JP2022065227A - 集光レンズ、及び光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で集光機能と光路変換機能を実現する集光レンズとこれを用いた光モジュールを提供する。【解決手段】集光レンズ１０は、底面１１と、底面１１に対して鈍角で斜めに延びる傾斜面と、傾斜面に形成された湾曲面１３と、湾曲面１３に形成された反射膜１５と、を有し、湾曲面１３は入射光の進行方向を変更するとともに、入射光を底面１１と平行な面内の所定の位置に集光する。【選択図】図３

Description

本発明は、集光レンズ、及び光モジュールに関する。

スマートフォン等のモバイル機器の普及と、ＩｏＴ（Internet of Things）の導入により、光ネットワークでのデータ通信量は年々増加し、通信速度と品質のさらなる向上が求められている。その一方で、光通信機器に搭載される個々の光電子部品には、小型化と高密度化が求められている。

光通信用の光モジュールでは、フォトダイオード（ＰＤ）等の受光素子の受光面は、基板と平行な面内に位置する。光信号を伝送する光ファイバも、一般的に光モジュールの基板面と平行な方向で接続されるため、光ファイバの伝搬軸と受光面の位置関係は平行になる。入力された光信号を受光面に集光するために、図１のように、集光レンズとミラーが用いられる。ミラーは、集光レンズで集光された光の進行方向を約９０度曲げて、受光面に入射させる。

図１の構成では、集光と光路変換のために別々の光学部品を用いるので、光モジュールの小型化が妨げられる。また、集光レンズとミラーの精密な位置合わせと組み立ての工程が必要である。光モジュールの小型化の観点からは、集光機能と光路変換機能が一体化された光学部品を用いることが望ましい。

半導体基板を加工してベース基板に湾曲したミラー面を作り込み、発光素子からの出力光の方向を変換するとともに平行光にコリメートする構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

また、底面と鋭角を成す傾斜面に凹面を設けて、マウントの上に支持された点光源から出射される光線の広がり角と伝搬方向を偏向する光学素子が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００８－８３２５５号公報 特開２００６－１４５７８１号公報

図１の集光レンズとミラーをそのまま一体化する場合、複数の面の精密な加工と複数の面への成膜が必要になる。具体的には、光が入射する集光面へ反射防止膜を形成し、光路を変換するミラー面に反射膜を形成し、光の出射面に反射防止膜を形成の形成する必要がある。加工の複雑さと複数の成膜工程により、コストダウンが難しい。

本発明は、簡素化された構成で集光機能と光路変換機能を有する集光レンズを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様では、集光レンズは、
底面と、
前記底面に対して鈍角で斜めに延びる傾斜面と、
前記傾斜面に形成された湾曲面と、
前記湾曲面に形成された反射膜と、
を有し、
前記湾曲面は入射光の進行方向を変更するとともに、前記入射光を前記底面と平行な面内の所定の位置に集光する。

本発明の第２の態様では、光モジュールは、
受光素子と、
入射光を前記受光素子に入射させる集光レンズと、
を有し、前記集光レンズは、
前記受光素子の実装面に置かれる底面と、
前記底面に対して鈍角で斜めに延びる傾斜面と、
前記傾斜面に形成される湾曲面と、
前記湾曲面に形成された反射膜と、
を有し、
前記湾曲面は、前記入射光の進行方向を変更して前記入射光を前記受光素子の受光面に集光する。

上記の構成により、簡素化された構成で集光機能と光路変換機能が実現される。集光レンズの構成が簡素化されているので、この集光レンズを用いた光モジュールの組み立てコストを低減することができる。

受光素子へ光信号を入射する従来の光学系の模式図である。 集光レンズとミラーのそのまま一体化したときに生じる問題点を説明する図である。 実施形態の集光レンズの模式図である。 集光レンズの湾曲面の集光特性を説明する図である。 集光レンズの斜視図である。 集光レンズの正面図と側面図である。 集光レンズの湾曲面の特性を示す図である。 レンズの偏心を説明する図である。 受光素子の位置ずれとスポットサイズの関係を示す図である。 多チャネルへの集光レンズの適用例を示す図である。 図９の集光レンズの正面図と側面図である。 実施形態の集光レンズを用いた光トランシーバの模式図である。

実施形態の構成を詳細に説明する前に、図１の集光レンズとミラーを単純に一体化した構成に生じる課題を、もう少し詳しく説明する。

図２は、図１の集光レンズとミラーをそのまま一体化した構成を示す。この光学部品は光の入射側に設けられる凸面と、光の伝搬方向をほぼ９０度曲げる傾斜面と、受光素子（ＰＤ）に対向する出射面を有する。凸面は集光機能を有し、傾斜面は反射機能を有する。

