WO2012128142A1 - 光通信用のレンズ及び半導体モジュール - Google Patents

光通信用のレンズ及び半導体モジュール Download PDF

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optical
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optical path
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三森　満
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コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社
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    • H01S5/02253—Out-coupling of light using lenses

Definitions

  • the present invention relates to a lens and a semiconductor module for optical communication that are used for optical communication or the like, for example, for coupling a laser beam of a semiconductor laser to an optical fiber.
  • the focal length that is, the imaging position in the direction of the optical fiber changes according to the change in the environmental temperature, so that the coupling efficiency is lowered.
  • an increase in the number of movable parts increases the cost, and there is also a problem of how to supply power.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor module for optical communication in which a diffractive structure is provided on both surfaces of a plastic lens. According to the technique of Patent Document 1, by providing a diffractive structure on both surfaces of a plastic lens, it is possible to suppress the diffraction pitch from becoming too small and to easily mold the lens.
  • Patent Document 2 by providing a relief type diffraction structure on one side of a plastic lens, it is possible to suppress the variation of the focal position due to temperature while suppressing the distribution of diffraction efficiency from the center to the periphery of the lens. Yes.
  • one problem with the lens of Patent Document 1 is that, as a result of using a diffractive structure on two surfaces, errors in the diffractive shape of each surface are affected by products, and unnecessary diffracted light is generated. Is likely to occur and is not preferable.
  • the problem of the lens in Patent Document 2 is that the diffraction efficiency is low because it has a relief-shaped diffractive structure, so that the coupling efficiency to the optical fiber is low, and unnecessary diffracted light is generated much, which is not necessary for a pin pole or the like. Since it is necessary to shield the luminous flux, it is not preferable in use.
  • the present invention has been made in view of such problems, and the semiconductor module is made compact, and the fluctuation of the coupling efficiency is suppressed by suppressing sensitivity such as a temperature change to a small size while having a simple configuration.
  • An object of the present invention is to provide a lens for optical communication that can be used and a semiconductor module using the same.
  • the lens for optical communication according to claim 1 is a lens for optical communication that collects a light beam having a wavelength ⁇ emitted from a semiconductor laser, and the lens is made of plastic, and the lens is an optical surface.
  • An optical path difference providing structure that suppresses focal position variation at the time of temperature change is formed only on one surface, and the optical path difference providing structure includes a plurality of annular zones centering on the optical axis of the lens, and the lens
  • the cross-sectional shape of the annular zone cut along the plane passing through the optical axis is a blazed shape, and the pupil transmittance distribution of the light beam that has passed through the lens satisfies the conditional expression (1).
  • T0 transmittance in the vicinity of the optical axis of the lens
  • T1 transmittance in the vicinity of the lens.
  • optical axis is preferably in the range of 0 to 0.05 when the optical axis is 0 and the outer periphery of the lens optical surface is 1, and “periphery” is 0.95 to 1 It is preferable to be within the range.
  • the inventor has been able to increase the diffraction efficiency by using a blazed optical path difference providing structure, and by providing the optical path difference providing structure only on one surface of the optical surface, the coupling efficiency can be changed. I found it to suppress.
  • the blaze-type diffractive structure has advantages in that unnecessary diffracted light is reduced and diffraction efficiency can be secured higher than the relief-shaped diffractive structure provided in the lens of Patent Document 2. That is, in the blazed-type optical path difference providing structure, the influence of shadows is particularly likely to occur, and the diffraction efficiency can be easily controlled by controlling the step between the annular zones.
  • Patent Document 1 for example, a diffractive structure is provided on both surfaces of the lens in order to widen the diffraction pitch.
  • the present inventor tried to make the diffraction pitch finer by providing an optical path difference providing structure only on one surface of the lens. If the diffraction pitch is made fine, as in the conditional expression (1), particularly in the periphery of the lens, the influence of the shadow of the light flux increases due to the combination with the refractive surface. This effect will be described.
  • FIG. 1A is an enlarged cross-sectional view of a lens provided with a diffractive structure on the semiconductor laser side
  • FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view of a lens provided with a diffractive structure on the semiconductor laser side
  • a ring-shaped diffractive structure DS connects a step surface ST facing an optical axis (not shown in FIG. 1) and an outer end and an inner end in the optical axis direction of an adjacent step surface ST. It has a slope CP.
