JP4618446B2 - 光学素子、光学系及び導波路 - Google Patents

Description

本発明は、光路を変更する機能を有する光学素子、及びこれを使用して、導波路から出力される光を、密集した光ファイバアレイで受光可能とすることにより、導波路における光放出口の間隔を、無理なく小さくすることができる光学系、さらにはこの光学素子を使用した小型化が可能な導波路に関するものである。

光通信の発達に伴い、１本の光ファイバ中を伝送されてきた光を多数本の光ファイバに分岐したり、多数本の光ファイバ中を伝送されてきた光を１本の光ファイバにまとめたりする必要が生じ、そのために導波路が使用されている。導波路の概要は、例えば特開平１０−２４６８３８号公報（特許文献１）に記載されている。

一方、光ファイバは、一般にコアとクラッドからなる直径約１２５μｍの裸光ファイバを、直径約２５０μｍの被覆で保護したものである。よって、光ファイバアレイを１列に並べた場合、そのままでは、コアの間隔は約２５０μｍとなり、対応する導波路の光放出口の間隔も約２５０μｍピッチとなる。

しかし、このままでは、導波路の大きさが大きくなり、その分高価なものとなってしまう。よって、導波路を小型化するために、導波路に対面する光ファイバの部分の被覆を剥がして裸光ファイバのみとし、これを１列に配列することによりコアの間隔を約１２５μｍとし、導波路の光放出口の間隔を１２５μｍとする試みがなされており、種々の方法が提案されている。

その代表的なものは、前記特開平１０−２４６８３８号公報及び特開２００２−４０２８４号公報（特許文献２）に記載されたものであり、光ファイバの端部の被覆を取り除いた上で、裸光ファイバを、約１２５μｍピッチで形成されたＶ溝に固定するものである。この場合、Ｖ溝は、石英やパイレックス（登録商標）等をエッチング加工することにより形成される。
特開平１０−２４６８３８号公報 特開２００２−４０２８４号公報

しかしながら、上述のように、約２５０μｍの外形の被覆を持つ光ファイバの端部の被覆を剥がして裸光ファイバとして約１２５μｍの間隔で配列しようとする場合、裸光ファイバの部分を長くすると強度上問題があるので、この部分の長さが制限される。そのため、裸光ファイバの部分に曲げ応力が発生し、破損の原因となるという問題点がある。又、Ｖ溝を構成する基板は、石英やパイレックス等をエッチングにより高精度に加工する必要があり、高価であるという問題点もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光路変換機能を有する光学素子を使用することにより、裸光ファイバを２段に千鳥配列することを可能にし、裸光ファイバの部分に曲げ応力が発生しにくい光学系、及び、このような光学系を含め、種々の光路変換に使用できる光学素子、さらにはこの光学素子を使用した小型化が可能な導波路を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、光の導入又は放出口のピッチが異なる複数の光学部材同士を、光学的に結合する光学素子であって、基板の両面に、少なくとも回転対称面の一部の形状を有したレンズであって、少なくとも前記光学部材からの光束が通過する領域において前記回転対称面の形状が保たれているものを、前記回転対称面の回転対称軸が同じとなるようにして対としたものが、複数対、一方向に位置がずれるように千鳥配列されて形成されていることを特徴とする光学素子である。

本明細書及び請求の範囲において、「光学部材からの光束が通過する領域において回転対称面の形状が保たれているもの」というのは、光学部材からの光束が通過しない部分においては、所定のレンズ表面形状となっていなくても良いことを意味し、例えば、平面的に見た場合に円形のレンズを、その中心を含む部分を残して平行な２つの面で切断し、蒲鉾型とすることにより、幅方向の寸法を小さくしたようなものを含む。

以下の説明においては、便宜上、光軸方向（レンズ面の回転対称軸方向とも一致する）をｚ方向、レンズの配列方向をｘ方向、レンズの配列方向と光軸に垂直な方向をｙ方向と呼び、ｘ−ｙ−ｚ直交座標系により表現するものとする。対となったレンズは、ｘ方向に千鳥配列されているので、一つおきに光軸のｙ方向位置が異なるものとなっている。

対となったレンズの一方に、ある点から発散する光を入射させると、その光は、対となったレンズの作用により、基板の、光が入射した側と反対側に結像する。各対となったレンズに入射する光の主光線が互いに平行であり、主光線が入射するｙ軸方向位置が同じであるとすると各レンズから見れば、各光線の主光線は、一つおきにレンズの光軸からｙ方向に異なった位置に入射することになる。よって、対となったレンズの作用を受けて結像する点のｙ方向位置は異なる。従って、本光学素子を使用すれば、各レンズに、ｘ方向に一列に並んだ光源からの光が入射する場合に、出側で、千鳥配列された点にそれらの光を集光させることができる。

なお、レンズは、基板の上に樹脂などにより形成されたものであってもよいし、前記基板と一体化しているものでもよい。このことは本明細書及び請求の範囲に記載される光学素子について同じである。

本手段においては非球面レンズを使用することが更に好ましい。これは、球面レンズを使用すると幾何収差が大きくなってシングルモード光ファイバへの結合効率が低下するので、これを避けるためである。これは、他の手段でも同じである。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記基板の厚さが、前記対とされたレンズの焦点位置が互いに一致するように設定されていることを特徴とするものである。

本手段においては、例えば、入射光の主光線をレンズの光軸と平行とし、入射光の光源のｚ方向位置をレンズから焦点距離だけ離れた位置とすれば、この光学系は入側テレセントリックな光学系となり、光源からの光は基板内で平行光束となると共に、射出瞳位置は、入側のレンズの焦点距離位置にできる。平行光束となった光は、出側のレンズにより集光されるが、その入射瞳位置が出側のレンズの前側焦点位置にあるので、主光線は光軸に平行になり、従って出側テレセトリックな光学系となる。

