JP2006512598A - 光学レンズ - Google Patents

Abstract

レーザ光を光ファイバに結合し、ファイバの中央とコアクラッディングを避けるように光を放射し、レーザ光源への光のフィードバックを防ぎ、シングル又はアレイとして経済的に大量生産できる光学レンズを説明する。レンズ(10')は、円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の組み合わせ(55)である形状の少なくとも１つの端面(25')を有する。円錐形要素は双曲線、放物線、又は球形のうちの１つとすることができる。他の端面(30')は、一般に凸状双曲線形状からなる。レンズはハウジング内に設けられるか、又はハウジングと一体化されることができ、ハウジングはレーザ源１５に結合するための１つの端部結合と、光ファイバ２０の自由端を受容して保持するための更に別の端部結合とを有する。レンズは、レンズのネガ形状を有するモールドを形成するステップであって、レンズの端面に対応し、円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の組み合わせのネガであるモールド部を含む、ステップと、流動性材料をモールドに適用することによりレンズを作成するステップとにより製造される。

Description

本発明は、シングル又はアレイで光ファイバデータ通信システムに使用されるようなマイクロ光学レンズの分野に関し、特にレーザ光を高帯域光ファイバに入射しながら、レーザへのフィードバックを低減または除去する安価なレンズに関する。

発明の背景
一般に知られた構成を図１に示す。図１では、光学レンズ１０は、レーザ（即ち、コヒーレント）光源１５と光ファイバ２０の前端部との間に配置される。レーザ源１５は、例えば、キャビティ１４の開放端を覆うトランジスタの外形（ＴＯ）のヘッダ又は回路基板１２に実装される。レンズ１０は、対物面（又は入力面）２５と像面（又は出力面）３０を有する。レンズ１０は、トランジスタの外形（ＴＯ）のカン又はモールディング１６によってレーザ源１５と光学的に位置合わせされて保持される。図１は、レイトレーシングにより、レーザ源１５からファイバ２０の前端部２２への光の典型的な経路を示す。また、光ファイバ２０は、受信器装置３５に接続する後端部２４も有する。

このようなレンズに関しては、多くの相反する設計の考慮事項がある。この考慮事項には、レーザ、レンズ、及びファイバ端部を含むパッケージ内の空間体積が非常に小さいという状況が含まれる。一般に、平行光チャネル用途では、レーザ光源とレンズの入力面との間は３００μｍしかない。これにより、レンズの設計に制限が加えられる。更に、このようなレンズ結合ユニットは、アレイ（一般に１２×１）で製造されることが多い。このようなレンズの設計における最も重要な目的は、後方反射の回避である。図１を再び参照すると、従来のファイバ面２２は、部分的に入力レーザ光を反射する。反射されたレーザ光は、光源１５（ひいては変調された光源によって表わされるデータ）と干渉し、結果として、光ファイバの遠端においてデータエラーが生じる。また、出力面２４でも部分反射が発生し、レーザ光源１５に向かって戻るように伝播し、再びデータ汚染をまねく可能性もある。さらなる要件は、レンズがファイバにレーザ光を放射すると同時に、ファイバの中央で屈折率の異常を避け、並びにコアとクラッディングの境界面で屈折率の異常を避けて、ひいてはデータ通信の帯域幅を向上させるということである。

部分反射の問題に対する従来技術の手法の一例は、英国特許公開第２３５４８３９Ａ号（アジレント・テクノロジーズ・インク）に説明されている。この従来技術の文献では、円環状レンズの面を、それより以前の双曲線伝達レンズの代わりとして使用することを説明している。

更に、サブミクロン回折パターン（例えば、後方反射を低減するためのレンズ面としての小さなリッジ）を使用することが知られている。これらのレンズ面は、高価なサブミクロンウェハ技術を使用することによって作成され、これらのレンズはレーザビームを減衰させる。

一般に、射出成形マイクロレンズを使用することが望ましい。その理由は、製造プロセスが低コストの大量生産によく適しているためである。レンズは２００℃又はそれより高い温度で形状を保持することが必要である。その理由は、レーザ送信器／トランシーバモジュールが、ハンダリフロープロセス又はハンダ槽によってＰＣＢ基板上に配置される間に、高温にさらされるためである。このため、高いガラス転移温度を有するポリマしか使用できない。しかしながら、こういったタイプのポリマを使用することにより、回折面の適用が妨げられる。ポリマ以外にも何らかのタイプのガラスも使用できるが、これによりレンズ又はレンズアレイの価格が大幅に上昇する。

