光学装置
【課題】光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザのビームを、２枚の光学素子間で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部に集光することが可能な光学装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ５５のビーム５１を出射する発光部５０と、受光部６０と、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０を有し、ビーム５１が発光部側光学素子と受光部側光学素子との間では略平行光である光学装置１において、発光部側光学素子はビームが入射する側にある第１の光学面１０ａと他方の側にある第２の光学面１０ｂとが形成されていて、受光部側光学素子はビームが入射する側にある第３の光学面２０ａと他方の側にある第４の光学面２０ｂとが形成されていて、第２の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、第３の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、第４の光学面がシリンドリカル面である。
【解決手段】半導体レーザ５５のビーム５１を出射する発光部５０と、受光部６０と、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０を有し、ビーム５１が発光部側光学素子と受光部側光学素子との間では略平行光である光学装置１において、発光部側光学素子はビームが入射する側にある第１の光学面１０ａと他方の側にある第２の光学面１０ｂとが形成されていて、受光部側光学素子はビームが入射する側にある第３の光学面２０ａと他方の側にある第４の光学面２０ｂとが形成されていて、第２の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、第３の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、第４の光学面がシリンドリカル面である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザを発光部としたビームを集光する光学装置に関し、とくに２枚の光学素子間の光路では平行光が得られるとともに高い結合効率で集光することが可能な光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを伝送媒体、半導体レーザを光源として、光通信は広く普及している。光通信において、通信端末からの電気信号は光信号に変換されて送信され、伝送媒体を経て受信された光信号が電気信号に復元される。送信用や中継用の入出力部もしくは受信用の入出力部等は光通信モジュールとして一体化された光学装置が用いられている。
【０００３】
このような光学装置では、半導体レーザの発光部と光ファイバを取り付ける受光部との間にコリメートレンズや集光レンズなどの光学素子を用いて、高い結合効率で半導体レーザからのビームを光ファイバに結合させる。一般的に、半導体レーザの発光部の大きさは数μｍ程度、伝送媒体である光ファイバのコア径は１０μｍ程度である。したがって、光学装置の組み立ては、発光部、光ファイバを取り付ける受光部、および必要な光学素子を、正確に位置合わせする必要がある。また、集光レンズの球面収差等により集光点のスポット径が大きくなると、受光部に位置するファイバ端面への光の結合効率が低下する。そのため、コリメートレンズや集光レンズに、光学面が光軸に回転対称の非球面レンズを用いて球面収差を補正している。
【０００４】
しかるに、半導体レーザのビームは発散光であり、発散角が一様ではない。図８に示すように、通常の半導体レーザ１５５は、ダイオード構造の薄い活性層領域から横方向にビームが出射され、活性層の層方向（平行方向）とそれに直交する方向（垂直方向）で発散角が異なり、ビーム断面形状１５２は上記垂直方向を長軸とする楕円状になる。
【０００５】
このビーム形状のままで光ファイバに入射すると、光ファイバのコア径に入らなかったりするためにロスを生じて、結合効率が低下してしまう。そこで、プリズムやシリンドリカルレンズ等のビーム補正用光学素子をビーム光路に挿入して、ビーム形状を補正することがおこなわれた。たとえば、特許文献１にはコリメートレンズまたは集光レンズとシリンダーレンズ（シリンドリカルレンズ）を一体に保持した光学装置が開示されている。
【０００６】
一方、近年の通信技術の発展により、一定間隔で波長が異なる複数の光信号を１本の光ファイバで伝送するＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）やＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が使用されている。このような多重方式では、波長がずれて他チャンネルの波長に干渉する通信障害を生じないように、高い波長安定性が必要になる。
【０００７】
波長を安定させるために、発光部の発光波長をモニターして発振波長を調整する光学装置が使用されている。また、受光部では異なる波長での干渉を防止するために、波長帯域の狭い波長フィルタによって、特定の波長だけを透過させて受信させることがおこなわれている。
【０００８】
また、このような光通信用の光学装置には、送受信を１本の光ファイバでおこなう双方向通信モジュールがある。たとえば、特許文献２に、発光側レンズと光ファイバ側レンズとの間の光路を平行光とした一芯双方向光通信モジュールが開示されている。図９に示すように、発光側レンズ１１０と光ファイバ側レンズ１２０との間の光路をほぼ平行光となるようにしている。このように、レンズ間を略平行光の光路としたことによって、光路に挿入された光アイソレータ１３１や光学フィルタ１３２へのビーム入射角度が一定であり、発生する収差を低減できるので、結合効率を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−３３３２４５号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、発光部１５０が半導体レーザで、そのビーム断面形状が楕円状の場合には、図９の構成で高い結合効率を得ることができず、特許文献１のように半導体レーザのビーム形状を補正するビーム補正用光学素子を追加する必要がある。発光側レンズ１１０と光ファイバ側レンズ１２０との間の光路に、ビーム補正用光学素子を挿入すると、光軸調整の必要な光学素子が増加するために、各光学素子の光軸調整が困難になり、かえって結合効率が低下してしまう問題があった。
【００１１】
特許文献１ではビーム補正用光学素子を一体に保持することによって、光軸調整が困難になることを回避していたが、このようなビーム補正用光学素子を追加すると、その光学面での反射ロスが増加するうえに、光学装置の最適な光学長が増大してしまう。したがって、コスト増加や光学装置全体の大型化などの問題があり、さらなる改善が検討されていた。
【００１２】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザのビームを、２枚の光学素子間で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部に集光することが可能な光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記課題を解決するため、半導体レーザのビームを出射する発光部と、前記発光部から出射されたビームが集光して結合する受光部と、前記発光部と前記受光部の間に配置された発光部側光学素子と、前記発光部側光学素子と前記受光部の間に配置された受光部側光学素子を有し、前記ビームが前記発光部側光学素子と前記受光部側光学素子との間では略平行光である光学装置において、前記発光部側光学素子は、前記ビームが入射する側にある第１の光学面と、他方の側にある第２の光学面と、が形成されていて、前記受光部側光学素子は、前記ビームが入射する側にある第３の光学面と、他方の側にある第４の光学面と、が形成されていて、前記第２の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、前記第３の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、前記第４の光学面がシリンドリカル面である、ことを特徴とする。
