下り光の２波長に対応した光通信モジュールにおいて温度変化による結合損失を補正できる。また、プラスチック製のカップリングレンズを用いることができるので、ガラスレンズを用いる場合に比べてコストダウンを図ることができ、光通信モジュールの低コスト化に寄与できる。

〈第２の実施の形態〉

図４は第２の実施の形態による光通信用カップリングレンズを含む光通信モジュールの構成を概略的に示す図である。図５は図４のカップリングレンズを光ファイバの端面１ａ側から見た平面図（ａ）及び図４のカップリングレンズ４の側面の断面図（ｂ）である。

上り光と下り光を分離するために第１の実施の形態では、図２のような接合プリズム８を用いたが、図４に示す光通信モジュール３０は、上り光と下り光を分離するためにカップリングレンズ４の輪帯状の回折パターン４ａが形成された光学面と反対側の光学面に図５（ａ）、（ｂ）のような直線型の階段状回折構造４ｂを形成している。かかる階段状回折構造４ｂにより、波長λ２の一方の光を回折させ、波長λ１の他方の光を回折パワー０（０次光）で透過するようにして分離することができる。

図４において、直線型の階段状回折構造４ｂが形成されていないもう一方の面に温度補正回折構造として輪帯状の回折パターン４ａを形成しているので、使用中に温度変化が生じても、その温度補正が第１の実施の形態と同様にして可能である。

また、第２の実施の形態において、上述のように２波長λ１，λ２に対する回折次数を変えることで上り光と下り光を分離し、受光素子６と発光素子（半導体レーザ５ａ）を別々の位置に取り付けが可能となる。また、直線型の階段状回折構造４ｂの両波長λ１，λ２に対するパワーが異なることにより両波長の焦点距離も変わってくるが、受光素子６と発光素子（半導体レーザ５ａ）を光軸方向にずらして取り付けることで、上記焦点距離の変化を調整することができる。なお、発光素子ユニット５と受光素子６はカバーガラス１０により密閉されている。

次に、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。

（実施例１）

実施例１は図１〜図３に対応したものである。図６に実施例１の温度補正回折構造を持つカップリングレンズを付加した光通信モジュールの光学系の概略図を示す。光線は発光素子から射出する波長１３１０ｎｍの光を示している。

実施例１のカップリングレンズはオレフィン系樹脂から形成されており、ｄ線のアッべ数は５６である。曲面側の光学面に温度補正のための回折構造を有し、この回折構造は次の表１の回折面係数により表される。

ここで、実施例１のカップリングレンズに設けた輪帯状の回折面は光路差関数Φｂとして次の数３により表すことができ、８次回折光が最大の回折光量を示すように決定した。ここで、ｍは回折面で発生する回折光のうち最大の回折光量を有する回折光の回折次数であり、ｈは光軸に垂直な高さであり、ｂ_2jは光路差関数の係数である。

また、非球面形状は表１の非球面係数により表される。ここで、実施例１における非球面は光軸方向をＸ軸、光軸に垂直な方向の高さをｈ、屈折面の曲率半径をｒとするとき、次の数４で示す。但し、κを円錐係数、Ａ_2iを非球面係数とする。

次の表２は、実施例１の光通信モジュールの光学系において、光ファイバ上での温度変化に対する結合効率を表している。ここで、発光素子の波長の温度シフトを０．４ｎｍ／℃、カップリングレンズの線膨張係数を７．０Ｅ−５／℃、カップリングレンズの屈折率温度変化を−９．０Ｅ−５／℃とする。

表２のように、０℃〜７０℃の温度変化により光ファイバ結合効率がほとんど変わらないことが分かる。このとき、カップリングレンズの屈折パワーと回折パワーは０．１５９／ｍｍと０．１２４／ｍｍとなり、カップリングレンズの全パワーに対する回折パワーの比は０．４３８となる。

図７に上記カップリングレンズを使用して光ファイバからの波長１４９０ｎｍの光信号を受光素子に集光する光学系の概略図を示す。このときの光学系データを次の表３に示す。

カップリングレンズの回折構造は波長１４９０ｎｍの光信号に対して７次回折光が最大効率で回折するような構造となっている。つまり、波長１３１０ｎｍに対して８次回折光が、波長１４９０ｎｍに対して７次回折光が最大で回折するような回折構造を形成させることにより、２波長に対応した温度補正用カップリングレンズが実現可能となる。このとき、両波長に対する回折効率はスカラー計算値でともに９５％以上を得ることができる。

図８は実施例１において波長１４９０ｎｍの光信号が受光素子に結合する場合の結合効率を表すグラフである。横軸が受光素子の受光径で、縦軸が受光素子に入射するエネルギー結合効率を示しており、例えば、受光系として径４０μｍの受光素子を使用した場合、結合効率は９６％近い値を示す。