  • the light beam passing through the inclined surface CP is the sum of the refractive power of the refracting surface of the lens and the diffractive power of the diffractive structure DS, and is used for condensing, but passes through the step surface ST.
  • the luminous flux to be used is not used for condensing and causes a decrease in transmittance. This is called the influence of shadows.
  • a light beam is emitted parallel to the optical axis, so the light loss due to the influence of shadows is small, but the refractive surface as the mother aspheric surface falls down at the periphery of the lens.
  • a light beam inclined with respect to the axis is likely to be incident, and in combination with the inclination of the step surface ST due to the influence of the draft of the mold, the light amount loss due to the influence of the shadow increases as shown in FIG.
  • the condensing spot when the amount of light at the peripheral portion is lower than the amount of light that has passed near the optical axis of the lens, the spot becomes thick, that is, the effective NA decreases. If the effective NA can be reduced, the variation in coupling efficiency when a temperature change occurs can be reduced.
  • a lens for optical communication with a small fluctuation in coupling efficiency can be provided by giving a distribution in the center part and the peripheral part of the lens with a shadow effect and diffraction efficiency distribution in the diffractive structure.
  • the diffraction efficiency is adjusted by finely adjusting the step between each annular zone, and the distribution of the center part and the peripheral part that is insufficient by the shadow effect is adjusted. It becomes possible to have.
  • the value of T1 / T0 exceeds the lower limit of the expression (1), the decrease in NA becomes too large, which is not preferable. More preferably, it satisfies 0.6 ⁇ T1 / T0 ⁇ 0.85.
  • the NA on the side on which the light beam from the semiconductor laser is incident satisfies the conditional expression (2). 0.30 ⁇ NA ⁇ 0.85 (2)
  • conditional expression (2) it is possible to secure an appropriate diameter of the focused spot while securing the amount of light taken from the semiconductor laser.
  • the optical communication lens according to claim 3 is characterized in that, in the invention according to claim 1 or 2, the optical path difference providing structure has a step toward the optical axis of the lens. This is because, in such an optical path difference providing structure, it is possible to suppress the focal position at the time of temperature change, and in particular, the influence of shadows easily occurs.
  • the optical communication lens according to claim 4 is the optical communication device according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical path difference providing structure applies an optical path difference that is substantially an integral multiple of the wavelength ⁇ to a passing light beam. It is characterized by giving. Thereby, it is possible to suppress a focal position shift due to a change in the refractive index of the lens when the temperature changes while having a high diffraction efficiency.
  • the optical communication lens according to claim 5 is the invention according to claim 4, wherein the optical path difference providing structure has an optical path difference that is one time the wavelength ⁇ over the entire effective diameter range of the lens. It is characterized by being imparted to the light beam passing through. By providing as small an optical path difference as possible, the light transmittance can be improved by suppressing the height of the step of the optical path difference providing structure and suppressing molding errors and the like.
  • the optical path difference providing structure has an X of the wavelength ⁇ in a central region near the optical axis of the lens. Double the optical path difference, and in the peripheral region outside the central region of the lens, an optical path difference of Y times the wavelength ⁇ is added to the passing light beam, and the decimal point of X is rounded off to an integer.
  • the value is characterized in that it is smaller than the value obtained by rounding off the decimal point of Y to an integer.
  • the value obtained by rounding the decimal point of X to an integer is 1, and the decimal point of Y is rounded off.
  • the integer value is 2.
  • the optical communication lens according to claim 8 is the optical coupling according to any one of claims 1 to 7, wherein the lens condenses the light beam emitted from the semiconductor laser on the end face of the optical fiber. It is a lens.
  • the coupling lens has an optical system magnification M that satisfies the following conditional expression (3). 1.0 ⁇ M ⁇ 4.0 (3)
  • the optical communication lens according to claim 10 is the optical communication device according to any one of claims 1 to 9, wherein the optical path difference providing structure is provided on a surface from which the light beam from the semiconductor laser is emitted. It is characterized by.
