JPWO2009128317A1 - 光学モジュール及び光学ユニット - Google Patents

Abstract

光学モジュールの光源として用いられる半導体レーザは、レンズ面からの戻り光の影響を受けやすいことが知られている。従来、レンズの光軸と半導体レーザの光軸とをオフセットさせて解決していたが、非常に高精度でコストのかかる位置決め調整工程を必要としていた。そこで、本発明では、戻り光が少ないことで位置決め調整を不要とするレンズを提案し、低コストで半導体レーザの発振状態を通常特性の範囲内に抑えることが可能な光学モジュール及び光学ユニットを提供する。半導体レーザからの出射光が最初に入射する第１レンズとして、半導体レーザ側に凸面を向けた光学面を有するレンズを用いることで、光を発散させ、半導体レーザに戻る光の光強度を減少させることを特徴とする。

Description

本発明は、レーザ光源からの光を光ファイバへ結合させ、または、空間へ出射させ、または、該光に変調や波長変換などの処理を施す光学モジュール及び光学ユニットに関する。

一般に、光学モジュールの光源として用いられる半導体レーザは、戻り光の影響を受けやすいことが知られている。何らかの経路によって戻り光が半導体レーザの発振状態の活性層へ戻ると、戻り光も誘導放出を誘引するためレーザ利得を低下させ、入力電流とレーザ出力の関係や発振スペクトルの状態が通常特性の範囲から崩れるという現象が生じる。従って、半導体レーザの発振状態を通常特性の範囲内に抑えるには、戻り光の入射を極力抑制する必要があった。

半導体レーザを用いた光学モジュールについての戻り光の対策は、特許文献１に開示されているものが知られている。基板上に実装されたレーザと、光ファイバと、レーザ光を光ファイバの一方の端面の入射開口に入射させる結合光学系とを、一体に構成した光学モジュールにおいて、結合光学系を構成する光学部品のうち、レーザに最も近いレンズの光軸と、レーザ光の光軸が、一致しないように構成されている。このようにすることで、レンズからレーザへの戻り光の光強度を低減することができるので、レーザの動作を安定させ、光学モジュールの特性を安定させることができる。
特開平１１−２９５５５９号公報

上記特許文献１に記載の光学モジュールでは、半導体レーザに最も近いレンズの光軸と半導体レーザの光軸とのオフセット量が大きいとレンズを出射した光に収差が発生し、オフセット量が小さいと戻り光の光強度が多くなってしまう。従って、オフセット量を所定の狭い範囲内に収める必要があり、一般的な位置決め調整工程では難しく、非常に高精度でコストのかかる位置決め調整工程を必要とする。

そこで、本発明では、半導体レーザに最も近いレンズと、半導体レーザとの位置決め調整を不要とするレンズを提供することで、低コストで半導体レーザの発振状態を通常特性の範囲内に抑えることができる光学モジュール及び光学ユニットを提供することを目的とする。

上記の目的は、下記に記載する発明により達成される。

１．レーザ光源と、前記レーザ光源からの出射光が入射する少なくとも一つのレンズを有し、前記レーザ光源の光軸と前記レンズの光軸が凡そ一致する光学モジュールであって、前記出射光が入射するレンズの中で、前記出射光が最初に入射するレンズ（以下第１レンズと称す）は光源側に凸面を向けた光学面を有することを特徴とする光学モジュール。

２．前記レーザ光源の出射開口と、前記第１レンズの前記レーザ光源側の光学面までの距離は８ｍｍ以下であることを特徴とする前記１に記載の光学モジュール。

３．前記第１レンズの光源側の光学面の近軸曲率半径をｒ、前記第１レンズの焦点距離をｆとしたときに次の条件式を満たすことを特徴とする前記１または２に記載の光学モジュール。
０．５０＜ｒ／ｆ＜６．０ （１）
４．前記第１レンズの軸上厚をｄ、前記第１レンズの焦点距離をｆとしたときに、次の条件式を満たすことを特徴とする前記１から３のいずれかに記載の光学モジュール。
０．４０＜ｄ／ｆ＜１．３ （２）
５．前記第１レンズはコリメートレンズであることを特徴とする前記１から４のいずれかに記載の光学モジュール。

６．前記第１レンズの光源側の光学面は球面であることを特徴とする前記１から５のいずれかに記載の光学モジュール。

７．前記１から６のいずれかに記載の前記光学モジュールと、
前記光学モジュールから出射したレーザ光を結合させ、かつ出射させる導波構造と、
を有することを特徴とする光学ユニット。

本発明によれば、光学面から光源側へ反射する戻り光は発散させられ、光源の出射開口に入射する光が非常に少なくなる。従って、非常に高精度でコストのかかる位置決め調整工程を必要とせずに、戻り光が半導体レーザの発振特性に与える影響を非常に小さくすることができる。

