JP2012212753A - 光通信用のレンズユニット及び半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールをコンパクトなものとし、シンプル且つ安価な構成でありながら、温度変化等の感度を小さく抑えることにより結合効率の変動を抑えることができる光通信用のレンズユニット及びそれを用いた半導体モジュールを提供する。
【解決手段】レンズＣＬを支持するカバーＣＶを、温度変化時に膨張又は収縮することにより、回折構造により抑制しきれなかった焦点位置の変動の少なくとも一部を抑制するような線膨張率を有する素材から形成すれば、温度変化時にカバーＣＶの熱膨張又は収縮によってレンズＣＬと半導体レーザＬＤの相対的間隔が変化するので、温度変化に起因した焦点位置の変動を一部補正することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、光通信等に用いられ、例えば半導体レーザのレーザ光を光ファイバに結合する光通信用のレンズユニット及び半導体モジュールに関する。

光通信等において、半導体レーザまたは光受光素子と光ファイバとを効率よく結合させることが求められている。このため、半導体レーザからの光束を集光するために光結合レンズが用いられている。ところで、従来の光結合レンズでは主にガラスレンズを用いているが、非球面を有するガラスレンズは一般的に高価であり、コスト高を招くという問題がある。そこで、高精度な非球面の成形が容易で大量生産が可能なプラスチック製の光結合レンズが開発されている。ところが、プラスチックは熱膨張係数がガラスと比較して大きく、またプラスチック素材の屈折率が温度によって変化するという問題がある。このためプラスチックレンズを使用すると、半導体レーザとレンズ間距離を固定した場合、環境温度の変化に応じて焦点距離すなわち光ファイバ方向の結像位置が変化するため、結合効率が低下することとなる。これに対し、レンズを光軸方向に移動させるアクチュエータを用いることも考えられるが、可動部の増大によりコスト高を招くことになり、また給電をどうするかという問題もある。

これに対し、特許文献１には、プラスチックレンズに回折構造を設けた光通信用の半導体モジュールが開示されている。特許文献１の技術によれば、プラスチックレンズに回折構造を設けることで、温度変化時の焦点位置の変動を抑制することができる。

特開平１１−２７４６４６号公報

ところで、光通信用のレンズにおける１つの問題は、回折構造のみでは、プラスチックレンズにおける温度変化時の焦点位置の変動抑制が不十分な場合があるということである。具体的には、温度変化時の焦点位置の変動抑制を十分に行うためには、回折パワーを確保する必要があるが、そうすると回折ピッチが狭くなりがちで、レンズの成形性が低下するという問題がある。このため、特許文献１では、光学面の両面に回折構造を設けることで、回折ピッチを広げる工夫をしているが、回折構造による焦点位置の変動抑制機能に限界もあり、更なる工夫が要求されている。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールをコンパクトなものとし、シンプル且つ安価な構成でありながら、温度変化等の感度を小さく抑えることにより結合効率の変動を抑えることができる光通信用のレンズユニット及びそれを用いた半導体モジュールを提供することを目的とする。

請求項１に記載の光通信用のレンズユニットは、半導体レーザから出射された波長λの光束を集光するレンズと、前記レンズを支持する支持部とを有する光通信用のレンズユニットであって、
前記レンズは、プラスチック製であり、温度変化時における焦点位置の変動を抑制する光路差付与構造を形成しており、
前記支持部は、温度変化時に膨張又は収縮することにより、前記光路差付与構造により抑制しきれなかった焦点位置の変動の少なくとも一部を抑制するような線膨張率を有する素材から形成されていることを特徴とする。

温度変化に起因した焦点位置の変動を補正するために、アクチュエータ等を用いることなくレンズを光軸方向に変位させて光学系の結像倍率を変化させることで、レンズの光路差付与構造における回折パワーを補い、それにより回折ピッチを大きくすることができ、もってレンズの成形性を向上させることができる。より具体的に説明すると、半導体レーザは一般的に温度変化により発振波長が変化するので、回折パワーの波長依存性によりカップリングレンズの焦点距離を変えることができる。これを利用して焦点位置の変動を補正する。光路差付与構造は、波長変化時の効率低下を抑制するため１次回折光を用いることが好ましいが、レンズの製造容易性を確保するためには光路差付与構造の回折ピッチを広くする必要がある。レンズをプラスチック製とした場合における温度変化時の焦点位置の変動は比較的大きなものであるために、両要件を満たそうとすると、回折パワーが不十分となり補正不足を招くこととなる。

