WO2014057666A1 - 光結合素子およびこれを備えた光モジュール - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an optical coupling element and an optical module including the optical coupling element, and more particularly to an optical coupling element suitable for optically coupling a plurality of light emitting elements and end faces of a plurality of optical fibers, and a light including the same.
  • modules for optically coupling a plurality of light emitting elements and end faces of a plurality of optical fibers, and a light including the same.
  • this type of lens array could be attached with a photoelectric conversion device and a plurality of optical fibers each having a plurality of light emitting elements (for example, VCSEL, Vertical, Surface, Emitting, Laser).
  • VCSEL Vertical, Surface, Emitting, Laser
  • the lens array is optically coupled to the end face of each optical fiber with the light emitted from each light emitting element of the photoelectric conversion device in a state of being arranged between the photoelectric conversion device and the plurality of optical fibers. Multi-channel optical communication was possible.
  • some of such lens arrays have a reflective surface on the light path of the light of the light emitting element, as shown in Patent Documents 1 to 3, for example.
  • JP 2011-59484 A Japanese Patent Laid-Open No. 2001-51162 JP-A-9-281302
  • the lens array has been mainly formed by an injection molding method of a resin material (for example, polyetherimide) using a mold.
  • a resin material for example, polyetherimide
  • such a lens array may be deformed (expanded) due to a temperature change due to heat generated by the laser itself or a temperature increase in a use environment that easily changes to a high temperature such as in a server.
  • such a lens array may shrink at a low temperature than at a normal temperature.
  • this type of lens array needs to maintain the optical coupling efficiency between the light emitting element and the end face of the optical fiber even when the deformation occurs, assuming deformation (thermal deformation) due to temperature change. It was.
  • An object of the present invention is to provide an optical coupling element capable of effectively mitigating the temperature dependence of optical coupling efficiency while improving manufacturing efficiency and design freedom, and an optical module including the same.
  • the present invention relates to the following optical coupling element and optical module.
  • An optical coupling element configured to be capable of optically coupling the plurality of light emitting elements and end surfaces of the plurality of optical fibers in a state of being disposed between the plurality of light emitting elements and the plurality of optical fibers. And the light emitted from the plurality of light emitting elements is respectively incident on the first surface of the optical coupling element main body on the first light emitting element side corresponding to the plurality of light emitting elements.
  • a plurality of incident surfaces having curvatures, and a second surface opposite to the first surface in the optical coupling element body, and arranged to have an inclination with respect to the first surface.
  • a plurality of optical fibers A plurality of exit surfaces having curvatures, which are arranged so as to correspond to the end surfaces of the rivets, respectively, and emit light for each of the plurality of light emitting elements reflected by the reflecting surface toward the end surfaces of the plurality of optical fibers;
  • the plurality of incident surfaces are aligned in the alignment direction of the single column so as to present only a single column, the alignment direction is defined as an “X direction”, and the plurality of light emission
  • a traveling direction of light emitted from the element is defined as “Z direction”
  • a direction perpendicular to the X direction and the Z direction is defined as “Y direction”
  • the plurality of light emitting elements are defined as the plurality of optical fibers.
  • each optical coupling efficiency with respect to the end face of each of the first and second end faces is moved from a position showing a preset maximum efficiency to a position where a decrease in the predetermined optical coupling efficiency with respect to the maximum efficiency is shown.
  • the distance in the X direction between the position after movement is defined as “tolerance in the X direction”
  • the distance in the Y direction between the position before movement and the position after movement is defined as “tolerance in Y direction”.
  • the incidence surface, the reflection surface, and the emission surface are adjusted in curvature so that the tolerance in the X direction is larger than the tolerance in the Y direction.
  • the plurality of incident surfaces are arranged in a state in which a plurality of unit rows in which a predetermined number or more of the incident surfaces are aligned are arranged in parallel along a parallel direction perpendicular to the alignment direction of the unit rows.
  • the optical coupling element according to [1], wherein a direction having a relatively small angle with the virtual straight line is defined as an “X direction”.
  • the plurality of incident surfaces are biconic surfaces convex toward the light emitting element such that the curvature in the X direction and the curvature in the Y direction are different from each other, and the reflection surface has a curvature in a YZ section.
  • the plurality of incident surfaces are aspherical surfaces convex toward the light emitting element in which the curvature in the X direction and the curvature in the Y direction are the same, and the reflection surface has a curvature in a YZ cross section.
  • the plurality of incident surfaces are assumed to be aspherical surfaces convex toward the light-emitting element in which the curvature in the X direction and the curvature in the Y direction are the same.
  • the exit surface of the optical fiber is an aspherical surface convex toward the end face side of the optical fiber in which the curvature in the X direction and the curvature in the Y direction are the same.
  • the tolerance when the reflection surface is assumed to be a plane
  • the optical coupling element according to any one of [1] to [4], which has the same value and the curvature is adjusted to increase the tolerance in the X direction beyond this value.
  • An optical module comprising the optical coupling element according to any one of [1] to [7] and a light emitting element.
  • the temperature dependence of the optical coupling efficiency can be effectively reduced while improving the manufacturing efficiency and the degree of freedom of design.
  • the tolerance in the X direction that easily affects the optical coupling efficiency due to thermal deformation can be made larger than the tolerance in the Y direction. it can. Therefore, the positional accuracy required for the light emitting element can be relaxed, and the temperature dependence of the optical coupling efficiency can be effectively relaxed while improving the manufacturing efficiency and the design freedom.
  • the tolerance in the X direction can be positively improved as compared with the conventional case. For this reason, the positional accuracy required for the light emitting element can be more effectively relaxed.
  • the reflecting surface can be configured only by the surface shape of the optical coupling element body. For this reason, it is possible to further improve the production efficiency by reducing the number of parts and the number of production steps.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a lens array and an optical module as optical coupling elements according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a front view of the lens array.
  • FIG. 3 is a bottom view of the lens array.
  • FIG. 4 is a rear view of the lens array.
  • 5A to 5C are schematic diagrams of the lens array.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional lens array.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a simulation result of tolerance using the lens array according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a simulation result of tolerance using the lens array according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the lens array according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a front view of the lens array.
  • FIG. 12 is a bottom view of the lens array.
  • FIG. 13 is a rear view of the lens array.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the X direction in the third embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing a modification of the third embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic diagram illustrating another modification of the third embodiment.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view (AA sectional view of FIG. 2) of a lens array (lens array body) 1 as an optical coupling element according to the first embodiment.
  • FIG. 1 also shows an outline of an optical module 2 including a lens array 1.
  • FIG. 2 is a front view of the lens array 1 shown in FIG.
  • FIG. 3 is a bottom view of the lens array 1 shown in FIG.
  • FIG. 4 is a rear view of the lens array 1 shown in FIG.
  • the lens array 1 is disposed between the photoelectric conversion device 3 and the optical fiber 4.
  • the lens array 1 optically couples the light emitting element 32 and the end face 41 of the optical fiber 4.
  • the lens array 1 is integrally formed of a translucent resin material (for example, polyetherimide).
  • the lens array 1 may be formed by, for example, an injection molding method.
  • the photoelectric conversion device 3 includes a plurality of light emitting elements 32.
  • the light emitting element 32 emits (emits) laser light L (see FIG. 5A) in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 31 facing the lens array 1 (right direction in FIG. 1).
  • the light emitting element 32 constitutes a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).
  • the plurality of light emitting elements 32 are arranged in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.
  • the photoelectric conversion device 3 is disposed facing the lens array 1 so that the surface of the semiconductor substrate 31 on the lens array 1 side is in contact with the lens array 1.
  • the photoelectric conversion device 3 is attached to the lens array 1 by a known fixing means.