このように、本手段の光学素子を使用して入出側共テレセトリックで対称的な光学系を実現できるので、光学系における収差の発生を小さくすることが可能となる。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第２の手段であって、前記対とされたレンズの焦点距離が等しいことを特徴とするものである。

本手段においては、基板の両面に形成される、対とされたレンズの焦点距離が等しいので、入射側の開口角と出射側の開口角を等しくすることができる。光をリレーする場合には、その開口角を同一に保ちながらリレーすることが好ましいことが多いが、本手段によれば、こうした好ましい光学系が実現できる。

前記課題を解決するための第４の手段は、光の導入又は放出口のピッチが異なる複数の光学部材同士を、光学的に結合する光学素子であって、基板の片面に、少なくとも回転対称面の一部の形状を有したレンズであって、少なくとも前記光学部材からの光束が通過する領域において前記回転対称面の形状が保たれているものが、一方向に位置がずれるように千鳥配列されて形成された単位光学素子を２つ、互いの前記回転対称面の一部の形状をレンズが形成されていない面が接するように、かつ、前記単位光学素子に形成された前記回転対称面の回転対称軸が一致するように接合して形成されていることを特徴とする光学素子である。

本手段は、前記第１の手段を、基板の適当な部分で２つに分割したような構造を有する単位光学素子同士を、接合して前記第１の手段と同等なものを形成したものである。よって、前記第１の手段と同等の作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段であって、前記単位光学素子の各基板の厚さの和が、前記回転対称軸が一致するレンズの焦点位置が互いに一致するように設定されていることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段であって、前記回転対称軸が一致するレンズの焦点距離が等しいことを特徴とするものである。

これら、第５の手段、第６の手段は、それぞれ前記第２の手段、第３の手段と同等の作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかでであって、前記回転対称面の形状が、次の（１）式で表されることを特徴とするものである。

ここに、ｒは前記回転対称軸に垂直な方向の距離、ｚは非球面の光軸方向のサグ量、Ｒは非球面の頂点の曲率半径、κは円錐係数でκ＜−１である。

一般に非球面レンズの形状は、前記（１）式に、ｒ^２の多項式を加えたもので表され、この方が光学的な特性が良くなるが、その分加工が複雑になる。前記第１の手段から第６の手段においては、（１）式で表される程度で十分である。κ＜−１の場合は、表面が双曲面となるが、このようにすることにより収差を小さくすることができる。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記第１の手段から第７の手段のいずれかであって、前記回転対称面の一部の形状を有したレンズは、レンズの配列方向における幅に対して、レンズの配列方向とは直交する方向の長さが長いことを特徴とするものである。

光の導入口のピッチが広い光学部材から十分な大きさの光束を得たり、光の放出口のピッチが広い光学部材へ十分な大きさの光束を供給したりしつつ、レンズのピッチを光の導入又は放出口のピッチが狭い光学部材に合わせる必要がある場合がある。本手段においては、レンズの配列方向における幅に対して、レンズの配列方向とは直交する方向の長さが長くされているので、このような場合でも、レンズの配列方向については、レンズの幅を狭くすることが可能であり、所定の回転対称面の一部の形状を有したレンズを、光の導入又は放出口が狭い光学部材に合わせることが可能となる。

前記課題を解決するための第９の手段は、光の導入又は放出口が一列に配列された前記光学部材と、前記光学部材の導入又は放出口のピッチより直径が大きい光ファイバアレイが請求の範囲第１項から第８項に記載の光学素子を挟んで設けられた光学系であって、
(1) 前記光学部材のそれぞれの光の導入又は放出口は、前記光学素子の前記回転対称面の一部の形状を有したレンズに対応して配置されており、
(2) 前記光学部材のそれぞれの光の導入又は放出口光軸の、前記レンズの配列方向位置は、対応する前記回転対称面の一部の形状を有したレンズの中心に一致しており、かつ、前記光学部材のそれぞれの光の導入又は放出口光軸の、前記回転対称面の一部の形状を有したレンズの配列方向と直交する方向位置は、千鳥配列された前記レンズのうち、隣接する２つのレンズの前記回転対称軸の中間位置にあり、
(3) 前記光学部材のそれぞれの光の導入又は放出口は、それが対応する前記レンズから、当該レンズの焦点距離だけ離れた位置に設けられ、
(4) 前記光ファイバアレイは、前記レンズに対応して２段に千鳥配列され、前記導波路から放出された光が、前記光学素子を介して集光される位置にその端面が設けられている
ことを特徴とする光学系である。

本手段においては、光学部材の光の導入又は放出口に対応して、各レンズ対がそれぞれ設けられている（光学部材の光の導入又は放出口の数よりレンズ対が多く、使用しないレンズ対があってもよいことは言うまでもなく、本手段はこのようなものをも含むものである。）。

本手段においては、光学部材の各光導入口に導入される光、又は各光放出口から放出される光の光軸（主光線）がレンズに入射するｙ方向位置においては、千鳥配列されたレンズの回転対称軸のｙ方向位置（千鳥配列されているのでｙ軸方向位置が２種類ある）の中間とされている。よって、各レンズから見れば、レンズの光軸に対する入射光の光軸の位置が一つおきにｙ軸方向にずれていることになり、前述した光学素子の作用により、出側の集光点は千鳥配列されるようになる。

よって、光学素子からの出射光を受光する光ファイバアレイを構成する各光ファイバを千鳥配列することができ、各光ファイバが並んだ方向の長さを短くしながら、各光ファイバ同士の間隔を大きくとることが可能となる。これにより、裸光ファイバに無理な曲げ応力がかかることが防止される。

