JP2008116743A - 多チャンネル光通信用レンズ及びそれを用いた光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光モジュールの構造に関係なく所望の位置に配置することができ、かつ多チャンネルの光信号を低損失に結合させることができる多チャンネル通信用レンズを提供する。
【解決手段】複数の整列された光伝送路１１と、それら光伝送路１１に対向して整列され、光信号を送受信する複数の光電素子１２との間に介設されて各光伝送路と各光電素子間の光信号を個々に結合させる多チャンネル光通信用レンズにおいて、整列された光伝送路１１の端面または端面近傍の集光位置と光電素子１２の集光位置にそれぞれ第１凸レンズ１５と第２凸レンズ１６を配置し、その両凸レンズ１５，１６の相対する内側のレンズ面１８，２０を各光伝送路１１から各光電素子１２への非点収差を低減すべく非軸対称レンズ面に形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、多チャンネルの光信号を送信または受信する光モジュールに搭載する多チャンネル光通信用レンズ及びそれを用いた光モジュールに関するものである。

光通信システムの末端では、電気信号から変換された光信号を光ファイバ等の光伝送路に送信する光モジュールや、光伝送路から光信号を受信する光モジュールが用いられており、特に、複数の光信号を送信或いは受信するべくレーザダイオード（ＬＤ）アレイやフォトダイオード（ＰＤ）アレイを実装した光モジュールが用いられている。このような光モジュールは、光伝送路とＬＤ或いはＰＤ間に光信号を結合させる多チャンネル光通信用レンズを備えている。

図４に示すように、多チャンネル光通信用レンズ４０は、複数の光ファイバ４１（例えば、光ファイバアレイ４２）と複数のＰＤ４３（例えばＰＤアレイ４４）との間に介設され、各光ファイバ４１を出射した光信号を各ＰＤ４３に個々に結合させる。多チャンネル光通信用レンズ４０は、各光ファイバ４１と各ＰＤ４３とにそれぞれ対向して並列に形成された複数のマイクロレンズ４６，４７を備えたマイクロレンズアレイである。

各光ファイバ４１から出射した光信号は、光ファイバ側のマイクロレンズ４６でコリメートされ、それらコリメートされた光信号（平行光）がＰＤ側のマイクロレンズ４７で集光され、略焦点位置で各ＰＤ４３に受光される。このような多チャンネル光通信用レンズ４０を備えた光モジュールは、各光ファイバ４１とそれに対応するＰＤ４３毎に一組のマイクロレンズ４６，４７が設けられるために、各光ファイバ４１からの光信号を個々に各ＰＤ４３に結合させることができる。

なお、本発明に係る多チャンネル光通信用レンズを備えた光モジュールの先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開２００５−２９２７３９号公報

光モジュールに実装されている従来の多チャンネル光通信用レンズ４０は、複数のマイクロレンズ４６，４７を並列に配設して複数の光信号を個々にコリメート、集光するためレンズ径が小さい。そのため、マイクロレンズ４６，４７の焦点距離は短く、レンズ４０を光モジュールに搭載する際、ＬＤやＰＤ、光コネクタ等のすぐ近くにレンズ４０を配置しなければならなかった。したがって、ＬＤパッケージやＰＤパッケージを備える光モジュールの構造が制限されるという問題があった。

また、焦点距離の短いマイクロレンズアレイでは、凸レンズに僅かなチリやゴミ（コンタミネーション、コンタミ）が付着すると、それら凸レンズを透過する光信号が劣化する問題がある。これは、マイクロレンズアレイでは凸レンズの径が小さく、コンタミのレンズ径（光信号の径）に対する比が大きいことによる。マイクロレンズよりもレンズ径を大きくした大口径レンズを使用することでコンタミによる光信号劣化の問題は解消できる。

