JPWO2012128142A1 - 光通信用のレンズ及び半導体モジュール - Google Patents

Abstract

半導体モジュールをコンパクトなものとし、更に実効ＮＡを小さく抑えることにより結合効率の変動を抑えることができる光通信用のレンズ及びそれを用いた半導体モジュールを提供する。光結合レンズＣＬの片面にのみ回折構造ＤＳを設けたので、全体的に回折ピッチが狭くなり、光結合レンズＣＬにより光ファイバＯＦの端面に集光されたスポットにおいて、レンズの光軸近傍を通過した光量に対し、周辺部の光量が低くなるので、スポットの太りが生じ実効ＮＡが増大する。これにより、温度変化が生じた場合における結合効率の変動が小さくなるのである。

Description

本発明は、光通信等に用いられ、例えば半導体レーザのレーザ光を光ファイバに結合する光通信用のレンズ及び半導体モジュールに関する。

光通信等において、半導体レーザまたは光受光素子と光ファイバとを効率よく結合させることが求められている。このため、半導体レーザからの光束を集光するために光結合レンズが用いられている。ところで、従来の光結合レンズでは主にガラスレンズを用いているが、非球面を有するガラスレンズは一般的に高価であり、コスト高を招くという問題がある。そこで、高精度な非球面の成形が容易で大量生産が可能なプラスチック製の光結合レンズが開発されている。ところが、プラスチックは熱膨張係数がガラスと比較して大きく、またプラスチック素材の屈折率が温度によって変化するという問題がある。このためプラスチックレンズを使用すると、半導体レーザとレンズ間距離を固定した場合、環境温度の変化に応じて焦点距離すなわち光ファイバ方向の結像位置が変化するため、結合効率が低下することとなる。これに対し、レンズを光軸方向に移動させるアクチュエータを用いることも考えられるが、可動部の増大によりコスト高を招くことになり、また給電をどうするかという問題もある。

これに対し、特許文献１には、プラスチックレンズの両面に回折構造を設けた光通信用の半導体モジュールが開示されている。特許文献１の技術によれば、プラスチックレンズの両面に回折構造を設けることで、回折ピッチが小さくなりすぎることを抑制し、レンズの成形を容易にできる。

また、特許文献２には、プラスチックレンズの片面にレリーフ型の回折構造を設けることでレンズ中心部から周辺部までの回折効率の分布を抑えつつ、温度による焦点位置変動を抑えることを実現している。

特開平１１−２７４６４６号公報 国際公開第００／１７６９１号パンフレット

ところで、特許文献１のレンズにおける１つの問題は、２面で回折構造を用いた結果、それぞれの面の回折形状の誤差が積で影響をもち、不要な回折光が発生する等、却って製造誤差が出やすくなり好ましくない。また、特許文献２におけるレンズの問題は、レリーフ形状の回折構造を有するため回折効率が低く、そのため光ファイバーへの結合効率も低くなり、かつ、不要な回折光が多く発生し、ピンポール等で不要な光束を遮蔽する必要が生じるため使用上、好ましくないということである。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールをコンパクトなものとし、シンプルな構成でありながら、温度変化等の感度を小さく抑えることにより結合効率の変動を抑えることができる光通信用のレンズ及びそれを用いた半導体モジュールを提供することを目的とする。

請求項１に記載の光通信用のレンズは、半導体レーザから出射された波長λの光束を集光する光通信用のレンズであって、前記レンズはプラスチック製であり、前記レンズは光学面の１面にのみ、温度変化時の焦点位置変動を抑制する光路差付与構造を形成しており、前記光路差付与構造は、前記レンズの光軸を中心とする複数の輪帯を含み、前記レンズの光軸を通る面で切断した前記輪帯の断面形状はブレーズ型形状であって、前記レンズを通過した光束の瞳透過率分布が条件式（１）を満たすことを特徴とする。
０．５≦Ｔ１／Ｔ０≦０．８５ （１）
但し、Ｔ０：前記レンズの光軸近傍における透過率、 Ｔ１：前記レンズの周辺における透過率。

尚、「光軸近傍」とは、光軸を０、レンズ光学面外周を１としたとき、０〜０．０５の範囲内であることが好ましく、「周辺」とは、０．９５〜１の範囲内であることが好ましい。

本発明者は、鋭意研究の結果、ブレーズ型形状の光路差付与構造を用いることで回折効率を高くでき、また光学面の１面にのみ光路差付与構造を設けることで、結合効率の変動を抑制することを見出した。まず、ブレーズ型の回折構造は、特許文献２のレンズに設けられたレリーフ形状の回折構造に比べると、不要な回折光が少なく、また回折効率をより高く確保できるというメリットがある。即ち、ブレーズ型形状の光路差付与構造においては、特に影の影響が生じやすく、かつ、輪帯間の段差を制御することで回折効率を制御しやすいのである。

