JPH02150812A - 光回路結合素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光回路結合素子に関し、特に半導体レーザ等の
コヒーレント光源から発せられた光を。

光ファイバ等の光通信手段に導くための光回路結合素子
に関する。

（従来の技術） 長距離大容量の光フアイバ通信においては、光源として
コヒーレンシーの高い半導体レーザが用いられる。半導
体レーザから出射された光は効率良く光ファイバ等の光
通信手段に導かれる必要がある。

半導体レーザの出射光の遠視野像は通常縦に長く楕円化
している。このような光を通常の軸対象の光学レンズを
用いて集光するとやはり楕円状に集光してくる。そのた
め、この光を光ファイバのコアに入射させると、光ファ
イバの開口角は直円錐の形状なので光が円形に集光する
場合より結合効率が悪くなる。この点を解消するため、
様々な構成が考えられている。

従来より、透明な基板上にホログラムを形成したマイク
ロフレネルレンズを光回路結合素子に使用することが提
案されている（特公昭４７−４３６７０）　。

マイクロフレネルレンズを使用することにより。

従来のレンズでは難しかった球面収差の低減を達成し、
光源として使用される半導体レーザの楕円出射光の楕円
率を下げることができる。近年、マイクロフレネルレン
ズの作製には、計算機ホログラムが用いられるようにな
ってきた。ＩＣの製作と同様の手法により、透明基板上
にホログラムパターンを露光して形成し、ＩＣチップと
同じようにグイシングされる。計算機ホログラムは電子
ビームによってＥＢレジスト上に描画しても形成できる
。電子ビームの線量を変化させれば鋸歯状の回折格子が
得られ、はぼ１００％に近い回折効率を有するマイクロ
フレネルレンズを作製できる。

第８図は従来のマイクロフレネルレンズを用いて半導体
レーザからの出射光を光ファイバに導く様子を示す図で
ある。第８図の透明性基板７上に形成されたマイクロフ
レネルレンズ１３を用いれば、半導体レーザ５から出射
される楕円の光を。

光ファイバ６の断面上で円形となる光として出射させる
ことができる。すなわち、マイクロフレネルレンズ１３
を通過した光は光ファイバ６のコアに円形に集束する球
面波に変換される。言い換えると、この球面波は光ファ
イバ６のコアの中心を頂点とする直円錐をマイクロフレ
ネルレンズ１３で切断した錐体の形状に集束する。従っ
て、マイクロフレネルレンズ１３は、この直円錐の底面
の作る円の中心と頂点とを結ぶ線（以下では「直円錐の
中心線」と称する）の延長上に光ファイバ６のコアの中
心線が位置するように配置される。

（発明が解決しようとする課題） しかし第８図に示すマイクロフレネルレンズ１３を用い
ると出射側の光軸すなわち直円錐の中心線は、入射側の
光軸すなわち楕円状の入射光の中心線と一致しない。こ
のように非同軸型の構成とすると９次のような問題点を
生ずる。まず、対称性の悪い配置のため、マウント材料
の熱膨張などによって光軸にずれが生じやすい。また、
モジュールを組み立てる場合に位置や角度を決めるのが
困難となり、さらに、光学系全体がコンパクトにならな
い。

上述のような問題点を解決するため、２枚のマイクロフ
レネルレンズを使用することが考えられる。２枚のマイ
クロフレネルレンズを用いれば対称性のよい配置とする
ことが可能となる。さらには入射側の光軸と出射側の光
軸、すなわち直円錐の中心線とが同一線上に配された同
軸型の構成とすることも可能となる。

しかし２枚のマイクロフレネルレンズを用いて同軸構成
としても、新たな問題点を生じる。一般に光学系はそれ
を構成する光学素子の数が多くなると、それぞれのわず
かな位置ズレの累積によって系全体の精度が低下する。

上述のようにマイクロフレネルレンズを２枚にすること
により、この２つのマイクロフレネルレンズ間の位置ズ
レの問題が発生するのである。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであ
り１本発明の目的は、遠視野像が楕円形の入射光を直円
錐の一部をなす椎体の形状に収束する球面波に変えるこ
とができる対称性の良い配置が可能な素子であって、素
子を構成するマイクロフレネルレンズ間の位置が変化し
ない光回路結合素子を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の光回路結合素子は、透明性基板、該透明性基板
の一方の面に形成された第１のマイクロフレネルレンズ
、および該一方の面に対向する面に形成された第２のマ
イクロフレネルレンズを備え、該第１のマイクロフレネ
ルレンズに入射した光が該第２のマイクロフレネルレン
ズに投射されるので、上記の目的が達成される。