しかしながら、このような大口径レンズを多チャンネル光通信に使用しても４チャンネル程度以下の光信号にしか適用することができない。それ以上のチャンネル数の光信号を入射させる程に大きいレンズを用いると、スポットサイズを小さくして集光させることができず、光信号をＰＤに結合させる際、損失が大きくなるという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＬＤやＰＤを備える光モジュールを所望の構造にすることができ、かつ多チャンネルの光信号を低損失に結合させることができる多チャンネル通信用レンズ及びそれを用いた光モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、複数の整列された光伝送路と、その光伝送路に対向して整列され、光信号を送信または受信する複数の光電素子と、上記光伝送路と上記光電素子との間に介設されて各光伝送路と各光電素子間の光信号を個々に結合させる多チャンネル光通信用レンズにおいて、
上記光信号を上記整列された光伝送路の端面または端面近傍に集光させる位置に第１凸レンズを設けると共に、上記光信号を上記複数の光電素子に集光させる位置に第２凸レンズを設け、両凸レンズは一方の面に非球面レンズを有し、他方の面に非軸対称の非球面レンズを有する多チャンネル光通信用レンズである。

請求項２の発明は、上記第１凸レンズまたは上記第２凸レンズは、上記複数の整列された光伝送路または上記複数の光電素子から出射された複数の光信号を平行光とすると共に、上記複数の光信号を上記第１凸レンズ及び上記第２凸レンズ間で略一点で交差させ、これら複数の光信号を各光電素子または各光伝送路の端面または端面近傍に集光させる請求項１記載の多チャンネル光通信用レンズである。

請求項３の発明は、上記第１凸レンズの光伝送路側のレンズ面と上記第２凸レンズの光電素子側のレンズ面とを互いに同じ曲面に形成すると共に、上記第１凸レンズの光伝送路とは反対側のレンズ面と上記第２凸レンズの光電素子とは反対側のレンズ面とを互いに同じ曲面に形成した請求項１または２記載の多チャンネル光通信用レンズである。

請求項４の発明は、上記第１凸レンズと上記第２凸レンズとは同一に形成される請求項１〜３いずれかに記載の多チャンネル光通信用レンズである。

請求項５の発明は、上記第１凸レンズは上記複数の整列された光伝送路のうち互いに最も離れた２つの光伝送路の光軸間距離よりも大きな有効径を有すると共に、上記第２凸レンズは上記複数の光電素子のうち互いに最も離れた２つの光電素子の光軸間距離よりも大きな有効径を有する請求項１〜４いずれかに記載の多チャンネル光通信用レンズである。

請求項６の発明は、請求項１〜５いずれかに記載の多チャンネル光通信用レンズと、上記複数の整列された光伝送路と、上記複数の整列された光電素子とを備えた光モジュールである。

本発明によれば、ＬＤやＰＤを備える光モジュールを所望の構造にすることができ、かつ多チャンネルの光信号を低損失に結合させることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本発明に係る多チャンネル通信用レンズ部品の好適な実施の形態を示した模式図である。

図１に示すように、本実施の形態の多チャンネル光通信用レンズ１０は、例えば光トランシーバ等の光モジュール３０を構成する複数の整列された光伝送路１１と、その光伝送路１１に対向して整列され、光信号を送信または受信する複数の光電素子１２との間に介設されて各光伝送路１１と各光電素子１２間の光信号を個々に結合させるものである。

複数の光伝送路１１として、複数本の光ファイバが挙げられ、本実施の形態では、１２本（チャンネル）の光ファイバを並列に整列して配置し、光ファイバの入出射端は光コネクタ（例えば、１２心テープファイバ用ＭＴ光コネクタ）１３が設けられる。各光ファイバ１１間の間隔は２５０μｍピッチであり、両端の光ファイバ間の距離Ｌ１は２．７５ｍｍである。

複数の光電素子１２としては、複数個のフォトダイオード（ＰＤ）が挙げられ、本実施の形態では、複数個のＰＤ（１０Ｇｂｉｔ／ｓ伝送用、受光径φ５０μｍ）を２５０μｍピッチで並列に整列させた素子としてＰＤアレイ１４を用いる。各光電素子１２間の間隔は２５０μｍピッチであり、両端の光電素子１２間の距離Ｌ２は２．７５ｍｍである。
多チャンネル光通信用レンズ１０は相対する２つの凸レンズ１５，１６からなり、一方の凸レンズ（第１凸レンズ）１５は、複数の光伝送路１１に対向して配置され、他方の凸レンズ（第２凸レンズ）１６は、複数の光電素子１２に対向して配置される。また、第１凸レンズ１５の有効レンズ径は、並列に整列した複数の光伝送路１１のうち互いに最も離れた両端の光伝送路１１間の距離Ｌ１よりも大きく、第２凸レンズ１６の有効レンズ径は、並列に整列した複数の光電素子１２のうち互いに最も離れた両端の光電素子１２間の距離Ｌ２よりも大きい。