  • the optical fiber 4 is arranged in the same direction as the alignment direction of the light emitting elements 32 (the vertical direction in FIG. 1).
  • the number of optical fibers 4 is the same as that of the light emitting elements 32.
  • the plurality of optical fibers 4 are aligned with the plurality of light emitting elements 32 at the same pitch.
  • the optical fiber 4 is attached to the lens array 1 by a known fixing means in a state where the portion on the end face 41 side is held in the multi-core collective connector 42.
  • the optical fiber 4 may be a multimode fiber or a single mode fiber.
  • the lens array 1 includes a plurality of first lens surfaces 111 (incident surfaces), total reflection surfaces 1211 (reflection surfaces), and a plurality of second lens surfaces 131. Have.
  • the first lens surface 111 is disposed on the front end surface 11 (first surface) to which the photoelectric conversion device 3 (light emitting element 32) is attached.
  • the number of first lens surfaces 111 is twelve, which is the same as that of the light emitting elements 32.
  • a region (hereinafter, referred to as a first lens formation region) 112 where each first lens surface 111 is formed on the front end surface 11 is a first lens formation region 112 on the front end surface 11. This is the inner surface of the recess formed on the total reflection surface 1211 side with respect to the region other than.
  • the first lens formation region 112 and other regions are planes parallel to each other. As shown in FIGS.
  • the plurality of first lens surfaces 111 are in predetermined directions (perpendicular to the plane of FIG. 1, left and right in FIG. 2) so as to face the plurality of light emitting elements 32, respectively. Is arranged. Each first lens surface 111 is formed at the same pitch as the light emitting elements 32. Further, the central axis OA (1) (see FIG. 1) on each first lens surface 111 is a laser beam L (see FIG. 5) emitted from each light emitting element 32 corresponding to each first lens surface 111. ) Is preferably coincident with the optical axis.
  • the total reflection surface 1211 is a reflection surface having a predetermined curvature.
  • the total reflection surface 1211 is disposed on the rear end surface 12 (second surface) of the lens array 1.
  • the total reflection surface 1211 is an inner bottom surface of a wedge-shaped recess 121 formed on the rear end surface 12. Further, the upper end portion of the total reflection surface 1211 is located closer to the photoelectric conversion device 3 than the lower end portion.
  • the angle ⁇ of the total reflection surface 1211 with respect to the front end surface 11 (the smaller angle among the angles formed by the front end surface 11 and the straight line connecting the upper end portion and the lower end portion of the total reflection surface 1211).
  • the tilt angle ⁇ ) may be 45 °.
  • the second lens surface 131 (outgoing surface) has a predetermined curvature and is disposed on the lower end surface 13 (third surface) to which the optical fiber 4 is attached.
  • the number of first lens surfaces 111 is twelve, which is the same as that of the light emitting elements 32.
  • a region (hereinafter referred to as a second lens formation region) 132 in which each second lens surface 131 is formed on the lower end surface 13 is a second region on the lower end surface 13. This is the inner surface of the recess formed on the total reflection surface 1211 side of the outer region of the lens forming region 132.
  • the second lens forming region 132 and the outer region are planes parallel to each other.
  • the lower end surface 13 is adjacent to the front end surface 11 in a direction orthogonal to the arrangement direction of the first lens surface 111.
  • the plurality of second lens surfaces 131 are arranged in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1 (lateral direction in FIG. 3) corresponding to the end surfaces 41 of the plurality of optical fibers 4.
  • the arrangement direction of the second lens surface 131 is the same as the arrangement direction of the first lens surface 111.
  • the second lens surface 131 is formed at the same pitch as the first lens surface 111.
  • the second lens surface 131 has the same position in the arrangement direction as the optically corresponding first lens surface 111.
  • the central axis OA (2) (see FIG. 1) on each second lens surface 131 coincides with the central axis of the end surface 41 of each optical fiber 4 corresponding to each second lens surface 131. It is preferable.
  • each light emitting element 32 is incident on each first lens surface 111.
  • the laser light L is converged according to the power (refractive power) of the lens surface 111 and proceeds to the inside of the lens array 1.
  • the incident laser light L reaches the total reflection surface 1211 at an incident angle larger than the critical angle.
  • the laser beam L that has reached the total reflection surface 1211 is totally reflected toward the optical fiber 4 side (lower side).
  • the light totally reflected by the total reflection surface 1211 reaches the second lens surface 131.
  • the light that reaches the second lens surface 131 is emitted toward the end surface 41 of each corresponding optical fiber 4.
  • each light emitting element 32 and the end face 41 of each optical fiber 4 are optically coupled via each first lens surface 111, total reflection surface 1211, and each second lens surface 131.
  • the first lens surface 111, the total reflection surface 1211, and the second lens surface 131 have the same optical surface and different optical surfaces in order to make the tolerance in the X direction larger than the tolerance in the Y direction. Curvature adjustment is made in between.
  • the “X direction” is defined as an alignment direction of a single row when a plurality of first lens surfaces 111 are arranged in a row as in the present embodiment (FIGS. 2 and 3). reference).
  • the traveling direction of the laser light L of each light emitting element 32 in the lens array 1 is defined as “Z direction”.
  • Z direction As shown in FIG. 5, in the present embodiment, since the optical path is bent at the total reflection surface 1211, the Z direction on the front end surface 11 and the Z direction on the lower end surface 13 are mutually different. Are different (orthogonal).
  • Y direction is defined as a direction orthogonal to the X direction and the Z direction (see FIGS. 2 and 5).
  • “Tolerance in the X direction” indicates the maximum efficiency in which the light coupling efficiencies of the plurality of light emitting elements 32 (in other words, the photoelectric conversion device 3) and the end faces 41 of the plurality of optical fibers 4 are set in advance.
  • the position of the light emitting element 32 before the movement and the position of the light emitting element 32 after the movement in the case where it is assumed that the movement is made along the X direction from such a position to a position at which a decrease in the predetermined optical coupling efficiency with respect to the maximum efficiency is shown.
  • the distance in the X direction is defined as
  • “Tolerance in the Y direction” means that the light coupling efficiencies of the plurality of light emitting elements 32 (in other words, the photoelectric conversion device 3) with the end faces 41 of the plurality of optical fibers 4 exhibit the above-described maximum efficiency.
  • the position of the light emitting element 32 before the movement and the position of the light emitting element 32 after the movement in the case where it is assumed that the light is moved along the Y direction from the position to a position where a predetermined decrease in the optical coupling efficiency with respect to the maximum efficiency is shown. It is defined as the distance in the Y direction.
  • “tolerance in the Y direction” means that the plurality of first lens surfaces 111 are convex toward the light emitting element 32 side in which the curvature in the X direction and the curvature in the Y direction are the same.
  • the plurality of second lens surfaces 131 are assumed to be aspherical surfaces convex toward the end face 41 side of the optical fiber 4 in which the curvature in the X direction and the curvature in the Y direction are the same.
  • This is equivalent to the tolerance when the reflecting surface 1211 is assumed to be a plane. This value can be said to be the tolerance of a conventional lens array having a reflecting surface.
  • the curvature adjustment is for positively increasing the tolerance in the X direction as compared with the conventional tolerance.
  • the amount of decrease in the predetermined optical coupling efficiency serving as the tolerance criterion may be 18% ( ⁇ 1 dB) with respect to the maximum efficiency.
  • each first lens surface 111 has a biconic surface convex toward the light emitting element 32 such that the curvature in the X direction and the curvature in the Y direction are different from each other. It is.
  • the total reflection surface 1211 is a cylindrical surface that is concave with respect to the light emitting element 32 side and the end surface 41 of the optical fiber 4.
  • Total reflection surface 1211 has a curvature in the YZ section (in other words, has a curved shape).
