JP4952998B2

JP4952998B2 - 光学素子ユニット及びレンズ

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Publication number: JP4952998B2
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Description

本発明は、例えば光ファイバやＳＨＧ素子などの端面に収束光を照射できる光学素子ユニット及びレンズに関する。

半導体レーザから照射されたレーザ光を、集光光学系を介して光伝送路を形成する光ファイバやＳＨＧ素子等（光ファイバ等という）の端面に集光させる半導体光源モジュールが知られている。

ところで、半導体レーザや光ファイバから出力した光束を、ＳＨＧ素子の導波路や光ファイバの端面に入射させるとき、導波路に光源を集光させるためのレンズが必要となる。しかるに、例えばシングルモードファイバでは、コア径もしくはモードフィールド径が10μｍ以下、マルチモードファイバでも50μｍ程度であり、更にＳＨＧ素子などの光導波路では数μｍのものもある。この微小領域に光を入射させる必要があるので、半導体レーザやレンズや導波路等の光学要素の調整も、そのレベルで行わなくてはならない。このためパッシブアライメントで結合性能を出すことは難しく、かつ歩留まりも悪くなるという問題がある。

これに対し、特許文献１には、半導体レーザから照射されたレーザ光を、集光光学系を介して光ファイバ等の端面に集光させる際に、端面からの反射光もしくは光伝送路を通過中の光を検出して、集光光学系を光軸直交方向に駆動させ、それにより光ファイバ等の端面に適切にスポットを集光させる技術が開示されている。
特開２００３−３３８７９５号公報

ところで、光源からの光束を光ファイバの端面やＳＨＧ素子の導波路等に集光させる光学系は、光源をコリメートするレンズと、コリメート光を導波路にカップリングさせるレンズの２枚以上の構成であると望ましい。１枚レンズだと、レンズを駆動調整したときに発生する収差により結合劣化を起こす恐れがあり、また、レンズ駆動調整感度が大きくなってしまうからである。これに対し、複数のレンズ構成を採用する場合、各レンズを３次元的に変位させることができれば、光束の集光位置を理想的に調整できる。しかしながら、各レンズを３次元的に変位させる駆動装置は構成が複雑且つ大型となるため、例えばレンズの駆動方向を制限して駆動装置の構成を極力簡素化したいという要請がある。

ここで、レンズの駆動方向について検討する。図２５は、光ファイバの端面径5μｍに波長0.1μｍの光源が結合している時、スポットが光軸方向にずれた時と光軸垂直方向にずれた時の結合効率劣化量を示した図である。図２５より、結合効率劣化が50％になる時のずれ量は、光軸方向ずれが±40μｍに対し光軸直交方向ずれは±5μｍ程度である。このように光軸方向ずれ感度に対して光軸直交方向ずれ感度の方が許容量が低いので、レンズを駆動してスポット位置を調整する場合、光軸方向に駆動するよりも光軸垂直方向に駆動する方が効果が高いといえる。

そこで、例えば２つのレンズをアクチュエータで、それぞれ光軸に直交するＸ方向，並びに光軸及びＸ方向に直交するＹ方向に駆動補正することを検討する。かかる駆動によれば、Ｘ方向とＹ方向のスポットずれを補正することができる。

ここで、レンズをＸ方向又はＹ方向に変位させると、像面湾曲によりフォーカス位置が光軸方向に移動してしまう。しかるに、駆動装置の簡略化のため、レンズを光軸方向に駆動しない場合、像面湾曲によるフォーカス位置の調整を行うことができないから、スポット径が大きくなることを抑えられず、それにより微小なＳＨＧ素子の導波路や光ファイバの端面からはみ出してしまい、結果として結合効率が低下するという問題がある。

より具体的な例として、半導体レーザ側の第１のレンズをＸ方向に変位させ、ＳＨＧ素子側の第２のレンズをＹ方向に変位させて補正を行った場合について考察するに、Ｙ方向の変位は第２のレンズのみで行うので、半導体レーザ，第１のレンズ，ＳＨＧ素子にはＹ方向のアライメント誤差が生じる。この時、第２のレンズをＹ方向に変位させて補正を行ったとしても、第２のレンズにはＹ方向の偏心誤差が残った状態になる。偏心誤差が残った状態での光学系では収差発生により結合効率劣化し製造歩留りが低下してしまうこととなる。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、偏心誤差が残っても結合効率の劣化を抑えることができる光学素子ユニット及びレンズを提供することを目的とする。