また１本発明の光回路結合素子は、コヒーレント光源か
ら入射する発散球面波を直円錐の一部をなす錐体の形状
に集束する球面波として出射する光回路結合素子であっ
て、該直円錐の底面が作る円の中心と該直円錐の頂点と
を結ぶ線と、該コヒーレント光源からの光の光軸とが同
一線上にあり。

前記第２のマイクロフレネルレンズが該直円錐を切断す
る面上に該切断された面の形状に前記第１のマイクロフ
レネルレンズが該入射光を投射することもできる。

さらに２本発明の光回路結合素子は透明性基板筒１及び
第２マイクロフレネルレンズ、並びに反射鏡を有し、該
第１及び該第２のマイクロフレネルレンズが該透明性基
板の一方の面に備えられ。

該反射鏡が該一方の面に対向する面に備えられ。

該第１のマイクロフレネルレンズがコヒーレント光源か
ら入射する発散球面波を該反射鏡で反射させた後該第２
のマイクロフレネルレンズ上に円形に投射し１該第２の
マイクロフレネルレンズが該円形に投射された光を直円
錐体状に集束する球面波として出射するとすることもで
きる。

（実施例） 第１図は本発明の光回路結合素子の一実施例を示す図で
ある。第１図は３本実施例の光回路結合素子３１によっ
て半導体レーザ５からの光が光ファイバ６に取り込まれ
る様子を表わしている。半導体レーザ５から出射された
発散球面波が直方体状の透明性基板７の一方の面３１ａ
に形成されたマイクロフレネルレンズ１１に入射する。

この面３１ａに対向する基板７の他方の面３１ｂにはマ
イクロレフネルレンズ２１が形成されている。半導体レ
ーザの出射光の遠視野像は通常楕円であるので、入射光
はマイクロフレネルレンズ１１上には楕円状に投射され
る。マイクロフレネルレンズ１１上にはこの入射光をマ
イクロフレネルレンズ２１上に円形に投射するようにホ
ログラムが形成されている。マイクロフレネルレンズ２
１上には。

円形に投射された光を、この投射された円を底面とする
直円錐体の頂点に集束する球面波上して出射するように
ホログラムが形成される。この直円錐体の頂点に光ファ
イバ６のコアの中心が位置し集束してくる球面波を効率
よく光フアイバ６内に取り込むことができる。本実施例
のように、光フアイバ側のマイクロフレネルレンズが光
ファイバのコアの中心線の延長線に垂直な場合は、半導
体レーザ側のマイクロフレネルレンズは入射した楕円光
を光フアイバ側のマイクロフレネルレンズ上に円形に投
射することが必要である。

第２図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ第１図の半導体レー
ザの接合面に平行な面（以下では「水平面」と称する）
と、接合面に垂直で光軸を含む面（以下では「垂直面」
と称する）とに於ける様子を表わす図である。水平面で
はマイクロフレネルレンズｌｌ上に広がった光の幅はマ
イクロフレネルレンズ２１上での光の幅と同じである。

垂直面ではマイクロフレネルレンズｌｌ上に大きく広が
った光の幅は、水平面におけるマイクロフレネルレンズ
２１上での幅と同じ幅に修正される。第３図（ｂ）及び
（Ｃ）はそれぞれ第２図（ａ）及び（ｂ）のマイクロフ
レネルレンズ１１及び２１を光学レンズに置き換えた図
である。第３図（ａ）は第３図（ｂ）及び（Ｃ）に於け
るそれぞれの光学レンズをさらに２枚の光学レンズに置
き換えた図である。第３図（ａ）に於いて、実線は垂直
面に於ける様子を表わし、破線は水平面における様子を
表わす。

入射光はまず通常の軸対称の光学レンズである集光レン
ズ１により平行光線に変えられる。レンズ３はシリンド
リカルレンズであって半導体レーザの接合面に垂直な方
向（以下では「垂直方向」と称する）にのみ、凸レンズ
として作用し、半導体レーザの接合面に平行であって光
軸に垂直な方向には（以下では「水平方向」と称する）
にはレンズとして作用しない。光は、垂直方向にのみ縮
められ、レンズ３を通過後距離βだけ進んだレンズ４上
では円形に修正される。レンズ４は垂直方向にのみ凹レ
ンズとして作用するシリンドリカルレンズであり、水平
方向にはレンズとしては作用しない。レンズ３によって
円形に修正された光は。