  • the total reflection surface 1211 has no curvature in the XY cross section and the XZ cross section (in other words, has a linear shape).
  • each second lens surface 131 is a cylindrical surface convex toward the end surface 41 side of the optical fiber 4.
  • Each second lens surface 131 has a curvature in the XZ cross section, and does not have a curvature in the XY cross section and the YZ cross section.
  • planar circular shapes are provided at both outer positions in the arrangement direction of the first lens surface 111 with respect to the first lens formation region 112 (that is, the X direction in the present embodiment).
  • Each hole 113 is formed. These holes 113 are fitted to pins (not shown) formed on the semiconductor substrate 31 side, thereby mechanically positioning the photoelectric conversion device 3 when the photoelectric conversion device 3 is fixed to the lens array 1. Used.
  • planar circular shapes are provided at both outer positions in the arrangement direction of the second lens surface 131 (X direction in the present embodiment) with respect to the second lens formation region 132.
  • the pin 133 is erected.
  • the pins 133 are used to mechanically position the optical fibers 4 in the lens array 1 by being inserted into holes (not shown) formed on the connector 42 side of the optical fibers 4.
  • the first lens surface 111 is the biconic surface
  • the total reflection surface 1211 is the cylindrical mirror surface having the main power in the YZ section
  • the second lens surface 131 is the main in the XZ section.
  • the lens array 1 according to Embodiment 1 can effectively mitigate the temperature dependence of the optical coupling efficiency while improving the manufacturing efficiency and the degree of freedom of design.
  • the tolerance in the X direction is ⁇ (delta) X
  • the tolerance in the Y direction is ⁇ Y
  • the tolerance in the X direction in the lens array 1 according to the present embodiment is ⁇ X ′. If the tolerance in the Y direction is ⁇ Y ′, Equation (1) is established between these parameters.
  • ⁇ is a linear expansion coefficient of the resin material forming the lens array 1
  • ⁇ T is a temperature difference (for example, a difference between the temperature of the lens array 1 and room temperature).
  • L is the distance in the X direction between a predetermined reference point (deformation center point) of thermal deformation of the lens array 1 on the front end surface 11 and the center point of the first lens surface 111 farthest from this reference point. .
  • the thermal deformation reference point P that defines L is often the center point of the front end face 11.
  • equation (3) is established between ⁇ X ′ and ⁇ L.
  • equation (3) is solved for ⁇ T, equation (4) is obtained.
  • the usable temperature range can be expanded as compared with the conventional case. According to the present embodiment, even when the temperature change of the lens array 1 is small or zero, the tolerance is widened, and the lens (1) is used without tightly positioning the device (such as VCSEL) and the fiber. be able to.
  • ⁇ X ′ in Expression (5) is larger than ⁇ X of the conventional lens array, so the value L on the left side can be made larger than that of the conventional lens array.
  • the number of channels (the number of the light emitting elements 32, the lens surfaces 111 and 131, and the optical fiber 4) can be increased as compared with the conventional case.
  • Each parameter of the lens array 1 according to Embodiment 1 was set as shown in Table 1.
  • R is the radius of curvature of the optical surface
  • Rx is the radius of curvature (mm) in the X direction
  • Ry is the radius of curvature (mm) in the Y direction.
  • D is the distance (mm) to the next optical surface.
  • n is the refractive index of the lens array 1 (resin material) corresponding to the operating wavelength of 850 nm.
  • K is the conic coefficient of the optical surface
  • Kx is the conic coefficient in the X direction
  • Ky is the conic coefficient in the Y direction.
  • FIG. 8 is a simulation result of tolerance using the first embodiment and a comparative lens array.
  • the horizontal axis in FIG. 8 indicates the moving distance of the light emitting element 32.
  • the vertical axis indicates the light coupling efficiency.
  • FIG. 8 shows a case where the light emitting element 32 is moved along the X direction and the Y direction from the position where the maximum efficiency of the optical coupling efficiency is shown for each lens array of the first embodiment and the comparative example.
  • the change in optical coupling efficiency is shown.
  • the tolerances in the X direction and the Y direction can be obtained based on such a change characteristic of the optical coupling efficiency.
  • the tolerance ⁇ X ′ in the X direction of the lens array 1 of the first embodiment was 1.5 times longer than the tolerance ⁇ X in the X direction of the lens array of the comparative example. Further, the tolerance ⁇ X ′ in the X direction is 1.5 times or more (that is, 1.2 times or more) longer than the tolerance ⁇ Y ′ in the Y direction.
  • the tolerance is the amount of movement of the light emitting element 32 until the optical coupling efficiency decreases by only 5% with respect to the maximum efficiency.
  • the tolerance standard is set strictly (to be reduced) in terms of optical performance, a significant improvement in tolerance is exhibited.
  • Embodiment 2 Next, a lens array according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. 9, focusing on differences from the lens array of Embodiment 1.
  • the difference between the lens array 1 of the first embodiment and the lens array of the second embodiment is a mode of curvature adjustment of the first lens surface 111.
  • the curvature in the X direction and the curvature in the Y direction on the first lens surface 111 are the same.
  • the first lens surface 111 is an aspheric surface convex toward the light emitting element 32 side.
  • the lens array according to the second embodiment can make the tolerance in the X direction larger than the tolerance in the Y direction, and can relax the positional accuracy required for the light emitting element 32.
  • a tolerance simulation was performed using the lens arrays of the second embodiment and the comparative example in which each parameter was set to a predetermined value.
  • the result of the simulation is shown in FIG.
  • the horizontal axis in FIG. 9 indicates the moving distance of the light emitting element 32.
  • the vertical axis indicates the light coupling efficiency.
  • the tolerance ⁇ X ′ in the X direction of the lens array 1 of the second embodiment is 1.5 times the tolerance ⁇ X in the X direction of the lens array of the comparative example. It was long. Further, the tolerance ⁇ X ′ in the X direction was 1.5 times longer than the tolerance ⁇ Y ′ in the Y direction. Also in the second embodiment, the amount of movement of the light emitting element 32 until the decrease in the optical coupling efficiency with respect to the maximum efficiency is only 5% is set as the tolerance. However, it has been found that even when the tolerance standard is set strictly (to be reduced) in terms of optical performance, a significant improvement in tolerance is exhibited.
  • FIG. 10 a lens array 1 according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. 10 to 15 with a focus on differences from the lens array 1 according to Embodiment 1.
  • FIG. 10 a lens array 1 according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view (BB sectional view of FIG. 11) of the lens array 1 in the present embodiment.
  • FIG. 11 is a front view of the lens array 1 shown in FIG.
  • FIG. 12 is a bottom view of the lens array 1 shown in FIG.
  • FIG. 13 is a rear view of the lens array 1 shown in FIG.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the X direction in the third embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing a modification of the third embodiment.
  • the first lens surfaces 111 of the lens array 1 according to Embodiment 3 are arranged in two rows in parallel.
  • the second lens surface 131 is a cylinder surface having a size corresponding to each of the first lens surfaces 111 in each row.
  • the total reflection surface 1211 is a cylinder mirror surface having two types of curvature corresponding to the first lens surface 111 of each row.
  • the light emitting elements 32 and the optical fibers 4 are arranged in two rows so as to correspond to the configuration of the lens array 1.
  • the arrangement direction of the lens rows is defined as the direction in which the influence on the optical coupling efficiency due to thermal deformation is most likely to occur Defined as direction.
  • Embodiment 3 a unit row in which a plurality of (for example, three) first lens surfaces 111 are arranged in a parallel direction orthogonal to the arrangement direction of the unit rows (the horizontal direction in FIG. 14).
  • the “X direction” is defined as follows.