これに対し、本発明者は鋭意研究の結果、レンズを支持する支持部を、温度変化時に膨張又は収縮することにより、前記光路差付与構造により抑制しきれなかった焦点位置の変動の少なくとも一部を抑制するような線膨張率を有する素材から形成すれば、温度変化時に前記支持部材の熱膨張又は収縮によってレンズと半導体レーザの相対的間隔が変化するので、温度変化に起因した焦点位置の変動を一部補正することができることを見出したのである。つまり、上述の回折パワーの不足分を、熱膨張によるレンズの変位により補うことで、温度変化に起因した焦点位置ズレを適正に補正できるようにしたのである。かかる場合、温度変化時におけるレンズの変位量は、回折パワーの不足分とバランスさせることが肝要である。

請求項２に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項１に記載の発明において、前記光路差付与構造は、前記レンズの片面にのみ設けられ、前記レンズの光軸を中心とする複数の輪帯を含み、前記レンズの光軸を通る面で切断した前記輪帯の断面形状はブレーズ型形状であることを特徴とする。

ブレーズ型の回折構造は、レリーフ形状の回折構造に比べると、不要な回折光が少なく、また回折効率をより高く確保できるというメリットがある。即ち、ブレーズ型形状の光路差付与構造においては、特に影の影響が生じやすく、かつ、輪帯間の段差を制御することで回折効率を制御しやすいのである。

更に、レンズの１面にのみ光路差付与構造を設けることで、あえて回折ピッチを細かくしている。回折ピッチを細かくすると、特にレンズの周辺部では、屈折面との組み合わせにより光束の影の影響が増大する。かかる問題について説明する。

図１を参照して、ここでは光路差付与構造としてブレーズ型形状の回折構造をレンズに形成した例で説明する。図１（ａ）は、半導体レーザ側に回折構造を設けたレンズの拡大断面図であり、図１（ｂ）は、半導体レーザ側に回折構造を設けたレンズの拡大断面図である。図１において、輪帯状の回折構造ＤＳは、不図示の光軸（図１で下側）を向いた段差面ＳＴと、隣接する段差面ＳＴの光軸方向外側端と内側端とを連結する斜面ＣＰとを有している。ここで、斜面ＣＰを通過する光束は、レンズの屈折面の屈折パワーと、回折構造ＤＳの回折パワーとの和で、トータルのパワーを発揮し、集光に用いられるが、段差面ＳＴを通過する光束は集光に用いられず、透過率の減少を招く。これを影の影響という。しかるに、レンズの光軸近傍では光軸に平行に光束が出射するので、影の影響による光量ロスは小さいのに対し、レンズの周辺部では母非球面としての屈折面が倒れてくるので、光軸に対して傾いた光束が入射しやすくなり、また金型の抜き勾配の影響による段差面ＳＴの傾きとも相まって、図１に示すように影の影響による光量ロスが大きくなる。ここで、集光スポットにおいて、レンズの光軸近傍を通過した光量に対し、周辺部の光量が低くなると、スポットの太りが生じ、すなわち実効ＮＡが低下する。実効ＮＡを低下できると、温度変化が生じた場合における結合効率の変動を小さくすることができる。つまり、回折構造で影の効果や、回折効率の分布で、あえてレンズ中心部と周辺部での分布を持たせることで、結合効率の変動が小さい光通信用のレンズを提供できるのである。

請求項３に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項１又は２に記載の発明において、前記レンズを通過した光束の瞳透過率分布が条件式（１）を満たすことを特徴とする。
０．４≦Ｔ１／Ｔ０≦０．８ （１）
但し、
Ｔ０：前記レンズの光軸近傍における透過率
Ｔ１：前記レンズの周辺における透過率

条件式（１）を満たすことで、適切な実効ＮＡを確保できる。

請求項４に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記半導体レーザからの光束が入射する側のＮＡは、条件式（２）を満たすことを特徴とする。
０．３０≦ＮＡ≦０．８５ （２）

条件式（２）を満たすことで、半導体レーザからの取り込み光量を確保しつつ適切な集光スポットの径を確保できる。

請求項５に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記光路差付与構造は、前記レンズの光軸を向いた段差を有することを特徴とする。このような光路差付与構造において、温度変化時の焦点位置抑制ができ、かつ、特に影の影響が生じやすいからである。