第１凸レンズ１５及び第２凸レンズ１６は、光学樹脂を用いて金型成形により形成される。レンズ材料に用いられる光学樹脂には、アクリル系樹脂（特に、ＰＭＭＡ系：メタクリル酸メチル樹脂）、ＰＣ系（ポリカーボネイト）、ＣＯＰ系（シクロオレフィンポリマー）などがある。また、材料強度や耐熱性を重視するのであれば、スーパーエンジニアプラスチックであるＰＥＩ（ポリエーテルイミド）が適している。本実施の形態の多チャンネル光通信用レンズ１０にはこれら光学樹脂のいずれを用いてもよい。

ここで、第１凸レンズ１５の光伝送路１１側のレンズ面１７及び第２凸レンズ１６の光電素子１２側のレンズ面２０を外側レンズ面と称し、第１凸レンズ１５の光伝送路１１とは反対側のレンズ面１８及び第２凸レンズ１６の光電素子１２とは反対側のレンズ面１９を内側レンズ面と称する。

本実施の形態では、第１凸レンズ１５の外側レンズ面１７と第２凸レンズ１６の外側レンズ面２０とを同じ曲面に形成し、第１凸レンズ１５の内側レンズ面１８と第２凸レンズ１６の内側レンズ面１９とを同じ曲面に形成した。さらに、第１凸レンズ１５と第２凸レンズ１６とを、レンズ面１７〜２０以外の部分（例えば、上記光学樹脂の材料（屈折率）、内側レンズ面と外側レンズ面間の長さなど）も含めて同一に形成した。

さて、本実施の形態の多チャンネル光通信用レンズ１０は、整列された光伝送路１１の端面または端面近傍と光電素子１２とがそれぞれ第１凸レンズ、第２凸レンズの集光位置となるように第１凸レンズ１５と第２凸レンズ１６とを光モジュール３０内に配置し、両凸レンズ１５，１６の相対する内側のレンズ面１８，１９を各光伝送路１１から各光電素子１２への非点収差を低減すべく非軸対称レンズ面（トーリック面）に形成したものである。

ここで、非軸対称レンズ面とは、レンズ面の子午面（子午線方向断面、図中ｘ方向）と球欠面（球欠線方向断面、図中ｙ方向）とで互いに異なる曲線で形成されたレンズ面であり、特に、曲率、楕円定数及び／又は高次の非球面定数等のパラメータが互いに異なる。

多チャンネル光通信用レンズ１０を用いた光モジュール３０は、多チャンネル光通信用レンズ１０の他に、並列に整列された複数の光伝送路１１と、並列に整列された複数の光電素子１２とを備える。光モジュール３０としては、光電素子１２としてＰＤを備えた受信用光モジュール、光電素子１２としてレーザダイオード（ＬＤ）を備えた送信用光モジュール、或いはＰＤとＬＤの両方を備えた送受信用光モジュール（例えば、光トランシーバ）が挙げられる。送受信用光モジュールの場合、例えば、複数の光電素子１２としてＰＤとＬＤとを同個数ずつ配置して構成される。

本実施の形態の作用を説明する。

図１では、第１凸レンズ１５及び第２凸レンズ１６を伝搬する光信号の主光線（球面収差レンズの光軸）を実線で示した。また、光軸の上部を通過する上光線、及び光軸の下部を通過する下光線を破線で示した。

