JP2023161570A - 光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の結合効率を高めることができる光装置を提供する。【解決手段】一実施形態に係る光装置は、光源と、第１軸、及び第１軸に交差する第２軸の双方に延在する入射面と、第１軸及び第２軸の双方に延在する出射面と、を有する光学レンズと、を備える。光学レンズは、光源から出射して入射面に入射する入射光を平行光に変換し、平行光を出射面から出射し、入射面は、第１軸が延在する第１方向から見たときに形成される凸部、及び第２軸が延在する第２方向から見たときに形成される凹部、を有する。【選択図】図４

Description

本開示は、光装置に関する。

特許文献１には、楕円形断面を有する光束を円形断面を有する平行光束に変換するビーム整形光学系が記載されている。ビーム整形光学系は、コリメータレンズと、整形レンズとを備える。整形レンズは、凹状の入射面と、凸状の出射面とを有する。入射面及び出射面の少なくともいずれかのＸＺ平面における横断形状が実質的に非円形状に形成されている。

特許文献２には、光ピックアップ装置が記載されている。光ピックアップ装置は、光源と、カップリングレンズと、偏光ビームスプリッタと、位相子と、偏向プリズムと、対物レンズと、低容量光ディスクと、大容量光ディスクとを有する。光源から放射される光の光束は発散性である。光源からは楕円形状に光が放射される。すなわち、当該光の光束の発散角はｙ方向で最大、ｘ方向で最小となる。カップリングレンズは、当該ｘ、ｙの２方向に関して光学作用が異なるアナモフィックなレンズである。カップリングレンズは、ｙ方向に関しては入射する発散光束をコリメートし光束径Ｄｙの平行光束とする。また、カップリングレンズは、ｘ方向に関しては入射する発散光束を拡大させてコリメートし光束径Ｄｘの平行光束とする。カップリングレンズは、光束径Ｄｘを光束径Ｄｙと略同一にすることにより、光源からの発散光束をビーム整形する。

特許文献３には、半導体レーザの光ビーム整形方法が記載されている。半導体レーザから出射した出射光ビームは、コリメーターレンズ、及び位置調整自在とされた２個のプリズムを透過する。光ビーム整形方法では、半導体レーザからの出射光ビームがコリメートされた後の楕円光ビームを、２個のプリズムの配置位置を調整することによって真円形に整形する。

特開平８－２９７２６号公報 特開平１１－３９７０５号公報 特開昭６１－２４０２２０号公報

前述した光学レンズは、楕円ビームを円形のコリメート光に整形する光学系として用いられる。ところで、高ＮＡの半導体レーザの導波路においてコリメートビームを用いて高効率な結合の実現が求められうる。しかしながら、高ＮＡの場合、収差によるロスが大きくなる場合がある。よって、光の結合効率が低下する場合があるので、光の結合効率を高めることが求められうる。

本開示は、光の結合効率を高めることができる光装置を提供することを目的とする。

本開示に係る光装置は、光源と、第１軸、及び第１軸に交差する第２軸の双方に延在する入射面と、第１軸及び第２軸の双方に延在する出射面と、を有する光学レンズと、を備える。光学レンズは、光源から出射して入射面に入射する入射光を平行光に変換し、平行光を出射面から出射し、入射面は、第１軸が延在する第１方向から見たときに形成される凸部、及び第２軸が延在する第２方向から見たときに形成される凹部、を有する。

本開示によれば、光の結合効率を高めることができる。

図１は、実施形態におけるＸＺ断面における光学レンズの設計を説明するための図である。 図２は、実施形態におけるＹＺ断面における光学レンズの設計を説明するための図である。 図３は、実施形態に係る光学レンズを備えた光学系を示す斜視図である。 図４は、図３の光学レンズを示す斜視図である。 図５は、実施形態に係る光学レンズのＹＺ断面における設計を説明するための図である。 図６は、図５の光源付近を拡大した図である。 図７は、実施形態に係る光学レンズのＸＺ断面における設計を説明するための図である。 図８は、図７の光源付近を拡大した図である。 図９は、フィッティング時の誤差と光学ロスとの関係の例を示すグラフである。 図１０は、第１変形例に係る光学レンズのＹＺ断面における設計を説明するための図である。 図１１は、第１変形例に係る光学レンズのＸＺ断面における設計を説明するための図である。 図１２は、第２変形例に係る光学レンズを備えたＸＺ断面における光学系を示す図である。 図１３は、第２変形例に係る光学レンズを備えたＹＺ断面における光学系を示す図である。 図１４は、第２変形例に係る光学系の非球面レンズの周辺を拡大した図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に、本開示の実施形態の内容を列記して説明する。一実施形態に係る光装置は、（１）光源と、第１軸、及び第１軸に交差する第２軸の双方に延在する入射面と、第１軸及び第２軸の双方に延在する出射面と、を有する光学レンズと、を備える。光学レンズは、光源から出射して入射面に入射する入射光を平行光に変換し、平行光を出射面から出射し、入射面は、第１軸が延在する第１方向から見たときに形成される凸部、及び第２軸が延在する第２方向から見たときに形成される凹部、を有する。

