WO2003107055A1 - 光デバイスユニット、光デバイス及びマイクロレンズアレイ - Google Patents

光デバイスユニット、光デバイス及びマイクロレンズアレイ Download PDF

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WO2003107055A1
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optical
lens
optical fiber
device unit
optical device
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PCT/JP2003/007606
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浜中　賢二郎
中村　浩一郎
和田　哲
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日本板硝子株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4249—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details comprising arrays of active devices and fibres

Definitions

  • the present invention relates to an optical device unit used as an optical demultiplexing module, an optical add / drop module, a gain equalizer, a power monitor, etc., an optical device in which a plurality of these optical device units are assembled, an optical device unit or an optical device.
  • the present invention relates to a microlens array that constitutes Background art
  • an optical demultiplexing module known as an example of a three-terminal module has a refractive index distribution type aperture lens 101, 102 on both sides of a demultiplexing filter 100, and an optical fiber.
  • Light having a wavelength ( ⁇ 1 + ⁇ 2) is incident on 103, and the light is applied to a demultiplexing filter 100 through a refractive index distribution type lens 101, and the wavelength ( ⁇ 1) Is reflected by the demultiplexing filter 100 and is incident on the optical fiber 104 via the rod lens 101.
  • the light is transmitted through the demultiplexing filter 100 and passed through the rod lens. The light is made to enter the optical fiber 105 through 102.
  • FIG. 28 shows an optical system equivalent to the optical system shown in FIG. 27 using a convex lens.
  • the optical system is composed of optical fibers 103, 104, 105 and a lens 1
  • the distance between 0 1 and 102 and the distance between the lenses 101 and 102 and the demultiplexing filter 100 are both set to be the focal length f of the lens.
  • the demultiplexing filter when the distance between the optical fiber and the lens and the distance between the lens and the demultiplexing filter (optical functional element) are different from the focal length, the demultiplexing filter is set as shown in FIG.
  • the principal ray of the light reflected by the lens is inclined with respect to the optical axis of the lens, which causes a problem that the optical fiber on the light receiving side must be inclined accordingly.
  • a telecentric optical system is to be constructed in order to avoid the inclination of the principal ray of the reflected light, it is necessary to set both the distance between the optical fiber and the lens and the distance between the lens and the light functional element to the focal length of the lens.
  • the lens with a long focal length also has a large diameter, which increases the size of the optical system. There is a disadvantage.
  • the demultiplexing filter as shown in FIG.
  • the principal ray of the light reflected by the lens is inclined with respect to the optical axis of the lens, which causes a problem that the optical fiber on the light receiving side must be inclined accordingly.
  • the optical device unit when a multi-mode optical fiber is used as the optical fiber, the light emitting end of the first optical fiber and the reflection point of the reflective optical element, and the second optical fiber It is preferable that the light incident end of the optical fiber and the reflection point of the reflective optical element have a geometrical conjugate relationship, respectively.
  • the light of the first optical fiber It is preferable that the beam waist of the Gaussian beam is formed at any position of the emission end, the reflection point of the reflection type optical element, and the light incidence end of the second optical fiber.
  • the reflection type optical element in the first invention for example, a demultiplexing filter, a movable mirror, a photodetector or the like can be considered.
  • the outgoing optical fiber and the incoming optical fiber are arranged in pairs on both the left and right sides of the transflective optical element.
  • the light emitted from the optical fiber for emission on one of the left and right sides is condensed by lens means, and this condensed light is transmitted through a semi-transmissive optical element and reflected by the same element to be incident on the left and right sides.
  • An optical device unit which is selectively made to enter an optical fiber for use, wherein the lens means comprises a pair of lenses corresponding to a pair of output and input optical fibers, and further comprises a pair of output light.
  • optical device according to the first invention and the second invention is the above optical device fuse.
  • the lens has a configuration in which a plurality of nits are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and a microlens array is suitable as a lens of such an optical device or an optical device unit.
  • the microlens array is formed by forming a large number of convex lenses in a predetermined pattern on the surface of a transparent substrate such as a glass substrate.In the present invention, in particular, a part thereof is cut so that two lenses form a pair. It is preferable to form a lens portion having a shape in which the cut portions are joined together.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a two-terminal module of the optical device unit according to the first invention, wherein (a) uses a multi-mode optical fiber and (b) uses a single-mode optical fiber.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an optical device having the optical device unit shown in FIG. 1 as an element;
  • FIG. 3 is a diagram similar to FIG. 2 showing another embodiment of the optical device;
  • 4 is a view in the direction of arrow A in FIG. 3;
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a microlens array constituting the optical device shown in FIG. 3;
  • FIG. 6 is a view showing another embodiment of the microlens array.
  • FIG. 7 (a) is a table of design values when the distance between optical fibers is 125 x m, and (b) is a table when the distance between optical fibers is 250 / m.
  • Fig. 8 (a) is a table for explaining the design values;
  • Fig. 8 (a) is a table for the design values shown in Fig. 7;
  • Fig. 9 is a graph showing a relationship between a diameter,
  • (b) is a graph showing a relationship between a magnification and an aperture ratio, and
  • (c) is a graph showing a relationship between a magnification and a distance between a lens and an optical function element;
  • FIG. 9 (a) Is a table of design values when the distance between optical fibers is set to 125 m by a conventional telecentric optical system, and (b) is a design value when the distance between optical fibers is set to 250 m.
  • C is a diagram of a conventional telecentric optical system for explaining the design values;
  • FIG. 10 (a) is a diagram showing the lens diameter and aperture of the design values shown in FIG. 7 is a graph showing the relationship between the aperture ratio,
  • (b) is a graph showing the relationship between the lens diameter and the distance between the lens and the optical functional element, and
  • (c) is a graph showing the relationship between the lens diameter and the beam waist diameter.
  • FIG. 11 shows the measurement results of the insertion loss of the optical device according to the first invention.
  • FIG. 26 is a measurement result of the insertion loss of the optical device in the second invention
  • FIG. 27 is a configuration diagram of a conventional optical demultiplexing module
  • FIG. 29 shows an optical system equivalent to the optical system using a convex lens
  • FIG. 29 illustrates a problem of the conventional optical demultiplexing module shown in FIG. 27
  • FIG. 31 is a diagram showing an optical system equivalent to the optical system shown in FIG. 30 using a convex lens
  • FIG. 31 is a diagram shown in FIG. It is a figure explaining the problem of the conventional optical demultiplexing module.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a two-terminal module of the optical device unit according to the first invention, wherein (a) shows an example using a multi-mode optical fiber and (b) shows an example using a single-mode optical fiber. is there.
  • the distance between the elements is set such that the light incident end of No. 2 and the reflection point of the reflective optical element 5 have a geometrical conjugate relationship.
  • a single-mode optical fiber as shown in Fig. 1 (b)
  • the beam waist of the Gaussian beam is formed at any of the light emitting end of the first optical fiber 1, the reflection point of the reflective optical element 5, and the light incident end of the second optical fiber 2.
  • the distance between each element is set as follows.
  • the reflection type optical element 5 a demultiplexing filter, a movable mirror, a photodetector, and the like can be considered.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an optical device including the optical device unit shown in FIG. 1 as an element.
  • the optical device has a configuration in which a plurality of the above-described optical device units are connected in a one-dimensional or two-dimensional shape. It has become.
  • the same optical device unit may be provided continuously, but may be different. For example, by arranging demultiplexing filters having different demultiplexing characteristics as the reflection type optical element 5 of each optical device unit, light of different wavelengths can be made incident on each of the optical fibers 2 on the incident side. .
  • the microlens arrays constituting the optical device shown in FIGS. 3 and 4 include first and second layers made of a high refractive index resin on the surface of a transparent substrate 10 such as glass.
  • a concave portion is formed on the surface of the transparent substrate 10 and the concave portion is filled with a high refractive index resin to form the first and second lenses.
  • a configuration with two lenses 3 and 4 is conceivable.
  • a high-refractive-index resin is provided on the surface of a transparent substrate 10 such as a glass, and the mounted high-refractive-index resin is press-formed using a glass mold or the like. Thereafter, the high refractive index resin is cured by ultraviolet light or heat.
  • a surface of a transparent substrate 10 such as glass is etched through a mask to form a concave portion, and the concave portion has a high refractive index.
  • the resin is filled, and then the high refractive index resin is cured by ultraviolet light or heat.
  • FIG. 7 (a) is a table of design values when the distance between optical fibers is 125 m
  • (b) is a table of design values when the distance between optical fibers is 250 m.