請求項１に記載の光学素子ユニットは、所定波長の光束を出射する光源と、微細な入射開口との間に設けられ、前記光源から出射された光束を、前記入射開口に集光させる光学素子ユニットにおいて、
前記光源側に配置された第１のレンズと、前記入射開口側に配置された第２のレンズとを有し、
前記第１のレンズの前記光源側の光学面及び前記第２のレンズの前記入射開口側の光学面の少なくとも一方は非球面形状を有し、前記非球面形状と、それに光軸位置が一致する所定の軸上局所半径による球面形状との、光軸高さｈ_sagでの差をΔ_sagとしたときに、以下の式を満たすことを特徴とする。
６．５（μｍ）＜ Δ_sag ＜３０（μｍ）（１）
ｈ_sag ＝ｆｂ×ＮＡ_SHG×１．３＋０．１０（ｍｍ）（２）
ＮＡ_SHG ＝ α／ｆ（３）
但し、
ｆｂ：前記一方のレンズのバックフォーカス
α：前記一方のレンズに対する入射光束の１／ｅ²強度の光軸高さ
ｆ：前記一方のレンズの焦点距離

図１は、レンズの断面を示す模式図である。ここで、レンズＬが光源に近いレンズであれば光源と反対側、或いはレンズＬが入射開口に近い側のレンズであれば入射開口と反対側の光学面をＳ１とし、光源又は入射開口側の光学面をＳ２とする。点線で、軸上局所半径ｒによる球面形状を仮想的に示す。ここで、非球面形状である光学面Ｓ２と、球面形状との光軸高さｈ_sagでの差をΔ_sagとしたときに、差Δ_sagが（１）式の下限より大きくすることで、偏心誤差が残っても結合効率の劣化を抑えることができるレンズとすることができ、（１）式の上限より小さくすることで、サジタル面とメリジオナル面の像面のバランスを確保できる。尚、本明細書において、光源からの光束の断面が楕円形状である場合、「光軸高さ」はその長軸側にとるものとする。

更に、差Δ_sagが以下の式を満たすようにすると好ましい。
８．０μｍ＜ Δ_sag ＜２７μｍ（１’）

尚、第１レンズの焦点距離をｆ１、第２レンズの焦点距離をｆ２、光源の１／ｅ²強度出力の開口数をＮＡ_LDとすると、以下の関係が得られる。
ＮＡ_SHG ＝ｆ１／ｆ２×ＮＡ_LD （７）

請求項２に記載の光学素子ユニットは、所定波長の光束を出射する光源と、微細な入射開口との間に設けられ、前記光源から出射された光束を、前記入射開口に集光させる光学素子ユニットにおいて、
前記光源側に配置された第１のレンズと、前記入射開口側に配置された第２のレンズとを有し、
前記第１のレンズの前記光源側の光学面及び前記第２のレンズの前記入射開口側の光学面の少なくとも一方は非球面形状を有し、前記非球面形状と、それに光軸位置が一致する所定の軸上局所半径による球面形状との、光軸高さｈ_sagでの差をΔ_sagとしたときに、以下の式を満たすことを特徴とする。
８（μｍ）＜ Δ_sag ＜４０（μｍ）（４）
ｈ_sag ＝ｆｂ×ＮＡ_SHG×１．３＋０．１２（ｍｍ）（５）
ＮＡ_SHG ＝ α／ｆ（６）
但し、
ｆｂ：前記一方のレンズのバックフォーカス
α：前記一方のレンズに対する入射光束の１／ｅ²強度の光軸高さ
ｆ：前記一方のレンズの焦点距離

本発明によれば、差Δ_sagが（４）式の下限より大きくすることで、偏心誤差が残っても結合効率の劣化を抑えることができるレンズとすることができ、（４）式の上限より小さくすることで、サジタル面とメリジオナル面の像面のバランスを確保できる。尚、光軸高さｈ_sagを求める（１）、（４）式における最後の項（光軸方向ずれの公差範囲）は、仕様の異なるレンズの光軸ずれをの公差に対応したものであり、請求項１の発明との相違点は、０．１ｍｍか０．１２ｍｍかの違いであって、異なる位置から差Δ_sagを規定している。

更に、差Δ_sagが以下の式を満たすようにすると好ましい。
１２μｍ＜ Δ_sag ＜３７μｍ（４’）

請求項３に記載の光学素子ユニットは、請求項１又は２に記載の発明において、前記第１のレンズはコリメートレンズであることを特徴とするので、第２のレンズに平行光束を入射させることで、レンズの偏心公差を良好に確保できる。

請求項４に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記第２のレンズはコリメートレンズであることを特徴とするので、レンズの偏心公差を良好に確保できる。

請求項５に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記第１のレンズと前記第２のレンズとは同じ形状を有することを特徴とする。かかる場合、（７）式よりＮＡ_SHG ＝ＮＡ_LDとなる。

請求項６に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記第１のレンズ又は前記第２のレンズを光軸直交方向に駆動する駆動装置を有することを特徴とする。

請求項７に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、前記第１のレンズと前記第２のレンズのうち少なくとも一方はガラス製であることを特徴とする。ガラスレンズを使用することで温度による焦点シフトを抑えることができる。従って、温度が変化しても補正のために光軸方向に変位させなくて済むので構成を簡略化できる。

請求項８に記載のレンズは、請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子ユニットに用いる前記第１のレンズ又は前記第２のレンズであって、上記（１）式及び（４）式を満たすことを特徴とする。