  • FIG. 1A since the diffractive structure DS is provided on the semiconductor laser side, the ratio of the light beam incident on the step surface ST increases, and the influence of the shadow increases.
  • FIG. 1B since the diffractive structure DS is provided on the side opposite to the semiconductor laser, the light flux tends to travel in the direction along the step surface ST of the annular zone, that is, the step surface ST. The ratio of the light beam incident on the lens becomes relatively low, and the influence of the shadow becomes small.
  • the optical surface on the optical fiber side has a relatively large area compared to the laser side, so the area where the diffractive structure is provided is widened, so the ring pitch can be increased accordingly, and the decrease in transmittance is suppressed. It becomes easy to do.
  • a semiconductor module according to an eleventh aspect is characterized in that the optical communication lens according to any one of the first to tenth aspects and a semiconductor laser are integrally assembled.
  • the lens is attached to a housing that seals the semiconductor laser.
  • a semiconductor module according to a thirteenth aspect is characterized in that, in the invention according to the eleventh aspect, the lens is integrated with a casing for sealing the semiconductor laser.
  • a “semiconductor laser” is a laser that uses recombination emission of a semiconductor, and generally the oscillation wavelength becomes longer when the environmental temperature rises, and the oscillation wavelength becomes shorter when the environmental temperature falls.
  • the lens is a lens that condenses the light beam emitted from the semiconductor laser, a lens that condenses the light beam emitted from the end surface of the optical fiber, and in particular, the light that condenses the light beam emitted from the semiconductor laser on the end surface of the optical fiber. It includes a coupling lens and an optical coupling lens that condenses the light beam emitted from the end face of the optical fiber onto the light receiving surface of the light receiving element.
  • the lens is made of plastic.
  • the optical path difference providing structure is a general term for structures that add an optical path difference to an incident light beam.
  • the optical path difference providing structure also includes a phase difference providing structure for providing a phase difference.
  • the phase difference providing structure includes a diffractive structure.
  • the optical path difference providing structure of the present invention is preferably a diffractive structure.
  • the optical path difference providing structure has a step, preferably a plurality of steps. This step adds an optical path difference and / or phase difference to the incident light flux.
  • the optical path difference added by the optical path difference providing structure may be an integer multiple of the wavelength of the incident light beam or a non-integer multiple of the wavelength of the incident light beam.
  • the steps may be arranged with a periodic interval in the direction perpendicular to the optical axis, or may be arranged with a non-periodic interval in the direction perpendicular to the optical axis.
  • the lens provided with the optical path difference providing structure is a single aspherical lens
  • the incident angle of the light flux to the lens differs depending on the height from the optical axis. It will be slightly different.
  • the lens is a single lens aspherical convex lens, even if it is an optical path difference providing structure that provides the same optical path difference, generally the distance from the optical axis tends to increase.
  • the diffractive structure referred to in this specification is a general term for structures that have a step and have a function of converging or diverging a light beam by diffraction.
  • a plurality of unit shapes are arranged around the optical axis, and a light beam is incident on each unit shape, and the wavefront of the transmitted light is shifted between adjacent annular zones, resulting in new It includes a structure that converges or diverges light by forming a simple wavefront.
  • the diffractive structure may have a plurality of steps, and the steps may be arranged at periodic intervals in the direction perpendicular to the optical axis, or may be arranged at non-periodic intervals in the direction perpendicular to the optical axis.
  • the lens provided with the diffractive structure is a single aspherical lens
  • the incident angle of the light flux to the lens differs depending on the height from the optical axis, and therefore the step amount of the diffractive structure is slightly different for each annular zone.
  • the lens is a single aspherical convex lens, even if it is a diffractive structure that generates diffracted light of the same diffraction order, generally, the distance from the optical axis tends to increase.
  • the optical path difference providing structure has a plurality of concentric annular zones with the optical axis as the center.
  • the optical path difference providing structure can generally have various cross-sectional shapes (cross-sectional shapes on the plane including the optical axis), and the cross-sectional shapes including the optical axis are roughly classified into a blazed structure and a staircase structure.