  • the reference point P for thermal deformation of the lens array 1 on the front end surface 11 and the center point O of the first lens surface 111 farthest from the reference point P in the arrangement direction and the parallel direction are used.
  • the direction in which the angle formed with the connecting virtual straight line l is relatively small is defined as the “X direction”.
  • the angle formed by the alignment (lateral) direction and the virtual straight line 1 is ⁇ 1
  • the angle formed by the parallel (vertical) direction and the virtual straight line 1 is ⁇ 2
  • ⁇ 1 Is smaller.
  • the horizontal direction in FIG. 14 is defined as the X direction and the vertical direction is defined as the Y direction.
  • the curvature adjustment of the optical surfaces 111, 1211, and 131 as described above was performed in order to make the tolerance in the X direction larger than the tolerance in the Y direction.
  • the direction that is most likely to be affected by thermal deformation is defined as the X direction. Also in this case, since the tolerance in the X direction can be made larger than the tolerance in the Y direction, it is possible to flexibly cope with diversification of the arrangement mode of the light emitting elements 32.
  • the first lens surface 111 when the first lens surface 111 is aligned and arranged in a plurality of rows when viewed along any of a plurality of directions, such as a grid, for example, in the plurality of directions.
  • a plurality of directions such as a grid
  • the direction in which the number of alignments of the first lens surfaces 111 is the largest may be defined as the alignment direction, and the direction orthogonal thereto may be defined as the parallel direction, and the “X direction” may be determined.
  • first lens surfaces 111 when the number of first lens surfaces 111 is small and a unit row in which a predetermined number (for example, three) or more of first lens surfaces 111 are aligned cannot be considered.
  • line segment directions (broken lines in the figure) connecting the center points of the first lens surfaces 111, the thermal deformation reference point P and the center point O of the first lens surface 111 farthest from the reference point P
  • the direction of the line segment in which the angle formed by the line segment l connecting the two and the line segment l is the minimum ( ⁇ 1 in the figure) may be defined as the “X direction”.
  • optical coupling element and the optical module according to the present invention are useful for optical communication using an optical fiber, for example.

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Description

光結合素子およびこれを備えた光モジュール
　本発明は、光結合素子およびこれを備えた光モジュールに係り、特に、複数の発光素子と複数の光ファイバの端面とを光学的に結合するのに好適な光結合素子およびこれを備えた光モジュールに関する。
　近年、通信の高速化および通信デバイスの小型化のニーズを反映し、マルチチャンネルの光通信をコンパクトな構成で実現するのに有効な光学部品として、複数のレンズが配置されたレンズアレイの需要が益々高まりつつある。
　以前から、この種のレンズアレイには、複数の発光素子（例えば、ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を備えた光電変換装置および複数の光ファイバを取り付け可能であった。
　そして、レンズアレイは、これら光電変換装置と複数の光ファイバとの間に配置された状態で、光電変換装置の各発光素子から出射された光を各光ファイバの端面に光学的に結合させて、マルチチャンネルの光通信を行うことが可能であった。
　また、このようなレンズアレイの中には、例えば、特許文献１～３に示すように、発光素子の光の光路上に反射面を備えたものもあった。
特開２０１１－５９４８４号公報 特開２００１－５１１６２号公報 特開平９－２８１３０２号公報
　ところで、以前から、レンズアレイは、金型を用いた樹脂材料（例えば、ポリエーテルイミドなど）の射出成形法によって形成されることが主流であった。しかしながら、このようなレンズアレイは、レーザ自身の発熱による温度変化や、サーバ内等の高温に温度変化し易い使用環境下における温度上昇にともなって変形（膨張）するおそれがある。また、このようなレンズアレイは、低温時には、常温時よりも収縮するおそれがある。
　したがって、この種のレンズアレイは、温度変化による変形（熱変形）を想定して、変形が生じた場合であっても、発光素子と光ファイバの端面との光結合効率を維持する必要があった。
　一方、このような温度変化を考慮した光結合効率の維持を、アクテイブアライメントなどによる光電変換装置の高精度な位置決めや金型の加工精度（寸法精度）に頼るのでは、製造効率および設計の自由度の向上を見込むことが困難であるといった問題点があった。
　本発明の目的は、製造効率および設計の自由度を向上させつつ、光結合効率の温度依存性を有効に緩和することができる光結合素子およびこれを備えた光モジュールを提供することである。
　本発明は、以下の光結合素子および光モジュールに関する。