請求項９に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記光学素子ユニットは第２高調波発生装置に用いられることを特徴とする。第２高調波発生装置としては、分極反転素子を用いたものがある。

請求項１０に記載の光学素子ユニットは、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記光学素子ユニットは光送受信装置に用いられることを特徴とする。光送受信装置とは、例えば光ファイバを用いて光を送受するものをいい、送信のみ行うもの又は受信のみ行うものを含む。

本発明によれば、偏心誤差が残っても結合効率の劣化を抑えることができる光学素子ユニット及びレンズを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図２は、本実施の形態にかかる光学素子ユニットを含む半導体光源モジュールの概略構成図である。図２において、ベースＢＳには、半導体光源である半導体レーザＬＤと、正の屈折力を有する半導体レーザＬＤ側のレンズＬ１と、第２高調波発生装置Ｈ２と、一部の光のみを反射し残りを透過するハーフミラーＭＲと、ハーフミラーＭＲからの反射光を受光し、受光量に応じて制御回路ＣＮＴに信号を送信する受光素子ＰＤとが固定的に配置されている。又、ベースＢＳ上に配置された駆動機構（駆動手段ともいう）ＤＲは、制御回路ＣＮＴの信号に応じて、第２高調波発生装置Ｈ２側のレンズＬ２と開口絞りＳとを光軸直交方向に駆動するようになっている。なお、レンズＬ１とレンズＬ２とで光学素子ユニットを構成する。

本実施の形態は、ガラス製であって同一形状のコリメートレンズであるレンズＬ１とレンズＬ２を反転して用いており、即ち、レンズ１の半導体レーザＬＤ側の光学面と、レンズＬ２の第２高調波発生装置Ｈ２側の光学面は、同一の非球面形状となっている。ここで、かかる非球面形状と、それに光軸位置が一致する所定の軸上局所半径による球面形状との、光軸高さｈ_sagでの差をΔ_sagとしたときに、以下の式を満たす。
６．５（μｍ）＜ Δ_sag ＜３０（μｍ）（１）
ｈ_sag ＝ｆｂ×ＮＡ_SHG×１．３＋０．１０（ｍｍ）（２）
ＮＡ_SHG ＝ α／ｆ（３）
但し、
ｆｂ：前記一方のレンズのバックフォーカス
α：前記一方のレンズに対する入射光束の１／ｅ²強度の光軸高さ
ｆ：前記一方のレンズの焦点距離

更に、レンズＬ１，Ｌ２の非球面形状と、それに光軸位置が一致する所定の軸上局所半径による球面形状との、光軸高さｈ_sagでの差をΔ_sagとしたときに、以下の式を満たす。
８（μｍ）＜ Δ_sag ＜４０（μｍ）（４）
ｈ_sag ＝ｆｂ×ＮＡ_SHG×１．３＋０．１２（ｍｍ）（５）
ＮＡ_SHG ＝ α／ｆ（６）
但し、
ｆｂ：前記一方のレンズのバックフォーカス
α：前記一方のレンズに対する入射光束の１／ｅ²強度の光軸高さ
ｆ：前記一方のレンズの焦点距離

図３は、第２高調波発生装置Ｈ２の斜視図である。第２高調波発生装置Ｈ２は、図３に示すように、ベースＢＳ上に取り付けられた熱電冷却装置ＨＣと、レンズＬ２に集光されて光導波路（光伝送路ともいう）ＨＴの一端側に入射されたレーザ光の第２高調波を生成する光導波路型ＳＨＧ素子ＨＳと、光導波路型ＳＨＧ素子ＨＳを支持する支持体ＨＤと、光導波路型ＳＨＧ素子ＨＧを支持した状態の支持体ＨＤを覆うカバーＨＶとが備えられている。支持体ＨＤには、光導波路型ＳＨＧ素子ＨＳを載置するための溝ＨＧが形成されている。

光導波路型ＳＨＧ素子ＨＳは、光導波路ＨＴを通過する光を、非線形光学結晶を用いて第二高調波に変換して出力する特性を有し、特開２００３−３３８７９５号公報等に記載されており、良く知られているので詳細は説明しない。光導波路ＨＴの入射開口径は１μｍ以上１５μｍ以下である。

図４は、駆動装置ＤＲの斜視図である。レンズＬ２と開口絞りＳとは、レンズホルダＤＨにより保持されており、一体的に移動するようになっている。可動部材となるレンズホルダＤＨは、駆動力を受ける連結部ＤＨａを有している。

連結部ＤＨａには、四角柱状のＸ軸駆動軸ＸＤＳと対応する形状を有し且つそれに接する角溝ＤＨｂが設けられ、また角溝ＤＨｂとの間にＸ軸駆動軸ＸＤＳを挟むようにして板ばねＸＳＧが取り付けられている。連結部ＤＨａと板ばねＸＳＧとの間で挟持された駆動部材であるＸ軸駆動軸ＸＤＳは、レンズＬ２の光軸に直交する方向（Ｘ軸方向）に延在しており、板ばねＸＳＧの付勢力で適度に押圧されている。Ｘ軸駆動軸ＸＤＳの一端は自由端であり、その他端は、電気機械変換素子であるＸ軸圧電アクチュエータＸＰＺに連結されている。Ｘ軸圧電アクチュエータＸＰＺは、連結部ＰＺａを有している。