【００１４】
より具体的には、第２の光学面は発光部から出射された半導体レーザの発散ビームを平行光と見なせるビームに収束させて、第２の光学面と第３の光学面との間で略平行光のビームを得るものであり、第３の光学面は前記略平行光のビームを受光部に集光するように収束させるものであり、第４の光学面は半導体ビーム形状を真円に近づけるように整形するものである。
【００１５】
こうすれば、第２の光学面と第３の光学面との間で略平行光のビームが得られるとともに、第２の光学面と第３の光学面は球面収差が補正でき、さらに第４の光学面でビーム形状を補正することが、２枚レンズの光学系において実現できる。したがって、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザのビームを、２枚の光学素子間で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部に集光することが可能である。
【００１６】
さらに、第１の光学面はシリンドリカル面である、ことが好ましい。こうすれば、第１の光学面と第４の光学面によって、収差を大きくすることなくビーム形状が補正できるので、結合効率を向上できる。
【００１７】
とくに、第１の光学面が凸のシリンドリカル面であるとともに、第４の光学面が凹のシリンドリカル面であることが好適である。こうすれば、第１の光学面でビーム形状を補正し、第４の光学面で非点収差を抑制できるので、受光部に集光するビーム形状は直径が小さい円状となり、結合効率をさらに向上することができる。また、第１の光学面と第４の光学面との間隔に対応して、これに必要なレンズの曲率半径を大きくすることができる。
【００１８】
また、第１の光学面が凹のシリンドリカル面であるとともに、第４の光学面が凸のシリンドリカル面である、こともできる。こうすれば、第１の光学面でビーム形状を補正し、第４の光学面で非点収差を抑制できるので、結合効率を向上することができる。また、第１の光学面と第４の光学面との間隔に対応して、これに必要なレンズの曲率半径を大きくすることができる。
【００１９】
さらに、本発明の光学装置は、前記発光部側光学素子と前記受光部側光学素子との間の光路上に配置される第３の光学素子を有する、ことが好適である。
【００２０】
このとき、発光部から出射された半導体レーザのビームは発光部側光学素子のコリメート作用によって、発光部側光学素子と受光部側光学素子との間で略平行光になっている。これにより、第３の光学素子は略平行光の光路上に配置されているので、第３の光学素子に入射するビームの入射角度が面内で一定である。第３の光学素子として、ビーム整形機能のみを有する光学素子を除き、特に限定されない。こうすれば、第３の光学素子を配置しても結合効率を低下させることがなく、高い結合効率で集光することが可能な光学装置を実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光学装置によれば、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザのビームを、２枚の光学素子間で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部に集光できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態における光学装置の模式断面図である。
【図２】第１の実施形態における発光部側光学素子及び受光部側光学素子を説明するための模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】第１の実施形態における発光部側光学素子及び受光部側光学素子の変形例を示す模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】第２の実施形態における発光部側光学素子及び受光部側光学素子を説明するための模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】第２の実施形態における発光部側光学素子及び受光部側光学素子の変形例を示す模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】第３の実施形態における光学装置の模式断面図である。
【図７】第４の実施形態における光学装置の模式断面図である。
【図８】半導体レーザのビーム形状を示す模式図である。
【図９】従来の光学装置の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜第１の実施形態＞
本発明の実施形態について、図面に沿って詳細に説明する。図１は第１の実施形態における光学装置１の模式断面図であり、図２は第１の実施形態における発光部側光学素子１０及び受光部側光学素子２０を説明するための模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。なお、説明上、光軸８０方向をＺ軸、これに直交する軸をＸ軸及びＹ軸とし、水平面をＸ−Ｚ面、垂直面をＹ−Ｚ面と定義する。
【００２４】
図１に示すように、光学装置１は発光部５０と受光部６０との間に、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０とが光軸８０に一致するように配置される。発光部５０には半導体レーザ５５を用い、半導体レーザ５５は半導体レーザ固定台５６に固定されている。発光部側光学素子１０は角型の外形を有し、基板９０に面実装すれば位置調整が容易にできる。半導体レーザ固定台５６及び発光部側光学素子１０は基板９０で光軸８０と焦点の位置合わせがおこなわれてから固定される。これによって、半導体レーザ５５から出射されたビーム５１は平行光と見なせる略平行光のビーム状態に調整されている。
【００２５】
なお、「略平行光」とは、光軸８０に対する角度が０度〜２度程度のほぼ平行光のビーム状態を意味している。これには、弱い収束ビーム及び弱い発散ビームのビーム状態が含まれる。光軸８０に対するこの程度の角度であれば、光学設計上は平行光として見なせる。
【００２６】
このビーム５１は受光部側光学素子２０で集光されて受光部６０に結合する。本明細書において、受光部６０は光学装置１内の空間位置を定義したものである。図１に示すように、受光部６０に一致するようにファイバ取り付け部７５にガイドされて光ファイバ７０を取り付けることができ、光ファイバ７０を伝送媒体とした光通信が可能になっている。ただし、光学装置１は光ファイバ７０を含まない。
【００２７】
発光部側光学素子１０は、ビーム５１が入射する側にある第１の光学面１０ａと、他方の側にある第２の光学面１０ｂとを有する。
【００２８】
受光部側光学素子２０は、ビーム５１が入射する側にある第３の光学面２０ａと、他方の側にある第４の光学面２０ｂとを有する。
【００２９】
第２の光学面１０ｂと第３の光学面２０ａとは、光軸８０を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、第２の光学面１０ｂのコリメートレンズ作用及び第３の光学面２０ａの集光レンズ作用における球面収差が補正されており、両光学面の中央付近を通過する光と外周付近を通過する光との焦点位置が一致する。これにより、受光部６０での結合効率が向上している。
【００３０】
これだけでは、半導体レーザ５５のビーム５１は発散角が一様ではない発散光なので、受光部６０の焦点面におけるビーム形状はダイオード構造の薄い活性層と垂直の方向を長軸とする楕円状になり、光ファイバ７０のコアに対して受光部６０での結合効率が低下する。
【００３１】
本実施形態では、受光部側光学素子２０の第４の光学面２０ｂを、シリンドリカル面にしているので、ビーム５１の断面形状を受光部６０で円状になるように補正することができる。したがって、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザ５５のビーム５１を、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との２枚の光学素子間の光路で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部６０に集光することが可能である。