レンズ４によって円形を保ったまま平行光線に変えられ
て対物レンズ２に達する。対物レンズ２は通常の軸対称
の光学レンズであり、レンズ３によって円形にされた平
行光線はその円形を保ったまま直円錐体状に集束する球
面波に変換され、光ファイバの端面のコアに集光される
。

このように４枚のレンズ１〜４を使えば、楕円光は円形
に修正されるが、これらのレンズを合成することによっ
てレンズの数を減らすことができる。第３図（ｂ）及び
第３図（Ｃ）に示された第ルンズ１０はレンズ１とレン
ズ３とを合成したものであり、第２レンズ２０はレンズ
２とレンズ４とを合成したものである。第３図（ｂ）に
示すように、水平面では、２つのシリンドリカルレンズ
３及び４の作用は全く現れておらず、第ルンズｌＯの水
平方向の焦点路Ｆｉｎ　ｆ　ｌ　ＩＩは集光レンズ１の
焦点距離ｆ。

に等しい。

ｒｔｏ＝ｆ＋　　　　・・・（１） また、第２レンズ２０の水平方向の焦点路Ａｔ１ｒｚ。

も、対物レンズ２の焦点距離ｆｔに等しい。

ｆ２Ｈ＝［、・・・（２） 第３図（Ｃ）に示すように、垂直面に於いては２つのシ
リンドリカルレンズ３及び４の作用が現れ。

第ルンズ１０の垂直方向の焦点距離ｆＩｖはレンズ３の
垂直方向の焦点距離をｆｌＶとするとで表わされ、第２
レンズ２０の垂直方向焦点距離ｒｚｖはレンズ４の垂直
方向の焦点距離をｆ４Ｖとすると で表わされる。

シリンドリカルレンズの焦点距離ｆ３Ｖ及びｆ４Ｖは次
のようにして求められる。半導体レーザの出射光の遠視
野像の楕円に於いて、長袖の短軸に対する比率をｅとす
ると ｆ、１ｗ＝　　ｅ　ｒａｗ　（ｅ＞１．ｆ４ｙ＜０）”
（５）レンズ３とレンズ４の距離ｌは １　＝　ｆ　３Ｖ＋　ｆ　４Ｖ　　　”４６）これらの
関係から （３）、　（４）、　（７）式によってｆｌＶ及びｒｚ
ｖが求められる。

マイクロフレネルレンズ１１．２１に形成されるホログ
ラムの水平方向の径及び垂直方向の径はフレネルゾーン
プレートの式 のｆにそれぞれｆ　ｌＶ＋　　ｆ　！Ｖ＋　　ｆ　ｔｕ
ｔ　　ｆ　ｔＨを代入して得られる。ここでｎはゾーン
の次数、λはレーザ光の波長である。第１図に示す光回
路結合素子３１はこのようにして計算で得られたマイク
ロフレネルレンズ１１．２１が用いられている。

第４図〜第６図に、半導体レーザから発せられた光の一
部が半導体レーザ側に近い方のマイクロフレネルレンズ
の反射によって再びレーザに戻るのを防いで雑音の発生
を防止した実施例を示す。

いずれの場合も透明性基板７の両面にホログラムによる
マイクロフレネルレンズが１１．２１形成されており、
光回路結合素子の半導体レーザ５に近い方のマイクロフ
レネルレンズの面と、レーザの出射光の光軸との交点に
立てた法線とがレーザの出射光の光軸に一致しないよう
にされている。

第４図に示す光回路結合素子３２は互いに平行な面をも
つ透明性基板上にマイクロフレネルレンズ１１．２１が
形成されたものである。第５図は。

光回路結合素子３３の２つのマイクロフレネルレンズ１
１．２１のうち、半導体レーザ５に近い方のマイクロフ
レネルレンズ１１のみを、レーザ光の光軸に垂直にはせ
ず、傾斜させた例である。第６図の光回路結合素子３４
は半導体レーザ５に近い方の面を凸レンズ状にし、その
上にマイクロフレネルレンズ１１を形成したもので、レ
ーザ光の光軸（実線）と凸レンズ状部の中心軸（破線）
はオフセットｈだけずらせである。いずれの光回路結合
素子３２〜３４も、レーザ側のマイクロフレネルレンズ
１１の面はレーザ光の光軸に対して垂直ではないので、
光ファイバ６に近い方のマイクロフレネルレンズ２１に
はその傾きを修正するようにホログラムが形成されてい
る。第５図及び第６図の光回路結合素子３３及び３４で
は、ファイバ側の面が光軸に対して垂直なので、楕円状
に放射されたレーザ光はレーザ側のマイクロフレネルレ
ンズ１１によって光フアイバ側のマイクロフレネルレン
ズ２１上に円形となるように投射される。