連結部ＰＺａには、四角柱状のＹ軸駆動軸ＹＤＳと対応する形状を有し且つそれに接する角溝ＰＺｂが設けられ、また角溝ＰＺｂとの間にＹ軸駆動軸ＹＤＳを挟むようにして板ばねＹＳＧが取り付けられている。連結部ＰＺａと板ばねＹＳＧとの間で挟持された駆動部材であるＹ軸駆動軸ＹＤＳは、レンズＬ２の光軸及びＸ軸方向に直交するように延在しており、板ばねＹＳＧの付勢力で適度に押圧されている。Ｙ軸駆動軸ＹＤＳの一端は自由端であり、その他端は、電気機械変換素子であるＹ軸圧電アクチュエータＹＰＺに連結されている。Ｙ軸圧電アクチュエータＹＰＺは、ベースＢＳに取り付けられている。圧電アクチュエータＸＰＺ、ＹＰＺと、駆動軸ＸＤＳ、ＹＤＳと、連結部ＤＨａ、ＰＺａと、板ばねＸＳＧ、ＹＳＧとで駆動装置ＤＲを構成する。

圧電アクチュエータＸＰＺ、ＹＰＺは、ＰＺＴ(ジルコン・チタン酸鉛)などで形成された圧電セラミックスを積層してなる。圧電セラミックスは、その結晶格子内の正電荷の重心と負電荷の重心とが一致しておらず、それ自体分極していて、その分極方向に電圧を印加すると伸びる性質を有している。しかし、圧電セラミックスのこの方向への歪みは微小であり、この歪み量により被駆動部材を駆動することは困難であるため、図５に示すように、複数の圧電セラミックスＰＥを積み重ねてその間に電極Ｃを並列接続した構造の積層型圧電アクチュエータが実用可能なものとして提供されている。本実施の形態では、この積層型圧電アクチュエータＰＺを駆動源として用いている。

次に、このレンズＬ２の駆動方法について説明する。一般に、積層型圧電アクチュエータは、電圧印加時の変位量は小さいが、発生力は大でその応答性も鋭い。したがって、圧電アクチュエータＸＰＺに、図６（ａ）に示すように立ち上がりが鋭く立ち下がりがゆっくりとした略鋸歯状波形のパルス電圧を印加すると、圧電アクチュエータＸＰＺは、パルスの立ち上がり時に急激に伸び、立ち下がり時にそれよりもゆっくりと縮む。したがって、圧電アクチュエータＸＰＺの伸長時には、その衝撃力でＸ軸駆動軸ＸＤＳが図４の手前側へ押し出されるが、レンズＬ２を保持したレンズホルダＤＨの連結部ＤＨａと板ばねＸＳＧは、その慣性により、Ｘ軸駆動軸ＸＤＳと一緒には移動せず、Ｘ軸駆動軸ＸＤＳとの間で滑りを生じてその位置に留まる（わずかに移動する場合もある）。一方、パルスの立ち下がり時には立ち上がり時に比較してＸ軸駆動軸ＸＤＳがゆっくりと戻るので、連結部ＤＨａと板ばねＸＳＧがＸ軸駆動軸ＸＤＳに対して滑らずに、Ｘ軸駆動軸ＸＤＳと一体的に図４の奥側へ移動する。即ち、周波数が数百から数万ヘルツに設定されたパルスを印加することにより、レンズＬ２及び開口絞りＳを保持したレンズホルダＤＨを、Ｘ軸方向に所望の速度で連続的に移動させることができる。尚、以上より明らかであるが、図６（ｂ）に示すように電圧の立ち上がりがゆっくりで、立ち下がりが鋭いパルスを印加すれば、レンズホルダＤＨを逆の方向へ移動させることができる。本実施の形態では、Ｘ軸駆動軸ＸＤＳを四角柱状（回り止め機構）としているので、レンズホルダＤＨの回り止め機能が発揮され、レンズＬ２のチルトが抑制されるので、別個にガイド軸を設ける必要はない。