請求項６に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記光路差付与構造は、前記波長λの略整数倍の光路差を、通過する光束に付与することを特徴とする。これにより高い回折効率を有しつつ温度変化時のレンズ屈折率変化に起因した焦点位置ズレを抑制できる。

請求項７に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項６に記載の発明において、前記光路差付与構造は、前記レンズの有効径の全範囲で、前記波長λの１倍の光路差を、通過する光束に付与することを特徴とする。なるべく小さな光路差を付与するようにすることで、光路差付与構造の段差の高さを抑えて成形誤差等を抑制することにより、光線透過率を向上できる。

請求項８に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項６に記載の発明において、前記光路差付与構造は、前記レンズの光軸近傍の中央領域では、前記波長λの１倍の光路差を付与し、前記レンズの中央領域の外側の周辺領域では、前記波長λの２倍の光路差を、通過する光束に付与することを特徴とする。これにより、ピッチが狭くなりがちな周辺領域の光路差付与構造を転写する金型の加工を容易にできる。

請求項９に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記レンズは光ファイバの端面に、前記半導体レーザから出射された光束を集光する光結合レンズであることを特徴とする。

請求項１０に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項９に記載の発明において、前記結合レンズは光学系倍率（結合倍率ともいう）Mが下記の条件式（３）を満たすことを特徴とする。
１．０≦M≦４．０ （３）

これにより、一般的なシングルモードファイバーに取り込み可能なＮＡ０．１からＮＡ０．１２程度に、最適な効率を提供することが可能となる。特に好ましくは、以下の式を満たすことである。
２．０≦M≦４．０ （３’）

請求項１１に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項１〜１０のいずれかに記載の発明において、前記光路差付与構造は、前記半導体レーザからの光束が出射する面に設けられていることを特徴とする。

図１（ａ）では、半導体レーザ側に回折構造ＤＳが設けられているために、段差面ＳＴに入射する光束の割合が高くなり、影の影響が大きくなる。一方、図１（ｂ）では、半導体レーザとは反対側に回折構造ＤＳが設けられているために、輪帯の段差面ＳＴに沿った方向に光束が進行しがちであり、すなわち段差面ＳＴに入射する光束の割合が相対的に低くなり、影の影響は小さくなる。つまり、半導体レーザからの光束が出射する面に回折構造をもつことにより、製造誤差により輪帯の段差面ＳＴが傾いた場合でも結合効率が低下しにくく、製造誤差に強いレンズを実現でき、又、半導体レーザ側にくらべ光ファイバー側の光学面は相対的に面積が広くなるため、回折構造を設ける面積が広がるから、その分、輪帯のピッチを広くすることが可能となり、透過率の低下を抑制しやすくなる。

請求項１２に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項１〜１１のいずれかに記載の発明において、前記支持部は、前記半導体レーザを密封する筐体であることを特徴とする。これにより前記レンズの支持部に、前記半導体レーザを密封する機能を持たせることができる。

請求項１３に記載の光通信用のレンズユニットは、請求項１２に記載の発明において、前記レンズは、前記筐体と一体であることを特徴とする。但し、レンズと筐体（支持部）は別体でよい。

請求項１４に記載の半導体モジュールは、請求項１〜１３のいずれかに記載の光通信用のレンズユニットと、半導体レーザを一体的に組み付けてなることを特徴とする。

「半導体レーザ」とは、半導体の再結合発光を利用したレーザであり、一般的には環境温度が上昇すると発振波長が長くなり、環境温度が低下すると発振波長が短くなる。

レンズとは、半導体レーザから出射された光束を集光するレンズ、光ファイバの端面から出射された光束を集光するレンズ、特に半導体レーザから出射された光束を光ファイバの端面に集光する光結合レンズや、光ファイバの端面から出射された光束を受光素子の受光面に集光する光結合レンズを含む。レンズはプラスチック製である。