そうすることによって出射光を直円錐体状に集束する球
面波とすることができる。第４図の光回路結合素子３２
では、光フアイバ側のマイクロフレネルレンズ２１の存
在する面が出射光の光軸に垂直ではない。それ故、出射
光を直円錐体の一部をなす錐体の形状に集束する球面波
とするために。

マイクロフレネルレンズ１１は、入射したレーザ光を直
円錐体をマイクロフレネルレンズ２１の面で切った断面
の形状でマイクロフレネルレンズ２１上に投射するよう
にされている。

第７図に、２つのマイクロフレネルレンズ１１゜２１が
透明性基板７の同一面上に配された実施例を示す。レン
ズ１１．２１が形成された面と対向する基板７の面には
反射鏡１４が形成されている。

半導体レーザ５から楕円状に出射された光は、”フィク
ロフレネルレンズ１１によって反射鏡１４に導かれ１反
射鏡１４によって反射されてマイクロフレネルレンズ２
１上に投射される。このとき光はマイクロフレネルレン
ズ２１上に円形で投射され、この円形を底面とする直円
錐体の形状に集束する球面波として出射され、光ファイ
バ６のコア部の中心である直円錐体の頂点に集光される
。本実施例のような光回路結合素子を用いることにより
、半導体レーザ５と光ファイバ６とを一体型にマウント
できるので、コンパクトなモジュールが構築できる。

（発明の効果） 本発明の光回路結合素子を用いればコヒーレント光源か
らの発散球面波を直円錐体の一部をなす錐体の形状に集
束する球面波として出射して光ファイバのコア上に焦点
を結ばせることができ、しかも対称性の良い配置が可能
となる。

また２本発明の光回路結合素子はこのように透明性基板
上に２つのマイクロフレネルレンズが形成され、２つの
マイクロフレネルレンズ間の位置ずれが解消され、光源
と光ファイバとの結合効率の低下が防止される。

４　゛　の　−なｉ゛日 第１図は本発明の一実施例を示す光回路結合素子によっ
てレーザ光が光ファイバに導かれる様子を模式的に示す
斜視図、第２図（ａ）及び（ｂ）は第１図の水平面及び
垂直面に於ける光が集束する様子を示す模式図、第３図
（ａ）〜（Ｃ）は第２図のマイクロフレネルレンズを光
学レンズに置き換えて説明するための図、第４図〜第７
図はそれぞれ他の実施例を示す断面図、第８図はマイク
ロフレネルレンズを用いてレーザ光を光ファイバに導（
従来の構成の説明図である。

１・・・集光レンズ、２・・・対物レンズ、３・・・シ
リンドリカル凸レンズ、４・・・シリンドリカル凹レン
ズ。

５・・・半導体レーザ、６・・・光ファイバ、７・・・
透明性Ｍ板、　　　１１，１３．２１・・・マイクロフ
レネルレンズ、１４・・・反射鏡、　　３１〜３４・・
・光回路結合素子。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、透明性基板、該透明性基板の一方の面に形成された
   第１のマイクロフレネルレンズ、および該一方の面に対
   向する面に形成された第２のマイクロフレネルレンズを
   備え、該第１のマイクロフレネルレンズに入射した光が
   該第２のマイクロフレネルレンズに投射される光回路結
   合素子。 ２、コヒーレント光源から入射する発散球面波を直円錐
   の一部をなす錐体の形状に集束する球面波として出射す
   る光回路結合素子であって、該直円錐の底面が作る円の
   中心と該直円錐の頂点とを結ぶ線と、該コヒーレント光
   源からの光の光軸とが同一線上にあり、前記第２のマイ
   クロフレネルレンズが該直円錐を切断する面上に該切断
   された面の形状に前記第１のマイクロフレスルレンズが
   該入射光を投射する請求項１に記載の光回路結合素子。 ３、透明性基板、第１及び第２マイクロフレネルレンズ
   、並びに反射鏡を有し、該第１及び該第２のマイクロフ
   レネルレンズが該透明性基板の一方の面に備えられ、該
   反射鏡が該一方の面に対向する面に備えられ、該第１の
   マイクロフレネルレンズがコヒーレント光源から入射す
   る発散球面波を該反射鏡で反射させた後該第２のマイク
   ロフレネルレンズ上に円形に投射し、該第２のマイクロ
   フレネルレンズが該円形に投射された光を直円錐体状に
   集束する球面波として出射する光回路結合素子。