TWI658295B - 平凸透鏡、光纖矩陣模組及受光模組 - Google Patents

平凸透鏡、光纖矩陣模組及受光模組 Download PDF

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Abstract

本發明之目的在於,於反射型之透鏡-光纖耦合系統中,使局部分支為監視用後之應再次返回至光纖之光與光纖效率良好地耦合。 本發明之平凸透鏡係具備平坦面(21)及凸面(23)者,凸面(23)具有第1非球面(A1)及第2非球面(A2),該等第1非球面(A1)及第2非球面(A2)係使自端面配置於第1位置(P1)及第2位置(P2)之2條光纖(11)之端面出射之光為平行光,且於自第1非球面(A1)入射之平行光由形成於平坦面(21)之反射面反射之情形時,第2非球面(A2)將該平行光聚光於第2位置(P2)。

Description

平凸透鏡、光纖矩陣模組及受光模組
本發明係關於一種具有非球面之平凸透鏡及具備此之光纖矩陣模組及受光模組。
提出有一種WDM(Wavelength Division Multiplexing:波長分割多工)傳輸用之受光模組(例如參照專利文獻1)。專利文獻1之受光模組係利用透鏡矩陣對自光纖矩陣出射之光束進行準直,且為了監視傳輸路徑中之光,而利用分束器將光束之一部分分支,並利用設置於後段之PD(Photo Detector,光偵測器)接收光。 專利文獻1之受光模組係利用分束器將經透鏡矩陣準直之光束之大部分反射至透鏡矩陣,並朝光纖矩陣返回。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本專利特開2009-093131號公報 [專利文獻2]日本專利特開平3-131803號公報
[發明所欲解決之問題] 若經小型化且經透鏡矩陣準直之光束相對於透鏡直徑相對變粗,則透鏡之像差之影響變得顯著,而有局部分支為監視用後之應再次返回至光纖之光難以與光纖耦合之問題。因此,本發明之目的在於,於反射型之透鏡-光纖耦合系統中,使局部分支為監視用後之應再次返回至光纖之光與光纖效率良好地耦合。 [解決問題之技術手段] 具體而言,本發明之平凸透鏡係具備平坦面及凸面者,且 上述凸面具有第1非球面及第2非球面,該等第1非球面及第2非球面係使自端面配置於第1位置及第2位置之2條光纖之上述端面出射之光為平行光,且 於自上述第1非球面入射之平行光由形成於上述平坦面之反射面反射之情形時,上述第2非球面將該平行光聚光於上述第2位置。 具體而言,本發明之平凸透鏡係具備平坦面及凸面者,且 上述凸面具有第1非球面及第2非球面,該等第1非球面及第2非球面係使自端面配置於第1位置及第2位置之2條光纖之上述端面入射至上述平坦面之光為平行光,且以聚光於配置於與上述第1位置及上述第2位置相距預設之特定距離之反射面之一點的方式出射,且 於自上述第1非球面出射之平行光於上述一點反射之情形時,上述第2非球面將該平行光聚光於上述第2位置。 於本發明之平凸透鏡中亦可為,上述第1非球面具有第1凸面,該第1凸面係於通過上述第1位置且垂直於上述反射面之直線與上述凸面之交點、與上述凸面之中心之間具有頂點,且上述第2非球面具有第2凸面,該第2凸面係於通過上述第2位置且垂直於上述反射面之直線與上述凸面之交點、與上述凸面之中心之間具有頂點。 於該情形時,上述凸面較佳為於上述第1凸面與上述第2凸面之間,進而具備緩和上述第1凸面及上述第2凸面之邊界之形狀變化的鞍部。 於本發明之平凸透鏡中,亦可於上述反射面設置有反射部,該反射部使自上述第1非球面入射之平行光之一部分透過,且將上述平行光之一部分朝上述第2非球面反射。 具體而言,本發明之光纖矩陣模組具備: 第1透鏡矩陣,其具有本發明之複數個平凸透鏡,且上述平凸透鏡之中心軸於預設之特定平面內並排排列;及 光纖矩陣,其相對於各個上述平凸透鏡具有2條光纖,且各光纖之端面配置於各個上述平凸透鏡之上述第1位置或上述第2位置。 於本發明之光纖矩陣模組中,亦可進而具備GRIN透鏡矩陣,該GRIN透鏡矩陣具有複數個GRIN透鏡,供自上述反射面透過之各個上述平行光入射至不同之上述GRIN透鏡之一端,且將自上述GRIN透鏡之另一端出射之各光聚光於依上述GRIN透鏡之每一者所規定之點。 於本發明之光纖矩陣模組中,亦可具備: 本發明之光纖矩陣模組; 光零件,其具有將自上述反射面透過之平行光透過之複數個貫通孔,供自上述反射面透過之各個上述平行光入射至不同之上述貫通孔之一端,且將通過上述貫通孔後之平行光自各貫通孔之另一端出射;及 第2透鏡矩陣,其將自上述複數個貫通孔之上述另一端出射之各光聚光於依上述貫通孔之每一者所規定之點。 具體而言,本發明之受光模組具備本發明之光纖矩陣模組、及受光元件矩陣。 [發明之效果] 根據本發明,於反射型透鏡-光纖耦合系統中,可使局部分支為監視用後之應再次返回至光纖之光與光纖效率良好地耦合。
以下,一面參照圖式,一面對本發明之實施形態詳細地進行說明。再者,本發明並不限定於以下所示之實施形態。該等實施例僅為例示,本發明可以基於業者之知識實施各種變更、改良所得之形態實施。再者,本說明書及圖式中符號相同之構成要素表示彼此相同者。 (第1實施形態) 於圖1中表示本實施形態之光學系統。於本實施形態中,於平凸透鏡之凸面23側配置有光纖11A及11B,於平凸透鏡之平坦面21側配置有部分反射部4。光纖11A及11B之端面分別配置於第1位置P1及第2位置P2。光纖11A及11B之長度方向於特定平面PC 內與平凸透鏡之中心軸AC 平行配置。 本實施形態之平凸透鏡於凸面23具有第1非球面A1及第2非球面A2。自光纖11A之端面P1出射之光自第1非球面A1入射至平凸透鏡。第1非球面A1使自光纖11A之端面P1出射之光為平行光。利用第1非球面A1成為平行光之光透過平凸透鏡,並由配置於平坦面21之部分反射部4將一部分朝向第2非球面A2反射。第2非球面A2將經部分反射部4反射之平行光聚光至第2位置P2。藉此,經部分反射部4反射之平行光入射至光纖11B。 本實施形態之平凸透鏡由於第2非球面A2將經部分反射部4反射之平行光聚光至第2位置P2,故而可使將監視光局部分支(以下表現為經抽頭)後之光與光纖11B效率良好地耦合。 (第2實施形態) 於圖2中表示本實施形態之光纖矩陣模組之構成例。本實施形態之光纖矩陣模組具備:第1實施形態之複數個凸面23-1~23-4排列而成之透鏡矩陣2、及第1實施形態之複數個光纖11A及11B排列而成之光纖矩陣1。光纖矩陣1及透鏡矩陣2係表示將第1實施形態之4個光纖-透鏡光學系統並排配置於特定平面PC 上之例。透鏡矩陣2作為第1透鏡矩陣發揮功能。 透鏡矩陣2具有第1實施形態之複數個平凸透鏡。透鏡矩陣2所具備之各平凸透鏡具備第1實施形態之光纖-透鏡光學系統作為基本單位。各平凸透鏡之中心軸即光軸AC 並排排列於特定平面PC 內。光纖矩陣1相對於各凸面23-1~23-4具有2條光纖11A及11B。 一面參照圖3一面對圖1及圖2之光學系統進行說明。以下方向係仿照圖中之正交xyz座標軸而進行說明。於圖之左側,配置有於xz平面內與z軸平行地於x軸方向上以等間隔df 將光纖排列而成的光纖矩陣1。該光纖矩陣1係以平行於x軸且相對於y軸呈特定角度之平面為端面,例如藉由TEMPAX玻璃等之殼體保持而構成。 具有平行於z軸之光軸AC 之凸面23將垂直於光軸AC 即z軸之面設為共通平面,且於x軸方向上以光纖矩陣1之兩倍之間隔2df 矩陣化。透鏡矩陣2之凸側朝向光纖矩陣1隔著下述之特定距離之空氣層3而配置。透鏡矩陣2之厚度如圖中所示,以凸面23與對向之相反側之平坦面21之距離和凹側焦距fc 一致之方式設定。 光纖矩陣1與透鏡矩陣2之相對位置以如下方式設定:於x軸方向上,平凸透鏡之光軸AC 與光纖矩陣1之鄰接光纖彼此之中心線(於該圖中係第1光纖11A與第2光纖11B之中心線)一致,於y方向上,由透鏡光軸AC 之矩陣形成之平面與由光纖矩陣之中心線形成之平面一致,以及於z方向上,光纖矩陣1之端面與透鏡矩陣2之凸面頂點之距離與平凸透鏡之凸側焦距fv 一致。 亦可於透鏡矩陣2之平坦面21側表面施加具有使特定波長之光以所期望之比率反射/透過之功能的部分透過膜41。 於透鏡矩陣2之兩端,設置有將透鏡矩陣與光纖矩陣1之間隔保持為特定值之間隔件22。間隔件22可預先與形成相當於透鏡之凹部同時地於模具形成相當於間隔件之凹部,然後與形成透鏡同時地以模塑法形成,或者亦可為夾入特定厚度之板之形態。 且說,於此種構成中,以光線近似研究自第1光纖11A之端面出射之光之路徑。由於第1光纖11A之端面位於凸側焦點面上,故以第1光纖11A之端面為點光源而自此處出射並入射至透鏡矩陣2之對應之透鏡的光朝光軸AC 側折射,並成為與光軸AC 呈某角度之平行光線而於透鏡中行進。其中,自光纖11A及11B之端與光軸AC 即z軸平行地出射之光線即平行光之中心光線於入射至平凸透鏡後通過凹側焦點。如上所述,平凸透鏡之厚度恰好設定為凹側焦距fc ,且該部位成為平坦面,並於該部位施加有部分透過膜41,因此,該平行光之特定強度部分透過部分透過膜41並以相對於光軸AC之角度直進,但其餘之強度部分由部分透過膜41反射,並於相對於光軸AC 對稱之x方向位置再次到達至平凸透鏡表面。已到達至透鏡表面之反射光為通過凹側焦點之平行光,沿著與自第1光纖11A出射並入射至平凸透鏡之光路相對於光軸AC 對稱的路徑,最後聚光至位於相對於光軸AC 與第1光纖11A對稱之位置之第2光纖11B的端面P2。 此處,若將平凸透鏡之厚度設為較凹側焦距fc 薄,則反射平行光相較透鏡厚度為fc 時到達光軸AC 側之表面,於此處平行光未被收束而於第2光纖11B之端面進一步擴散。另一方面,於透鏡厚度厚於fc 之情形時,反射光進一步到達透鏡外側表面,故平行光被過度收束,結果於第2光纖11B之端面擴散。於任一情形時,反射光線之光軸均與第2光纖11B之光軸偏移。