光学モジュールの概要を表す図である。 光学モジュールの概要を表す図である。 光学ユニットの概要を表す図である。 レンズで反射した光の様子を表す図である。 レンズで反射した光の様子を表す図である。 導波構造から出射した光がレンズで反射する様子を表す図である。 半導体レーザとレンズとの距離と、戻り光の光強度の関係を示す図である。 ｒ／ｆと戻り光の光強度の関係を示す図である。 ｒ／ｆと戻り光の光強度の関係を示す図である。 ｒ／ｆが指標として妥当であることを示す図である。 レンズで反射した光の様子を表す図である。 実施例４のレンズ形状を示す説明図である。 実施例５のレンズ形状を示す説明図である。

符号の説明

１、２、３ 光学モジュール
１１ 半導体レーザ
１２，４１ レンズ
２１ コリメートレンズ
１３ 光ファイバ
３１ 導波路
５１、６２、７１ 第１レンズ
６１ 導波構造

本発明を実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。最初に第１の実施の形態について説明する。図１乃至図３に光学モジュールの例を示す。図１に示した光学モジュール１は、半導体レーザ１１からの出射光をレンズ１２を用いて光ファイバ１３へ結合させる機能を有す。図２に示した光学モジュール２は、コリメートレンズ２１を用いて半導体レーザ１１からの出射光を外部の空間へコリメート光として出射させる機能を有す。図３に示した光学ユニット３は、図１に示した光学モジュールを用いて、半導体レーザ１１からの出射光をレンズ１２を介して導波路３１に結合させ、導波路３１において変調を施したり、波長変換を施した後、コリメートレンズ２１を用いて外部の空間へ出射させる機能を有す。

なお、導波路とは、光の伝送方向に対して垂直方向に光を閉じ込めて伝送する機能を有する導波構造を表し、導波構造としては他に光ファイバがある。導波路を搭載したデバイスに導波路型ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）デバイスがある。

ここで、光源である半導体レーザ１１から出射した発散光が最初に入射するレンズ４１（第１レンズとも称す）が、図４に示すように、半導体レーザ１１側に凹面の光学面を向けている場合、半導体レーザ１１から出射した発散光は、その光学面にて収束するように反射される。すると半導体レーザ１１の光の出射開口に多くの光が戻るので、レーザ発振の共振器中に多くの光が入射することとなり、レーザ利得媒質内にて誘導放出を誘引し、レーザ光の発振動作の不安定化を招く。レーザ光の発振動作の不安定化により、レーザの縦モードが別のモードに移行するモードホップや、単一縦モードから複数モードへの移行、さらに複数モード間の光強度の変動であるモード競合など、半導体レーザとして好ましくない状態が発生する。しかし図５に示すように、本実施の形態の光学モジュールによれば、第１レンズ５１が半導体レーザ１１側に凸面の光学面を向けているので、その光学面で反射した光は、半導体レーザ１１から出射した発散光より大きく発散することとなる。そうすると半導体レーザ１１の出射開口への戻り光の光強度が非常に小さくなり、レーザ光の発振動作への影響が軽微になる。従って、上記のようなモードホップ、モード競合など、光学モジュールにとって好ましくない状態の発生が抑えられ、発振特性の安定化されたレーザ発振が保たれることとなる。

また、半導体レーザ１１からの出射光を図６に示すように、光ファイバや導波路に代表される導波構造６１に入射させた場合、導波構造６１を出射して第１レンズ６２で反射し、再び導波構造６１に入射して半導体レーザ１１に戻る。従って導波構造６１を経由して第１レンズ６２に入射した光が戻り光となる場合にも、本実施の形態の発明は同じ効果を有することは言うまでも無い。以下の説明においては、半導体レーザからの出射光と言う場合は、上記のように導波構造を経由した半導体レーザからの出射光を含むものとする。

次に第２の実施の形態について説明する。半導体レーザから出射した発散光は、最初に入射するレンズの半導体レーザ側の光学面で反射して戻り光となるが、半導体レーザの出射開口に入射する戻り光の光強度は、反射面が平面の場合、半導体レーザとレンズの距離が大きくなるほど少なくなる。半導体レーザを用いた光学モジュールにおいては、一般に高周波数でレーザ光の光強度変調が行われるが、戻り光はレーザ光の光強度を変化させ、レーザ光の光強度の制御性を悪化させるという不具合をもたらす。レーザ光の光強度を変化させない戻り光の光強度としては、出射光強度のおよそ７０ｄＢ小さい値が上限と言われる。