この光装置において、光学レンズでは、入射面及び出射面のそれぞれが第１軸及び第２軸の双方に沿って延在する。この光学レンズは、光源から出射して入射面に入射する入射光を平行光に変換し、変換した平行光を出射面から出射する。入射面は凸部及び凹部を有する。凸部は第１軸が延在する第１方向から見たときに形成され、凹部は第２軸が延在する第２方向から見たときに形成される。このように凸部及び凹部を入射面が備えることにより、光の結合効率を高めることができる。

（２）上記（１）において、入射光のファーフィールドパターンは楕円形状であってもよい。

（３）上記（１）又は（２）において、光学レンズの出射面から出射する平行光が円形ビームであってもよい。

（４）上記（１）から（３）のいずれかにおいて、光学レンズの出射面は、第１方向から見たときに形成される第１凸部、及び第２方向から見たときに形成される第２凸部、を有し、第１凸部の曲率、及び第２凸部の曲率が互いに異なってもよい。この場合、光の結合効率の更なる向上に寄与する。

（５）上記（１）から（４）のいずれかにおいて、光学レンズは、ガラス、シリコン又は樹脂によって構成されていてもよい。

（６）上記（１）から（５）のいずれかにおいて、光源は、光素子の導波路を含む端面を有してもよい。光装置は、光源の端面と接合する平面を有する非球面レンズをさらに備え、光学レンズは、光源から出射された出射光が入射面に入射してもよい。この場合、非球面レンズでＮＡを縮小しケラレによる光学ロスを抑制できるので、光の結合効率を高めることができる。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る光学レンズの具体例を、以下で図面を参照しながら説明する。図面の説明において同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、図面は、理解の容易化のため、一部を簡略化又は誇張して描いている場合があり、寸法比率等は図面に記載のものに限定されない。

図１は、一例としての光学レンズ１のＸＺ断面を示している。図２は、光学レンズ１のＹＺ断面を示している。ＸＺ断面は、Ｘ軸（第１軸）及びＺ軸（第３軸）の双方に延びる断面である。ＹＺ断面は、Ｙ軸（第２軸）及びＺ軸の双方に延びる断面である。図１及び図２に示されるように、光学レンズ１は、光源Ｏからの入射光Ｌ１が入射する入射面２と、入射面２からの入射光Ｌ１を集束光Ｌ２に変換し、集束光Ｌ２を出射する出射面３とを有する。

入射面２は非球面である。光源Ｏからの入射光Ｌ１は入射面２で屈折する。ＸＺ断面で虚像Ｐ、ＹＺ断面で虚像Ｑに集光する入射面２の非球面式は、以下のように表される。下記の式において、ＯＳは光源ＯからＸＺ断面における入射面２の任意の点Ｓまでの距離、ｎは光学レンズ１の屈折率、ＳＰは点Ｓから虚像Ｐまでの距離、ＯＳ'は光源ＯからＹＺ断面における入射面２の任意の点Ｓ'までの距離、Ｓ'Ｑは点Ｓ'から虚像Ｑまでの距離、をそれぞれ示している。
（入射面２のＸＺ断面非球面）
ＯＳ－ｎ×ＳＰ＝ｃｏｎｓｔ
（入射面２のＹＺ断面非球面）
ＯＳ'－ｎ×Ｓ'Ｑ＝ｃｏｎｓｔ
上記の各式は、ＸＺ断面及びＹＺ断面のそれぞれにおいて、光源Ｏから点Ｓ（Ｓ'）を通り虚像Ｐ（虚像Ｑ）までの光路長が一定となることから得られている。虚像Ｐと虚像Ｑとを互いに異なる位置にすることによってＸＺ断面及びＹＺ断面のそれぞれにおける焦点距離及び倍率を変化させることが可能である。

図３は、実施形態に係る光学レンズ１１を備えた光装置である光学系１０を示す斜視図である。図３に示されるように、例えば、光学系１０は、光学レンズ１１と、集光レンズ１８とを有する。光学レンズ１１には、例えば、半導体光導波路からの光が入射する。半導体光導波路からの光は楕円ビームである。一例として、この半導体光導波路からの光の波長は１．５５μｍであり、当該光のＭＦＤ（Mode Field Diameter）は２．５×１．０μｍである。