複数の光伝送路１１から出射した各光信号は、光伝送路１１のＮＡによって決まる所定の拡がり角（本実施の形態では２４°）で第１凸レンズ１５に入射する。第１凸レンズ１５に入射した各光信号は、外側レンズ面１７及び内側レンズ面１８で屈折して光軸（主光線）が曲げられると共に平行光となって（コリメートされて）第１凸レンズ１５を出射し、第２凸レンズ１６へ向かう。その際、複数の光信号は、第１凸レンズ１５の外側レンズ面１７に入射した光信号のうち、外側レンズ面１７の中心からｘ軸方向に離れた位置に入射する光信号程、光軸の曲がり角が大きく、中心に近い程曲がり角が小さい。したがって、第１凸レンズ１５を出射し、それぞれ平行光となった各光信号の光軸は、第１凸レンズ１５と第２凸レンズ１６との間で略一点Ａで交差する。また、上光線及び下光線も第１凸レンズ１５と第２凸レンズ１６との間でそれぞれ略一点Ａ１，Ａ２で交差する。

第２凸レンズ１６では、第１凸レンズ１５でコリメートされた各光信号が第２凸レンズ１６の内側レンズ面１９及び外側レンズ面２０で屈折して、各光信号の光軸が互いに平行にされると共に、第２凸レンズ１６の外側レンズ面２０を出射した各光信号は各光電素子１２の受光端面に集光する。

本実施の形態の多チャンネル光通信用レンズ１０によれば、並列に整列した複数の光伝送路１１（或いは光電素子１２）の両端の光伝送路１１間の距離Ｌ１（或いはＬ２）以上に有効レンズ径を大きく形成しているので、外側レンズ面１７に入射する（或いは外側レンズ面２０から出射する）光信号の焦点距離が長い。焦点距離が長くなることで、ＬＤパッケージやＰＤパッケージとレンズとの間にパッケージを封止するガラス窓を設けることができ、ＬＤやＰＤの信頼性を高めることができる。また、パッケージ構造やサイズが規定されているためレンズから所定の距離以上ないと用いることができなかったＬＤパッケージやＰＤパッケージを用いることができる。さらに、焦点距離が長いと凸レンズに入射する光信号の光径が大きいため、レンズ表面に傷や汚れがあっても、光信号の損失を抑えることができる。

多チャンネル光通信用レンズ１０は、本来、図１で説明した光路を形成すべく、両外側レンズ面１７，２０の非球面形状のみを考慮して形成すればよいものであるが、有効レンズ径が大きい場合（特に、１ｍｍ以上）、各光電素子１２の受光端面で受光される各光信号は、球面収差（コマ収差、歪曲収差を含む）の発生によりスポットサイズが拡がり、受光端面（焦点）に有効に集光されないものであった。

本実施の形態の多チャンネル光通信用レンズ１０では、有効レンズ径を大きくしても、両外側レンズ面１７，２０に加えて、内側レンズ面１８，１９を非球面に形成することで、受光端面に生じる球面収差を低減（相殺）することができる。

レンズの屈折力（パワー）は、レンズの屈折率（ｎ）の値が大きく、曲率半径（ｒ）が小さいほど大きくなる。本実施の形態では、１２チャンネルの光信号をレンズに入射させているが、各チャンネルの光信号を略一点の焦点位置に集めるためには、レンズの中心から離れた位置（Ｒ）に入射する光ほど、大きな屈折力で屈折させる必要がある。

しかし、光軸に垂直方向での球面収差（横収差）は（Ｒ／ｒ）の３乗に比例することから、曲率半径が小さくレンズのパワーが大きいほど球面収差が発生し易く、従ってレンズの中心から離れた位置に入射した光ほど球面収差が発生し易い。上記レンズ集光特性によれば、同じ焦点距離に集光する場合、本実施の形態であるレンズ面を４面用いることで、従来のレンズ面が２面の場合と比べて、各レンズ面のパワーを小さくすることができる。つまり、各レンズ面の曲率半径を従来の２面レンズの場合と比べ大きくできるため、１２チャンネルの両端の光信号のようにレンズの中心から離れた位置に入射する光信号でも球面収差の発生を低減させることができる。