同様に、圧電アクチュエータＹＰＺに、図６（ａ）に示すように立ち上がりが鋭く立ち下がりがゆっくりとした略鋸歯状波形のパルス電圧を印加すると、圧電アクチュエータＹＰＺは、パルスの立ち上がり時に急激に伸び、立ち下がり時にそれよりもゆっくりと縮む。したがって、圧電アクチュエータＹＰＺの伸長時には、その衝撃力でＹ軸駆動軸ＹＤＳが図４の上側へ押し出されるが、圧電アクチュエータＸＰＺの連結部ＰＺａと板ばねＹＳＧは、その慣性により、Ｙ軸駆動軸ＹＤＳと一緒には移動せず、Ｙ軸駆動軸ＹＤＳとの間で滑りを生じてその位置に留まる（わずかに移動する場合もある）。一方、パルスの立ち下がり時には立ち上がり時に比較してＹ軸駆動軸ＹＤＳがゆっくりと戻るので、連結部ＰＺａと板ばねＹＳＧがＹ軸駆動軸ＹＤＳに対して滑らずに、Ｙ軸駆動軸ＹＤＳと一体的に図４の下側へ移動する。即ち、周波数が数百から数万ヘルツに設定されたパルスを印加することにより、圧電アクチュエータＸＰＺをレンズホルダＤＨと共に、Ｙ軸方向に所望の速度で連続的に移動させることができる。尚、以上より明らかであるが、図６（ｂ）に示すように電圧の立ち上がりがゆっくりで、立ち下がりが鋭いパルスを印加すれば、圧電アクチュエータＸＰＺをレンズホルダＤＨと共に逆の方向へ移動させることができる。本実施の形態では、Ｙ軸駆動軸ＹＤＳを四角柱状（回り止め機構）としているので、圧電アクチュエータＸＰＺの回り止め機能が発揮され、レンズＬ２のチルトが抑制されるので、別個にガイド軸を設ける必要はない。

図７は、スポット光軸方向ずれとＳＨＧ素子の結合効率の関係を示すグラフである。一般的にレーザ光束の光量は、その中心が最大となるガウシアン分布を有している。従って、レーザ光束の主光線と、ＳＨＧ素子の光伝送路の中心が一致しなければ、結合効率は低下する。レーザ光束の主光線とＳＨＧ素子の光伝送路の中心が一致した状態で結合効率を１００％とし、そこからスポットが光軸方向にずれたとすると、図７に示すように結合効率が低下する。但し、結合効率の低下は、光伝送路の入射開口のサイズによって異なり、入射開口が５μｍ×５μｍの場合、スポットの光軸が１０μｍずれると結合効率は９３％に低下するだけだが、入射開口が５μｍ×２μｍの場合、スポットの光軸が１０μｍずれると結合効率は５０％に低下し、更に入射開口が２μｍ×２μｍの場合、スポットの光軸が１０μｍずれると結合効率は２６％まで低下してしまう。従って、スポットの光軸方向ずれを極力抑える必要がある。

本実施の形態にかかる半導体光源モジュールの動作について説明する。半導体レーザＬＤから波長λのレーザ光を出射すると、かかるレーザ光は第１レンズＬ１で略平行光束に変換され、開口絞りＳを通過して、第２レンズＬ２で集光されて、第２高調波発生装置Ｈ２の光伝送路に入射する。ここで、第２高調波に変換され、すなわち半分の波長（λ／２）を有する変換光束が、第２高調波発生装置Ｈ２から出射され、その変換光束の一部がハーフミラーＭＲで反射され、残りは外部へと出力されるようになっている。

ハーフミラーＭＲで反射された変換光束は、受光素子ＰＤの受光面に入射する。ここで、受光素子ＰＤの受光面の中央が、光伝送路の中心に対応する。従って、光伝送路の中心を、入射光束の主光線が通過したときは、受光面に結像するスポット光ＳＢの中心が、受光面の中心と一致するようになり、それにより結合効率は最大となる。これに対し、光伝送路の中心を、入射光束の主光線が通過しないと、図８に示すように、スポット光ＳＢの中心が、受光面の中心と不一致の状態となる。そこで、レンズＬ２の駆動を行い、入射光束の主光線の光軸を曲げるか、或いは平行移動させて、スポット光ＳＢの中心が、受光面の中心と一致するようにする。

より具体的な制御態様を説明すると、図８に示す状態では、受光部ＰＤａの受光量が最も高いことがわかるので、制御回路ＣＮＴが駆動装置ＤＲを駆動して、レンズＬ２をＸ軸方向に駆動する。すると、それに応じてスポット光ＳＢの光線強度ピーク領域ＬＭＸが移動して、受光部ＰＤｂの受光量が高くなる。受光部ＰＤａの受光量と、受光部ＰＤｂの受光量がほぼ等しくなったときに、駆動装置ＤＲの駆動を停止しレンズＬ２を静止させる。かかる状態で、受光部ＰＤｃの受光量と受光部ＰＤｄの受光量とに差がある場合、ほぼ等しくなるように、レンズＬ２をＹ軸方向に駆動する。すると、それに応じてスポット光ＳＢの光線強度ピーク領域ＬＭＸが移動して、受光部ＰＤａの受光量と、受光部ＰＤｂの受光量がほぼ等しくなり、且つ受光部ＰＤｃの受光量と、受光部ＰＤｄの受光量がほぼ等しくなれば、スポット光ＳＢの光線強度ピーク領域ＬＭＸと、受光面の中心とが一致したものと判断できる。なお、検出精度を高めるため、受光素子ＰＤが受光量を検出しているときは、レンズＬ２の駆動を行わないことが望ましい。

