JPH03172801A - 光結合用レンズ - Google Patents
光結合用レンズInfo
- Publication number
- JPH03172801A JPH03172801A JP31060389A JP31060389A JPH03172801A JP H03172801 A JPH03172801 A JP H03172801A JP 31060389 A JP31060389 A JP 31060389A JP 31060389 A JP31060389 A JP 31060389A JP H03172801 A JPH03172801 A JP H03172801A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- lens
- optical
- semiconductor laser
- face
- optical fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- Lenses (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光源と光回路の間に配置され、光源の光信号
を光回路に低結合損失で結合するための光結合用レンズ
に関する。
を光回路に低結合損失で結合するための光結合用レンズ
に関する。
従来の光結合用レンズとしては種々のものが提案されて
いるが、低結合損失でレンズ構成の簡単な例として第４
図に示すように１個の非球面レンズを用いた構成が知ら
れている。
いるが、低結合損失でレンズ構成の簡単な例として第４
図に示すように１個の非球面レンズを用いた構成が知ら
れている。
第４図において、■は光源としての光半導体レーザ（Ｌ
Ｄ） 、２は光半導体レーザ１から出射するレーザ光の
光軸Ｓ上に配置された非球面レンズ、３は非球面レンズ
２の出射側に配置された単一モード光ファイバである。
Ｄ） 、２は光半導体レーザ１から出射するレーザ光の
光軸Ｓ上に配置された非球面レンズ、３は非球面レンズ
２の出射側に配置された単一モード光ファイバである。
ここで光半導体レーザ１から出射したレーザ光は非球面
レンズ２により集束され単一モード光ファイバ３に結合
される。
レンズ２により集束され単一モード光ファイバ３に結合
される。
上記非球面レンズ２の入射側レンズ面及び出射側レンズ
面の各々は、光軸Ｓを回転軸とした回転対称な形状、つ
まりレンズ面を直交する２個の参照法１面（非球面のレ
ンズ面と光軸との交点と該レンズ面上のレンズとして有
効な最も外周の位置とを通る球面）の断面が同一の曲率
半径を有する非球面で、かつ該光ファイバ３の光結合部
での集束光の波面収差が最小となるような形状に設計・
加工されている。従来から非球面レンズの設計に使われ
ている非球面を表現する式として次の式がある。
面の各々は、光軸Ｓを回転軸とした回転対称な形状、つ
まりレンズ面を直交する２個の参照法１面（非球面のレ
ンズ面と光軸との交点と該レンズ面上のレンズとして有
効な最も外周の位置とを通る球面）の断面が同一の曲率
半径を有する非球面で、かつ該光ファイバ３の光結合部
での集束光の波面収差が最小となるような形状に設計・
加工されている。従来から非球面レンズの設計に使われ
ている非球面を表現する式として次の式がある。
＋Ａ ｉｂρ’ ＋Ａｉ”ρＢ ＋ Ａ ｉ Ｉ Ｏρ
１０Ｚ ：レンズの頂点Ｐを通る光軸Ｓと垂直な平から
非球面までの距離 Ｃ１：第１面の非球面頂点の曲率（１／Ｒ１）Ｒ１：第
１面の非球面頂点の曲率半径 ρ ：光軸Ｓと垂直な平面上で、光軸Ｓを中心して半径
方向への高さ Ｋｉ：第１面の円錐定数 Ａ ｉ４ρ４〜Ａｔ”ρ１０．第ｉ面の第４次から第１
０次の非球面係数 これまでの実績では、電子情報通信学会春季全国大会（
１９８９）Ｃ−５４２で示されているように、光半導体
レーザの放射角（半値全角）が光半導体レーザ活性層水
平方向でθ／／＝２４．４度、光半導体レーザ活性層垂