傾斜面には反射膜が形成されて、入射光を受光素子（ＰＤ）の方向へ反射する。一方、入射側の凸面と出射面には反射防止膜が形成され、光損失を抑制して、受光効率を高く維持する。

この構成では、少なくとも入射側の凸面と、反射用の傾斜面で成形の精度を確保しなければならない。また、２つの面への反射防止膜の成膜と、一つの面への反射膜の成膜の、トータルで３面の成膜工程が必要である。さらに、一体化された光学部品を受光素子の上方に支持するための支持部材が、別途必要になる。成形精度を要する面の数と成膜を要する面の数は少ない方が望ましい。

以下で述べる実施形態では、精密な加工面と成膜工程の数が低減され、簡素化された構成で基板への実装が容易な集光レンズと、これを用いた光モジュールを実現する。

図３は、実施形態の集光レンズ１０の模式図である。集光レンズ１０は、たとえば受光素子４０とともに用いられて、光受信サブアセンブリ（ＲＯＳＡ：Receiver Optical Sub-Assembly）３０を構成する。ＲＯＳＡ３０は、集光レンズ１０が適用される光モジュールの一例である。

集光レンズ１０は、受光素子４０が配置される基板５０の表面５０Ｓに置かれる底面１１と、受光素子４０の受光面４１に覆いかぶさる湾曲面１３を有する。受光面４１は、集光レンズ１０が配置される基板５０の表面５０Ｓと同じ高さ位置にあってもよいし、表面５０Ｓに対して垂直な方向（Ｚ方向）に、ある程度オフセットしていてもよい。

湾曲面１３は、後述するように、底面１１に対して鈍角で傾斜する斜面に形成された凹面である。凹面を覆って、反射膜１５が形成されている。湾曲面１３と反射膜１５で、ミラーを形成する。反射膜１５が形成された湾曲面１３は、入射光Ｌinの伝搬方向を変換する方向変換機能と、入射光Ｌinを受光素子４０に集光する集光機能の双方を有する。入射光Ｌinは、湾曲面１３に形成された反射膜１５で反射される。反射光は、湾曲面１３のレンズ機能によって直接、受光面４１に入射する。

この構成では、成形の精度を有する面は、湾曲面１３だけである。反射膜１５は湾曲面１３に形成され、それ以外の面に膜を形成する必要はない。また、集光レンズ１０は直接基板５０上に置かれて、湾曲面１３が受光面４１に対して覆いかぶさるように張り出しているので、集光レンズ１０を支持するための支持部材が不要である。

集光レンズ１０は、光学接着剤等によって基板５０の表面５０Ｓに固定されてもよい。集光レンズ１０の固定位置は、たとえば、アクティブアライメント法により受光素子４０での受光量が最大となる位置に設定される。

受光素子４０の受光面４１に対し覆いかぶせるようにするミラー（または湾曲面１３）の配置により、ミラーの上面を平坦面にすることができる。上面を平坦面とすることで、光学部品である集光レンズ１０を吸着等により容易に掴むことができる。

集光レンズ１０は、たとえば、光学ガラス、石英ガラス、合成石英ガラス等で形成されるが、高分子またはプラスチック素材のレンズであってもよい。石英系の材料を用いる場合でも、集光レンズ１０の成形で精度を要するのは湾曲面１３の一面だけであり、図２の構成と比較して成形が容易である。

反射膜１５は、使用波長での光の吸収がきわめて少ない材料で形成されている。集光レンズ１０をＲＯＳＡ３０に適用する場合は、１．３μｍ帯または１．５μｍ帯で光吸収が起きない材料を用いるのが望ましい。一例として、金属コーティングの場合は、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ、これらの２種以上の組み合わせが用いられる。金属に替えて、屈折率が異なる誘電体膜を積層にした多層反射膜を用いてもよい。

図４は、湾曲面１３の集光特性を説明する図である。湾曲面１３で反射された光は、受光面４１の法線ｎに対して、１度～数度、斜めに傾いて受光素子４０に入射する。集光軸Ｏｘを受光面４１の法線ｎからオフセットさせることで、受光面４１で反射された光が元の光路に戻ることを防止する。光通信の場合、戻り光は信号ノイズとなるため、集光軸Ｏｘを受光面４１の法線ｎからわずかに傾けることで、ノイズを低減することができる。