前記課題を解決するための第１０の手段は、前記第９の手段であって、前記光学部材のそれぞれの光の導入又は放出口の光軸が、前記レンズの前記回転対称軸と平行であることを特徴とするものである。

本手段においては、光学素子を入側テレセントリックな光学系とすることができる。又、光学素子として前記第２の手段、第５の手段、光学素子を使用すれば、入出側テレセントリックな光学系とすることができて収差の少ない光学系が実現できると共に、第３の手段、第６の手段を使用すれば、これに加えて導波路の開口角と、光ファイバの開口角とが同じ場合に、効率良く光をリレーすることができる。

前記課題を解決するための第１１の手段は、前記第９の手段又は第１０の手段であって、前記光ファイバアレイを構成する光ファイバが、Ｖ溝によって位置決めされていることを特徴とするものである。

前述のように、前記第９の手段又は第１０の手段においては、光ファイバ同士の間隔を大きくとることができるので、従来技術で示されているようにＶ溝によって裸光ファイバを固定しても、裸光ファイバに無理な曲げ応力がかかるのを防止することができる。

前記課題を解決するための第１２の手段は、前記第９の手段又は第１０の手段であって、前記光ファイバアレイが、ＭＴコネクタに接続され、ＭＴコネクタにおける光ファイバ端面が、前記光学素子を介して集光される位置に設けられていることを特徴とするものである。

ＭＴコネクタは、光ファイバ同士を接続するために開発されたもので、一般的に使用されており、その一例が、「フジクラ技報、第９７号、Ｐ２２−２７」に記載されている。ＭＴコネクタを使用すれば、光ファイバの端面を揃えることが容易であり、かつ、無理な応力を少なくした状態で、裸光ファイバを、光学素子に対面させることができる。

前記課題を解決するための第１３の手段は、基板の片面に、少なくとも回転対称面の一部の形状を有したレンズであって、少なくとも使用される光束が通過する領域において前記回転対称面の形状が保たれているものが、一方向において、隣接する前記レンズ同士の位置がずれるように千鳥配列されて形成され、前記基板の他の面は、前記基板を透過した光を反射する反射面とされていることを特徴とする光学素子である。

本手段は、光学的に見れば前記第１の手段と等価であり、ただ、入射した光が反射面で反射されて入射した側に射出されるだけである。よって、ｙ方向の同じ位置に入射した光を、千鳥配列された状態で、入射方向に集光させることができる。

前記課題を解決するための第１４の手段は、前記第１３の手段であって、前記基板の厚さが、前記レンズの焦点位置と前記反射面が一致するように設定されていることを特徴とするものである。

本手段は、前記第３の手段と同等の作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第１５の手段は、基板の片面に、少なくとも回転対称面の一部の形状を有したレンズであって、少なくとも使用される光束が通過する領域において前記回転対称面の形状が保たれているものが、一方向に位置がずれるように千鳥配列されて形成された単位光学素子を２つ、前記レンズが形成されていない面が接するように、かつ、前記単位光学素子に形成された前記回転対称面の回転対称軸が一致するように、ハーフミラーを挟んで接合して形成されていることを特徴とする光学素子である。

本手段は、ハーフミラーを透過した光に対しては、前記第１の手段と同等の作用効果を奏し、ハーフミラーで反射された光に対しては、前記第１３の手段と同等の作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第１６の手段は、前記第１５の手段であって、前記各単位光学素子における基板の厚さが、それぞれ、それぞれの単位光学素子に形成された前記レンズの焦点位置が、前記基板の前記レンズが形成されていない方の面上に一致するように設定されていることを特徴とするものである。

本手段は、ハーフミラーを透過した光に対しては、前記第２の手段と同等の作用効果を奏し、ハーフミラーで反射された光に対しては、前記第１３の手段と同等の作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第１７の手段は、前記第１６の手段であって、前記各単位光学素子に形成された前記レンズの焦点距離が互いに等しいことを特徴とするものである。

本手段は、ハーフミラーを透過した光に対しては、前記第３の手段と同等の作用効果を奏し、ハーフミラーで反射された光に対しては、前記第１３の手段と同等の作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第１８の手段は、第１３の手段から第１７の手段のいずれかであって、前記回転対称面の一部の形状を有したレンズは、レンズの配列方向における幅に対して、レンズの配列方向とは直交する方向の長さが長いことを特徴とするものである。

本手段は、前記第８の手段と同様の作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第１９の手段は、少なくとも一方の前記光学部材が光路を形成する導波路であって、一つの光の側を上流側とするとき、請求の範囲第１項から第８項のうちいずれか１項に記載の光学素子を使用し、前記千鳥配列されたレンズに、上流側からの光を、その光軸（主光線）が、前記レンズの配列方向に直交する方向では前記千鳥配列された隣接するレンズの２つの前記回転対称軸に対して同じ側にあるように、かつ、前記レンズの幅方向では前記レンズの光軸と一致するように、さらに、前記レンズの光軸と平行になるように入射させ、その出力光を折り返して、逆方向から、前記光学素子のいずれかのレンズに、その光軸（主光線）が、前記レンズの配列方向に直交する方向では、その前記回転対称軸に対して前記上流側からの光が入射した位置と同じ側にあるように、かつ、前記レンズの配列方向では前記レンズの前記回転対称軸と一致するように、さらに、前記回転対称軸と平行になるように入射させることにより、光の光路を、途中で折り返された２層構造としたことを特徴とする導波路である。