【００３２】
これについて、図２を参照して説明する。図２に示すように、発光部側光学素子１０の第２の光学面１０ｂはビーム５１が平行光と見なせるビーム状態に調整するコリメートレンズ作用を有する。ビーム５１は発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光であり、半導体レーザ５５のビーム形状は補正されていない。ビーム５１は受光部側光学素子２０の第３の光学面２０ａで受光部６０に集光する屈折作用を受ける。これらの第１の光学面１０ｂ及び第３の光学面２０ａは非球面であり、球面収差を補正している。
【００３３】
受光部側光学素子２０の第４の光学面２０ｂは凹のシリンドリカル面であり、シリンドリカル面の母線に垂直な方向に凹レンズ作用を有する。このため、Ｙ−Ｚ面では第３の光学面２０ａでの屈折作用を弱めて焦点距離を長くするように機能する。したがって、受光部側光学素子２０はＸ−Ｚ面とＹ−Ｚ面で異なる焦点位置に集光し、受光部６０の位置では円状のビーム形状となるように位置調整することが可能である。
【００３４】
たとえば、整形していないときのビーム形状が楕円で長径（Ｙ方向）が短径（Ｘ方向）の２倍、すなわちビーム発散角倍率が２倍の半導体レーザ５５を用いた光学装置１は、発光部側光学素子１０が焦点距離０．４１６７ｍｍ、ＮＡ０．４、受光部側光学素子２０が焦点距離０．５ｍｍ、ＮＡ０．４であれば、第４の光学面２０ｂが平面の場合の結合効率は８７％であった。このとき、第４の光学面２０ｂを凹のシリンドリカル面としてＹ−Ｚ面の焦点距離を０．６ｍｍに変化させて、受光部６０のＺ方向位置を＋０．０２７ｍｍずらした場合の結合効率は９１．２８％が得られた。すなわち、光学素子数を増加させることなく、結合効率を約４％向上させることができた。
【００３５】
図３は、第１の実施形態における発光部側光学素子１０及び受光部側光学素子２０の変形例を示す模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０の第３の光学面２０ａとは第１の実施形態と同じであり、第４の光学面２０ｂが凸のシリンドリカル面であることが異なっている。これにより、シリンドリカル面の母線に垂直な方向に凸レンズ作用を有する。このため、Ｘ−Ｚ面では第３の光学面２０ａでの屈折作用を強めて焦点距離を短くするように機能する。なお、第１の実施形態と第１の実施形態の変形例では、焦点位置が同じではないので、配置を調整するか、または第３の光学面２０ａの設計を変更して製作する。
【００３６】
こうすれば、第１の実施形態と同様に、受光部側光学素子２０はＸ−Ｚ面とＹ−Ｚ面で異なる焦点位置に集光し、受光部６０の位置では円状のビーム形状となるように位置調整することが可能である。したがって、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザ５５のビーム５１を、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部６０に集光することが可能である。
【００３７】
＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態における発光部側光学素子１０及び受光部側光学素子２０を説明するための模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【００３８】
図４に示すように、発光部側光学素子１０の第２の光学面１０ｂはビーム５１が平行光と見なせるビーム状態に調整するコリメートレンズ作用を有する。ビーム５１は発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光である。ビーム５１は受光部側光学素子２０の第３の光学面２０ａで受光部６０に集光する屈折作用を受ける。第２の光学面１０ｂ及び第３の光学面２０ａは非球面であり、球面収差を補正している。
【００３９】
発光部側光学素子１０の第１の光学面１０ａは凸のシリンドリカル面であり、受光部側光学素子２０の第４の光学面２０ｂは凹のシリンドリカル面である。第１の光学面１０ａはＹ−Ｚ面でビーム５１の広がりを補正し、第２の光学面１０ｂが発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光に調整するので、略平行光であるとともにビーム形状が円状のビーム５１を得ることができる。いっぽう、第１の光学面１０ａの光学作用によって焦点位置がずれる非点収差を生じるが、第４の光学面２０ｂは非点収差が抑制されるようにＹ−Ｚ面の焦点位置を補正している。すなわち、第１の光学面１０ａと第４の光学面２０ｂのシリンドリカル曲率半径を変え、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間隔に対応して適正な曲率半径の比率にする。
【００４０】
たとえば、ビーム形状が楕円で長径（Ｙ方向）が短径（Ｘ方向）の２倍である半導体レーザ５５を用いた光学装置１は、発光部側光学素子１０が焦点距離０．４１６７ｍｍ、ＮＡ０．４、受光部側光学素子２０が焦点距離０．５ｍｍ、ＮＡ０．４であれば、第４の光学面２０ｂが平面の場合の結合効率は８７％であった。このとき、第１の光学面１０ａを凸のシリンドリカル面としてＹ−Ｚ面の焦点距離を０．３５８５ｍｍに変化させ、第４の光学面２０ｂを凹のシリンドリカル面としてＹ−Ｚ面の焦点距離を０．６５ｍｍに変化させた場合に、非点収差が抑制され、結合効率は９７．６％が得られた。すなわち、光学素子数を増加させることなく、結合効率を約１０％向上させることができた。
【００４１】
こうすれば、非点収差を補正していない場合に比べ、結合効率をさらに向上することができる。また、第１の光学面１０ａと第４の光学面２０ｂとの間隔に対応して、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間にビーム整形レンズを配置する場合に比べ、ビーム整形に必要なレンズの曲率半径を大きくすることができ、また、光学長を増大させることなく光学装置１内に配置できる。
【００４２】
したがって、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザ５５のビーム５１を、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部６０に集光することが可能である。
【００４３】
図５は、第２の実施形態における発光部側光学素子１０及び受光部側光学素子２０の変形例を示す模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。発光部側光学素子１０の第２の光学面１０ｂと受光部側光学素子２０の第３の光学面２０ａとは第２の実施形態と同じであり、発光部側光学素子１０の第１の光学面１０ａは凹のシリンドリカル面であること、及び、受光部側光学素子２０の第４の光学面２０ｂは凸のシリンドリカル面であること、が異なっている。
【００４４】
第１の光学面１０ａはＸ−Ｚ面でビーム５１の広がりを補正し、第２の光学面１０ｂが発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光に調整するので、略平行光であるとともにビーム形状が円状のビーム５１を得ることができる。いっぽう、第１の光学面１０ａの光学作用によって焦点位置がずれる非点収差を生じるが、第４の光学面２０ｂは非点収差が抑制されるようにＸ−Ｚ面の焦点位置を補正している。したがって、非点収差を補正していない場合に比べ、結合効率をさらに向上することができる。また、ビーム整形に必要なレンズの曲率半径を大きくすることができ、光学長を増大させることなく光学装置１内に配置できる。
【００４５】
したがって、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザ５５のビーム５１を、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部６０に集光することが可能である。
【００４６】
＜第３の実施形態＞
