JP2008250050A - 光学素子ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でありながら、偏心誤差が残っても結合効率の劣化を抑えることができる光学素子ユニットを提供する。
【解決手段】（１）式を満たすときは、第２のレンズＬ２を入射開口ＡＰ側に配置し、第１のレンズＬ１を光源ＬＤ側に配置し、（２）式を満たすときは、第２のレンズＬ２を光源ＬＤ側に配置し、第１のレンズＬ１を入射開口ＡＰ側に配置することで、結合効率を高く維持した状態で、光源ＬＤと入射開口ＡＰとがシフトした場合における集光位置の調整を行うことができる。
（ω１Ｘ／ω１Ｙ）・（ω２Ｘ／ω２Ｙ） ＞ １．０ （１）
（ω１Ｘ／ω１Ｙ）・（ω２Ｘ／ω２Ｙ） ＜ １．０ （２）
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば光ファイバやＳＨＧ素子などの端面に収束光を照射できる光学素子ユニットに関する。

半導体レーザから照射されたレーザ光を、集光光学系を介して光伝送路を形成する光ファイバやＳＨＧ素子等（光ファイバ等という）の端面に集光させる半導体光源モジュールが知られている。

ところで、半導体レーザや光ファイバから出力した光束を、ＳＨＧ素子の導波路や光ファイバの端面に入射させるとき、導波路に光源を集光させるためのレンズが必要となる。しかるに、例えばシングルモードファイバでは、コア径もしくはモードフィールド径が10μｍ以下、マルチモードファイバでも50μｍ程度であり、更にＳＨＧ素子などの光導波路では数μｍのものもある。この微小領域に光を入射させる必要があるので、半導体レーザやレンズや導波路等の光学要素の調整も、そのレベルで行わなくてはならない。このためパッシブアライメントで結合性能を出すことは難しく、かつ歩留まりも悪くなるという問題がある。

これに対し、特許文献１には、半導体レーザから照射されたレーザ光を、集光光学系を介して光ファイバ等の端面に集光させる際に、端面からの反射光もしくは光伝送路を通過中の光を検出して、集光光学系を光軸直交方向に駆動させ、それにより光ファイバ等の端面に適切にスポットを集光させる技術が開示されている。
特開２００３−３３８７９５号公報

ところで、光源からの光束を光ファイバの端面やＳＨＧ素子の導波路など（以下、導波路等という）に集光させる光学系は、光源をコリメートするレンズと、コリメート光を導波路にカップリングさせるレンズの２枚以上の構成であると望ましい。１枚レンズだと、レンズを駆動調整したときに発生する収差により結合劣化を起こす恐れがあり、また、レンズ駆動調整感度が大きくなってしまうからである。

更に、部品・組付精度の問題から、光源と導波路等とが光軸直交方向にシフトして配置され偏心誤差が残った場合には、アクチュエータを用いてレンズを駆動することにより、光源からの光束を効率よく導波路等に集光させ、結合効率を向上させることが考えられる。しかるに、複数のレンズ構成を採用する場合、各レンズを３次元的に変位させることができれば、光束の集光位置を理想的に調整できる。しかしながら、各レンズを３次元的に変位させる駆動装置は、少なくとも１つのレンズに３つの駆動軸が必要となり、構成が複雑且つ大型となるという問題がある。即ち、アクチュエータを可能な限り簡素化しつつ、精度良く導波路等に集光させる技術が望まれている。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、簡素な構成でありながら、偏心誤差が残っても結合効率の劣化を抑えることができる光学素子ユニットを提供することを目的とする。

請求項１に記載の光学素子ユニットは、所定波長の光束を出射する光源と、入射開口との間に設けられ、前記光源から出射された光束を、前記入射開口に集光させる光学素子ユニットにおいて、
少なくとも第１のレンズと第２のレンズとを備えた光学系と、
前記第１のレンズを、光軸垂直方向であるＸ方向に駆動する第１のアクチュエータと、
前記第２のレンズを、光軸垂直方向であり且つ前記Ｘ方向に交差するＹ方向に駆動する第２のアクチュエータと、を有し、
前記光源から出射する光束において前記Ｘ方向のモード半径をω１Ｘとし、前記Ｙ方向のモード半径をω１Ｙとし、
前記入射開口において前記Ｘ方向のモード半径をω２Ｘとし、前記Ｙ方向のモード半径をω２Ｙとしたとき、
（１）式を満たすときは、前記第２のレンズを前記入射開口側に配置し、前記第１のレンズを前記光源側に配置し、
（２）式を満たすときは、前記第２のレンズを前記光源側に配置し、前記第１のレンズを前記入射開口側に配置し、
（ω１Ｘ／ω１Ｙ）・（ω２Ｘ／ω２Ｙ） ＞ １．０ （１）
（ω１Ｘ／ω１Ｙ）・（ω２Ｘ／ω２Ｙ） ＜ １．０ （２）
更に、前記光源と、前記第１のレンズの前記Y方向と前記第２のレンズの前記X方向との、偏心誤差量をδとし、前記光源と前記入射開口との偏心誤差量をΔとし、前記光源から前記入射開口までの距離をＩＯとしたときに、以下の式を満たすことを特徴とする光学素子ユニット。
δ ≦ │Δ・ｆ１／（ｆ１＋ｆ２）│ （３）
ＩＯ ≦ ｆ１＋３・ｆ２ （４）
但し、
ｆ１：前記光源側に配置されたレンズの焦点距離
ｆ２：前記入射開口側に配置されたレンズの焦点距離

