JP2008268459A - コリメータレンズ及び光通信用モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高ＮＡでありながら、画角特性に優れ、かつ製造容易なコリメータレンズ及び光通信用モジュールを提供すること。
【解決手段】本発明にかかるコリメータレンズ２は、光源１から出射される光束を略平行光束に変換するレンズである。かかるコリメータレンズ２の有効開口数ＮＡは、０．５≦ＮＡ≦０．９の範囲にある。また、コリメータレンズ２は、入射面が略平面で、出射面が非球面の、いわゆる平凸レンズ形状を有している。このコリメータレンズ２の屈折率nと、焦点距離ｆを所定の組み合わせとすることによって画角特性に優れ、かつ製造容易にすることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光源より出射された光束を略平行光束に変換するコリメータレンズ及び、そのコリメータレンズを備えた光通信用モジュールに関する。

近年、インターネットの普及に伴い、光ファイバ通信網の容量の増大が求められている。その手段として、ＷＤＭ（波長分割多重）通信技術の開発が進められている。ＷＤＭ通信は、波長の違う複数の光信号を同時に利用することによって光ファイバーを多重利用する通信方式であり、波長の異なる光ビームは互いに干渉しないという性質を利用している。ＷＤＭ通信においては、わずかな波長差の光が個別の情報を伝達することから、特性の良い光学機能素子が必要となる。

特に、ＷＤＭ通信を実現するために必要とされる結合光学系は、レーザダイオード等の光源から出射した光をコリメータレンズにより平行光にし、フィルタやアイソレータの機能を有する平板状の光学機能素子を透過させた後に、再び集光レンズによって光ファイバの入力端に集光させる構成をとることが多い。一般に、コリメータレンズや集光レンズには、光損失の少ないガラス製の球面レンズや非球面レンズが用いられている。その一方で、インターネットの急速な普及に対応するために、安価で製造が容易な結合光学系が求められている。

特許文献１には、光通信システムにおいて用いられる結合光学系が開示されている。この文献に開示された結合光学系では、２個のレンズを用いてコリメータ平行対を構成している。そして、かかるレンズとして、平凸レンズが用いられている。しかしながら、特許文献１に開示された結合光学系は、光ファイバと光ファイバとをつなぐためのものであるため、開口数ＮＡは０．２〜０．１と小さい。
特開２００２−２４３９９１号公報

レーザダイオード等の光源から出射された光束を平行光に変換するためには、例えば、０．５以上の高いＮＡを有するコリメータレンズを用いる必要があるが、一般的にＮＡを高くするためには、レンズの入射面と出射面双方の曲率を大きくすることが行われる。しかしながら、レンズの両面の曲率を大きくすると、温度変化等に伴って波面収差性能が劣化しやすくなる。また、レンズをモールド成形により製造する場合には、入射面を形成するための金型と、出射面を形成するための金型の双方における光軸を精度良く合致させなければならないが、これは容易なことではないため、歩留まりの低下を招いている。

本発明は、かかる問題を解消するためになされたものであり、高ＮＡでありながら、画角特性に優れ、かつ製造容易なコリメータレンズ及び光通信用モジュールを提供することにある。

本発明にかかるコリメータレンズは、光源から出射される光束を略平行光束に変換する、有効開口数ＮＡが０．５≦ＮＡ≦０．９の範囲のコリメータレンズであって、入射面は略平面であり、出射面は非球面であり、かつ前記コリメータレンズの屈折率をn、焦点距離ｆとし、横軸を屈折率ｎ、縦軸を焦点距離ｆ（ｍｍ）としたとき、座標（ｎ，ｆ）が（１．５，０．３）、（１．５５，０．７）、（１．５７５，１．１）、（１．５９，１．４）、（１．６，１．７）、（１．６５，２．４）、（１．７，１．８）、（１．７２５，１．５）、（１．７５，０．９）、（１．８，０．８）、（１．９，０．５）、（１．９，０）、（１．６５，０）、（１．５，０）の範囲内（但し、ｆ＝０を除く）であることを特徴とするものである。