図６は、第３の実施形態における光学装置１の模式断面図である。図６に示すように、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路に、第３の光学素子３０としてアイソレータ３１及びビームスプリッタ３２を配置している。このように、第３の光学素子３０については単体でなく複数個であってもよく、ビーム整形機能のみを有する光学素子を除き、光学機能の種類及び配置個数は限定されない。
【００４７】
本実施形態では、発光部５０の半導体レーザ５５の発光波長と異なる波長の受信光が光ファイバ７０を伝送媒体として光学装置１に入射し、ビームスプリッタ３２によって反射して受信部側光学素子４１及び波長選択フィルタ４２を介してフォトダイオード４０に到達する。すなわち、受光部側光学素子２０と受信部側光学素子４１とによって受光部６０とフォトダイオード４０とが結合している。フォトダイオード４０は受光面積が大きいので、光ファイバ７０に比べてビーム径及びビーム形状への要求が緩く、第４の光学面２０ｂがシリンドリカル面であることの影響は受けない。
【００４８】
いっぽう、アイソレータ３１は不要な反射光が半導体レーザ５５に戻ってくることを防止する。また、ビームスプリッタ３２は半導体レーザ５５のビームに影響せず、そのまま透過させる。したがって、半導体レーザ５５のビーム５１はアイソレータ３１及びビームスプリッタ３２を透過し、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０とよって受光部６０に結合されている。これにより、光ファイバ７０を伝送媒体とした送信が可能である。
【００４９】
こうして、本実施形態の光学装置１は一芯双方向光通信モジュールとして、光通信における受信と送信をおこなうことができる。
【００５０】
本実施形態において、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路でビーム５１は略平行光である。こうすれば、光軸８０に対する角度が０度〜２度程度のほぼ平行光のビーム状態（略平行光）であり、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２に入射するビーム５１の入射角度が面内でほぼ一定であるので、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２は設計性能が発揮できるとともに、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２を配置することによる光学的な悪影響が低減される。したがって、第３の光学素子３０を配置しても結合効率を低下させることがなく、高い結合効率で集光することが可能な光学装置１を実現できる。
【００５１】
＜第４の実施形態＞
図７は、第４の実施形態における光学装置１の模式断面図である。図７に示すように、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路に、第３の光学素子３０としてビームスプリッタ３２及びアイソレータ３１を配置している。本実施形態の光学装置１は、半導体レーザ５５が波長を可変できるチューナブルレーザである場合に好適である。なお、図７では、チューナブルレーザを構成するための半導体レーザ５５の詳細は省略している。
【００５２】
半導体レーザ５５のビーム５１は発光部側光学素子１０によって略平行光に調整されて、ビームスプリッタ３２に入射する。ビームスプリッタ３２で反射された分岐光は受信部側光学素子４１を介してフォトダイオード４０に到達し、半導体レーザ５５のビーム５１をモニターする。ビームスプリッタ３２を透過した透過光はアイソレータ３１及び受光部側光学素子２０を介して受光部６０に結合され、光ファイバ７０を伝送媒体とした送信が可能である。
【００５３】
本実施形態において、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路でビーム５１は略平行光である。こうすれば、光軸８０に対する角度が０度〜２度程度のほぼ平行光のビーム状態（略平行光）であり、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２に入射するビーム５１の入射角度が面内でほぼ一定であるので、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２は設計性能が発揮できるとともに、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２を配置することによる光学的な悪影響が低減できる。したがって、第３の光学素子３０を配置しても結合効率を低下させることがなく、受光部６０に高い結合効率で集光することが可能な光学装置１を実現できる。
【００５４】
第３の実施形態及び第４の実施形態と同様の結合効率を得るために、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路に第３の光学素子３０とビーム補正用光学素子とを配置しようとすると、ビーム補正用光学素子のサイズと必要な光学長の増大によって光学装置１全体をより大きくしなければならない。
【００５５】
したがって、第３の実施形態及び第４の実施形態において、光学装置１を小型化したままで装置性能を向上させることが可能である。また、第３の光学素子３０が他の光学機能を有する光学素子であってもよい。
【００５６】
なお、第１の実施形態〜第４の実施形態において、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０とは、ガラスレンズ用の硝材をプレス成形して製作した。成形レンズは公知の製造方法で製作できるが、第１の光学面１０ａと第２の光学面１０ｂ、第３の光学面２０ａと第４の光学面２０ｂは、それぞれの偏心に充分注意して形成した。ガラスレンズでなく、プラスチックレンズで成形してもよいし、他の製造方法で製作してもよい。
【００５７】
なお、光学装置１は光ファイバ７０を含まないが、光学装置１に光ファイバ７０が固定されていても何ら差し支えない。
【００５８】
以上の詳細において、半導体レーザ５５の発光点が点でないために生じる「非点隔差」は無視した説明にしていたが、実用上は非点収差の補正において非点隔差を考慮していれば、非点隔差を含めた収差の補正が可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１、１００ 光学装置
１０発光部側光学素子
１０ａ 第１の光学面
１０ｂ 第２の光学面
２０ 受光部側光学素子
２０ａ 第３の光学面
２０ｂ 第４の光学面
３０ 第３の光学素子
３１、１３１ アイソレータ
３２ ビームスプリッタ
４０、１４０ フォトダイオード
４１、１４１ 受信部側光学素子
４２、１４２ 波長選択フィルタ
５０、１５０ 発光部
５１ ビーム
５５、１５５ 半導体レーザ
５６ 半導体レーザ固定台
６０ 受光部
７０、１７０ 光ファイバ
７５ ファイバ取り付け部
８０ 光軸
９０ 基板
９５ ハウジング
１１０ 発光側レンズ（発光部側光学素子）
１２０ 光ファイバ側レンズ（受光部側光学素子）
１３２ 光学フィルタ（ビームスプリッタ）
１５２ ビーム断面形状
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザを発光部としたビームを集光する光学装置に関し、とくに２枚の光学素子間の光路では平行光が得られるとともに高い結合効率で集光することが可能な光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを伝送媒体、半導体レーザを光源として、光通信は広く普及している。光通信において、通信端末からの電気信号は光信号に変換されて送信され、伝送媒体を経て受信された光信号が電気信号に復元される。送信用や中継用の入出力部もしくは受信用の入出力部等は光通信モジュールとして一体化された光学装置が用いられている。
【０００３】