本発明の原理を図面を参照して説明する。図１は、本発明の一例として、光源ＬＤと、レンズＬ１，Ｌ２と、導波路等である入射開口ＡＰとの関係を示す概略図である。図１において、便宜的に、光軸方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する水平方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に交差する方向をＹ方向とする。光源ＬＤから出射された光束は、実線で示すようにレンズＬ１，Ｌ２を通過し、入射開口ＡＰに入射するようになっている。出射光束の断面をとったとき、一般的には楕円形状となる。ここでは、楕円形状の長径方向をＸ方向に合わせ、短径方向をＹ方向に合わせるように、光源ＬＤと入射開口ＡＰとを位置合わせするものとする。更に、出射光束のＸ方向のモード半径（１／ｅ²）を、ω１Ｘとし、Ｙ方向のモード半径をω１Ｙとする。同様に、入射開口ＡＰにおいてＸ方向のモード半径をω２Ｘとし記Ｙ方向のモード半径をω２Ｙとする。

ここで、図２に示すように、入射開口ＡＰの軸線に対して、光源ＬＤからの光束が角度θだけ傾いて入射する場合を考える。図３は、入射開口ＡＰに入射する光束の傾き角と、結合効率の関係を示したグラフである。ここでは、ω１Ｘ＝２０μｍ、ω１Ｙ＝１０μｍ、ω２Ｘ＝２０μｍ、ω２Ｙ＝１０μｍ、光源LDから出射する光束を集光する光学系の倍率を１としている。図３に示すように、傾き角θ＝０の時の結合効率を１００％とすると、傾き角θが大きくなるにつれて、結合効率が低下することがわかる。しかるに、結合効率の低下度合いは、Ｘ方向よりＹ方向の方が少なくなる。より具体的には、Ｘ方向においては５度傾くと結合効率は８０％に低下するが、Ｙ方向には１０度傾くまで結合効率は８０％に低下しない。これは、入射開口のモードと、光源LDから出射した光束が入射開口に入射するときのモードが、X方向よりY方向の方が小さいためである。

ところで、光学素子ユニットを組み立てる場合において、光源LDは光束を出射するため、通常は位置決めされた当該光源LDから出射された光束の光軸に対して、後の光学系や光伝送路の入射端を位置合わせするという実情がある。しかるに、光源ＬＤを基準に部品を組み付けていったとき、最終的に光源ＬＤの光軸と、入射開口ＡＰの光軸とがずれる場合がある。これを偏心誤差という。かかる場合、構成を簡素化するために、各レンズの駆動方法をX方向及びY方向のうち、いずれか一方向に限るとした場合、いかなるレンズをいかなる方向に駆動（シフト補正という）すべきか考察する。

図４、５は、光源ＬＤと、レンズＬ１，Ｌ２と、入射開口ＡＰとをＹ方向から見た図であり、Ｘ方向に光源ＬＤと入射開口ＡＰとが偏心誤差を持った状態を示している。ここでは初期状態として、光源ＬＤの光軸と、レンズＬ１、Ｌ２の光軸は一致しているものとする。又、レンズＬ１の焦点距離をｆ１，レンズＬ２の焦点距離をｆ２とする。

図４に示すように、入射開口ＡＰ側のレンズＬ２を光軸に対してΔＸ２だけシフトさせ、光源ＬＤからの光束を入射開口ＡＰに集光させる場合を考える。かかる場合、入射開口AP面上に入射する光束のX方向位置x2と、光束の傾き角θ２とは、下式（５）の関係で表せる。つまり、光源LDと入射開口APに偏心誤差量ΔXAPがある時、レンズL2を光源LDに対してΔXAPだけシフトさせれば、光源LDより出射した光束を入射開口APに位置ずれすることなく入射させることができる。
（ｘ２、θ２）＝（ΔＸ２、ΔＸ２／ｆ２） （５）