本明細書でいう光路差付与構造とは、入射光束に対して光路差を付加する構造の総称である。光路差付与構造には、位相差を付与する位相差付与構造も含まれる。また、位相差付与構造には回折構造が含まれる。本発明の光路差付与構造は回折構造であることが好ましい。光路差付与構造は、段差を有し、好ましくは段差を複数有する。この段差により入射光束に光路差及び／又は位相差が付加される。光路差付与構造により付加される光路差は、入射光束の波長の整数倍であっても良いし、入射光束の波長の非整数倍であっても良い。段差は、光軸垂直方向に周期的な間隔をもって配置されていてもよいし、光軸垂直方向に非周期的な間隔をもって配置されていてもよい。また、光路差付与構造を設けたレンズが単玉非球面レンズの場合、光軸からの高さによって光束のレンズへの入射角が異なるため、光路差付与構造の段差量は各輪帯毎に若干異なることとなる。例えば、レンズが単玉非球面の凸レンズである場合、同じ光路差を付与させる光路差付与構造であっても、一般的に光軸から離れる程、段差量が大きくなる傾向となる。

また、本明細書でいう回折構造とは、段差を有し、回折によって光束を収束あるいは発散させる作用を持たせる構造の総称である。例えば、単位形状が光軸を中心として複数並ぶことによって構成されており、それぞれの単位形状に光束が入射し、透過した光の波面が、隣り合う輪帯毎にズレを起こし、その結果、新たな波面を形成することによって光を収束あるいは発散させるような構造を含むものである。回折構造は、段差を複数有し、段差は光軸垂直方向に周期的な間隔をもって配置されていてもよいし、光軸垂直方向に非周期的な間隔をもって配置されていてもよい。また、回折構造を設けたレンズが単玉非球面レンズの場合、光軸からの高さによって光束のレンズへの入射角が異なるため、回折構造の段差量は各輪帯毎に若干異なることとなる。例えば、レンズが単玉非球面の凸レンズである場合、同じ回折次数の回折光を発生させる回折構造であっても、一般的に光軸から離れる程、段差量が大きくなる傾向となる。

ところで、光路差付与構造は、光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯を有することが好ましい。また、光路差付与構造は、一般に、様々な断面形状（光軸を含む面での断面形状） をとり得、光軸を含む断面形状がブレーズ型構造と階段型構造とに大別される。

ブレーズ型構造とは、図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、光路差付与構造を有する光学素子の光軸を含む断面形状が、鋸歯状の形状ということである。尚、図２の例においては、上方が光源側、下方が光ディスク側であって、母非球面としての平面に光路差付与構造が形成されているものとする。ブレーズ型構造において、１つのブレーズ単位の光軸垂直方向の長さをピッチＰという。（図２（ａ）、（ｂ）参照）また、ブレーズの光軸に平行方向の段差の長さを段差量Ｂという。（図２（ａ）参照）

また、階段型構造とは、図２（ｃ）、（ｄ）に示されるように、光路差付与構造を有する光学素子の光軸を含む断面形状が、小階段状のもの（階段単位と称する）を複数有するということである。尚、本明細書中、「Ｖレベル」とは、階段型構造の１つの階段単位において光軸垂直方向に対応する（向いた）輪帯状の面（以下、テラス面と称することもある）が、段差によって区分けされＶ個の輪帯面毎に分割されていることをいい、特に３レベル以上の階段型構造は、小さい段差と大きい段差を有することになる。

例えば、図２（ｃ）に示す光路差付与構造を、５レベルの階段型構造といい、図２（ｄ）に示す光路差付与構造を、２レベルの階段型構造(バイナリ構造ともいう)という。２レベルの階段型構造について、以下に説明する。光軸を中心とした同心円状の複数の輪帯を含み、対物レンズの光軸を含む複数の輪帯の断面の形状は、光軸に平行に延在する複数の段差面Ｐａ、Ｐｂと、隣接する段差面Ｐａ、Ｐｂの光源側端同士を連結する光源側テラス面Ｐｃと、隣接する段差面Ｐａ、Ｐｂの光ディスク側端同士を連結する光ディスク側テラス面Ｐｄとから形成され、光源側テラス面Ｐｃと光ディスク側テラス面Ｐｄとは、光軸に交差する方向に沿って交互に配置される。

尚、光路差付与構造は、ある単位形状が周期的に繰り返されている構造であることが好ましい。 ここでいう「単位形状が周期的に繰り返されている」とは、同一の形状が同一の周期で繰り返されている形状は当然含む。さらに、周期の１単位となる単位形状が、規則性を持って、周期が徐々に長くなったり、徐々に短くなったりする形状も、「単位形状が周期的に繰り返されている」ものに含まれているとする。