このような光学装置では、半導体レーザの発光部と光ファイバを取り付ける受光部との間にコリメートレンズや集光レンズなどの光学素子を用いて、高い結合効率で半導体レーザからのビームを光ファイバに結合させる。一般的に、半導体レーザの発光部の大きさは数μｍ程度、伝送媒体である光ファイバのコア径は１０μｍ程度である。したがって、光学装置の組み立ては、発光部、光ファイバを取り付ける受光部、および必要な光学素子を、正確に位置合わせする必要がある。また、集光レンズの球面収差等により集光点のスポット径が大きくなると、受光部に位置するファイバ端面への光の結合効率が低下する。そのため、コリメートレンズや集光レンズに、光学面が光軸に回転対称の非球面レンズを用いて球面収差を補正している。
【０００４】
しかるに、半導体レーザのビームは発散光であり、発散角が一様ではない。図８に示すように、通常の半導体レーザ１５５は、ダイオード構造の薄い活性層領域から横方向にビームが出射され、活性層の層方向（平行方向）とそれに直交する方向（垂直方向）で発散角が異なり、ビーム断面形状１５２は上記垂直方向を長軸とする楕円状になる。
【０００５】
このビーム形状のままで光ファイバに入射すると、光ファイバのコア径に入らなかったりするためにロスを生じて、結合効率が低下してしまう。そこで、プリズムやシリンドリカルレンズ等のビーム補正用光学素子をビーム光路に挿入して、ビーム形状を補正することがおこなわれた。たとえば、特許文献１にはコリメートレンズまたは集光レンズとシリンダーレンズ（シリンドリカルレンズ）を一体に保持した光学装置が開示されている。
【０００６】
一方、近年の通信技術の発展により、一定間隔で波長が異なる複数の光信号を１本の光ファイバで伝送するＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）やＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が使用されている。このような多重方式では、波長がずれて他チャンネルの波長に干渉する通信障害を生じないように、高い波長安定性が必要になる。
【０００７】
波長を安定させるために、発光部の発光波長をモニターして発振波長を調整する光学装置が使用されている。また、受光部では異なる波長での干渉を防止するために、波長帯域の狭い波長フィルタによって、特定の波長だけを透過させて受信させることがおこなわれている。
【０００８】
また、このような光通信用の光学装置には、送受信を１本の光ファイバでおこなう双方向通信モジュールがある。たとえば、特許文献２に、発光側レンズと光ファイバ側レンズとの間の光路を平行光とした一芯双方向光通信モジュールが開示されている。図９に示すように、発光側レンズ１１０と光ファイバ側レンズ１２０との間の光路をほぼ平行光となるようにしている。このように、レンズ間を略平行光の光路としたことによって、光路に挿入された光アイソレータ１３１や光学フィルタ１３２へのビーム入射角度が一定であり、発生する収差を低減できるので、結合効率を向上することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−３３３２４５号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、発光部１５０が半導体レーザで、そのビーム断面形状が楕円状の場合には、図９の構成で高い結合効率を得ることができず、特許文献１のように半導体レーザのビーム形状を補正するビーム補正用光学素子を追加する必要がある。発光側レンズ１１０と光ファイバ側レンズ１２０との間の光路に、ビーム補正用光学素子を挿入すると、光軸調整の必要な光学素子が増加するために、各光学素子の光軸調整が困難になり、かえって結合効率が低下してしまう問題があった。
【００１１】
特許文献１ではビーム補正用光学素子を一体に保持することによって、光軸調整が困難になることを回避していたが、このようなビーム補正用光学素子を追加すると、その光学面での反射ロスが増加するうえに、光学装置の最適な光学長が増大してしまう。したがって、コスト増加や光学装置全体の大型化などの問題があり、さらなる改善が検討されていた。
【００１２】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザのビームを、２枚の光学素子間で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部に集光することが可能な光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記課題を解決するため、半導体レーザのビームを出射する発光部と、前記発光部から出射されたビームが集光して結合する受光部と、前記発光部と前記受光部の間に配置された発光部側光学素子と、前記発光部側光学素子と前記受光部の間に配置された受光部側光学素子を有し、前記ビームが前記発光部側光学素子と前記受光部側光学素子との間では略平行光である光学装置において、前記発光部側光学素子は、前記ビームが入射する側にある第１の光学面と、他方の側にある第２の光学面と、が形成されていて、前記受光部側光学素子は、前記ビームが入射する側にある第３の光学面と、他方の側にある第４の光学面と、が形成されていて、前記第２の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、前記第３の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、前記第４の光学面がシリンドリカル面である、ことを特徴とする。
【００１４】
より具体的には、第２の光学面は発光部から出射された半導体レーザの発散ビームを平行光と見なせるビームに収束させて、第２の光学面と第３の光学面との間で略平行光のビームを得るものであり、第３の光学面は前記略平行光のビームを受光部に集光するように収束させるものであり、第４の光学面は半導体ビーム形状を真円に近づけるように整形するものである。
【００１５】
こうすれば、第２の光学面と第３の光学面との間で略平行光のビームが得られるとともに、第２の光学面と第３の光学面は球面収差が補正でき、さらに第４の光学面でビーム形状を補正することが、２枚レンズの光学系において実現できる。したがって、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザのビームを、２枚の光学素子間で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部に集光することが可能である。
【００１６】
さらに、第１の光学面はシリンドリカル面である、ことが好ましい。こうすれば、第１の光学面と第４の光学面によって、収差を大きくすることなくビーム形状が補正できるので、結合効率を向上できる。
【００１７】
とくに、第１の光学面が凸のシリンドリカル面であるとともに、第４の光学面が凹のシリンドリカル面であることが好適である。こうすれば、第１の光学面でビーム形状を補正し、第４の光学面で非点収差を抑制できるので、受光部に集光するビーム形状は直径が小さい円状となり、結合効率をさらに向上することができる。また、第１の光学面と第４の光学面との間隔に対応して、これに必要なレンズの曲率半径を大きくすることができる。
【００１８】
また、第１の光学面が凹のシリンドリカル面であるとともに、第４の光学面が凸のシリンドリカル面である、こともできる。こうすれば、第１の光学面でビーム形状を補正し、第４の光学面で非点収差を抑制できるので、結合効率を向上することができる。また、第１の光学面と第４の光学面との間隔に対応して、これに必要なレンズの曲率半径を大きくすることができる。
【００１９】
さらに、本発明の光学装置は、前記発光部側光学素子と前記受光部側光学素子との間の光路上に配置される第３の光学素子を有する、ことが好適である。
【００２０】
このとき、発光部から出射された半導体レーザのビームは発光部側光学素子のコリメート作用によって、発光部側光学素子と受光部側光学素子との間で略平行光になっている。これにより、第３の光学素子は略平行光の光路上に配置されているので、第３の光学素子に入射するビームの入射角度が面内で一定である。第３の光学素子として、ビーム整形機能のみを有する光学素子を除き、特に限定されない。こうすれば、第３の光学素子を配置しても結合効率を低下させることがなく、高い結合効率で集光することが可能な光学装置を実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光学装置によれば、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザのビームを、２枚の光学素子間で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部に集光できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態における光学装置の模式断面図である。