光学レンズ１１に入射した光は、光学レンズ１１によって平行光Ｌ１２に変換される。光学レンズ１１は平行光Ｌ１２を集光レンズ１８に出射する。平行光Ｌ１２は円形ビームである。集光レンズ１８は光学レンズ１１からの平行光Ｌ１２を集光して光ファイバ１９に入射する。一例として、光ファイバ１９はシングルモードファイバであり、光ファイバ１９のＭＦＤは９．２μｍである。また、集光レンズ１８からの集束光の焦点距離は２ｍｍである。

図４は、光学レンズ１１を拡大した斜視図である。図４に示されるように、光学レンズ１１は、Ｘ軸及びＹ軸の双方に延在する入射面１２と、Ｘ軸及びＹ軸の双方に延在する出射面１３とを有する。光学レンズ１１は、光源である半導体光導波路から出射して入射面１２に入射する入射光Ｌ１１を平行光Ｌ１２に変換し、平行光Ｌ１２を出射面１３から出射する。

光学レンズ１１は、例えば、ガラス製である。光学レンズ１１は異方レンズである。入射面１２は非球面である。入射面１２は、Ｘ軸が延在する方向である第１方向Ｄ１から見たときに形成される凸部１４、及びＹ軸が延在する方向である第２方向Ｄ２から見たときに形成される凹部１５を有する。例えば、凸部１４は光学レンズ１１における第２方向Ｄ２の中央部分に設けられ、凹部１５は光学レンズ１１における第１方向Ｄ１の中央部分に設けられる。一例として、凸部１４は第１方向Ｄ１に沿って延在している。凹部１５は、第２方向Ｄ２に沿って延在している。

図５は、光学レンズ１１のＹＺ断面の設計例を示す図である。図６は、図５の光学レンズ１１の凸部１４付近を拡大した図である。図５及び図６に示されるように、光学レンズ１１では、光源Ｏからの入射光Ｌ１が入射面１２において屈折する。ＹＺ断面で虚像Ｑに集光する入射面１２の非球面式は、光源Ｏから点Ｓ'を通り虚像Ｑまでの光路長が一定となることから、
ＯＳ'－ｎ×Ｓ'Ｑ＝ｃｏｎｓｔ
と表される。一例として、光学レンズ１１の屈折率ｎの値は１．７８であり、開口数ＮＡは０．８である。また、ＹＺ断面において、光学レンズ１１ではＭＦＤが１．０μｍの入射光Ｌ１をＭＦＤが４３０μｍの平行光Ｌ３に変換する。一例として、ＹＺ断面における光学レンズ１１の焦点距離ｆは２２０μｍである。

図７は、光学レンズ１１のＸＺ断面の設計例を示す図である。図８は、図７の光学レンズ１１の凹部１５付近を拡大した図である。図７及び図８に示されるように、ＸＺ断面で虚像Ｐに集光する入射面１２の非球面式は、光源Ｏから点Ｓを通り虚像Ｐまでの光路長が一定となることから、
ＯＳ－ｎ×ＳＰ＝ｃｏｎｓｔ
と表される。ＸＺ断面において、光学レンズ１１ではＭＦＤが２．５μｍの入射光Ｌ１をＭＦＤが４３０μｍの平行光Ｌ３に変換する。このように、光学レンズ１１は楕円ビームである入射光Ｌ１を円形ビームである平行光Ｌ３に変換する。一例として、ＸＺ断面における光学レンズ１１の焦点距離ｆは５５０μｍである。

例えば、出射面１３は、第１方向Ｄ１から見たときに形成される第１凸部１６、及び第２方向Ｄ２から見たときに形成される第２凸部１７を有する。第１凸部１６の曲率、及び第２凸部１７の曲率は互いに異なっている。例えば、第１凸部１６の曲率は第２凸部１７の曲率よりも小さい。

以上、光学レンズ１１の設計例について説明した。なお、光学レンズ１１は、以下の式（１）の拡張多項式によってフィッティングされてもよい。

上記の式（１）において、ｃは曲率、ｘはＸ軸方向の座標、ｙはＹ軸方向の座標、ｚはＺ軸方向の座標、ｒは半径方向の座標、ｋはコーニック係数、ａは多項式の係数、をそれぞれ示している。