本手段においては、上流からの光は、光学素子のレンズに対して、例として一つおきに入射し、同じ方向に集光位置を変えられる。集光された光を導波路を構成する光路で受光し、折り返して、光学素子に逆方向から入射させる。そのとき、入射させるレンズは、例として先に光が通過したレンズの隣のレンズとする。すると、光学素子の働きにより、その出射側での集光点は、先に位置を変えられた方向にさらにずれる。この集光された光を導波路を構成する光路で受光して、所定の方向に光を導くことにより、光路を折り返された２層構造とすることができる。よって、導波路を小型化することができる。

なお、上記の説明では、一つおきにレンズに光を入射させ、となりのレンズに折り返し光を入射するように説明したが、光を入射させるレンズと、折り返し光を入射させるレンズを別のレンズとすれば、その組み合わせは任意に選ぶことができる。

本発明によれば、光路変換機能を有する光学素子を使用することにより、裸光ファイバを２段に千鳥配列することを可能にし、裸光ファイバの部分に曲げ応力が発生しにくい光学系、及び、このような光学系を含め、種々の光路変換に使用できる光学素子、さらにはこの光学素子を使用した小型化が可能な導波路を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態である光学素子の概要を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）を左側から見た正面図である。

石英やガラス等の透明な基板１の一方の面（（ａ）における左側の面）には、レンズ２ａと２ｂが（ｂ）に示すようにｙ軸方向位置が異なるように千鳥配列されている（（ｂ）においては、両端に位置するもののみに符号を付している）。

このレンズ２ａと２ｂの形状は、図２に示すように、光学面が回転対称非球面レンズ（破線で示す）を、２つの平行な平面で切断した、レンズストリップ（Lens Strip）（実線で示す）であり、その回転対称軸を含んだ前記２つの平行な平面に対して面対称となるような形状を有している。そして、少なくとも回転対称面の一部を光学面に有したレンズである。このレンズの長さの長い方向、すなわち光軸と垂直でかつ切断平面と平行な方向を「長手方向」と言い、それと直角な長さの短い方向、すなわち切断された２平面の法線方向を「幅方向」と呼ぶことにする。このようにレンズを切断しているのは、光束が通過しない余分な部分を取り除くことにより、レンズの幅を狭くし、密集配置可能なようにするためである。このような形状のレンズを、以下において「レンズストリップ」と呼んでいる。

一方、透明な基板１の一方の面（（ａ）における右側の面）にも、回転対称非球面レンズを以上のように切断した形状のレンズストリップ３ａと３ｂが千鳥配列されており、レンズストリップ２ａと３ａの形状の元となる回転対称非球面形状の、それぞれの回転対称軸（本明細書及び特許請求の範囲では、これをレンズの「回転対称軸」と呼んでいる）が同じもの（４ａ）となっている。同様、レンズストリップ２ｂと３ｂの回転対称軸も同じ（４ｂ）となっている。

この実施の形態においては、全てのレンズストリップの焦点距離はｆで同一であり、基板１の厚さは組となるレンズ２ａと３ａの焦点が同一位置になるような厚さに設定されている。

回転対称軸４ａと４ｂのｙ方向における間隔をａとし、光源Ｐａ、Ｐｂが、レンズストリップの頂点からｚ方向にｆだけ離れ、ｙ方向には回転対称軸４ａと４ｂの中間位置におかれているものとする。なお、光源Ｐａのｘ方向位置は、レンズストリップ２ａの中心（回転対称軸のｘ方向位置）と同じであり、光源Ｐｂのｘ方向位置は、レンズストリップ２ｂの中心（回転対称軸のｘ方向位置）と同じであるとする。又、光源Ｐａ、Ｐｂから放出される光はその主光線が回転対称軸４ａ、４ｂに平行であるものとする。すなわち、この光学系は入側テレセントリックな光学系である。

すると、光源Ｐａから放出される光束５ａは、レンズストリップ２ａの作用により、基板１に入ると平行光束６ａとなる（厳密に言えば、レンズストリップ２ａの主点位置と基板１の表面位置が異なり、かつ、レンズストリップ２ａと基板１の屈折率が異なるので、平行光にはならないとも言えるが、レンズストリップ２ａの厚さが十分薄く、かつ、レンズストリップ２ａと基板１の屈折率差も小さいので、現実的にはこのように考えてよい）。そして、主光線は、基板１の表面からｆの位置で回転対称軸４ａと交わり、この点が入射側での射出瞳位置となる。

平行光束６ａは、基板１の出射側端面に達し、そこでレンズストリップ３ａの作用を受けて、レンズストリップ３ａの後側焦点位置Ｑａ（集光点）に集光される。そのとき、出射側の光学系における入射瞳位置は、基板１の表面よりｆだけ離れた位置にあるので、レンズストリップ３ａから放出される光束７ａの主光線は回転対称軸４ａと平行になる。すなわち、この光学系は出側テレセントリックな光学系である。

図に示すように、光束５ａの主光線が基板１に入射する点は、回転対称軸４ａとａ／２だけｙ方向にずれている。よって、平行光束６ａは、基板１中を回転対称軸４ａに対して斜めに進行するので、光源Ｐａと集光点Ｑａの位置はｙ方向にずれることになる。そのずれ量は、幾何学的な関係から容易に計算でき、ａに等しくなる。

同様、光源Ｐｂから放出された光束５ｂも、レンズストリップ２ｂの作用を受けて基板１中で平行光束６ｂとなり、さらにレンズストリップ３ｂの作用により、光束７ｂとなって基板１の表面からｆだけ離れた位置にある集光点Ｑｂに集光される。この光学系も入出側テレセントリックな光学系となる。そして、光束５ｂの主光線が基板１に入射する点は、回転対称軸４ａとａ／２だけｙ方向にずれている。よって、平行光束６ｂは、基板１中を回転対称軸４ｂに対して斜めに進行するので、光源Ｐｂと集光点Ｑｂの位置はｙ方向にずれることになる。そのずれ量は、幾何学的な関係から容易に計算でき、ａに等しく、かつ、ずれの方向は、集光点Ｑａの方向と反対である。