【図２】第１の実施形態における発光部側光学素子及び受光部側光学素子を説明するための模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】第１の実施形態における発光部側光学素子及び受光部側光学素子の変形例を示す模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】第２の実施形態における発光部側光学素子及び受光部側光学素子を説明するための模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】第２の実施形態における発光部側光学素子及び受光部側光学素子の変形例を示す模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】第３の実施形態における光学装置の模式断面図である。
【図７】第４の実施形態における光学装置の模式断面図である。
【図８】半導体レーザのビーム形状を示す模式図である。
【図９】従来の光学装置の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜第１の実施形態＞
本発明の実施形態について、図面に沿って詳細に説明する。図１は第１の実施形態における光学装置１の模式断面図であり、図２は第１の実施形態における発光部側光学素子１０及び受光部側光学素子２０を説明するための模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。なお、説明上、光軸８０方向をＺ軸、これに直交する軸をＸ軸及びＹ軸とし、水平面をＸ−Ｚ面、垂直面をＹ−Ｚ面と定義する。
【００２４】
図１に示すように、光学装置１は発光部５０と受光部６０との間に、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０とが光軸８０に一致するように配置される。発光部５０には半導体レーザ５５を用い、半導体レーザ５５は半導体レーザ固定台５６に固定されている。発光部側光学素子１０は角型の外形を有し、基板９０に面実装すれば位置調整が容易にできる。半導体レーザ固定台５６及び発光部側光学素子１０は基板９０で光軸８０と焦点の位置合わせがおこなわれてから固定される。これによって、半導体レーザ５５から出射されたビーム５１は平行光と見なせる略平行光のビーム状態に調整されている。
【００２５】
なお、「略平行光」とは、光軸８０に対する角度が０度〜２度程度のほぼ平行光のビーム状態を意味している。これには、弱い収束ビーム及び弱い発散ビームのビーム状態が含まれる。光軸８０に対するこの程度の角度であれば、光学設計上は平行光として見なせる。
【００２６】
このビーム５１は受光部側光学素子２０で集光されて受光部６０に結合する。本明細書において、受光部６０は光学装置１内の空間位置を定義したものである。図１に示すように、受光部６０に一致するようにファイバ取り付け部７５にガイドされて光ファイバ７０を取り付けることができ、光ファイバ７０を伝送媒体とした光通信が可能になっている。ただし、光学装置１は光ファイバ７０を含まない。
【００２７】
発光部側光学素子１０は、ビーム５１が入射する側にある第１の光学面１０ａと、他方の側にある第２の光学面１０ｂとを有する。
【００２８】
受光部側光学素子２０は、ビーム５１が入射する側にある第３の光学面２０ａと、他方の側にある第４の光学面２０ｂとを有する。
【００２９】
第２の光学面１０ｂと第３の光学面２０ａとは、光軸８０を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、第２の光学面１０ｂのコリメートレンズ作用及び第３の光学面２０ａの集光レンズ作用における球面収差が補正されており、両光学面の中央付近を通過する光と外周付近を通過する光との焦点位置が一致する。これにより、受光部６０での結合効率が向上している。
【００３０】
これだけでは、半導体レーザ５５のビーム５１は発散角が一様ではない発散光なので、受光部６０の焦点面におけるビーム形状はダイオード構造の薄い活性層と垂直の方向を長軸とする楕円状になり、光ファイバ７０のコアに対して受光部６０での結合効率が低下する。
【００３１】
本実施形態では、受光部側光学素子２０の第４の光学面２０ｂを、シリンドリカル面にしているので、ビーム５１の断面形状を受光部６０で円状になるように補正することができる。したがって、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザ５５のビーム５１を、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との２枚の光学素子間の光路で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部６０に集光することが可能である。
【００３２】
これについて、図２を参照して説明する。図２に示すように、発光部側光学素子１０の第２の光学面１０ｂはビーム５１が平行光と見なせるビーム状態に調整するコリメートレンズ作用を有する。ビーム５１は発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光であり、半導体レーザ５５のビーム形状は補正されていない。ビーム５１は受光部側光学素子２０の第３の光学面２０ａで受光部６０に集光する屈折作用を受ける。これらの第１の光学面１０ｂ及び第３の光学面２０ａは非球面であり、球面収差を補正している。
【００３３】
受光部側光学素子２０の第４の光学面２０ｂは凹のシリンドリカル面であり、シリンドリカル面の母線に垂直な方向に凹レンズ作用を有する。このため、Ｙ−Ｚ面では第３の光学面２０ａでの屈折作用を弱めて焦点距離を長くするように機能する。したがって、受光部側光学素子２０はＸ−Ｚ面とＹ−Ｚ面で異なる焦点位置に集光し、受光部６０の位置では円状のビーム形状となるように位置調整することが可能である。
【００３４】
たとえば、整形していないときのビーム形状が楕円で長径（Ｙ方向）が短径（Ｘ方向）の２倍、すなわちビーム発散角倍率が２倍の半導体レーザ５５を用いた光学装置１は、発光部側光学素子１０が焦点距離０．４１６７ｍｍ、ＮＡ０．４、受光部側光学素子２０が焦点距離０．５ｍｍ、ＮＡ０．４であれば、第４の光学面２０ｂが平面の場合の結合効率は８７％であった。このとき、第４の光学面２０ｂを凹のシリンドリカル面としてＹ−Ｚ面の焦点距離を０．６ｍｍに変化させて、受光部６０のＺ方向位置を＋０．０２７ｍｍずらした場合の結合効率は９１．２８％が得られた。すなわち、光学素子数を増加させることなく、結合効率を約４％向上させることができた。
【００３５】
図３は、第１の実施形態における発光部側光学素子１０及び受光部側光学素子２０の変形例を示す模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０の第３の光学面２０ａとは第１の実施形態と同じであり、第４の光学面２０ｂが凸のシリンドリカル面であることが異なっている。これにより、シリンドリカル面の母線に垂直な方向に凸レンズ作用を有する。このため、Ｘ−Ｚ面では第３の光学面２０ａでの屈折作用を強めて焦点距離を短くするように機能する。なお、第１の実施形態と第１の実施形態の変形例では、焦点位置が同じではないので、配置を調整するか、または第３の光学面２０ａの設計を変更して製作する。
【００３６】
こうすれば、第１の実施形態と同様に、受光部側光学素子２０はＸ−Ｚ面とＹ−Ｚ面で異なる焦点位置に集光し、受光部６０の位置では円状のビーム形状となるように位置調整することが可能である。したがって、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザ５５のビーム５１を、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部６０に集光することが可能である。