このように、本発明にかかるコリメータレンズは、いわゆる平凸レンズ形状を有するため、入射面と出射面の両面が非球面形状のレンズに比べて、モールド成形時における両側の金型同士の公差を厳密にすることなく、有効ＮＡが０．５〜０．９と大きいにもかかわらず、特に画角の波面収差性能が良好である。また、金型のコストも１／２になり、両側非球面レンズに比べて低コストに特化したレンズとなる。

特に、座標（ｎ，ｆ）を上記の範囲にすることによって、斜入射特性の波面収差値に問題がないコリメータレンズを得ることができる。

さらにｆ≧０．５ｍｍの範囲内であることが好ましい。さらに、焦点距離ｆ≧０．５ｍｍの範囲内の場合には、斜入射特性の波面収差値に問題がなく、製造が容易なコリメータレンズとなる。焦点距離ｆが小さいとレンズの中心厚が小さくなり薄いレンズとなってしまい、製造が難しくなることがあるが、焦点距離ｆ≧０．５ｍｍの範囲であれば、ある程度の中心厚が確保でき、製造することができる。

さらに１．５７５≦ｎ≦１．７２５の範囲内であるとよい。この場合には、斜入射特性の波面収差値に問題がなく、製造が容易であり、平凸コリメータレンズと同様の屈折率nと焦点距離ｆで設計した両側非球面のコリメータレンズに近い斜入射特性を持つコリメータレンズとなる。

また、座標（ｎ，ｆ）が（１．５９，０．５）、（１．５９，１）、（１．６，１．３）、（１．６５，１．９）、（１．７，１．４）、（１．７２５，１．１）、（１．７２５，０．５）の範囲内であるとなおよい。この場合には、斜入射特性の波面収差値が良く、製造が容易であり、平凸コリメータレンズと同様の屈折率nと焦点距離ｆで設計した両側非球面のコリメータレンズに近い斜入射特性を持つコリメータレンズとなる。

好適な実施の形態において、前記コリメータレンズに入射される光束の波長は、λ＝１３１０ｎｍ〜１５５０ｎｍ、λ＝３００ｎｍ〜５５０ｎｍ、λ＝６００ｎｍ〜７００ｎｍ、λ＝７００ｎｍ〜８５０ｎｍのいずれかであればよい。

また、前記コリメータレンズはガラス材料又はプラスチック材料より形成されていることが望ましい。特にガラス転移点Ｔｇが４００度以下のガラス材料から形成されているとよい。

本発明にかかる光通信用モジュールは、光源から出射される光束を略平行光束に変換するコリメータレンズと、前記コリメータレンズより出射された略平行光束を受光ファイバーの入射端に集光する集光レンズを備えた光通信用モジュールであって、前記コリメータレンズは、有効開口数ＮＡが０．５≦ＮＡ≦０．９の範囲で、入射面は略平面、出射面は非球面であり、かつ前記コリメータレンズの屈折率をn、焦点距離ｆとし、横軸を屈折率ｎ、縦軸を焦点距離ｆ（ｍｍ）としたとき、座標（ｎ，ｆ）が（１．５，０．３）、（１．５５，０．７）、（１．５７５，１．１）、（１．５９，１．４）、（１．６，１．７）、（１．６５，２．４）、（１．７，１．８）、（１．７２５，１．５）、（１．７５，０．９）、（１．８，０．８）、（１．９，０．５）、（１．９，０）、（１．６５，０）、（１．５，０）の範囲内である。

さらにｆ≧０．５ｍｍの範囲内であることが望ましい。

また、１．５７５≦ｎ≦１．７２５の範囲内であることが好ましい。

さらに、座標（ｎ，ｆ）が（１．５９，０．５）、（１．５９，１）、（１．６，１．３）、（１．６５，１．９）、（１．７，１．４）、（１．７２５，１．１）、（１．７２５，０．５）の範囲内であることが望ましい。