更に、例えば特許文献１では、回折ピッチを広げるためにレンズの両面に回折構造を設けている。これに対し本発明者は、レンズの１面にのみ光路差付与構造を設けることで、あえて回折ピッチを細かくすることを試みた。回折ピッチを細かくすると、条件式（１）のように、特にレンズの周辺部では、屈折面との組み合わせにより光束の影の影響が増大する。かかる影響について説明する。

図１を参照して、ここでは光路差付与構造としてブレーズ型形状の回折構造をレンズに形成した例で説明する。図１（ａ）は、半導体レーザ側に回折構造を設けたレンズの拡大断面図であり、図１（ｂ）は、半導体レーザ側に回折構造を設けたレンズの拡大断面図である。図１において、輪帯状の回折構造ＤＳは、不図示の光軸（図１で下側）を向いた段差面ＳＴと、隣接する段差面ＳＴの光軸方向外側端と内側端とを連結する斜面ＣＰとを有している。ここで、斜面ＣＰを通過する光束は、レンズの屈折面の屈折パワーと、回折構造ＤＳの回折パワーとの和で、トータルのパワーを発揮し、集光に用いられるが、段差面ＳＴを通過する光束は集光に用いられず、透過率の減少を招く。これを影の影響という。
しかるに、レンズの光軸近傍では光軸に平行に光束が出射するので、影の影響による光量ロスは小さいのに対し、レンズの周辺部では母非球面としての屈折面が倒れてくるので、光軸に対して傾いた光束が入射しやすくなり、また金型の抜き勾配の影響による段差面ＳＴの傾きとも相まって、図１に示すように影の影響による光量ロスが大きくなる。ここで、集光スポットにおいて、レンズの光軸近傍を通過した光量に対し、周辺部の光量が低くなると、スポットの太りが生じ、すなわち実効ＮＡが低下する。実効ＮＡを低下できると、温度変化が生じた場合における結合効率の変動を小さくすることができる。つまり、回折構造で影の効果や、回折効率の分布で、あえてレンズ中心部と周辺部での分布を持たせることで、結合効率の変動が小さい光通信用のレンズを提供できるのである。また、影の効果のみで周辺部の効率低下ができない場合は、各輪帯間の段差を微調整することで回折効率を調整し、影の効果で不足する分の中心部と周辺部の分布を持たせることが可能となる。但し、Ｔ１／Ｔ０の値が（１）式の下限を越えてしまうと、ＮＡの低下分が大きくなりすぎてしまい、好ましくない。より好ましくは、０．６≦Ｔ１／Ｔ０≦０．８５を満たすことである。

請求項２に記載の光通信用のレンズは、請求項１に記載の発明において、前記半導体レーザからの光束が入射する側のＮＡは、条件式（２）を満たすことを特徴とする。
０．３０≦ＮＡ≦０．８５ （２）

条件式（２）を満たすことで、半導体レーザからの取り込み光量を確保しつつ適切な集光スポットの径を確保できる。

請求項３に記載の光通信用のレンズは、請求項１又は２に記載の発明において、前記光路差付与構造は、前記レンズの光軸を向いた段差を有することを特徴とする。このような光路差付与構造において、温度変化時の焦点位置抑制ができ、かつ、特に影の影響が生じやすいからである。

請求項４に記載の光通信用のレンズは、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記光路差付与構造は、前記波長λの略整数倍の光路差を、通過する光束に付与することを特徴とする。これにより高い回折効率を有しつつ温度変化時のレンズ屈折率変化に起因した焦点位置ズレを抑制できる。

請求項５に記載の光通信用のレンズは、請求項４に記載の発明において、前記光路差付与構造は、前記レンズの有効径の全範囲で、前記波長λの１倍の光路差を、通過する光束に付与することを特徴とする。なるべく小さな光路差を付与するようにすることで、光路差付与構造の段差の高さを抑えて成形誤差等を抑制することにより、光線透過率を向上できる。

請求項６に記載の光通信用のレンズは、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記光路差付与構造は、前記レンズの光軸近傍の中央領域では、前記波長λのＸ倍を光路差を付与し、前記レンズの中央領域の外側の周辺領域では、前記波長λのＹ倍の光路差を、通過する光束に付与し、Ｘの小数点一ケタを四捨五入にして整数とした値は、Ｙの小数点一ケタを四捨五入にして整数とした値よりも、小さいことを特徴とする。これにより、ピッチが狭くなりがちな周辺領域の光路差付与構造を転写する金型の加工を容易にできる。