図５は、集光レンズ１０の斜視図である。集光レンズ１０は、基板５０への実装面となる底面１１と、底面１１に対して鈍角で傾斜する傾斜面１４と、傾斜面１４に形成された凹形状の湾曲面１３を有する。湾曲面１３には、上述したように、反射膜１５が形成されている（図３及び図４参照）。

図５の例では、傾斜面１４は、底面１１から立ち上がる面１７で底面１１と接続されている。面１７を設けることで、集光レンズ１０の全体を安定保持するベース部分が形成されるが、この形状に限定されない。傾斜面１４は、底面１１のエッジから鈍角で斜めに延びていてもよい。底面１１と対向する上面１２と傾斜面１４も、面１８で接続されているが、この形状に限定されず、上面１２のエッジから傾斜していてもよい。

傾斜面１４を、底面１１に対して鈍角で斜め上方に張り出すことで、湾曲面１３で反射された光を、他の光学面を通さずに直接、集光点すなわち受光面へと導くことができる。

湾曲面１３は、楕円形の凹面または放物面となっている。これは、後述するように光が入する凹レンズの放物面が傾斜面１４によって切り取られているからである。湾曲面１３の曲率半径、偏心量、コーニック定数等は、光ファイバの出射端の位置、受光素子４０の受光面４１の位置等に応じて適宜、設計される。好ましい例では、入射光の方向がほぼ９０度変換されて、受光面４１で集光されるように湾曲面１３は設計される。この場合、湾曲面１３で反射された光は、最小かつ真円に近いスポットで受光面４１に入射する。一例として、湾曲面１３の曲率半径Ｒは０．７５ｍｍ、コーニック定数Ｋは－１である。

図６は、集光レンズ１０の正面図と側面図である。図６（ａ）に示す正面図は、集光レンズ１０を入射方向（Ｙ方向）からみたときの図である。図６（ｂ）に示す側面図は、入射光の光軸を含むＹＺ面内での図である。

傾斜面１４に形成されている湾曲面１３の輪郭は、図５に示したように楕円形状であるが、集光レンズ１０への入射光の方向（Ｙ方向）から見ると、図６（ａ）のように、ほぼ円形に見える。

図６（ｂ）で、集光レンズ１０は底面１１、上面１２、背面１６、及び光入射側の前面１７及び１８を有する。これらの面の成形には、それほど高い精度は必要ない。傾斜面１４は、底面１１に対して１３５度前後の角度で傾いている。実際の光路の変換と集光は湾曲面１３でなされるので、傾斜面１４自体の成形にも高度の精度は不要である。一方、湾曲面１３は、受光面４１への集光効率が最大となり、かつ受光面４１での光スポットが真円となるように精密に成形される。

図７は、集光レンズ１０の湾曲面１３の特性を示す図、図８はレンズの偏心を説明する図である。図７（ａ）は、湾曲面１３で形成される凹レンズによる反射と集光を示す模式図、図７（ｂ）は凹レンズの偏心量（ｍｍ）と反射角度（degree）の関係を示す。図７（ａ）と図７（ｂ）では、湾曲面１３で形成される凹レンズの曲率半径Ｒを０．７５ｍｍ、コーニック定数Ｋを－１（放物面）としている。

レンズの偏心量が０ｍｍのときは、図８（ａ）に示すように、反射ミラーの中心にビームが法線方向から入射し、入射した方向に光が反射される。このときの反射角は０度である。偏心量ゼロの位置は、入射光束が放物線の回転対称軸と一致する場合と言い換えてもよい。

入射光束が放物線の回転対称軸から径方向に離れるにつれて、反射角が大きくなる。ここでは、入射ビームの中心軸に対する反射ビームの中心軸の角度を「反射角」と呼ぶ。また、放物線の回転対称軸から受光面へ近づく方向の偏心量をプラス、受光面から離れる方向の偏心量をマイナスとする。

集光レンズ１０に入射する光を、湾曲面１３でほぼ９０度曲げて受光面に集光するためには、図８（ｂ）に示すように、放物面で形成される凹面ミラーの中心（すなわち放物線の回転対称軸）から、－０．７５ｍｍ偏心した位置に光が入射する設計にすればよい。

図９は、受光素子の位置ずれとスポットサイズの関係を示す図である。図７と同様に、湾曲面１３で形成される凹レンズの曲率半径Ｒは０．７５ｍｍ、コーニック定数Ｋは－１である。