  • Table (c) is a diagram for explaining the design values
  • FIG. 8 (a) is a graph showing the relationship between magnification and lens diameter of the design values shown in FIG. 7, and (b) is a graph showing the magnification.
  • (c) is a graph showing the relationship between the magnification and the distance between the lens and the optical function element
  • FIG. 8 (a) is a table of design values when the distance between optical fibers is 125 m
  • FIG. 8 (a) is a graph showing the relationship between magnification and lens diameter of the design values shown in FIG. 7
  • (b) is a graph showing the magnification.
  • (c) is a graph showing the relationship between the magnification and the distance between the lens and
  • the distance between the lens and the optical functional element can be changed without changing the lens diameter much, and the distance between the lens and the optical functional element can be reduced due to the convenience of the optical functional element. This is advantageous when it is necessary to make the length longer.
  • the distance between the optical fibers is 250 m in Fig. 7
  • the distance L / 2 between the lens and the optical function element is extended to about twice at the same magnification as shown in Fig. 8 (c). Can be. This also increases the degree of freedom in designing optical devices.
  • an optical device as shown in FIG. 2 comprising a single mode optical fiber array, a lens array and a reflection type optical element was constructed.
  • the optical system corresponds to that shown in Fig. 1 (b). This Is limited to the reflection type optical system.
  • the lens elements of the lens array were formed by molding resin.
  • a mold for lens array in which concave portions corresponding to a pair of lens elements are arranged in pairs is prepared. After applying a release agent to this mold, an ultraviolet-curing epoxy resin flows down and a glass substrate is pressed against it. In this state, the resin was cured by irradiating ultraviolet rays, and then released from the mold to obtain a lens array.
  • the reflective photoelement was formed by depositing an A1 film on the back surface of the glass substrate of the lens array.
  • the diameter PL of the manufactured lens element was 500 m, and the distance L2 between the pair of lenses was 500 m. That is, the pair of lens elements were arranged at positions in contact with each other, and the optical system shown in FIG. 1 (b) was formed.
  • the focal length f of the lens element was 1.75 mm at a wavelength of 1550 nm, and the numerical aperture NA was 0.233.
  • the mode field diameter of the single mode optical fiber used is 10.5 m.
  • the assembly of the optical device is performed in the following procedure. After the distance L / 2 between the lens array and the reflecting surface is set by adjusting the thickness of the lens array substrate, light having a wavelength of 150 nm is incident from the first optical fiber 1. When this light enters the reflective optical element 5 via the first lens 3, and the reflected light is condensed by the second lens 4 and coupled to the second optical fiber 2, the insertion loss The position of the optical fiber with respect to the lens (the distance L1 between the optical axes of the optical fiber and the distance d0 between the end face of the optical fiber and the lens) and the tilt angle of the reflection-type optical element were adjusted so as to minimize.
  • the insertion loss was measured when the distance LZ 2 between the lens and the reflective optical element was changed.
  • Table 1 also shows the calculated values of the dimensions of each part when LZ2 was changed to 4.0, 6.0, and 8.0 mm.
  • the measurement results of the insertion loss are as shown in FIG.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of a four-terminal module of the optical device unit according to the second invention.
  • the optical device unit has lens means 22, 2 on both the left and right sides of the transflective optical element 21.
  • the outgoing optical fiber 24 and the outgoing optical fiber 25 are arranged in pairs outside the lens means 22, and the outgoing optical fiber 26 is provided outside the lens means 23.
  • the input optical fibers 27 are arranged in pairs.
  • the lens means 22 and 23 are constituted by a pair of lenses 22a, 22b and 23a and 23b in accordance with the corresponding optical fibers, respectively.
  • the distance L1 between the optical axes of the outgoing and incoming optical fibers 24, 25 or 26, 27 forming the pair is the pair of lenses 22a, 22b or 23a, 23.
  • b is larger than the distance L2 between the optical axis centers, and the light emitting end or the incident end of each optical fiber, the optical axis center of the lens corresponding to each optical fiber, and the transmission point or reflection point of the semi-transmissive optical element are linear. It is located at
  • each of the optical fibers 24, 25, 26, and 27 and the transmission point or the reflection point of the semi-transmissive optical element 25 have a geometrical conjugate relationship.
  • an outgoing optical fiber (multimode optical fiber) 2 When light containing multiple wavelengths ( ⁇ 1 + ⁇ 2) from 4 enters the demultiplexing filter, only light of a specific wavelength ( ⁇ ⁇ ) is transmitted and Into the optical fiber 27 for use.
  • the demultiplexing filter is designed to reflect a specific wavelength ( ⁇ 2), the reflected light ( ⁇ 2) is incident on the input optical fiber 25 at the same time.
  • the light emitting end or the light incident end of each of the optical fibers 24, 25, 26, and 27, and the transflective optical element 21 is set such that a Gaussian beam beamwest is formed at either the transmission point or the reflection point.
  • a reflection / transmission switching element such as a liquid crystal shirt may be used in addition to the demultiplexing filter.
  • the reflection / transmission switching element it is possible to perform a switching operation in which the light emitted from the optical fiber 24 by the input of the electric signal is made incident on either the optical fiber 25 or the optical fiber 27.
  • the lens means 22 and 23 have a shape in which the optical power of two orthogonal axes of the lens is changed in order to correct off-axis aberration.
  • the above-mentioned toric lens and D ⁇ ⁇ lens correspond to this.
  • FIG. 15 is a configuration diagram of an optical device that includes the optical device unit shown in FIG. 12 as an element.
  • the optical device has a plurality of the above-described optical device units connected in a one-dimensional or two-dimensional manner. It has a configuration.
  • the same optical device unit may be provided continuously, but may be different.
  • each of the optical fibers 24, 25, 26, 27 on the incident side can be arranged. Light of different wavelengths can be incident.
  • FIG. 16 is a configuration diagram of a three-terminal module of the optical device unit according to the present invention.
  • the optical device unit includes a first optical fiber 24, a second optical fiber 25, and a first lens.
  • the light is condensed at a and directed in the direction of the transflective optical element 21, and a part of the light (wavelength ⁇ ⁇ ) emitted from the first optical fiber 24 is reflected by the transflective optical element 21.
  • the reflected light is condensed by the second lens 22 b and is incident on the second optical fiber 25, and the light (wavelength ⁇ 2) transmitted through the transflective optical element 21 is Light enters optical fiber 27.
  • the distance L1 between the optical axes of the first and second optical fibers 24 and 25 is the distance L1 between the optical axes of the first and second lenses 22a and 22b. 2
  • the light emitting end of the first optical fiber 24, the center of the optical axis of the first lens 22a, and the reflection point (transmission point) of the transflective optical element 21 become linear.
  • the reflection point (transmission point) of the transflective optical element 21, the center of the optical axis of the second lens 22 b and the incident end of the second optical fiber 25 are also straight, and the third The light incident ends of the optical fiber 26 and the fourth optical fiber 27 are located symmetrically with respect to the first optical fiber 24 and the second optical fiber 25 around the transflective optical element 21.
  • the setting of the distance between the elements is the same as in the above-described embodiment.
  • the condition is the same as in the above embodiment.
  • the adjacent portions of the pair of lenses 22a and 22b constituting the optical device unit are not effectively used as lenses. Therefore, as shown in FIG. 17 (four terminals), FIG. 18 (three terminals), and FIG. 19 which is a view in the direction of arrow A in FIG. , The shape from which the adjacent parts have been removed, specifically, the perpendicular bisector of the line connecting the centers of the pair of lenses 22a and 22 seen from the optical axis direction As shown in FIG.
  • the microphone aperture lens array constituting the optical device is formed by cutting the transparent substrate 30 such as glass so that the cut portion is abutted.
  • a configuration is considered in which a concave portion is formed on the surface, and the concave portion is filled with a high refractive index resin to form a pair of lenses 22a and 22b (23a and 23b).
  • a high-refractive-index resin is provided on the surface of a transparent substrate 30 such as glass, and the high-refractive-index resin provided is press-molded using a glass mold or the like. Thereafter, the high refractive index resin is cured by ultraviolet light or heat.
  • a surface of a transparent substrate 30 such as glass is etched through a mask to form a concave portion, and a high refractive index resin is formed in the concave portion. Then, the high refractive index resin is cured by ultraviolet rays or heat.
  • the method for manufacturing the microlens array is not limited to the above, and an ion exchange method or the like is also possible.
