JP2017142450A - Optical coupling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を光学素子に光結合させるための光結合装置に関する。 The present invention relates to an optical coupling device for optically coupling laser light to an optical element.
半導体レーザにおいて、半導体レーザの活性層に垂直な面（以下、垂直面という）と水平な面（以下、水平面という）との間で見掛け上の発光点の位置が異なることが知られている。このような垂直面と水平面との間の発光点の位置の差を非点隔差という。非点隔差が大きいと、垂直面と水平面との間でレーザ光の結像点に大きな位置ずれが発生するため、レーザ光を光学素子等に光結合させる際の結合効率が悪化する。 In a semiconductor laser, it is known that the position of an apparent light emitting point differs between a plane perpendicular to the active layer of the semiconductor laser (hereinafter referred to as a vertical plane) and a horizontal plane (hereinafter referred to as a horizontal plane). Such a difference in the position of the light emitting point between the vertical plane and the horizontal plane is referred to as an astigmatic difference. When the astigmatism difference is large, a large positional shift occurs at the image point of the laser beam between the vertical plane and the horizontal plane, so that the coupling efficiency when the laser beam is optically coupled to an optical element or the like deteriorates.
同じ設計のレーザ素子であっても、非点隔差にはばらつきが生じる。非点隔差が変化すると、最適な像倍率は変化する。図９は、様々な非点隔差αにおける像倍率に対する結合効率のグラフを示す図である。図９のグラフにおいて、横軸は像倍率であり、縦軸は結合効率である。図９のグラフから明らかなように、非点隔差αが大きいほど、結合効率がピークとなる像倍率が小さい。例えば非点隔差αが０μｍの場合は像倍率が２．０〜２．５のときに結合効率が最大であり、非点隔差αが１０μｍの場合は像倍率が１．０〜１．５のときに結合効率が最大である。このように、非点隔差のばらつきによって、結合効率がさらに悪化する場合がある。 Even with laser elements of the same design, the astigmatic difference varies. As the astigmatic difference changes, the optimum image magnification changes. FIG. 9 is a graph showing coupling efficiency versus image magnification at various astigmatic differences α. In the graph of FIG. 9, the horizontal axis is the image magnification, and the vertical axis is the coupling efficiency. As is apparent from the graph of FIG. 9, the larger the astigmatism difference α, the smaller the image magnification at which the coupling efficiency peaks. For example, when the astigmatism α is 0 μm, the coupling efficiency is maximum when the image magnification is 2.0 to 2.5, and when the astigmatism α is 10 μm, the image magnification is 1.0 to 1.5. Sometimes the coupling efficiency is maximum. Thus, the coupling efficiency may be further deteriorated due to the variation in astigmatism.
レーザ素子と光学素子との間に非点隔差を補正するための光結合装置を設けることによって、結像点の位置ずれを抑制することができる。特許文献１に記載の技術は、半楕円球状の屈折率勾配を有する平板レンズを設けることによって、非点隔差を補正することができる。特許文献２に記載の技術は、楕円形状の溝を有するフレネルレンズを設けることによって、非点隔差を補正することができる。 By providing an optical coupling device for correcting the astigmatism difference between the laser element and the optical element, it is possible to suppress the positional deviation of the imaging point. The technique described in Patent Document 1 can correct the astigmatic difference by providing a flat lens having a semi-elliptical spherical refractive index gradient. The technique described in Patent Document 2 can correct the astigmatic difference by providing a Fresnel lens having an elliptical groove.
特許文献３に記載の技術は、垂直面と水平面との間で異なる曲率を有するレンズを用いることによって、非点隔差を補正することができる。図１０は、特許文献３に記載の光結合装置１の模式図である。光結合装置１は、半導体レーザ２と光ファイバ３との間に、第１のレンズ４、第２のレンズ５および第３のレンズ６を順に備える。第１のレンズ４は、垂直面および水平面においてレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズである。第２のレンズ５は、垂直面においてはレーザ光の入出力面が平面であるが、水平面においてはレーザ光の入出力面が曲面であるレンズである。第３のレンズ６は、垂直面においてはレーザ光の入出力面が平面であるが、水平面においてはレーザ光の入力面が曲面であるとともに出力面が平面であるレンズである。 The technique described in Patent Document 3 can correct the astigmatic difference by using lenses having different curvatures between the vertical plane and the horizontal plane. FIG. 10 is a schematic diagram of the optical coupling device 1 described in Patent Document 3. As shown in FIG. The optical coupling device 1 includes a first lens 4, a second lens 5, and a third lens 6 in order between the semiconductor laser 2 and the optical fiber 3. The first lens 4 is a collimating lens that converts laser light into parallel light on a vertical plane and a horizontal plane. The second lens 5 is a lens in which the input / output surface of the laser beam is flat on the vertical plane, but the input / output surface of the laser beam is curved on the horizontal plane. The third lens 6 is a lens in which the input / output surface of the laser beam is a plane on the vertical plane, but the input surface of the laser beam is a curved surface and the output surface is a plane on the horizontal plane.