請求項７に記載の光通信用のレンズは、請求項６に記載の発明において、前記Ｘの小数点一ケタを四捨五入にして整数とした値が１であり、前記Ｙの小数点一ケタを四捨五入にして整数とした値が２であることを特徴とする。

請求項８に記載の光通信用のレンズは、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記レンズは光ファイバの端面に、前記半導体レーザから出射された光束を集光する光結合レンズであることを特徴とする。

請求項９に記載の光通信用のレンズは、請求項８に記載の発明において、前記結合レンズは光学系倍率Mが下記の条件式（３）を満たすことを特徴とする。
１．０≦M≦４．０ （３）

これにより、一般的なシングルモードファイバーに取り込み可能なＮＡ０．１からＮＡ０．１２程度に、最適な効率を提供することが可能となる。特に好ましくは、以下の式を満たすことである。
２．０≦M≦４．０ （３’）

請求項１０に記載の光通信用のレンズは、請求項１〜９のいずれかに記載の発明において、前記光路差付与構造は、前記半導体レーザからの光束が出射する面に設けられていることを特徴とする。

図１（ａ）では、半導体レーザ側に回折構造ＤＳが設けられているために、段差面ＳＴに入射する光束の割合が高くなり、影の影響が大きくなる。一方、図１（ｂ）では、半導体レーザとは反対側に回折構造ＤＳが設けられているために、輪帯の段差面ＳＴに沿った方向に光束が進行しがちであり、すなわち段差面ＳＴに入射する光束の割合が相対的に低くなり、影の影響は小さくなる。つまり、半導体レーザからの光束が出射する面に回折構造をもつことにより、製造誤差により輪帯の段差面ＳＴが傾いた場合でも結合効率が低下しにくく、製造誤差に強いレンズを実現でき、又、レーザー側にくらべ光ファイバー側の光学面は相対的に面積が広くなるため、回折構造を設ける面積が広がるから、その分、輪帯のピッチを広くすることが可能となり、透過率の低下を抑制しやすくなる。

請求項１１に記載の半導体モジュールは、請求項１〜１０のいずれかに記載の光通信用のレンズと、半導体レーザを一体的に組み付けてなることを特徴とする。

請求項１２に記載の半導体モジュールは、請求項１１に記載の発明において、前記レンズは、前記半導体レーザを密封する筐体に取り付けられていることを特徴とする。

請求項１３に記載の半導体モジュールは、請求項１１に記載の発明において、前記レンズは、前記半導体レーザを密封する筐体と一体であることを特徴とする。

「半導体レーザ」とは、半導体の再結合発光を利用したレーザであり、一般的には環境温度が上昇すると発振波長が長くなり、環境温度が低下すると発振波長が短くなる。

レンズとは、半導体レーザから出射された光束を集光するレンズ、光ファイバの端面から出射された光束を集光するレンズ、特に半導体レーザから出射された光束を光ファイバの端面に集光する光結合レンズや、光ファイバの端面から出射された光束を受光素子の受光面に集光する光結合レンズを含む。レンズはプラスチック製である。

本明細書でいう光路差付与構造とは、入射光束に対して光路差を付加する構造の総称である。光路差付与構造には、位相差を付与する位相差付与構造も含まれる。また、位相差付与構造には回折構造が含まれる。本発明の光路差付与構造は回折構造であることが好ましい。光路差付与構造は、段差を有し、好ましくは段差を複数有する。この段差により入射光束に光路差及び／又は位相差が付加される。光路差付与構造により付加される光路差は、入射光束の波長の整数倍であっても良いし、入射光束の波長の非整数倍であっても良い。段差は、光軸垂直方向に周期的な間隔をもって配置されていてもよいし、光軸垂直方向に非周期的な間隔をもって配置されていてもよい。また、光路差付与構造を設けたレンズが単玉非球面レンズの場合、光軸からの高さによって光束のレンズへの入射角が異なるため、光路差付与構造の段差量は各輪帯毎に若干異なることとなる。例えば、レンズが単玉非球面の凸レンズである場合、同じ光路差を付与させる光路差付与構造であっても、一般的に光軸から離れる程、段差量が大きくなる傾向となる。