【００３７】
＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態における発光部側光学素子１０及び受光部側光学素子２０を説明するための模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【００３８】
図４に示すように、発光部側光学素子１０の第２の光学面１０ｂはビーム５１が平行光と見なせるビーム状態に調整するコリメートレンズ作用を有する。ビーム５１は発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光である。ビーム５１は受光部側光学素子２０の第３の光学面２０ａで受光部６０に集光する屈折作用を受ける。第２の光学面１０ｂ及び第３の光学面２０ａは非球面であり、球面収差を補正している。
【００３９】
発光部側光学素子１０の第１の光学面１０ａは凸のシリンドリカル面であり、受光部側光学素子２０の第４の光学面２０ｂは凹のシリンドリカル面である。第１の光学面１０ａはＹ−Ｚ面でビーム５１の広がりを補正し、第２の光学面１０ｂが発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光に調整するので、略平行光であるとともにビーム形状が円状のビーム５１を得ることができる。いっぽう、第１の光学面１０ａの光学作用によって焦点位置がずれる非点収差を生じるが、第４の光学面２０ｂは非点収差が抑制されるようにＹ−Ｚ面の焦点位置を補正している。すなわち、第１の光学面１０ａと第４の光学面２０ｂのシリンドリカル曲率半径を変え、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間隔に対応して適正な曲率半径の比率にする。
【００４０】
たとえば、ビーム形状が楕円で長径（Ｙ方向）が短径（Ｘ方向）の２倍である半導体レーザ５５を用いた光学装置１は、発光部側光学素子１０が焦点距離０．４１６７ｍｍ、ＮＡ０．４、受光部側光学素子２０が焦点距離０．５ｍｍ、ＮＡ０．４であれば、第４の光学面２０ｂが平面の場合の結合効率は８７％であった。このとき、第１の光学面１０ａを凸のシリンドリカル面としてＹ−Ｚ面の焦点距離を０．３５８５ｍｍに変化させ、第４の光学面２０ｂを凹のシリンドリカル面としてＹ−Ｚ面の焦点距離を０．６５ｍｍに変化させた場合に、非点収差が抑制され、結合効率は９７．６％が得られた。すなわち、光学素子数を増加させることなく、結合効率を約１０％向上させることができた。
【００４１】
こうすれば、非点収差を補正していない場合に比べ、結合効率をさらに向上することができる。また、第１の光学面１０ａと第４の光学面２０ｂとの間隔に対応して、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間にビーム整形レンズを配置する場合に比べ、ビーム整形に必要なレンズの曲率半径を大きくすることができ、また、光学長を増大させることなく光学装置１内に配置できる。
【００４２】
したがって、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザ５５のビーム５１を、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部６０に集光することが可能である。
【００４３】
図５は、第２の実施形態における発光部側光学素子１０及び受光部側光学素子２０の変形例を示す模式断面図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。発光部側光学素子１０の第２の光学面１０ｂと受光部側光学素子２０の第３の光学面２０ａとは第２の実施形態と同じであり、発光部側光学素子１０の第１の光学面１０ａは凹のシリンドリカル面であること、及び、受光部側光学素子２０の第４の光学面２０ｂは凸のシリンドリカル面であること、が異なっている。
【００４４】
第１の光学面１０ａはＸ−Ｚ面でビーム５１の広がりを補正し、第２の光学面１０ｂが発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光に調整するので、略平行光であるとともにビーム形状が円状のビーム５１を得ることができる。いっぽう、第１の光学面１０ａの光学作用によって焦点位置がずれる非点収差を生じるが、第４の光学面２０ｂは非点収差が抑制されるようにＸ−Ｚ面の焦点位置を補正している。したがって、非点収差を補正していない場合に比べ、結合効率をさらに向上することができる。また、ビーム整形に必要なレンズの曲率半径を大きくすることができ、光学長を増大させることなく光学装置１内に配置できる。
【００４５】
したがって、必要な光学素子数や光学長を増大させることなく、半導体レーザ５５のビーム５１を、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路で略平行光にするとともに、高い結合効率で受光部６０に集光することが可能である。
【００４６】
＜第３の実施形態＞
図６は、第３の実施形態における光学装置１の模式断面図である。図６に示すように、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路に、第３の光学素子３０としてアイソレータ３１及びビームスプリッタ３２を配置している。このように、第３の光学素子３０については単体でなく複数個であってもよく、ビーム整形機能のみを有する光学素子を除き、光学機能の種類及び配置個数は限定されない。
【００４７】
本実施形態では、発光部５０の半導体レーザ５５の発光波長と異なる波長の受信光が光ファイバ７０を伝送媒体として光学装置１に入射し、ビームスプリッタ３２によって反射して受信部側光学素子４１及び波長選択フィルタ４２を介してフォトダイオード４０に到達する。すなわち、受光部側光学素子２０と受信部側光学素子４１とによって受光部６０とフォトダイオード４０とが結合している。フォトダイオード４０は受光面積が大きいので、光ファイバ７０に比べてビーム径及びビーム形状への要求が緩く、第４の光学面２０ｂがシリンドリカル面であることの影響は受けない。
【００４８】
いっぽう、アイソレータ３１は不要な反射光が半導体レーザ５５に戻ってくることを防止する。また、ビームスプリッタ３２は半導体レーザ５５のビームに影響せず、そのまま透過させる。したがって、半導体レーザ５５のビーム５１はアイソレータ３１及びビームスプリッタ３２を透過し、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０とよって受光部６０に結合されている。これにより、光ファイバ７０を伝送媒体とした送信が可能である。
【００４９】
こうして、本実施形態の光学装置１は一芯双方向光通信モジュールとして、光通信における受信と送信をおこなうことができる。
【００５０】
本実施形態において、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路でビーム５１は略平行光である。こうすれば、光軸８０に対する角度が０度〜２度程度のほぼ平行光のビーム状態（略平行光）であり、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２に入射するビーム５１の入射角度が面内でほぼ一定であるので、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２は設計性能が発揮できるとともに、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２を配置することによる光学的な悪影響が低減される。したがって、第３の光学素子３０を配置しても結合効率を低下させることがなく、高い結合効率で集光することが可能な光学装置１を実現できる。
【００５１】
＜第４の実施形態＞
図７は、第４の実施形態における光学装置１の模式断面図である。図７に示すように、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路に、第３の光学素子３０としてビームスプリッタ３２及びアイソレータ３１を配置している。本実施形態の光学装置１は、半導体レーザ５５が波長を可変できるチューナブルレーザである場合に好適である。なお、図７では、チューナブルレーザを構成するための半導体レーザ５５の詳細は省略している。