光結合装置１においては、第２のレンズ５と第３のレンズ６との間に結像点７が形成され、さらに光ファイバ３の端面上に結像点８が形成される。このような構成において、第３のレンズ６を光軸方向に移動させることによって、結像点８の位置を水平面においてのみ変化させることができるため、非点隔差を補正することができる。 In the optical coupling device 1, an imaging point 7 is formed between the second lens 5 and the third lens 6, and an imaging point 8 is formed on the end face of the optical fiber 3. In such a configuration, by moving the third lens 6 in the optical axis direction, the position of the image formation point 8 can be changed only on the horizontal plane, so that the astigmatic difference can be corrected.
特許文献１および２に記載の技術は、特殊な平板レンズまたはフレネルレンズを用いるため、製造コストが高い。また、平板レンズまたはフレネルレンズの位置には高い精度が要求されるため、レンズの位置に対する許容性（トレランス）が低い。 The techniques described in Patent Documents 1 and 2 use a special flat lens or Fresnel lens, so that the manufacturing cost is high. In addition, since high accuracy is required for the position of the flat lens or the Fresnel lens, the tolerance (tolerance) with respect to the position of the lens is low.
特許文献３に記載の技術においては、図１０に示すように２つの結像点７、８を形成するため、２つの結像点７、８を正確に形成するように装置の組み立てを行うことが要求される。光軸方向に沿った調整の精度は緩和されているものの、装置の組み立てを容易にするためにはレンズの位置に対する許容性をさらに大きくすることが求められる。 In the technique described in Patent Document 3, in order to form two imaging points 7 and 8 as shown in FIG. 10, the apparatus is assembled so that the two imaging points 7 and 8 are accurately formed. Is required. Although the accuracy of adjustment along the optical axis direction has been relaxed, it is required to further increase the tolerance for the lens position in order to facilitate the assembly of the apparatus.
本発明は上述の問題に鑑みて行われたものであって、非点隔差を補正することができるとともに、レンズの位置に対する許容性が大きい光結合装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical coupling device that can correct astigmatism and has high tolerance for the position of the lens.
本発明の一態様は、光結合装置であって、入力されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズと、前記コリメートレンズが前記レーザ光を出力する方向に設けられ、前記レーザ光の光軸に平行な異なる２つの面の間で異なる焦点距離を有する補正レンズと、前記補正レンズが前記レーザ光を出力する方向に設けられ、前記レーザ光を集光する集光レンズと、を備え、前記焦点距離は、前記２つの面において、前記補正レンズと前記集光レンズとの間の距離よりも大きいことを特徴とする。 One embodiment of the present invention is an optical coupling device, which includes a collimating lens that converts input laser light into parallel light, the collimating lens provided in a direction in which the laser light is output, and an optical axis of the laser light. A correction lens having different focal lengths between two different surfaces parallel to each other, and a correction lens provided in a direction in which the correction lens outputs the laser light and condensing the laser light, and The focal length is larger than the distance between the correction lens and the condenser lens on the two surfaces.
本発明に係る光結合装置においては、レーザ光の光軸に平行な２つの面の間で焦点距離が異なる補正レンズを設けることによって、レーザ光の非点隔差を補正することができる。また、補正レンズの焦点距離は補正レンズと集光レンズとの間の距離より大きく設定されており、結像点が補正レンズと集光レンズとの間には形成されない。そのため、補正レンズの位置への許容性を向上させることができる。 In the optical coupling device according to the present invention, the astigmatic difference of the laser beam can be corrected by providing a correction lens having different focal lengths between two surfaces parallel to the optical axis of the laser beam. Further, the focal length of the correction lens is set larger than the distance between the correction lens and the condensing lens, and the imaging point is not formed between the correction lens and the condensing lens. Therefore, the tolerance to the position of the correction lens can be improved.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof may be omitted.
図１は、本実施形態に係る光結合装置１００の概略構成図である。光結合装置１００は、レーザ素子１１０と、光学素子１２０と、コリメートレンズ１３０と、補正レンズ１４０と、集光レンズ１５０とを備える。図１に示す光結合装置１００の構成は一例であり、適宜変更されてよい。例えば、光結合装置１００に、光変調器、光スイッチ等の光学素子や、レンズ、光スプリッタ等の光学系が追加で設けられてよい。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical coupling device 100 according to the present embodiment. The optical coupling device 100 includes a laser element 110, an optical element 120, a collimator lens 130, a correction lens 140, and a condenser lens 150. The configuration of the optical coupling device 100 illustrated in FIG. 1 is an example, and may be changed as appropriate. For example, the optical coupling device 100 may be additionally provided with optical elements such as an optical modulator and an optical switch, and optical systems such as a lens and an optical splitter.