戻り光の光強度を減少させる手段としては、一般にレンズの光学面の表面に施す無反射コートが多用されている。無反射コートとは、入射する光の位相を半波長ずらせて反射する層をレンズの光学面に多重に形成し、各々の層で反射する反射光を打ち消し合わせ、総合的に反射光の光強度を減じるものである。無反射コートを用いると、理想的には反射光をほぼ無くすることができるが、実際には入射光は一定の波長幅をもつことや、コートの作製バラツキなどが原因し、３０ｄＢ程度の反射光強度の削減が限度と言われている。すると、戻り光の光強度を７０ｄＢ減少させるには、さらに４０ｄＢ減少させる必要がある。一方、戻り光の光強度は半導体レーザの出射開口の形状、半導体レーザの出射開口と半導体レーザ側のレンズ面までの距離ＷＤ（ＷＯＲＫＩＮＧ ＤＩＳＴＡＮＣＥ）、レンズの光学面の面形状などに主に依存する。ここで、半導体レーザの出射開口の形状は、半導体レーザに依存せず凡そ数μｍ程度の幅を有す。また、レンズの半導体レーザ側の面形状は、ほぼ平面である場合が殆どである。これらの光学系の条件を考慮すると、戻り光の光強度は、ＷＤに主に依存すると言うことができる。そこで、戻り光の光強度を４０ｄＢ減少させるＷＤの値を計算により求めた。計算条件として、半導体レーザの出射開口から出射する光はガウシアンビームとし、出射開口の断面形状は、半径５μｍの円であるとし、ガウシアンビームのビームウェスト半径は５μｍであるとする。これらの値は半導体レーザを用いた光学モジュールにおいては、典型的な値である。出射光がレンズの半導体レーザ側の面で全て反射した場合に、半導体レーザの出射開口に入射する戻り光の光強度を計算する。レンズの光学面形状は前述のように平面形状であるとする。出射光の波長は１．３１μｍとする。計算結果を図７に示す。図７において、ＷＤは、前述のように半導体レーザ１１の出射開口と、第１レンズ７１の半導体レーザ１１側の光学面との距離である。縦軸は、出射光の光強度に対する戻り光の光強度の比率を対数表示したものである。この計算結果から、４０ｄＢ減少させるＷＤは８ｍｍであることが分かる。

従って、第１レンズの光学面が平面の場合には８ｍｍのＷＤが必要であり、第１レンズの光学面が凸面の場合には、半導体レーザ１１への戻り光が少なくなるので、ＷＤは８ｍｍ以下にできると言える。以上より、第１レンズの半導体レーザ１１側の光学面を凸面として無反射コートを施し、ＷＤを８ｍｍ以下とすることで、戻り光の光強度を７０ｄＢ減少させることができ、半導体レーザの発振特性を安定化することができる。

次に第３の実施の形態について説明する。戻り光が半導体レーザに与える影響を示す指標としてｒ／ｆという式を検討する。ここで、ｒは第１レンズの半導体レーザ側にある光学面の曲率半径である。ｆは第１レンズの焦点距離である。指標ｒ／ｆを次の条件式（１）のような範囲で光学モジュールを作製することで、小型化を達成し、組付調整を簡単化しつつ、戻り光の影響を軽微にした光学モジュールを提供することができる。
０．５０＜ｒ／ｆ＜６．０ （１）
条件式（１）の妥当性を以下に説明する。最初に指標ｒ／ｆの下限値について以下に説明する。曲率半径ｒが小さいほど半導体レーザから出射した光はその光学面で大きく発散するので、出射開口に入射する光強度は少なくなり、レーザ発振に与える影響は少ない。しかし、曲率半径ｒが小さくなると球面収差の発生が大きくなるので、光学面を非球面にするなど、球面収差を抑える対応策が必要となる。しかし、光学面を非球面にして球面収差の発生を抑えようとしても限界がある。従って、第１レンズで発生する球面収差を実使用に耐えうる値に抑えるためには、曲率半径ｒの値は一定の値以上に大きくする必要がある。以上より曲率半径ｒの値には下限値があると言える。

一方、焦点距離ｆが大きいほど半導体レーザと第１レンズとの距離が長くなり、半導体レーザから出射した発散光が入射する第１レンズの光学面からの戻り光は、大きく広がるために出射開口に入射する光強度は少なくなることから、レーザ発振に与える影響は少なくなる。しかし、光学モジュールの小型化を考慮するとレンズの焦点距離ｆを大きくするのは限界があるので、焦点距離ｆには一定の上限値がある。以上から、ｒ／ｆという指標には下限値があり、下限値以上の値を採用した場合に、レンズで発生する球面収差を抑えつつ、戻り光の影響を少なくすることができ、光学系を小型化することができる。具体的な数値としては、ｒの下限値として１．２、ｆの上限値として２．５の組合せが妥当と考えられ、指標ｒ／ｆの下限値は凡そ０．５が望ましい。