一方、図５に示すように、光源ＬＤ側のレンズＬ１を光軸に対してΔＸ１だけシフトさせ、光源ＬＤからの光束を入射開口ＡＰに集光させる場合を考える。かかる場合、入射開口AP面上に入射する光束のX方向位置x1と、光束の傾き角θ１とは、下式（６）の関係で表せる。つまり、光源LDと入射開口APに偏心誤差量ΔXAPがある時、レンズL1を光源LDに対してｆ１・ΔXAP／ｆ２だけシフトさせれば、光源LDより出射した光束を入射開口APに位置ずれすることなく入射させることができる。但し、レンズは薄肉レンズとし、ｄは、レンズＬ１，Ｌ２間距離とする。
（ｘ１、θ１）＝（ｆ２・ΔＸ１／ｆ１、（（１／ｆ１）−ｄ／（ｆ１・ｆ２））ΔＸ１） （６）

ここで、（５）、（６）式より、（４）式を満たすとき、つまりｄ＜２・ｆ２である場合には、θ２＞θ１となる。即ち、光源ＬＤと入射開口ＡＰとが偏心誤差を持った状態では、光源ＬＤ側のレンズＬ１を光軸直交方向に駆動した方が、結合効率を高く維持することが可能となる。IOが（４）式を満たさない場合、θ２＞θ１が成り立たなくなる。しかし、IOを大きくすることはモジュールの大きさを大きくすることと等しいので、構成の大型化を招くので好ましくないといえる。

以上を言い換えると、（１）式を満たすときは、前記第２のレンズを前記入射開口側に配置し、前記第１のレンズを前記光源側に配置し、（２）式を満たすときは、前記第２のレンズを前記光源側に配置し、前記第１のレンズを前記入射開口側に配置することで、前記光源と前記入射開口に偏心誤差が発生している場合でも、結合効率を高く維持して集光位置の調整が行うことができる。
（ω１Ｘ／ω１Ｙ）・（ω２Ｘ／ω２Ｙ） ＞ １．０ （１）
（ω１Ｘ／ω１Ｙ）・（ω２Ｘ／ω２Ｙ） ＜ １．０ （２）

尚、前記入射開口と、前記第１のレンズの前記Y方向と前記第２のレンズの前記X方向との、偏心誤差を極力抑えることが好ましい。具体的には、以下の式を満たすことが好ましい。
δ ≦ │Δ・ｆ１／（ｆ１＋ｆ２）│ （３）
但し、
ｆ１：前記光源側に配置されたレンズの焦点距離
ｆ２：前記入射開口側に配置されたレンズの焦点距離

尚、光学系に３枚以上のレンズを用いても良いが、３枚以上のレンズの場合、「光源側に配置したレンズ」とは、光源に最も近いレンズをいい、また「入射開口側に配置したレンズ」とは、入射開口に最も近いレンズをいうものとする。

請求項２に記載の光学素子ユニットは、請求項１に記載の形態において、前記第１のレンズはＸ軸方向にのみ駆動され、前記第２のレンズはＹ軸方向にのみ駆動されることを特徴とする。

請求項３に記載の光学素子ユニットは、請求項１又は２に記載の形態において、前記Ｘ方向と前記Ｙ方向とは直交していることを特徴とする。

請求項４に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜３のいずれかに記載の形態において、前記第１のレンズと前記第２のレンズは、正の屈折率を有することを特徴とするので、前記光源からの光束を前記入射開口に効率よく集光させることができる。

請求項５に記載の光学素子ユニットは、請求項４に記載の形態において、前記第１のレンズと前記第２のレンズのうち少なくとも一方は、コリメートレンズであることを特徴とするので、レンズの偏心公差を良好に確保できる。

請求項６に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜５のいずれかに記載の形態において、前記光学系は、パワーを有する素子としては単レンズである前記第１のレンズと前記第２のレンズのみを有することを特徴とする。

請求項７に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜６のいずれかに記載の形態において、前記第１のレンズと前記第２のレンズの光学面形状は互いに等しく且つ対向する位置に配置されている（即ち第１のレンズの光源側の光学面は、第２のレンズの入射開口側の光学面に等しい）ことを特徴とするので、倍率１で使用できることから、第１のレンズＬ１と第２のレンズＬ２とを異なる方向に駆動したときに、集光スポットの移動量が駆動量に対して等しくなるので駆動制御がし易くなる。

本発明において、より高い効果を実現するためには、前記光源の光軸と、前記光源側に配置されたレンズとの光軸が極力一致していることが望ましい。図４において、光源ＬＤと入射開口ＡＰとの偏心誤差量をΔとしたときに、光源ＬＤとレンズＬ１との光軸ずれの絶対値が、Δ・ｆ１／（ｆ１＋ｆ２）以内である場合、本発明の効果は有効に発揮される。