レーザ素子１１０は、半導体を用いたレーザ発振によりレーザ光Ａを発生させて出力する半導体レーザである。レーザ光Ａは、レーザ素子１１０上の発光点１１１から出力される。レーザ素子１１０の詳細な構成については、図２を用いて後述する。 The laser element 110 is a semiconductor laser that generates and outputs a laser beam A by laser oscillation using a semiconductor. Laser light A is output from a light emitting point 111 on the laser element 110. The detailed configuration of the laser element 110 will be described later with reference to FIG.
コリメートレンズ１３０は、レーザ素子１１０がレーザ光Ａを出力する方向に設けられ、レーザ素子１１０から出力されるレーザ光Ａを平行光に変換する。これは、レーザ光Ａを完全に平行な光に変換することだけでなく、ほぼ平行な光に変換することを含む。 The collimating lens 130 is provided in a direction in which the laser element 110 outputs the laser light A, and converts the laser light A output from the laser element 110 into parallel light. This includes not only converting the laser light A into completely parallel light, but also converting it into substantially parallel light.
補正レンズ１４０は、コリメートレンズ１３０がレーザ光Ａを出力する方向に設けられる。補正レンズ１４０は、レーザ素子１１０の非点隔差を補正するためのレンズである。焦点距離が異なる複数の補正レンズ１４０が用意され、それらは取り替え可能に構成されている。補正レンズ１４０の詳細な構成については、図３を用いて後述する。 The correction lens 140 is provided in a direction in which the collimating lens 130 outputs the laser light A. The correction lens 140 is a lens for correcting the astigmatic difference of the laser element 110. A plurality of correction lenses 140 having different focal lengths are prepared, and are configured to be replaceable. A detailed configuration of the correction lens 140 will be described later with reference to FIG.
集光レンズ１５０は、補正レンズ１４０がレーザ光Ａを出力する方向に設けられる。集光レンズ１５０は、レーザ光Ａを光学素子１２０の入力部に集光して光結合させる。光学素子１２０は、集光レンズ１５０がレーザ光Ａを出力する方向に設けられる。集光レンズ１５０を通ったレーザ光Ａの結像点１２１は、光学素子１２０の入力部に形成される。光学素子１２０は、レーザ光Ａが光結合する光導波路または光ファイバを有する任意の光学素子でよい。光学素子１２０は、例えば半導体光増幅器（ＳＯＡ）であり、基板上に設けられた光導波路に入力されたレーザ光Ａを増幅して出力する。 The condenser lens 150 is provided in the direction in which the correction lens 140 outputs the laser light A. The condensing lens 150 condenses and optically couples the laser light A to the input part of the optical element 120. The optical element 120 is provided in a direction in which the condenser lens 150 outputs the laser light A. The imaging point 121 of the laser beam A that has passed through the condenser lens 150 is formed at the input portion of the optical element 120. The optical element 120 may be any optical element having an optical waveguide or an optical fiber to which the laser beam A is optically coupled. The optical element 120 is a semiconductor optical amplifier (SOA), for example, and amplifies and outputs the laser light A input to an optical waveguide provided on the substrate.
図２は、本実施形態に係るレーザ素子１１０の概略構成図である。レーザ素子１１０は、半導体レーザであり、ストライプ状の活性層１１２を有する。活性層１１２は、ストライプ状、すなわち細長い平板状の形状を有し、その一端がレーザ素子１１０の端面に接続される。活性層１１２は半導体を含む層が積層されることにより形成されるため、活性層１１２に水平な面は活性層１１２の積層方向に垂直な面であり、活性層１１２に垂直な面は活性層１１２の積層方向に平行な面である。レーザ素子１１０に対して電圧を印加することによって、活性層１１２上の発光点１１１からレーザ光Ａが出力される。以下では、活性層１１２に水平な方向とは活性層が延在する方向をいい、活性層１１２に垂直な方向とは活性層１１２の上面に垂直な方向をいう。レーザ素子１１０からレーザ光Ａが出力される方向を光軸Ｚとする。また、活性層１１２に水平な方向であって、光軸Ｚに垂直な方向を軸Ｘとする。また、活性層１１２に垂直な方向であって、光軸Ｚに垂直な方向を軸Ｙとする。また、活性層１１２に対して水平な面であって、光軸Ｚを含む面を水平面といい、活性層１１２に対して垂直な面であって、光軸Ｚを含む面を垂直面という。レーザ素子１１０の構成は、ここに示すものに限られず、任意の半導体レーザを用いてよい。レーザ素子１１０の具体的な構成に応じて、各軸および各面の定義は適宜変更されてよい。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the laser element 110 according to the present embodiment. The laser element 110 is a semiconductor laser and has a stripe-shaped active layer 112. The active layer 112 has a stripe shape, that is, an elongated flat plate shape, and one end thereof is connected to the end face of the laser element 110. Since the active layer 112 is formed by stacking layers including a semiconductor, a plane parallel to the active layer 112 is a plane perpendicular to the stacking direction of the active layer 112, and a plane perpendicular to the active layer 112 is an active layer. 112 is a surface parallel to the stacking direction. By applying a voltage to the laser element 110, the laser beam A is output from the light emitting point 111 on the active layer 112. Hereinafter, the direction horizontal to the active layer 112 refers to the direction in which the active layer extends, and the direction perpendicular to the active layer 112 refers to the direction perpendicular to the upper surface of the active layer 112. The direction in which the laser beam A is output from the laser element 110 is an optical axis Z. A direction that is horizontal to the active layer 112 and perpendicular to the optical axis Z is defined as an axis X. A direction perpendicular to the active layer 112 and perpendicular to the optical axis Z is defined as an axis Y. A plane that is horizontal to the active layer 112 and includes the optical axis Z is referred to as a horizontal plane, and a plane that is perpendicular to the active layer 112 and includes the optical axis Z is referred to as a vertical plane. The configuration of the laser element 110 is not limited to that shown here, and any semiconductor laser may be used. Depending on the specific configuration of the laser element 110, the definition of each axis and each surface may be changed as appropriate.