次に、指標ｒ／ｆの上限値について以下に説明する。焦点距離ｆが小さいほど半導体レーザとレンズとの距離が短くなり、光学モジュールの小型化の要請に応えることができる。しかし、小型化するに従って組付調整の難易度は増す。従って、焦点距離ｆの値には、下限値が存在する。また、焦点距離ｆが短いとレンズから半導体レーザへの戻り光強度が大きくなってしまう。一方、曲率半径ｒの値が大きいほど、レンズの光学面からの戻り光の光強度が大きくなることから、曲率半径ｒの値は所定の値より小さくする必要がある。従って曲率半径ｒの値には上限値が存在する。以下に計算例を示す。半導体レーザの出射開口から出射する光はガウシアンビームであるとする。断面形状が円の出射開口からガウシアンビームが出射するとし、ビームウェスト半径は２μｍであるとする。出射光が第１レンズの半導体レーザ側の面で反射した場合に、半導体レーザの出射開口に入射する戻り光の光強度を計算する。なお、簡単化のために、レンズの光学面における反射率は１００％であるとする。レンズの光学面形状は非球面形状であるとする。出射光の波長は１．０６μｍ、屈折率は１．５８、レンズの軸上厚は１．５ｍｍ、焦点距離ｆは１．５ｍｍであるとする。以上の計算条件を計算条件１と称する。計算結果を図８に示す。ここで、指標ｒ／ｆを横軸とし、出射開口に結合する戻り光の光強度について、レンズの光学面が平面であるとした場合の光強度を基準とし、その基準に対しての比率で表した戻り光の光強度Δηを縦軸とする。縦軸は対数表示とする。この結果、戻り光の光強度Δηの許容値を−１ｄＢとする場合、指標ｒ／ｆは約６となる。また、計算条件について、焦点距離ｆのみ１．０ｍｍに変更して計算した結果を図９に示す。この場合にも、戻り光の光強度ηの許容値を−１ｄＢとする場合、指標ｒ／ｆは約６となる。従って、焦点距離ｆの大きさに関らず、戻り光の光強度Δηの許容値を−１ｄＢとする指標ｒ／ｆは約６となる。

次に、ｒ／ｆという値が、戻り光の光強度が半導体レーザの出射開口に結合する量を表す指標として適格であることを説明する。そのために、指標ｒ／ｆという値が一定の場合には、曲率半径ｒと焦点距離ｆの値の変更に関らず、戻り光の光強度が半導体レーザの出射開口に結合する量は一定となることを示す。計算条件として上記と同じ計算条件１を採用し、戻り光の光強度が半導体レーザの出射開口に結合する量が２ｄＢダウンする場合（Δηが−２ｄＢの場合）であるとして、焦点距離ｆと曲率半径ｒの関係を計算した例を図１０に示す。図１０から、曲率半径ｒと焦点距離ｆはほぼ正比例の関係があり、指標ｒ／ｆはほぼ一定であることが分かる。従って、ｒ／ｆという値が戻り光の光強度が半導体レーザの出射開口に結合する量を表す指標として適格であると言える。

次に第４の実施の形態について説明する。本光学モジュールにおいて、指標としてｄ／ｆという式を検討する。

ここで、ｄはレンズの軸上厚であり、ｆはレンズの焦点距離である。指標ｄ／ｆを次の条件式（２）のような範囲で光学モジュールを作製することで、小型化を達成し、レンズの製造を簡易化し、光学モジュールの組付調整を簡易化しつつ、戻り光の影響を軽微にした光学モジュールを提供することができる。
０．４０＜ｄ／ｆ＜１．３ （２）
条件式（２）の妥当性を以下に説明する。最初に指標ｄ／ｆの下限値について説明する。ｄはレンズの軸上厚であるので、小さくすればするほど、レンズを小型化することになり、光学モジュールの小型化の要請に応えることができる。しかし、レンズの軸上厚ｄを小さく作製するにも製造技術上の限界がある。また、一定の焦点距離ｆの値を得つつ、厚みを小さくすると、レンズ全体の形状を小さくすることになり、入射光の光束径も小さくなってしまう。以上から軸上厚ｄには下限値が存在すると言える。

次に、焦点距離ｆが大きいと光学モジュールが大きくなってしまう。従って、光学モジュールの小型化の要請に応えるには焦点距離ｆは所定値よりも小さく設定する必要がある。よって、焦点距離ｆには上限値が存在すると言える。以上より、指標ｄ／ｆには、光学系の小型化を達成しつつ、製造可能なレンズを採用するという観点において下限値があることとなる。具体的な数値としては、ｄの下限値として１、ｆの上限値として２．５の組合せが妥当と考えられ、指標ｄ／ｆの下限値は０．４が望ましい。