本発明によれば、高ＮＡでありながら、画角特性に優れ、かつ製造容易なコリメータレンズ及び光通信用モジュールを提供することができる。

図１を用いて本発明の実施の形態にかかる光通信用モジュールの構成について説明する。この光通信用モジュール１０は、レーザダイオード（ＬＤ）１と、平凸コリメータレンズ２、集光レンズ３と、受光ファイバ４を備えている。

レーザダイオード１は、ガウシアンビーム状の発散光である光束を出射する、光通信用の光源である。レーザダイオード１から出射される光束の波長は、例えば、λ＝１３１０ｎｍ〜１５５０ｎｍであるが、λ＝３００ｎｍ〜５５０ｎｍ、λ＝６００ｎｍ〜７００ｎｍ、λ＝７００ｎｍ〜８５０ｎｍのいずれであってもよい。

平凸コリメータレンズ２は、レーザダイオード１から出射された光束を略平行光束に変換する正の屈折率を有する通信用レンズである。平凸コリメータレンズ２はガラス材料又はプラスチック材料より形成されている。特にガラス転移点Ｔｇが４００度以下のガラス材料から形成されていることが望ましい。この平凸コリメータレンズ２は、本発明の特徴的な構成要素であり、後にその構成について詳述する。

集光レンズ３は、平凸コリメータレンズ２によって略平行光束に変換された光束を受光ファイバ４の入力端に集光させる正の屈折率を有する通信用レンズである。

受光ファイバ４は、集光レンズ３によって集光した光束を入射し、伝達する光学部材である。

図１において、レーザダイオード１の出射面と平凸コリメータレンズ２の入射面間の距離をＬ１、平凸コリメータレンズ２の出射面と集光レンズ３の入射面間の距離をＬ２、集光レンズ３の出射面と受光ファイバ４の入射面間の距離をＬ３とし、さらに、平凸コリメータレンズ２のレンズ厚みをｔ１、集光レンズ３のレンズ厚みをｔ２としている。

続いて、光通信用モジュール１０の平凸コリメータレンズ２について詳細に説明する。平凸コリメータレンズ２は、レーザダイオード１から出射された光束が入射するＲ１面の曲率半径は∞、即ち略平面であり、出射面であるＲ２面が非球面である。このように、Ｒ１面は略平面であるが、その曲率半径は、∞または∞に近い値であり、平凸コリメータレンズ２の曲率半径Ｒは、２０≦ＲまたはＲ≦−２０を含むものとする。また、平凸コリメータレンズ２は、有効開口数ＮＡが０．５≦ＮＡ≦０．９である。本発明にかかる平凸コリメータレンズ２は、このように高いＮＡのレンズにおいて平凸構造を採用している。

このように、本発明の実施の形態にかかる平凸コリメータレンズ２は、いわゆる平凸レンズ形状を有するため、入射面と出射面の両面が非球面形状のレンズに比べて、モールド成形時における両側の金型同士の公差を厳密にすることなく、有効ＮＡが０．５〜０．９と大きいにもかかわらず、特に画角の波面収差性能が良好である。また、金型の加工コストも１／２になり、両側非球面レンズに比べて低コストに特化したレンズとなる。

Ｒ２面の非球面形状は、光軸からの高さがｈ（光線高さ）となる非球面上での曲率半径（１／曲率）をＣ、コーニック係数をＫ、４次から１０次までの非球面係数をそれぞれＡ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０ととすると、次の式で表すことができる。

図２は、後に説明する実施例にかかる平凸コリメータレンズにおける屈折率ｎと焦点距離ｆ（ｍｍ）をプロットしたものである。図２において、Ｐ１は実施例１、Ｐ２は実施例２、Ｐ３は実施例３、Ｐ４は実施例４、Ｐ５は実施例５、Ｐ６は実施例６における屈折率ｎと焦点距離ｆを示す。また、Ｅ１〜Ｅ１４は、性能上問題のないことが確認された平凸コリメータレンズにおける屈折率ｎと焦点距離ｆである。