図３は、本実施形態に係る補正レンズ１４０の側面図である。図３の上の図は水平面における側面図（すなわち、水平面への投影図）を示し、図３の下の図は垂直面における側面図（すなわち、垂直面への投影図）を示す。図３において、左がレーザ光Ａの入射側であり、右がレーザ光Ａの出射側である。 FIG. 3 is a side view of the correction lens 140 according to this embodiment. The upper diagram in FIG. 3 shows a side view in the horizontal plane (that is, a projection on the horizontal plane), and the lower diagram in FIG. 3 shows a side view in the vertical plane (that is, a projection on the vertical plane). In FIG. 3, the left is the incident side of the laser beam A, and the right is the emitting side of the laser beam A.
補正レンズ１４０は、レーザ光Ａが入力される面である入力面１４１、およびレーザ光Ａが出力される面である出力面１４２を有する。補正レンズ１４０として、例えばシリンドリカルレンズを用いてよい。入力面１４１は、水平面および垂直面において平面（すなわち、曲率がゼロである面）である。一方、出力面１４２は、水平面において凸曲面（すなわち、曲率がゼロより大きい面）であり、垂直面において平面である。出力面１４２の水平面における曲率は、非点隔差を補正するための焦点距離を補正レンズ１４０に与える所定の値に設定される。このとき、水平面における補正レンズ１４０の焦点距離は、補正レンズ１４０と集光レンズ１５０との間の距離よりも大きい値である。一方、垂直面においては入力面１４１および出力面１４２は平面であるため、垂直面における補正レンズ１４０の焦点距離は無限とみなせる。そのため、補正レンズ１４０と集光レンズ１５０との間には、水平面および垂直面の両方において結像点が形成されない。このような構成により、水平面において結像点の位置を変化させ、垂直面と水平面との間の発光点の位置の差である非点隔差を補正することができる。 The correction lens 140 has an input surface 141 that is a surface to which the laser beam A is input, and an output surface 142 that is a surface to which the laser beam A is output. As the correction lens 140, for example, a cylindrical lens may be used. The input surface 141 is a plane (that is, a surface with zero curvature) in the horizontal plane and the vertical plane. On the other hand, the output surface 142 is a convex curved surface (that is, a surface having a curvature larger than zero) in the horizontal plane and a plane in the vertical plane. The curvature of the output surface 142 in the horizontal plane is set to a predetermined value that gives the correction lens 140 a focal length for correcting the astigmatic difference. At this time, the focal length of the correction lens 140 in the horizontal plane is larger than the distance between the correction lens 140 and the condenser lens 150. On the other hand, since the input surface 141 and the output surface 142 are flat on the vertical surface, the focal length of the correction lens 140 on the vertical surface can be regarded as infinite. Therefore, no image formation point is formed between the correction lens 140 and the condenser lens 150 on both the horizontal plane and the vertical plane. With such a configuration, the position of the imaging point can be changed on the horizontal plane, and the astigmatism difference, which is the difference in the position of the light emitting point between the vertical plane and the horizontal plane, can be corrected.
補正レンズ１４０の構成は、図３に示すものに限られない。入力面１４１と出力面１４２との少なくとも一方が、非点隔差を補正するように水平面と垂直面との間で異なる焦点距離を有する面であればよい。図４（ａ）〜４（ｅ）は、他の形態に係る補正レンズ１４０の側面図である。図４（ａ）〜４（ｅ）のそれぞれにおいて、図３と同様に、上の図は水平面における側面図を示し、下の図は垂直面における側面図を示す。 The configuration of the correction lens 140 is not limited to that shown in FIG. At least one of the input surface 141 and the output surface 142 may be a surface having a different focal length between the horizontal plane and the vertical plane so as to correct the astigmatism difference. 4A to 4E are side views of a correction lens 140 according to another embodiment. In each of FIGS. 4A to 4E, as in FIG. 3, the upper diagram shows a side view in a horizontal plane, and the lower diagram shows a side view in a vertical plane.