較佳為光纖11A及11B之端面與透鏡矩陣2間之距離設定為凸側焦距fv ,同時透鏡矩陣2之平坦面21為凹側焦點面。 再者,於部分透過膜41透過之光線如圖3所示,若鄰接介質之折射率與空氣層3之折射率nv 相同,則以角度ψ出射。又,雖未圖示,但若鄰接介質之折射率與透鏡矩陣2之折射率相同,則以角度出射。 且說,於欲以此種反射光學系統於光纖11A及11B之間實現低損耗之耦合的情形時,對凸面23所要求之表面形狀一般稱為非球面。非球面形狀根據光學系統之設定形態而各自不同,根據圖4說明本實施形態之非球面形狀之求出方法。於圖4中,為了便於說明,而記述為光自第2光纖11B出射,但由於光學系統相對於光軸對稱,故而此並不有損真實性。 如圖所示,設定包含光軸AC 之xz平面,並將透鏡曲面設為以z軸為對稱軸之旋轉曲面,將該xz剖面之形狀設為Z(x)。此處設為對象之光學系統成為如下模型:自於xz面內之第2象限中與z軸平行地置於與x軸相距凸側焦距fv 之地點的第2光纖11B朝上方以θ之角度出射之光線在與假定曲線Z(x)之交點折射,並以圖3中所說明之反射角度於透鏡中行進。根據折射部位之斯奈爾定律,下式成立,即, (數式1)。 此處,nv 、nc 、θv 、θc 分別係空氣層3之折射率、平凸透鏡之折射率、向透鏡表面之入射角、自透鏡表面之出射角。若將光線入射位置之曲線Z(x)之切線與x軸所成之角度設為θt ,則根據圖4中之角度關係,容易知曉有下式之關係,即, (數式2)。 根據式(1)與式(2)而下式成立。 (數式3)此處,由於角度θt 係曲線Z(x)之切線角度,故而下式成立。 [數式4]又,來自光纖11B之出射光線與光軸AC 所成之角θ之正切滿足下式,即, (數式5)。 藉由將式(4)之θt 與式(5)之θ代入式(3),可獲得與Z(x)相關之微分方程式。根據式(3)~式(5)、及由下式表示之原點(0,0)之邊界條件求出曲線,但成為複雜之非線性微分方程式而無法解析性地求解,而以近似計算求出。此時,由於有可解析性地求解之情形,故而預先基於此而確定函數形式。 [數式6]可解析性地求解之情形係於圖4中第2光纖11B之x方向位置與透鏡光軸AC 一致之情形(df /2=0)。此時,圖4中之反射角度成為零,Z(x)係解析性地求出而成為式(7)之雙曲線。 [數式7]此處,Ch 係曲率,且為下式,即, (數式8), Kh 係圓錐常數,且為下式,即, (數式9)。 於如本實施形態般光纖11A及11B自光軸AC 偏移之情形時,假定以式(7)為基本式並附加基於以下所示之多項式之近似項所得者。 [數式10]此處,n係2以上之整數,A3 、A4 、…A2n 1 、A2n 係非球面係數。於式(10)中確定對應於目標精度之次數後,代入式(3)、式(4)、式(5)進行殘差計算,根據阻尼最小平方法求出成為整體解之曲率Ch 、圓錐常數Kh 、及非球面係數A2n 1 、A2n 之組合即可。若指定式(10)中之係數值,則可於模具加工其表面形狀。可以式(3)~式(5)確定該應指定之係數。 即便不進行此種計算,亦可驗證其可能性。首先,於圖5左欄表示圖3及圖4所示之各參數之名稱及其記號。於圖3及圖4中,自於凸側焦點面具有端面之第1光纖11A出射並通過空氣層3入射至凸面23的光線成為與光軸AC之角度之平行光。因此,對於該等光線中入射至透鏡光軸AC 與透鏡表面之交點(即透鏡之凸面23之頂點)之光線,由於透鏡表面切平面恰好垂直於與光軸AC 平行之z軸,故於光線之透鏡中心入射角ψ、出射角與折射率nv 、nc 之間,斯奈爾定律成立,即, (數式11)。 又,由於光纖矩陣1以間隔df 矩陣化且透鏡矩陣2以其兩倍之2df 矩陣化,故若給出光纖間隔df 與透鏡中心入射角ψ、及出射角度之值,則凸側、凹側各側之焦距fv 、fc 由以下之式(12)、式(13)確定。 (數式12)(數式13)於上述式(11)~式(13)中未加入近似操作而係嚴格之式,滿足該關係之以光軸AC 為對稱軸之旋轉曲面成為以旋轉雙曲面為基本之高次曲面。根據式(12)與式(13)而確定平凸透鏡之凸凹之兩個焦距fv 、fc ,即,確定光纖11A及11B與平凸透鏡之距離及透鏡厚度。 其次,對此種光學系統之限制因素進行敍述。來自第1光纖11A之出射光依據光纖之NA(Numerical Aperture,數值孔徑)擴散,但根據圖3可明確,其光束直徑BD必須使得於距離fv 處不觸及至鄰接透鏡,故下述條件必須成立,即, (數式14)。 關於凸面23之表面形狀亦有限制事項。具備凸面23之透鏡矩陣2係藉由使用模具之模塑法製作,但此時,凹面形狀研削加工之曲率半徑有限制,通常設為150 μm以上。透鏡表面形狀成為非球面,其曲率半徑於作為光軸AC 之透鏡中心最小,且隨著遠離光軸AC 而逐漸增大。因此,係於製作模塑模具時成為問題之最小曲率半徑,但由於其於透鏡中心最小,故而若對此以球面近似進行估算,則成為以下之式(15)。 [數式15]此處,為了明確起見,附記凸側焦距fv 與凹側焦距fc 於球面近似時由以下之式給出。 [數式16][數式17]且說,嘗試向該等式(11)~式(15)代入實際可能之值而計算圖3中之透鏡中心入射角ψ以下之值所得者係圖5之估算例。光纖間隔df 選擇經常使用之值即250 μm及127 μm,透鏡折射率選擇耐候性較高之硼矽酸系模塑透鏡用玻璃之折射率1.501。其次,係反射角,本實施形態考慮對以由光纖11A與第2光纖11B構成之光纖對為主光路且將部分透過膜41設為使90%以上反射而使幾%透過之所謂抽頭膜的光抽頭模組之應用,而設定於部分透過光不產生極化相依性之角度5度。 於光纖間隔df 為250 μm與127 μm之情形時,凸側焦距fv 分別成為947.3 μm與481.2 μm。此時,自光纖11A出射之光於透鏡表面之光束直徑BD分別成為小於光纖間隔df 之227.4 μm、115.5 μm,因此,該光不會觸及至鄰接透鏡。此處,作為光纖11A及11B之NA,選擇1.3/1.55 μm波段中標準之眾數徑9.0/10.0 μm之單模光纖之值即0.12。又,由於透鏡矩陣2之凸面23表面之光軸AC 上之球面近似曲率半徑係474.6 μm、241.1 μm,故充分超過模具之機械加工極限即150 μm,而可進行模塑透鏡之模具加工。 雖為部分透過膜41,但此通常係由以二氧化矽為低折射率膜材料且以二氧化鈦或五氧化鉭為高折射率膜材料之交替多層積層膜形成。作為此時之基板,由於透鏡矩陣2之與凸面23對向之平坦面21為相同之氧化物系材料,故成為良好之基板。總之,可知能夠實現圖1、圖2及圖3之構成。 (第3實施形態) 於圖6中表示本實施形態之光學系統之立體圖。本實施形態之平凸透鏡2係於第1實施形態及第2實施形態中,第1非球面A1及第2非球面A2成為凸面的雙峰型之雙峰透鏡。於第3實施形態及第4實施形態中,將第1非球面A1稱為第一凸面A1,將第2非球面A2稱為第二凸面A2。 本實施形態之平凸透鏡2係於具備平行於圖中xyz正交座標軸之邊之長方形狀之由透鏡材質構成之平坦基板上,具有包含三個曲面之凸面23。第一個係由以平行於z軸之直線R1為中心線且以與R1之交點為峰P6之旋轉曲面構成的第一凸面A1。第二個係由以平行於z軸之直線R2為中心線且以與R2之交點為峰P8之旋轉曲面構成的第二凸面A2。第二凸面A2係將第一凸面A1於x方向上平行移動峰間隔dp 所得之形狀。於圖中以R2表示第二凸面A2之旋轉中心線。該等發揮透鏡作用之兩個凸面A1、A2係透鏡直徑設定為較峰間隔dp 大,且以彼此相互重疊之方式配置。重疊部分如圖所示被削去,並於該部位以連接A1、A2兩凸面之形式設置第三個曲面即寬度ws 之鞍部A3。根據圖中之以虛線表示之等高線可知,鞍部A3亦成為自周圍平面突出且平滑地連接2個凸面A1、A2之形態。作為整體,平凸透鏡2通過由凸面A1、A2形成之兩個峰之中點,且以平行於z軸之直線Ac為透鏡中心線。以下將通過凸面A1及A2之峰且平行於x軸之直線稱為峰線Bc。 具有平行於z軸之光軸之直線狀之第一光纖11A相對於雙峰透鏡係以其光軸於與凸面A1之中心線R1相距特定距離之外側與峰線Bc相交之方式配置,來自第一光纖11A之出射光偏移入射至相對於第一透鏡凸面之峰P6更外側之交點P4。交點P4係通過第1位置P1且垂直於平坦面21之直線與凸面23之交點。入射之光之特定量強度部分以下述之機制反射,並自相對於第二透鏡凸面之峰P8更外側之交點P7聚光、入射至與第一光纖11A相對於透鏡中心線Ac對稱配置之第二光纖11B。交點P7係通過第2位置P2且垂直於平坦面21之直線與凸面23之交點。 雙峰透鏡可利用使用模具之玻璃模塑法製作。於圖7中表示模具製作步驟中之自z軸方向觀察模具所得之等高線圖。首先,如圖7所示,於模具面形成對應於第一、第二凸面A1、A2之凹面。若於邊界存在棱線,則有妨礙模塑作業中之物質移動之可能性。因此,如圖8所示,以未到達來自光纖之出射光強度分佈圖案於xy面之投影部分Pd之方式對邊界進行切削,而緩和邊界處之形狀變化。藉此,成為如圖6所示之具備鞍部A3之形狀。 其次,為了更易於理解地說明本實施形態之光學系統,而利用以包含旋轉中心線R1、R2之平面剖切所得之剖視圖即圖9進行說明。於本實施形態中,於平凸透鏡2之凸面23側配置有光纖11A及11B,於平凸透鏡2之平坦面21側配置有部分反射部4。光纖11A及11B之端面分別配置於第1位置P1及第2位置P2。光纖11A及11B之長度方向於特定平面PC 內與雙峰透鏡之中心軸AC 平行配置。以下,將該實施形態稱為類型I。 本實施形態之平凸透鏡2於凸面23具有2處凸面。第一凸面A1係以與平凸透鏡之中心軸Ac平行且包含於由光纖11A及11B形成之平面Pc之直線R1為旋轉中心的旋轉曲面,第二凸面A2亦同樣係以與平凸透鏡之中心軸Ac平行且包含於由光纖11A及11B形成之平面Pc之直線R2為旋轉中心的旋轉曲面,旋轉中心線R1、R2相對於中心軸Ac對稱,且相對於2條光纖中心線朝內側偏移特定距離。 (第4實施形態) 於圖10中表示本實施形態之光纖矩陣模組之構成例。