また、本明細書でいう回折構造とは、段差を有し、回折によって光束を収束あるいは発散させる作用を持たせる構造の総称である。例えば、単位形状が光軸を中心として複数並ぶことによって構成されており、それぞれの単位形状に光束が入射し、透過した光の波面が、隣り合う輪帯毎にズレを起こし、その結果、新たな波面を形成することによって光を収束あるいは発散させるような構造を含むものである。回折構造は、段差を複数有し、段差は光軸垂直方向に周期的な間隔をもって配置されていてもよいし、光軸垂直方向に非周期的な間隔をもって配置されていてもよい。また、回折構造を設けたレンズが単玉非球面レンズの場合、光軸からの高さによって光束のレンズへの入射角が異なるため、回折構造の段差量は各輪帯毎に若干異なることとなる。例えば、レンズが単玉非球面の凸レンズである場合、同じ回折次数の回折光を発生させる回折構造であっても、一般的に光軸から離れる程、段差量が大きくなる傾向となる。

ところで、光路差付与構造は、光軸を中心とする同心円状の複数の輪帯を有することが好ましい。また、光路差付与構造は、一般に、様々な断面形状（光軸を含む面での断面形状） をとり得、光軸を含む断面形状がブレーズ型構造と階段型構造とに大別される。

ブレーズ型構造とは、図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、光路差付与構造を有する光学素子の光軸を含む断面形状が、鋸歯状の形状ということである。尚、図２の例においては、上方が光源側、下方が光ディスク側であって、母非球面としての平面に光路差付与構造が形成されているものとする。ブレーズ型構造において、１つのブレーズ単位の光軸垂直方向の長さをピッチＰという（図２（ａ）、（ｂ）参照）。また、ブレーズの光軸に平行方向の段差の長さを段差量Ｂという（図２（ａ）参照）。尚、ブレーズ型形状において、図１に示すように、例えば、金型をバイトで削りやすくするために段差面を、光軸と平行とはせず、若干斜めにしてもよいが、その場合、一つのブレーズの頂点の位置が、光軸直交方向ピッチの０〜２５％の範囲内にあることが好ましい。

また、階段型構造とは、図２（ｃ）、（ｄ）に示されるように、光路差付与構造を有する光学素子の光軸を含む断面形状が、小階段状のもの（階段単位と称する）を複数有するということである。尚、本明細書中、「Ｖレベル」とは、階段型構造の１つの階段単位において光軸垂直方向に対応する（向いた）輪帯状の面（以下、テラス面と称することもある）が、段差によって区分けされＶ個の輪帯面毎に分割されていることをいい、特に３レベル以上の階段型構造は、小さい段差と大きい段差を有することになる。

例えば、図２（ｃ）に示す光路差付与構造を、５レベルの階段型構造といい、図２（ｄ）に示す光路差付与構造を、２レベルの階段型構造(バイナリ構造ともいう)という。２レベルの階段型構造について、以下に説明する。光軸を中心とした同心円状の複数の輪帯を含み、対物レンズの光軸を含む複数の輪帯の断面の形状は、光軸に平行に延在する複数の段差面Ｐａ、Ｐｂと、隣接する段差面Ｐａ、Ｐｂの光源側端同士を連結する光源側テラス面Ｐｃと、隣接する段差面Ｐａ、Ｐｂの光ディスク側端同士を連結する光ディスク側テラス面Ｐｄとから形成され、光源側テラス面Ｐｃと光ディスク側テラス面Ｐｄとは、光軸に交差する方向に沿って交互に配置される。

尚、光路差付与構造は、ある単位形状が周期的に繰り返されている構造であることが好ましい。 ここでいう「単位形状が周期的に繰り返されている」とは、同一の形状が同一の周期で繰り返されている形状は当然含む。さらに、周期の１単位となる単位形状が、規則性を持って、周期が徐々に長くなったり、徐々に短くなったりする形状も、「単位形状が周期的に繰り返されている」ものに含まれているとする。

光路差付与構造が、ブレーズ型構造を有する場合、単位形状である鋸歯状の形状が繰り返された形状となる。図２（ａ）に示されるように、同一の鋸歯状形状が繰り返されてもよいし、図２（ｂ）に示されるように、光軸から離れる方向に進むに従って、徐々に鋸歯状形状のピッチ（回折ピッチともいう）が長くなっていく形状、又は、ピッチが短くなっていく形状であってもよい。加えて、ある領域においては、ブレーズ型構造の段差が光軸（中心）側とは逆を向いている形状とし、他の領域においては、ブレーズ型構造の段差が光軸（中心）側を向いている形状とし、その間に、ブレーズ型構造の段差の向きを切り替えるために必要な遷移領域が設けられている形状としてもよい。なお、このようにブレーズ型構造の段差の向きを途中で切り替える構造にする場合、輪帯ピッチを広げることが可能となり、光路差付与構造の製造誤差による透過率低下を抑制できる。