  • the blaze-type structure means that the cross-sectional shape including the optical axis of the optical element having the optical path difference providing structure is a sawtooth shape, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b).
  • the upper side is the light source side and the lower side is the optical disc side
  • the optical path difference providing structure is formed on a plane as a mother aspherical surface.
  • the length in the direction perpendicular to the optical axis of one blaze unit is referred to as a pitch P (see FIGS. 2A and 2B).
  • the length of the step in the direction parallel to the optical axis of the blaze is referred to as a step amount B (see FIG. 2A).
  • the step surface may be slightly inclined without being parallel to the optical axis in order to make it easy to cut the mold with a cutting tool.
  • the position of the apex of one blaze is preferably in the range of 0 to 25% of the pitch perpendicular to the optical axis.
  • the staircase structure has a small staircase shape in cross section including the optical axis of an optical element having an optical path difference providing structure (referred to as a staircase unit).
  • V level means a ring-shaped surface (hereinafter also referred to as a terrace surface) corresponding to (or facing) the vertical direction of the optical axis in one step unit of the step structure. In other words, it is divided by V steps and divided into V ring zones.
  • a three-level or higher staircase structure has a small step and a large step.
  • the optical path difference providing structure illustrated in FIG. 2C is referred to as a five-level step structure
  • the optical path difference providing structure illustrated in FIG. 2D is referred to as a two-level step structure (also referred to as a binary structure).
  • a two-level staircase structure is described below.
  • a plurality of annular zones including a plurality of concentric annular zones around the optical axis, and a plurality of annular zones including the optical axis of the objective lens have a plurality of stepped surfaces Pa and Pb extending in parallel to the optical axis,
  • the light source side terrace surface Pc for connecting the light source side ends of the adjacent step surfaces Pa and Pb and the optical disk side terrace surface Pd for connecting the optical disk side ends of the adjacent step surfaces Pa and Pb are formed.
  • the surface Pc and the optical disc side terrace surface Pd are alternately arranged along the direction intersecting the optical axis.
  • the optical path difference providing structure is preferably a structure in which a certain unit shape is periodically repeated.
  • the unit shape is periodically repeated here naturally includes shapes in which the same shape is repeated in the same cycle.
  • the unit shape that is one unit of the cycle has regularity, and the shape in which the cycle gradually increases or decreases gradually is also included in the “unit shape is periodically repeated”.
  • the sawtooth shape as a unit shape is repeated.
  • the same serrated shape may be repeated, or as shown in FIG. 2 (b), the serrated shape gradually increases as it moves away from the optical axis.
  • a shape in which the pitch (also referred to as a diffraction pitch) becomes longer or a shape in which the pitch becomes shorter may be used.
  • the blazed structure has a step opposite to the optical axis (center) side, and in other areas, the blazed structure has a step toward the optical axis (center).
  • the optical path difference providing structure has a staircase structure
  • the blazed shape is approximated by a staircase shape, the same effect as that of the present invention can be obtained although the diffraction efficiency is lowered.
  • the optical path difference providing structure has a step facing the optical axis of the lens. “The level difference faces the optical axis” means a state as shown in FIG.
  • the optical path difference providing structure provides an optical path difference that is approximately an integral multiple of the wavelength ⁇ to the light flux that passes through.
  • the term “substantially an integer multiple” means (N ⁇ 0.4) ⁇ or more and (N ⁇ 0.4) ⁇ or less, where N is an integer other than 0.
  • the optical path difference providing structure gives an optical path difference of 1 times the wavelength ⁇ in the entire effective diameter range of the lens, or an optical path difference of 1 time of the wavelength ⁇ in the central region near the optical axis of the lens.
  • the peripheral region outside the central region of the lens it is preferable to provide an optical path difference that is twice the wavelength ⁇ .
  • the boundary between the central region and the peripheral region is preferably, for example, a height from the optical axis that is 2/3 of the effective diameter.
  • the pupil transmittance distribution of the light beam that has passed through the lens satisfies the conditional expression (1).
  • the pupil transmittance distribution is a transmittance distribution on the exit pupil plane, and corresponds to a brightness distribution on the exit pupil plane with respect to an incident light beam having a uniform intensity.