発明の概要
円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の組合せである表面形状の少なくとも１つの端面を有する光学レンズである。

レンズはアレイとして配列され得る。レンズ又はレンズアレイは、レーザ源（単数または複数）へ結合するための１つの端部結合と、光ファイバ（単数または複数）の自由端へ結合するための更に別の端部結合を有するハウジングと一体化され得る。

前記光学レンズの製造方法は、レンズのネガ形状を有するモールドを形成することを含み、このモールド部分がレンズの端面に対応することを含む。モールド部分は、円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の組合せのネガである。レンズは、流動性材料をモールドに適用することによって作成される。

詳細な説明
一実施形態では、入力レンズ面は、円錐、螺旋、及びコーンの幾何学的な組合せを表わす形状からなるように製造される。

以下の式は、円錐形要素を表わす。

上式で
ｚ：面のサグ（sag）又はｚ座標
ｘ、ｙ：横座標
ｋ：円錐定数
ｃ：曲率（面の曲率半径の逆数）。

図２は、この式によって実現された円錐形状４０の例である。

以下の式はコーンを表わす。

ここで、ｚは面のサグ又はｚ座標を示し、ｘとｙはやはり横座標を表わし、ｄは定数を示す。

図３は、この式によって実現されたコーン面形状４５の例を示す。

以下のパラグラフは螺旋形要素を表わす。

上式において、ｚは表面のサグ又はｚ座標を示し、ｘとｙは横座標を表わし、ｕは定数を示す。

図４は、この式によって実現された螺旋面形状５０の例を示す。

合成した端面の形状５５を図５に示す。これは円錐面、螺旋面、及びコーン面の組合せである。このような形状はレンズの対物面２５’に使用され、また像面３０’にも使用され得る。

このようなレンズ１０’は２つの目的に役立つ。第１の目的は、例えば、ファイバの前端面２２によりレーザの方へ戻るように反射された光がレーザ１５に達するのを防ぐことである。このような後方反射は、レーザを不安定にし、受信器側でのデータ回復を著しく妨害するので、防止される必要がある。レンズ１０’の使用によって、後方反射は一般に−３０ｄＢまで低減される。レンズの第２の目的は、前側のファイバ面上の光スポットを「調整する」ことである。この調整された放射により、マルチモードファイバのモード分散が低減され、ひいてはファイバのデータ帯域幅が増加する。電気通信工業会の作業部会は、「高帯域」ファイバの使用に関する必須条件として調整された放射を指定している。

コーン、螺旋、及び円錐の理想的なサグは、例えばモードプロファイル及び開口数などのレーザの特性に依存する。更に、最小結合効率および許容される後方反射を考慮する必要がある。最後に、レーザからレンズの距離、及びレンズからファイバの距離も考慮しなければならない。レンズ１０’は、シングルモードの用途およびマルチモードの用途に適用され得る。例えば、マルチモードＶＣＳＥＬの用途では、レンズの円周から移動した場合に、３６０度の回転にわたって６πの位相変化を導入する螺旋形要素を、−４πの位相変化を導入するコーン形要素と組み合わせたレンズ面を使用することができる。

具体例
説明のために、本発明を具現化し、ハウジングと一体化されたレンズ１０’を、図１の従来のレンズ１０の代わりに使用した図６を参照する。

この例では、レンズ１０’を製造する材料は「ウルテム（登録商標）」である。ウルテム（登録商標）は８５０ｎｍと１３００ｎｍで高い透過係数を示すので、送信器、受信器、及びトランシーバで使用するのに適した材料である。また、約２１５℃という高いガラス転移温度を有するので、モジュールのリフローが可能となる。

以下の式は、２５０μｍの直径を有する凸面の入力端面２５’の形状を表す。

上記の一般化された式から、要素の形状は、円錐、螺旋、及びコーンとして認識することができる。最終増倍率が含まれて、８５０ｎｍの波長について「位相面」をウルテム（登録商標）の形状に変え、分母の中に補正パラメータを含み、これは（屈折率−１）を表す。

この具体例においては、レンズの像端面（即ち、出力端面）３０’を、凸状双曲線面としてのみ実施するように選択されている。

ここで、曲率半径は０．２９７ｍｍであり、円錐定数は−２．６５である。第１面と第２面の頂点間の距離は、１．５ｍｍに選択される。

図７は、上述のレンズ１０’により達成される放射パターン６０を示す。看取されるように、光強度の環状の広がりが達成される。

図８は、レーザ光源１５から見た場合に、レンズ１０’とファイバ２０を組み合わせたものからの後方反射６５を示す。明らかなように、この部分反射は光源に入射せず、このことは、データエラーの発生が大幅に低減されることを意味する。