　［１］複数の発光素子と複数の光ファイバとの間に配置された状態で、前記複数の発光素子と前記複数の光ファイバの端面とをそれぞれ光学的に結合可能に構成された光結合素子であって、光結合素子本体における前記複数の発光素子側の第１の面上に、前記複数の発光素子にそれぞれ対応して配置され、前記複数の発光素子から発光された光がそれぞれ入射する、曲率を有する複数の入射面と、前記光結合素子本体における前記第１の面と反対側の第２の面上に、前記第１の面に対して傾きを有するように配置され、前記複数の入射面にそれぞれ入射した前記複数の発光素子ごとの光を前記複数の光ファイバ側に反射させる、曲率を有する反射面と、前記光結合素子本体における前記複数の光ファイバ側の第３の面上に、前記複数の光ファイバの端面にそれぞれ対応するように配置され、前記反射面によって反射された前記複数の発光素子ごとの光を前記複数の光ファイバの端面に向けてそれぞれ出射させる、曲率を有する複数の出射面とを備え、前記複数の入射面が、単一列のみを呈するようにして前記単一列の整列方向に整列配置されている場合には、前記整列方向を「Ｘ方向」と定義し、前記複数の発光素子から発光された光の進行方向を「Ｚ方向」と定義し、前記Ｘ方向および前記Ｚ方向に直交する方向を「Ｙ方向」と定義し、前記複数の発光素子を、前記複数の光ファイバの端面とのそれぞれの光結合効率が予め設定された最大効率を示す位置から前記最大効率に対する所定の光結合効率の低下が示される位置まで移動させたと仮定した場合における移動前の位置と移動後の位置との間の前記Ｘ方向の距離を「Ｘ方向のトレランス」と定義し、前記移動前の位置と前記移動後の位置との間の前記Ｙ方向の距離を「Ｙ方向のトレランス」と定義した場合、前記入射面、前記反射面および前記出射面は、前記Ｘ方向のトレランスが前記Ｙ方向のトレランスよりも大きくなるように曲率調整されている、光結合素子。
　［２］前記複数の入射面が、所定数以上の前記入射面を整列させた単位列を、この単位列の整列方向に直交する並列方向に沿って複数列並列させた状態で配置されている場合、前記整列方向および前記並列方向のうち、前記第１の面上における前記光結合素子本体の熱変形の所定の基準点とこの基準点から最も離間された前記入射面の中心点とを結ぶ仮想直線とのなす角度が相対的に小さい方を、「Ｘ方向」と定義する、［１］に記載の光結合素子。
　［３］前記複数の入射面は、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに異なるような前記発光素子側に凸のバイコーニック面であり、前記反射面は、ＹＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＸＺ断面において曲率を有しないような前記発光素子側および前記光ファイバの端面側に凹のシリンドリカル面であり、前記複数の出射面は、ＸＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＹＺ断面において曲率を有しないような前記光ファイバの端面側に凸のシリンドリカル面である、［１］または［２］に記載の光結合素子。
　［４］前記複数の入射面は、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記発光素子側に凸の非球面であり、前記反射面は、ＹＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＸＺ断面において曲率を有しないような前記発光素子側および前記光ファイバの端面側に凹のシリンドリカル面であり、前記複数の出射面は、ＸＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＹＺ断面において曲率を有しないような前記光ファイバの端面側に凸のシリンドリカル面である、［１］または［２］に記載の光結合素子。
　［５］前記Ｙ方向のトレランスは、前記複数の入射面を、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記発光素子側に凸の非球面と仮定し、前記複数の出射面を、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記光ファイバの端面側に凸の非球面と仮定し、前記反射面を平面と仮定した場合におけるトレランスと同値であり、この値よりも前記Ｘ方向のトレランスを大きくするための前記曲率調整がされている、［１］～［４］のいずれか１項に記載の光結合素子。
　［６］前記Ｘ方向のトレランスを前記Ｙ方向のトレランスよりも１．２倍以上大きくするための前記曲率調整がされている、［１］～［５］のいずれか１項に記載の光結合素子。
　［７］前記反射面は、前記複数の発光素子からの光を前記複数の出射面に向けてそれぞれ全反射させる全反射面である、［１］～［６］のいずれか１項に記載の光結合素子。
　［８］［１］～［７］のいずれか１項に記載の光結合素子と、発光素子と、を有する、光モジュール。
　本発明によれば、製造効率および設計の自由度の向上を図りつつ、光結合効率の温度依存性を有効に緩和することができる。
　［１］に係る発明によれば、入射面、反射面および出射面の曲率調整によって、熱変形による光結合効率への影響が出やすいＸ方向のトレランスをＹ方向のトレランスよりも大きくすることができる。このため、発光素子に求められる位置精度を緩和することができ、製造効率および設計の自由度の向上を図りつつ、光結合効率の温度依存性を有効に緩和することができる。
　［２］に係る発明によれば、入射面が複数列並列されている場合においても、熱変形の影響が最も出やすい方向（Ｘ方向）のトレランスを大きくすることができる。このため、発光素子の配置態様の多様化に柔軟に対応することができる。
　［３］に係る発明によれば、トレランスを有効に改善することができる。
　［４］に係る発明によれば、トレランスを確実に改善することができる。
　［５］に係る発明によれば、Ｘ方向のトレランスを従来に比べて積極的に向上させることができる。このため、発光素子に求められる位置精度を更に有効に緩和することができる。
　［６］に係る発明によれば、Ｘ方向のトレランスを十分に向上させることができる。
　［７］に係る発明によれば、反射面を光結合素子本体の面形状のみによって構成することができる。このため、部品点数および製造工数の削減による製造効率の更なる向上を図ることができる。
　［８］に係る発明によれば、製造効率および設計の自由度の向上をともなう光結合効率の温度依存性の緩和を図ることができる。
図１は、実施の形態１に係る光結合素子としてのレンズアレイおよび光モジュールの構成を示す図である。 図２は、レンズアレイの正面図である。 図３は、レンズアレイの底面図である。 図４は、レンズアレイの背面図である。 図５Ａ～Ｃは、レンズアレイの模式図である。 図６は、従来のレンズアレイの構成を示す模式図である。 図７は、実施の形態１の効果を説明するための図である。 図８は、実施の形態１に係るレンズアレイを用いたトレランスのシミュレーション結果である。 図９は、実施の形態２に係るレンズアレイを用いたトレランスのシミュレーション結果である。 図１０は、実施の形態３に係るレンズアレイの断面図である。 図１１は、レンズアレイの正面図である。 図１２は、レンズアレイの底面図である。 図１３は、レンズアレイの背面図である。 図１４は、実施の形態３において、Ｘ方向を説明するための図である。 図１５は、実施の形態３において、変形例を示す模式図である。 図１６は、実施の形態３の他の変形例を示す模式図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　［実施の形態１］
　図１は、実施の形態１に係る光結合素子としてのレンズアレイ（レンズアレイ本体）１の縦断面図（図２のＡ－Ａ断面図）である。図１では、レンズアレイ１を備えた光モジュール２の概要も示している。図２は、図１に示すレンズアレイ１の正面図である。図３は、図１に示すレンズアレイ１の底面図である。図４は、図１に示すレンズアレイ１の背面図である。
　図１に示されるように、レンズアレイ１は、光電変換装置３と光ファイバ４との間に配置されている。レンズアレイ１は、発光素子３２と光ファイバ４の端面４１とを光学的に結合する。レンズアレイ１は、透光性の樹脂材料（例えば、ポリエーテルイミドなど）によって一体的に形成される。レンズアレイ１は、例えば射出成形法により形成してもよい。
　（発光素子の構成）
　光電変換装置３は、複数の発光素子３２を有する。発光素子３２は、半導体基板３１におけるレンズアレイ１に臨む面に対して垂直方向（図１における右方向）にレーザ光Ｌ（図５Ａ参照）を出射（発光）する。発光素子３２は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を構成している。なお、複数の発光素子３２は、図１の紙面垂直方向に配置されている。光電変換装置３は、例えば、半導体基板３１のレンズアレイ１側の面がレンズアレイ１に当接するように、レンズアレイ１に対して対向して配置されている。そして、光電変換装置３は、公知の固定手段によってレンズアレイ１に取り付けられている。