請求項８に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜７のいずれかに記載の形態において、前記光学系のレンズを光軸方向に駆動する第３のアクチュエータを有することを特徴とする。これにより入射開口ＡＰに入射する光束の焦点ズレを補正できる。

請求項９に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜８のいずれかに記載の形態において、前記第１のレンズと前記第２のレンズのうち少なくとも一方は樹脂製であることを特徴とするので、安価に大量生産ができる。尚、環境温度変化等による屈折率変化が生じた場合、前記第３のアクチュエータで前記レンズをＺ方向に駆動することによって焦点位置の調整を行える。

請求項１０に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜８のいずれかに記載の形態において、前記第１のレンズと前記第２のレンズのうち少なくとも一方はガラス製であることを特徴とするので、環境温度変化等による屈折率変化が生じにくいというメリットがある。

請求項１１に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜１０のいずれかに記載の形態において、前記光学素子ユニットは第２高調波発生装置に用いられることを特徴とする。第２高調波発生装置としては、分極反転構造を持った素子を用いたものがある。

請求項１２に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜１０のいずれかに記載の形態において、前記光学素子ユニットは光送受信装置に用いられることを特徴とする。光送受信装置とは、例えば光ファイバを用いて光を送受するものをいい、送信のみ行うもの又は受信のみ行うものを含む。

本発明によれば、簡素な構成でありながら、最初に位置決めされる光源の光軸を中心とした通常の位置合わせを行う場合であっても、偏心誤差に係らず結合効率の劣化が小さい光学素子ユニットを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図６は、本実施の形態にかかる光学素子ユニットを含む半導体光源モジュールの概略構成図である。図６において、ベースＢＳには、光源（ここでは半導体レーザ）ＬＤと、正の屈折力を有する光源ＬＤ側のレンズＬ１と、第２高調波発生装置Ｈ２と、一部の光のみを反射し残りを透過するハーフミラーＭＲと、ハーフミラーＭＲからの反射光を受光し、受光量に応じて制御回路ＣＮＴに信号を送信する受光素子ＰＤとが固定的に配置されている。又、ベースＢＳ上に配置された駆動機構ＤＲは、制御回路ＣＮＴの信号に応じて、光源ＬＤ側のレンズＬ１を光軸直交方向に駆動し、また第２高調波発生装置Ｈ２側のレンズＬ２と開口絞りＳとを光軸直交方向に駆動するようになっている。

本実施の形態は、ガラス製であって正の屈折率を有する同一形状のコリメートレンズであるレンズＬ１とレンズＬ２を反転して用いており、即ち、レンズ１の光学面とレンズＬ２の光学面は、同一の非球面形状となっている。

図７は、第２高調波発生装置Ｈ２の斜視図である。第２高調波発生装置Ｈ２は、図７に示すように、ベースＢＳ上に取り付けられた熱電冷却装置ＨＣと、レンズＬ２に集光されて光導波路（光伝送路ともいう）ＨＴの一端側に入射されたレーザ光の第２高調波を生成する光導波路型ＳＨＧ素子ＨＳと、光導波路型ＳＨＧ素子ＨＳを支持する支持体ＨＤと、光導波路型ＳＨＧ素子ＨＧを支持した状態の支持体ＨＤを覆うカバーＨＶとが備えられている。支持体ＨＤには、光導波路型ＳＨＧ素子ＨＳを載置するための溝ＨＧが形成されている。

光導波路型ＳＨＧ素子ＨＳは、光導波路ＨＴを通過する光を、非線形光学結晶を用いて第二高調波に変換して出力する特性を有し、特開２００３−３３８７９５号公報等に記載されており、良く知られているので詳細は説明しない。光導波路ＨＴの入射開口径は１μｍ以上１５μｍ以下である。

図８は、レンズを駆動する駆動装置ＤＲの斜視図である。レンズＬ１は、レンズホルダＤＨ１により保持されており、一体的に移動するようになっている。可動部材となるレンズホルダＤＨ１は、駆動力を受ける連結部ＤＨ１ａを有している。

連結部ＤＨ１ａの端部には、四角柱状のＸ軸駆動軸ＸＤＳと対応する形状を有し且つそれに接する角溝ＤＨ１ｂが設けられ、また角溝ＤＨ１ｂとの間にＸ軸駆動軸ＸＤＳを挟むようにして板ばねＸＳＧが取り付けられている。連結部ＤＨ１ａと板ばねＸＳＧとの間で挟持された駆動部材であるＸ軸駆動軸ＸＤＳは、レンズＬ１の光軸に直交する方向（Ｘ軸方向）に延在しており、板ばねＸＳＧの付勢力で適度に押圧されている。Ｘ軸駆動軸ＸＤＳの一端は自由端であり、その他端は、電気機械変換素子であるＸ軸圧電アクチュエータＸＰＺに連結されている。Ｘ軸圧電アクチュエータＸＰＺは、ベースＢＳの側壁に取り付けられている。