図２（ａ）は、図１の２Ａ−２Ａ線矢視図（球欠面を示す模式図）、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＣ１部分の拡大図である。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、相対する内側のレンズ面（第１凸レンズの内側レンズ面１８及び第２凸レンズの内側レンズ面１９）を非軸対称な非球面（トーリック面）に形成することで、光信号が光電素子１２の受光端面１２ａに集光される際に生じる非点収差を低減することができる。

図３（ａ）は従来の多チャンネル光通信用レンズの球欠面を示す模式図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ２部分の拡大図である。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、軸対称な曲面のレンズ面３３，３４，３５，３６を有する凸レンズ３１，３２では、各光信号が、図中ｘ方向に並んで伝搬するために、子午面内の光線Ｌｍと球欠面内の光線Ｌｓとで結像位置（焦点位置）が光軸方向で前後に（図中、ｚ方向に）異なる非点収差が発生する。よって、受光端面１２ａでのスポットサイズが例えば６０μｍ程度と非常に大きくなってしまう。

そこで、本実施の形態のレンズ１０では、第１凸レンズ１５及び第２凸レンズ１６の内側レンズ面１８，１９を非軸対称な非球面に、すなわち、子午面（ｘ方向）と球欠面（ｙ方向）とで互いに異なる曲面に形成した。これにより、子午面内の光線Ｌｍの焦点位置と球欠面内の光線Ｌｓの焦点位置とを各光電素子の受光端面１２ａで一致させ、非点収差を低減して集光させることができる。

ＰＤアレイ１４には１０Ｇｂｉｔ／ｓの伝送が可能な受光径φ５０μｍのＰＤを用いたが、本実施の形態では、受光端面のスポットサイズは常温２５℃でφ１８μｍであり、ＰＤの受光径に対し十分に小さくすることができる。従って、ＰＤアレイ１４に各光信号をもれなく結合することができる。

一方、多チャンネル光通信用レンズ１０は樹脂により形成されているため、温度変化による屈折率の変化の影響を受けスポットサイズが変化する。しかしながら、本実施の形態によれば、光モジュール内の温度が８０℃まで上昇したとしてもスポットサイズはφ３０μｍ以下に抑えることができるため、光モジュール内の温度が８０℃まで変化した場合でも、低損失で各光信号をＰＤに結合させることができる。

以上、本実施の形態の多チャンネル光通信用レンズ１０は、非球面を有するレンズ面１７〜２０を４面形成することで球面収差を低減し、更に内側レンズ面１８，１９をトーリック面に形成することで非点収差を低減して、低損失で各光信号を結合させることができる。

本実施の形態の多チャンネル光通信用レンズ１０は、多チャンネル光通信用レンズのレンズ径が１ｍｍ以上となると、収差によるスポットサイズの増大が無視できない程度になるので、１ｍｍ以上のレンズ径を有するレンズにおいて顕著な効果を有する。

本実施の形態では、受光径φ５０μｍの１０Ｇｂｉｔ／ｓ伝送用ＰＤを用いたが、１０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速な伝送速度が要求される場合にはさらに受光径の小さいＰＤが必要とされる。これは、ＰＤの受光径の大きさに伴いＰＤに発生する寄生容量が大きくなり周波数帯域が狭くなるからである。本実施の形態によれば、受光径φ３０μｍのＰＤでも使用することができ、１０Ｇｂｉｔ／ｓを超える伝送速度の光モジュールにも適用することができる。

図１では、光電素子１２を受光素子とし、光伝送路１１から出射した光を受光素子にて受信する場合について説明したが、光電素子１２として発光素子を用い、発光素子を出射した光を多チャンネル光通信用レンズ１０を介して光伝送路１１（光ファイバ）の端面または端面近傍に集光させる場合でも同様の作用効果を有する。ここで、端面近傍とは、光信号が光伝送路１１に光結合する際に、光結合損失が所望する損失以下となる領域である。

発光素子としては、レーザダイオード（ＬＤ）が挙げられ、整列した複数の発光素子としてはＬＤアレイが挙げられる。特に、ＬＤアレイは、面発光型ＬＤ（ＶＣＳＥＬ）アレイが用いられる。その際、光電素子を出射した複数の光信号は、その伝搬方向が図１に示される光信号の伝搬方向と逆向きになるだけであって、作用効果については同じである。