図４（ａ）の補正レンズ１４０において、入力面１４１は水平面において凸曲面であり、それ以外の面は平面である。図４（ｂ）の補正レンズ１４０において、出力面１４２は水平面において凹曲面（すなわち、曲率がゼロより小さい面）であり、それ以外の面は平面である。図４（ｃ）の補正レンズ１４０において、入力面１４１は水平面において凹曲面であり、それ以外の面は平面である。図３および図４（ａ）〜４（ｃ）の補正レンズ１４０において、水平面と垂直面の関係は逆でもよく、水平面および垂直面のうち一方が曲面であり、他方が平面であればよい。 In the correction lens 140 of FIG. 4A, the input surface 141 is a convex curved surface in the horizontal plane, and the other surfaces are flat surfaces. In the correction lens 140 of FIG. 4B, the output surface 142 is a concave surface (that is, a surface having a curvature smaller than zero) in the horizontal plane, and the other surfaces are planes. In the correction lens 140 of FIG. 4C, the input surface 141 is a concave curved surface in the horizontal plane, and the other surfaces are flat surfaces. In the correction lens 140 of FIGS. 3 and 4A to 4C, the relationship between the horizontal plane and the vertical plane may be reversed, and one of the horizontal plane and the vertical plane may be a curved surface and the other may be a plane.
図４（ｄ）の補正レンズ１４０において、入力面１４１は水平面において平面であり、垂直面において凸曲面である。また、出力面１４２は水平面において凸曲面であり、垂直面において平面である。図４（ｅ）の補正レンズ１４０において、入力面１４１は水平面において平面であり、垂直面において凹曲面である。また、出力面１４２は水平面において凹曲面であり、垂直面において平面である。図４（ｄ）〜４（ｅ）の補正レンズ１４０において、水平面と垂直面の関係は逆でもよく、また凸曲面および凹曲面を組み合わせて用いてもよい。 In the correction lens 140 of FIG. 4D, the input surface 141 is a flat surface in the horizontal plane and a convex curved surface in the vertical plane. The output surface 142 is a convex curved surface in the horizontal plane and a plane in the vertical plane. In the correction lens 140 of FIG. 4E, the input surface 141 is a flat surface in the horizontal plane and a concave curved surface in the vertical plane. The output surface 142 is a concave curved surface in the horizontal plane and a plane in the vertical plane. In the correction lens 140 of FIGS. 4D to 4E, the relationship between the horizontal plane and the vertical plane may be reversed, or a convex curved surface and a concave curved surface may be used in combination.
図３および図４（ａ）〜４（ｅ）では、レーザ素子１１０の活性層１１２に対する水平面および垂直面において焦点距離を変化させているが、光軸Ｚに平行な任意の異なる２つの面において焦点距離を変化させてもよい。 3 and FIGS. 4A to 4E, the focal length is changed in the horizontal plane and the vertical plane with respect to the active layer 112 of the laser element 110, but in any two different planes parallel to the optical axis Z. The focal length may be changed.
本実施形態に係る補正レンズ１４０においては、入力面１４１と出力面１４２との少なくとも一方の曲率を変化させることによって、補正レンズ１４０の焦点距離を調整している。曲率に限られず、補正レンズ１４０のその他の特性を変化させることによって、補正レンズ１４０の焦点距離を変化させてよい。例えば、補正レンズ１４０の屈折率分布を変化させることによって、補正レンズ１４０の焦点距離を変化させてよい。 In the correction lens 140 according to this embodiment, the focal length of the correction lens 140 is adjusted by changing the curvature of at least one of the input surface 141 and the output surface 142. The focal length of the correction lens 140 may be changed by changing other characteristics of the correction lens 140 without being limited to the curvature. For example, the focal length of the correction lens 140 may be changed by changing the refractive index distribution of the correction lens 140.
本実施形態において、異なる特性を有する複数の補正レンズ１４０が用意される。光結合装置１００において、補正レンズ１４０は取り替え可能に構成されている。レーザ素子１１０の非点隔差に応じて適当な焦点距離を有する補正レンズ１４０を選択して光結合装置１００に設けることによって、容易に非点隔差を補正することができる。 In the present embodiment, a plurality of correction lenses 140 having different characteristics are prepared. In the optical coupling device 100, the correction lens 140 is configured to be replaceable. By selecting the correction lens 140 having an appropriate focal length according to the astigmatic difference of the laser element 110 and providing it in the optical coupling device 100, the astigmatic difference can be easily corrected.