このとき、レンズＬ２の光軸直交方向における変位によってビームウエストの位置が変化し、フォーカス位置が変位前の状態から光軸方向にずれることとなる。しかしながら、上述したように、レンズＬ１，Ｌ２は（１）式又は（４）式を満たすので、偏心誤差が残っても結合効率の劣化を抑えることができる。

（実施例）
次に、比較例と対比して実施例について述べる。尚、これ以降（表のレンズデータ含む）において、１０のべき乗数（例えば、２．５×１０^-3）を、Ｅ（例えば、２．５Ｅ―３）を用いて表すものとする。

実施例にかかる光学系の光学面は、それぞれ「数１」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。

但し、
Ｚ（ｈ）：非球面形状（非球面の面頂点から光軸に沿った方向の距離、光の進行方向を正とする）
ｈ：光軸垂直方向の高さ（ｈ＝（ｘ²＋ｙ²）^1/2とする。ここで、ｘとｙはそれぞれ光軸からの距離を表し、光軸に垂直な面内において互いに直交する方向にとるものとする。）
ｒ：曲率半径
ｋ：コーニック係数
Ａ₂，Ａ₄，Ａ₆，Ａ₈，Ａ₁₀：非球面係数

図２の実施の形態に用いることができる、比較例のレンズデータを表３に示し、実施例１のレンズデータを表４に示し、実施例２のレンズデータを表５に示し、実施例３のレンズデータを表２に示し、実施例４のレンズデータを表１に示し、実施例５のレンズデータを表６に示す。

図９は、横軸に短い共役長側の光学面の光軸からの高さをとり、縦軸にΔ_sagをとり、比較例及び実施例１〜４について、ｈ_sag＝ｆｂ×ＮＡ_SHG×１．３＋０．１０（ｍｍ）までプロットしたグラフである。実施例１〜４については、光軸からの高さがｈ_sagのとき、６．５（μｍ）＜Δ_sag＜３０（μｍ）の範囲に含まれているが、比較例の場合はΔ_sag＝５μｍであるから、その範囲に含まれない。

図１０は、横軸に短い共役長側の光学面の光軸からの高さをとり、縦軸にΔ_sagをとり、比較例及び実施例１〜４について、ｈ_sag＝ｆｂ×ＮＡ_SHG×１．３＋０．１２（ｍｍ）までプロットしたグラフである。実施例１〜４については、光軸からの高さがｈ_sagのとき、８（μｍ）＜Δ_sag＜４０（μｍ）の範囲に含まれているが、比較例の場合はΔ_sag＝７μｍであるから、その範囲に含まれない。

図１１は、半導体モジュール装置の概略を示す図であり、ここでは半導体レーザＬＤのモードフィールド半径を、Ｘ方向：２．５μｍ、Ｙ方向：１．０μｍとし、ＳＨＧ素子の入射開口を、Ｘ方向：２．０μｍ、Ｙ方向：１．５μｍとしている。図１２〜１７において、（ａ）は、比較例及び実施例１〜５のレンズＬ１をＸ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、比較例及び実施例１〜４のレンズＬ１をＹ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す。

図から明らかなように、比較例においては、レンズＬ１をＸ方向にシフトさせた場合、シフト量が０．０５ｍｍのときにＸ方向のビームウエスト位置が０．００９ｍｍとなり、レンズＬ１をＹ方向にシフトさせた場合、シフト量が０．０５ｍｍのときにＹ方向のビームウエスト位置が０．００９ｍｍとなり、デフォーカス量が大きくなりすぎる。これに対し、実施例１〜５においては、レンズＬ１をＸ方向にシフトさせた場合、シフト量が０．０５ｍｍのときに最大でもＸ方向のビームウエスト位置が０．００３ｍｍ以下であり、レンズＬ１をＹ方向にシフトさせた場合、シフト量が０．０５ｍｍのときに最大でもＹ方向のビームウエスト位置が０．００３ｍｍ以下であり、光軸方向ずれの許容公差を大きく確保できる。

図１８は、半導体モジュール装置の概略を示す図であり、ここでは半導体レーザＬＤのモードフィールド半径を、Ｘ方向：２．５μｍ、Ｙ方向：１．０μｍとし、ＳＨＧ素子の入射開口を、Ｘ方向：２．０μｍ、Ｙ方向：１．５μｍとしている。図１９〜２３において、（ａ）は、比較例及び実施例１〜５のレンズＬ１及びレンズＬ２をＸ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、比較例及び実施例１〜４のレンズＬ１及びレンズＬ２をＹ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す。