図９（ａ）に示すように、湾曲面１３で反射された光は受光面に向かって集光される。図９（ｂ）は、受光素子（ＰＤ）４０のＺ方向の位置ずれ量（ｍｍ）と、受光素子４０上のスポットサイズ（μｍ）の関係を示す図である。上述のように、湾曲面１３は、受光素子４０の受光面でのスポットが真円かつ最小となるように設計されている。受光素子４０の高さ方向のずれは、相対的には湾曲面の高さ方向の位置ずれである。

集光レンズ１０の湾曲面１３の位置は、受光面でのスポットサイズが最小となる位置に設定される。

図１０は、多チャネルへの集光レンズの適用例を示す図である。集光レンズ２０は、底面２１から鈍角で張り出す傾斜面２４に、複数の湾曲面２３－１～２３－４（以下、適宜「湾曲面２３」と総称する）が形成されている。この集光レンズ２０は、４チャネルの光受信器に適用することができる。この場合、基板側には４つの受光素子４０のアイレが用いられる。

湾曲面２３－１～２３－４は、図７～図９を参照して説明したように、入射光の方向がほぼ９０度曲げられて受光面に集光するように、偏心量と高さ位置が設計されている。各湾曲面２３で反射された光は、他の光学面を通過せずに、直接対応する受光素子４０に最小のスポットサイズで集光される。これにより、受光効率を高く維持することができる。

図１１は、集光レンズ２０の正面図と側面図である。図１１（ａ）に示す正面図は、集光レンズ２０を入射方向（Ｙ方向）からみたときの図である。図１１（ｂ）に示す側面図は、入射光の光軸を含むＹＺ面内での図である。

傾斜面２４での湾曲面２３－１～２３－４の底面の輪郭は楕円形状であるが、集光レンズ２０への入射光（Ｙ方向に伝搬するビーム）に対しては、図１１（ａ）に示すようにほぼ円形である。

図１１（ｂ）の側面図で、集光レンズ２０の底面２１、上面２２、背面２６、光入射側の面２７、及び面２８の成形には、それほど高い精度は必要ない。傾斜面２４は、底面２１に対して１３５度前後の角度で傾いている。実際の光路の変換と集光は湾曲面２３－１～２３－４のそれぞれで行われるので、傾斜面２４自体の成形に高度の精度は不要である。

一方、湾曲面２３－１～２３－４は、それぞれ入射光の方向がほぼ９０度変換されて、対応する受光素子４０の受光面４１への集光効率が最大となるように、精密に加工されている。湾曲面２３－１～２３－４には、反射膜２５が形成されている。湾曲面２３－１～２３－４は同じ傾斜面２４に形成されているので、一度の成膜で複数の湾曲面２３に反射膜２５を形成することができる。これにより、小型で集光性能の高い多チャネルの集光レンズ２０が実現される。

図１２は、実施形態の集光レンズ１０または２０を用いた光トランシーバ１００の模式図である。光トランシーバ１００は、実施形態の集光レンズが適用される光モジュールの一例である。

光トランシーバ１００は、ＲＯＳＡ３０と、光送信サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitter Optical Sub-Assembly）６０と、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）７０を有する。集光レンズ１０または２０（以下、単に「集光レンズ１０」とする）は、受信側のＲＯＳＡ３０に用いられる。

光トランシーバ１００は、光コネクタ８０を介して、光ファイバ８１、及び８２に接続されている。この例では、ＲＯＳＡ３０とＴＯＳＡ６０に、１本ずつの光ファイバが接続されているが、図９のような４チャネルの集光レンズ２０を用いる場合は、受信側と送信側でそれぞれ４芯の光ファイバケーブルを用いてもよい。

ＲＯＳＡ３０は、受光素子４０と、受信光を受光素子４０に導く集光レンズ１０と、受光素子４０で検出された光電流を増幅して電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）を有する。光ファイバ８１の端面から出射される光信号は、集光レンズ１０で伝搬方向がほぼ９０度変換され、かつ受光素子４０の受光面に集光される。集光レンズ１０は簡単な構成でＲＯＳＡ３０のパッケージ基板等に配置されており、ＲＯＳＡ３０を小型化することができる。また、湾曲面１３にだけ反射膜１５を有するので、製造コストが低減される。湾曲面１３は、受光面での光スポットが最小かつ円形になるようにパラメータが設計されており、受光効率を高く維持することができる。

ＲＯＳＡ３０から出力されるアナログ電気信号は、デジタルサンプリングされて、ＤＳＰ７０で処理される。

送信側の構成は本発明と直接は関係しないので説明を省略するが、ＤＳＰ７０からＴＯＳＡ６０に、入力データに相当する論理値を表わす電気信号が入力される。ＴＯＳＡ６０では、レーザ等の光源から出射される光が、入力データを表わすアナログ駆動信号で高速に変調され、光信号が光ファイバ８２に出力される。