直方向でｅｌ＝３０．８度のもので、複数のレンズに対
する平均結合損失２．５ｄＢと極めて低損失の値が安定
して得られている。この光半導体レーザは光通信用の長
波長帯の埋め込み型ＩｎＧａＡｓＰのレーザであり、光
半導体レーザ放射角の偏平率Ｅ（−〇１／θ／／）は概
ね１〜１．５程度である。したがって、この種の光半導
体レーザに対しては、光軸を回転軸として回転対称な形
状を有する従来の非球面レンズを用いても高々３ｄＢ程
度の低結合損失で単一モード光ファイバとの結合が可能
であった。
１０Ｚ ：レンズの頂点Ｐを通る光軸Ｓと垂直な平から
非球面までの距離 Ｃ１：第１面の非球面頂点の曲率（１／Ｒ１）Ｒ１：第
１面の非球面頂点の曲率半径 ρ ：光軸Ｓと垂直な平面上で、光軸Ｓを中心して半径
方向への高さ Ｋｉ：第１面の円錐定数 Ａ ｉ４ρ４〜Ａｔ”ρ１０．第ｉ面の第４次から第１
０次の非球面係数 これまでの実績では、電子情報通信学会春季全国大会（
１９８９）Ｃ−５４２で示されているように、光半導体
レーザの放射角（半値全角）が光半導体レーザ活性層水
平方向でθ／／＝２４．４度、光半導体レーザ活性層垂
直方向でｅｌ＝３０．８度のもので、複数のレンズに対
する平均結合損失２．５ｄＢと極めて低損失の値が安定
して得られている。この光半導体レーザは光通信用の長
波長帯の埋め込み型ＩｎＧａＡｓＰのレーザであり、光
半導体レーザ放射角の偏平率Ｅ（−〇１／θ／／）は概
ね１〜１．５程度である。したがって、この種の光半導
体レーザに対しては、光軸を回転軸として回転対称な形
状を有する従来の非球面レンズを用いても高々３ｄＢ程
度の低結合損失で単一モード光ファイバとの結合が可能
であった。
しかしながら、近年光フアイバ増幅用励起光源として注
目を浴びている歪み量子井戸型光半導体レーザ（Ｓ−Ｍ
ＱＷ−ＬＤ）は、光半導体レーザの構造的要因により放
射角の偏平率Ｅが４〜５と従来の埋めみ型光半導体レー
ザに比較して極めて大きい。そのためこの歪み量子井戸
型光半導体レーザの出射光を従来の先非球面レンズによ
って単一モード光ファイバに結合させると、その結合損
失が約５ｄＢと大きな値を示していた。
目を浴びている歪み量子井戸型光半導体レーザ（Ｓ−Ｍ
ＱＷ−ＬＤ）は、光半導体レーザの構造的要因により放
射角の偏平率Ｅが４〜５と従来の埋めみ型光半導体レー
ザに比較して極めて大きい。そのためこの歪み量子井戸
型光半導体レーザの出射光を従来の先非球面レンズによ
って単一モード光ファイバに結合させると、その結合損
失が約５ｄＢと大きな値を示していた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その
目的は放射角の偏平率が大きな光半導体レーザの光信号
を低損失で単一モード光ファイバに結合させることを可
能とした光結合用レンズを提供することである。
目的は放射角の偏平率が大きな光半導体レーザの光信号
を低損失で単一モード光ファイバに結合させることを可
能とした光結合用レンズを提供することである。
このために本発明は、非球面状の光結合用レンズにおい
て、レンズ面と光軸との交点と該レンズ面上のレンズと
して有効な最も外周位置とを通り且つ相互に直交する２
個の参照球面の曲率半径を異ならせて構成した。
て、レンズ面と光軸との交点と該レンズ面上のレンズと
して有効な最も外周位置とを通り且つ相互に直交する２
個の参照球面の曲率半径を異ならせて構成した。
この構成により、偏平なスポット形状の入射光を円形の
出射光に変換させることができ、単一モード光ファイバ
に低損失で光結合させることができるようになる。
出射光に変換させることができ、単一モード光ファイバ
に低損失で光結合させることができるようになる。
以下、本発明の実施例の光結合用レンズについて説明す
る。第１図はその一実施例の光結合用レンズ５の使用状
態を示す説明図である。第１図において、４は光結合用
レンズ５の入射側に配置した歪み量子井戸型光半導体レ
ーザ（Ｓ−ＭＱＷＬＳ）、４ａはその光半導体レーザ４