図から明らかなように、比較例においては、レンズＬ１、Ｌ２をＸ方向に逆向きにシフトさせた場合、シフト量が０．０５ｍｍのときにＸ方向のビームウエスト位置が０．０１１ｍｍとなり、レンズＬ１をＹ方向にシフトさせた場合、シフト量が０．０５ｍｍのときにＹ方向のビームウエスト位置が０．０１１ｍｍとなり、デフォーカス量が大きくなりすぎる。これに対し、実施例１〜５においては、レンズＬ１、Ｌ２をＸ方向に逆向きにシフトさせた場合、シフト量が０．０５ｍｍのときに最大でもＸ方向のビームウエスト位置が０．００４ｍｍ以下であり、レンズＬ１、Ｌ２をＹ方向に逆向きにシフトさせた場合、シフト量が０．０５ｍｍのときに最大でもＹ方向のビームウエスト位置が０．００４ｍｍ以下であり、光軸方向ずれの許容公差を大きく確保できる。

表７，８に、比較例と実施例１との対比結果を示す。比較例においては、表７に示すように、レンズＬ２の光軸方向ずれをレンズＬ１を光軸直交方向にシフトすることで補正しようとする場合、結合効率が９０％未満に低下しない限界値は、Ｘ方向で６６μｍ、Ｙ方向で７５μｍである。一方、半導体レーザと、ＳＨＧ素子の入射開口との軸ズレを、レンズＬ１を光軸直交方向にシフトすることで補正しようとする場合、結合効率が９０％未満に低下しない限界値は、Ｘ方向で８７μｍ、Ｙ方向で８１μｍである。

これに対し実施例１においては、表８に示すように、レンズＬ２の光軸方向ずれをレンズＬ１を光軸直交方向にシフトすることで補正しようとする場合、結合効率が９０％未満に低下しない限界値は、Ｘ方向で１２９μｍ、Ｙ方向で１５３μｍである。一方、半導体レーザと、ＳＨＧ素子の入射開口との軸ズレを、レンズＬ１を光軸直交方向にシフトすることで補正しようとする場合、結合効率が９０％未満に低下しない限界値は、Ｘ方向で１１４μｍ、Ｙ方向で１６２μｍである。以上より明らかであるが、実施例のレンズの場合、半導体レーザと、ＳＨＧ素子と、レンズの位置決め公差を広くすることができ、組付性に優れた半導体モジュールを提供できることがわかる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、第２高調波発生装置Ｈ２の代わりに、光ファイバを用いることもできる。この場合、光ファイバの端面が入射開口であり、その内部が光伝送路となる。更に、上述した実施の形態では、光学素子を変位させているが、半導体光源、光学素子、光伝送路のいずれか１つ以上を相対的に変位させても良いことはいうまでもない。また、受光素子で検出する光は、ＳＨＧ素子によって波長変換されずに光導波路から出射した（半導体光源と同じ波長の）光でも、ＳＨＧ素子によって波長変換された（例えば半導体光源の波長の１／２の）光のいずれでも良い。

レンズの断面を示す模式図である。本実施の形態にかかる半導体光源モジュールの概略構成図である。第２高調波発生装置Ｈ２の斜視図である。駆動装置ＤＲの斜視図である。複数の圧電セラミックスＰＥを積み重ねてその間に電極Ｃを並列接続した構造の積層型圧電アクチュエータＰＺを示す斜視図である。圧電アクチュエータＰＺに印加される電圧パルスの波形を示す図である。ＳＨＧ素子の結合効率の例を示すグラフである。受光素子ＰＤの受光面を概略的に示す図である。横軸に短い共役長側の光学面の光軸からの高さをとり、縦軸にΔ_sagをとり、比較例及び実施例１〜４について、ｈ_sag＝ｆｂ×ＮＡ_SHG×１．３＋０．１０（ｍｍ）までプロットしたグラフである。横軸に短い共役長側の光学面の光軸からの高さをとり、縦軸にΔ_sagをとり、比較例及び実施例１〜４について、ｈ_sag＝ｆｂ×ＮＡ_SHG×１．３＋０．１２（ｍｍ）までプロットしたグラフである。半導体モジュール装置の概略を示す図である。（ａ）は、比較例のレンズＬ１をＸ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、比較例のレンズＬ１をＹ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。（ａ）は、実施例１のレンズＬ１をＸ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、実施例１のレンズＬ１をＹ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。（ａ）は、実施例２のレンズＬ１をＸ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、実施例２のレンズＬ１をＹ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。（ａ）は、実施例３のレンズＬ１をＸ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、実施例３のレンズＬ１をＹ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。（ａ）は、実施例４のレンズＬ１をＸ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、実施例４のレンズＬ１をＹ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。（ａ）は、実施例５のレンズＬ１をＸ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、実施例４のレンズＬ１をＹ方向にシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。半導体モジュール装置の概略を示す図である。（ａ）は、比較例のレンズＬ１及びレンズＬ２をＸ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、比較例のレンズＬ１及びレンズＬ２をＹ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。（ａ）は、実施例１のレンズＬ１及びレンズＬ２をＸ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、実施例１のレンズＬ１及びレンズＬ２をＹ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。（ａ）は、実施例２のレンズＬ１及びレンズＬ２をＸ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、実施例２のレンズＬ１及びレンズＬ２をＹ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。（ａ）は、実施例３のレンズＬ１及びレンズＬ２をＸ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、実施例３のレンズＬ１及びレンズＬ２をＹ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。（ａ）は、実施例４のレンズＬ１及びレンズＬ２をＸ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、実施例４のレンズＬ１及びレンズＬ２をＹ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。（ａ）は、実施例５のレンズＬ１及びレンズＬ２をＸ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離及び像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示し、（ｂ）は、実施例４のレンズＬ１及びレンズＬ２をＹ方向に逆向きにシフトしたときの、像面からＸ方向のビームウエスト位置までの距離と、像面からＹ方向のビームウエスト位置までの距離を示す図である。光ファイバの端面径5μｍに波長0.1μｍの光源が結合している時、スポットが光軸方向にずれた時と光軸垂直方向にずれた時の結合効率劣化量を示した図である。