また、カップリングレンズから受光素子までの光路長は表１におけるカップリングレンズから発光素子までの光路長よりも長くなっていることが分かる。このままの光学系では発光素子と受光素子が同じ光軸上に載る配置となってしまうので、これを解決するために両波長の光路長差を利用して図２のような接合プリズム（ダイクロイックプリズム）８を含むユニットを組むことで発光素子と受光素子を別々の光路に分離できる。ここで、接合プリズムは波長１３１０ｎｍの上り光に対してはプリズム接合面８ａで透過し、波長１４９０ｎｍの下り光に対してはプリズム接合面８ａ，８ｂで反射する構造をとる。

（実施例２）

実施例２は図４，図５に対応したものである。次の表４に実施例２におけるカップリングレンズの光学系データ、非球面係数、直線型の階段状回折構造の回折係数を示す。なお、表４は光ファイバから受光素子までの下りの光学系データを示したが、発光素子から光ファイバまでの上りの光学系データについては実施例１と同様であり表１により表される。

非球面側に設けた回折構造は温度補正を行い、実施例１と同様に１３１０ｎｍに対し８次回折、１４９０ｎｍに対し７次回折となる形状を有する。平面側に設けた上り光と下り光とを分離する直線型の階段状回折構造は、波長１３１０ｎｍ（上り光）で透過（０次回折）し、波長１４９０ｎｍ（下り光）で１次回折をするように決められ、次の数５で表すことができる。ここで、ｃ_jは光路差関数の係数を表す。ｙは発光素子ユニット５と受光素子６が分離している方向における光軸からの高さである。

実施例２における光ファイバ結合効率の温度特性は実施例１と同様であり、受光素子の結合効率は０℃〜７０℃の温度変化で３％以内の変動に収まり十分な特性を示す。

なお、上記表中において、「Ｅ＋ａ」は「×１０^a」、「Ｅ−ａ」は「×１０^-a」を表す。

以上のように本発明を実施するための最良の形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、発光素子と受光素子に対し異なる波長λ１とλ２の各光を分離するために、図２では接合プリズムを使用し、図４，図５ではカップリングレンズ４の片面に２波長に対応する回折角が別になるような回折構造を設けたが、本発明はこれに限定されずに、２波長に対応する回折角が別になるように回折構造を設けた別の光学素子を分離手段として設けるようにしてもよい。

また、図１〜図３、及び図４，図５において、温度補正のための回折構造は、カップリングレンズ４の光ファイバ１側の光学面に設けてもよく、この場合、図４，図５では分離構造を発光素子・受光素子側に設ける。

また、本実施例では、上り光（半導体レーザ→光ファイバ）の波長を１３１０ｎｍとし、下り光（光ファイバ→受光素子）の波長を１４９０ｎｍとしたが、本発明はこれに限定されず、各回折構造に対応して上述の各条件式を満たす波長範囲内で適宜選択可能であり、例えば、下り光（光ファイバ→受光素子）の波長を１５５０ｎｍとしてもよい。

第１の実施の形態による光通信用カップリングレンズを含む光通信モジュールの構成を概略的に示す図である。 図１の要部を概略的に示す拡大図である。 図１のカップリングレンズ４を発光素子側から見た平面図（ａ）及び図１のカップリングレンズ４の側面の断面図（ｂ）である。 第２の実施の形態による光通信用カップリングレンズを含む光通信モジュールの構成を概略的に示す図である。 図４のカップリングレンズを光ファイバの端面１ａ側から見た平面図（ａ）及び図４のカップリングレンズ４の側面の断面図（ｂ）である。 実施例１の温度補正回折構造を持つカップリングレンズを付加した光通信モジュールの光学系を示す概略図である。 実施例１において上記カップリングレンズを使用して光ファイバからの光信号を受光素子に集光する光学系を示す概略図である。 実施例１において波長１４９０ｎｍの光信号が受光素子に結合する場合の結合効率を表すグラフである。 図３（ｂ）の回折パターンの段差の拡大図である。

符号の説明

１ 光ファイバ
１ａ 光ファイバ端面
２ 保持体（固定手段）
３ ケース
４ カップリングレンズ、光通信用カップリングレンズ
４ａ 回折パターン（位相構造）
４ｂ 直線型の階段状回折構造（分離手段）
５ 発光素子ユニット
５ａ 半導体レーザ
５ｂ レンズ
６ 受光素子（受光器）
８ 接合プリズム
８ａ，８ｂ プリズム接合面
２０ 光通信モジュール
３０ 光通信モジュール
λ１，λ２ 波長
ｄ 段差の高さ

Claims (14)