次に、指標ｄ／ｆの上限値について以下に説明する。ここで、焦点距離ｆが一定値の場合に、軸上厚ｄを大きくすると、半導体レーザ側のレンズの光学面が半導体レーザに近づくので、ＷＤが小さくなる。すると、半導体レーザとレンズとの組付調整を行い難くなり、組付調整コストが高くなるので、量産性が悪くなる。従って、軸上厚ｄの大きさには上限値があると言える。焦点距離ｆについては、小さいほど半導体レーザとレンズとの距離が短くなり、光学モジュールの小型化の要請に応えることができる。しかし、小型化するに従って組付調整の難易度は増す。従って、焦点距離ｆの値には、下限値が存在する。以上より、指標ｄ／ｆには、光学モジュールの組付調整の簡易化と小型化を考慮した上限値が存在する。具体的な数値としては、ｄの上限値として１．５、ｆの下限値として１．２の組合せが妥当と考えられ、指標ｄ／ｆは凡そ１．３が望ましい。

以上のように、指標ｄ／ｆを条件式（２）のような範囲で光学モジュールを作製することで、小型化を達成し、レンズの製造を簡易化し、光学モジュールの組付調整を簡易化しつつ、戻り光の影響を軽微にした光学モジュールを提供することができる。

次に第５の実施の形態について説明する。一般に本実施の形態に係る光学モジュールは、光源からの出射光をコリメートして用いる場合や、他の光学部品へ光を入射させる場合に用いられる。半導体レーザからの出射光をコリメートするには、コリメートレンズを採用する。また、半導体レーザからの出射光を他の光学部品へ入射させる場合には、１個のレンズを設計作製して用いることができるが、半導体レーザからの出射光を１個のレンズで他の光学部品に結合させる場合には、半導体レーザ、レンズ、及び他の光学部品の組付調整が難しくなる。

一方、半導体レーザからの出射光を２個のレンズで他の光学部品へ結合させる場合には、レンズの調整軸を２個のレンズに配分できるので、各軸別個に調整することができることから、各軸の調整は簡単になる。さらに、第１レンズにコリメートレンズを用いると、コリメートレンズからの出射光は平行化されているので、出射光が次に入射するレンズを光軸方向に緩い位置決め精度で配置することができる。

また、半導体レーザからの出射光の収差を除去、軽減するには、球面レンズより非球面レンズを採用することが好ましく、より多くの光学面を非球面にすることが望ましい。更に、非球面係数を大きくして光軸付近の曲率を凸に大きくすることで戻り光を低減することもできるが、この場合光軸より高いところでのレンズの光学面が急激に変化した形状となってしまうため収差の取りにくいレンズとなってしまう。このため、光源に一番近いレンズの光源側の光学面の非球面係数Ａ４の絶対値が５以下であることが望ましい。また、光源から出射する光をレンズで導波路に集光する時、１個のレンズで収差を除去、軽減する場合、レンズの入射面と出射面の２面のみ非球面にすることとなると共に、一つのレンズで光源からの発散光を収束光にするために一つのレンズで大きな屈折パワーが必要となる。従って、各面は作製難易度の大きい面形状になりやすいとともに、面間偏芯を極力抑える必要が生じ、成型難易度が上がり、かつレンズで発生する収差を補正しきれないことで導波路への光結合効率が低下してしまう。一方、２個のレンズで収差を除去、軽減する場合、４面で収差を除去、軽減することになり、各面の収差改善機能の負担が減るので、各面は作製難易度の小さい面形状になりやすいとともに、面間偏芯の公差も比較的大きいので、成型難易度も低くなる。

一方、第１レンズの半導体レーザ側の光学面からの戻り光を軽減するには、非球面レンズより球面レンズが望ましい。非球面レンズの場合、図１１に示すように、光学面の法線が半導体レーザの出射開口へ向いた形状も想定され、戻り光が増加するからである。

以上のように、第１レンズにコリメートレンズを用いることで、作製難易度を低下させるとともに、組付調整精度も緩いものとなり、量産性を向上させることができる。また、第１レンズに球面レンズを用いることで半導体レーザへの戻り光を軽減することができる。