製造方法
上述の一般化された形態および具体的な形態のレンズは、射出成形により製造され得る。適切な光学特性を有するポリマ材料、種々のタイプのガラス、又は他の材料を用いることができる。ダイヤモンド旋削工程の使用により、モールディングのキャビティを形づくることができる。

本発明を具現化するレンズは、アレイ構造に形成され得る。図９ａと図９ｂは、レンズ１０’の１２×１アレイを概略的な形態で示す。

図１０は、光カプラ８０の断面図である。光カプラ８０は、入力開口部８０と出力開口部８５と位置合わせされた、上述のレンズ１０’と一体化されたモールディング８５を有する。レーザ光源１５は、入射開口部８０内に堅固に装着される。同様に、光ファイバは、出射開口部８５内に受容されて固定される。レーザ１５、レンズ１０’、及びファイバ２０は、正しい光学的アライメントで保持される。

図１１は、別の形態の光カプラ１００を断面図で示す。このカプラは、トランジスタの外形のパッケージ（ＴＯカンと呼ばれることが多い）１０５が入射開口部９０’内に収容される点で図９の構成と異なる。光ファイバ２０は出射開口部９５内に受容され、出射開口部９５は、像面３０’が投射する出射チャンバ９８まで開いている。レンズ１０’の入力面２５’はキャビティ１０２の中へ延びる。レーザ源１５はキャビティ１０２の開口部に配置され、ＴＯヘッダ１０５によって装着される。

応用分野
本発明の概念に従って構成されたレンズ及びレンズアレイは、送信器、トランシーバ、及び受信器等の、マルチモード及びシングルモードの光データ通信装置に適用され得る。

要約
本発明は、円錐形、螺旋形、及びコーン形の組み合わせからなる直接的に成形された基本形状により、後方反射がレーザ光源に達するのを防ぎ、かつレーザからの光を環状形状へ集束させて、ファイバのコアが照明されないという実現をもたらす。従来技術と比較すると、後方反射光のレーザへの到達防止が向上し、レンズの結合効率がより高くなり、レンズのコストがより低くなり、及び設計の自由度がより高くなる。

既知の一般化された光ファイバ／光源の結合構成を示す略図である。 レンズの円錐面を示す斜視図である。 レンズのコーン面を示す斜視図である。 レンズの端面の螺旋形要素を示す斜視図である。 円錐形要素、コーン形要素、及び螺旋形要素を有するレンズ端面を示す斜視図である。 本発明を具現化するレンズと一体化された光カプラを示す図である。 光ファイバの近端面で生じる放射プロファイルを示す図である。 レンズからの後方反射を示す像である。 レンズアレイを示す図である。 レンズアレイを示す図である。 一体型カプラの概略の形状を示す図である。 一体型カプラの別の概略の形状を示す図である。

Claims (32)