1. 光ファイバの端部を固定する固定手段と、波長λ１のレーザ光を発振する半導体レーザと、前記光ファイバからの前記半導体レーザとは異なる波長λ２の光を受光する受光器と、を備える光通信モジュールで前記光ファイバと前記半導体レーザ及び前記受光器との間に配置されて光を集光し結合させるカップリングレンズであって、
   プラスチック材料または屈折率の温度依存性ｄｎ／ｄＴ＜−５×１０^-5の材料からなり、その光学面の少なくとも１つに正の屈折力を有する位相構造が形成されたことを特徴とする光通信用カップリングレンズ。
2. 前記位相構造は輪帯構造を有し、その断面形状及び各輪帯間隔は、前記半導体レーザの温度変化による発振波長の変動及び／又は前記光ファイバの温度変化による移動が及ぼす焦点移動と、前記カップリングレンズの温度変化による屈折率変化と熱膨張または熱収縮が及ぼす焦点移動が、互いに反対方向となるように設定されたことを特徴とする請求項１に記載の光通信用カップリングレンズ。
3. 前記位相構造の断面形状及び各輪帯間隔は、次式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光通信用カップリングレンズ。
   ０．２６＜Ｐ_D／Ｐ＜０．８８
   ただし、
   Ｐ_D：前記カップリングレンズの第ｉ面に形成された位相構造により、前記カップリングレンズを通過する波面に付加される光路差関数Φｂを光軸からの高さｈ（ｍｍ）の関数として、次の数１
   

   

   により定義される光路差関数で表したとき（ここで、λは入射光束の波長、λ_Bは製造波長、ｍは位相構造で発生する回折光のうち最大の回折光量を有する回折光の回折次数、ｂ_2iは光路差関数の係数である）、
   Ｐ_D＝Σ（−２×ｂ_2i×（λ／λ_B）×ｍ）
   により定義される回折レンズとしての回折パワー（ｍｍ^-1）、
   Ｐ：波長λ１または波長λ２における前記カップリングレンズのトータルの近軸パワー（ｍｍ^-1）。
4. 前記位相構造の断面形状は、前記波長λ１とλ２が次の各条件を満たすとき、
   １２７０ｎｍ≦λ１≦１３６０ｎｍ、
   １４５０ｎｍ≦λ２≦１５７０ｎｍ、
   前記波長λ１とλ２に対する回折光がそれぞれ、８次回折光と７次回折光が最大の回折光量を有するように設定されたことを特徴とする請求項１，２または３に記載の光通信用カップリングレンズ。
5. 前記位相構造の断面形状は、前記波長λ１とλ２が次の各条件を満たすとき、
   １２９２ｎｍ≦λ１≦１３４７ｎｍ、
   １４８１ｎｍ≦λ２≦１５５３ｎｍ、
   前記波長λ１とλ２に対する回折光がそれぞれ、１５次回折光と１３次回折光が最大の回折光量を有するように設定されたことを特徴とする請求項１，２または３に記載の光通信用カップリングレンズ。
6. 前記位相構造の断面形状は、前記波長λ１とλ２が次の各条件を満たすとき、
   １２７９ｎｍ≦λ１≦１３３１ｎｍ、
   １４６５ｎｍ≦λ２≦１５３７ｎｍ、
   前記波長λ１とλ２に対する回折光がそれぞれ、１５次回折光と１３次回折光が最大の回折光量を有するように設定されたことを特徴とする請求項１，２または３に記載の光通信用カップリングレンズ。
7. 前記位相構造の断面形状は、前記波長λ１とλ２が次の各条件を満たすとき、
   １２６０ｎｍ≦λ１≦１３６０ｎｍ
   １４５０ｎｍ≦λ２≦１５９０ｎｍ
   前記波長λ１とλ２に対するｍ次回折光（ｍ＝１、２）がともに最大の回折光量を有するように設定されたことを特徴とする請求項１，２または３に記載の光通信用カップリングレンズ。
8. 前記位相構造は、段差が１８．４μｍ〜２１．３μｍの範囲内となるように設定されたことを特徴とする請求項４に記載の光通信用カップリングレンズ。
9. 前記位相構造は、段差が３５．７μｍ〜３８．８μｍの範囲内となるように設定されたことを特徴とする請求項５または６に記載の光通信用カップリングレンズ。
10. 前記位相構造は、段差が１．９μｍ〜３．３μｍの範囲内となるように設定されたことを特徴とする請求項７に記載の光通信用カップリングレンズ。
11. 前記位相構造は、段差が５．１μｍ〜５．９μｍの範囲内となるように設定されたことを特徴とする請求項７に記載の光通信用カップリングレンズ。
12. 前記位相構造が形成された光学面とは別の光学面に前記波長λ１とλ２の各光を分離するための分離構造が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光通信用カップリングレンズ。
13. 光ファイバの入射端の位置を固定する固定手段と、波長λ１のレーザ光を発振する半導体レーザと、前記光ファイバからの前記半導体レーザとは異なる波長λ２の光を受光する受光器と、前記光ファイバと前記半導体レーザ発信器及び前記受光器との間に配置されて光を集光し結合させる請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光通信用カップリングレンズと、を備える光通信モジュール。
14. 前記波長λ１とλ２の各光を分離するための分離手段を更に備える請求項１３に記載の光通信モジュール。
    
    

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