　（光ファイバの構成）
　光ファイバ４は、各発光素子３２の整列方向と同じ方向（図１の紙面垂直方向）に配置されている。光ファイバ４の数は、発光素子３２と同じである。複数の光ファイバ４は、複数の発光素子３２と同一ピッチで整列されている。光ファイバ４は、端面４１側の部位が多芯一括型のコネクタ４２内に保持された状態で、公知の固定手段によってレンズアレイ１に取り付けられている。
　なお、光ファイバ４は、マルチモードファイバであってもよく、シングルモードファイバであってもよい。
　図１および図２に示されるように、レンズアレイ１は、複数の第１のレンズ面１１１（入射面）と、全反射面１２１１（反射面）と、複数の第２のレンズ面１３１とを有する。
　（入射面の構成）
　第１のレンズ面１１１は、光電変換装置３（発光素子３２）が取り付けられる前端面１１（第１の面）上に配置されている。本実施の形態では、第１のレンズ面１１１の数は、発光素子３２と同じ１２個である。図１に示されるように、前端面１１における各第１のレンズ面１１１が形成された領域（以下、第１のレンズ形成領域と称する）１１２は、前端面１１における第１のレンズ形成領域１１２以外の領域よりも全反射面１２１１側に形成された凹部の内面である。また、第１のレンズ形成領域１１２とこれ以外の領域とは、互いに平行な平面である。図１および図２に示されるように、複数の第１のレンズ面１１１は、複数の発光素子３２にそれぞれ対向するように、所定の方向（図１の紙面垂直方向、図２の左右方向）に配置されている。また、各第１のレンズ面１１１は、発光素子３２と同一ピッチで形成されている。さらに、各第１のレンズ面１１１上の中心軸ＯＡ（１）（図１参照）は、各第１のレンズ面１１１にそれぞれ対応する各発光素子３２から発光されるレーザ光Ｌ（図５参照）の光軸に一致していることが好ましい。
　（反射面の構成）
　図１および図４に示されるように、全反射面１２１１は、所定の曲率を有する反射面である。全反射面１２１１は、レンズアレイ１の後端面１２（第２の面）上に配置されている。全反射面１２１１は、後端面１２に形成された楔状の凹部１２１の内底面である。また、全反射面１２１１の上端部は、下端部よりも光電変換装置３側に位置している。なお、図５Ａに示されるように、前端面１１に対する全反射面１２１１の傾斜角θ（前端面１１と、全反射面１２１１の上端部と下端部とを結ぶ直線とがなす角度のうち小さい角度；傾斜角θ）は、４５°であってもよい。
　（出射面の構成）
　第２のレンズ面１３１（出射面）は、所定の曲率を有しており、光ファイバ４が取り付けられる下端面１３（第３の面）上に配置されている。本実施の形態では、第１のレンズ面１１１の数は、発光素子３２と同じ１２個である。なお、図１および図３に示されるように、下端面１３における各第２のレンズ面１３１が形成された領域（以下、第２のレンズ形成領域と称する）１３２は、下端面１３における第２のレンズ形成領域１３２の外側の領域よりも全反射面１２１１側に形成された凹部の内面である。また、第２のレンズ形成領域１３２と外側の領域とは、互いに平行な平面である。下端面１３は、前端面１１に対して第１のレンズ面１１１の配置方向に直交する方向において隣接している。
　図１に示されるように、複数の第２のレンズ面１３１は、複数の光ファイバ４の端面４１に対応して、図１の紙面垂直方向（図３における横方向）に配置されている。第２のレンズ面１３１の配置方向は、第１のレンズ面１１１の配置方向と同じである。第２のレンズ面１３１は、第１のレンズ面１１１と同一ピッチで形成されている。第２のレンズ面１３１は、光学的に対応する第１レンズ面１１１との配置方向における位置が同じである。なお、各第２のレンズ面１３１上の中心軸ＯＡ（２）（図１参照）は、各第２のレンズ面１３１にそれぞれ対応する各光ファイバ４の端面４１の中心軸に一致していることが好ましい。
　図５Ａに示されるように、各発光素子３２から出射されたレーザ光Ｌは、各第１のレンズ面１１１で入射する。このとき、レーザ光Ｌは、レンズ面１１１のパワー（屈折力）に応じて収束されて、レンズアレイ１の内部へと進行する。入射したレーザ光Ｌは、臨界角よりも大きな入射角で全反射面１２１１に到達する。そして、全反射面１２１１に到達したレーザ光Ｌは、光ファイバ４側（下側）に向かって全反射される。全反射面１２１１で全反射した光は、第２のレンズ面１３１に到達する。第２のレンズ面１３１に到達した光は、対応する各光ファイバ４の端面４１に向けてそれぞれ出射される。このようにして、各発光素子３２と各光ファイバ４の端面４１とは、各第１のレンズ面１１１、全反射面１２１１および各第２のレンズ面１３１を介して光学的に結合される。
　（入射面、反射面および出射面の曲率調整）
　本実施の形態において、第１のレンズ面１１１、全反射面１２１１および第２のレンズ面１３１は、Ｘ方向のトレランスをＹ方向のトレランスよりも大きくするために、同一光学面内および異光学面間において曲率調整がされている。
　ここで、「Ｘ方向」とは、本実施形態のように複数の第１のレンズ面１１１が一列に配置されている場合には、この単一列の整列方向と定義する（図２および図３参照）。
　本実施の形態では、レンズアレイ１における各発光素子３２のレーザ光Ｌの進行方向を、「Ｚ方向」と定義する。なお、図５に示されるように、本実施の形態では、全反射面１２１１において光路が折れ曲がる構成になっているため、前端面１１上におけるＺ方向と下端面１３上におけるＺ方向とは、互いに異なっている（直交している）。
　「Ｙ方向」とは、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向と定義する（図２および図５参照）。
　「Ｘ方向のトレランス」とは、複数の発光素子３２（換言すれば、光電変換装置３）を、複数の光ファイバ４の端面４１とのそれぞれの光結合効率が予め設定された最大効率を示すような位置から最大効率に対する所定の光結合効率の低下が示されるような位置までＸ方向に沿って移動させたと仮定した場合における移動前の発光素子３２の位置と移動後の発光素子３２の位置との間のＸ方向の距離と定義する。
　「Ｙ方向のトレランス」とは、複数の発光素子３２（換言すれば、光電変換装置３）を、複数の光ファイバ４の端面４１とのそれぞれの光結合効率が前述した最大効率を示すような位置から最大効率に対する所定の光結合効率の低下が示されるような位置までＹ方向に沿って移動させたと仮定した場合における移動前の発光素子３２の位置と移動後の発光素子３２の位置との間のＹ方向の距離と定義する。
　また、「Ｙ方向のトレランス」は、図６に示されるように、複数の第１のレンズ面１１１を、Ｘ方向の曲率とＹ方向の曲率とが互いに同一とされた発光素子３２側に凸の非球面と仮定し、複数の第２のレンズ面１３１を、Ｘ方向の曲率とＹ方向の曲率とが互いに同一とされた光ファイバ４の端面４１側に凸の非球面と仮定し、全反射面１２１１を平面と仮定した場合におけるトレランスと同値である。この値は、反射面を備えた従来のレンズアレイのトレランスということができる。
　したがって、曲率調整は、このような従来のトレランスよりもＸ方向のトレランスを積極的に大きくするためのものである。
　なお、トレランスの基準となる所定の光結合効率の低下量は、最大効率に対して１８％（－１ｄＢ）であってもよい。
　そして、このような曲率調整の結果として、本実施形態では、各第１のレンズ面１１１は、Ｘ方向の曲率とＹ方向の曲率とが互いに異なるような発光素子３２側に凸のバイコーニック面である。
　また、本実施形態では、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、全反射面１２１１は、発光素子３２側および光ファイバ４の端面４１に対して凹のシリンドリカル面である。全反射面１２１１は、ＹＺ断面において曲率を有する（換言すれば、曲線形状である）。また、全反射面１２１１は、ＸＹ断面およびＸＺ断面において曲率を有しない（換言すれば、直線形状である）。
　さらに、本実施形態では、図５Ａおよび図５Ｃに示されるように、各第２のレンズ面１３１は、光ファイバ４の端面４１側に凸のシリンドリカル面である。各第２のレンズ面１３１は、ＸＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＹＺ断面において曲率を有しない。
　（その他の構成）
　また、図２に示されるように、第１のレンズ形成領域１１２に対して第１のレンズ面１１１の配置方向（すなわち、本実施形態におけるＸ方向）における両外側位置には、平面円形状の穴部１１３がそれぞれ形成されている。これらの穴部１１３は、半導体基板３１側に形成されたピン（図示省略）に嵌合することによって、レンズアレイ１に光電変換装置３を固定する際の光電変換装置３の機械的な位置決めに用いられる。