よって、各集光点Ｑａと各集光点Ｑｂは、ｘ方向に光源ＰａとＰｂの間隔（レンズストリップ２ａ、３ａのｘ方向中心と、レンズストリップ２ｂ、３ｂのｘ方向中心間の距離に等しい）だけずれ、ｙ方向には２ａだけずれた千鳥配列となる。そして、ｙ方向にもずれた分だけ、集光点のピッチも拡大することができる。よって、異なるピッチの光学部材同士を光学的に結合できる。

このように、ある方向（図１ではｘ方向）に一列に並んだ光源がある場合、その光源に対応させて、千鳥配列を有するレンズストリップが基板の両面に形成された図１に示すような光学素子を用いることにより、一列に並んだ光を千鳥配列の光に変換することができる。

図３は、本発明の第２の実施の形態である光学素子の概要を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）を左側から見た正面図である。以下の図において、前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略することがある。図３に示す実施の形態は、基板１が単位基板１ａ、１ｂの２つに分かれ、その間が屈折率マッチングゲル８により接合されている点が異なるのみである。この実施の形態が図１に示す実施の形態と透過であることは明らかであるので、これ以上の説明を省略する。

図１に示した実施の形態では、全てのレンズストリップの焦点距離が同じであり、かつ、基板の厚さが、この焦点距離の２倍であったので、両側テレセントリックな光学系とすることができ、かつ、結像倍率が１であって、開口角が保存されるようにすることができた。その意味では、最も理想的なものであると考えることができる。しかし、このような条件にこだわらない場合には、他の構成とすることもできる。

図４は、本発明の第３の実施の形態である光学素子の概要を示す図であり、側面図である。以下の光学素子を示す図においては、特に断らない限り、千鳥配列されたレンズストリップのうち一方のみを示し、一方のみが有るものとして説明を行うが、実際には千鳥配列されたレンズストリップを有することは言うまでもない。

図４に示す例では、レンズストリップ２ａの焦点距離と、レンズストリップ３ａの焦点距離が異なっており、それぞれｆ１、ｆ２であるが、基板１の厚さは、両者の焦点位置が一致するように設定されている。この例においても、光源をレンズストリップの頂点からｆ１だけ離れた位置に置くことにより、両側テレセントリックな光学系とすることができる。しかし、結像倍率はｆ２／ｆ１となり、従って開口角もｆ１／ｆ２に変化する。幾何学的な関係から、光源Ｐａと集光点Ｑａのｙ方向のずれは、ａ×ｆ２／ｆ１となる。ここにａは、図１と同じように、レンズストリップ２ａの回転対称軸と、入射光の光軸（主光線）との間隔の２倍の値である。

以上の実施の形態においては、いずれも基板１の厚さが、その両側に形成された各々のレンズストリップの焦点が一致するように設定されていたが、必ずしもこのような関係を保つ必要はない。但し、その場合には、光学系を両側テレセントリックな光学系とすることができない。両側テレセントリックな光学系でない場合には、光ファイバアレイとレンズアレイの配置が難しくなるという問題点がある。

図５は、本発明の第４の実施の形態である光学素子の概要を示す図であり、側面図である。この実施の形態においては、基板１の一方の面だけにレンズストリップ２ａが設けられ、他方の面には、基板１内の光を反射するミラー９が設けられている。基板１の厚さは、レンズストリップ２ａの焦点位置にミラー９の面が位置するように設定されている。図１に示す光学素子の右側半分が、この光学素子の鏡像と同一であることは説明を要しないであろう。

よって、光源Ｐａを出た光線は、レンズストリップ２ａにより平行光束６ａとされ、そのままミラー９で反射されて、平行光束６ａ’となり、再びレンズストリップ２ａに入射し、光束７ａ’となって集光点Ｑａ’に集光される。基板１から光源Ｐａまでの距離がｆとされているので、テレセントリックに入射した光は、テレセントリックに出射し、結像倍率も１となる。よって、この光学素子は、集光点Ｑａ’が入射側になる以外は、図１に示した光学素子と等価な作用効果を有する。

図６は、本発明の第５の実施の形態である光学素子の概要を示す図であり、側面図である。この実施の形態においては、同一の形状を有する単位光学素子、ハーフミラー１０を挟んで接合されて構成されている。各々の単位光学素子は、それぞれ単位基板１ａとレンズストリップ２ａ、単位基板１ｂとレンズストリップ３ａを有する。単位基板１ａと１ｂの厚さは、レンズストリップ２ａ、３ａの焦点位置とハーフミラー１０の面が一致するように設定されている。光源との関係は図１に示した関係と同じにされている。

このような光学素子において、ハーフミラー１０を透過した平行光束６ａは、図１に示したものと同じ振る舞いをして集光点Ｑａに集光され、ハーフミラー１０で反射された光は、図５に示したものと同じ振る舞いをして集光点Ｑａ’に集光されることは説明を要しないであろう。このようにして、一列に並んだ光源から出た光を、基板１の両面に千鳥配置された状態で集光させることが可能になる。

図７は、本発明の第６の実施の形態であるリレー光学系の概要を示す図である。この光学系は図１に示したような光学素子を利用して、導波路からの光を光ファイバアレイにリレーしたり、光ファイバアレイからの光を導波路にリレーする機能を有するものである。