一方、レンズＬ２と開口絞りＳとは、レンズホルダＤＨ２により保持されており、一体的に移動するようになっている。可動部材となるレンズホルダＤＨ２は、駆動力を受ける連結部ＤＨ２ａを有している。

連結部ＤＨ２ａの端部には、四角柱状のＹ軸駆動軸ＹＤＳと対応する形状を有し且つそれに接する角溝ＤＨ２ｂが設けられ、また角溝ＤＨ２ｂとの間にＹ軸駆動軸ＹＤＳを挟むようにして板ばねＹＳＧが取り付けられている。連結部ＤＨ２ａと板ばねＹＳＧとの間で挟持された駆動部材であるＹ軸駆動軸ＸＤＳは、Ｘ軸方向及びレンズＬ２の光軸に直交する方向（Ｙ軸方向）に延在しており、板ばねＹＳＧの付勢力で適度に押圧されている。Ｙ軸駆動軸ＹＤＳの一端は自由端であり、その他端は、電気機械変換素子であるＹ軸圧電アクチュエータＹＰＺに連結されている。Ｙ軸圧電アクチュエータＹＰＺは、ベースＢＳの上面に取り付けられている。

圧電アクチュエータＸＰＺ、ＹＰＺは、ＰＺＴ(ジルコン・チタン酸鉛)などで形成された圧電セラミックスを積層してなる。圧電セラミックスは、その結晶格子内の正電荷の重心と負電荷の重心とが一致しておらず、それ自体分極していて、その分極方向に電圧を印加すると伸びる性質を有している。しかし、圧電セラミックスのこの方向への歪みは微小であり、この歪み量により被駆動部材を駆動することは困難であるため、図９に示すように、複数の圧電セラミックスＰＥを積み重ねてその間に電極Ｃを並列接続した構造の積層型圧電アクチュエータが実用可能なものとして提供されている。本実施の形態では、この積層型圧電アクチュエータＰＺを駆動源として用いている。

次に、このレンズＬ１、Ｌ２の駆動方法について説明する。一般に、積層型圧電アクチュエータは、電圧印加時の変位量は小さいが、発生力は大でその応答性も鋭い。したがって、圧電アクチュエータＸＰＺに、図１０（ａ）に示すように立ち上がりが鋭く立ち下がりがゆっくりとした略鋸歯状波形のパルス電圧を印加すると、圧電アクチュエータＸＰＺは、パルスの立ち上がり時に急激に伸び、立ち下がり時にそれよりもゆっくりと縮む。したがって、圧電アクチュエータＸＰＺの伸長時には、その衝撃力でＸ軸駆動軸ＸＤＳが図８の手前側へ押し出されるが、レンズＬ１を保持したレンズホルダＤＨ１の連結部ＤＨ１ａと板ばねＸＳＧは、その慣性により、Ｘ軸駆動軸ＸＤＳと一緒には移動せず、Ｘ軸駆動軸ＸＤＳとの間で滑りを生じてその位置に留まる（わずかに移動する場合もある）。一方、パルスの立ち下がり時には立ち上がり時に比較してＸ軸駆動軸ＸＤＳがゆっくりと戻るので、連結部ＤＨ１ａと板ばねＸＳＧがＸ軸駆動軸ＸＤＳに対して滑らずに、Ｘ軸駆動軸ＸＤＳと一体的に図８の奥側へ移動する。即ち、周波数が数百から数万ヘルツに設定されたパルスを印加することにより、レンズＬ１を保持したレンズホルダＤＨ１を、Ｘ軸方向に所望の速度で連続的に移動させることができる。

同様に、圧電アクチュエータＹＰＺに、図１０（ａ）に示すように立ち上がりが鋭く立ち下がりがゆっくりとした略鋸歯状波形のパルス電圧を印加すると、圧電アクチュエータＹＰＺは、パルスの立ち上がり時に急激に伸び、立ち下がり時にそれよりもゆっくりと縮む。したがって、圧電アクチュエータＹＰＺの伸長時には、その衝撃力でＹ軸駆動軸ＹＤＳが図８の上側へ押し出されるが、レンズＬ２及び絞りＳを保持したレンズホルダＤＨ２の連結部ＤＨ２ａと板ばねＹＳＧは、その慣性により、Ｙ軸駆動軸ＹＤＳと一緒には移動せず、Ｙ軸駆動軸ＹＸＤＳとの間で滑りを生じてその位置に留まる（わずかに移動する場合もある）。一方、パルスの立ち下がり時には立ち上がり時に比較してＹ軸駆動軸ＹＤＳがゆっくりと戻るので、連結部ＤＨ２ａと板ばねＹＳＧがＹ軸駆動軸ＹＤＳに対して滑らずに、Ｙ軸駆動軸ＹＤＳと一体的に図８の下側へ移動する。即ち、周波数が数百から数万ヘルツに設定されたパルスを印加することにより、レンズＬ２及び開口絞りＳを保持したレンズホルダＤＨ２を、Ｙ軸方向に所望の速度で連続的に移動させることができる。