本實施形態之光纖矩陣模組係於實施形態2之光纖矩陣模組中,對凸面23-1~23-4應用第3實施形態之平凸透鏡2。 一面參照圖11,一面對圖9及圖10中之光學系統進行說明。於圖之左側,配置有於xz平面內與z軸平行地於x軸方向上以週期間隔df 將光纖排列而成的光纖矩陣1。該光纖矩陣1係以平行於x軸且相對於y軸呈特定角度之平面為端面,例如藉由TEMPAX玻璃等之殼體保持而構成。 第一凸面A1係以包含於由光纖矩陣形成之面Pc且平行於z軸之直線R1為中心之旋轉曲面,且發揮透鏡作用。而且,相對於光纖11A之光軸,朝內側(中心軸Ac側)偏移特定距離。第二凸面A2形成為相對於透鏡中心軸Ac隔著寬度ws 之鞍部與第一凸面A1對稱之形狀。第一與第二凸面A1與A2各自之旋轉中心線R1與R2之間隔dp (以下稱為峰間隔dp )設定為小於光纖間隔df 之距離。 透鏡矩陣2之凸側朝向光纖矩陣1隔著厚度與凸側焦距fv 相等之空氣層3而配置。透鏡矩陣2之厚度如圖中所示成為雙峰凸面23與對向之相反側之平坦面21之距離,但設定為厚於凹側焦距fc 之透鏡厚度t1 。 光纖矩陣1與透鏡矩陣2之相對位置以如下方式設定,即,於x軸方向上,雙峰透鏡之中心軸AC 與光纖矩陣1之鄰接光纖彼此之中心線(於該圖中係第1光纖11A與第2光纖11B之中心線)一致,於y方向上,由透鏡中心軸AC 之矩陣形成之平面與由光纖矩陣之中心線形成之平面一致,及於z方向上,如上所述,光纖矩陣1之端面與透鏡矩陣2之凸面頂點之距離與雙峰透鏡之凸側焦距fv 一致。 於如此之構成中,以光線近似而探討自第1光纖11A之端面出射之光之路徑。由於第1光纖11A之端面位於凸側焦點面上,且如上所述雙峰凸面中之第一凸面A1之中心線R1相對於光纖中心線於x方向上偏移,故以第1光纖11A之端面為點光源而自其處出射並入射至透鏡矩陣2之第一凸面A1之光朝中心軸AC 側折射,成為與中心軸AC 呈特定角度之平行光線而於透鏡中行進。其中,自光纖11A之端與中心軸AC 即z軸平行地出射之光線即中心光線於入射至平凸透鏡後通過凹側焦點。若如上述般設定為平凸透鏡之厚度t1 厚於凹側焦距fc ,而且平坦面21位於上述中心光線與透鏡中心軸Ac 相交之點,且於該平坦面21施加有部分透過膜41,則該平行光之特定強度部分透過部分透過膜41並以相對於中心軸AC 為ψ之角度直進,但其餘之強度部分由部分透過膜41反射,於相對於中心軸AC 對稱之x方向位置到達第二凸面A2。到達第二凸面A2之反射光為通過凹側焦點之平行光,沿著與自第1光纖11A出射並入射至雙峰透鏡之光路相對於中心軸AC 對稱之路徑,最後聚光至位於相對於中心軸AC 與第1光纖11A對稱之位置之第2光纖11B的端面P2。 其次,使用數式將上述說明公式化。於圖11中,自於凸側焦點面具有端面之第1光纖11A出射並通過空氣層3而入射至凸面23之第一凸面A1之光線,成為與透鏡中心軸AC之角度之平行光。對於該等光線中入射至第一凸面A1之峰(中心對稱線R1與第一凸面之交點)之光線,由於入射點之透鏡表面切平面垂直於中心軸AC ,故而於光線之峰中心入射角ψ、出射角及折射率nv 、nc 之間,斯奈爾定律成立。 (數式31)此處,nv 、nc 分別係空氣折射率、及透鏡折射率。 又,由於光纖矩陣1以週期間隔df 矩陣化,且透鏡矩陣2以其兩倍之週期2df 矩陣化,故凸側、凹側各側之焦距fv 、fc 基於光纖間隔df 、第一凸面A1與第二凸面A2之峰間隔dp 、透鏡中心入射角ψ、及出射角度之值而由以下之式(32)、式(33)確定。 (數式32)(數式33)又,關於透鏡厚度t1 亦同樣地,下式成立,即, (數式34)。 進而,凸面A1及A2之峰處之曲率半徑即峰曲率半徑Rp 由下式給出,即, (數式35)。 構成雙峰之第一、第二凸面A1、A2均滿足上述式(31)~式(35)即可,但滿足該等關係且以平行於透鏡中心軸AC 之軸為對稱軸之旋轉曲面成為以旋轉雙曲面為基本之高次曲面,一般稱為非球面。若給出光纖間隔df 、透鏡之峰間隔dp 、透鏡折射率nc 、空氣折射率nv 、及反射角,則基於式(32)與式(33)而確定雙峰透鏡之凸凹之兩個焦距fv 、fc ,即,確定光纖11A及11B與雙峰透鏡之距離、及基於式(34)而確定透鏡厚度t1 。又,根據式(35)可知成為作為透鏡製作步驟之模塑步驟中使用之模具之形狀標準之峰曲率半徑。 其次,對用以使此種光學系統成立之條件進行敍述。為了實現第一光纖11A與第二光纖11B之間之低損耗耦合,而必須極力地抑制於透鏡面之遮光。來自第1光纖11A之出射光依據光纖之NA擴散,但該擴散經常表現為以光纖端為光束腰位置之高斯光束之傳輸。自光纖端出射並到達透鏡面之高斯光束之功率分佈於光束中心至光束半徑ω之1.73倍之範圍內成為總功率之99.75%。 因此,若將至此為止之範圍設為到達透鏡表面即凸面23之光束之光束直徑BD,則其係由下式給出。 [數式36]此處,ω0 、λ分別係光纖11A之眾數半徑、及光之波長。 其次,基於透鏡之構成,根據圖12研究於透鏡表面之光束直徑BD所要求之條件。於本實施形態之雙峰透鏡中,若擴大峰間隔dp ,則如圖12(a)所示,2個透鏡凸面之重疊消除而成為2個個別凸面狀態。即,鞍部曲面A3與透鏡周圍平面成為同一面。將此稱為2片狀態,並以此與雙峰狀態之比較進行研究。 首先,根據圖12(a),對2片系統進行研究。於2片系統中,為了實現無遮光、低損耗之光纖-光纖耦合,而平行於z軸之光纖中心線與靠近該中心線側之透鏡外緣之x軸方向距離DE 必須大於透鏡表面之光纖出射光之光束直徑BD之一半,因此,以下必須成立。 (數式37)即 (數式38)此處,BD表示透鏡表面之光纖出射光之光束直徑,dp 表示凸面A1與凸面A2之峰間隔,df 表示光纖之間隔,ws 表示鞍部A3之寬度。此係2片條件。以下,將2dp -df -ws 稱為2片條件指數。若與式(38)所示之條件相反而透鏡上光束直徑BD大於2片條件指數,則為了構成無遮光之光學系統,而必須採用雙峰構成。 另一方面,於圖12(b)所示之雙峰系統中,無遮光之條件係於圖12(b)中,光纖中心線與x軸方向透鏡外緣兩端間之距離DC 、DE 均必須大於光束直徑BD之一半,因此,下式必須成立,即, (數式39)。 該條件如下所述成為包含式(38)之條件之更寬泛之條件。 此處,預先敍述有亦可不必為雙峰形狀之情形。於圖12之2例中,於透鏡表面之光束區域均跨及透鏡峰之兩側,但亦考慮如圖13(a)所示,光束區域僅分佈於透鏡峰外側之情形。該情形相當於在透鏡表面之光束直徑BD充分小而滿足式(38)及式(39)之條件且亦滿足下式的情形。 (數式40)於此種情形時,透鏡形狀無須為雙峰,而可為如圖13(b)、或圖14之等高線圖中所示之梯形狀,又,此時,模具加工亦較容易,且其耐久性亦較高。 進而還有另一個條件。其係於製作模具時與峰曲率半徑Rp 相關者。 (數式41)其理由如下。本實施形態中作為對象之平凸透鏡係藉由模塑法製作。該方法係於形成於模具之凹狀之孔壓製原料玻璃而將凹形狀轉印為玻璃之凸形狀的方法,透鏡曲面之曲率半徑依存於製作模具之工具機可實現之孔之曲率半徑,且將其設為150 μm以上。即,意味著無法形成此以下之較小之曲率半徑之深度。 其次,將上述內容表示於圖15、圖16所示之曲線圖中而對可構成類型I之光學系統之條件進行敍述。 首先,對計算時採用之數值進行說明。 光纖間隔df :作為光纖矩陣1中經常採用之光纖週期間隔,於圖15中使用配合通用250 μm間距帶狀光纖之250 μm,於圖16中使用設為上下嵌套件而矩陣化之127 μm。 波長λ:設為光通信波段之代表值即1.55 μm。 眾數半徑ω0 :設為單模光纖之波長1.55 μm下之代表值即5.2 μm。 透鏡折射率nc :用於透鏡之光學玻璃之折射率分佈於低折射率側之冕牌玻璃之1.4至高折射率側之火石玻璃之2.0。因此,此處考慮透鏡折射率nc 為1.4至2.0。 空氣折射率nv :由於透鏡外側通常為空氣,故設為1.0。 鞍部A3之寬度ws 與鄰接間隔dn :於利用玻璃模塑法製作透鏡之情形時,於模具挖出透鏡形狀之孔,於經驗上,鄰接之孔之間需要10~20 μm左右之平坦部。其理由在於:若寬度窄於此,則於鄰接之孔之間產生寬度較窄之尖銳之凸部,導致於模塑壓製步驟之高溫高壓下(1 MPa、450℃以上)變形,而有損作為模具之耐久性。因此,此處,將鞍部A3之寬度ws 、鄰接間隔dn 均設為17 μm。 反射角:設想對部分透過膜41使用光學厚度為λ/4且將低折射率透明材料與高折射率透明材料交替積層而成之介質多層膜。於構造上,傾斜地入射至該多層膜,因此,成為問題的是已透過之抽頭光之極化相依性。於使用SiO2 (折射率1.44)作為低折射率材料且使用Ta2 O5 (折射率2.12)作為高折射率材料之情形時,在理論計算上,為了將C+L波段(波長1530~1625 nm)中透過之抽頭光之極化相依性設為0.05 dB以下,而必須將反射角設為4度以下。因此,此處,亦考慮實際製作時之折射率或膜厚之變動所引起之影響而將反射角設為2度。 圖15係對於類型I之構成中光纖間隔df 為250 μm之情形,針對每一峰間隔dp 對透鏡折射率nc 與峰曲率半徑Rp 之關係進行繪圖所得的曲線圖。根據式(31)~(35),對各峰間隔而言,隨著透鏡折射率增加而光線折射能力增加,因而峰曲率半徑增大。關於峰間隔,隨著增大而光線接近峰中心,因此,為了保持相同之折射能力,而曲率半徑減小。 於該曲線圖中,應用雙峰條件、2片條件及模具加工條件者係曲線圖中之3條虛線。2片條件由式(38)規定,本發明之雙峰條件由式(39)規定,模具加工條件由式(41)規定。較根據2片條件獲得之值更下方係可構成無遮光之2片形態之光學系統之nc -Rp 區域。較根據雙峰條件獲得之值更下方係可構成無遮光之雙峰形態之光學系統之nc -Rp 區域。較根據模具加工條件獲得之值更上方成為可構成之nc -Rp 區域。