本実施形態に係る光結合装置１００による非点隔差の補正効果を以下に説明する。図５は、光結合装置１００の各部材の位置関係を示す模式図である。レーザ素子１１０の非点隔差をαとする。結像点１２１の水平面と垂直面との間の光軸Ｚ上の位置ずれの量をΔＺとする。すなわちΔＺは、水平面上の結像点１２１の位置から垂直面上の結像点１２１の位置を減算したものである。補正レンズ１４０の光軸Ｚ上の移動量をΔｄとする。コリメートレンズ１３０の焦点距離をｆ１、コリメートレンズ１３０と補正レンズ１４０との間の距離をｄ１＋Δｄ、補正レンズ１４０と集光レンズ１５０との間の距離をｄ２−Δｄ、集光レンズ１５０の焦点距離をｆ２、補正レンズ１４０の焦点距離をｆ３とする。 The effect of correcting the astigmatism difference by the optical coupling device 100 according to the present embodiment will be described below. FIG. 5 is a schematic diagram showing the positional relationship of each member of the optical coupling device 100. Let the astigmatic difference of the laser element 110 be α. Let ΔZ be the amount of positional deviation on the optical axis Z between the horizontal plane and the vertical plane of the imaging point 121. That is, ΔZ is obtained by subtracting the position of the imaging point 121 on the vertical plane from the position of the imaging point 121 on the horizontal plane. Let Δd be the amount of movement of the correction lens 140 on the optical axis Z. The focal distance of the collimating lens 130 is f1, the distance between the collimating lens 130 and the correction lens 140 is d1 + Δd, the distance between the correction lens 140 and the condenser lens 150 is d2-Δd, and the focal distance of the condenser lens 150 is Let f2 be the focal length of the correction lens 140.
以降のグラフは、例示的にｆ１＝５００μｍ、ｆ２＝１０００μｍ、ｄ１＝１０００μｍ、ｄ２＝３０００μｍに設定し、また補正レンズ１４０または後述の第１の補正レンズ１４０−１の場合は焦点距離ｆ３＝１２５０００μｍ、後述の第２の補正レンズ１４０−２の場合は焦点距離ｆ３＝４００００μｍとして計算を行った結果である。 In the following graph, f1 = 500 μm, f2 = 1000 μm, d1 = 1000 μm, d2 = 3000 μm are set as an example, and in the case of the correction lens 140 or the first correction lens 140-1 described later, the focal length f3 = 12,500 μm. In the case of the second correction lens 140-2, which will be described later, this is the result of calculation with the focal length f3 = 40000 μm.
図６は、補正レンズ１４０の有無における非点隔差αに対する結像点１２１の位置ずれ量ΔＺのグラフを示す図である。図６の横軸はレーザ素子１１０の非点隔差α（μｍ）を示し、縦軸は結像点１２１の水平面と垂直面との間の位置ずれ量ΔＺ（μｍ）を示す。図６は、光結合装置１００において例示的な補正レンズ１４０が有る場合のグラフと補正レンズ１４０が無い場合のグラフとを示す。 FIG. 6 is a graph showing a positional deviation amount ΔZ of the imaging point 121 with respect to the astigmatism difference α with and without the correction lens 140. The horizontal axis of FIG. 6 indicates the astigmatic difference α (μm) of the laser element 110, and the vertical axis indicates the positional deviation amount ΔZ (μm) between the horizontal plane and the vertical plane of the imaging point 121. FIG. 6 shows a graph when the exemplary correction lens 140 is provided in the optical coupling device 100 and a graph when the correction lens 140 is not provided.
製造誤差などによって、同じ設計のレーザ素子１１０であっても非点隔差αにはばらつきが生じる。図６において補正レンズ１４０が無い場合に、非点隔差αが０μｍのときには結像点１２１の位置ずれ量ΔＺは０μｍであるが、非点隔差αが大きくなるほど位置ずれ量ΔＺは０μｍから離れてしまう。それに対して、図６において補正レンズ１４０が有る場合に、所定の範囲の非点隔差αにおいて、結像点１２１の位置ずれ量ΔＺを０μｍ近傍に抑制することができる。例えば、図６で用いる補正レンズ１４０は、０μｍから４μｍの範囲の非点隔差αにおいて、位置ずれ量ΔＺを０μｍ近傍である−１０μｍから１０μｍの範囲に収めることができる。 Due to manufacturing errors, the astigmatic difference α varies even with the laser element 110 having the same design. In FIG. 6, when the astigmatic difference α is 0 μm without the correction lens 140, the positional deviation amount ΔZ of the imaging point 121 is 0 μm. However, as the astigmatic difference α increases, the positional deviation amount ΔZ increases from 0 μm. End up. On the other hand, when the correction lens 140 is provided in FIG. 6, the positional deviation amount ΔZ of the imaging point 121 can be suppressed in the vicinity of 0 μm in the astigmatic difference α within a predetermined range. For example, the correction lens 140 used in FIG. 6 can keep the positional deviation amount ΔZ in the range of −10 μm to 10 μm, which is in the vicinity of 0 μm, with the astigmatic difference α in the range of 0 μm to 4 μm.