  • the vicinity of the optical axis of the lens is, for example, within a height from the optical axis that is 1/3 of the effective diameter, more preferably within 0.2, and the periphery of the lens is, for example, 2/2 of the effective diameter. 3 is outside the height from the optical axis of 3, more preferably outside 0.8. 0.4 ⁇ T1 / T0 ⁇ 0.8 (1)
  • T0 transmittance in the vicinity of the optical axis of the lens
  • T1 transmittance in the vicinity of the lens
  • the NA on the side on which the light beam from the semiconductor laser is incident preferably satisfies the conditional expression (2). 0.30 ⁇ NA ⁇ 0.85 (2) It is more preferable that conditional expression (4) is satisfied. 0.35 ⁇ NA ⁇ 0.65 (4)
  • a semiconductor module is made compact, and furthermore, a lens for optical communication capable of suppressing fluctuations in coupling efficiency by suppressing the effective NA of a focused spot on the optical fiber side, and a semiconductor module using the same. Can be provided.
  • (A) is an enlarged sectional view of a lens provided with a diffractive structure on the semiconductor laser side
  • (b) is an enlarged sectional view of a lens provided with a diffractive structure on the semiconductor laser side. It is an expanded sectional view which shows the example of an optical path difference providing structure, (a), (b) shows the example of a blaze type structure, (c), (d) is a figure which shows the example of a staircase type structure.
  • (A) shows a state where the step is directed in the direction of the optical axis
  • (b) is a diagram showing a state where the step is directed in the direction opposite to the optical axis.
  • (A) is sectional drawing of the optical axis direction of the semiconductor module LM concerning 1st Embodiment
  • (b) is a figure which expands and shows the lens surface shown by arrow IVB.
  • (A) is sectional drawing of the optical axis direction of the semiconductor module LM concerning 2nd Embodiment
  • (b) is a figure which expands and shows the lens surface shown by arrow VB.
  • (A) is an optical axis direction sectional view of optical coupling lens CL concerning a 3rd embodiment
  • (b) is a figure expanding and showing the lens surface shown by arrow VIB.
  • 6 is a graph of coupling efficiency in Examples 1 to 4 and a comparative example. 6 is a graph of coupling efficiency in Examples 5 to 8 and a comparative example.
  • 10 is a graph of coupling efficiency in Example 9. It is a figure which shows the relationship between the phase difference provided by the level
  • FIG. 4 is a cross-sectional view in the optical axis direction of the semiconductor module LM according to the first embodiment.
  • a substrate of a semiconductor laser LD is attached to a base BS having three legs LG for feeding, and the semiconductor laser LD that emits a light beam having a wavelength ⁇ is covered by a cover (housing) CV having an aperture AP. It has been broken.
  • the opening AP is shielded from the inside by a transparent cover glass CG, and seals the semiconductor laser LD from the outside air.
  • the flange portion FL of the optical coupling lens CL is bonded to the cover CV so as to cover the outside of the opening AP.
  • the plastic optical coupling lens CL has an optical surface S1 which is a refractive surface on the semiconductor laser side and an optical surface S2 on the opposite side, and the optical surface S2 has a diffractive structure DS formed on the refractive surface. Yes.
  • the curvature radius of the optical surface S1 is larger than the curvature radius of the optical surface S2.
  • the blazed diffraction structure DS provides an optical path difference that is an integral multiple of the wavelength ⁇ when a light beam having the wavelength ⁇ is incident.
  • the base BS of the semiconductor module LM is connected to the optical fiber OF at a predetermined distance via a housing (not shown). Note that the optical fiber OF is covered with an outer shell SL.
  • the semiconductor module LM of the present embodiment When power is supplied through the leg LG, the semiconductor laser LD emits light, and the emitted light beam passes through the cover glass CG and the aperture AP and enters the optical coupling lens CL.
  • the light beam incident on the optical coupling lens CL is refracted on the refracting surface, passes through the diffractive structure DS, exits, is condensed on the end surface of the optical fiber OF, and then propagates in the optical fiber OF.