  • FIG. 22 (a) is a table of design values when the distance between optical fibers is 125 x m
  • (b) is a design value when the distance between optical fibers is 250 m
  • (C) is a diagram for explaining the design values
  • FIG. 23 (a) is a graph showing the relationship between magnification and lens diameter of the design values shown in FIG. 22, and
  • (b) is A graph showing the relationship between the magnification and the aperture ratio
  • (c) is a graph showing the relationship between the magnification and the distance between the lens and the optical functional element
  • FIG. 24 (a) is a graph showing the relationship between the optical fibers by the conventional telecentric optical system.
  • FIG. 25 (a) is a graph showing the relationship between the lens diameter and the aperture ratio among the design values shown in Fig. 24, and (b) is the lens diameter and the lens-one-light functional element.
  • FIG. 4C is a graph showing a relationship between the distance and a graph showing a relationship between the lens diameter and the beam waist diameter.
  • the distance between the lens and the optical function element can be changed without significantly changing the lens diameter. This is advantageous when it is necessary to make the length longer.
  • the distance between the optical fibers is 250 m in Fig. 22, the distance L / 2 between the lens and the optical function element is approximately doubled at the same magnification, as shown in Fig. 23 (c). Can be extended. This also increases the degree of freedom in designing optical devices.
  • the lens diameter is about 1 mm and needs to be twice as large, leading to an increase in the size of the entire device.
  • FIG. 15 comprising a single-mode optical fiber array, a lens array and a transflective optical element.
  • An optical device was constructed.
  • the optical system corresponds to that shown in FIG. This embodiment is limited to a transmission type optical system.
  • the lens element of the lens array was formed by molding a resin.
  • a mold for lens array in which concave portions corresponding to a pair of lens elements are arranged in pairs is prepared. After applying a release agent to this mold, an ultraviolet-curing epoxy resin flows down and a glass substrate is pressed against it. In this state, the resin was cured by irradiating ultraviolet rays, and then released from the mold to obtain a lens array.
  • the transflective optical element is a partial reflecting mirror that reflects 90% at a wavelength of 150 nm and transmits 10%, and an Au film is deposited on the back surface of the glass substrate of one lens array. Formed.
  • the diameter PL of the manufactured lens element was 500 m, and the distance L2 between the pair of lenses was 500 / m. That is, the pair of lens elements were arranged at positions in contact with each other, and the optical system shown in FIG. 14 was formed.
  • the focal length f of the lens element was 1.075 mm at a wavelength of 150 nm, and the numerical aperture N A was 0.233.
  • the mode field diameter of the single mode optical fiber used is 10.5 m.
  • the assembly of the optical device is performed in the following procedure. After setting the distance LZ 2 between the two lens arrays and the semi-transmissive surface by adjusting the thickness of the lens array substrate (set equally between the two lens arrays), light of wavelength 1550 ⁇ m is emitted from the optical fiber 24. Incident. When this light enters the semi-transmissive optical element 21 via the lens 22a and the reflected light is collected by the lens 22b and coupled to the optical fiber 25, the input loss is minimized.
  • the position of the optical fiber with respect to the lens distance L1 between optical axes of the optical fiber, distance d0 between the end face of the optical fiber and the lens
  • the tilt angle of the semi-transmissive optical element were adjusted so as to be as follows.
  • the light transmitted through the transflective optical element 21 was incident on the lens 23b, was coupled to the optical fiber 27, and the position of the optical fiber was adjusted so that the insertion loss was minimized.