可知根據雙峰條件及模具加工條件獲得之區域較根據2片條件及模具加工條件獲得之區域更廣,而設計自由度放寬至2倍以上。尤其,於雙峰條件下,可構成曲率半徑更大之條件之光學系統,此意味著模具加工之難度較低。 圖16係對於類型I之構成中光纖間隔df 為較圖15窄之127 μm之情形,針對每一峰間隔dp 對透鏡折射率nc 與峰曲率半徑Rp 之關係進行繪圖所得的曲線圖。與圖15同樣地,對各峰間隔而言,隨著透鏡折射率增加而光線折射能力增加,因而峰曲率半徑增大。關於峰間隔,隨著增大而光線接近峰中心,因此,為了保持相同之折射能力,而曲率半徑減小。 於該曲線圖中,與圖15同樣地,應用雙峰條件、2片條件及模具加工條件者係曲線圖中之3條虛線。一看便知,可實現雙峰形態之區域與2片形態相比絕對更廣。若與光纖間隔df =250 μm之情形相比,則隨著光纖間隔df 變窄而可實現之nc -Rp 區域亦變窄,可實現雙峰形態之區域成為由雙峰條件與模具加工條件之虛線包圍之三角形區域,於透鏡折射率nc 為1.44以下時無法構成。然而,於可靠性較高之硼矽酸玻璃之代表即BK7之折射率為1.501時,雖然峰間隔dp 之寬度較窄且為91.7~95.6 μm,但可構成光學系統,可知雙峰形態可應對小型化。 另一方面,至於2片條件,僅可於nc 為1.81以上而且峰間隔亦為105至107 μm之極其有限之區域實現。該高折射率區域為就可靠性之方面而言黃變之產生等成為問題之區域,不得不說實用上之應用性較低,可認為於df =127 μm時無法應用2片形態。 (第5實施形態) 於圖17中表示本實施形態之光學系統。於本實施形態中,於平凸透鏡之平坦面21側配置有光纖11A及11B,於平凸透鏡之凸面23側配置有部分反射部4。光纖11A及11B之端面分別配置於第1位置P1及第2位置P2。光纖11A及11B之長度方向於特定平面PC 內與平凸透鏡之中心軸AC 平行配置。 本實施形態之平凸透鏡於凸面23具有第1非球面A1及第2非球面A2。自光纖11A之端面出射之光自平坦面21入射至平凸透鏡。入射至平凸透鏡之光透過平凸透鏡,並自第1非球面A1出射至空氣層3中。此時,第1非球面A1使出射至空氣層3中之光為平行光。 於第1非球面A1成為平行光之光通過空氣層3中,並於部分透過膜41之反射面之一點P3使一部分朝向第2非球面A2反射。經部分反射部4反射之平行光自第2非球面A2入射至平凸透鏡。第2非球面A2將經部分反射部4反射之平行光聚光至第2位置P2。藉此,經部分反射部4反射之平行光入射至光纖11B。 本實施形態之平凸透鏡由於第2非球面A2將經部分反射部4反射之平行光聚光至第2位置P2,故而可使對監視光進行抽頭後之光與光纖11B效率良好地耦合。 (第6實施形態) 於圖18中表示本實施形態之光纖矩陣模組之構成例。本實施形態之光纖矩陣模組具備:第5實施形態之複數個凸面23-1~23-4排列而成之透鏡矩陣2、及第5實施形態之複數個光纖11A及11B排列而成之光纖矩陣1。光纖矩陣1及透鏡矩陣2係表示將第5實施形態之4個光纖-透鏡光學系統並排配置於特定平面PC 上之例。透鏡矩陣2作為第1透鏡矩陣發揮功能。 透鏡矩陣2具有第5實施形態之複數個平凸透鏡。透鏡矩陣2所具備之各平凸透鏡具備第5實施形態之光纖-透鏡光學系統作為基本單位。各平凸透鏡之中心軸即光軸AC 並排排列於特定平面PC 內。光纖矩陣1相對於各凸面23-1~23-4具有2條光纖11A及11B。 於透鏡矩陣2之兩端,設置有將透鏡矩陣與部分透過部4之間隔保持為特定值之間隔件22。間隔件22可預先與形成相當於透鏡之凹部同時地於模具形成相當於間隔件之凹部,然後與形成透鏡同時地以模塑法形成,或者亦可為夾入特定厚度之板之形態。 一面參照圖19,一面對圖17及圖18之光學系統進行說明。以下方向係仿照圖中之正交xyz座標軸而進行說明。於圖之左端,配置有於xz平面內與z軸平行地於x軸方向上以等間隔df 排列而成的光纖矩陣1。該光纖矩陣1係以平行於x軸且相對於y軸呈特定角度之平面為端面,例如藉由TEMPAX玻璃等之殼體保持而構成。 且說,於圖19中,與第1及第2實施形態之光學系統不同,於光纖1之端面,直接貼附有透鏡矩陣2之平坦面21側,且光纖矩陣1之2倍週期之凸面23側朝向平坦面21之相反側。光纖矩陣1與透鏡矩陣2之相對位置以如下方式設定,即,於x軸方向上,平凸透鏡之光軸AC 與光纖矩陣1之鄰接光纖彼此之中心線(於該圖中係第1光纖11A與第2光纖11B之中心線)一致,於y方向上,由透鏡光軸AC 之矩陣形成之平面與由光纖矩陣1之中心線形成之平面一致,及於z方向上,光纖矩陣1之端面與透鏡矩陣2之凸面頂點之距離與平凸透鏡之凹側焦距fc 一致。於圖19之右側,隔著特定間隔之空氣層3,垂直於與光軸AC 平行之z軸地設置有具有使特定波長之光以所期望之比率反射/透過之功能的部分透過膜41。於第1及第2實施形態中,部分透過膜41直接安裝於透鏡矩陣2之平坦側,但於本實施形態中,個別地安裝於與透鏡矩陣2相同折射率之玻璃基板42。 且說,於此種構成中,以光線近似研究自第1光纖11A之端面P1出射之光之路徑。由於第1光纖11A之端面P1位於凹側焦點面上,故以第1光纖11A之端面P1為點光源而自此處出射並自透鏡矩陣2之對應之凸面23出射之光線朝光軸AC 側折射,而成為與光軸AC 呈某角度之平行光線而於空氣層3中行進。其中,自光纖端P1與光軸AC 平行地出射之光線即出射光之中心光線於到達部分透過膜41時,通過對應於第1非球面A1之凸側焦點。空氣層3之厚度恰好設定為凸側焦距fv ,且該部位成為平坦面,並於該部位施加有部分透過膜41,因此,該平行光之特定強度部分透過部分透過膜41並以相對於光軸AC之角度直進,但其餘之強度部分由部分透過膜41反射,並於相對於光軸AC 對稱之x方向位置再次到達透鏡矩陣2之表面。已到達透鏡矩陣2之表面之反射光為通過凸側焦點之平行光,沿著與自第1光纖11A出射並自透鏡矩陣2之表面入射之光路相對於光軸AC 對稱之路徑,最後聚光至位於相對於光軸AC 與第1光纖11A對稱之位置之第2光纖11B的端面。 此處,若將空氣層3之厚度設為較凸側焦距fv 薄,則反射平行光相較空氣層3之厚度為fv 時到達光軸AC 側之表面,於此處平行光未被收束而於第2光纖11B之端面進一步擴散。另一方面,於空氣層3之厚度厚於fv 之情形時,反射光進一步到達透鏡外側表面,而平行光被過度收束,結果於第2光纖11B之端面擴散。於任一情形時,反射光線之光軸均與第2光纖11B之光軸偏移。因此,於本實施形態中重要的點是:將第1、第2光纖11A及11B之端面與平凸透鏡之凸頂點之距離設定為凹側焦距fc ,同時平凸透鏡與部分透過膜41之間隔為凸側焦距fv 。 再者,由部分透過膜41透過之光線如圖19所示,若使部分透過膜41附著之基板之折射率與透鏡矩陣2之折射率nc 相同,則雖未於圖中表示,但以角度ψ出射。又,若使部分透過膜41附著之玻璃基板42為平行基板,則最終出射至空氣層3時以角度出射。 且說,於欲以此種反射光學系統於光纖11A及11B間實現低損耗之耦合之情形時,凸面23所要求之表面形狀一般稱為非球面。非球面形狀根據光學系統之設定形態而各自不同,根據圖20說明本實施形態中之非球面形狀之求出方法。於圖20中,為了便於說明,而記述為光自第2光纖11B出射,但由於光學系統相對於光軸AC 對稱,故而此並非有損合理性者。 如圖所示,設定包含光軸AC 之xz平面,並將透鏡曲面設為以z軸為對稱軸之旋轉曲面,將該xz剖面之形狀設為Z(x)。此處設為對象之光學系統成為如下模型:自於xz面內之第3象限中與z軸平行地置於與x軸相距凹側焦距fc 之地點的第2光纖11B朝上方以θ之角度出射之光線在與假定曲線Z(x)之交點折射,並以圖20中所說明之反射角度於空氣層3中行進。 根據折射部位之斯奈爾定律而上述之式(1)成立。若將光線入射位置之曲線Z(x)之切線與x軸所成之角度設為θt ,則根據圖20中之角度關係,容易知曉有下式之關係,即, (數式18)。 根據式(1)與式(18)而下式成立。 (數式19)此處,由於角度θt 係曲線Z(x)之切線角度,故而上述式(4)成立。又,來自光纖11B之出射光線與光軸AC 所成之角θ之正切滿足下式,即, (數式20)。 藉由將式(4)之θt 與式(20)之θ代入式(19),而獲得與Z(x)相關之微分方程式。根據式(4)、式(19)~式(20)與下式之原點(0,0)之邊界條件求出曲線,即, (數式21), 但成為複雜之非線性微分方程式而無法解析性地求解,而以近似計算求出。此時,由於有可解析性地求解之情形,故而預先基於此而確定函數形式。 可解析性地求解之情形係光纖11A及11B與透鏡光軸AC 一致之情形。於光纖11A及11B與透鏡光軸AC 一致之情形時,圖20之反射角度f 成為零,Z(x)係解析性地求出而成為式(22)之橢圓。 [數式22]此處,Ce 係曲率,且為下式,即, (數式23), Ke 係圓錐常數,且為下式,即, (數式24)。 於如本實施形態般光纖11B自光軸AC 偏移之情形時,假定以式(22)為基本式並附加基於以下所示之多項式之近似項所得者。 [數式25]此處,n係2以上之整數,B3 、B4 、…B2n 1 、B2n 係非球面係數。於式(25)中確定對應於目標精度之次數後,代入式(4)、式(19)、式(20)進行殘差計算,根據阻尼最小平方法求出成為整體解之曲率Ce 、圓錐常數Kh 、及非球面係數B2n 1 、B2n 之組合即可。若指定式(25)中之係數值,則可於模具加工其表面形狀。可以式(4)、式(19)~式(20)確定該應指定之係數。 即便不進行此種計算,亦可驗證其可能性。首先,於圖21左欄表示圖19及圖20所示之各參數之名稱及其記號。該等與第1實施形態相關之圖5同樣,但較大之不同之處在於:透鏡矩陣2相對於光纖矩陣1之朝向反轉,隨之,反射角與透鏡中心入射角ψ之大小關係亦反轉。 於圖19及圖20中,自具有直接接著於凹側焦點面之端面之第1光纖11A出射並通過平凸透鏡自透鏡表面出射之光線成為與光軸AC之角度之平行光。