符号の説明

ＢＳベース
Ｃ電極
ＣＮＴ制御回路
ＤＨレンズホルダ
ＤＨａ連結部
ＤＨｂ角溝
ＤＲ駆動装置
Ｈ２高調波発生装置
ＨＣ熱電冷却装置
ＨＤ支持体
ＨＧ溝
ＨＳ素子
ＨＴ光導波路
ＨＶカバー
ＩＬ入射光束
Ｌ１，Ｌ２レンズ
Ｍレンズ
ＬＤ半導体レーザ
ＬＨレンズホルダ
ＬＭＸ光線強度ピーク領域
ＭＲハーフミラー
ＯＬ出射光束
ＰＤ受光素子
ＰＤａ受光部
ＰＤｂ受光部
ＰＤｃ受光部
ＰＤｄ受光部
ＰＥ圧電セラミックス
ＰＰ平行平板
ＰＳプリズム
ＰＺ圧電アクチュエータ
ＰＺａ連結部
ＰＺｂ角溝
Ｓ開口絞り
ＳＢスポット光
ＸＤＳＸ軸駆動軸
ＸＰＺＸ軸圧電アクチュエータ
ＹＤＳＹ軸駆動軸
ＹＰＺＹ軸圧電アクチュエータ

Claims

所定波長の光束を出射する光源と、微細な入射開口との間に設けられ、前記光源から出射された光束を、前記入射開口に集光させる光学素子ユニットにおいて、
前記光源側に配置された第１のレンズと、前記入射開口側に配置された第２のレンズとを有し、
前記第１のレンズの前記光源側の光学面及び前記第２のレンズの前記入射開口側の光学面の少なくとも一方は非球面形状を有し、前記非球面形状と、それに光軸位置が一致する所定の軸上局所半径による球面形状との、光軸高さｈ_sagでの差をΔ_sagとしたときに、以下の式を満たすことを特徴とする光学素子ユニット。
６．５（μｍ）＜ Δ_sag ＜３０（μｍ）（１）
ｈ_sag ＝ｆｂ×ＮＡ_SHG×１．３＋０．１０（ｍｍ）（２）
ＮＡ_SHG ＝ α／ｆ（３）
但し、
ｆｂ：前記一方のレンズのバックフォーカス
α：前記一方のレンズに対する入射光束の１／ｅ²強度の光軸高さ
ｆ：前記一方のレンズの焦点距離
所定波長の光束を出射する光源と、微細な入射開口との間に設けられ、前記光源から出射された光束を、前記入射開口に集光させる光学素子ユニットにおいて、
前記光源側に配置された第１のレンズと、前記入射開口側に配置された第２のレンズとを有し、
前記第１のレンズの前記光源側の光学面及び前記第２のレンズの前記入射開口側の光学面の少なくとも一方は非球面形状を有し、前記非球面形状と、それに光軸位置が一致する所定の軸上局所半径による球面形状との、光軸高さｈ_sagでの差をΔ_sagとしたときに、以下の式を満たすことを特徴とする光学素子ユニット。
８（μｍ）＜ Δ_sag ＜４０（μｍ）（４）
ｈ_sag ＝ｆｂ×ＮＡ_SHG×１．３＋０．１２（ｍｍ）（５）
ＮＡ_SHG ＝ α／ｆ（６）
但し、
ｆｂ：前記一方のレンズのバックフォーカス
α：前記一方のレンズに対する入射光束の１／ｅ²強度の光軸高さ
ｆ：前記一方のレンズの焦点距離
前記第１のレンズはコリメートレンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子ユニット。
前記第２のレンズはコリメートレンズであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子ユニット。
前記第１のレンズと前記第２のレンズとは同じ形状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学素子ユニット。
前記第１のレンズ又は前記第２のレンズを光軸直交方向に駆動する駆動装置を有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学素子ユニット。
前記第１のレンズと前記第２のレンズのうち少なくとも一方はガラス製であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子ユニット。
請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子ユニットに用いる前記第１のレンズ又は前記第２のレンズであって、上記（１）式及び（４）式を満たすことを特徴とするレンズ。
前記光学素子ユニットは第２高調波発生装置に用いられることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子ユニット。
前記光学素子ユニットは光送受信装置に用いられることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学素子ユニット。