  • the transmission-side insertion loss was measured when the distance LZ2 between the lens and the transflective optical element was changed.
  • L no 2 is 4.0
  • Table 2 also shows the calculated values of the dimensions of each part when changed to 6.0 and 8.0 mm.
  • the measurement results of insertion loss are as shown in Figure 26.
  • LZ 2 was in the range of 6 to 10 mm
  • the insertion loss IL was low.
  • L 2 9 mm
  • the minimum value of IL of 0.6 dB was obtained.
  • this IL is the excess insertion loss excluding the amount of attenuation due to reflection from the transflective surface. Similar characteristics were obtained for the transmission side.
  • the degree of freedom in setting the distance between optical elements is large, and the range of use is wide.
  • intervals between the optical elements can be easily formed at equal intervals and with high accuracy, and an advanced alignment technique is not required.

Description

明 細 書 光デバイスュニッ ト、 光デバイス及びマイクロレンズアレイ 技術分野
本発明は光分波モジュール、 光アツ ド ' ドロップモジュール、 利得等 化器、 パワーモニターなどとして用いられる光デバイスユニッ ト、 この 光デバイスユニッ トを複数個集合した光デバイス及び光デバイスュニッ トまたは光デバイスを構成するマイクロレンズアレイに関する。 背景技術
3端子モジュールの例として知られる光分波モジュールは、 図 2 7に 示すように分波フィルタ 1 0 0の両側に屈折率分布型口ッ ドレンズ 1 0 1 , 1 0 2を配置し、 光ファイバ 1 0 3に波長 （λ 1 + λ 2 ) の光を入 射し、 この光を屈折率分布型口ッ ドレンズ 1 0 1を介して分波フィル夕 1 0 0に当て、 波長 （λ 1 ) の光については分波フィルタ 1 0 0で反射 しロッ ドレンズ 1 0 1を介して光ファイバ 1 0 4に入射せしめ、波長（λ 2 ) の光については分波フィルタ 1 0 0を透過しロッ ドレンズ 1 0 2を 介して光ファイバ 1 0 5に入射せしめるようにしている。
図 2 8は図 2 7に示した光学系と等価な光学系を凸レンズを用いて示 したものであり、 斯かる光学系は、 光フアイノ 1 0 3、 1 0 4、 1 0 5 とレンズ 1 0 1、 1 0 2との距離、 レンズ 1 0 1、 1 0 2 と分波フィル タ 1 0 0 との距離がともにレンズの焦点距離 f となるように設定してい る。
光ファイバは多くの場合、 シリコンやガラスで作製された断面が V字 状の平行な溝 （所謂、 平行溝） に配列固定される。 このように光フアイ バ 1 0 3、 1 0 4が平行に配置されたとき、 上記の光学系は反射光を最 も効率よく光ファイバ 1 0 4で受光するための構成、 即ちテレセントリ ック光学系となっている。
上述した従来の光学系において、 光ファイバとレンズとの距離、 レン ズと分波フィルタ（光機能素子）との距離が焦点距離と異なる場合には、 図 2 9に示すように分波フィル夕で反射した光の主光線がレンズの光軸 に対して傾斜し、 このため受光側の光ファイバをこれにしたがって傾斜 させなければならないなどの不具合が生じる。
即ち、 反射光の主光線が傾斜するのを避けるためにテレセントリック 光学系を構成しょうとすると、 光ファイバ一レンズ間距離とレンズ一光 機能素子間距離をともにレンズの焦点距離にする必要があり、 例えば、 光機能素子の構造の都合などでレンズ—光機能素子間距離を長くする必 要がある場合、長い焦点距離をもつレンズはその直径も大きくなるため、 光学系の寸法が大きくなってしまうという難点がある。
また、 4端子モジュールの例として知られる光分波モジュールは、 図 3 0に示すように分波フィル夕 2 0 0の両側に屈折率分布型口ッ ドレン ズ 2 0 1 、 2 0 2を配置し、 更に屈折率分布型ロッ ドレンズ 2 0 1 、 2 0 2の外側にそれぞれ対をなす出射用光フアイバ 2 0 3 、 2 0 5 と入射 用光ファイノ 2 0 4、 2 0 6を配置している。
そして、 出射用光ファイバ 2 0 3から出射した波長 （ λ 1 + 2 ) の 光を屈折率分布型ロッ ドレンズ 2 0 1を介して分波フィルタ 2 0 0に当 て、 波長 （λ 1 ) の光については分波フィルタ 2 0 0で反射し口ッ ドレ ンズ 2 0 1 を介して入射用光ファイバ 2 0 4に入射せしめ、 波長（ λ 2 ) の光については分波フィルタ 2 0 0を透過しロッ ドレンズ 2 0 2を介し て光ファイバ 2 0 6に入射せしめ、 同様に出射用光ファイバ 2 0 5から 出射した波長 （λ 3 + λ 4 ) の光を屈折率分布型口ッ ドレンズ 2 0 2を 介して分波フィルタ 2 0 0に当て、 波長 （λ 4 ) の光については分波フ ィルタ 2 0 0で反射しロッ ドレンズ 2 0 2を介して入射用光ファイバ 2 0 6に入射せしめ、 波長 （λ 3 ) の光については分波フィル夕 2 0 0を 透過しロッ ドレンズ 2 0 1 を介して光ファイバ 2 0 4に入射せしめる。 図 3 1は図 3 0に示した光学系と等価な光学系を凸レンズを用いて示 したものであり、 斯かる光学系は、 光ファイバ 2 0 3、 2 0 4、 2 0 5 、 2 0 6とレンズ 2 0 1、 2 0 2との距離、 レンズ 2 0 1 、 2 0 2 と分波 フィル夕 2 0 0 との距離がともにレンズの焦点距離 f となるように設定 光ファイバは多くの場合、 シリコンゃガラスで作製された断面が V字 状の平行な溝 （所謂、 平行溝） に配列固定される。 このように光フアイ バ 2 0 3、 2 0 4が平行に配置されたとき、 上記の光学系は反射光を最 も効率よく光ファイバ 2 0 4で受光するための構成、 即ちテレセントリ ック光学系となっている。
上述した従来の光学系において、 光ファイバとレンズとの距離、 レン ズと分波フィルタ（光機能素子）との距離が焦点距離と異なる場合には、 図 3 2に示すように分波フィル夕で反射した光の主光線がレンズの光軸 に対して傾斜し、 このため受光側の光ファィバをこれにしたがって傾斜 させなければならないなどの不具合が生じる。
即ち、 反射光の主光線が傾斜するのを避けるためにテレセントリ ック 光学系を構成しょうとすると、 光ファイバ一レンズ間距離とレンズ一光 機能素子間距離をともにレンズの焦点距離にする必要があり、 例えば、 光機能素子の構造の都合などでレンズ一光機能素子間距離を長くする必 要がある場合、長い焦点距離をもつレンズはその直径も大きくなるため、 光学系の寸法が大きくなってしまうという難点がある。 発明の開示 '
第 1発明に係る光デバイスユニッ トは、 第 1め光ファイバから出射し た光がレンズで集光されて反射型光素子方向に向かい、 この反射型光素 子で前記第 1の光フアイバから出射した光またはその一部が反射され、 この反射した光がレンズで集光されて第 2の光ファイバに入射する光デ バイスュニッ トであって、 前記レンズをそれぞれの光ファイバに対応し た第 1及び第 2のレンズにて構成し、 また前記第 1及び第 2の光フアイ バの光軸間距離は前記第 1及び第 2のレンズの光軸中心間距離より大き く、 且つ第 1の光ファイバの光出射端と第 1のレンズの光軸中心と反射 型素子の反射点は一直線状に配置され、 また反射型素子の反射点と第 2 のレンズの光軸中心と第 2の光フアイバの入射端は一直線状に配置され た構成とした。
このように、 従来 1個のレンズで構成していた部分を 2個のレンズで 構成し、 これらレンズの光軸中心間距離と光ファイバの光軸間距離を適 正に調整することで、 従来のテレセントリック光学系の制約条件に制限 されることなしに、 光ファイバと反射型光学素子との結像倍率を広い範 囲で設定できるため、 自由度をもつた光学設計が可能になる。