因此,對於該等光線中入射至透鏡光軸AC 與透鏡表面之交點之光線,由於透鏡表面切平面恰好垂直於與光軸AC 平行之z軸,故而於光線之透鏡中心入射角ψ、出射角與折射率nv 、nc 之間,斯奈爾定律成立,即, (數式26)。 又,由於光纖矩陣1以間隔df 矩陣化,且透鏡矩陣2以其兩倍之2df 矩陣化,故而若給出光纖間隔df 與透鏡中心入射角ψ、及出射角度之值,則凸側、凹側各側之焦距fv 、fc 由以下之式(27)、式(28)確定。 (數式27)(數式28)於上述式(26)~式(28)中未加入近似操作而係嚴格之式,滿足該關係之以光軸AC 為對稱軸之旋轉曲面成為以旋轉橢圓面為基本之高次曲面。根據式(27)與式(28)而確定平凸透鏡之凸凹之2個焦距fv 、fc ,即,確定光纖11A及11B與平凸透鏡之距離及平凸透鏡之厚度。 關於此種光學系統之限制因素,與上述第2實施形態同樣。嘗試向該等式(26)~式(28)代入實際可能之值,亦使用上述之式(14)、式(15)而計算圖19及圖20中之透鏡中心入射角ψ以下之值所得者係圖21之估算例。光纖間隔df 選擇250 μm與127 μm,透鏡折射率選擇耐候性較高之硼矽酸系模塑透鏡用玻璃之折射率1.501。其次,係反射角,本實施形態考慮對以由光纖11A與光纖11B構成之光纖對為主光路且將部分透過膜41設為使90%以上反射而使幾%透過之所謂抽頭膜的光抽頭模組之應用,而設定於部分透過光不產生極化相依性之角度。 於光纖間隔df 為250 μm與127 μm之情形時,凸側焦距fv 成為889.4 μm與451.8 μm。此時,自光纖11A出射之光於透鏡表面之光束直徑BD分別成為小於光纖間隔df 之214.6 μm、109.0 μm,因此,該光不會觸及至鄰接透鏡。又,由於透鏡表面之光軸AC 上之球面近似曲率半徑係445.6 μm與226.4 μm,故而充分超過模具之機械加工極限即150 μm,而可進行模塑透鏡之模具加工。總之,可知亦可實現圖17、圖18及圖19所示之構成。 此處,對圖5及圖21所示之於透鏡矩陣2表面之光纖入射出射光之光束直徑BD之限制、及用於模具加工之曲率半徑條件進行敍述。可利用模具模塑成形之氧化物玻璃之折射率以波長1.55 μm時之值計達到nc =1.426~2.068。根據式(1)~式(15)、式(26)~(28)可確認到,於(例如,住田光學玻璃:玻璃目錄資料Ver.9.01)圖5及圖21所列舉之光纖間隔df 、空氣折射率nv 、及反射角之值下,於上述透鏡折射率nc 之範圍內始終滿足該等條件。 (第7實施形態) 於圖22中表示本實施形態之光學系統。本實施形態之平凸透鏡2係於第5實施形態及第6實施形態中,第1非球面A1及第2非球面A2成為凸面的雙峰型之雙峰透鏡。於第7實施形態及第8實施形態中,將第1非球面A1稱為第一凸面A1,將第2非球面A2稱為第二凸面A2。本實施形態之凸面23之形狀及製造步驟與第3實施形態及第4實施形態相同。 (第8實施形態) 於圖23中表示本實施形態之光纖矩陣模組之構成例。本實施形態之光纖矩陣模組係於實施形態6之光纖矩陣模組中對凸面23-1~23-4應用第7實施形態之平凸透鏡2。 一面參照圖24,一面對圖22及圖23之光學系統進行說明。以下方向係仿照圖中之正交xyz座標軸而進行說明。於圖之左端,配置有於xz平面內與z軸平行地於x軸方向上以週期間隔df 將光纖排列而成的光纖矩陣1。該光纖矩陣1係以平行於x軸且相對於y軸呈特定角度之平面為端面,例如藉由TEMPAX玻璃等之殼體保持而構成。 且說,於圖24中,與第3及第4實施形態之光學系統不同,於光纖矩陣1之端面,直接貼附有雙峰透鏡矩陣2之平坦面21側,且光纖矩陣1之2倍週期之雙峰凸面23側朝向平坦面21之相反側。雙峰凸面23具有平行於z軸之透鏡中心軸AC ,且以垂直於z軸之面為共通平面,於x軸方向上以光纖矩陣1之兩倍之週期間隔2df ,且與鄰接之透鏡隔開鄰接間隔dn 而矩陣化。 雙峰凸面23由第一凸面A1與第二凸面A2構成。第一凸面A1係以包含於由光纖矩陣形成之面Pc且平行於z軸之直線R1為中心之旋轉曲面,且發揮透鏡作用。而且,相對於第一光纖11A之光軸,向內側(中心軸Ac側)偏移特定距離。第二凸面A2形成為相對於透鏡中心軸Ac隔著寬度ws之鞍部與第一凸面A1對稱之形狀。第一與第二凸面A1與A2之旋轉中心線R1與R2之間隔即峰間隔dp 設定為較光纖間隔df 小特定長度之距離。 雙峰透鏡矩陣2之凸側隔著空氣層3配置有具有垂直於z軸之部分透過膜41之部分透過部4。空氣層3之厚度如圖中所示,設定為雙峰凸面23與對向之部分透過膜41之距離厚於凸側焦距fv 之反射層厚度tr 。 光纖矩陣1與雙峰透鏡矩陣2之相對位置以如下方式設定,即,於x軸方向上,雙峰透鏡之中心軸AC 與光纖矩陣1之鄰接光纖彼此之中心線(於該圖中係第1光纖11A與第2光纖11B之中心線)一致,於y方向上,由透鏡中心軸AC 之矩陣形成之平面與由光纖矩陣1之中心線形成之平面一致,及於z方向上,光纖矩陣1之端面與雙峰透鏡矩陣2之凸面頂點之距離與平凸透鏡之凹側焦距fc 一致。於圖24之右側,隔著特定間隔之空氣層3,垂直於與中心軸AC 平行之z軸地設置有具有使特定波長之光以所期望之比率反射/透過之功能的部分透過膜41。於第3及第4實施形態中,部分透過膜41直接安裝於透鏡矩陣2之平坦側,但於本實施形態中,個別地安裝於與透鏡矩陣2相同折射率之玻璃基板42。 且說,於此種構成中,以光線近似研究自第1光纖11A之端面出射之光之路徑。由於第1光纖11A之端面位於凹側焦點面上,且如上所述雙峰凸面中之第一凸面A1之中心線R1相對於光纖中心線於x方向上偏移,故以第1光纖11A之端面P1為點光源而自其處出射並入射至透鏡矩陣2之第一凸面A1的光朝中心軸AC 側折射,成為與中心軸AC 呈特定角度之平行光線而於空氣層3中行進。其中,自光纖11A及11B之端與中心軸AC 即z軸平行地出射之光線即出射光之中心光線於自雙峰透鏡出射後通過凸側焦點。如上所述,由於設定為空氣層即反射層之厚度tr 厚於凸側焦距fv ,而且部分透過膜41位於上述中心光線與透鏡中心軸Ac 相交之點,因此,該平行光之特定強度部分透過部分透過膜41並以相對於中心軸AC 為ψ之角度直進,但其餘之強度部分由部分透過膜41反射,於相對於中心軸AC 對稱之x方向位置到達第二凸面A2。已到達第二凸面A2之反射光為通過凸側焦點之平行光,沿著與自第1光纖11A出射並入射至第一凸面A1之光路相對於中心軸AC 對稱之路徑,最後聚光至位於相對於中心軸AC 與第1光纖11A對稱之位置之第2光纖11B的端面P2。 此處,若將空氣層3之厚度設為較反射層厚度tr 薄,則反射平行光於第二凸面A2,相較於空氣層3之厚度為tr 時到達光軸AC 側之表面,於其處平行光收束不足而於第2光纖11B之端面進一步擴散。另一方面,於空氣層3之厚度厚於tr 之情形時,反射光進一步到達透鏡外側表面,而平行光被過度收束,結果於第2光纖11B之端面擴散。無論為何者之情形,反射光線之光軸均與第2光纖11B之光軸偏移。因此,於本實施形態中之重點在於:第1、第2光纖11A及11B之端面與雙峰透鏡之凸頂點之距離設定為凹側焦距fc ,並且雙峰透鏡與部分透過膜41之間隔為特定之反射層厚度tr 。 再者,由部分透過膜41透過之光線如圖24所示,若使部分透過膜41附著之基板之折射率與透鏡矩陣2之折射率nc 相同,則雖未於圖中表示,但以角度ψ出射。又,若使部分透過膜41附著之玻璃基板42為平行基板,則最終出射至空氣層3時以角度出射。 其次,使用數式將上述說明公式化。於圖24中,自於凹側焦點面具有端面之第1光纖11A出射並通過透鏡矩陣2而入射至雙峰透鏡凸面23之第一凸面A1的光線成為與透鏡中心軸AC之角度之平行光。對於該等光線中入射至第一凸面A1之峰(中心對稱線R1與第一凸面之交點)之光線,由於入射點之透鏡表面切平面垂直於中心軸AC ,故而於光線之峰中心入射角ψ、出射角及折射率nv 、nc 之間,斯奈爾定律成立,即, (數式42)。 又,由於光纖矩陣1以間隔df 矩陣化,且透鏡矩陣2以其兩倍之2df 矩陣化,故而凹側、凸側各側之焦距fc 、fv 根據光纖間隔df 、第一凸面A1與第二凸面A2之峰間隔dp 、透鏡中心入射角ψ、及出射角度之值而由以下之式(43)、式(44)確定。 (數式43)(數式44)又,關於反射層厚度tr 亦同樣,下式成立,即, (數式45)。 構成雙峰之第一、第二凸面A1、A2均滿足上述式(42)~式(45)即可,但滿足該等關係且以平行於透鏡中心軸AC 之軸為對稱軸之旋轉曲面成為以旋轉橢圓面為基本之高次曲面,一般稱為非球面。若給出光纖間隔df 、透鏡峰間隔dp 、透鏡折射率nc 、空氣折射率nv 、及反射角,則根據式(43)與式(44)而確定雙峰透鏡之凹凸之兩個焦距fc 、fv ,確定透鏡之厚度fc 、及根據式(45)而確定空氣層3之厚度tr 。 其次,對用以使此種光學系統成立之條件進行敍述。為了實現第一光纖11A與第二光纖11B之間之低損耗耦合,而必須極力地抑制於透鏡面之遮光。來自第1光纖11A之出射光依據光纖之NA擴散,但該擴散經常表現為以光纖端為光束腰位置之高斯光束之傳輸。自光纖端出射並到達透鏡面之高斯光束之功率分佈於光束中心至光束半徑ω之1.73倍之範圍內成為總功率之99.75%。因此,若將至此為止之範圍設為到達透鏡表面23之光束之光束直徑BD,則其係由下式給出,即,。 此處,ω0 、λ分別係光纖11A之眾數半徑、及光之波長。 其次,係關於類型II之透鏡表面之光束直徑BD所要求之條件,此係與關於上述之類型I同樣之研究成立,與式(38)及式(39)之條件完全相同。然而,峰曲率半徑Rp 所要求之條件替換為下式,即, (數式47)。 根據上述內容,關於類型II之構成,與類型I同樣地,將峰間隔dp 與光束直徑BD、峰曲率半徑Rp (根據式(47))、及2片條件指數之關係曲線圖化所得者係圖25與圖26。