これらの各点の（ｎ，ｆ）については、Ｐ１が（１．６４，０．５０）、Ｐ２が（１．６６，１．００）、Ｐ３が（１．６９，０．５０）、Ｐ４が（１．５６，０．４０）、Ｐ５が（１．６７，２．２０）、Ｐ６が（１．８０，０．５０）である。また、Ｅ１が（１．５，０）、Ｅ２が（１．５，０．３）、Ｅ３が（１．５５，０．７）、Ｅ４が（１．５７５，１．１）、Ｅ５が（１．５９，１．４）、Ｅ６が（１．６，１．７）、Ｅ７が（１．６５，２．４）、Ｅ８が（１．７，１．８）、Ｅ９が（１．７２５，１．５）、Ｅ１０が（１．７５，０．９）、Ｅ１１が（１．８，０．８）、Ｅ１２が（１．９，０．５）、Ｅ１３が（１．９，０）、Ｅ１４が（１．６５，０）である。なお、各点のレンズデータにおけるＮＡはいずれも０．６である。

図２に示される座標（ｎ，ｆ）が、Ｅ１〜Ｅ１４を順に結ぶ線分によって囲まれる領域内（但し、ｆ＝０を除く）であれば、斜入射特性の波面収差値に問題が無いコリメータレンズを得ることができる。これは、平凸コリメータレンズの画角１．５度のｔｏｔａｌ波面収差値ＸａがＸａ≦０．０４λｒｍsの範囲に入っていることを示す。ここで、平凸コリメータレンズ２の画角１．５度のｔｏｔａｌ波面収差値をＸａ、両側非球面コリメータレンズの画角１．５度のｔｏｔａｌ波面収差値をＸｂとしている。また、ＮＡは０．６である。

さらにｆ≧０．５ｍｍの範囲内であることが好ましい。さらに、焦点距離ｆ≧０．５ｍｍの範囲内の場合には、斜入射特性の波面収差値に問題がなく、製造が容易である。焦点距離ｆが小さいとレンズの中心厚及び曲率半径が小さくなり、製造が難しくなることがあるが、焦点距離ｆ≧０．５ｍｍの範囲であれば、ある程度の中心厚が確保でき、製造することができる。

さらに１．５７５≦ｎ≦１．７２５の範囲内であるとよい。この場合には、斜入射特性の波面収差値に問題がなく、製造が容易であり、平凸コリメータレンズ２と同様の屈折率nと焦点距離ｆで設計した両側非球面のコリメータレンズに近い斜入射特性を持つコリメータレンズとなる。平凸コリメータレンズ２の画角１．５度のｔｏｔａｌ波面収差値をＸａ、両側非球面コリメータレンズの画角１．５度のｔｏｔａｌ波面収差値をＸｂとすると（Ｘａ／Ｘｂ）＜２の式が成り立つ。この式の範囲において、平凸コリメータレンズ２と同様の屈折率nと焦点距離ｆで設計した両側非球面のコリメータレンズに対して遜色のない斜入射特性を持つ。さらに範囲を限定した（Ｘａ／Ｘｂ）＜１．５に関しては、平凸コリメータレンズ２は両側非球面コリメータレンズから考慮して、斜入射特性について略同等の性能を有するコリメータレンズとなる。

また、座標（ｎ，ｆ）が（１．５９，０．５）、（１．５９，１）、（１．６，１．３）、（１．６５，１．９）、（１．７，１．４）、（１．７２５，１．１）、（１．７２５，０．５）の範囲内であると、斜入射特性の波面収差値が良く、製造が容易であり、平凸コリメータレンズ２と同様の屈折率nと焦点距離ｆで設計した両側非球面のコリメータレンズに近い斜入射特性を持つコリメータレンズとなる。斜入射特性の波面収差値が良いとは、平凸コリメータレンズ２の画角１．５度のｔｏｔａｌ波面収差値ＸａがＸ ａ≦０．０３λｒｍｓの範囲に入っていることを示す。