第 1発明に係る光デバイスユニッ トにおいて、 光ファイバとして多モ ード光ファイバを用いる場合には、 第 1の光ファイバの光出射端と反射 型光素子の反射点、 また第 2の光ファイバの光入射端と反射型光素子の 反射点とがそれぞれ幾何光学的な共役関係にあることが好ましく、 また 光ファイバとして単一モード光ファイバを用いる場合には、 第 1の光フ アイバの光出射端、 反射型光素子の反射点、 また第 2の光ファイバの光 入射端のいずれの位置にもガウシアンビームのビームウェストが形成さ れる構成にすることが好ましい。
また、 前記レンズは軸外収差を補正する手段を備えていることが好ま しく、 軸外収差を補正する手段としては、 レンズの直交する 2軸の光学 的パワーを変化させた形状が考えられる。 例えば、 いわゆるトーリック レンズや、 軸外の非点収差、 コマ収差を補正するように設計、 作製され た回折光学素子 （D O E ) レンズなどが使用できる。
尚、 第 1発明における反射型光素子としては、 例えば分波フィルタ、 可動鏡または光検出器などが考えられる。
また、 第 2発明に係る光デバイスユニッ トは、 半透過型光素子を中心 として左右両側に出射用光フアイバと入射用光フアイバが対をなして配 置され、 左右一方の側の出射用光フアイバから出射した光をレンズ手段 で集光せしめ、 この集光した光を半透過型光素子を透過させ、 また同素 子で反射させて左右の入射用光ファイバに選択的に入射せしめるように した光デバイスュニッ 卜であって、 前記レンズ手段は対をなす出射用及 び入射用の光ファイバに対応した一対のレンズからなり、 また前記対を なす出射用及び入射用の光フアイバの光軸間距離は前記一対のレンズの 光軸中心間距離より大きく、 且つ各光ファイバの光出射端または入射端 と各光ファイバに対応するレンズの光軸中心と半透過型光素子の透過点 または反射点は一直線状に配置された構成とした。
このように、 従来 1個のレンズで構成していた部分を 2個のレンズで 構成し、 これらレンズの光軸中心間距離と光フアイバの光軸間距離を適 正に調整することで、 自由度をもった光学設計が可能になる。
また、 第 2発明に係る光デバイスユニッ トにおいて、 光ファイバとし て多モード光ファイバを用いる場合には、 第 1の光ファイバの光出射端 と反射型光素子の反射点、 また第 2の光ファイバの光入射端と反射型光 素子の反射点とがそれぞれ幾何光学的な共役関係にあることが好ましく . また光ファイバとして単一モ一ド光ファイバを用いる場合には、 第 1の 光ファイバの光出射端、 反射型光素子の反射点、 また第 2の光ファイバ の光入射端のいずれの位置にもガウシアンビームのビームウェストが形 成される構成にすることが好ましい。
また、 前記レンズは軸外収差を補正する手段を備えていることが好ま しく、 軸外収差を補正する手段としては、 レンズの直交する 2軸の光学 的パワーを変化させた形状が考えられる。 例えば、 いわゆるトーリック レンズや、 軸外の非点収差、 コマ収差を補正するように設計、 作製され た回折光学素子 （D O E ) レンズなどが使用できる。
尚、 第 2発明における半透過型光素子としては、 例えば分波フィル夕 または液晶シャッタなどの反射 Z透過切替素子などが考えられる。
また、 第 1発明及び第 2発明に係る光デバイスは上記の光デバイスュ ニッ トが 1次元または 2次元状に複数個連設された構成であり、 斯かる 光デバイス或いは光デバイスュニッ 卜のレンズとしては、 マイクロレン ズアレイが好適である。
マイクロレンズアレイは、 ガラス基板などの透明基板の表面に多数の 凸レンズを所定のパターンで形成したものであるが、 本発明においては 特に 2つのレンズが対をなすように、 その一部が切断され、 切断された 部分を突き合わせた形状のレンズ部とするのが好ましい。
尚、 マイクロレンズアレイは上記の光デバイスュニッ ト或いは光デバ イス以外にも適用できるものである。 図面の簡単な説明
第 1図は、 第 1発明に係る光デバイスユニッ トのうち 2端子モジユー ルの構成図であり、 （ a ) が多モード光ファイバを用い、 （ b ) が単一モ ード光ファイバを用いた例 ； 第 2図は、 第 1図に示した光デバイスュニ ッ トを要素とする光デバイスの構成図 ； 第 3図は、 光デバイスの別実施 例を示す第 2図と同様の図 ； 第 4図は、 第 3図の A方向矢視図 ； 第 5図 は、 第 3図に示した光デバイスを構成するマイクロレンズアレイの断面 図 ； 第 6図は、 マイクロレンズアレイの別実施例を示す断面図 ； 第 7図 ( a ) は、 光ファイバ間距離を 1 2 5 x mとした場合の設計値の表であ り、 （b )は光ファイバ間距離を 2 5 0 / mとした場合の設計値の表であ り、 （ c ) は設計値の説明に供する図；第 8図 （ a ) は、 第 7図に示した 設計値のうち倍率とレンズ径の関係を示すグラフであり、 （ b )は倍率と 開口率の関係を示すグラフであり、 （ c )は倍率とレンズ一光機能素子間 距離の関係を示すグラフ ； 第 9図 （ a ) は、 従来のテレセントリ ック光 学系によって光ファイバ間距離を 1 2 5 mとした場合の設計値の表で あり、 （ b )は同じく光ファイバ間距離を 2 5 0 mとした場合の設計値 の表であり、 （ c )は設計値の説明に供する従来のテレセントリック光学 系の図 ； 第 1 0図 （ a ) は、 第 9図に示した設計値のうちレンズ径と開 口率との関係を示すグラフであり、 (b)はレンズ径とレンズ-光機能素 子間距離との関係を示すグラフであり、 （ c )はレンズ径とビームウェス ト径との関係を示すグラフ ； 第 1 1図は、 第 1発明における光デバイス の挿入損失の測定結果 ； 第 1 2図は、 第 2発明に係る光デバイスュニッ トのうち 4端子モジュールの構成図 ； 第 1 3図 （ a) 及び （b) は、 第 1 2図に示した光デバイスュニッ 卜の作用を説明した図 ； 第 1 4図は、 単一モードの光ファイバを用いた場合の作用を説明した図；第 1 5図は、 第 1 2図に示した光デバイスユニッ トを要素とする光デバイスの構成 図 ； 第 1 6図は、 別実施例に係る光デバイスュニッ 卜の作用を説明した 図 ； 第 1 7図は、 別実施例に係る光デバイスの構成図 ； 第 1 8図は、 別 実施例に係る光デバイスの構成図； 第 1 9図は、 第 1 7図の A方向矢視 図 ； 第 2 0図は、 第 1 7図に示した光デバイスを構成するマイクロレン ズアレイの断面図 ； 第 2 1図は、 マイクロレンズアレイの別実施例を示 す断面図 ； 第 2 2図 （ a ) は、 光ファイバ間距離を 1 2 5 mとした場 合の設計値の表であり、 （ b)は光ファイバ間距離を 2 5 0 zmとした場 合の設計値の表であり、 （ c )は設計値の説明に供する図；第 2 3図（ a) は、 第 2 2図に示した設計値のうち倍率とレンズ径の関係を示すグラフ であり、 （b) は倍率と開口率の関係を示すグラフであり、 （ c ) は倍率 とレンズ—光機能素子間距離の関係を示すグラフ ； 第 2 4図 （a ) は、 従来のテレセントリック光学系によって光ファイバ間距離を 1 2 5 /zm とした場合の設計値の表であり、 （b)は同じく光ファイバ間距離を 2 5 0 mとした場合の設計値の表であり、 ( c )は設計値の説明に供する従 来のテレセントリック光学系の図 ； 第 2 5図 （ a) は、 第 2 4図に示し た設計値のうちレンズ径と開口率との関係を示すグラフであり、 （ b )は レンズ径とレンズ一光機能素子間距離との関係を示すグラフであり、 ( c ) はレンズ径とビームウェスト径との関係を示すグラフ ； 第 2 6図 は、 第 2発明における光デバイスの挿入損失の測定結果 ； 第 2 7図は、 従来の光分波モジュールの構成図 ； 第 2 8図は、 第 2 7図に示した光学 系と等価な光学系を凸レンズを用いて示した図 ； 第 2 9図は、 第 2 7図 に示した従来の光分波モジュールの問題点を説明した図 ； 第 3 0図は、 従来の光分波モジュールの構成図 ； 第 3 1図は、 第 3 0図に示した光学 系と等価な光学系を凸レンズを用いて示した図 ； 第 3 2図は、 第 3 0図 に示した従来の光分波モジュールの問題点を説明した図である。
発明を実施するための最良の形態
第 1図は第 1発明に係る光デバイスユニッ トのうち 2端子モジュール の構成図であり、 （ a ) は多モード光ファイバを用い、 （b ) が単一モー ド光ファイバを用いた例である。
光デバイスユニッ トは、 第 1の光ファイバ 1、 第 2の光ファイバ 2 、 第 1のレンズ 3、 第 2のレンズ 4及び反射型光素子 5から構成され、 第 1の光ファイバ 1から出射した光が第 1のレンズ 3で偏向されて反射型 光素子 5方向に向い、 この反射型光素子 5で前記第 1の光ファイバ 1か ら出射した光の全部またはその一部が反射され、 この反射した光が第 2 のレンズ 4で偏向されて第 2の光ファイバ 2に入射する。
そして、 第 1発明にあっては第 1及び第 2の光ファイバ 1 、 2の光軸 間距離 L 1は第 1及び第 2のレンズ 3 、 4の光軸中心間距離 L 2より大 きく、 且つ第 1の光ファイバ 1の光出射端と第 1のレンズ 3の光軸中心 と反射型素子 5の反射点は一直線状になり、 また反射型素子 5の反射点 と第 2のレンズ 4の光軸中心と第 2の光ファイバ 2の入射端も一直線状 になっている。