この光学系は（ａ）に示すように、導波路１１と、光学素子１２、及び複数の光ファイバ１３からなり、導波路１１の光放出口１１ａから放出された光を、光学素子１２を介して、対応する光ファイバ１３の裸光ファイバ１３ａの端面に集光したり、又は、この逆の光路をたどる光線のリレーを行うものである。

（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図であり、導波路１１には、複数の光放出口１１ａが、一列に並んで構成されている。（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ矢視図であり、光ファイバ１３がその被覆が重なり合うように、俵積み状に２段に重ね合わされており、その結果、裸光ファイバ１３ａは千鳥配列されるようになっている。

各光放出口１１ａは、図１における光源Ｐａ、Ｐｂに対応する位置に置かれており、一方、裸光ファイバ１３ａの端面は、図１における集光点Ｑａ、Ｑｂに対応する位置に置かれている。よって、光学素子１２により、各光放出口１１ａと対応する裸光ファイバ１３ａの端面とをリレーすることができる。

このように光ファイバ１３を重ねた場合、光ファイバ１３の被覆の径をｂとすると、裸光ファイバ１３ａの横方向の配列ピッチはｂ／２となり、従って、導波路１１の光放出口１１ａの配列ピッチもｂ／２とすることができ、無理なく、導波路１１を小型化することができる。又、従来の特開平１０−２４６８３８号公報、２００２−４０２８４号公報に記載される技術では、裸光ファイバを横に並べていたが、裸光ファイバの直径は１２５±１μｍであるので、マージンを見込んで、導波路の光放出口のピッチは１２７μｍとする場合が多かったが、本実施の形態では、裸光ファイバ１３ａを密着して配列するわけではないので、正確に１２５μｍのピッチで形成することが可能である。

図７における配列では、光ファイバ１３の被覆径を２５０μｍ、裸光ファイバ１３ａの径を１２５μｍとすると、裸光ファイバ１３ａが占める高さは、（２５０×（２／３^１／２＋１／２））となって、４１３μｍとなる。これをさらに小さくしたい場合には、図８に示すように、裸光ファイバ１３ａを、少しだけ折り曲げて配列することにより、小さくすることが可能である。

以上のような場合に、裸光ファイバ１３ａを固定する方法が問題となる。その第１は従来のようにＶ溝を使用する方法である。その例を図９に示す。Ｖ溝を有する押さえ板１４、１５のＶ溝に、裸光ファイバ１３ａを入れ、押さえ板１４、１５の間にスペーサ１６を挟み込んで固定することにより、裸光ファイバ１３ａを固定する。すなわち、裸光ファイバ１３ａは、Ｖ溝とスペーサ１６により３方向から拘束されるので、正確に位置決めされて固定される。

裸光ファイバ１３ａを固定する第２の方法は、ＭＴコネクタを使用する方法である。ＭＴコネクタは前記「フジクラ技報、第９７号、Ｐ２２−２７」に示されるように、２次元配列型のものが製造できるので、コネクタの光ファイバ部を千鳥配列にすることにより、簡単に裸光ファイバ１３ａを固定できる。

以下、本発明の実施の形態である導波路について説明する。図１０は従来の導波路の概要を示す図である。光ファイバ２１は、その先端部で被覆を剥がされ裸光ファイバ２１ａがＶ溝２２を介して導波路２３に接続される。導波路２３においては光路が図に示すように分岐されている。導波路２３の出側においては、光ファイバ２４の先端部の被覆が剥がされて裸光ファイバ２４ａがＶ溝２５を介して導波路２３に接続されている。この導波路は、１本の光ファイバ２１から入射した光を１６の光に分岐する機能を有するものである。しかし、図に示すように広い面積を必要としている。

図１１は、本発明の実施の形態である導波路の概要を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ概略断面図である。光ファイバ２１の先端部の裸光ファイバ２１ａは、Ｖ溝を介して導波路２３’に接続されている。導波路２３’に入射した光は光路２７によって４分割された後、光学素子２６に入射する。

そして、後に説明するように、光学素子によって、導波路２３’の基板の裏側（（ｂ）の下側）に集光され、光路２８に伝達される。そして光路２８で折り返され、光学素子２６に反対側から入射する。そして、後に説明するように、光学素子２６によって、さらに導波路２３’の基板の裏側に集光され、光路２９に伝達される。

光路２９では、さらに光の分岐を行い、分岐した光は、図１に示すような光学素子３０に入射して、千鳥配置の位置に集光され、集光位置に裸光ファイバの先端が設けられたＭＴコネクタ３１によって中継され、２段となった光ファイバ３２、３３から出力される。光路２９、光学素子３０、及びＭＴコネクタ３１の裸光ファイバの関係は、図７に示したようなものであり、光学素子３０の働きは、図１に示したようなものである。

以下、光学素子２６の作用について、図１２を用いて説明する。光学素子２６そのものは、図１に示した光学素子と同じであるが、光の入射のさせ方が異なっているため、光路が図１に示したものと異なっている。光源である光路２７の端部はＰ点であり、図１に示した例と異なり、Ｐ点からの光はレンズストリップ２ｂに入射する。そして、Ｐ点のｙ方向位置は、レンズストリップ２ａ、２ｂのいずれの回転対称軸４ａ、４ｂよりも上側にある。よって、Ｐ点から放出された光束５ｂは、レンズストリップ２ｂの作用により基板１内で平行光束６ｂとなり、基板１内を下側に進む。そして、レンズストリップ３ｂの作用により光束７ｂとなって集光点Ｑに集光される。