於計算時採用之值與第3及第4實施形態中所說明之類型I相同。 圖25係對於類型II之構成中光纖間隔df 為250 μm之情形,針對每一峰間隔dp 對透鏡折射率nc 與峰曲率半徑Rp 之關係進行繪圖所得的曲線圖。根據式(42)~式(44)、式(46)~式(47),對各峰間隔而言,隨著透鏡折射率增加而光線折射能力增加,因而峰曲率半徑增大。關於峰間隔,隨著增大而光線接近峰中心,因此,為了保持相同之折射能力,而曲率半徑減小。 於該曲線圖中,應用雙峰條件、2片條件及模具加工條件者係曲線圖中之3條虛線。2片條件由式(38)規定,雙峰條件由式(39)規定,模具加工條件由式(47)規定。較根據雙峰條件獲得之值更下方係可構成無遮光之雙峰形態之光學系統之nc -Rp 區域。較根據2片條件獲得之值更下方係可構成無遮光之2片形態之光學系統之nc -Rp 區域。較根據模具加工條件獲得之值更上方成為可構成之nc -Rp 區域。可知根據雙峰條件及模具加工條件獲得之區域較根據2片條件及模具加工條件獲得之區域廣,而設計自由度放寬至2倍左右。尤其,於雙峰條件下,可構成曲率半徑更大之條件之光學系統,此意味著模具加工之難度較低。 圖26係對於類型II之構成中光纖間隔df 為較圖25窄之127 μm之情形,針對每一峰間隔dp 對透鏡折射率nc 與峰曲率半徑Rp 之關係進行繪圖所得的曲線圖。根據式(42)~式(44)、式(46)~式(47),與圖25同樣地,對各峰間隔而言,隨著透鏡折射率增加而光線折射能力增加,因而峰曲率半徑增大。關於峰間隔,隨著增大而光線接近峰中心,因此,為了保持相同之折射能力,而曲率半徑減小。 於該曲線圖中,與圖25同樣地,應用式(38)~式(39)、式(47)之條件者係曲線圖中之3條虛線。一看便知,可實現雙峰形態之區域與2片形態相比絕對更廣。若與光纖間隔df =250 μm之情形相比,則隨著光纖間隔df 變窄而可實現之nc -Rp 區域亦變窄,可實現雙峰形態之區域成為由雙峰條件與模具加工條件之虛線包圍之三角形區域,於透鏡折射率nc為1.44以下時無法構成。然而,於可靠性較高之硼矽酸玻璃之代表性玻璃材料即BK7之折射率為1.501時,雖然峰間隔dp 之寬度較窄且為103.5~106.1 μm,但可構成光學系統,可知雙峰形態可應對小型化。 另一方面,於2片條件下,僅可於nc 為1.64以上而且峰間隔亦為111至116 μm之有限之區域實現。該高折射率區域亦包含就可靠性之方面而言黃變之產生等成為問題之區域,不得不說於實用上應用性相當低,可認為於df =127 μm時,僅可極其有限地應用2片形態。 以上,若比較2片與雙峰構成,則可敍述以下內容。 於考慮2個主要參數即透鏡折射率nc 與峰曲率半徑Rp 之情形時,雙峰構成係nc -Rp 區域大至2片構成之2~3倍左右,而設計自由度較高。 雙峰構成亦可應對更窄之光纖間隔df ,而適於小型化。 雙峰構成由於峰曲率半徑Rp 可選擇較大之值,而可增大透鏡直徑,故而亦可較高地保持光纖間耦合效率。 雙峰構成由於製作模具時之孔之曲率半徑較大,故而更易於製作。 就類型I與II之差異而言,於光纖間隔df 為250 μm之情形時,2片條件係兩種類型大致相等,於峰間隔dp 之區域為14.2~14.3 μm。另一方面,就雙峰條件而言,可知類型I係峰間隔dp 之允許寬度擴大1.5倍左右而容易製作透鏡。尤其,於光纖間隔df 為127 μm之情形時,類型I之dp 允許寬度為3.9 μm,相對於此,類型II之允許寬度僅為2.6 μm。該允許寬度之1 μm以上之差於製作模具方面顯得非常大,類型I相當容易製作。 (第9實施形態) 於圖27中表示本實施形態之光纖矩陣模組之一例。圖27所示之光纖矩陣模組具備圖2所示之光纖矩陣模組、遮光板7、及透鏡矩陣9。遮光板7作為光零件發揮功能,透鏡矩陣9作為第2透鏡矩陣發揮功能。本實施形態之光纖矩陣模組亦可為圖10所示之第4實施形態之光纖矩陣模組。 遮光板7具有複數個貫通孔71。自部分透過膜41之反射面透過之各平行光入射至不同之貫通孔71之一端。然後,將通過貫通孔71後之平行光自各貫通孔71之另一端出射。透鏡矩陣9將自複數個貫通孔71之另一端出射之各光聚光至針對每一貫通孔71所規定之點。於該點設置光功能元件即可。 於圖28中表示本實施形態之受光模組之一例。圖28所示之受光模組具備圖27所示之光纖矩陣模組、及受光元件矩陣8。受光元件矩陣8所具備之各受光元件81接收經透鏡矩陣9聚光之各光。圖28所示之受光模組可用作4矩陣光抽頭監視模組。 本實施形態之應用區域係例如波長1.55 μm波段光通信系統。該模組自圖之左側起具備光纖矩陣1、透鏡矩陣2、具備部分透過膜41之部分反射部4、遮光板7、透鏡矩陣9、及受光元件矩陣8。對於以光纖間隔df 為首之各參數,作為一例,若採用圖5所示之值則可在現實中實現。 首先,對模組之動作、功能進行說明。自光纖11A入射至透鏡矩陣2之光線中95%由部分透過膜41以反射角(5度)反射並入射至第2光纖11B,入射光強度之5%被抽頭並返回至主線。5%強度之抽頭光係後段成為空氣層,而以出射角ψ(7.5度)出射,但於部分透過膜41之後段,為了防止因於空間傳輸之抽頭光彼此之混合所致之串擾降低,而設置開設有貫通孔71之遮光板7。遮光板7成為外形與透鏡矩陣2匹配之尺寸,且於其中央部配合抽頭光路而開設有該光束直徑之貫通孔71。於遮光板7之後段,與透鏡矩陣2反向地設置有與透鏡矩陣2相同者即透鏡矩陣9。透鏡矩陣9使於空間傳輸並擴散之抽頭光束聚光至受光元件81之受光面。 以下對上述各構成要素進行敍述。 光纖矩陣1:光纖矩陣1使用250 μm間隔8矩陣之波長1.3/1.55 μm單模帶狀光纖作為光纖構件。使其排列於TEMPAX玻璃且1 mm厚之60度V溝槽板並蓋上1 mm厚之上蓋,利用UV(Ultraviolet:紫外線)接著劑固定,並進行端面研磨而製作連接用光纖矩陣1。矩陣間隔與所使用之帶狀光纖相同為250 μm。光纖光軸於圖28中為z方向,與其他元件之連接端面係平行於x軸,且為了使因端面反射所引起之返回光減少,而設定為與y軸方向傾斜8度。再者,核心端面相對於光纖光軸之角度並不限定於8度。傾斜8度之端面表面施加有針對波長1.55 μm之AR(Anti-Reflection:防反射)塗層。全寬為4 mm。 透鏡矩陣2:由波長1.55 μm時折射率為1.501之硼矽酸系玻璃構成,且於厚度13690 m(z方向)之平板狀玻璃上表面,於4000×2000 μm(x×y)之中央部以矩陣間隔500 μm形成有具有第1非球面A1及第2非球面A2之凸面23。於鄰接之凸面23之間設置有1 μm之平坦部,自平坦部(透鏡保持面)算起之凸量即凹陷量為例如69 μm。 於透鏡矩陣2之x方向兩端部,設置有於透鏡模塑加工時一體成形之間隔件22。間隔件22係梯形凸部,其表面成為配合光纖矩陣1之傾斜8度之端面之角度,其面積例如單側為該1×1.5 mm(x×y)。間隔件22之高度較佳為以於例如透鏡光軸位置(Ac)成為特定之凸側焦距fv (此處係947.3 μm)之方式設定。 此處,一面參照圖33,一面對間隔件22之角度進行說明。於將光纖11之核心端面之法線Ln 相對於光纖11之光軸亦即z軸之角度設為θ1 ,將自光纖11之核心端面出射至空氣層3之光之中心光相對於核心端面法線Ln 之角度設為θ2 之情形時,根據斯奈爾定律,角度θ1 與角度θ2 滿足以下關係。 (數式51)此處,nf 係光纖11之傳輸光之透過折射率。因此,於nf 為1.445、空氣層3之折射率nc 為1且角度θ1 設定為8度之情形時,角度θ2 成為11.6度。光纖與透鏡系統間之光耦合成為最高效率之情形係來自光纖11之出射光與透鏡面垂直之情形。於該情形時,如圖33中所明確般,間隔件22之透鏡側平坦面22B與光纖矩陣側之傾斜端面22A之角度、即間隔件22之傾斜角度亦與θ2 相等而成為11.6度。換個角度來看,間隔件22之角度θ2 成為除了光纖11之端面之角度θ1 (8度)以外,還加上空氣層3中之自光纖光軸(z軸)之折射角度(3.6度)所得之角度。 於透鏡矩陣2之平坦面21附著有將入射角設定為5度之透過膜41。其反射/透過之比例較佳為95%/5%,作為其材質,例如可例示利用離子束輔助蒸鍍法形成之SiO2 -TiO2 多層膜。 遮光板7:遮光板7由外形4000×2000×1000 μm之方形之紅外線吸收玻璃構成。於其中央部,如圖27及圖28所示,配合抽頭光之光路,與xz面平行地開設有與z軸方向呈透鏡中心入射角ψ即7.5度之角度的30 μm見方之貫通孔71。x方向矩陣間距與透鏡矩陣2相同為500 μm。於抽頭光之光束直徑為圖5所示之227.4 μm之情形時,不與遮光板7之貫通孔71之壁接觸地傳輸,但因前段之透鏡矩陣2或部分透過膜41之反射透過而產生之由構造不規整所致之漫反射成分被該遮光板7阻止,而防止到達受光元件矩陣8成為串擾。 透鏡矩陣9:此處,透鏡矩陣9使用與透鏡矩陣2相同者。通常,受光元件81之受光面與封裝表面相距1 mm左右,因此,於透鏡矩陣9與受光元件矩陣8之間插入焦距調整樹脂91而相較透鏡矩陣2長焦點化,而於受光元件矩陣8中之受光元件81之受光面內聚光。透鏡矩陣9之朝向與透鏡矩陣2相反係為了以焦距調整樹脂91填滿透鏡矩陣9與受光元件矩陣8之間。透鏡矩陣9較佳為僅對平坦面21側施加AR塗層。 受光元件矩陣8:受光元件81係例如受光直徑80 μm、500 μm間距4矩陣之InGaAs光電二極體矩陣。將二極體矩陣密封,且自封裝表面至受光元件81之受光部為止之距離為該1 mm。根據圖28所示之側視圖可知,受光元件矩陣8自z軸方向即光軸傾斜地連接於透鏡矩陣9。 如圖27及圖28之側視圖所示,自光纖矩陣1至受光元件矩陣8為止連接界面全部保持傾斜,因此,成為防止反射返回光之構造。 組裝步驟:步驟具有3個步驟。 第1步驟係光纖矩陣1與透鏡矩陣2之連接。