　さらに、図１および図３に示されるように、第２のレンズ形成領域１３２に対して第２のレンズ面１３１の配置方向（本実施形態におけるＸ方向）における両外側位置には、平面円形状のピン１３３が立設されている。ピン１３３は、光ファイバ４のコネクタ４２側に形成された不図示の穴部に挿入されることによって、レンズアレイ１に光ファイバ４を機械的に位置決めするために用いられる。
　（作用および効果）
　本実施形態によれば、上述したように、第１のレンズ面１１１をバイコーニック面、全反射面１２１１をＹＺ断面において主たるパワーを持つシリンドリカルミラー面、第２のレンズ面１３１をＸＺ断面において主たるパワーを持つシリンドリカル面とする。これにより、熱変形による光結合効率への影響が出やすいＸ方向のトレランスを、Ｙ方向のトレランスよりも大きく、かつ従来のトレランスに比べて積極的に向上させることができる。また、発光素子３２に求められる位置精度を緩和することができる。
　この結果、実施の形態１に係るレンズアレイ１は、製造効率および設計の自由度の向上を図りつつ、光結合効率の温度依存性を有効に緩和することができる。
　また、図６に示される従来のレンズアレイにおいて、Ｘ方向のトレランスをΔ（デルタ）Ｘとし、Ｙ方向のトレランスをΔＹとし、本実施形態に係るレンズアレイ１におけるＸ方向のトレランスをΔＸ’とし、Ｙ方向のトレランスをΔＹ’とすると、これらのパラメータ間には、式（１）が成立する。
　ΔＸ’＞ΔＹ’＝ΔＹ＝ΔＸ　　　（１）
　また、レンズアレイ１の熱変形（膨張または収縮）による第１のレンズ面１１１の位置変化量をΔＬとすると、ΔＬは、式（２）で表すことができる。
　ΔＬ＝α×ΔＴ×Ｌ　　　（２）
　ただし、式（２）において、αは、レンズアレイ１を形成する樹脂材料の線膨脹係数であり、ΔＴは、温度差（例えば、レンズアレイ１の温度と常温との差）である。Ｌは、前端面１１上におけるレンズアレイ１の熱変形の所定の基準点（変形中心点）とこの基準点から最も遠い第１のレンズ面１１１の中心点との間のＸ方向の距離である。なお、図７に示されるように、Ｌを定義する熱変形の基準点Ｐは、前端面１１の中心点となることが多い。しかしながら、本実施の形態では、このような態様以外にも、シミュレーションなどによって予め求められる種々の位置の基準点に対応することができる。
　さらに、上述したトレランスの意義より、ΔＸ’とΔＬとの間には、式（３）が成立する。
　ΔＸ’＞ΔＬ＝α・ΔＴ・Ｌ　　　（３）
　そして、式（３）をΔＴについて解くと、式（４）のようになる。
　ΔＴ＜ΔＸ’／（α・Ｌ）　　　　（４）
　ここで、式（４）におけるΔＸ’が従来のレンズアレイのΔＸよりも大きいため、左辺の値ΔＴも従来のレンズアレイよりも大きくすることができる。
　すなわち、本実施形態によれば、使用可能な温度範囲を従来よりも広げることができる。なお、本実施の形態によれば、レンズアレイ１の温度変化が小さいまたはゼロの場合であっても、トレランスが広くなり、デバイス（ＶＣＳＥＬなど）とファイバとの位置精度をきつくすることなく使用することができる。
　一方、式（３）をＬについて解くと、式（５）のようになる。
　Ｌ＜ΔＸ’／（α・ΔＴ）　　　（５）
　ここで、式（４）同様、式（５）におけるΔＸ’が従来のレンズアレイのΔＸよりも大きいため、左辺の値Ｌも従来のレンズアレイよりも大きくすることができる。
　すなわち、本実施形態によれば、チャンネル数（発光素子３２、レンズ面１１１、１３１、光ファイバ４の数）を従来よりも増加させることができる。
　（シミュレーション）
　実施の形態１に係るレンズアレイ１の各パラメータを表１に示すとおりに設定した。表１のＲは光学面の曲率半径であり、ＲｘはＸ方向の曲率半径（ｍｍ）であり、ＲｙはＹ方向の曲率半径（ｍｍ）である。また、表１において、Ｄは、次の光学面までの距離（ｍｍ）である。ｎは、使用波長８５０ｎｍに対応するレンズアレイ１（樹脂材料）の屈折率である。Ｋは光学面のコーニック係数であり、ＫｘはＸ方向のコーニック係数であり、ＫｙはＹ方向のコーニック係数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　また、比較例として図６に示す従来のレンズアレイの各パラメータを表２に示すとおりに設定した。表２における各パラメータの意義は、表１と同様である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　各パラメータを所定の値に設定した実施の形態１および比較例のレンズアレイを用いて、トレランスのシミュレーションを行った。図８は、実施の形態１および比較用のレンズアレイを用いたトレランスのシミュレーション結果である。図８の横軸は、発光素子３２の移動距離を示している。また、縦軸は、光の結合効率を示している。図８には、実施の形態１および比較例の各レンズアレイに対して、発光素子３２を、光結合効率の最大効率が示される位置からＸ方向およびＹ方向にそれぞれ沿って移動させた場合における光結合効率の変化が示されている。Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれのトレランスは、このような光結合効率の変化特性に基づいて求めることができる。
　図８に示されるように、実施の形態１のレンズアレイ１のＸ方向のトレランスΔＸ’は、比較例のレンズアレイのＸ方向のトレランスΔＸに比べて１．５倍以上長かった。また、Ｘ方向のトレランスΔＸ’は、Ｙ方向のトレランスΔＹ’より、１．５倍以上（すなわち、１．２倍以上）長かった。実施の形態１では、最大効率に対して光結合効率の低下が僅か５％見られるようになるまでの発光素子３２の移動量をトレランスとしている。しかしながら、トレランスの基準を光学性能的に厳しく（小さくなるように）設定した場合であっても、有意義なトレランスの向上を示すことがわかった。
　［実施の形態２］
　次に、本発明の実施の形態２に係るレンズアレイについて、実施の形態１のレンズアレイとの差異を中心に、図９を参照して説明する。
　実施の形態１のレンズアレイ１と実施の形態２のレンズアレイとの相違点は、第１のレンズ面１１１の曲率調整の態様である。具体的には、実施の形態２のレンズアレイにおいて、第１のレンズ面１１１におけるＸ方向の曲率とＹ方向の曲率とは、同じである。また、第１のレンズ面１１１は、発光素子３２側に凸の非球面である。
　実施の形態２のレンズアレイは、実施の形態１と同様に、Ｘ方向のトレランスをＹ方向のトレランスよりも大きくすることができ、発光素子３２に求められる位置精度を緩和することができる。
　（シミュレーション）
　実施の形態２に係るレンズアレイ１の各パラメータを表３に示すとおりに設定した。表３におけるパラメータは、表１と同様である。また、比較例として用いた従来のレンズアレイは、実施の形態１と同じである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　各パラメータを所定の値に設定した実施の形態２および比較例のレンズアレイを用いて、トレランスのシミュレーションを行った。シミュレーションの結果を図９に示す。図９の横軸は、発光素子３２の移動距離を示している。また、縦軸は、光の結合効率を示している。
　図９に示されるように、本実施の形態においても、実施の形態２のレンズアレイ１のＸ方向のトレランスΔＸ’は、比較例のレンズアレイのＸ方向のトレランスΔＸに比べて１．５倍以上長かった。また、Ｘ方向のトレランスΔＸ’は、Ｙ方向のトレランスΔＹ’より、１．５倍以上長かった。実施の形態２でも、最大効率に対して光結合効率の低下が僅か５％見られるようになるまでの発光素子３２の移動量をトレランスとしている。しかしながら、トレランスの基準を光学性能的に厳しく（小さくなるように）設定した場合であっても、有意義なトレランスの向上を示すことがわかった。
　［実施の形態３］
　次に、本発明の実施の形態３に係るレンズアレイ１について、実施の形態１に係るレンズアレイ１との差異を中心に、図１０～図１５を参照して説明する。
　図１０は、本実施形態におけるレンズアレイ１の縦断面図（図１１のＢ－Ｂ断面図）である。図１１は、図１０に示すレンズアレイ１の正面図である。図１２は、図１０に示すレンズアレイ１の下面図である。図１３は、図１０に示すレンズアレイ１の背面図である。図１４は、実施の形態３において、Ｘ方向を説明するための図である。図１５は、実施の形態３において、変形例を示す模式図である。
　図１１に示されるように、実施の形態３に係るレンズアレイ１の第１のレンズ面１１１は、２列並列して配置されている。また、第２のレンズ面１３１は、各列の第１のレンズ面１１１にそれぞれ対応する大きさのシリンダ面である。さらに、全反射面１２１１は、各列の第１のレンズ面１１１にそれぞれ対応した、２種類の曲率を有するシリンダミラー面である。特に図示しないが、発光素子３２および光ファイバ４は、レンズアレイ１の構成に対応するように２列ずつ配置されている。