光路差付与構造が、ブレーズ型構造を有する場合、単位形状である鋸歯状の形状が繰り返された形状となる。図２（ａ）に示されるように、同一の鋸歯状形状が繰り返されてもよいし、図２（ｂ）に示されるように、光軸から離れる方向に進むに従って、徐々に鋸歯状形状のピッチ（回折ピッチともいう）が長くなっていく形状、又は、ピッチが短くなっていく形状であってもよい。加えて、ある領域においては、ブレーズ型構造の段差が光軸（中心）側とは逆を向いている形状とし、他の領域においては、ブレーズ型構造の段差が光軸（中心）側を向いている形状とし、その間に、ブレーズ型構造の段差の向きを切り替えるために必要な遷移領域が設けられている形状としてもよい。なお、このようにブレーズ型構造の段差の向きを途中で切り替える構造にする場合、輪帯ピッチを広げることが可能となり、光路差付与構造の製造誤差による透過率低下を抑制できる。

光路差付与構造が、階段型構造を有する場合、図２（ｃ）で示されるような５レベルの階段単位が、繰り返されるような形状等があり得る。さらに、光軸から離れる方向に進むに従って、徐々に階段単位のピッチが長くなっていく形状や、徐々に階段単位のピッチが短くなっていく形状であってもよい。なお、ブレーズ型形状を階段型形状で近似した場合、回折効率の低下はあるものの、本発明と同様の効果を得ることが可能となる。

光路差付与構造は、レンズの光軸を向いた段差を有すると好ましい。「段差が光軸を向いている」とは、図３（ａ）のような状態を言う。

光路差付与構造は、波長λの略整数倍の光路差を、通過する光束に付与すると好ましい。略整数倍とは、０を除く整数をＮとしたときに、（Ｎ−０．４）λ以上、（Ｎ−０．４）λ以下をいう。光路差付与構造は、レンズの有効径の全範囲で、波長λの１倍の光路差を付与するか、或いは、レンズの光軸近傍の中央領域では、波長λの１倍の光路差を付与し、レンズの中央領域の外側の周辺領域では、波長λの２倍の光路差を付与すると好ましい。中央領域と周辺領域の境界は、例えば有効径の２／３の光軸からの高さであると好ましい。

レンズを通過した光束の瞳透過率分布が条件式（１）を満たすと好ましい。瞳透過率分布とは、射出瞳面の透過率分布であって、均一強度の入射光束に対する射出瞳面の輝度分布に相当する。尚、レンズの光軸近傍とは、例えば有効径の１／３の光軸からの高さ以内であり、より好ましくは０．２以内であり、レンズの周辺とは、例えば有効径の２／３の光軸からの高さより外側であり、より好ましくは０．８より外側である。
０．４≦Ｔ１／Ｔ０≦０．８ （１）
但し、
Ｔ０：前記レンズの光軸近傍における透過率
Ｔ１：前記レンズの周辺における透過率

半導体レーザからの光束が入射する側のＮＡは、条件式（２）を満たすと好ましい。
０．３０≦ＮＡ≦０．８５ （２）
さらに好ましくは条件式（４）を満たすことが好ましい。
０．３５≦ＮＡ≦０．６５ （４）

本発明によれば、半導体モジュールをコンパクトなものとし、シンプル且つ安価な構成でありながら、温度変化等の感度を小さく抑えることにより結合効率の変動を抑えることができる光通信用のレンズユニット及びそれを用いた半導体モジュールを提供することができる。