また、 多モード光ファイバを用いた場合には、 第 1図 （ a ) に示すよ うに、 第 1の光ファイバ 1の光出射端と反射型光素子 5の反射点、 また 第 2の光ファイバ 2の光入射端と反射型光素子 5の反射点とがそれぞれ 幾何光学的な共役関係となるように各要素間の距離を設定している。 一方、 単一モード光ファイバを用いた場合には、 第 1図 （b ) に示す ように、 第 1の光ファイバ 1の光出射端、 反射型光素子 5の反射点、 及 び第 2の光フアイバ 2の光入射端のいずれの位置にもガウシアンビーム のビームウェス トが形成されるように各要素間の距離を設定している。 上記反射型光素子 5 としては、 分波フィルタ、 可動鏡、 光検出器など が考えられる。
分波フィルタを用いた場合には、 第 1の光ファイバ 1から複数の波長 を含む光が入射した場合、 特定の波長の光のみを第 2の光ファイバ 2に 入射させることができ、 微小電気機械式可動鏡 （M E M Sミラ一） を用 いた場合には、 光路に可動鏡を出し入れすることで第 2の光ファイバ 2 への入射光をオン · オフでき、 表面反射率の高い光検出器を用いた場合 には、 低い損失で第 1の光ファイバ 1から第 2の光ファイバ 2への光の 入射光量を監視することができる。
尚、 前記レンズ 3 、 4は軸外収差を補正するために、 レンズの直交す る 2軸の光学パワーを変化させた形状になっている。 前述のト一リック レンズや D O Eレンズがこれに相当する。
第 2図は第 1図に示した光デバイスユニッ トを要素とする光デバイス の構成図であり、 光デバイスは上記した光デバイスュニッ トを 1次元ま たは 2次元状に複数個連設した構成となっている。 光デバイスュニッ ト は全て同一のものを連設してもよいが、 異ならせてもよい。 例えば、 各 光デバイスユニッ トの反射型光素子 5として、 異なる分波特性をもつ分 波フィル夕を配列すれば、 入射側の各光フアイバ 2…に異なる波長の光 を入射させることができる。
第 1図に示したように、 光デバイスユニッ トを構成する一対のレンズ 3 、 4の近接する部分はレンズとして有効に利用されていない。そこで、 第 3図及び第 3図の A方向矢視図である第 4図に示すように、 マイクロ レンズアレイを作製する場合には、 近接した部分を除去した形状、 具体 的には、 光軸方向から見て対をなすレンズ 3 、 4の中心を結ぶ線分の垂 直 2等分線に沿って切除し、 この切除された部分を突き合わせた形状に するようにしてもよい。
第 3図および第 4図に示した光デバイスを構成するマイクロレンズァ レイとしては、 第 5図に示すように、 ガラスなどの透明基板 1 0の表面 に高屈折率樹脂からなる第 1及び第 2のレンズ 3 、 4を突状に形成した 構成、或いは第 6図に示すように、透明基板 1 0の表面に凹部を形成し、 この凹部に高屈折率樹脂を充填して第 1及び第 2のレンズ 3 、 4とする 構成などが考えられる。
第 5図に示す構造のマイクロレンズアレイを製造するには、 例えばガ ラスなどの透明基板 1 0の表面に高屈折率樹脂を盛り付け、 盛り付けた 高屈折率樹脂をガラス型などでプレス成形し、 この後、 紫外線あるいは 熱によって高屈折率樹脂を硬化せしめる。
また、 第 6図に示す構造のマイクロレンズアレイを製造するには、 例 えばガラスなどの透明基板 1 0の表面にマスクを介してエッチングを施 して凹部を形成し、 この凹部に高屈折率樹脂を充填し、 この後、 紫外線 あるいは熱によって高屈折率樹脂を硬化せしめる。
尚、 マイクロレンズアレイを製造する方法は上記に限定されず、 ィォ ン交換法などでも可能である。
次に、 具体的な設計数値例を挙げて第 1発明に係る光デバイスを説明 する。 ここで、 第 7図 （ a ) は光ファイバ間距離を 1 2 5 mとした場 合の設計値の表、 （b )は光ファイバ間距離を 2 5 0 mとした場合の設 計値の表、 （ c ) は設計値の説明に供する図であり、 第 8図 （ a ) は第 7 図に示した設計値のうち倍率とレンズ径の関係を示すグラフ、 （b )は倍 率と開口率の関係を示すグラフ、 （ c )は倍率とレンズ一光機能素子間距 離の関係を示すグラフであり、 また第 9図 （ a ) は従来のテレセントリ ック光学系によって光ファイバ間距離を 1 2 5 x mとした場合の設計値 の表、 （ b )は同じく光フアイバ間距離を 2 5 0 mとした場合の設計値 の表、 （ c )は設計値の説明に供する従来のテレセントリック光学系の図 であり、 第 1 0図 （ a ) は第 9図に示した設計値のうちレンズ径と開口 率との関係を示すグラフ、 （b )はレンズ径とレンズ一光機能素子間距離 との関係を示すグラフ、 （ c )はレンズ径とビームウェスト径との関係を 示すグラフである。
第 7図において、 通常光ファイバの径は 1 2 5 mであるので、 光フ アイバ間距離を 1 2 5 mとすることは、 2本の光ファイバを密接させ た状態 （これ以上間隔を小さくすることはできない状態） を意味する。 そして、 この場合にレンズ一光機能素子間距離 L/ 2が与えられると、 結像倍率 i3およびレンズ径 P Lが決められる。例えば第 8図（ c )から、 L/2 = l mmの場合、 ]3は約 4倍、 L/2 = 2 . 5 mmの場合、 ；3は約 8 . 5倍が必要となり、 この倍率に対応するレンズ径は、 第 8図 （ a ) から、 それぞれ P L = 1 0 0 , 1 1 2 z mであり、 1 0 %強しか変 化しない。 換言すれば、 本発明の光デバイスによれば、 レンズ径をあま り変化させずにレンズ一光機能素子間距離を変化させることができ、 光 機能素子の都合によってレンズ—光機能素子間距離を長くさせなければ ならない場合などに有利である。
また、 第 7図において、 光ファイバ間距離を 2 5 0 mとすると、 第 8図 （ c ) に示すように、 同じ倍率でレンズ一光機能素子間距離 L/ 2を 約 2倍に延ばすことができる。 このことも光デバイスの設計における自 由度が高くなることにつながる。
一方、 第 9図、 第 1 0図に示すように、 テレセントリック光学系の場 合には、 レンズ一光機能素子間距離 L/2 = f 、 光ファイバ -レンズ間距 離も ίに固定され、 設計の自由度が小さくなる。 また、 光ファイバ間距 離 1 2 5 mの光学系で、 L/2 = l mmとするとレンズ径は約 5 0 0 a m、 L/2 = 2 . 5 mmではレンズ径は約 l mmとなり 2倍も大きくする 必要があり、 装置全体の大型化につながる。
更に、 第 1発明のもう一つの実施の形態として単一モード光ファイバ アレイ、 レンズアレイ及び反射型光素子からなる第 2図に示すような光 デバイスを構成した。 光学系は第 1図 （b ) に示すものに該当する。 こ の実施例は反射型光学系に限定する。
レンズアレイのレンズ素子は樹脂を成形して形成した。 一対のレンズ 素子に対応した凹部が対になって配列されたレンズァレイ用成形型を準 備する。 この成形型に離型剤を塗布したのち、 紫外線硬化型のエポキシ 樹脂を流下し、 それにガラス基板を押し当てる。 その状態で紫外線を照 射して樹脂を硬化したのち、 離型してレンズアレイを得た。 反射型光素 子はレンズアレイのガラス基板の裏面に A 1膜を蒸着して形成した。
製作したレンズ素子の直径 P Lは 5 0 0 mであり、 一対のレンズ間 距離 L 2は 5 0 0 mとした。 即ち、 一対のレンズ素子は互いに接した 位置に配置され、 第 1図 （b) に示す光学系が形成された。 レンズ素子 の焦点距離 f は波長 1 5 5 0 nmにおいて 1. 0 7 5 mmであり、 開口 数 NAは 0. 2 3 3であった。 また、 使用した単一モード光ファイバの モードフィールド径は 1 0. 5 mである。
光デバイスの組立は次の手順で行う。 レンズアレイと反射面間距離 L / 2をレンズアレイ基板の厚みの調整により設定した後、 第 1の光ファ ィバ 1から波長 1 5 5 0 nmの光を入射する。 この光が第 1のレンズ 3 を介して反射型光素子 5に入射し、 反射された光が第 2のレンズ 4によ り集光されて第 2の光ファイバ 2に結合する際、 挿入損失が最小になる ようにレンズに対する光ファイバの位置（光ファイバの光軸間距離 L 1、 光ファイバ端面とレンズ間の距離 d 0 ) と反射型光素子のあおり角を調 整した。
このような光デバイスにおいて、 レンズと反射型光素子の距離 LZ 2 を変化させたときの挿入損失の測定を行った。 LZ 2を 4. 0、 6. 0、 8. 0 mmに変化させたときの各部の寸法の計算値もあわせて表 1 に示 す。 挿入損失の測定結果は、 第 1 1図に示す通りである。 L/ 2が 6〜 1 0 mmの範囲で挿入損失 I Lが低くなり、 LZ 2 = 9 mmのとき、 I Lの最小値 0. 6 d Bが得られた。 ただしこの I Lは、 反射面の反射率 を 1 0 0 %として換算した過剰揷入損失である。 【表 1】
Figure imgf000015_0001
次に、 第 2発明について説明する。 第 1 2図は第 2発明に係る光デバ イスユニッ トのうち 4端子モジュールの構成図であり、 光デバイスュニ ッ トは、 半透過型光素子 2 1を中心として左右両側にレンズ手段 2 2 、 2 3が配置され、 レンズ手段 2 2の外側には出射用光ファイバ 2 4と入 射用光ファイバ 2 5が対をなして配置され、 レンズ手段 2 3の外側には 出射用光ファイバ 2 6と入射用光ファイバ 2 7が対をなして配置されて いる。