即ち、所定のパルス入力を印加することにより、レンズＬ１をＸ軸方向に、レンズＬ２及び開口絞りＳをＹ軸方向に所望の速度で連続的に移動させることができるのである。尚、以上より明らかであるが、図１０（ｂ）に示すように電圧の立ち上がりがゆっくりで、立ち下がりが鋭いパルスを印加すれば、レンズホルダＤＨ１，ＤＨ２を逆の方向へ移動させることができる。本実施の形態では、Ｘ軸駆動軸ＸＤＳ及びＹ軸駆動軸ＹＤＳを四角柱状（回り止め機構）としているので、レンズホルダＤＨ１，ＤＨ２の回り止め機能が発揮され、レンズＬ１，Ｌ２のチルトが抑制されるので、別個にガイド軸を設ける必要はない。

ここで、光源ＬＤとレンズＬ１との偏心誤差について考察する。図１１は、光源ＬＤと、レンズＬ１，Ｌ２と、第２高調波発生装置Ｈ２との関係を示す図である。ここでは、Ｙ方向のモード半径がＸ方向のモード半径より小さいもの（（１）式を満たす）とする。図１１（ａ）、（ｃ）は、光源ＬＤ側のレンズＬ１を固定し、レンズＬ２をＸ方向に駆動して補正を行う例であり、図１１（ｂ）、（ｄ）は、入射開口ＡＰ側のレンズＬ２を固定し、レンズＬ１をＸ方向に駆動して補正を行う例である。又、図１１（ａ）、（ｂ）は、光源ＬＤと、固定したレンズＬ１との間で偏心誤差がない状態を示し、図１１（ｃ）、（ｄ）は、光源ＬＤと、固定したレンズＬ１との間で偏心誤差がある状態である。

図１２は、本発明者の行った検討結果を示すグラフであるが、（ａ）〜（ｄ）は図１１に示す関係にそれぞれ対応する。ここで、光源ＬＤと第２高調波発生装置Ｈ２の入射開口との光軸垂直方向の偏心誤差量Δが0.1ｍｍある場合を考え、Ｘ方向のモード半径１．７μｍ、Ｙ方向のモード半径０．７μｍである波長１．０６４μｍの光束を光源ＬＤから出射し、焦点距離ｆ１＝１．０ｍｍのレンズＬ１と、焦点距離ｆ２＝１．５ｍｍのレンズＬ２を介して、第２高調波発生装置Ｈ２のX方向のモード半径2.5μｍ、Y方向のモード半径1.0μｍである入射開口に集光させたものとする。尚、レンズＬ１，Ｌ２間の距離ｄを０．３ｍｍとする。図１２の実線は本発明による補正方法を採用した例であり、点線は本発明と逆の補正方法を採用した例である。また細線はY方向のずれのみが発生したときのグラフであり、太線はX方向のずれのみが発生したときのグラフを示している。

図１２より明らかであるが、本発明で示す補正方法を採用すれば少なくとも結合効率を８４％まで確保することができるので結合効率の劣化を少なく抑えることが可能なことが分かる。その場合、光源LDとレンズL２との光軸垂直方向の偏心誤差量δは、Δ・ｆ１／（ｆ１+ｆ２）＝0.04ｍｍ以下である必要がある。もし仮に、本発明と逆の補正方法を採用した場合では、最低結合効率が８４％を下回ることもあることが図１２から分かる。例えば、X方向に偏芯誤差Δが発生し、光源LDとレンズL1の偏心誤差量δがゼロの場合、結合効率は77％となってしまう。

（実施例）
次に、比較例と対比して実施例について述べる。尚、これ以降（表のレンズデータ含む）において、１０のべき乗数（例えば、２．５×１０^-3）を、Ｅ（例えば、２．５Ｅ―３）を用いて表すものとする。

実施例にかかる光学系の光学面は、それぞれ「数１」に、表に示す係数を代入した数式で規定される、光軸の周りに軸対称な非球面に形成されている。

但し、
Ｚ（ｈ）：非球面形状（非球面の面頂点から光軸に沿った方向の距離、光の進行方向を正とする）
ｈ：光軸垂直方向の高さ（ｈ＝（ｘ²＋ｙ²）^1/2とする。ここで、ｘとｙはそれぞれ光軸からの距離を表し、光軸に垂直な面内において互いに直交する方向にとるものとする。）
ｒ：曲率半径
ｋ：コーニック係数
Ａ₂，Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀：非球面係数