（ａ）は、半導体レーザ側に回折構造を設けたレンズの拡大断面図であり、（ｂ）は、半導体レーザ側に回折構造を設けたレンズの拡大断面図である。 光路差付与構造の例を示す拡大断面図である。 （ａ）は段差が光軸の方向を向いている状態を示し、（ｂ）は段差が光軸とは逆の方向を向いている状態を示す図である。 （ａ）は、第１の実施の形態にかかる半導体モジュールＬＭの光軸方向断面図であり、（ｂ）は、矢印IVBで示すレンズ表面を拡大して示す図である。 （ａ）は、第２の実施の形態にかかる半導体モジュールＬＭの光軸方向断面図であり、（ｂ）は、矢印VBで示すレンズ表面を拡大して示す図である。 実施例１、２と比較例における結合効率のグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図４は、第１の実施の形態にかかる光通信用の半導体モジュールＬＭの光軸方向断面図である。以下の実施の形態では、レンズとカバーとでレンズユニットを構成する。給電用の３本の脚部ＬＧを有するベースＢＳに、半導体レーザＬＤの基板が取り付けられており、波長λの光束を出射する半導体レーザＬＤは、開口ＡＰを有するプラスチック製のカバー（支持部である筐体）ＣＶにより覆われている。開口ＡＰは、内側から透明なカバーガラスＣＧにより遮蔽されており、半導体レーザＬＤを外気より密封している。レンズＣＬを支持するカバーＣＶは、温度変化時に膨張又は収縮することにより、回折構造により抑制しきれなかった焦点位置の変動の少なくとも一部を抑制するような線膨張率を有する素材から形成されている。

開口ＡＰの外側を覆うようにして、光結合レンズＣＬのフランジ部ＦＬがカバーＣＶに接着されている。プラスチック製の光結合レンズＣＬは、半導体レーザ側の屈折面である光学面Ｓ１と、その反対側の光学面Ｓ２とを有し、光学面Ｓ２には屈折面上に回折構造ＤＳが形成されている。光学面Ｓ１の曲率半径は、光学面Ｓ２の曲率半径より大きい。ブレーズ型形状の回折構造ＤＳは、波長λの光束が入射したときに、波長λの整数倍の光路差を付与するようになっている。

半導体モジュールＬＭのベースＢＳは、不図示の筐体を介して、所定の距離で光ファイバＯＦに接続される。尚、光ファイバＯＦは、外皮ＳＬにより覆われている。

本実施の形態の半導体モジュールＬＭの動作を説明する。脚部ＬＧを介して給電が行われると、半導体レーザＬＤが発光し、その出射光束は、カバーガラスＣＧ及び開口ＡＰを通過して、光結合レンズＣＬに入射する。光結合レンズＣＬに入射した光束は、屈折面で屈折すると共に、回折構造ＤＳを通過して出射し、光ファイバＯＦの端面に集光し、その後光ファイバＯＦ内を伝播することとなる。

環境温度が上昇（又は低下）すると、半導体レーザＬＤの発振波長が増大（又は低下）するので、それに応じて回折構造ＤＳから生じる回折光の回折角が変化し、同時に、カバーＣＶが線膨張率に応じて膨張（又は収縮）するので、双方の相乗効果により環境温度変化による光結合レンズＣＬの屈折率の変化に起因した焦点位置ズレを補正することができる。又、本実施の形態によれば、光結合レンズＣＬの片面にのみ回折構造ＤＳを設けたので、全体的に回折ピッチが狭くなり、光結合レンズＣＬにより光ファイバＯＦの端面に集光されたスポットにおいて、レンズの光軸近傍を通過した光量に対し、周辺部の光量が低くなるので、スポットの太りが生じ実効ＮＡが低下する。これにより、温度変化が生じた場合における結合効率の変動が小さくなるのである。

図５は、第２の実施の形態にかかる半導体モジュールＬＭの光軸方向断面図である。給電用の３本の脚部ＬＧを有するベースＢＳに、半導体レーザＬＤの基板が取り付けられている。本実施の形態では、波長λの光束を出射する半導体レーザＬＤを密封的に覆うカバー（支持部である筐体）ＣＶは、プラスチック製のカップ状であり、その遮蔽端側に光結合レンズ部ＣＬを一体的に形成している。レンズ部ＣＬと一体であるカバーＣＶは、温度変化時に膨張又は収縮することにより、回折構造により抑制しきれなかった焦点位置の変動の少なくとも一部を抑制するような線膨張率を有する素材から形成されている。

光結合レンズ部ＣＬは、半導体レーザ側の屈折面である光学面Ｓ１と、その反対側の屈折面である光学面Ｓ２とを有し、光学面Ｓ２には屈折面上に回折構造ＤＳが形成されている。光学面Ｓ１の曲率半径は、光学面Ｓ２の曲率半径より大きい。ブレーズ型形状の回折構造ＤＳは、波長λの光束が入射したときに、波長λの整数倍の光路差を付与するようになっている。