此係以與如下通常之光纖波導連接相同之步驟連接:於光纖波導連接裝置,自光纖矩陣1之兩端即光纖11A-1及光纖11A-4入射調芯光,一面監視來自光纖11B-1、光纖11B-4之光一面進行2軸調芯固定。連接部位係間隔件22與光纖矩陣1間。 第2步驟係遮光板7、透鏡矩陣9、及受光元件矩陣8之連接。該等之連接係於顯微鏡下依序設置受光元件矩陣8、透鏡矩陣9、遮光板7,以可自遮光板7之貫通孔看見受光元件81之受光面之方式,利用目視對準法調芯,並利用接著劑固定。 第3步驟係使調芯光入射至光纖11A-1、與光纖11A-4,一面監視受光元件矩陣8之輸出一面將附光纖矩陣1之透鏡矩陣2與附受光元件矩陣8及透鏡矩陣9的遮光板7連接固定。 特性:所製作之4 ch抽頭監視模組之於波長1.55 μm之特性係插入損耗為0.4~0.5 dB、反射衰減量為46 dB以上、受光感度為50~60 mA/W。鄰接串擾亦為45 dB以上。 於圖34中表示本實施形態之光纖矩陣模組之另一形態。圖34所示之光纖矩陣模組於光纖矩陣1之端面貼附有AR板101,又,具備GRIN(Graded Index:梯度折射率)透鏡矩陣109而代替圖27所示之遮光板7及透鏡矩陣9。光纖矩陣模組亦可為圖10所示之第4實施形態之光纖矩陣模組。 AR板101係使AR膜附著於折射率與光纖之等效折射率大致相等之透明薄板之單側而成者。於難以於光纖矩陣1之端面直接形成AR膜之情形時,於光纖矩陣1之端面,以AR板101之未形成AR膜之面為接著面利用折射率與兩者大致相等之透明接著劑貼附而使用,而獲得與直接之AR塗層同等之效果。 於圖35中表示本實施形態之受光模組之另一形態。圖35所示之受光模組具備圖34所示之光纖矩陣模組、與受光元件矩陣8。受光元件矩陣8所具備之各受光元件81接收經GRIN透鏡矩陣109聚光之各光。 GRIN透鏡矩陣109具有作為GRIN透鏡發揮功能之複數個GI(Graded Index)光纖174。GRIN透鏡矩陣109成為外形與透鏡矩陣2匹配之尺寸,且於其中央部配合抽頭光路配置有GI光纖174。GI光纖174較佳為藉由以2塊V溝槽板夾持而固定。自部分透過膜41透過之各平行光入射至不同之GI光纖174之一端。然後,將自GI光纖174之另一端出射之各光聚光至針對每一GI光纖174所規定之點P9-1~P9-4。於該點配置有受光元件81之受光面。 (第10實施形態) 於圖29中表示本實施形態之光纖矩陣模組之一例。圖29所示之光纖矩陣模組具備圖18所示之光纖矩陣模組、遮光板7、及透鏡矩陣9。遮光板7作為光零件發揮功能,透鏡矩陣9作為第2透鏡矩陣發揮功能。本實施形態之光纖矩陣模組亦可為圖23所示之第8實施形態之光纖矩陣模組。 遮光板7具有複數個貫通孔71。自部分透過膜41之反射面透過之各平行光入射至不同之貫通孔71之一端。然後,將通過貫通孔71後之平行光自各貫通孔71之另一端出射。透鏡矩陣9將自複數個貫通孔71之另一端出射之各光聚光至針對每一貫通孔71所規定之點。於該點配置有受光元件81之受光面。 於圖30中表示本實施形態之受光模組之一例。圖30所示之受光模組具備圖29所示之光纖矩陣模組、與受光元件矩陣8。受光元件矩陣8所具備之各受光元件81接收經透鏡矩陣9聚光之各光。圖30所示之受光模組可用作4矩陣光抽頭監視模組。 應用區域係波長1.55 μm波段光通信系統。該模組自圖之左側起具備光纖矩陣1、透鏡矩陣2、部分透過膜41及玻璃基板42、遮光板7、透鏡9、及受光元件矩陣8。對於以光纖間隔df 為首之各參數,作為一例,若採用圖21所示之值則可在現實中實現。 首先,對模組之動作、功能進行說明。自光纖11A不經由空氣層而直接自平坦面21側入射至透鏡矩陣2並自透鏡表面23出射的光線中95%由部分透過膜41以反射角f (8度)反射後再次返回至透鏡矩陣2並入射至光纖11B,入射光強度之5%被抽頭並返回至主線。5%強度之抽頭光係後段經過平行於部分透過膜41之玻璃基板42而成為空氣層,而以出射角(8.0度)出射,但於玻璃基板42之後段,為了防止因於空間傳輸之抽頭光彼此混合所致之串擾降低,而設置開設有貫通孔71之遮光板7。遮光板7成為外形與透鏡矩陣2匹配之尺寸,且於其中央部配合抽頭光路而開設有該光束直徑之貫通孔71。於遮光板7之後段,與透鏡矩陣2同向地設置有與透鏡矩陣2相同者即透鏡矩陣9。透鏡矩陣9使於空間傳輸並擴散之抽頭光束聚光至受光元件81之受光面。 以下針對上述各構成要素對與第9實施形態不重複之內容進行敍述。 光纖矩陣1:與第9實施形態不同,不對傾斜8度之端面表面施加AR塗層。再者,與第9實施形態同樣,核心端面相對於光纖光軸之角度不限定於8度。 透鏡矩陣2:由波長1.55 μm時折射率為1.501之硼矽酸系玻璃構成,且於平行於xy面之透鏡保持面上之中央部,以矩陣間隔500 μm朝向z軸之正方向形成有具有第1非球面A1及第2非球面A2之凸面23。於鄰接之凸面23之間設置有1 μm之平坦部,自平坦部(透鏡保持面)算起之凸量即凹陷量為例如75 μm。 於透鏡矩陣2之x方向兩端部,設置有於透鏡模塑加工時一體成形之間隔件22。間隔件22係梯形凸部,梯形凸部之表面與透鏡保持面平行,且其面積係單側為該1×1.5 mm(x×y)。間隔件22之高度以於透鏡光軸位置(Ac)成為特定之凸側焦距fv (此處係889.4 μm)之方式設定。 透鏡矩陣2之平坦面21與光纖矩陣1之端面平行且相對於y軸傾斜,且以該傾斜平坦面21與透鏡凸面23之透鏡光軸(Ac)上距離成為凹側焦距fc =1342 μm的方式設定。 部分透過膜41及玻璃基板42:於本構成中,部分透過膜41附著於與透鏡矩陣2分開之透明玻璃基板42但具備同一折射率nc 者。於兩面平行之玻璃基板42上附著有將入射角設定為8度之部分透過膜41。其反射/透過比例較佳為95%/5%,作為其材質,例如可例示利用離子束輔助蒸鍍法形成之SiO2 -TiO2 多層膜。 遮光板7:遮光板7由外形4000×2000×1000 μm之方形之紅外線吸收玻璃構成。於其中央部,如圖29及圖30所示,配合抽頭光之光路,與xz面平行地開設有與z軸方向呈透鏡中心入射角f 即8度之角度的300 μm見方之貫通孔。x方向矩陣間距與透鏡矩陣2相同為500 μm。於抽頭光之光束直徑為圖21所示之214.6 μm之情形時,不與遮光板7之貫通孔71之壁接觸地傳輸,但因前段之透鏡矩陣2或部分透過膜41之反射透過而產生之由構造不規整所致之漫反射成分被該遮光板7阻止,而防止到達受光元件矩陣8成為串擾。 如圖29及圖30之側視圖所示,自光纖矩陣1至受光元件矩陣8為止連接界面全部保持傾斜,因此,成為防止反射返回光之構造。 組裝步驟:與上述第9實施形態之不同之處在於:於第1步驟中,首先連接透鏡矩陣2與部分透過膜41。此步驟由於部分透過膜41為普通之平板,故不需要調芯作業,而可僅以對模作業連接。其他與上述第9實施形態相同。 特性:所製作之4 ch抽頭監視模組之於波長1.55 μm之特性係插入損耗為0.4~0.5 dB、反射衰減量為46 dB以上、受光感度為50~60 mA/W。鄰接串擾亦為45 dB以上。與第3實施形態相同。 (第11實施形態) 於上述實施形態中係一維排列之矩陣,但亦可為二維矩陣。於該情形時,圖2或圖18所示之光纖矩陣模組於y方向上並排排列。 此時,最成問題的是光纖矩陣,但光纖矩陣1可根據專利文獻2而實現。於圖31中表示光纖矩陣1之自z方向觀察之連接面。圖31所示之光纖矩陣1具備施加有光纖矩陣用之60度之V溝槽14之V溝槽板13-2~13-5。於V溝槽板13-2~13-5,於V溝槽14之矩陣之兩側,設置有上下對位用V溝槽15-1、15-2。而且,於該V溝槽板13-2~13-5之背面亦於與正面側相同之x方向位置形成有對位溝槽15-3、15-4。對位用光纖12使用與圖示之光纖11A、11B相同者即可。 於該情形時,若將V溝槽14之開口寬度設為W14 且對位溝槽15之開口寬度設為W15 ,則該等設定為下式即可,即, (數式29)(數式30)。 若如此,則於對位用光纖12恰好嵌合於對位溝槽15時,藉由上板而以上板按壓波導用光纖11。此處,R係光纖之半徑,d係V溝槽板13-2~13-5與上板之距離。於本實施例中,由於將d設為20 μm,故而設為W14 =193 μm、w15 =61 μm。 對位溝槽15-1、15-2、15-3、15-4於V溝槽板之正面及背面x方向位置必須一致,正面及背面之對位係事先於切片機或切割機等溝槽加工裝置中,調整溝槽形成位置觀察鏡筒之上下對焦軸相對於加工面之垂直度即可。如此一來,以TEMPAX玻璃製作之8×4光纖矩陣之x方向間距為250 μm,y方向間距為1 mm。藉此,可製作x方向500 μm間距、y方向1 mm間距之4×4矩陣之光纖矩陣模組及受光模組。 此處,光纖矩陣1較佳為如圖32之側視圖所示,僅對光纖核心附近之部分實施傾斜加工。其原因在於,若跨及矩陣之端面整面設為傾斜,則尤其難以實現透鏡矩陣2以下後段之所有零件之二維矩陣化。加工可使用雙頭切割機。此係縱列具備2台切割機者,係可於1次步驟中使用不同之2種刀片連續加工之裝置。 亦進行光纖矩陣1以外之透鏡矩陣2、9或遮光板7、及受光元件矩陣8之2D(two dimensional,二維)矩陣化,且均為x方向500 μm間距、y方向1 mm間距之4×4矩陣。於圖32中表示所製作之4×4抽頭監視模組之側視圖。外觀上,俯視圖與圖28完全相同,於側視圖中,成為如於y方向上堆積般之形態。 再者,本實施形態不限於圖2或圖18所示之光纖矩陣模組,亦可應用於上述所有實施形態之光纖矩陣模組。又,於上述所有實施形態中,對照進行第1非球面A1及第2非球面A2之光學設計,但本發明不限定於此。例如,第1非球面A1及第2非球面A2之形狀亦可不同,第1及第2凸面之峰位置亦可不同。 又,於至此為止之說明中,為了方便起見而設為透鏡光軸Ac與由光纖光軸形成之平面Pc平行。然而,於光纖端面為了防止反射而如本發明之說明圖般傾斜設定之情形時,較理想為於光纖矩陣1與透鏡矩陣2之間進行繞與x軸平行之軸之歪斜調整。 (本發明之效果) 如上所述,若設為於平凸透鏡之平坦面側直接連接前後段之元件之構造,則可構成小型之光模組。又,藉由如本發明中所敍述般將透鏡表面非球面化,而可充分使用透鏡孔徑,即便為經積體化之小口徑透鏡,亦可實現高效率之光耦合。進而,由於為平凸構造,故而不需要如兩凸透鏡般之正面及背面兩面對位之類之作業,亦有以單面模塑步驟容易地矩陣化所得者能夠量產之優點。根據該等內容,可明確大有助於光通信用器件之經濟化。 [產業上之可利用性] 本發明可應用於資訊通信產業。