特に第 2発明にあっては、 レンズ手段 2 2 、 2 3はそれぞれに対応す る光ファイバに合わせて一対のレンズ 2 2 a、 2 2 b及び 2 3 a、 2 3 bから構成され、 また、 前記対をなす出射用及び入射用の光ファイバ 2 4、 2 5または 2 6 、 2 7の光軸間距離 L 1は前記一対のレンズ 2 2 a、 2 2 bまたは 2 3 a、 2 3 bの光軸中心間距離 L 2より大きく、 且つ各 光フアイバの光出射端または入射端と各光ファイバに対応するレンズの 光軸中心と半透過型光素子の透過点または反射点は一直線状に配置され ている。
つまり、 各光フアイバ 2 4 、 2 5 、 2 6 、 2 7の光出射端または光入 射端と半透過型光素子 2 5の透過点または反射点とがそれぞれ幾何光学 的な共役関係となる。
前記半透過型光素子 2 1 として、 分波フィル夕を用いた場合の作用を 第 1 3図に基づいて説明すると、 （ a ) に示すように、 出射用光ファイバ (多モード光ファイバ） 2 4から複数波長 （ λ 1 + λ 2 ) を含む光が分 波フィルタに入射すると、 特定の波長 （λ ΐ ) の光のみが透過し、 入射 用光ファイバ 2 7に入射する。 そして、 分波フィルタが特定の波長 （ λ 2 ) を反射するように設計されている場合には、 同時に反射光 （λ 2 ) が入射用光ファイバ 2 5に入射する。
また、 （b ) に示すように、 出射用光ファイバ 2 6から複数波長 （ λ 3 + λ 4 ) を含む光が分波フィルタに入射すると、 特定の波長 （λ 3 ) の 光のみが透過し、 入射用光ファイバ 2 7に入射する。 そして、 分波フィ ル夕が特定の波長 （λ 4 ) を反射するように設計されている場合には、 同時に反射光 （λ 4 ) が入射用光ファイバ 7に入射する。
一方、 単一モード光ファイバを用いる場合には、 第 1 4図に示すよう に、 各光ファイバ 2 4、 2 5 、 2 6 、 2 7の光出射端または光入射端、 半透過型光素子 2 1の透過点または反射点のいずれの位置にもガウシァ ンビームのビームウェス トが形成されるように各要素間の距離を設定す る。
前記反射型光素子 2 1 としては、 分波フィルタの他に液晶シャツ夕な どの反射 Ζ透過切替素子を用いてもよい。 反射ノ透過切替素子を用いる と、 電気信号入力によって光ファイバ 2 4から出射した光を、 光フアイ バ 2 5または光フアイバ 2 7のいずれかに入射せしめる切替動作を行う ことができる。
尚、 前記レンズ手段 2 2 、 2 3は軸外収差を補正するために、 レンズ の直交する 2軸の光学パワーを変化させた形状になっている。 前述のト —リックレンズや D Ο Εレンズがこれに相当する。
第 1 5図は第 1 2図に示した光デバイスュニッ トを要素とする光デバ イスの構成図であり、 光デバイスは上記した光デバイスュニッ トを 1次 元または 2次元状に複数個連設した構成となっている。 光デバイスュニ ッ トは全て同一のものを連設してもよいが、異ならせてもよい。例えば、 各光デバイスュニッ 卜の半透過型光素子 2 1 として、 異なる分波特性を もつ分波フィル夕を配列すれば、 入射側の各光ファイバ 2 4 、 2 5 、 2 6 、 2 7に異なる波長の光を入射させることができる。 第 1 6図は本発明に係る光デバイスユニッ トのうち 3端子モジュール の構成図であり、 光デバイスユニッ トは、 第 1の光ファイバ 2 4、 第 2 の光フアイバ 2 5、 第 1のレンズ 2 2 a、 第 2のレンズ 2 2 b、 半透過 型光素子 2 1及び第 4の光ファイバ 2 7から構成され、 第 1の光フアイ バ 2 4から出射した光が第 1のレンズ 2 2 aで集光されて半透過型光素 子 2 1方向に向い、 この半透過型光素子 2 1で前記第 1の光ファイバ 2 4から出射した光の一部 （波長 λ ΐ ) が反射され、 この反射した光は第 2のレンズ 2 2 bで集光されて第 2の光ファイバ 2 5に入射し、 また半 透過型光素子 2 1を透過した光 （波長 λ 2 ) は第 4の光ファイバ 2 7に 入射する。
この実施例にあっても、 第 1及び第 2の光ファイバ 2 4、 2 5の光軸 間距離 L 1は第 1及び第 2のレンズ 2 2 a 、 2 2 bの光軸中心間距離 L 2より大きく、 且つ第 1の光ファイバ 2 4の光出射端と第 1のレンズ 2 2 aの光軸中心と半透過型光素子 2 1 の反射点 （透過点） は一直線状に なり、 また半透過型光素子 2 1の反射点 （透過点） と第 2のレンズ 2 2 bの光軸中心と第 2の光ファイバ 2 5の入射端も一直線状になっている, そして、 第 3の光ファイバ 2 6、 第 4の光ファイバ 2 7の光入射端は半 透過型光素子 2 1を中心として第 1 の光ファイバ 2 4、 第 2の光フアイ ノ 2 5と対称位置にある。
また、 光ファイバとして多モード光ファイバを用いた場合、 単一モー ド光ファイバを用いた場合の各要素間の距離の設定は、 前記した実施例 と同じであり、 反射型光素子 2 5の具合例も前記実施例と同一である。 第 1 2図に示したように、 光デバイスュニッ トを構成する一対のレン ズ 2 2 a 、 2 2 bの近接する部分はレンズとして有効に利用されていな い。 そこで、 第 1 7図 ( 4端子）、 第 1 8図 （ 3端子） 及び第 1 7図の A 方向矢視図である第 1 9図に示すように、 マイクロレンズアレイを作製 する場合には、 近接した部分を除去した形状、 具体的には、 光軸方向か ら見て対をなすレンズ 2 2 a 、 2 2 の中心を結ぶ線分の垂直 2等分線 に沿って切除し、 この切除された部分を突き合わせた形状にするように 上記の光デバイスを構成するマイク口レンズアレイとしては、 第 2 0 図に示すように、 ガラスなどの透明基板 3 0の表面に高屈折率樹脂から なる一対のレンズ 2 2 a、 2 2 b ( 2 3 a、 2 3 b ) を突状に形成した 構成、 或いは第 2 1図に示すように、 透明基板 3 0の表面に凹部を形成 し、 この凹部に高屈折率樹脂を充填して一対のレンズ 2 2 a , 2 2 b ( 2 3 a、 2 3 b ) とする構成が考えられる。
第 2 0図に示す構造のマイクロレンズアレイを製造するには、 例えば ガラスなどの透明基板 3 0の表面に高屈折率樹脂を盛り付け、 盛り付け た高屈折率樹脂をガラス型などでプレス成形し、 この後、 紫外線あるい は熱によって高屈折率樹脂を硬化せしめる。
また、 第 2 1図に示す構造のマイクロレンズアレイを製造するには、 例えばガラスなどの透明基板 3 0の表面にマスクを介してエッチングを 施して凹部を形成し、 この凹部に高屈折率樹脂を充填し、 この後、 紫外 線あるいは熱によって高屈折率樹脂を硬化せしめる。
尚、 マイクロレンズアレイを製造する方法は上記に限定されず、 ィォ ン交換法などでも可能である。
次に、 具体的な設計数値例を挙げて本発明に係る光デバイスを説明す る。 ここで、 第 2 2図 （ a ) は光ファイバ間距離を 1 2 5 x mとした場 合の設計値の表、 （ b )は光ファイバ間距離を 2 5 0 mとした場合の設 計値の表、 ( c ) は設計値の説明に供する図であり、 第 2 3図 （ a ) は第 2 2図に示した設計値のうち倍率とレンズ径の関係を示すグラフ、 （b ) は倍率と開口率の関係を示すグラフ、 （ c )は倍率とレンズ一光機能素子 間距離の関係を示すグラフであり、 また第 2 4図 （ a ) は従来のテレセ ントリック光学系によって光フアイバ間距離を 1 2 5 / とした場合の 設計値の表、 （b )は同じく光ファイバ間距離を 2 5 0 // mとした場合の 設計値の表、 （ c )は設計値の説明に供する従来のテレセントリック光学 系の図であり、 第 2 5図 （ a ) は第 2 4図に示した設計値のうちレンズ 径と開口率との関係を示すグラフ、 （ b )はレンズ径とレンズ一光機能素 子間距離との関係を示すグラフ、 （ c )はレンズ径とビームウェスト径と の関係を示すグラフである。
第 2 2図において、 通常光ファイバの径は 1 2 5 /x mであるので、 光 フアイバ間距離を 1 2 5 ^ mとすることは、 2本の光ファイバを密接さ せた状態（これ以上間隔を小さくすることはできない状態）を意味する。 そして、 この塲合にレンズ一光機能素子間距離 L / 2が与えられると、 結像倍率 l3およびレンズ径 P Lが決められる。 例えば第 2 3図 （ c ) 力、 ら、 L/2 = l mmの場合、 i3は約 4倍、 L/2 = 2. 5 mmの場合、 β は約 8 . 5倍が必要となり、 この倍率に対応するレンズ径は、 第 2 3図 ( a ) から、 それぞれ P L = 1 0 0 m、 1 1 2 ΠΙであり、 1 0 %強 しか変化しない。 換言すれば、 本発明の光デバイスによれば、 レンズ径 をあまり変化させずにレンズ一光機能素子間距離を変化させることがで き、 光機能素子の都合によってレンズ一光機能素子間距離を長くさせな ければならない場合などに有利である。