実施形態の光モジュールは、光通信で有用に用いられる。

上述した実施形態及び特許請求の範囲で、入射光の方向を「９０度変換する」というときは、厳密に入射光の中心軸が９０度曲がるわけではなく、９０度またはその前後の角度で反射されることを意味する。また、受光面での光スポットが「真円」というときは、完全な真円のスポットが形成されるわけではなく、真円に近い形状に集光されることを意味し、許容範囲内での歪みを含むものとする。

本発明は上述した実施形態に限定されず、多様な変形例を含む。集光レンズ１０の背面１６は、必ずしも底面１１から垂直に立ち上がっている必要はなく、底面１１に対して鋭角または鈍角で立ち上がっていてもよい。同様に、集光レンズ２０の背面２６は、必ずしも底面２１から垂直に立ち上がっている必要はなく、底面２１に対して鋭角または鈍角で立ち上がっていてもよい。多チャネルの集光レンズ２０で実現されるチャネル数は４つに限定されず、光ファイバアレイの芯数と配列に応じて、８チャネル、１６チャネル等にすることができる。傾斜面２４での湾曲面２３の配列は一列に限定されず、たとえば４チャネル×２列、８チャネル×２列に構成することもできる。

複数の湾曲面２３は、一度の成膜工程で反射膜２５によって覆われるので、製造工程が簡素化される。多チャネル用の集光レンズ２０を実装基板に置くことで、底面２１から鈍角で張り出した傾斜面２４に形成された湾曲面２３が受光素子のアレイと対向し、入射光の光路を変換して受光面に集光することができる。これにより、光モジュールが小型化され、かつ受光効率を高く維持することができる。

１０、２０ 集光レンズ
１１，２１ 底面
１３、２３－１～２３－４ 湾曲面
１４、２４ 傾斜面
１５、２５ 反射膜
３０ ＲＯＳＡ（光モジュール）
４０ 受光素子
４１ 受光面
５０ 基板
５０Ｓ の表面
８０ 光コネクタ
１００ 光トランシーバ（光モジュール）

Claims (11)

1. 底面と、
   前記底面に対して鈍角で斜めに延びる傾斜面と、
   前記傾斜面に形成された湾曲面と、
   前記湾曲面に形成された反射膜と、
   を有し、
   前記湾曲面は入射光の進行方向を変更するとともに、前記入射光を前記底面と平行な面内の所定の位置に集光する、
   集光レンズ。
2. 前記湾曲面は、放物線の回転対称軸から所定量偏心した凹面である、請求項１に記載の集光レンズ。
3. 前記湾曲面は、前記所定の位置での光スポットのサイズが最小となるように設計されている、請求項１または２に記載の集光レンズ。
4. 前記湾曲面は前記入射光の進行方向を９０度曲げる、請求項１～３のいずれか１項に記載の集光レンズ。
5. 前記傾斜面に、複数の前記湾曲面が形成されている、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の集光レンズ。
6. 受光素子と、
   入射光を前記受光素子に入射させる集光レンズと、
   を有し、前記集光レンズは、
   前記受光素子の実装面に置かれる底面と、
   前記底面に対して鈍角で斜めに延びる傾斜面と、
   前記傾斜面に形成される湾曲面と、
   前記湾曲面に形成された反射膜と、
   を有し、
   前記湾曲面は、前記入射光の進行方向を変更して前記入射光を前記受光素子の受光面に集光する、
   光モジュール。
7. 前記集光レンズの前記傾斜面は、前記底面から前記受光素子の斜め上方に張り出していることを特徴とする請求項６に記載の光モジュール。
8. 前記湾曲面は、放物線の回転対称軸から所定量偏心した凹面である、請求項６または７に記載の光モジュール。
9. 前記湾曲面は前記受光面での光スポットのサイズが最小となるように設計されている、請求項６～８のいずれか１項に記載の光モジュール。
10. 前記光モジュールに接続される光ファイバ、
    をさらに有し、
    前記光ファイバは前記実装面と平行な方向で接続され、
    前記湾曲面は、前記光ファイバの端面からの前記入射光の方向を９０度変換して、前記入射光を前記受光面に集光する、請求項６～９のいずれか１項に記載の光モジュール。
11. 前記光モジュールに接続される多芯の光ファイバ、
    をさらに有し、
    前記傾斜面は、複数の前記湾曲面を有する、
    請求項６～９のいずれか１項に記載の光モジュール。

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