本実施の形態に用いることができる、実施例１のレンズデータを表１に示し、実施例２のレンズデータを表２に示す。

実施例１において、表１に示すように、（ω１Ｘ／ω１Ｙ）・（ω２Ｘ／ω２Ｙ）＝３．３のモード条件の場合、補正のために光源ＬＤ側のレンズＬ１をＸ方向に駆動可能な距離（結合効率が最適結合効率の９０％以下に低下しない距離、以下同じ）は１０６μｍであり、同レンズＬ１をＹ方向に駆動可能な距離は１２３μｍである。一方、補正のために第２高調波発生装置Ｈ２側のレンズＬ２をＸ方向に駆動可能な距離は６９μｍであり、同レンズＬ２をＹ方向に駆動可能な距離は１２５μｍである。従って、かかる場合、Ｘ方向に駆動するレンズは、光源ＬＤ側に設けるべきであり、Ｙ方向に駆動するレンズは、第２高調波発生装置Ｈ２側に設けるべきである。

一方、実施例１において、（ω１Ｘ／ω１Ｙ）・（ω２Ｘ／ω２Ｙ）＝０．６のモード条件の場合、補正のために光源ＬＤ側のレンズＬ１をＸ方向に駆動可能な距離は１２９μｍであり、同レンズＬ１をＹ方向に駆動可能な距離は１２２μｍである。一方、補正のために第２高調波発生装置Ｈ２側のレンズＬ２をＸ方向に駆動可能な距離は９８μｍであり、同レンズＬ２をＹ方向に駆動可能な距離は７５μｍである。従って、かかる場合、Ｘ方向に駆動するレンズは、第２高調波発生装置Ｈ２側に設けるべきであり、Ｙ方向に駆動するレンズは、光源ＬＤ側に設けるべきである。

光学系として３枚のレンズＬ１〜Ｌ３を用いた実施例２においては、表２に示すように、（ω１Ｘ／ω１Ｙ）・（ω２Ｘ／ω２Ｙ）＝１．７のモード条件の場合、補正のために光源ＬＤ側のレンズＬ１をＸ方向に駆動可能な距離は７６μｍであり、同レンズＬ１をＹ方向に駆動可能な距離は６４μｍである。又、補正のために中間のレンズＬ２をＸ方向に駆動可能な距離は１２１μｍであり、同レンズＬ１をＹ方向に駆動可能な距離は１２５μｍである。更に、補正のために第２高調波発生装置Ｈ２側のレンズＬ３をＸ方向に駆動可能な距離は１００μｍであり、同レンズＬ３をＹ方向に駆動可能な距離は１２３μｍである。従って、かかる場合、Ｘ方向に駆動するレンズは、光源ＬＤ側か中間に設けるべきであり、Ｙ方向に駆動するレンズは、中間か第２高調波発生装置Ｈ２側に設けるべきである。これらは、モジュールの構成に従い、任意に選択できる。尚、中間のレンズＬ２を、図８に示すものと同様なアクチュエータを用いてＺ方向に駆動することもできる。かかる場合、レンズＬ１〜Ｌ３の少なくとも一つを樹脂製として良い。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、第２高調波発生装置Ｈ２の代わりに、光ファイバを用いることもできる。この場合、光ファイバの端面が入射開口であり、その内部が光伝送路となる。更に、上述した実施の形態では、光学素子を変位させているが、半導体光源、光学素子、光伝送路のいずれか１つ以上を相対的に変位させても良いことはいうまでもない。また、受光素子で検出する光は、ＳＨＧ素子によって波長変換されずに光導波路から出射した（半導体光源と同じ波長の）光でも、ＳＨＧ素子によって波長変換された（例えば半導体光源の波長の１／２の）光のいずれでも良い。

本発明の一例として、光源ＬＤと、レンズＬ１，Ｌ２と、導波路等である入射開口ＡＰとの関係を示す概略図である。 入射開口の軸線に対する入射光束の傾き角θを示す図である。 入射光束の傾き角θと結合効率との関係を示す図である。 光源ＬＤと、レンズＬ１，Ｌ２と、入射開口ＡＰとをＹ方向から見た図である。 光源ＬＤと、レンズＬ１，Ｌ２と、入射開口ＡＰとをＹ方向から見た図である。 本実施の形態にかかる半導体光源モジュールの概略構成図である。 第２高調波発生装置Ｈ２の斜視図である。 駆動装置ＤＲの斜視図である。 複数の圧電セラミックスＰＥを積み重ねてその間に電極Ｃを並列接続した構造の積層型圧電アクチュエータＰＺを示す斜視図である。 圧電アクチュエータＰＺに印加される電圧パルスの波形を示す図である。 光源ＬＤと、レンズＬ１，Ｌ２と、第２高調波発生装置Ｈ２との関係を示す図である。 本発明者の行った検討結果を示すグラフである。