続いて、各実施例について具体的に説明する。

実施例１．
図３及び図４に実施例１にかかる平凸コリメータレンズの設計データを示す。図４は、数１に示す各非球面係数の値である。図３に示されるように、この実施例及び他の実施例における平凸コリメータレンズに対しては、１５５０ｎｍのレーザ光が入射することを前提条件として設計を行った。また、図３において、平凸コリメータレンズａとして説明したデータが、この実施例１にかかる平凸コリメータレンズに相当するものであり、両側非球面コリメータレンズｂは、比較のためにそのレンズデータを掲載したものである。他の実施例においても同様である。

図３に示されるように、屈折率n＝１．６４、焦点距離ｆ＝０．５の実施例１の場合、（Ｘａ／Ｘｂ）＜２、Ｘａ≦０．０３λｒｍｓを満たしているため、両側非球面コリメータレンズの値から考慮して、斜入射特性に十分問題がないとされる範囲であり、画角特性の良い平凸コリメータレンズとなっていることが判る。

実施例２．
図５及び図６に実施例２にかかる平凸コリメータレンズの設計データを示す。図６は、数１に示す各非球面係数の値である。図５に示されるように、屈折率n＝１．６６、焦点距離ｆ＝１の実施例２の場合、（Ｘａ／Ｘｂ）＜２、Ｘａ≦０．０３λｒｍｓを満たしているため、両側非球面コリメータレンズの値から考慮して、斜入射特性に十分問題がないとされる範囲であり、画角特性の良い平凸コリメータレンズとなっていることが判る。

実施例３．
図７及び図８に実施例３にかかる平凸コリメータレンズの設計データを示す。図８は、数１に示す各非球面係数の値である。図７に示されるように、屈折率n＝１．６９、焦点距離ｆ＝０．５の実施例３の場合、（Ｘａ／Ｘｂ）＜２、Ｘａ≦０．０３λｒｍｓを満たしているため、両側非球面コリメータレンズの値から考慮して、斜入射特性に十分問題がないとされる範囲であり、画角特性の良い平凸コリメータレンズとなっていることが判る。

実施例４．
図９及び図１０に実施例４にかかる平凸コリメータレンズの設計データを示す。図１０は、数１に示す各非球面係数の値である。図９に示されるように、屈折率n＝１．５６、焦点距離ｆ＝０．４の実施例４の場合、（Ｘａ／Ｘｂ）＞２ではあるが、Ｘａ≦０．０４λｒｍｓを満たしているため、斜入射特性に十分問題がないとされる範囲であることが判る。

実施例５．
図１１及び図１２に実施例５にかかる平凸コリメータレンズの設計データを示す。図１２は、数１に示す各非球面係数の値である。図１１に示されるように、屈折率n＝１．６７、焦点距離ｆ＝２．２の実施例５の場合、（Ｘａ／Ｘｂ）＞２ではあるが、Ｘａ≦０．０４λｒｍｓを満たしているため、斜入射特性に十分問題がないとされる範囲であることが判る。

実施例６．
図１３及び図１４に実施例６にかかる平凸コリメータレンズの設計データを示す。図１４は、数１に示す各非球面係数の値である。図１３に示されるように、屈折率n＝１．８０、焦点距離ｆ＝０．５の実施例６の場合、（Ｘａ／Ｘｂ）＞２ではあるが、Ｘａ≦０．０４λｒｍｓを満たしているため、斜入射特性に十分問題がないとされる範囲であることが判る。

本発明にかかる光通信用モジュールの構成を示す図である。 本発明の実施例にかかる平凸コリメータレンズにおける屈折率ｎと焦点距離ｆをプロットして得られたグラフである。 本発明の実施例１にかかるレンズデータである。 本発明の実施例１にかかるレンズデータである。 本発明の実施例２にかかるレンズデータである。 本発明の実施例２にかかるレンズデータである。 本発明の実施例３にかかるレンズデータである。 本発明の実施例３にかかるレンズデータである。 本発明の実施例４にかかるレンズデータである。 本発明の実施例４にかかるレンズデータである。 本発明の実施例５にかかるレンズデータである。 本発明の実施例５にかかるレンズデータである。 本発明の実施例６にかかるレンズデータである。 本発明の実施例６にかかるレンズデータである。