の出射部で、斜線部はその出射端面でのレーザ光のスポ
ットの形状を示している。このスポット形状は、活性層
水平方向に長く約１．５μｍ（半幅）、垂直方向に短く
約０．３μｍ（半幅）と偏平な形をしており、その偏平
率Ｅｗ（垂直方向／水平方向）は０．２〜０．２５程度
となっている。
る。第１図はその一実施例の光結合用レンズ５の使用状
態を示す説明図である。第１図において、４は光結合用
レンズ５の入射側に配置した歪み量子井戸型光半導体レ
ーザ（Ｓ−ＭＱＷＬＳ）、４ａはその光半導体レーザ４
の出射部で、斜線部はその出射端面でのレーザ光のスポ
ットの形状を示している。このスポット形状は、活性層
水平方向に長く約１．５μｍ（半幅）、垂直方向に短く
約０．３μｍ（半幅）と偏平な形をしており、その偏平
率Ｅｗ（垂直方向／水平方向）は０．２〜０．２５程度
となっている。
これに対して光ファイバ３の入射端面３ａは半径約５μ
ｍの円形をしている。よって光ファイバ３への光結合の
効率を最大にする一つの条件としては、光半導体レーザ
４の出射部４ａでの偏平なスポットをレンズ５により光
ファイバ３の入射端面３ａ上で該端面３ａの円形と同一
形状のスポットに変換させることが挙げられる。
ｍの円形をしている。よって光ファイバ３への光結合の
効率を最大にする一つの条件としては、光半導体レーザ
４の出射部４ａでの偏平なスポットをレンズ５により光
ファイバ３の入射端面３ａ上で該端面３ａの円形と同一
形状のスポットに変換させることが挙げられる。
この変換は、レンズ５の像倍率Ｍを水平方向でＭ／／＝
３．３ （スポットサイズ比：５μｍ／１．５μｍ）
、垂直方向でＭｌ＝１６．７＜スポットサイズ比＝５μ
ｍ ／ ０．３μｍ）と個別に設定することで達成でき
る。非球面に近似する参照球面を仮定すると、その参照
球面の半径は像倍率に対して概ね反比例の関係となる。
３．３ （スポットサイズ比：５μｍ／１．５μｍ）
、垂直方向でＭｌ＝１６．７＜スポットサイズ比＝５μ
ｍ ／ ０．３μｍ）と個別に設定することで達成でき
る。非球面に近似する参照球面を仮定すると、その参照
球面の半径は像倍率に対して概ね反比例の関係となる。
したがって、レンズ５の入射側レンズ面５ａにおいて、
光軸Ｓとレンズ面５ａとして有効な最も外周の位置ｊと
を通り活性層水平方向のレンズ５の断面形状に近似する
参照球面ｍ（第２図（ａｌ参照）の半径は、光軸Ｓレン
ズ面５ａとして有効な最も外周の位置ｊとを通り活性層
垂直方向のレンズ５の断面形状に近似する参照球面ｎ
（第２図（ｂ）参照）の半径の約５倍程度となる。つま
り、非球面の入射側レンズ面５ａは活性層水平方向に対
してその参照球面ｍの半径が最大となり、また活性層垂
直方向に対してその参照球面ｎの半径が最小となる。
光軸Ｓとレンズ面５ａとして有効な最も外周の位置ｊと
を通り活性層水平方向のレンズ５の断面形状に近似する
参照球面ｍ（第２図（ａｌ参照）の半径は、光軸Ｓレン
ズ面５ａとして有効な最も外周の位置ｊとを通り活性層
垂直方向のレンズ５の断面形状に近似する参照球面ｎ
（第２図（ｂ）参照）の半径の約５倍程度となる。つま
り、非球面の入射側レンズ面５ａは活性層水平方向に対
してその参照球面ｍの半径が最大となり、また活性層垂
直方向に対してその参照球面ｎの半径が最小となる。
また、放射光の遠視野像（放射角）の活性層垂直方向は
水平方向に対して４〜５倍と大きいことから、レンズ５
の出射側レンズ面５ｂの開口数（ＮＡ）については、最
大のＮＡで活性層垂直および水平方向を同一とする。そ
れがレンズ製作上困難であれば同様の比率で活性層垂直
方向と水平方向で非対称とすればよい。第２図（ａｌ
（ｂ）ではＮＡが活性層水平及び垂直方向でほぼ等しい
つまり水平方向のレンズ有効径ｑと垂直方向のレンズ有
効径ｒがほぼ等しい場合の入射側レンズ面５ａの断面を
示した。
水平方向に対して４〜５倍と大きいことから、レンズ５
の出射側レンズ面５ｂの開口数（ＮＡ）については、最
大のＮＡで活性層垂直および水平方向を同一とする。そ