（実施例１）
以下に第１の実施例を説明する。上記の第１の実施の形態から第５の実施の形態の全てに該当する実施の形態となっている。光学系諸元については、光学系諸元データ１に示すような値を採用し、半導体レーザの波長は光通信において用いられている１．３１μｍ、光ファイバ出射開口の光源モード半径は２μｍとする。例えば、光ファイバからの出射光が第１レンズの光学面で反射して光ファイバに戻る場合が想定できる。このような場合に、コリメートレンズを設計し、近軸データ１とコーニック係数・非球面係数データ１に示す設計結果を得た。ここで、Ｅは１０のべき乗を表しており、例えば３．０Ｅ−０１は０．３を表している。かかるレンズにおける非球面形状のサグ量Ｚ（ｈ）は、光軸方向をＸ軸、光軸に垂直な方向の高さをｈとするとき次の数１で表せる。但し、ｋをコーニック係数、Ａ_２ｉを非球面係数とする。

設計したレンズの軸上球面収差は、設計結果データ１に示すように１ｍλｒｍｓと光通信のコリメートレンズとして実用上十分な値を得ている。

なお、レンズとして非球面レンズを用いたが、採用するレンズとしては、球面レンズ、非球面レンズのどちらでもよい。光源とレンズの光軸が凡そ一致していればレンズの光学面で反射して光ファイバの出射開口に戻り再結合する光は、レンズ形状が球面に近い光軸付近で反射する光が主な原因となるためである。レンズ出射後の光束を導波路に結合させる時などのように、レンズの屈折によりで発生する収差を低減する必要がある場合は非球面レンズの採用が好ましい。

次に各諸元については、曲率半径ｒは０．８ｍｍと正の値であり、焦点距離ｆは１．５ｍｍと８ｍｍ以下であり、レンズの軸上厚は１．３ｍｍである。指標ｒ／ｆは０．５３、指標ｄ／ｆは０．８７であり、条件式（１）と条件式（２）を満たし、戻り光結合効率が−５３．２ｄＢであるところを、Δηは−１０ｄＢと戻り光が出射開口に入射する結合効率を減少させる効果を確認できた。

なお、光学系諸元データ１において、光源モード半径とは、光が出射する出射開口における光束の断面の半径を表す。具体的には、光源が半導体レーザの場合は、光源の出射開口から出射する光の光軸垂直断面内強度分布において、光強度が最大光強度から１／ｅ^２の値に減衰する半径を表す。光ファイバから出射した光源の光を用いる場合には、光ファイバの出射開口から出射する光の光軸垂直断面内強度分布において、光強度が最大光強度から１／ｅ^２の値に減衰する半径を表す。

光源ＮＡとは、半導体レーザまたは光ファイバからの出射光の場合には、出射光の光強度が最大光強度から１／ｅ^２の値に減衰する光線の出射角から求められるＮＡを表す。

戻り光結合効率ηとは、出射開口からの出射光がレンズの光学面で１００％反射するとした場合に、出射開口からの出射光がレンズの光学面で反射して出射開口に戻る率を表す。

近軸データ１
面番号 曲率半径ｒ 軸上厚ｄ 硝材 備考
1 ∞ 1.7196 光源
2 0.80000 1.3000 ＢＡＦ５ レンズ
3 3.29573 0.0000
4 ∞ 0.0000
コーニック係数・非球面係数データ１
第２面
k=0.00000E+00,A4=-4.74793E-01,A6=9.97793E-01,A8=-1.62894E+00,
A10=0.00000E+00
第３面
k=-1.90063E+02,A4=6.11252E-01,A6=-2.04715E+00,A8=1.81598E+01,
A10=-2.83363E+01
光学系諸元データ１
波長 1.31μｍ
光源モード半径 2μｍ
光源ＮＡ 0.21
レンズ焦点距離ｆ 1.5ｍｍ
ｒ／ｆ 0.53
ｄ／ｆ 0.87
設計結果データ１
軸上球面収差（ＮＡ＝０．２１） 1ｍλｒｍｓ
戻り光結合効率η -53.2ｄＢ
Δη -10ｄＢ
Δηとは、出射開口からの出射光が反射するレンズの光学面が平面であると仮定して算出した戻り光結合効率を基準とした場合に、算出された本実施例の戻り光結合効率の比率を表す。

（実施例２）
以下に第２の実施例を説明する。上記の第１の実施の形態から第５の実施の形態の全てに該当する実施の形態となっている。例えば、半導体レーザからの出射光が第１レンズの光学面で反射して光ファイバに戻る場合が想定できる。光学系諸元データ２に示した光学系諸元を前提とした。光の進行方向をＺ方向とした場合に、半導体レーザの出射開口のモード半径はＸ方向が２μｍ、Ｙ方向が３μｍであるとする。なお、半導体レーザでは、Ｘ方向とＹ方向とで光の閉じ込め効果が異なるのでモード半径もＸ方向とＹ方向とで異なってくる。光源の波長は近赤外の１．０６μｍとする。このような場合に、コリメートレンズを設計し、近軸データ２とコーニック係数・非球面係数データ２に示す設計結果を得た。