1. 円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の組み合わせである表面形状の少なくとも１つの端面を有する、光学レンズ。
2. 前記円錐形要素が、双曲線、放物線、又は球形のうちの１つである、請求項１に記載の光学レンズ。
3. 前記螺旋形要素と前記コーン形要素により導入される最大位相シフトが、−３：２の比を有する、請求項２に記載の光学レンズ。
4. モールド成形可能な材料から製造される、請求項１に記載の光学レンズ。
5. 前記円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の各々が、サグ要素により数学的に特徴づけられ、前記サグ要素が、前記レンズを使用する光源の少なくともモードプロファイル又は開口数に一致するように選択される、請求項１に記載の光学レンズ。
6. 前記サグ要素が、前記レンズと光源との間の距離、及び前記レンズと前記レンズを使用するファイバとの間の距離に更に依存する、請求項５に記載の光学レンズ。
7. 他の端面が凸状双曲線の形状からなる、請求項１に記載の光学レンズ。
8. レーザ光を光ファイバケーブルに入射するための光学レンズであって、光透過材料の本体部分を備え、少なくともレーザ側の端面が、円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の組み合わせである形状からなる、光学レンズ。
9. 前記円錐形要素が、双曲線、放物線、又は球形のうちの１つである、請求項８に記載の光学レンズ。
10. 前記螺旋形要素と前記コーン形要素により導入される最大位相シフトが、−３：２の比を有する、請求項９に記載の光学レンズ。
11. モールド成形可能な材料から製造される、請求項８に記載の光学レンズ。
12. 前記円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の各々が、サグ要素により数学的に特徴づけられ、前記サグ要素が、前記レンズを使用する光源の少なくともモードプロファイル又は開口数に一致するように選択される、請求項８に記載の光学レンズ。
13. 前記サグ要素が、前記レンズと光源との間の距離、及び前記レンズと前記レンズを使用するファイバとの間の距離に更に依存する、請求項１２に記載の光学レンズ。
14. ファイバ側端面が、凸状双曲線の形状からなる、請求項８に記載の光学レンズ。
15. 光カプラであって、
    レーザ源に接続するための１つの端部結合と、光ファイバの自由端を受容して保持するための更に別の端部接続を有するハウジングと、及び
    前記ハウジング内に一体化されて、前記レーザ源と前記光ファイバの自由端と位置合わせされた光学レンズであって、前記レンズが光透過材料の本体部分を含み、少なくともレーザ側端面の形状が、円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の組み合わせである、光学レンズとを備える、光カプラ。
16. 前記円錐形要素が、双曲線、放物線、又は球形のうちの１つである、請求項１５に記載の光カプラ。
17. 前記螺旋形要素と前記コーン形要素により導入される最大位相シフトが、−３：２の比を有する、請求項１６に記載の光カプラ。
18. モールド成形可能な材料から製造される、請求項１６に記載の光カプラ。
19. 前記円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の各々が、サグ要素により数学的に特徴づけられ、前記サグ要素が、前記レンズを使用する光源の少なくともモードプロファイル又は開口数に一致するように選択される、請求項１５に記載の光カプラ。
20. 前記サグ要素が、前記レンズと光源との間の距離、及び前記レンズと前記レンズを使用するファイバとの間の距離に更に依存する、請求項１９に記載の光カプラ。
21. ファイバ側端面が、凸状双曲線の形状である、請求項１５に記載の光カプラ。
22. 前記レーザが、プリント回路基板および／またはフレキシブル回路テープに実装される、請求項１５に記載の光カプラ。
23. 光学レンズの製造方法であって、
    レンズのネガ形状を有するモールドを形成するステップであって、前記レンズの端面に対応し、かつ円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の組み合わせのネガであるモールド部分を含む、ステップと、及び
    前記モールドに流動性材料を適用することによって前記レンズを作成するステップとを含む、光学レンズの製造方法。
24. 光学レンズアレイであって、
    複数の光学レンズを配置するアレイマウントを備え、
    前記光学レンズのそれぞれが、円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の組み合わせである表面形状の少なくとも１つの端面を有する、光学レンズアレイ。
25. 光カプラであって、
    レーザ源のアレイに接続するための１つの端部結合と、光ファイバのアレイの自由端を受容して保持するための更に別の端部接続を有するハウジングと、及び
    前記ハウジング内に一体化されて、前記レーザアレイと前記光ファイバアレイの自由端と位置合わせされた光学レンズアレイであって、前記レンズアレイが光透過材料の本体部分を含み、前記アレイ内におけるレンズの少なくともレーザ側端面の形状が、円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の組み合わせである、光学レンズアレイとを備える、光カプラ。
26. 前記円錐形要素が、双曲線、放物線、又は球形のうちの１つである、請求項２５に記載の光カプラ。
27. 前記螺旋形要素と前記コーン形要素により導入される最大位相シフトが、−３：２の比を有する、請求項２６に記載の光カプラ。
28. モールド成形可能な材料から製造される、請求項２７に記載の光カプラ。
29. 前記円錐形要素、螺旋形要素、及びコーン形要素の各々が、サグ要素によって数学的に特徴づけられ、前記サグ要素が、前記レンズアレイを使用する光源の少なくともモードプロファイル又は開口数に一致するように選択される、請求項１５に記載の光カプラ。
30. 前記サグ要素が、前記レンズアレイと前記レーザアレイとの間の距離、及び前記レンズアレイと前記レンズアレイを使用するファイバアレイとの間の距離に更に依存する、請求項２９に記載の光カプラ。
31. 前記レンズアレイにおけるレンズのファイバ側端面が、凸状双曲線の形状を有する、請求項２５に記載の光カプラ。
32. 前記レーザアレイが、プリント回路基板および／またはフレキシブル回路テープに実装される、請求項２５に記載の光カプラ。

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