れがレンズ製作上困難であれば同様の比率で活性層垂直
方向と水平方向で非対称とすればよい。第２図（ａｌ
（ｂ）ではＮＡが活性層水平及び垂直方向でほぼ等しい
つまり水平方向のレンズ有効径ｑと垂直方向のレンズ有
効径ｒがほぼ等しい場合の入射側レンズ面５ａの断面を
示した。
また、レンズ５の活性層水平方向および垂直方向の非球
面形状を決定するその他の要素は、該当する子午面での
光ファイバ３の入射端面３ａにおける波面収差が最小と
なるように決定することである。活性層水平方向及び垂
直方向以外のレンズ５の断面形状については、これと同
様に該当する子午面での光ファイバ３の入射面での波面
収差が最小となるように逐次決定する。これによって、
入射側レンズ面５ａは光軸Ｓを回転軸として回転非対称
な非球面形状となる。出射側レンズ面５ｂについては光
軸Ｓを回転軸として回転対称な非球面形状を想定してい
る。これによって、光半導体レーザ５の偏平なスポット
は、レンズ５により円形のスポットに変換されてから光
ファイバ３に結合される。
面形状を決定するその他の要素は、該当する子午面での
光ファイバ３の入射端面３ａにおける波面収差が最小と
なるように決定することである。活性層水平方向及び垂
直方向以外のレンズ５の断面形状については、これと同
様に該当する子午面での光ファイバ３の入射面での波面
収差が最小となるように逐次決定する。これによって、
入射側レンズ面５ａは光軸Ｓを回転軸として回転非対称
な非球面形状となる。出射側レンズ面５ｂについては光
軸Ｓを回転軸として回転対称な非球面形状を想定してい
る。これによって、光半導体レーザ５の偏平なスポット
は、レンズ５により円形のスポットに変換されてから光
ファイバ３に結合される。
本実施例では上記のように出射側レンズ面５ｂは光軸を
回転軸として回転対称な非球面形状を想定し、レンズ面
５ａのみで偏平なスポットの円形への変換を行っている
が、レンズ面５ａの形成の難易性との兼ね合いでレンズ
面５ｂにも偏平スポットの円形への変換を分担させ、形
状を決定することもできる。
回転軸として回転対称な非球面形状を想定し、レンズ面
５ａのみで偏平なスポットの円形への変換を行っている
が、レンズ面５ａの形成の難易性との兼ね合いでレンズ
面５ｂにも偏平スポットの円形への変換を分担させ、形
状を決定することもできる。
レンズの製造においては、高精度金型を一度作製すれば
モールドガラス製造技術により同一形状のレンズを多数
製造できるので、レンズの面形状は多少複雑でも、レン
ズコストが著しく増加することはない。
モールドガラス製造技術により同一形状のレンズを多数
製造できるので、レンズの面形状は多少複雑でも、レン
ズコストが著しく増加することはない。
第３図は他の実施例の光結合用レンズ６を示す図である
。この実施例のレンズ６はその外周部に溝６ａが設けら
れている。このレンズ６も前記実施例のレンズ５と同様
に、光軸を回転軸として回転非対称なレンズ面を有して
いるので、光半導体レーザ４の活性層に対するレンズの
回転方向を規定する必要がある。これは、このレンズ６
をレンズホルダ等に配置する際、上記の溝６ａとレンズ
ホルダ等に予め設けたガイドピンとを一致させることで
、レンズ６の光軸回転方向の位置決めが無調整で可能と
なる。なお光半導体レーザ４はパッケージ等に搭載され
、ガイドビン位置を基準としてレンズホルダ等に光軸中
心に対して回転方向の位置決めがなされ固定される。
。この実施例のレンズ６はその外周部に溝６ａが設けら
れている。このレンズ６も前記実施例のレンズ５と同様
に、光軸を回転軸として回転非対称なレンズ面を有して
いるので、光半導体レーザ４の活性層に対するレンズの
回転方向を規定する必要がある。これは、このレンズ６
をレンズホルダ等に配置する際、上記の溝６ａとレンズ
ホルダ等に予め設けたガイドピンとを一致させることで
、レンズ６の光軸回転方向の位置決めが無調整で可能と
なる。なお光半導体レーザ４はパッケージ等に搭載され
、ガイドビン位置を基準としてレンズホルダ等に光軸中