また、 第 2 2図において、 光ファイバ間距離を 2 5 0 mとすると、 第 2 3図 （ c ) に示すように、 同じ倍率でレンズ一光機能素子間距離 L/ 2を約 2倍に延ばすことができる。 このことも光デバイスの設計におけ る自由度が高くなることにつながる。
一方、 第 2 4図、 第 2 5図に示すように、 テレセントリック光学系の 場合には、 レンズ一光機能素子間距離 L/2 = f 、 光ファイバ-レンズ間 距離も f に固定され、 設計の自由度が小さくなり、 また、 光ファイバ間 距離 1 2 5 1^1の光学系で、 /2 = 1 111111とするとレンズ径は約 5 0 0 fi m, L/2 = 2 . 5 mmではレンズ径は約 1 m mとなり 2倍も大きくす る必要があり、 装置全体の大型化につながる。
更に、 本発明のもう一つの実施の形態として単一モ一ド光ファイバァ レイ、 レンズアレイ及び半透過型光素子からなる第 1 5図に示すような 光デバイスを構成した。 光学系は第 1 4図に示すものに該当する。 この 実施例は透過型光学系に限定する。
レンズァレイのレンズ素子は樹脂を成形して形成した。 一対のレンズ 素子に対応した凹部が対になって配列されたレンズァレイ用成形型を準 備する。 この成形型に離型剤を塗布したのち、 紫外線硬化型のエポキシ 樹脂を流下し、 それにガラス基板を押し当てる。 その状態で紫外線を照 射して樹脂を硬化したのち、 離型してレンズアレイを得た。 半透過型光 素子は波長 1 5 5 0 n mにおいて 9 0 %を反射し、 1 0 %を透過する部 分反射鏡であり、 一方のレンズアレイのガラス基板の裏面に A u膜を蒸 着して形成した。
製作したレンズ素子の直径 P Lは 5 0 0 mであり、 一対のレンズ間 距離 L 2は 5 0 0 / mとした。 即ち、 一対のレンズ素子は互いに接した 位置に配置され、 第 1 4図に示す光学系が形成された。 レンズ素子の焦 点距離 f は波長 1 5 5 0 n mにおいて 1 . 0 7 5 m mであり、 開口数 N Aは 0 . 2 3 3であった。 また、 使用した単一モード光ファイバのモー ドフィールド径は 1 0 . 5 mである。
光デバイスの組立は次の手順で行う。 二つレンズアレイと半透過面間 距離 L Z 2をレンズァレイ基板の厚み ( 2つのレンズアレイで等しく設 定する） の調整により設定した後、 光ファイバ 2 4から波長 1 5 5 0 η mの光を入射する。 この光がレンズ 2 2 aを介して半透過型光素子 2 1 に入射し、 反射された光がレンズ 2 2 bにより集光されて光ファイバ 2 5に結合する際、 揷入損失が最小になるようにレンズに対する光フアイ バの位置 （光ファイバの光軸間距離 L 1、 光ファイバ端面とレンズ間の 距離 d 0 ) と半透過型光素子のあおり角を調整した。 つぎに半透過型光 素子 2 1を透過した光がレンズ 2 3 bに入射し、 光ファイバ 2 7に結合 し、 揷入損失が最小となるように光フアイバの位置を調整した。
このような光デバイスにおいて、 レンズと半透過型光素子の距離 L Z 2を変化させたときの透過側挿入損失の測定を行った。 Lノ 2を 4 . 0 、 6 . 0 、 8 . 0 m mに変化させたときの各部の寸法の計算値もあわせて 表 2に示す。 挿入損失の測定結果は、 図 2 6に示す通りである。 L Z 2 が 6〜 1 0 m mの範囲で挿入損失 I Lが低くなり、 L 2 = 9 m mのと き、 I Lの最小値 0 . 6 d Bが得られた。 ただしこの I Lは、 半透過面 の反射による減衰量分を除いた過剰挿入損失である。 なお、 透過側につ いても同様な特性が得られた。
【表 2】
Figure imgf000021_0001
産業上の利用可能性
以上に説明したように本発明によれば、 結像光学系であるので、 光学 要素間の距離の設定の自由度が大きく、 利用範囲が広い。
また、 光学要素間の間隔を等間隔且つ高精度に形成しやすく、 高度な 調芯技術が不要となる。
特に、 対をなすレンズの近接する部分を切除しレンズとして有効に作 用する部分のみを集合させたマイクロレンズアレイとすることで、 デバ イスの小型化を達成することが可能になる。

Claims

5冃 求 の 範 囲
1 . 第 1の光ファイバから出射した光がレンズで集光されて反射型光素 子方向に向かい、 この反射型光素子で前記第 1の光ファイバから出射し た光またはその一部が反射され、 この反射した光がレンズで集光されて 第 2の光フアイバに入射する光デバイスュニッ 卜において、 前記レンズ はそれぞれの光フアイバに対応した第 1及び第 2のレンズからなり、 ま た前記第 1及び第 2の光ファイバの光軸間距離は前記第 1及び第 2のレ ンズの光軸中心間距離より大きく、 且つ第 1の光ファイバの光出射端と 第 1のレンズの光軸中心と反射型素子の反射点は一直線状に配置され、 また反射型素子の反射点と第 2のレンズの光軸中心と第 2の光ファイバ の入射端は一直線状に配置されていることを特徴とする光デバイスュニ ッ 卜。
2 . 請求の範囲第 1項に記載の光デバイスユニッ トにおいて、 前記光フ アイバは多モード光ファイバであり、 第 1の光ファイバの光出射端と反 射型光素子の反射点、 また第 2の光ファイバの光入射端と反射型光素子 の反射点とがそれぞれ幾何光学的な共役関係にあることを特徴とする光 デバイスュニッ ト。
3 . 請求の範囲第 1項に記載の光デバイスユニッ トにおいて、 前記光フ アイバは単一モード光ファイバであり、 第 1の光ファイバの光出射端、 反射型光素子の反射点、 また第 2の光ファイバの光入射端のいずれの位 置にもガウシアンビームのビームウェストが形成されることを特徴とす る光デバイスュニッ ト。
4 . 請求の範囲第 1項に記載の光デバイスユニッ トにおいて、 前記レン ズは軸外収差を補正する手段を備えていることを特徴とする光デバイス ュニッ 卜。
5 . 請求の範囲第 4項に記載の光デバイスユニッ トにおいて、 前記軸外 収差を補正する手段は、 レンズの直交する 2軸の光学的パワーを変化さ せた形状であることを特徴とする光デバイスュニッ ト。
6 . 請求の範囲第 1項に記載の光デバイスユニッ トにおいて、 前記反射 型光素子は分波フィルタ、 可動鏡または光検出器のいずれかであること を特徴とする光デバイスュニッ ト。
7 . 請求の範囲第 1項乃至第 6項のいずれか 1項に記載の光デバイスュ ニッ トが 1次元または 2次元状に複数個連設されていることを特徴とす る光デバイス。
8 . 半透過型光素子を中心として左右両側の少なくとも一方の側に出射 用光ファイバと入射用光ファイバが対をなして配置され、 左右一方の側 の出射用光ファイバから出射した光をレンズ手段で集光せしめ、 この集 光した光を半透過型光素子を透過させ又は同素子で反射させて左右の入 射用光ファイバに選択的に入射せしめるようにした光デバイスュニッ ト において、 前記レンズ手段は対をなす出射用及び入射用の光フアイバに 対応した一対のレンズからなり、 また前記対をなす出射用及び入射用の 光ファイバの光軸間距離は前記一対のレンズの光軸中心間距離より大き く、 且つ各光フアイバの光出射端または入射端と各光ファイバに対応す るレンズの光軸中心と半透過型光素子の透過点または反射点は一直線状 に配置されていることを特徴とする光デバイスュニッ ト。
9 . 請求の範囲第 8項に記載の光デバイスユニッ トにおいて、 前記光フ アイバは多モード光ファイバであり、 出射用ファイバの光出射端と半透 過型光素子の透過点または反射点、 また入射用光フアイバの光入射端と 半透過型光素子の透過点または反射点とがそれぞれ幾何光学的な共役関 係にあることを特徴とする光デバイスュニッ ト P
1 0 . 請求の範囲第 8項に記載の光デバイスユニッ トにおいて、 前記光 フアイバは単一モード光ファイバであり、出射用光フアイバの光出射端、 半透過型光素子の透過点または反射点、 また入射用光ファイバの光入射 端のいずれの位置にもガウシアンビームのビームウェストが形成される ことを特徴とする光デバイスュニッ ト。
1 1 . 請求の範囲第 8項に記載の光デバイスユニッ トにおいて、 前記レ ンズは軸外収差を補正する手段を備えていることを特徴とする光デバイ スュニッ ト。
1 2 . 請求の範囲第 1 1項に記載の光デバイスュニッ トにおいて、 前記 軸外収差を補正する手段は、 レンズの直交する 2軸の光学的パワーを変 化させた形状であることを特徴とする光デバイスュニッ ト。
1 3 . 請求の範囲第 8項に記載の光デバイスユニッ トにおいて、 前記半 透過型光素子は分波フィル夕または液晶シャツ夕などの反射 Z透過切替 素子であることを特徴とする光デバイスュニッ ト。
1 4 . 請求の範囲第 8項乃至第 1 3項のいずれか 1項に記載の光デバイ スユニッ トが 1次元または 2次元状に複数個連設されていることを特徴 とする光デバイス。
1 5 . 透明基板の表面に複数のレンズ部を形成してなるマイクロレンズ アレイにおいて、 前記レンズ部は 2つのレンズが対をなし、 この対をな すレンズは、 光軸方向から見て各レンズの中心を結ぶ線分の垂直 2等分 線に沿って切除されるとともにこの切除された部分を突き合わせた形状 をなしていることを特徴とするマイクロレンズアレイ。
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