補正レンズ１４０が有効な非点隔差αの範囲は、補正レンズ１４０の焦点距離を変化させることによって調節することができる。焦点距離が異なる複数の補正レンズ１４０を用意し、レーザ素子１１０の非点隔差αに応じていずれかの補正レンズ１４０を選択して設けることによって、広い範囲の非点隔差αに対して結像点１２１の位置ずれ量ΔＺを抑制することができる。 The range of the astigmatism α in which the correction lens 140 is effective can be adjusted by changing the focal length of the correction lens 140. A plurality of correction lenses 140 having different focal lengths are prepared, and any one of the correction lenses 140 is selected according to the astigmatism α of the laser element 110 to form an image with respect to a wide range of astigmatism α. The positional deviation amount ΔZ of the point 121 can be suppressed.
図７は、例示的な２つの補正レンズ１４０−１、１４０−２を用いる場合における非点隔差αに対する結像点１２１の位置ずれ量ΔＺのグラフを示す図である。図７の横軸はレーザ素子１１０の非点隔差α（μｍ）を示し、縦軸は結像点１２１の水平面と垂直面との間の位置ずれ量ΔＺ（μｍ）を示す。 FIG. 7 is a diagram illustrating a graph of the positional deviation amount ΔZ of the imaging point 121 with respect to the astigmatism difference α when two exemplary correction lenses 140-1 and 140-2 are used. The horizontal axis in FIG. 7 indicates the astigmatism difference α (μm) of the laser element 110, and the vertical axis indicates the positional deviation amount ΔZ (μm) between the horizontal plane and the vertical plane of the imaging point 121.
２つの補正レンズ１４０−１、１４０−２は、それぞれ図３、４（ａ）〜４（ｅ）のいずれかの補正レンズ１４０の構成を有する。第１の補正レンズ１４０−１の焦点距離は、第２の補正レンズ１４０−２の焦点距離とは異なる。そのため、図７に示すように、２つの補正レンズ１４０−１、１４０−２は、結像点１２１の位置ずれ量ΔＺを０μｍ近傍に抑制できる非点隔差αの範囲が異なる。 The two correction lenses 140-1 and 140-2 have the configuration of the correction lens 140 of any one of FIGS. 3, 4 (a) to 4 (e), respectively. The focal length of the first correction lens 140-1 is different from the focal length of the second correction lens 140-2. Therefore, as shown in FIG. 7, the two correction lenses 140-1 and 140-2 differ in the range of the astigmatism α in which the positional deviation amount ΔZ of the imaging point 121 can be suppressed in the vicinity of 0 μm.
具体的には、図７の場合には、非点隔差αが０μｍ以上４μｍ未満の場合に第１の補正レンズ１４０−１を用い、非点隔差αが４μｍ以上８μｍ未満の場合に第２の補正レンズ１４０−２を用いる。これにより、０μｍから８μｍの広い範囲において結像点１２１の位置ずれ量ΔＺを０μｍ近傍に抑制することができる。もちろん３つ以上の補正レンズ１４０を用いることによって、さらに有効な非点隔差αの範囲を広げることができる。 Specifically, in the case of FIG. 7, the first correction lens 140-1 is used when the astigmatism α is 0 μm or more and less than 4 μm, and the second correction when the astigmatism α is 4 μm or more and less than 8 μm. The correction lens 140-2 is used. As a result, the positional deviation amount ΔZ of the imaging point 121 can be suppressed in the vicinity of 0 μm in a wide range from 0 μm to 8 μm. Of course, by using three or more correction lenses 140, the range of the more effective astigmatism α can be expanded.
さらに、本実施形態に係る光結合装置１００は、レンズの位置に対する許容性（トレランス）が非常に大きい。図８は、補正レンズ１４０の移動量Δｄに対する結像点１２１の位置ずれ量ΔＺのグラフを示す図である。図８の横軸は補正レンズ１４０の光軸Ｚ上の移動量Δｄ（μｍ）を示し、縦軸は結像点１２１の水平面と垂直面との間の位置ずれ量ΔＺ（μｍ）を示す。図８は、非点隔差αが０μｍ、２μｍ、および４μｍの場合のグラフを示す。 Furthermore, the optical coupling device 100 according to the present embodiment has a very high tolerance (tolerance) with respect to the lens position. FIG. 8 is a graph showing a positional deviation amount ΔZ of the imaging point 121 with respect to the movement amount Δd of the correction lens 140. The horizontal axis of FIG. 8 represents the amount of movement Δd (μm) of the correction lens 140 on the optical axis Z, and the vertical axis represents the amount of positional deviation ΔZ (μm) between the horizontal plane and the vertical plane of the imaging point 121. FIG. 8 shows a graph when the astigmatic difference α is 0 μm, 2 μm, and 4 μm.