1‧‧‧光纖矩陣
2‧‧‧透鏡矩陣
3‧‧‧空氣層
4‧‧‧部分反射部
7‧‧‧遮光板
8‧‧‧受光元件矩陣
9‧‧‧透鏡矩陣
11‧‧‧光纖
11A‧‧‧光纖
11A-1‧‧‧光纖
11A-2‧‧‧光纖
11A-3‧‧‧光纖
11A-4‧‧‧光纖
11A-11‧‧‧光纖
11A-12‧‧‧光纖
11A-13‧‧‧光纖
11A-14‧‧‧光纖
11A-21‧‧‧光纖
11A-31‧‧‧光纖
11A-41‧‧‧光纖
11B‧‧‧光纖
11B-1‧‧‧光纖
11B-2‧‧‧光纖
11B-3‧‧‧光纖
11B-4‧‧‧光纖
11B-11‧‧‧光纖
11B-12‧‧‧光纖
11B-13‧‧‧光纖
11B-14‧‧‧光纖
11B-21‧‧‧光纖
11B-31‧‧‧光纖
11B-41‧‧‧光纖
12-1‧‧‧對位用光纖
12-2‧‧‧對位用光纖
13-1、13-2、13-3、13-4、13-5‧‧‧V溝槽板
14‧‧‧V溝槽
15-1、15-2、15-3、15-4‧‧‧對位溝槽
21‧‧‧平坦面
22‧‧‧間隔件
22A‧‧‧傾斜端面
22B‧‧‧透鏡側平坦面
23‧‧‧凸面
23-1~23-4‧‧‧凸面
41‧‧‧部分透過膜
42‧‧‧玻璃基板
71‧‧‧貫通孔
81‧‧‧受光元件
91‧‧‧焦距調整樹脂
101‧‧‧AR塗層板
109‧‧‧GRIN透鏡矩陣
174‧‧‧GI光纖
A1‧‧‧第1非球面
A2‧‧‧第2非球面
A3‧‧‧鞍部
AC‧‧‧透鏡光軸(透鏡中心軸)
Bc‧‧‧峰線
BD‧‧‧光束直徑
DC‧‧‧光纖中心線與x軸方向之透鏡外 緣兩端間之距離
DE‧‧‧光纖中心線與x軸方向之透鏡外 緣兩端間之距離
d‧‧‧V溝槽板與上板之距離
df‧‧‧光纖間隔
2df‧‧‧間隔
dn‧‧‧鄰接間隔
dp‧‧‧峰間隔
fc‧‧‧凹側焦距
fv‧‧‧凸側焦距
Ln‧‧‧法線
nc‧‧‧透鏡折射率
nv‧‧‧空氣折射率
P1‧‧‧第1位置
P2‧‧‧第2位置
P3‧‧‧反射面之一點
P4‧‧‧交點
P6‧‧‧峰
P7‧‧‧交點
P8‧‧‧峰
P9-1~P9-4‧‧‧點
PC‧‧‧特定平面
Pd‧‧‧投影部分
R1‧‧‧直線
R2‧‧‧直線
t1‧‧‧透鏡厚度
tr‧‧‧反射層厚度
W14‧‧‧V溝槽之開口寬度
W15‧‧‧對位溝槽之開口寬度
ws‧‧‧寬度
x‧‧‧方向
y‧‧‧方向
z‧‧‧方向
Z(x)‧‧‧曲線
‧‧‧光纖反射角
ψ‧‧‧光纖入射角
θ‧‧‧角度
θ1‧‧‧光纖相對法線之角度
θ2‧‧‧自光纖之中心端面出射至空氣層 之光之中心光相對於法線之角度
θc‧‧‧自透鏡表面之出射角
θt‧‧‧切線角度
θv‧‧‧向透鏡表面之入射角
圖1表示第1實施形態之平凸透鏡之一例。 圖2表示第2實施形態之光纖矩陣模組之構成例。 圖3係關於第1及第2實施形態之光學系統之說明圖。 圖4係關於第1及第2實施形態之非球面形狀之說明圖。 圖5表示第1及第2實施形態中之參數之一例。 圖6表示第3實施形態之平凸透鏡之立體圖。 圖7表示第3實施形態之平凸透鏡之模具之第1例。 圖8表示第3實施形態之平凸透鏡之模具之第2例。 圖9表示第3實施形態之平凸透鏡之一例。 圖10表示第4實施形態之光纖矩陣模組之構成例。 圖11係關於第3及第4實施形態之光學系統之說明圖。 圖12(a)、(b)係關於第3及第4實施形態之於透鏡表面之光束直徑BD之第1說明圖。 圖13(a)、(b)係關於第3及第4實施形態之於透鏡表面之光束直徑BD之第2說明圖。 圖14係第3及第4實施形態之平凸透鏡之另一形態。 圖15係第3及第4實施形態之曲率半徑之第1計算例。 圖16係第3及第4實施形態之曲率半徑之第2計算例。 圖17表示第5實施形態之平凸透鏡之一例。 圖18表示第6實施形態之光纖矩陣模組之構成例。 圖19係關於第5及第6實施形態之光學系統之說明圖。 圖20係關於第5及第6實施形態之非球面形狀之說明圖。 圖21表示第5及第6實施形態中之參數之一例。 圖22表示第7實施形態之平凸透鏡之一例。 圖23表示第8實施形態之光纖矩陣模組之構成例。 圖24係關於第7及第8實施形態之光學系統之說明圖。 圖25係第7及第8實施形態之曲率半徑之第1計算例。 圖26係第7及第8實施形態之曲率半徑之第2計算例。 圖27表示第9實施形態之光纖矩陣模組之一例。 圖28表示第9實施形態之受光模組之一例。 圖29表示第10實施形態之光纖矩陣模組之一例。 圖30表示第10實施形態之受光模組之一例。 圖31表示第11實施形態之光纖矩陣之自z方向觀察之連接面之一例。 圖32表示第11實施形態之受光模組之自x方向觀察之構成之一例。 圖33表示第9實施形態之光纖矩陣與透鏡矩陣之放大圖之一例。 圖34表示第9實施形態之光纖矩陣模組之另一例。 圖35表示第9實施形態之受光模組之另一例。

Claims (14)

  1. 一種平凸透鏡,其係具備平坦面及凸面者,且上述凸面具有第1非球面及第2非球面,上述第1非球面及第2非球面係使自端面配置於第1位置及第2位置之2條光纖之上述端面出射之光為平行光,且於自上述第1非球面入射之平行光由形成於上述平坦面之反射面反射之情形時,上述第2非球面將該平行光聚光於上述第2位置;上述凸面之峰處之曲率半徑即峰曲率半徑Rp係滿足式(41):Rp=(nc-nv)fv/nv≧150μm (41)此處,nc係透鏡折射率、nv係空氣折射率、fv係平凸透鏡之凸側之焦距。
  2. 如請求項1之平凸透鏡,其中上述第1非球面具有第1凸面,該第1凸面於通過上述第1位置且垂直於上述反射面之直線與上述凸面之交點、與上述凸面之中心之間具有頂點,且上述第2非球面具有第2凸面,該第2凸面於通過上述第2位置且垂直於上述反射面之直線與上述凸面之交點、與上述凸面之中心之間具有頂點。
  3. 如請求項2之平凸透鏡,其中上述凸面於上述第1凸面與上述第2凸面之間,進而具備以連接上述第1凸面與上述第2凸面之形式設置之第三個曲面。
  4. 如請求項3之平凸透鏡,其中到達上述凸面之表面之光束之光束直徑BD係滿足式(36):此處,ω0、λ分別係上述光纖之眾數半徑、及光之波長;上述光纖中心線與上述凸面之外緣兩端之間的距離DC、DE均大於上述光束直徑BD之一半。
  5. 一種平凸透鏡,其係具備平坦面及凸面者,且上述凸面具有第1非球面及第2非球面,上述第1非球面及第2非球面係使自端面配置於第1位置及第2位置之2條光纖之上述端面入射至上述平坦面之光為平行光、且以聚光至配置於與上述第1位置及上述第2位置相距預設之特定距離之反射面之一點的方式出射,且於自上述第1非球面出射之平行光於上述一點反射之情形時,上述第2非球面將該平行光聚光於上述第2位置;上述凸面之峰處之曲率半徑即峰曲率半徑Rp係滿足式(47):Rp=(nc-nv)fc/nc≧150μm (47)此處,nc係透鏡折射率、nv係空氣折射率、fc係平凸透鏡之凹側之焦距。
  6. 如請求項5之平凸透鏡,其中上述第1非球面具有第1凸面,該第1凸面係於通過上述第1位置且垂直於上述反射面之直線與上述凸面之交點、與上述凸面之中心之間具有頂點,且上述第2非球面具有第2凸面,該第2凸面係於通過上述第2位置且垂直於上述反射面之直線與上述凸面之交點、與上述凸面之中心之間具有頂點。
  7. 如請求項6之平凸透鏡,其中上述凸面於上述第1凸面與上述第2凸面之間,進而具備以連接上述第1凸面與上述第2凸面之形式設置之第三個曲面。
  8. 如請求項7之平凸透鏡,其中到達上述第1凸面與上述第2凸面之表面之光束之光束直徑BD係滿足式(46):此處,ω0、λ分別係上述光纖之眾數半徑、及光之波長;上述光纖中心線與上述凸面之外緣兩端之間的距離DC、DE均大於上述光束直徑BD之一半。
  9. 如請求項1至8中任一項之平凸透鏡,其中於上述反射面設置有反射部,該反射部使自上述第1非球面入射之平行光之一部分透過,且將上述平行光之一部分朝上述第2非球面反射。
  10. 一種光纖矩陣模組,其具備:第1透鏡矩陣,其具有如請求項1至9中任一項之複數個平凸透鏡,且上述平凸透鏡之中心軸於預設之特定平面內並排排列;及光纖矩陣,其相對於各個上述平凸透鏡具有2條光纖,且各光纖之端面配置於各個上述平凸透鏡之上述第1位置或上述第2位置。
  11. 一種光纖矩陣模組,其具備:如請求項10之光纖矩陣模組;及GRIN透鏡矩陣,其具有複數個GRIN透鏡,供自上述反射面透過之各個上述平行光入射至不同之上述GRIN透鏡之一端,且將自上述GRIN透鏡之另一端出射之各光聚光於依上述GRIN透鏡之每一者所規定之點。
  12. 一種受光模組,其具備:如請求項11之光纖矩陣模組;及受光元件矩陣,其接收經上述GRIN透鏡矩陣聚光之各光。
  13. 一種光纖矩陣模組,其具備:如請求項10之光纖矩陣模組;光零件,其具有將自上述反射面透過之平行光透過之複數個貫通孔,供自上述反射面透過之各個上述平行光入射至不同之上述貫通孔之一端,且將通過上述貫通孔後之平行光自各貫通孔之另一端出射;及第2透鏡矩陣,其將自上述複數個貫通孔之上述另一端出射之各光聚光於依上述貫通孔之每一者所規定之點。
  14. 一種受光模組,其具備:如請求項13之光纖矩陣模組;及受光元件矩陣,其接收經上述第2透鏡矩陣聚光之各光。
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