図９は、フィッティング時の誤差と光学レンズ１１の光学ロスとの関係の例を示すグラフである。図９に示されるように、フィッティング時の誤差が大きくなるに従って光学ロスが増加する。光の波長をλとしたときに、フィッティング誤差がλ／２０（０．０５λ）である場合、０．２５ｄＢのロスとなる。例えばこのλ／２０がフィッティングの精度の目安となる。

次に、本実施形態に係る光学レンズ１１の作用効果について説明する。光学レンズ１１では、入射面１２及び出射面１３のそれぞれがＸ軸（第１軸）及びＹ軸（第２軸）の双方に沿って延在する。光学レンズ１１は、光源Ｏから出射して入射面１２に入射する入射光Ｌ１を平行光Ｌ３に変換し、変換した平行光Ｌ３を出射面１３から出射する。入射面１２は凸部１４及び凹部１５を有する。凸部１４はＸ軸が延在する第１方向Ｄ１から見たときに形成され、凹部１５はＹ軸が延在する第２方向Ｄ２から見たときに形成される。このように凸部１４及び凹部１５を入射面１２が備えることにより、光の結合効率を高めることができる。

前述したように、入射光Ｌ１のファーフィールドパターンは楕円形状であってもよい。また、出射面１３から出射する平行光Ｌ３が円形ビームであってもよい。この場合、光源Ｏからの発散光である楕円ビームを平行光Ｌ３である円形ビームに変換して光学レンズ１１から出力することができる。

前述したように、出射面１３は、第１方向Ｄ１から見たときに形成される第１凸部１６、及び第２方向Ｄ２から見たときに形成される第２凸部１７を有し、第１凸部１６の曲率、及び第２凸部１７の曲率が互いに異なってもよい。この場合、光の結合効率の更なる向上に寄与する。

続いて、第１変形例に係る光学レンズ２１について図１０及び図１１を参照しながら説明する。光学レンズ２１の一部の構成は、前述した光学レンズ１１の一部の構成と同一である。よって、以下では、光学レンズ１１の説明と重複する説明を適宜省略する。光学レンズ２１は、シリコン製である。図１０は、光学レンズ２１のＹＺ断面の設計例を示す図である。図１１は、光学レンズ２１のＸＺ断面の設計例を示す図である。

光学レンズ２１は、入射面２２と出射面２３とを有する異方レンズである。入射面２２は、第１方向Ｄ１から見たときに形成される凸部２４、及び第２方向Ｄ２から見たときに形成される凹部２５を有する。出射面２３は、第１方向Ｄ１から見たときに形成される第１凸部２６、及び第２方向Ｄ２から見たときに形成される第２凸部２７を有し、第１凸部２６の曲率は第２凸部２７の曲率よりも小さい。

シリコン製の光学レンズ２１の屈折率ｎの値は、ガラス製の光学レンズ１１の屈折率ｎの値よりも大きく、例えば３．４８である。光学レンズ２１は、光学レンズ１１よりも屈折率ｎが高いことから光学レンズ１１よりも設計自由度が高く、光源Ｏから光学レンズ２１までの距離を広げることができる。従って、光学レンズ２１の実装が一層容易になる。

以上、第１変形例に係る光学レンズ２１は、シリコンによって構成されている。前述したように、シリコン製の光学レンズ２１は、ガラス製の光学レンズ１１よりも屈折率ｎが高いので、極端な凹凸を形成しない設計が可能となる。その結果、軸ずれが生じた場合における光学ロスへの影響を抑えることができる。一方、ガラス製の光学レンズ１１は、物性が安定しているという利点がある。更に、光学レンズは、樹脂によって構成されていてもよい。この場合、光学レンズにかかるコストの低減に寄与する。

次に、第２変形例に係る光学レンズ３１を備えた光装置である光学系３０について説明する。図１２は、光学系３０のＸＺ断面を示す図である。図１３は、光学系３０のＹＺ断面を示す図である。図１２及び図１３に示されるように、光学系３０は、光学レンズ３１と、非球面レンズ３２と、集光レンズ３３とを有する。

図１４は、非球面レンズ３２を拡大した図である。非球面レンズ３２は、樹脂によって構成されている。非球面レンズ３２は、例えば、３Ｄプリンティング技術を用いて作製することができる。非球面レンズ３２は、光源を有する光素子であるレーザーダイオードチップ（以下、「ＬＤチップ」という。）４０の導波路４１の端面４０ｂに接合されている。

非球面レンズ３２は、半球状レンズとして形成されている。非球面レンズ３２は、ＬＤチップ４０の導波路４１の端面に接合する端面樹脂レンズである。非球面レンズ３２は、ＬＤチップ４０の導波路４１を含む端面４０ｂと接合する平面３２ｂを有する。一例として、非球面レンズ３２の倍率は２．７倍である。非球面レンズ３２の光軸（中心軸）は、例えば、ＬＤチップ４０の導波路４１の光軸と一致するようにオフセットなしで設けられている。