符号の説明

１ レーザダイオード（LD）
２ 平凸コリメータレンズ
３ 集光レンズ
４ 受光ファイバ

Claims (15)

1. 光源から出射される光束を略平行光束に変換する、有効開口数ＮＡが０．５≦ＮＡ≦０．９の範囲のコリメータレンズであって、
   入射面は略平面であり、出射面は非球面であり、
   かつ前記コリメータレンズの屈折率をｎ、焦点距離ｆとし、横軸を屈折率ｎ、縦軸を焦点距離ｆ（ｍｍ）としたとき、座標（ｎ，ｆ）が（１．５，０．３）、（１．５５，０．７）、（１．５７５，１．１）、（１．５９，１．４）、（１．６，１．７）、（１．６５，２．４）、（１．７，１．８）、（１．７２５，１．５）、（１．７５，０．９）、（１．８，０．８）、（１．９，０．５）、（１．９，０）、（１．６５，０）、（１．５，０）の範囲内（但し、ｆ＝０を除く）であるコリメータレンズ。
2. さらにｆ≧０．５ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１記載のコリメータレンズ。
3. さらに１．５７５≦ｎ≦１．７２５の範囲内であることを特徴とする請求項１又は２記載のコリメータレンズ。
4. さらに、座標（ｎ，ｆ）が（１．５９，０．５）、（１．５９，１）、（１．６，１．３）、（１．６５，１．９）、（１．７，１．４）、（１．７２５，１．１）、（１．７２５，０．５）の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のコリメータレンズ。
5. 前記コリメータレンズに入射される光束の波長は、λ＝１３１０ｎｍ〜１５５０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のコリメータレンズ。
6. 前記コリメータレンズに入射される光束の波長は、λ＝３００ｎｍ〜５５０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のコリメータレンズ。
7. 前記コリメータレンズに入射される光束の波長は、λ＝６００ｎｍ〜７００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のコリメータレンズ。
8. 前記コリメータレンズに入射される光束の波長は、λ＝７００ｎｍ〜８５０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のコリメータレンズ。
9. 前記コリメータレンズはガラス材料より形成されていることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載のコリメータレンズ。
10. 前記コリメータレンズはプラスチック材料より形成されていることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載のコリメータレンズ。
11. 前記コリメータレンズはガラス転移点Ｔｇが４００度以下のガラス材料から形成されていることを特徴とする請求項９記載のコリメータレンズ。
12. 光源から出射される光束を略平行光束に変換するコリメータレンズと、
    前記コリメータレンズより出射された略平行光束を受光ファイバーの入射端に集光する集光レンズを備えた光通信用モジュールであって、
    前記コリメータレンズは、有効開口数ＮＡが０．５≦ＮＡ≦０．９の範囲で、入射面は略平面、出射面は非球面であり、
    かつ前記コリメータレンズの屈折率をn、焦点距離ｆとし、横軸を屈折率ｎ、縦軸を焦点距離ｆ（ｍｍ）としたとき、座標（ｎ，ｆ）が（１．５，０．３）、（１．５５，０．７）、（１．５７５，１．１）、（１．５９，１．４）、（１．６，１．７）、（１．６５，２．４）、（１．７，１．８）、（１．７２５，１．５）、（１．７５，０．９）、（１．８，０．８）、（１．９，０．５）、（１．９，０）、（１．６５，０）、（１．５，０）の範囲内（但し、ｆ＝０を除く）である光通信用モジュール。
13. さらにｆ≧０．５ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１２記載の光通信用モジュール。
14. さらに１．５７５≦ｎ≦１．７２５の範囲内であることを特徴とする請求項１２又は１３記載の光通信用モジュール。
15. さらに、座標（ｎ，ｆ）が（１．５９，０．５）、（１．５９，１）、（１．６，１．３）、（１．６５，１．９）、（１．７，１．４）、（１．７２５，１．１）、（１．７２５，０．５）の範囲内であることを特徴とする請求項１２乃至１４いずれかに記載の光通信用モジュール。

Images