半導体モジュールＬＭのベースＢＳは、不図示の筐体を介して、所定の距離で光ファイバＯＦに接続される。尚、光ファイバＯＦは、外皮ＳＬにより覆われている。

本実施の形態の半導体モジュールＬＭの動作を説明する。脚部ＬＧを介して給電が行われると、半導体レーザＬＤが発光し、その出射光束は直接光結合レンズ部ＣＬに入射する。光結合レンズ部ＣＬに入射した光束は、屈折面で屈折すると共に、回折構造ＤＳを通過して出射し、光ファイバＯＦの端面に集光し、その後光ファイバＯＦ内を伝播することとなる。

環境温度が上昇（又は低下）すると、半導体レーザＬＤの発振波長が増大（又は低下）するので、それに応じて回折構造ＤＳから生じる回折光の回折角が変化し、環境温度変化による光結合レンズ部ＣＬの屈折率の変化に起因した焦点位置ズレを補正することができる。又、温度上昇（又は低下）により、素材の線膨張率に応じてカバー及びレンズ部が膨張（又は収縮）することで、さらに焦点位置ズレを補正することができる。本実施の形態によれば、光結合レンズ部ＣＬの外側面にのみ回折構造ＤＳを設けたので、全体的に回折ピッチが狭くなり、光結合レンズ部ＣＬにより光ファイバＯＦの端面に集光されたスポットにおいて、レンズの光軸近傍を通過した光量に対し、周辺部の光量が低くなるので、スポットの太りが生じ実効ＮＡが低下する。これにより、温度変化が生じた場合における結合効率の変動が小さくなるのである。

本発明によれば、素材の線膨張率のみにより焦点位置ズレを抑制する場合にくらべ、１／２〜１／３程度、レンズユニットの小型化を図れると共に、回折作用のみにより焦点位置ズレを抑制する場合にくらべ、レンズの回折構造を１／２程度減らすことが可能である。

（実施例）
以下、上述した実施の形態に用いることができる実施例について説明する。実施例１、２は、いずれも樹脂レンズであり、図４、５に示す半導体モジュールに好適な光結合レンズである。また、比較例として、回折構造のないガラスレンズと樹脂レンズを参照する。表１に、実施例１、２の半導体モジュール及びレンズの仕様と、支持部（筐体）の線膨張係数を示し、表２に、実施例１、２の各素材の屈折率を示す。

尚、光結合レンズの光学面は、それぞれ数１式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。

ここで、Ｘ（ｈ）は光軸方向の軸（光の進行方向を正とする）、κは円錐係数、Ａiは非球面係数、ｈは光軸からの高さ、ｒは近軸曲率半径である。

また、回折構造を用いた実施例の場合、その回折構造により各波長の光束に対して与えられる光路差は、数２式の光路差関数に、表に示す係数を代入した数式で規定される。

（数２）
Φ（ｈ）＝Ｂ₂ｈ²×λ×ｍ／λＢ
ここで、λ：使用波長、ｍ：回折次数、λＢ：ブレーズ化波長、ｈ：光軸から光軸垂直方向の距離である。

実施例１、２と比較例のレンズデータを表３に示す。実施例における各回折構造のピッチ、段差は表３に示す光路差関数、回折次数、ブレーズ化波長により最適化した形状となる。

図１を参照して説明したように、回折構造を有するレンズは、回折輪帯の段差製造誤差に応じて増大する影の影響で結合効率の低下がおきる。結合効率低下は輪帯のピッチが狭くなるほど大きくなる傾向があり、本実施例においては、中心部の透過率を100%としたとき、それに対するレンズ有効径近傍の低下度合い（Ｔ１／Ｔ０）を表４に示す。回折構造のないガラスレンズと樹脂レンズでは、理論上、レンズ有効径近傍で透過率の減少は生じないが、実施例１、２では少なくとも３２％以上の透過率減少が生じていることが分かる。

次に、図６に実施例と比較例における結合効率のグラフを示す。図６において、縦軸が結合効率であり、横軸が環境温度である。図６を参照するに、ガラスレンズは温度による屈折率変動が皆無であるため、効率の変動が少ないことが分かる。但し、高価であるため半導体モジュールのコストを押し上げるという問題がある。次に、回折構造のない樹脂レンズは、環境温度による屈折率変動の影響により、大きな効率変動を持つことがわかり、例えば環境温度８０℃で結合効率が１０％程度に低下する。