近軸データ２
面番号 曲率半径ｒ 軸上厚ｄ 硝材 備考
1 ∞ 1.2000 光源
2 0.89588 1.2000 ＢＫ７ レンズ
3 -1.36725 0.0000
4 ∞ 6.6719 集光点位置
コーニック係数・非球面係数データ２
第２面
k=0.00000E+00,A4=-2.55945E-01,A6=1.56560E-01,A8=0.00000E+00,
A10=0.00000E+00
第３面
k=-5.40704E+00,A4=-2.47221E-02,A6=4.01418E-01,A8=9.21886E-02,
A10=0.00000E+00
光学系諸元データ２
波長 1.06μｍ
光源モード半径（Ｘ） 2μｍ
光源モード半径（Ｙ） 3μｍ
光源ＮＡ 0.21
レンズ焦点距離ｆ 1.3ｍｍ
ｒ／ｆ 0.69
ｄ／ｆ 0.92
設計結果データ２
軸上球面収差（ＮＡ＝０．２１） 0ｍλｒｍｓ
戻り光結合効率η -44ｄＢ
Δη -7ｄＢ
設計結果データ２に示すように、設計したレンズの軸上球面収差は解消されている。曲率半径ｒは約０．９ｍｍと正の値であり、焦点距離ｆは１．３ｍｍと８ｍｍ以下であり、レンズの軸上厚は１．２ｍｍである。指標ｒ／ｆは０．６９、指標ｄ／ｆは０．９２であり、条件式（１）と条件式（２）を満たし、戻り光結合効率が−４４．０ｄＢであるところを、Δηは−７ｄＢと戻り光が出射開口に入射する結合効率を減少させる効果を確認できた。

（実施例３）
以下に第３の実施例を説明する。上記の第１の実施の形態から第５の実施の形態の全てに該当する実施の形態となっている。光学系諸元データ３に示した光学系諸元を前提とした。光源の波長は光通信において用いられている１．３１μｍ、光ファイバ出射開口のモード半径は１０μｍとする。例えば光ファイバからの出射光が第１レンズの光学面で反射して光ファイバに戻る場合が想定できる。このような場合に、球面のコリメートレンズを設計し、近軸データ３とコーニック係数・非球面係数データ３に示す設計結果を得た。

設計結果データ２に示すように、設計したレンズの軸上球面収差は１ｍλｒｍｓと光通信のコリメートレンズとして実用上十分な値を得ている。曲率半径ｒは約２．５ｍｍと正の値であり、焦点距離ｆは４．７ｍｍと８ｍｍ以下であり、レンズの軸上厚は３．０ｍｍである。指標ｒ／ｆは０．５３、指標ｄ／ｆは０．６３であり、条件式（１）と条件式（２）を満たしている。

近軸データ３
面番号 曲率半径ｒ 軸上厚ｄ 硝材 備考
1 ∞ 5.1478 光源
2 2.50000 3.0000 ＢＡＦ５ レンズ
3 13.00000 0.0000
4 ∞ 0.0000
光学系諸元データ３
波長 1.31μｍ
光源モード半径 10μｍ
光源ＮＡ 0.04
レンズ焦点距離ｆ 4.7ｍｍ
ｒ／ｆ 0.53
ｄ／ｆ 0.63
設計結果データ３
軸上球面収差（ＮＡ＝０．０４） 1ｍλｒｍｓ
戻り光結合効率η -34.5ｄＢ
Δη -9.7ｄＢ
設計結果データ３に示すように、戻り光結合効率が−３４．５ｄＢであるところを、Δηは−９．７ｄＢと戻り光が出射開口に入射する結合効率を減少させる効果を確認できた。

（実施例４）
以下に第４の実施例を説明する。上記の第１の実施の形態から第５の実施の形態の全てに該当する実施の形態となっている。例えば、半導体レーザからの出射光が第１レンズの光学面で反射して光ファイバに戻る場合が想定できる。光学系諸元データ４に示した光学系諸元を前提とした。近軸データ４とコーニック係数・非球面係数データ４に示す設計結果を得た。設計したレンズの形状を図１２に示す。