符号の説明

ＢＳ ベース
Ｃ 電極
ＣＮＴ 制御回路
ＤＨ１ レンズホルダ
ＤＨ２ レンズホルダ
ＤＨ１ａ 連結部
ＤＨ１ｂ 角溝
ＤＨ２ａ 連結部
ＤＨ２ｂ 角溝
ＤＲ 駆動装置
Ｈ２ 高調波発生装置
ＨＣ 熱電冷却装置
ＨＤ 支持体
ＨＧ 溝
ＨＳ 素子
ＨＴ 光導波路
ＨＶ カバー
ＩＬ 入射光束
Ｌ１，Ｌ２ レンズ
Ｍ レンズ
ＬＤ 光源
ＬＨ１ レンズホルダ
ＬＨ２ レンズホルダ
ＭＲ ハーフミラー
ＯＬ 出射光束
ＰＤ 受光素子
ＰＥ 圧電セラミックス
ＰＰ 平行平板
ＰＳ プリズム
ＰＺ 圧電アクチュエータ
Ｓ 開口絞り
ＸＤＳ Ｘ軸駆動軸
ＸＰＺ Ｘ軸圧電アクチュエータ
ＹＤＳ Ｙ軸駆動軸
ＹＰＺ Ｙ軸圧電アクチュエータ

Claims (12)

1. 所定波長の光束を出射する光源と、入射開口との間に設けられ、前記光源から出射された光束を、前記入射開口に集光させる光学素子ユニットにおいて、
   少なくとも第１のレンズと第２のレンズとを備えた光学系と、
   前記第１のレンズを、光軸垂直方向であるＸ方向に駆動する第１のアクチュエータと、
   前記第２のレンズを、光軸垂直方向であり且つ前記Ｘ方向に交差するＹ方向に駆動する第２のアクチュエータと、を有し、
   前記光源から出射する光束において前記Ｘ方向のモード半径をω１Ｘとし、前記Ｙ方向のモード半径をω１Ｙとし、
   前記入射開口において前記Ｘ方向のモード半径をω２Ｘとし、前記Ｙ方向のモード半径をω２Ｙとしたとき、
   （１）式を満たすときは、前記第２のレンズを前記入射開口側に配置し、前記第１のレンズを前記光源側に配置し、
   （２）式を満たすときは、前記第２のレンズを前記光源側に配置し、前記第１のレンズを前記入射開口側に配置し、
   （ω１Ｘ／ω１Ｙ）・（ω２Ｘ／ω２Ｙ） ＞ １．０ （１）
   （ω１Ｘ／ω１Ｙ）・（ω２Ｘ／ω２Ｙ） ＜ １．０ （２）
   更に、前記光源と、前記第１のレンズの前記Y方向と前記第２のレンズの前記X方向との、偏心誤差量をδとし、前記光源と前記入射開口との偏心誤差量をΔとし、前記光源から前記入射開口までの距離をＩＯとしたときに、以下の式を満たすことを特徴とする光学素子ユニット。
   δ ≦ │Δ・ｆ１／（ｆ１＋ｆ２）│ （３）
   ＩＯ ≦ ｆ１＋３・ｆ２ （４）
   但し、
   ｆ１：前記光源側に配置されたレンズの焦点距離
   ｆ２：前記入射開口側に配置されたレンズの焦点距離
2. 前記第１のレンズはＸ軸方向にのみ駆動され、前記第２のレンズはＹ軸方向にのみ駆動されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子ユニット。
3. 前記Ｘ方向と前記Ｙ方向とは直交していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子ユニット。
4. 前記第１のレンズと前記第２のレンズは、正の屈折率を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子ユニット。
5. 前記第１のレンズと前記第２のレンズのうち少なくとも一方は、コリメートレンズであることを特徴とする請求項４に記載の光学素子ユニット。
6. 前記光学系は、パワーを有する素子としては単レンズである前記第１のレンズと前記第２のレンズのみを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子ユニット。
7. 前記第１のレンズと前記第２のレンズの光学面形状は互いに等しく且つ対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子ユニット。
8. 前記光学系のレンズを光軸方向に駆動する第３のアクチュエータを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子ユニット。
9. 前記第１のレンズと前記第２のレンズのうち少なくとも一方は樹脂製であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光学素子ユニット。
10. 前記第１のレンズと前記第２のレンズのうち少なくとも一方はガラス製であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光学素子ユニット。
11. 前記光学素子ユニットは第２高調波発生装置に用いられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光学素子ユニット。
12. 前記光学素子ユニットは光送受信装置に用いられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光学素子ユニット。