  • the oscillation wavelength of the semiconductor laser LD increases (or decreases), and accordingly, the diffraction angle of the diffracted light generated from the diffractive structure DS changes accordingly. It is possible to correct a focal position shift caused by a change in the refractive index of the lens CL. Further, according to the present embodiment, since the diffractive structure DS is provided only on one surface of the optical coupling lens CL, the diffraction pitch is reduced overall, and the light is condensed on the end surface of the optical fiber OF by the optical coupling lens CL. In the spot, the amount of light at the peripheral portion is lower than the amount of light that has passed through the vicinity of the optical axis of the lens, so that the spot becomes thick and the effective NA is reduced. Thereby, the fluctuation of the coupling efficiency when the temperature change occurs is reduced.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view in the optical axis direction of the semiconductor module LM according to the second embodiment.
  • a substrate of a semiconductor laser LD is attached to a base BS having three legs LG for power feeding.
  • the cover (housing) CV that hermetically covers the semiconductor laser LD that emits the light beam having the wavelength ⁇ is a plastic cup shape, and the optical coupling lens portion CL is integrally formed on the shielding end side thereof. Is formed.
  • the optical coupling lens CL has an optical surface S1 that is a refractive surface on the semiconductor laser side and an optical surface S2 that is a refractive surface on the opposite side, and a diffractive structure DS is formed on the refractive surface in the optical surface S2.
  • the curvature radius of the optical surface S1 is larger than the curvature radius of the optical surface S2.
  • the blazed diffraction structure DS provides an optical path difference that is an integral multiple of the wavelength ⁇ when a light beam having the wavelength ⁇ is incident.
  • the base BS of the semiconductor module LM is connected to the optical fiber OF at a predetermined distance via a housing (not shown). Note that the optical fiber OF is covered with an outer shell SL.
  • the semiconductor module LM of the present embodiment When power is supplied via the leg LG, the semiconductor laser LD emits light, and the emitted light beam is directly incident on the optical coupling lens portion CL.
  • the light beam incident on the optical coupling lens portion CL is refracted by the refracting surface, passes through the diffraction structure DS, exits, is condensed on the end surface of the optical fiber OF, and then propagates in the optical fiber OF.
  • the diffractive structure DS is provided only on the outer surface of the optical coupling lens portion CL, the diffraction pitch is narrowed as a whole and is condensed on the end surface of the optical fiber OF by the optical coupling lens portion CL.
  • the amount of light in the peripheral portion is lower than the amount of light that has passed near the optical axis of the lens, so that the spot becomes thick and the effective NA is reduced. Thereby, the fluctuation of the coupling efficiency when the temperature change occurs is reduced.
  • FIG. 6 is a sectional view in the optical axis direction of the optical coupling lens CL according to the third embodiment.
  • a light beam propagated from an unshown semiconductor laser through an optical fiber OF and emitted from its end face is condensed on a light receiving surface PDa of the photodiode PD through an optical coupling lens CL. It is like that.
  • On the refractive surface of one optical surface (optical surface on the optical fiber OF side) S1 of the optical coupling lens CL a blazed diffractive structure DS for correcting a focal position shift at the time of temperature change is provided.
  • the other optical surface S2 comprises only a refractive surface.
  • the radius of curvature of the optical surface S1 is smaller than the radius of curvature of the optical surface S2.
  • CG is a cover glass of a photodiode.
  • the blazed diffractive structure DS is provided only on one surface S1 of the optical coupling lens CL, the diffraction pitch is reduced overall, and the optical coupling lens CL causes the light receiving surface PDa of the photodiode PD to be formed.
  • the amount of light at the peripheral portion is lower than the amount of light that has passed through the vicinity of the optical axis of the lens, so that the spot becomes thick and the effective NA increases. Thereby, the fluctuation of the coupling efficiency when the temperature change occurs is reduced.
  • Other effects are the same as those of the above-described embodiment.
  • Examples 1 to 4 are all resin lenses, and are optical coupling lenses suitable for the semiconductor module shown in FIG.
  • a glass lens and a resin lens without a diffractive structure are referred to.