近軸データ４
面番号 曲率半径ｒ 軸上厚ｄ 硝材 備考
1 ∞ 0.5523 光源
2 1.00000 1.5000 ＢＡＬ３５ レンズ
3 -1.01762 0.0000
4 ∞ 0.0000
コーニック係数・非球面係数データ４
第２面
k=-5.69047E-01,A4=-7.50264E-01,A6=1.88681E+00,A8=0.00000E+00,
A10=0.00000E+00
第３面
k=-1.16292E+00,A4=-2.92320E-02,A6=7.63141E-02,A8=-1.47254E-01,
A10=4.25234E-01
光学系諸元データ４
波長 1.06μｍ
光源モード半径 1.5μｍ
光源ＮＡ 0.22
レンズ焦点距離 1.2ｍｍ
ｒ／ｆ 0.83
ｄ／ｆ 1.25
設計結果データ４
軸上球面収差（ＮＡ＝０．２１） 0ｍλｒｍｓ
戻り光結合効率η -42.2ｄＢ
Δη -3.4ｄＢ
設計結果データ４に示すように、設計したレンズの軸上球面収差は解消されている。曲率半径ｒは約１．０ｍｍと正の値であり、焦点距離ｆは１．２ｍｍと８ｍｍ以下であり、レンズの軸上厚は１．５ｍｍである。指標ｒ／ｆは０．８３、指標ｄ／ｆは１．２５であり、条件式（１）と条件式（２）を満たしている。戻り光結合効率が−４２．２ｄＢであるところを、Δηは−３．４ｄＢと戻り光が出射開口に入射する結合効率を減少させる効果を確認できた。指標ｄ／ｆについては、条件式（２）の上限値に近い値となっており、条件式（２）の上限値の有効性を確認することができた。

（実施例５）
以下に第５の実施例を説明する。上記の第１の実施の形態から第５の実施の形態の全てに該当する実施の形態となっている。例えば、半導体レーザからの出射光が第１レンズの光学面で反射して光ファイバに戻る場合が想定できる。光学系諸元データ５に示した光学系諸元を前提とした。近軸データ５とコーニック係数・非球面係数データ５に示す設計結果を得た。設計したレンズの形状を図１３に示す。

近軸データ５
面番号 曲率半径ｒ 軸上厚ｄ 硝材 備考
1 ∞ 2.9526 光源
2 4.03290 1.5000 ＢＡＬ３５ レンズ
3 -3.50000 0.0000
4 ∞ 0.0000
コーニック係数・非球面係数データ５
第２面
k=3.37771E+00,A4=-4.18685E-02,A6=2.53548E-02,A8=-3.59249E-03,
A10=0.00000E+00
第３面
k=-1.86480E+01,A4=-5.92018E-02,A6=3.45907E-02,A8=-1.14758E-02,
A10=3.01092E-03
光学系諸元データ５
波長 1.06μｍ
光源モード半径 1.5μｍ
光源ＮＡ 0.22
レンズ焦点距離 3.5ｍｍ
ｒ／ｆ 1.15
ｄ／ｆ 0.43
設計結果データ５
軸上球面収差（ＮＡ＝０．２１） 10ｍλｒｍｓ
戻り光結合効率η -57.7ｄＢ
Δη -4.8ｄＢ
設計結果データ５に示すように、設計したレンズの軸上球面収差は解消されている。曲率半径ｒは約４．０ｍｍと正の値であり、焦点距離ｆは３．５ｍｍと８ｍｍ以下であり、レンズの軸上厚は１．５ｍｍである。指標ｒ／ｆは１．１５、指標ｄ／ｆは０．４３であり、条件式（１）と条件式（２）を満たしている。戻り光結合効率が−５７．７ｄＢであるところを、Δηは−４．８ｄＢと戻り光が出射開口に入射する結合効率を減少させる効果を確認できた。指標ｄ／ｆについては、条件式（２）の下限値に近い値となっており、条件式（２）の下限値の有効性を確認することができた。

Claims (7)

1. レーザ光源と、前記レーザ光源からの出射光が入射する少なくとも一つのレンズを有し、前記レーザ光源の光軸と前記レンズの光軸が凡そ一致する光学モジュールであって、前記出射光が入射するレンズの中で、前記出射光が最初に入射するレンズ（以下第１レンズと称す）は光源側に凸面を向けた光学面を有することを特徴とする光学モジュール。
2. 前記レーザ光源の出射開口と、前記第１レンズの前記レーザ光源側の光学面までの距離は８ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光学モジュール。
3. 前記第１レンズの光源側の光学面の近軸曲率半径をｒ、前記第１レンズの焦点距離をｆとしたときに次の条件式を満たすことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の光学モジュール。
   ０．５０＜ｒ／ｆ＜６．０ （１）
4. 前記第１レンズの軸上厚をｄ、前記第１レンズの焦点距離をｆとしたときに、次の条件式を満たすことを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載の光学モジュール。
   ０．４０＜ｄ／ｆ＜１．３ （２）
5. 前記第１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の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載の光学モジュール。
6. 前記第１レンズの光源側の光学面は球面であることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載の光学モジュール。
7. 請求の範囲第１項から第６項のいずれか一項に記載の前記光学モジュールと、
   前記光学モジュールから出射したレーザ光を結合させ、かつ出射させる導波構造と、
   を有することを特徴とする光学ユニット。