これに対し、実施例１，２は、図４、５に示す実施の形態に好適なものであり、環境温度が上昇（又は低下）した場合、半導体レーザＬＤの発振波長が増大（又は低下）することに応じて回折構造ＤＳから生じる回折光の回折角を変化させる作用に加え、カバーＣＶの熱膨張による光源と光結合レンズＣＬ間の距離を調整することで、環境温度変化による光結合レンズＣＬの屈折率の変化に起因した焦点位置ズレを補正することができるものである。ここで、カバーＣＶの線膨張係数は、０．００００６ｃｍ／ｃｍ℃である。実施例１，２のレンズユニットは、樹脂レンズにくらべ効率変動を小さく抑えることができていることがわかる。又、結合効率自体は、ガラスレンズに比べ１０％程度低いが、効率変動のみを考慮するとガラスレンズ相当に抑えられている。

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。

ＡＰ 開口
ＢＳ ベース
ＣＧ カバーガラス
ＣＬ 光結合レンズ又は光結合レンズ部
ＣＶ カバー
ＤＳ 回折構造
ＦＬ フランジ部
ＬＤ 半導体レーザ
ＬＧ 脚部
ＬＭ 半導体モジュール
ＯＦ 光ファイバ
ＰＤ フォトダイオード
ＰＤａ 受光面
Ｓ１ 半導体レーザ側光学面
Ｓ２ 反半導体レーザ側光学面

Claims (14)

1. 半導体レーザから出射された波長λの光束を集光するレンズと、前記レンズを支持する支持部とを有する光通信用のレンズユニットであって、
   前記レンズは、プラスチック製であり、温度変化時における焦点位置の変動を抑制する光路差付与構造を形成しており、
   前記支持部は、温度変化時に膨張又は収縮することにより、前記光路差付与構造により抑制しきれなかった焦点位置の変動の少なくとも一部を抑制するような線膨張率を有する素材から形成されていることを特徴とする光通信用のレンズユニット。
2. 前記光路差付与構造は、前記レンズの片面にのみ設けられ、前記レンズの光軸を中心とする複数の輪帯を含み、前記レンズの光軸を通る面で切断した前記輪帯の断面形状はブレーズ型形状であることを特徴とする請求項１に記載の光通信用のレンズユニット。
3. 前記レンズを通過した光束の瞳透過率分布が条件式（１）を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の光通信用のレンズユニット。
   ０．４≦Ｔ１／Ｔ０≦０．８ （１）
   但し、
   Ｔ０：前記レンズの光軸近傍における透過率
   Ｔ１：前記レンズの周辺における透過率
4. 前記半導体レーザからの光束が入射する側のＮＡは、条件式（２）を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光通信用のレンズユニット。
   ０．３５≦ＮＡ≦０．８５ （２）
5. 前記光路差付与構造は、前記レンズの光軸を向いた段差を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光通信用のレンズユニット。
6. 前記光路差付与構造は、前記波長λの略整数倍の光路差を、通過する光束に付与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通信用のレンズユニット。
7. 前記光路差付与構造は、前記レンズの有効径の全範囲で、前記波長λの１倍の光路差を、通過する光束に付与することを特徴とする請求項６に記載の光通信用のレンズユニット。
8. 前記光路差付与構造は、前記レンズの光軸近傍の中央領域では、前記波長λの１倍の光路差を付与し、前記レンズの中央領域の外側の周辺領域では、前記波長λの２倍の光路差を、通過する光束に付与することを特徴とする請求項６に記載の光通信用のレンズユニット。
9. 前記レンズは光ファイバの端面に、前記半導体レーザから出射された光束を集光する光結合レンズであることを特徴とする１〜８のいずれかに記載の光通信用のレンズユニット。
10. 前記結合レンズは光学系倍率Mが下記の条件式（３）を満たすことを特徴とする請求項９に記載の光通信用のレンズユニット。
    １．０≦M≦４．０ （３）
11. 前記光路差付与構造は、前記半導体レーザからの光束が出射する面に設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光通信用のレンズユニット。
12. 前記支持部は、前記半導体レーザを密封する筐体であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の光通信用のレンズユニット。
13. 前記レンズは、前記筐体と一体であることを特徴とする請求項１２に記載の光通信用のレンズユニット。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の光通信用のレンズユニットと、半導体レーザを一体的に組み付けてなることを特徴とする半導体モジュール。