  • Table 1 shows the specifications of the semiconductor modules of Examples 1 to 4
  • Table 2 shows the specifications of the semiconductor modules of Examples 5 to 8
  • Table 3 shows the specifications of the semiconductor module of Example 9, and 4 shows the refractive index of each material of Examples 1 to 4
  • Table 5 shows the refractive index of each material of Examples 5 to 8
  • Table 6 shows the refractive index of each material of Example 9. .
  • the optical surface of the optical coupling lens is formed as an aspherical surface that is symmetric about the optical axis and is defined by a mathematical formula in which the coefficients shown in Table 1 are substituted into Formula 1.
  • X (h) is an axis in the optical axis direction (with the light traveling direction being positive), ⁇ is a conical coefficient, Ai is an aspherical coefficient, h is a height from the optical axis, and r is a paraxial radius of curvature. It is.
  • the optical path difference given to the light flux of each wavelength by the diffractive structure is defined by an equation in which the coefficient shown in the table is substituted into the optical path difference function of Formula 2. .
  • ⁇ wavelength used
  • m diffraction order
  • ⁇ B blazed wavelength
  • h distance in the direction perpendicular to the optical axis from the optical axis.
  • Table 7 shows lens data of Examples 1 to 4 and Comparative Example
  • Table 8 shows lens data of Examples 5 to 8
  • Table 9 shows lens data of Example 9.
  • the pitches and steps of the diffractive structures in the examples are optimized by the optical path difference function, diffraction order, and blazed wavelength shown in Tables 7, 8, and 9.
  • a lens having a diffractive structure has a decrease in coupling efficiency due to the influence of a shadow that increases in accordance with a step manufacturing error of the diffraction zone.
  • the reduction in coupling efficiency tends to increase as the annular zone pitch decreases.
  • the transmittance at the center is 100%, the degree of decrease in the vicinity of the lens effective diameter (T1 / T0) is reduced.
  • Tables 10-12 show. It can be seen that the glass lens and the resin lens without the diffractive structure theoretically show no reduction in transmittance near the effective lens diameter, but in Examples 1 to 9, the transmittance reduction is at least 15% or more.
  • FIGS. 7 to 9 show graphs of coupling efficiency in the examples and comparative examples. 7 to 9, the vertical axis represents the coupling efficiency, and the horizontal axis represents the environmental temperature.
  • the glass lens has no refractive index variation due to temperature, and therefore the efficiency variation is small.
  • the resin lens without the diffractive structure has a large efficiency fluctuation due to the influence of the refractive index fluctuation due to the environmental temperature.
  • the coupling efficiency is less than 10% at the environmental temperature of 80 ° C.
  • Examples 1 to 9 having a diffractive structure are all resin lenses having a diffractive structure, but it can be seen that the fluctuation in efficiency can be suppressed smaller than that of a resin lens having no diffractive structure.
  • Example 2 considering only the efficiency variation, it is suppressed to be equivalent to a glass lens.
  • Example 4 when the environmental temperature is 0 ° C., the coupling efficiency is 20% or less, but the variation of the coupling rate is still smaller than that of the resin lens without the diffractive structure. Furthermore, in Example 4, the coupling efficiency is higher than that of the other examples at around 60 ° C. on the high temperature side.
  • Example 4 is effective in an environment where the temperature of the semiconductor module rises due to light emission of the semiconductor laser LD and is always used at around 60 ° C.
  • Example 9 is a lens that can realize a coupling efficiency of 10% when used at around 60 ° C. while suppressing a coupling efficiency change due to an environmental temperature change.
  • the T1 / T0 is about 80% with the effect of the shadow alone, as shown in FIG.
  • the vicinity of the optical axis is set to 1 ⁇ , and the step difference up to the effective diameter is gradually adjusted to 0.6 ⁇ or 1.4 ⁇ by gradually adjusting the phase difference.
  • Examples 7 and 8 are suitable for the embodiment shown in FIG. 4 and correspond to the increase (or decrease) in the oscillation wavelength of the semiconductor laser LD when the environmental temperature increases (or decreases).
  • the refractive index of the optical coupling lens CL due to the environmental temperature change It is possible to correct the focal position shift caused by the change in the angle.
  • the linear expansion coefficient of the cover CV is 0.00006 cm / cm ° C.

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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

光通信用のレンズ及び半導体モジュール
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
　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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