光学レンズ３１は入射面３１ｂと出射面３１ｃとを有し、入射面３１ｂには非球面レンズ３２からの光Ｌ４が入射する。光学レンズ３１は異方コリメートレンズである。一例として、ＸＺ断面における光学レンズ３１の焦点距離ｆは１．１８ｍｍであり、ＹＺ断面における光学レンズ３１の焦点距離ｆは０．４６ｍｍである。

光学レンズ３１はガラスによって構成されている。光学レンズ３１の入射面３１ｂは、前述した凸部１４及び凹部１５と同様の凸部３４及び凹部３５を有する。光学レンズ３１に入射した光Ｌ４は、光学レンズ３１によって平行光Ｌ５に変換される。光学レンズ３１は平行光Ｌ５を集光レンズ３３に出射する。一例として、集光レンズ３３の焦点距離は１．５８ｍｍである。集光レンズ３３は、光学レンズ３１からの平行光Ｌ５を集光して光ファイバに入射する。この光ファイバのＭＦＤは、一例として、９．６μｍである。

以上、第２変形例に係る光学系３０では、光源を有する光素子であるＬＤチップ４０の導波路４１を含む端面４０ｂと接合する平面３２ｂを有する非球面レンズ３２からの光Ｌ４が入射面３１ｂに入射する。従って、非球面レンズ３２でＮＡを縮小しケラレによる光学ロスを抑制できるので光の結合効率を高めることができる。

以上、本開示に係る光学レンズの実施形態及び種々の変形例について説明した。しかしながら、本発明は、前述した実施形態又は変形例に限定されない。すなわち、本発明が特許請求の範囲に記載された要旨の範囲内において種々の変形及び変更が可能であることは当業者によって容易に認識される。

１…光学レンズ
２…入射面
３…出射面
１０…光学系（光装置）
１１…光学レンズ
１２…入射面
１３…出射面
１４…凸部
１５…凹部
１６…第１凸部
１７…第２凸部
１８…集光レンズ
１９…光ファイバ
２１…光学レンズ
２２…入射面
２３…出射面
２４…凸部
２５…凹部
２６…第１凸部
２７…第２凸部
３０…光学系（光装置）
３１…光学レンズ
３１ｂ…入射面
３１ｃ…出射面
３２…非球面レンズ
３２ｂ…平面
３３…集光レンズ
３４…凸部
３５…凹部
４０…ＬＤチップ（光源を有する光素子）
４０ｂ…端面
４１…導波路
Ｄ１…第１方向
Ｄ２…第２方向
ｆ…焦点距離
Ｌ１…入射光
Ｌ２…集束光
Ｌ３…平行光
Ｌ４…光
Ｌ５…平行光
Ｌ１１…入射光
Ｌ１２…平行光
ｎ…屈折率
Ｏ…光源
Ｐ，Ｑ…虚像
Ｓ，Ｓ'…点

Claims (6)

1. 光源と、
   第１軸、及び前記第１軸に交差する第２軸の双方に延在する入射面と、前記第１軸及び前記第２軸の双方に延在する出射面と、を有する光学レンズと、
   を備え、
   前記光学レンズは、前記光源から出射して前記入射面に入射する入射光を平行光に変換し、前記平行光を前記出射面から出射し、前記入射面は、前記第１軸が延在する第１方向から見たときに形成される凸部、及び前記第２軸が延在する第２方向から見たときに形成される凹部、を有する、光装置。
2. 前記入射光のファーフィールドパターンは楕円形状である、
   請求項１に記載の光装置。
3. 前記光学レンズの前記出射面から出射する前記平行光が円形ビームである、
   請求項１又は請求項２に記載の光装置。
4. 前記光学レンズの前記出射面は、前記第１方向から見たときに形成される第１凸部、及び前記第２方向から見たときに形成される第２凸部、を有し、
   前記第１凸部の曲率、及び前記第２凸部の曲率が互いに異なる、
   請求項１又は請求項２に記載の光装置。
5. 前記光学レンズは、ガラス、シリコン又は樹脂によって構成されている、
   請求項１又は請求項２に記載の光装置。
6. 前記光源は、光素子の導波路を含む端面を有し、
   前記光源の前記端面と接合する平面を有する非球面レンズをさらに備え、
   前記光学レンズは、前記光源から出射された出射光が前記入射面に入射する、
   請求項１又は請求項２に記載の光装置。
   
   

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