集光点Ｑには、光路２８ｂの一端が位置している。光路２８は、この光を折り返し、ｚ方向、ｙ方向位置がＱ点と同じ点Ｑ’から、レンズストリップ３ａに向けて放出する役割を持っている。点Ｑ’のｘ方向位置は、レンズストリップ３ａの回転対称軸のｘ方向位置と同じとされている。

点Ｑ’のｙ方向位置は、回転対称軸４ａに対して、点Ｐと同じ方向にある。従って、点Ｑ’から放出された光束７ａは、レンズストリップ３ａの作用により基板１内で平行光束６ａとなり、基板１内を下側に進む。そして、レンズストリップ２ａの作用により光束５ａとなって集光点Ｒに集光される。集光点Ｒには、光路２９の端面が位置している。すなわち、光学素子２６は、光路２８と協働して、光路を反転し、かつ図１２の下方に下げる役割を果たしている。このような作用により、図１１において、導波路２３’の分岐光路を２層にすることができる。これにより、導波路２３’の大きさを小さくすることが可能となる。

なお、この例では、光学素子２６の両側に導波路を設け、一方を２層構造の導波路とした。この光学素子は、光ファイバーを接続して使用する以外にも、様々な方法に利用可能である。

ところで、図１３に、図１から図６に示した実施の形態の変形例を示す。図１３（ａ）は、図１から図６に示された光学素子に対応する光学素子を図１から図６の左側から見た図である。この図においては、千鳥配置されたレンズストリップ２ａ、２ｂの他に、２ｂに対して千鳥配置され、回転対称軸のｘ方向位置がレンズストリップ２ａと一致するレンズストリップ２ｃ有している。図１３（ｂ）に示すように、図１から図４、及び図６に対応するものには、基板１の反対の面の同じ位置にレンズストリップが設けられている。

このような光学素子においては、レンズストリップ２ａ、２ｃにおいては、矢印の根本に光が入射したとき矢印の先端の位置まで光の位置を変えることができ、レンズストリップ２ｂにおいては、矢印の一方の先端に光が入射したとき、他方の先端の位置まで光の位置を変えることができる。よって、２列に並んで入射する光を、４列の千鳥配置された光に変えることができる。このように、千鳥配置するレンズストリップの段数を増やせば、それだけ多くの列の光を、千鳥配置された光に変えることができる。このような光学素子も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

また、本実施の形態ではレンズストリップを用いたが、光ファイバー等からの光束が通過する部分だけ、所定の回転対称非球面形状を残し、残りの部分を切り欠いたようなレンズであれば任意の形状のものを使用することができるほか、回転対称非球面レンズをそのまま使用しても構わない。何れの場合も、このようなレンズを対として使う場合には、対となるレンズの回転対称軸同士が同一となるようにし、反射面で光束を折り返す場合は、反射面に垂直に光束が入射するようにする。

さらに、以上の実施の形態では、基板表面にレンズを設けた構成としているが、このレンズは、基板表面に基板とほぼ同じ屈折率を有する樹脂からなるレンズが、当該樹脂が基板に密着するように形成されたものであってもよいし、基板表面にレジスト等を使用してレンズ形状を形成し、その後基板とレジストを共にエッチングすることにより、レジストのレンズ形状を基板に転写して、基板表面をレンズ形状に形成するようにしてもよい。このように、基板の表面に設けられるレンズは、公知の任意の方法によって形成することができる。

本発明の第１の実施の形態である光学素子の概要を示す図である。 本発明の実施の形態に使用されるレンズストリップの形状を示す図である。 本発明の第２の実施の形態である光学素子の概要を示す図である。 本発明の第３の実施の形態である光学素子の概要を示す図である。 本発明の第４の実施の形態である光学素子の概要を示す図である。 本発明の第５の実施の形態である光学素子の概要を示す図である。 本発明の第６の実施の形態であるリレー光学系の概要を示す図である。 裸光ファイバが占める高さを小さくする方法の例を示す図である。 裸光ファイバを固定する方法ためにＶ溝を使用する方法の例を示す図である。 従来の導波路の概要を示す図である。 本発明の実施の形態である導波路の概要を示す図である。 図１１における光学素子２６の作用を説明するための図である。 図１から図６に示した実施の形態の変形例を示す図である。

符号の説明

１…基板、１ａ、１ｂ…単位基板、２ａ、２ｂ、２ｃ、３ａ、３ｂ…蒲鉾型レンズ、４ａ、４ｂ…回転対称軸、５ａ、５ｂ…光束、６ａ、６ｂ…平行光束、７ａ、７ｂ…光束、８…屈折率マッチングゲル、９…ミラー、１０…ハーフミラー、１１…導波路、１１ａ…光放出口、１２…光学素子、１３…光ファイバ、１３ａ…裸光ファイバ、２１…光ファイバ、２１ａ…裸光ファイバ、２２…Ｖ溝、２３、２３’…導波路、２４…光ファイバ、２４ａ…裸光ファイバ、２５…Ｖ溝、２６…光学素子、２７、２８、２９…光路、３０…光学素子、３１…ＭＴコネクタ、３２、３３…光ファイバ

Claims (19)