図８より、補正レンズ１４０を光軸Ｚ方向に１００μｍ移動させる場合（すなわちΔｄ＝１００μｍ）、結像点１２１の位置ずれ量ΔＺ（絶対値）は０．００６μｍから０．０１８μｍ程度である。換言すると、補正レンズ１４０の移動量Δｄに対する結像点１２１の位置ずれ量ΔＺの変化率は、わずか０．００６％から０．０１８％程度である。 8, when the correction lens 140 is moved 100 μm in the optical axis Z direction (that is, Δd = 100 μm), the positional deviation amount ΔZ (absolute value) of the imaging point 121 is about 0.006 μm to 0.018 μm. In other words, the change rate of the positional deviation amount ΔZ of the imaging point 121 with respect to the movement amount Δd of the correction lens 140 is only about 0.006% to 0.018%.
それに対して、特許文献３には、第３のレンズ６を光軸方向に１０〜２０μｍ移動させる場合に、１〜２μｍの精度が達成されることが記載されている。すなわち、第３のレンズ６の移動量に対する結像点の位置ずれ量の変化率は１０％程度であると考えられる。 On the other hand, Patent Document 3 describes that when the third lens 6 is moved 10 to 20 μm in the optical axis direction, an accuracy of 1 to 2 μm is achieved. That is, it can be considered that the rate of change of the positional deviation amount of the imaging point with respect to the movement amount of the third lens 6 is about 10%.
特許文献３に記載の光結合装置１は、図１０に示すように第２のレンズ５と第３のレンズ６との間に結像点７を形成する必要があるため、レンズの光軸方向の移動に対して敏感であると考えられる。それに対して、本実施形態に係る光結合装置１００は、図１に示すように補正レンズ１４０と集光レンズ１５０との間に結像点を形成しない。そのため、補正レンズ１４０を光軸方向に移動させても、結像点１２１の形成に大きな影響を与えない。 In the optical coupling device 1 described in Patent Document 3, it is necessary to form an image point 7 between the second lens 5 and the third lens 6 as shown in FIG. It is considered sensitive to movement of On the other hand, the optical coupling device 100 according to the present embodiment does not form an imaging point between the correction lens 140 and the condenser lens 150 as shown in FIG. Therefore, even if the correction lens 140 is moved in the optical axis direction, the formation of the image point 121 is not greatly affected.
したがって、本実施形態に係る光結合装置１００は、特許文献３に記載の技術よりもレンズの移動に対する許容性が大幅に改善されており、光結合装置１００の組み立てが容易である。特に本実施形態に係る光結合装置１００は補正レンズ１４０を取り替えることによって広い範囲の非点隔差αに有効となることから、このような高い許容性を利用して補正レンズ１４０の取り替えを容易に行えることにより、低コストで導入することができる。 Therefore, in the optical coupling device 100 according to the present embodiment, the tolerance for the movement of the lens is greatly improved as compared with the technique described in Patent Document 3, and the optical coupling device 100 is easily assembled. In particular, since the optical coupling device 100 according to the present embodiment is effective for a wide range of astigmatism α by replacing the correction lens 140, the correction lens 140 can be easily replaced using such high tolerance. By being able to do it, it can be introduced at low cost.
以上のように、本実施形態に係る光結合装置１００によれば、補正レンズ１４０によってレーザ光Ａの非点隔差を補正することができるとともに、補正レンズ１４０の位置への許容性を大幅に向上させることができる。 As described above, according to the optical coupling device 100 according to the present embodiment, the astigmatic difference of the laser light A can be corrected by the correction lens 140 and the tolerance to the position of the correction lens 140 is greatly improved. Can be made.
本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
１００ 光結合装置
１３０ コリメートレンズ
１４０ 補正レンズ
１５０ 集光レンズ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Optical coupling device 130 Collimating lens 140 Correction lens 150 Condensing lens
Claims (5)
前記コリメートレンズが前記レーザ光を出力する方向に設けられ、前記レーザ光の光軸に平行な異なる２つの面の間で異なる焦点距離を有する補正レンズと、
前記補正レンズが前記レーザ光を出力する方向に設けられ、前記レーザ光を集光する集光レンズと、
を備え、
前記焦点距離は、前記２つの面において、前記補正レンズと前記集光レンズとの間の距離よりも大きいことを特徴とする光結合装置。 A collimating lens that converts input laser light into parallel light;
A correction lens provided in a direction in which the collimating lens outputs the laser light and having different focal lengths between two different surfaces parallel to the optical axis of the laser light;
A condenser lens provided in a direction in which the correction lens outputs the laser light, and condenses the laser light;
With
The optical coupling device, wherein the focal length is larger than a distance between the correction lens and the condenser lens in the two surfaces.
前記集光レンズが前記レーザ光を出力する方向に設けられ、前記レーザ光が光結合する光学素子と、をさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の光結合装置。 A semiconductor laser that generates the laser light and inputs the laser light to the collimating lens;
The optical coupling device according to claim 1, further comprising: an optical element that is provided in a direction in which the condensing lens outputs the laser light and optically couples the laser light.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US11506850B2 (en) * | 2018-12-13 | 2022-11-22 | Sony Group Corporation | Optical connector, optical cable, and electronic device |
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2016
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