光路差付与構造が、階段型構造を有する場合、図２（ｃ）で示されるような５レベルの階段単位が、繰り返されるような形状等があり得る。さらに、光軸から離れる方向に進むに従って、徐々に階段単位のピッチが長くなっていく形状や、徐々に階段単位のピッチが短くなっていく形状であってもよい。なお、ブレーズ型形状を階段型形状で近似した場合、回折効率の低下はあるものの、本発明と同様の効果を得ることが可能となる。

光路差付与構造は、レンズの光軸を向いた段差を有すると好ましい。「段差が光軸を向いている」とは、図３（ａ）のような状態を言う。

光路差付与構造は、波長λの略整数倍の光路差を、通過する光束に付与すると好ましい。略整数倍とは、０を除く整数をＮとしたときに、（Ｎ−０．４）λ以上、（Ｎ−０．４）λ以下をいう。光路差付与構造は、レンズの有効径の全範囲で、波長λの１倍の光路差を付与するか、或いは、レンズの光軸近傍の中央領域では、波長λの１倍の光路差を付与し、レンズの中央領域の外側の周辺領域では、波長λの２倍の光路差を付与すると好ましい。中央領域と周辺領域の境界は、例えば有効径の２／３の光軸からの高さであると好ましい。

レンズを通過した光束の瞳透過率分布が条件式（１）を満たすと好ましい。瞳透過率分布とは、射出瞳面の透過率分布であって、均一強度の入射光束に対する射出瞳面の輝度分布に相当する。尚、レンズの光軸近傍とは、例えば有効径の１／３の光軸からの高さ以内であり、より好ましくは０．２以内であり、レンズの周辺とは、例えば有効径の２／３の光軸からの高さより外側であり、より好ましくは０．８より外側である。
０．４≦Ｔ１／Ｔ０≦０．８ （１）
但し、
Ｔ０：前記レンズの光軸近傍における透過率
Ｔ１：前記レンズの周辺における透過率

半導体レーザからの光束が入射する側のＮＡは、条件式（２）を満たすと好ましい。
０．３０≦ＮＡ≦０．８５ （２）
さらに好ましくは条件式（４）を満たすことが好ましい。
０．３５≦ＮＡ≦０．６５ （４）

本発明によれば、半導体モジュールをコンパクトなものとし、更に光ファイバー側の集光スポットの実効ＮＡを小さく抑えることにより結合効率の変動を抑えることができる光通信用のレンズ及びそれを用いた半導体モジュールを提供することができる。

（ａ）は、半導体レーザ側に回折構造を設けたレンズの拡大断面図であり、（ｂ）は、半導体レーザ側に回折構造を設けたレンズの拡大断面図である。 光路差付与構造の例を示す拡大断面図であり、（ａ）、（ｂ）はブレーズ型構造の例を示し、（ｃ）、（ｄ）は階段型構造の例を示す図である。 （ａ）は段差が光軸の方向を向いている状態を示し、（ｂ）は段差が光軸とは逆の方向を向いている状態を示す図である。 （ａ）は、第１の実施の形態にかかる半導体モジュールＬＭの光軸方向断面図であり、（ｂ）は、矢印IVBで示すレンズ表面を拡大して示す図である。 （ａ）は、第２の実施の形態にかかる半導体モジュールＬＭの光軸方向断面図であり、（ｂ）は、矢印VBで示すレンズ表面を拡大して示す図である。 （ａ）は、第３の実施の形態にかかる光結合レンズＣＬの光軸方向断面図であり、（ｂ）は、矢印VIBで示すレンズ表面を拡大して示す図である。 実施例１〜４と比較例における結合効率のグラフである。 実施例５〜８と比較例における結合効率のグラフである。 実施例９における結合効率のグラフである。 回折構造の段差で付与する位相差と回折効率との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図４は、第１の実施の形態にかかる半導体モジュールＬＭの光軸方向断面図である。給電用の３本の脚部ＬＧを有するベースＢＳに、半導体レーザＬＤの基板が取り付けられており、波長λの光束を出射する半導体レーザＬＤは、開口ＡＰを有するカバー（筐体）ＣＶにより覆われている。開口ＡＰは、内側から透明なカバーガラスＣＧにより遮蔽されており、半導体レーザＬＤを外気より密封している。

開口ＡＰの外側を覆うようにして、光結合レンズＣＬのフランジ部ＦＬがカバーＣＶに接着されている。プラスチック製の光結合レンズＣＬは、半導体レーザ側の屈折面である光学面Ｓ１と、その反対側の光学面Ｓ２とを有し、光学面Ｓ２には屈折面上に回折構造ＤＳが形成されている。光学面Ｓ１の曲率半径は、光学面Ｓ２の曲率半径より大きい。ブレーズ型形状の回折構造ＤＳは、波長λの光束が入射したときに、波長λの整数倍の光路差を付与するようになっている。