心に対して回転方向の位置決めがなされ固定される。
以上によって、歪み量子井戸型光半導体レーザからの出
射光を単一モード光ファイバに結合させる際に、従来の
非球面レンズの適用では５ｄＢ程度あった結合損失を、
本発明のレンズの適用により２〜３ｄＢ程度に向上させ
ることができ、低損失な結合が可能となった。
射光を単一モード光ファイバに結合させる際に、従来の
非球面レンズの適用では５ｄＢ程度あった結合損失を、
本発明のレンズの適用により２〜３ｄＢ程度に向上させ
ることができ、低損失な結合が可能となった。
以上から本発明によれば、光半導体レーザの出射ビーム
のスポット形状が極めて偏平なものであっても、これを
低損失で単一モード光ファイバに結合できる利点がある
。
のスポット形状が極めて偏平なものであっても、これを
低損失で単一モード光ファイバに結合できる利点がある
。
第１図は本発明の第１の実施例の光結合用レンズの使用
状態を示す説明図、第２図（ａｌはそのレンズの入射側
レンズ面の水平断面図、（ｂｌはその垂直断面図、第３
図は他の実施例の光結合用レンズの使用状態を示す説明
図、第４図は従来の光結合用レンズの使用状態を示す説
明図である。 ３・・・単一モード光ファイバ、３ａ・・・入射端面、
４・・・歪み量子井戸型光半導体レーザ、４ａ・・・出
射部、５・・・光結合用レンズ、５ａ・・・入射側レン
ズ面、５ｂ・・・出射側レンズ面、６・・・光結合用レ
ンズ、６ａ・・・溝。
状態を示す説明図、第２図（ａｌはそのレンズの入射側
レンズ面の水平断面図、（ｂｌはその垂直断面図、第３
図は他の実施例の光結合用レンズの使用状態を示す説明
図、第４図は従来の光結合用レンズの使用状態を示す説
明図である。 ３・・・単一モード光ファイバ、３ａ・・・入射端面、
４・・・歪み量子井戸型光半導体レーザ、４ａ・・・出
射部、５・・・光結合用レンズ、５ａ・・・入射側レン
ズ面、５ｂ・・・出射側レンズ面、６・・・光結合用レ
ンズ、６ａ・・・溝。
Claims (2)
- （１）、非球面状の光結合用レンズにおいて、レンズ面
と光軸との交点と該レンズ面上のレンズとして有効な最
も外周位置とを通り且つ相互に直交する２個の参照球面
の曲率半径を異ならせたことを特徴とする光結合用レン
ズ。 - （２）、光軸を回転軸とする回転方向に対するレンズの
置決め手段を有することを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の光結合用レンズ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31060389A JPH03172801A (ja) | 1989-12-01 | 1989-12-01 | 光結合用レンズ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31060389A JPH03172801A (ja) | 1989-12-01 | 1989-12-01 | 光結合用レンズ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03172801A true JPH03172801A (ja) | 1991-07-26 |
Family
ID=18007244
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31060389A Pending JPH03172801A (ja) | 1989-12-01 | 1989-12-01 | 光結合用レンズ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03172801A (ja) |
-
1989
- 1989-12-01 JP JP31060389A patent/JPH03172801A/ja active Pending
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