【００５２】
半導体レーザ５５のビーム５１は発光部側光学素子１０によって略平行光に調整されて、ビームスプリッタ３２に入射する。ビームスプリッタ３２で反射された分岐光は受信部側光学素子４１を介してフォトダイオード４０に到達し、半導体レーザ５５のビーム５１をモニターする。ビームスプリッタ３２を透過した透過光はアイソレータ３１及び受光部側光学素子２０を介して受光部６０に結合され、光ファイバ７０を伝送媒体とした送信が可能である。
【００５３】
本実施形態において、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路でビーム５１は略平行光である。こうすれば、光軸８０に対する角度が０度〜２度程度のほぼ平行光のビーム状態（略平行光）であり、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２に入射するビーム５１の入射角度が面内でほぼ一定であるので、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２は設計性能が発揮できるとともに、アイソレータ３１及びビームスプリッタ３２を配置することによる光学的な悪影響が低減できる。したがって、第３の光学素子３０を配置しても結合効率を低下させることがなく、受光部６０に高い結合効率で集光することが可能な光学装置１を実現できる。
【００５４】
第３の実施形態及び第４の実施形態と同様の結合効率を得るために、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０との間の光路に第３の光学素子３０とビーム補正用光学素子とを配置しようとすると、ビーム補正用光学素子のサイズと必要な光学長の増大によって光学装置１全体をより大きくしなければならない。
【００５５】
したがって、第３の実施形態及び第４の実施形態において、光学装置１を小型化したままで装置性能を向上させることが可能である。また、第３の光学素子３０が他の光学機能を有する光学素子であってもよい。
【００５６】
なお、第１の実施形態〜第４の実施形態において、発光部側光学素子１０と受光部側光学素子２０とは、ガラスレンズ用の硝材をプレス成形して製作した。成形レンズは公知の製造方法で製作できるが、第１の光学面１０ａと第２の光学面１０ｂ、第３の光学面２０ａと第４の光学面２０ｂは、それぞれの偏心に充分注意して形成した。ガラスレンズでなく、プラスチックレンズで成形してもよいし、他の製造方法で製作してもよい。
【００５７】
なお、光学装置１は光ファイバ７０を含まないが、光学装置１に光ファイバ７０が固定されていても何ら差し支えない。
【００５８】
以上の詳細において、半導体レーザ５５の発光点が点でないために生じる「非点隔差」は無視した説明にしていたが、実用上は非点収差の補正において非点隔差を考慮していれば、非点隔差を含めた収差の補正が可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１、１００ 光学装置
１０発光部側光学素子
１０ａ 第１の光学面
１０ｂ 第２の光学面
２０ 受光部側光学素子
２０ａ 第３の光学面
２０ｂ 第４の光学面
３０ 第３の光学素子
３１、１３１ アイソレータ
３２ ビームスプリッタ
４０、１４０ フォトダイオード
４１、１４１ 受信部側光学素子
４２、１４２ 波長選択フィルタ
５０、１５０ 発光部
５１ ビーム
５５、１５５ 半導体レーザ
５６ 半導体レーザ固定台
６０ 受光部
７０、１７０ 光ファイバ
７５ ファイバ取り付け部
８０ 光軸
９０ 基板
９５ ハウジング
１１０ 発光側レンズ（発光部側光学素子）
１２０ 光ファイバ側レンズ（受光部側光学素子）
１３２ 光学フィルタ（ビームスプリッタ）
１５２ ビーム断面形状
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザのビームを出射する発光部と、
前記発光部から出射されたビームが集光して結合する受光部と、
前記発光部と前記受光部の間に配置された発光部側光学素子と、
前記発光部側光学素子と前記受光部の間に配置された受光部側光学素子を有し、
前記ビームが前記発光部側光学素子と前記受光部側光学素子との間では略平行光である光学装置において、
前記発光部側光学素子は、前記ビームが入射する側にある第１の光学面と、他方の側にある第２の光学面と、が形成されていて、
前記受光部側光学素子は、前記ビームが入射する側にある第３の光学面と、他方の側にある第４の光学面と、が形成されていて、
前記第２の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、
前記第３の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、
前記第４の光学面がシリンドリカル面である、
ことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記第１の光学面はシリンドリカル面であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記第１の光学面が凸のシリンドリカル面であるとともに、前記第４の光学面が凹のシリンドリカル面であることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記第１の光学面が凹のシリンドリカル面であるとともに、前記第４の光学面が凸のシリンドリカル面であることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項５】
前記発光部側光学素子と前記受光部側光学素子との間の光路上に配置される第３の光学素子を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光学装置。
【請求項１】
半導体レーザのビームを出射する発光部と、
前記発光部から出射されたビームが集光して結合する受光部と、
前記発光部と前記受光部の間に配置された発光部側光学素子と、
前記発光部側光学素子と前記受光部の間に配置された受光部側光学素子を有し、
前記ビームが前記発光部側光学素子と前記受光部側光学素子との間では略平行光である光学装置において、
前記発光部側光学素子は、前記ビームが入射する側にある第１の光学面と、他方の側にある第２の光学面と、が形成されていて、
前記受光部側光学素子は、前記ビームが入射する側にある第３の光学面と、他方の側にある第４の光学面と、が形成されていて、
前記第２の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、
前記第３の光学面が光軸を中心として回転対称かつ凸の非球面であり、
前記第４の光学面がシリンドリカル面である、
ことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記第１の光学面はシリンドリカル面であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記第１の光学面が凸のシリンドリカル面であるとともに、前記第４の光学面が凹のシリンドリカル面であることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記第１の光学面が凹のシリンドリカル面であるとともに、前記第４の光学面が凸のシリンドリカル面であることを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項５】
前記発光部側光学素子と前記受光部側光学素子との間の光路上に配置される第３の光学素子を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１３３１９１（Ｐ２０１２−１３３１９１Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８５９９６（Ｐ２０１０−２８５９９６）
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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