　実施の形態１では、複数の第１のレンズ面１１１が配列した単位列の数が１列であったため、レンズ列の配置方向を熱変形による光結合効率への影響が最も出やすい方向としてＸ方向と定義した。
　これに対して、実施の形態３では、複数（例えば、３つ）の第１のレンズ面１１１が配列した単位列を、この単位列の配列方向（図１４における横方向）に直交する並列方向（図１４における縦方向）に沿って複数列（図１４において２列）並列配置する場合には、次のようにして「Ｘ方向」を定義した。
　実施の形態３では、配列方向および並列方向のうち、前端面１１におけるレンズアレイ１の熱変形の基準点Ｐとこの基準点Ｐから最も離間された第１のレンズ面１１１の中心点Ｏとを結ぶ仮想直線ｌとのなす角度が相対的に小さくなる方を、「Ｘ方向」と定義した。
　具体的には、図１４においては、整列（横）方向と仮想直線ｌとのなす角度がθ１、並列（縦）方向と仮想直線ｌとのなす角度がθ２であり、これらのうち、θ１の方が小さくなっている。
　したがって、実施の形態３では、図１４における横方向がＸ方向と定義するとともに、縦方向がＹ方向と定義した。この前提の下で、実施の形態１と同様に、Ｘ方向のトレランスをＹ方向のトレランスよりも大きくするために、前述のような各光学面１１１、１２１１、１３１の曲率調整を行った。
　以上のように、複数の第１のレンズ面１１１を有する単位列が並列配置されている場合においても、熱変形の影響が最も出やすい方向をＸ方向と定義する。この場合も、Ｘ方向のトレランスをＹ方向のトレランスよりも大きくすることができるため、発光素子３２の配置態様の多様化に柔軟に対応することができる。
　なお、図１４と同様の２列配置されたレンズ面１１１構成においても、図１５に示すように、並列方向（縦方向）と仮想直線ｌとのなす角度θ２が最小となった場合には、並列方向がＸ方向となり、整列方向（横方向）がＹ方向となる。
　本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限度において種々変更してもよい。
　例えば、第１のレンズ面１１１が、例えば碁盤の目のように、複数の方向のいずれに沿って見た場合にも複数列をなすように整列配置される場合には、それら複数の方向のうち、第１のレンズ面１１１の整列数が最多となる方向を整列方向とし、これに直交する方向を並列方向とした上で、「Ｘ方向」を定めるようにしてもよい。
　また、図１６に示されるように、第１のレンズ面１１１の整列数が少なく、所定数（例えば、３つ）以上の第１のレンズ面１１１を整列させた単位列を観念できない場合には、各第１のレンズ面１１１の中心点同士を結ぶ線分方向（同図破線部）のうち、熱変形の基準点Ｐとこの基準点Ｐから最も遠い第１のレンズ面１１１の中心点Ｏとを結ぶ線分ｌとのなす角度が最小（同図におけるθ１）となる線分方向を、「Ｘ方向」と定義してもよい。
　本出願は、２０１２年１０月１０日出願の特願２０１２－２２５１９７に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
　本発明に係る光結合素子および光モジュールは、例えば光ファイバを用いた光通信に有用である。
　１　レンズアレイ
　１１　前端面
　１１１　第１のレンズ面
　１２　後端面
　１２１１　全反射面
　１３　下端面
　１３１　第２のレンズ面
　３２　発光素子
　４　光ファイバ
　４１　端面

Claims (8)

  1. 　複数の発光素子と複数の光ファイバとの間に配置された状態で、前記複数の発光素子と前記複数の光ファイバの端面とをそれぞれ光学的に結合可能に構成された光結合素子であって、
    　光結合素子本体における前記複数の発光素子側の第１の面上に、前記複数の発光素子にそれぞれ対応して配置され、前記複数の発光素子から発光された光がそれぞれ入射する、曲率を有する複数の入射面と、
    　前記光結合素子本体における前記第１の面と反対側の第２の面上に、前記第１の面に対して傾きを有するように配置され、前記複数の入射面にそれぞれ入射した前記複数の発光素子ごとの光を前記複数の光ファイバ側に反射させる、曲率を有する反射面と、
    　前記光結合素子本体における前記複数の光ファイバ側の第３の面上に、前記複数の光ファイバの端面にそれぞれ対応するように配置され、前記反射面によって反射された前記複数の発光素子ごとの光を前記複数の光ファイバの端面に向けてそれぞれ出射させる、曲率を有する複数の出射面と
    　を備え、
    　前記複数の入射面が、単一列のみを呈するようにして前記単一列の整列方向に整列配置されている場合には、前記整列方向を「Ｘ方向」と定義し、
    　前記複数の発光素子から発光された光の進行方向を「Ｚ方向」と定義し、
    　前記Ｘ方向および前記Ｚ方向に直交する方向を「Ｙ方向」と定義し、
    　前記複数の発光素子を、前記複数の光ファイバの端面とのそれぞれの光結合効率が予め設定された最大効率を示す位置から前記最大効率に対する所定の光結合効率の低下が示される位置まで移動させたと仮定した場合における移動前の位置と移動後の位置との間の前記Ｘ方向の距離を「Ｘ方向のトレランス」と定義し、
    　前記移動前の位置と前記移動後の位置との間の前記Ｙ方向の距離を「Ｙ方向のトレランス」と定義した場合、
    　前記入射面、前記反射面および前記出射面は、前記Ｘ方向のトレランスが前記Ｙ方向のトレランスよりも大きくなるように曲率調整されている、
    　光結合素子。
  2. 　前記複数の入射面が、所定数以上の前記入射面を整列させた単位列を、この単位列の整列方向に直交する並列方向に沿って複数列並列させた状態で配置されている場合、前記整列方向および前記並列方向のうち、前記第１の面上における前記光結合素子本体の熱変形の所定の基準点とこの基準点から最も離間された前記入射面の中心点とを結ぶ仮想直線とのなす角度が相対的に小さい方を、「Ｘ方向」と定義する、
    　請求項１に記載の光結合素子。
  3. 　前記複数の入射面は、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに異なるような前記発光素子側に凸のバイコーニック面であり、
    　前記反射面は、ＹＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＸＺ断面において曲率を有しないような前記発光素子側および前記光ファイバの端面側に凹のシリンドリカル面であり、
    　前記複数の出射面は、ＸＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＹＺ断面において曲率を有しないような前記光ファイバの端面側に凸のシリンドリカル面である、
    　請求項１または請求項２に記載の光結合素子。
  4. 　前記複数の入射面は、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記発光素子側に凸の非球面であり、
    　前記反射面は、ＹＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＸＺ断面において曲率を有しないような前記発光素子側および前記光ファイバの端面側に凹のシリンドリカル面であり、
    　前記複数の出射面は、ＸＺ断面において曲率を有するとともに、ＸＹ断面およびＹＺ断面において曲率を有しないような前記光ファイバの端面側に凸のシリンドリカル面である、
    　請求項１または請求項２に記載の光結合素子。
  5. 　前記Ｙ方向のトレランスは、
    　前記複数の入射面を、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記発光素子側に凸の非球面と仮定し、
    　前記複数の出射面を、前記Ｘ方向の曲率と前記Ｙ方向の曲率とが互いに同一とされた前記光ファイバの端面側に凸の非球面と仮定し、
    　前記反射面を平面と仮定した場合におけるトレランスと同値であり、この値よりも前記Ｘ方向のトレランスを大きくするための前記曲率調整がされている、
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の光結合素子。
  6. 　前記Ｘ方向のトレランスを前記Ｙ方向のトレランスよりも１．２倍以上大きくするための前記曲率調整がされている、請求項１～５のいずれか１項に記載の光結合素子。
  7. 　前記反射面は、前記複数の発光素子からの光を前記複数の出射面に向けてそれぞれ全反射させる全反射面である、請求項１～６のいずれか１項に記載の光結合素子。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の光結合素子と、
    　発光素子と、
    　を有する、光モジュール。
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