本実施の形態の多チャンネル光通信用レンズ１０は、第１凸レンズ１５の外側レンズ面１７と第２凸レンズ１６の外側レンズ面２０とを互いに同じ曲面に形成すると共に、第１凸レンズ１５の内側レンズ面１８と第２凸レンズ１６の内側レンズ面１９とを互いに同じ曲面に形成するので、光伝送路１１から、点Ａまで各光信号の光路と、光電素子１２から点Ａまでの各光信号の光路が点Ａに対して対称となるように両凸レンズ１５，１６を設計すればよく、レンズ設計が容易になる。また、両凸レンズ１５，１６を同じ金型で成形することができるので低コストで作製することができる。

本実施の形態では、外側レンズ面を非球面レンズ、内側レンズを非球面のトーリック面として多チャンネル光通信用レンズを説明したが、各レンズ面の配置はこれに限定されるものではない。

また、本実施の形態では、第１凸レンズ１５と第２凸レンズ１６とを同じ形状にしたが、両内側レンズ面１７，１８は、収差を低減すべく設計すれば互いに異なる曲面に形成してもよい。

本発明に係る好適な一実施形態の多チャンネル光学系の子午面を示す模式図である。 図２（ａ）は図１の２Ａ−２Ａ線矢視図（球欠面を示す模式図）であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の○で囲まれた部分示す拡大図である。 図３（ａ）は従来の多チャンネル光通信用レンズの球欠面を示す模式図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の○で囲まれた部分を示す拡大図である。 従来の多チャンネル光通信用レンズを示す模式図である。

符号の説明

１０ 多チャンネル光通信用レンズ
１１ 光伝送路
１２ 光電素子
１５ 第１凸レンズ
１６ 第２凸レンズ
３０ 光モジュール

Claims (6)

1. 複数の整列された光伝送路と、その光伝送路に対向して整列され、光信号を送信または受信する複数の光電素子と、上記光伝送路と上記光電素子との間に介設されて各光伝送路と各光電素子間の光信号を個々に結合させる多チャンネル光通信用レンズにおいて、
   上記光信号を上記整列された光伝送路の端面または端面近傍に集光させる位置に第１凸レンズを設けると共に、上記光信号を上記複数の光電素子に集光させる位置に第２凸レンズを設け、両凸レンズは一方の面に非球面レンズを有し、他方の面に非軸対称の非球面レンズを有することを特徴とする多チャンネル光通信用レンズ。
2. 上記第１凸レンズまたは上記第２凸レンズは、上記複数の整列された光伝送路または上記複数の光電素子から出射された複数の光信号を平行光とすると共に、上記複数の光信号を上記第１凸レンズ及び上記第２凸レンズ間で略一点で交差させ、これら複数の光信号を各光電素子または各光伝送路の端面または端面近傍に集光させる請求項１記載の多チャンネル光通信用レンズ。
3. 上記第１凸レンズの光伝送路側のレンズ面と上記第２凸レンズの光電素子側のレンズ面とを互いに同じ曲面に形成すると共に、上記第１凸レンズの光伝送路とは反対側のレンズ面と上記第２凸レンズの光電素子とは反対側のレンズ面とを互いに同じ曲面に形成した請求項１または２記載の多チャンネル光通信用レンズ。
4. 上記第１凸レンズと上記第２凸レンズとは同一に形成される請求項１〜３いずれかに記載の多チャンネル光通信用レンズ。
5. 上記第１凸レンズは上記複数の整列された光伝送路のうち互いに最も離れた２つの光伝送路の光軸間距離よりも大きな有効径を有すると共に、上記第２凸レンズは上記複数の光電素子のうち互いに最も離れた２つの光電素子の光軸間距離よりも大きな有効径を有する請求項１〜４いずれかに記載の多チャンネル光通信用レンズ。
6. 請求項１〜５いずれかに記載の多チャンネル光通信用レンズと、上記複数の整列された光伝送路と、上記複数の整列された光電素子とを備えたことを特徴とする光モジュール。

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