半導体モジュールＬＭのベースＢＳは、不図示の筐体を介して、所定の距離で光ファイバＯＦに接続される。尚、光ファイバＯＦは、外皮ＳＬにより覆われている。

本実施の形態の半導体モジュールＬＭの動作を説明する。脚部ＬＧを介して給電が行われると、半導体レーザＬＤが発光し、その出射光束は、カバーガラスＣＧ及び開口ＡＰを通過して、光結合レンズＣＬに入射する。光結合レンズＣＬに入射した光束は、屈折面で屈折すると共に、回折構造ＤＳを通過して出射し、光ファイバＯＦの端面に集光し、その後光ファイバＯＦ内を伝播することとなる。

環境温度が上昇（又は低下）すると、半導体レーザＬＤの発振波長が増大（又は低下）するので、それに応じて回折構造ＤＳから生じる回折光の回折角が変化し、これにより環境温度変化による光結合レンズＣＬの屈折率の変化に起因した焦点位置ズレを補正することができる。又、本実施の形態によれば、光結合レンズＣＬの片面にのみ回折構造ＤＳを設けたので、全体的に回折ピッチが狭くなり、光結合レンズＣＬにより光ファイバＯＦの端面に集光されたスポットにおいて、レンズの光軸近傍を通過した光量に対し、周辺部の光量が低くなるので、スポットの太りが生じ実効ＮＡが低下する。これにより、温度変化が生じた場合における結合効率の変動が小さくなるのである。

図５は、第２の実施の形態にかかる半導体モジュールＬＭの光軸方向断面図である。給電用の３本の脚部ＬＧを有するベースＢＳに、半導体レーザＬＤの基板が取り付けられている。本実施の形態では、波長λの光束を出射する半導体レーザＬＤを密封的に覆うカバー（筐体）ＣＶは、プラスチック製のカップ状であり、その遮蔽端側に光結合レンズ部ＣＬを一体的に形成している。

光結合レンズ部ＣＬは、半導体レーザ側の屈折面である光学面Ｓ１と、その反対側の屈折面である光学面Ｓ２とを有し、光学面Ｓ２には屈折面上に回折構造ＤＳが形成されている。光学面Ｓ１の曲率半径は、光学面Ｓ２の曲率半径より大きい。ブレーズ型形状の回折構造ＤＳは、波長λの光束が入射したときに、波長λの整数倍の光路差を付与するようになっている。

半導体モジュールＬＭのベースＢＳは、不図示の筐体を介して、所定の距離で光ファイバＯＦに接続される。尚、光ファイバＯＦは、外皮ＳＬにより覆われている。

本実施の形態の半導体モジュールＬＭの動作を説明する。脚部ＬＧを介して給電が行われると、半導体レーザＬＤが発光し、その出射光束は直接光結合レンズ部ＣＬに入射する。光結合レンズ部ＣＬに入射した光束は、屈折面で屈折すると共に、回折構造ＤＳを通過して出射し、光ファイバＯＦの端面に集光し、その後光ファイバＯＦ内を伝播することとなる。

環境温度が上昇（又は低下）すると、半導体レーザＬＤの発振波長が増大（又は低下）するので、それに応じて回折構造ＤＳから生じる回折光の回折角が変化し、これにより環境温度変化による光結合レンズ部ＣＬの屈折率の変化に起因した焦点位置ズレを補正することができる。又、温度上昇（又は低下）により、レンズが膨張（又は収縮）することで、さらに焦点位置ズレを補正することができる。本実施の形態によれば、光結合レンズ部ＣＬの外側面にのみ回折構造ＤＳを設けたので、全体的に回折ピッチが狭くなり、光結合レンズ部ＣＬにより光ファイバＯＦの端面に集光されたスポットにおいて、レンズの光軸近傍を通過した光量に対し、周辺部の光量が低くなるので、スポットの太りが生じ実効ＮＡが低下する。これにより、温度変化が生じた場合における結合効率の変動が小さくなるのである。

図６は、第３の実施の形態にかかる光結合レンズＣＬの光軸方向断面図である。本実施の形態においては、不図示の半導体レーザから光ファイバＯＦを介して伝播され、その端面から出射される光束を、光結合レンズＣＬを介して、フォトダイオードＰＤの受光面ＰＤａに集光するようになっている。光結合レンズＣＬの片方の光学面（光ファイバＯＦ側の光学面）Ｓ１の屈折面上に、温度変化時の焦点位置ズレを補正するブレーズ型の回折構造ＤＳを設けている。他方の光学面Ｓ２は屈折面のみからなる。光学面Ｓ１の曲率半径は、光学面Ｓ２の曲率半径より小さい。尚、ＣＧはフォトダイオードのカバーガラスである。