1. 光の導入又は放出口のピッチが異なる複数の光学部材同士を、光学的に結合する光学素子であって、基板の両面に、少なくとも回転対称面の一部の形状を有したレンズであって、少なくとも前記光学部材からの光束が通過する領域において前記回転対称面の形状が保たれているものを、前記回転対称面の回転対称軸が同じとなるようにして対としたものが、複数対、一方向に位置がずれるように千鳥配列されて形成されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記基板の厚さが、前記対とされたレンズの焦点位置が互いに一致するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記対とされたレンズの焦点距離が等しいことを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 光の導入又は放出口のピッチが異なる複数の光学部材同士を、光学的に結合する光学素子であって、基板の片面に、少なくとも回転対称面の一部の形状を有したレンズであって、少なくとも前記光学部材からの光束が通過する領域において前記回転対称面の形状が保たれているものが、一方向に位置がずれるように千鳥配列されて形成された単位光学素子を２つ、互いに前記回転対称面の一部の形状を有したレンズが形成されていない面が接するように、かつ、前記単位光学素子に形成された前記回転対称面の回転対称軸が一致するように接合して形成されていることを特徴とする光学素子。
5. 前記単位光学素子の各基板の厚さの和が、前記回転対称軸が一致するレンズの焦点位置が互いに一致するように設定されていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
6. 前記回転対称軸が一致するレンズの焦点距離が等しいことを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
7. 前記回転対称面の形状が、次の（１）式で表されることを特徴とする請求項１又は請求項４に記載の光学素子。
   

   

   ここに、ｒは前記回転対称軸に垂直な方向の距離、ｚは非球面の光軸方向のサグ量、Ｒは非球面の頂点の曲率半径、κは円錐係数でκ＜−１である。
8. 前記回転対称面の一部の形状を有したレンズは、レンズの配列方向における幅に対して、レンズの配列方向とは直交する方向の長さが長いことを特徴とする請求の請求項１又は請求項４に記載の光学素子。
9. 光の導入又は放出口が一列に配列された前記光学部材と、前記光学部材の導入又は放出口のピッチより直径が大きい光ファイバアレイが請求項１又は請求項４に記載の光学素子を挟んで設けられた光学系であって、
   (1) 前記光学部材のそれぞれの光の導入又は放出口は、前記光学素子の前記回転対称面の一部の形状を有したレンズに対応して配置されており、
   (2) 前記光学部材のそれぞれの光の導入又は放出口光軸の、前記レンズの配列方向位置は、対応する前記回転対称面の一部の形状を有したレンズの中心に一致しており、かつ、前記光学部材のそれぞれの光の導入又は放出口光軸の、前記回転対称面の一部の形状を有したレンズの配列方向と直交する方向位置は、千鳥配列された前記レンズのうち、隣接する２つのレンズの前記回転対称軸の中間位置にあり、
   (3) 前記光学部材のそれぞれの光の導入又は放出口は、それが対応する前記レンズから、当該レンズの焦点距離だけ離れた位置に設けられ、
   (4) 前記光ファイバアレイは、前記レンズに対応して２段に千鳥配列され、前記導波路から放出された光が、前記光学素子を介して集光される位置にその端面が設けられている
   ことを特徴とする光学系。
10. 前記光学部材のそれぞれの光の導入又は放出口の光軸が、前記レンズの前記回転対称軸と平行であることを特徴とする請求項９に記載の光学系。
11. 前記光ファイバアレイを構成する光ファイバが、Ｖ溝によって位置決めされていることを特徴とする請求項９に記載の光学系
12. 前記光ファイバアレイが、ＭＴコネクタに接続され、ＭＴコネクタにおける光ファイバ端面が、前記光学素子を介して集光される位置に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の光学系。
13. 基板の片面に、少なくとも回転対称面の一部の形状を有したレンズであって、少なくとも使用される光束が通過する領域において前記回転対称面の形状が保たれているものが、一方向において、隣接する前記レンズ同士の位置がずれるように千鳥配列されて形成され、前記基板の他の面は、前記基板を透過した光を反射する反射面とされていることを特徴とする光学素子。
14. 前記基板の厚さが、前記レンズの焦点位置と前記反射面が一致するように設定されていることを特徴とする請求項１３に記載の光学素子。
15. 基板の片面に、少なくとも回転対称面の一部の形状を有したレンズであって、少なくとも使用される光束が通過する領域において前記回転対称面の形状が保たれているものが、一方向に位置がずれるように千鳥配列されて形成された単位光学素子を２つ、前記レンズが形成されていない面が接するように、かつ、前記単位光学素子に形成された前記回転対称面回転対称軸が一致するように、ハーフミラーを挟んで接合して形成されていることを特徴とする光学素子。
16. 前記各単位光学素子における基板の厚さが、それぞれ、それぞれの単位光学素子に形成された前記レンズの焦点位置が、前記基板の前記レンズが形成されていない方の面上に一致するように設定されていることを特徴とする請求項１５に記載の光学素子。
17. 前記各単位光学素子に形成された前記回転対称面レンズの焦点距離が互いに等しいことを特徴とする請求項１６項に記載の光学素子。
18. 前記回転対称面の一部の形状を有したレンズは、レンズの配列方向における幅に対して、レンズの配列方向とは直交する方向の長さが長いことを特徴とする請求項１３又は請求項１５に記載の光学素子。
19. 少なくとも一方の前記光学部材が光路を形成する導波路であって、一つの光の側を上流側とするとき、請求項１又は請求項４に記載の光学素子を使用し、前記千鳥配列されたレンズに、上流側からの光を、その光軸（主光線）が、前記レンズの配列方向に直交する方向では前記千鳥配列された隣接するレンズの２つの前記回転対称軸に対して同じ側にあるように、かつ、前記レンズの幅方向では前記レンズの光軸と一致するように、さらに、前記レンズの光軸と平行になるように入射させ、その出力光を折り返して、逆方向から、前記光学素子のいずれかのレンズに、その光軸（主光線）が、前記レンズの配列方向に直交する方向では、その前記回転対称軸に対して前記上流側からの光が入射した位置と同じ側にあるように、かつ、前記レンズの配列方向では前記レンズの前記回転対称軸と一致するように、さらに、前記回転対称軸と平行になるように入射させることにより、光の光路を、途中で折り返された２層構造としたことを特徴とする導波路。

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