本実施の形態によれば、光結合レンズＣＬの片面Ｓ１にのみブレーズ型の回折構造ＤＳを設けたので、全体的に回折ピッチが狭くなり、光結合レンズＣＬによりフォトダイオードＰＤの受光面ＰＤａに集光されたスポットにおいて、レンズの光軸近傍を通過した光量に対し、周辺部の光量が低くなるので、スポットの太りが生じ実効ＮＡが増大する。これにより、温度変化が生じた場合における結合効率の変動が小さくなるのである。その他の効果は、上述した実施の形態と同様である。

（実施例）
以下、上述した実施の形態に用いることができる実施例について説明する。実施例１〜４は、いずれも樹脂レンズであり、図４に示す半導体モジュールに好適な光結合レンズである。また、比較例として、回折構造のないガラスレンズと樹脂レンズを参照する。表１に、実施例１〜４の半導体モジュールの仕様を示し、表２に、実施例５〜８の半導体モジュールの仕様を示し、表３に、実施例９の半導体モジュールの仕様を示し、表４に、実施例１〜４の各素材の屈折率を示し、表５に、実施例５〜８の各素材の屈折率を示し、表６に、実施例９の各素材の屈折率を示す。

尚、光結合レンズの光学面は、それぞれ数１式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。

ここで、Ｘ（ｈ）は光軸方向の軸（光の進行方向を正とする）、κは円錐係数、Ａiは非球面係数、ｈは光軸からの高さ、ｒは近軸曲率半径である。

また、回折構造を用いた実施例の場合、その回折構造により各波長の光束に対して与えられる光路差は、数２式の光路差関数に、表に示す係数を代入した数式で規定される。

（数２）
Φ（ｈ）＝Ｂ₂ｈ²×λ×ｍ／λＢ
ここで、λ：使用波長、ｍ：回折次数、λＢ：ブレーズ化波長、ｈ：光軸から光軸垂直方向の距離である。

実施例１〜４と比較例のレンズデータを表７に示し、実施例５〜８のレンズデータを表８に示し、実施例９のレンズデータを表９に示す。実施例における各回折構造のピッチ、段差は表７，８、９に示す光路差関数、回折次数、ブレーズ化波長により最適化した形状となる。

図１を参照して説明したように、回折構造を有するレンズは、回折輪帯の段差製造誤差に応じて増大する影の影響で結合効率の低下がおきる。結合効率低下は輪帯のピッチが狭くなるほど大きくなる傾向があり、本実施例においては、中心部の透過率を100%としたとき、それに対するレンズ有効径近傍の低下度合い（Ｔ１／Ｔ０）を表１０〜１２に示す。
回折構造のないガラスレンズと樹脂レンズでは、理論上、レンズ有効径近傍で透過率の減少は生じないが、実施例１〜９では少なくとも１５％以上の透過率減少が生じていることが分かる。

次に、図７〜図９に実施例と比較例における結合効率のグラフを示す。図７〜図９において、縦軸が結合効率であり、横軸が環境温度である。図７〜図９を参照するに、ガラスレンズは温度による屈折率変動が皆無であるため、効率の変動が少ないことが分かる。但し、高価であるため半導体モジュールのコストを押し上げるという問題がある。次に、回折構造のない樹脂レンズは、環境温度による屈折率変動の影響により、大きな効率変動を持つことがわかり、例えば環境温度８０℃で結合効率が１０％を下回る。

これに対し、回折構造を有する実施例１〜９は、すべて回折構造を有する樹脂レンズであるが、回折構造のない樹脂レンズにくらべ、効率変動を小さく抑えることができていることがわかる。特に、実施例２においては、効率変動のみを考慮するとガラスレンズ相当に抑えられている。尚、実施例４では、環境温度が０℃では、結合効率が２０％以下であるが、それでも回折構造のない樹脂レンズよりも結合率の変動は小さい。更に、実施例４では高温側の６０℃前後で、他の実施例よりも結合効率が高くなる。つまり、半導体レーザＬＤの発光により半導体モジュールの温度が上昇して、常に６０℃前後で用いられるような環境の場合には、実施例４が有効となる。更に、実施例９は、環境温度変化による結合効率変化を抑えつつ、６０℃前後で用いられる場合には結合効率１０％を実現できるレンズである。尚、影の影響の利用だけでなくブレーズの深さを考慮してレンズを製造することで、影の効果のみでは、Ｔ１／Ｔ０が約８０％になるところを、図１０に示すような位相差と回折効率の関係から、有効径近傍で約５０％の効率になる位相差である０．６λまたは１．４λの段差となるように位相差を調整し、Ｔ１／Ｔ０＝８０％×５０％＝４０％を実現している。このとき、光軸付近は１λとし、有効径までの間の段差については、段階的に位相差を調整し徐々に０．６λまたは１．４λとなるようにしている。

一方、実施例７，８は、図４に示す実施の形態に好適なものであり、環境温度が上昇（又は低下）した場合、半導体レーザＬＤの発振波長が増大（又は低下）することに応じて回折構造ＤＳから生じる回折光の回折角を変化させる作用に加え、カバーＣＶの熱膨張による光源と光結合レンズＣＬ間の距離を調整することで、環境温度変化による光結合レンズＣＬの屈折率の変化に起因した焦点位置ズレを補正することができるものである。ここで、カバーＣＶの線膨張係数は、０．００００６ｃｍ／ｃｍ℃である。

図８から明らかであるが、実施例７，８においては、効率変動のみを考慮するとガラスレンズ相当に抑えられている。

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。

ＡＰ 開口
ＢＳ ベース
ＣＧ カバーガラス
ＣＬ 光結合レンズ又は光結合レンズ部
ＣＶ カバー
ＤＳ 回折構造
ＦＬ フランジ部
ＬＤ 半導体レーザ
ＬＧ 脚部
ＬＭ 半導体モジュール
ＯＦ 光ファイバ
ＰＤ フォトダイオード
ＰＤａ 受光面
Ｓ１ 半導体レーザ側光学面
Ｓ２ 反半導体レーザ側光学面

Claims (13)

1. 半導体レーザから出射された波長λの光束を集光する光通信用のレンズであって、
   前記レンズはプラスチック製であり、
   前記レンズの光学面の１面にのみ、温度変化時の焦点位置変動を抑制する光路差付与構造を形成しており、
   前記光路差付与構造は、前記レンズの光軸を中心とする複数の輪帯を含み、前記レンズの光軸を通る面で切断した前記輪帯の断面形状はブレーズ型形状であって、
   前記レンズを通過した光束の瞳透過率分布が条件式（１）を満たすことを特徴とする光通信用のレンズ。
   ０．５≦Ｔ１／Ｔ０≦０．８５ （１）
   但し、
   Ｔ０：前記レンズの光軸近傍における透過率
   Ｔ１：前記レンズの周辺における透過率
2. 前記半導体レーザからの光束が入射する側のＮＡは、条件式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光通信用のレンズ。
   ０．３５≦ＮＡ≦０．８５ （２）
3. 前記光路差付与構造は、前記レンズの光軸を向いた段差を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光通信用のレンズ。
4. 前記光路差付与構造は、前記波長λの略整数倍の光路差を、通過する光束に付与することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光通信用のレンズ。
5. 前記光路差付与構造は、前記レンズの有効径の全範囲で、前記波長λの１倍の光路差を、通過する光束に付与することを特徴とする請求項４に記載の光通信用のレンズ。
6. 前記光路差付与構造は、前記レンズの光軸近傍の中央領域では、前記波長λのＸ倍を光路差を付与し、前記レンズの中央領域の外側の周辺領域では、前記波長λのＹ倍の光路差を、通過する光束に付与し、Ｘの小数点一ケタを四捨五入にして整数とした値は、Ｙの小数点一ケタを四捨五入にして整数とした値よりも、小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光通信用のレンズ。
7. 前記Ｘの小数点一ケタを四捨五入にして整数とした値が１であり、前記Ｙの小数点一ケタを四捨五入にして整数とした値が２であることを特徴とする請求項６に記載の光通信用のレンズ。
8. 前記レンズは光ファイバの端面に、前記半導体レーザから出射された光束を集光する光結合レンズであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光通信用のレンズ。
9. 前記結合レンズは光学系倍率Mが下記の条件式（３）を満たすことを特徴とする請求項８に記載の光通信用のレンズ
   １．０≦M≦４．０ （３）
10. 前記光路差付与構造は、前記半導体レーザからの光束が出射する面に設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光通信用のレンズ。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の光通信用のレンズと、半導体レーザを一体的に組み付けてなることを特徴とする半導体モジュール。
12. 前記レンズは、前記半導体レーザを密封する筐体に取り付けられていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体モジュール。
13. 前記レンズは、前記半導体レーザを密封する筐体と一体であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体モジュール。

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