特許 7600616 光デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】光デバイス

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/32 20060101AFI20241210BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

G02B6/32

G02B6/42

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020178441

(22)【出願日】2020-10-23

(65)【公開番号】P2022069323

(43)【公開日】2022-05-11

【審査請求日】2023-05-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002343

【氏名又は名称】弁理士法人 東和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】塩崎 学

(72)【発明者】

【氏名】佐伯 智哉

(72)【発明者】

【氏名】上坂 勝己

【審査官】野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００８／１４３１８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／２２９９９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１９－５３３８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００８４０３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００１－０３４９９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４０３７６１６（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１６１００５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／００２１４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開昭５８－０３０１８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３３１１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０３１６２７５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００８－５３０６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１０２８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１９１６４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０５０５８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－００４９６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００ －１１／３０

Ｇ０１Ｄ ５／２６ － ５／３８

１８／００ －２１／０２

Ｇ０２Ｂ ６／００

６／０２

６／２４５－ ６／２５

６／４６ － ６／５４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光素子の光導波路の端面に接合し、前記光素子からの出射光を放射する第１レンズと、
前記第１レンズと光結合し、前記第１レンズからの出射光をコリメート光に変換する第２レンズと、を備え、
前記光素子は、レーザ素子、光変調素子、光増幅素子のいずれかであり、
前記第１レンズは、前記光素子側の反対側に突出した曲面を有する非球面レンズであって、前記光素子の前記光導波路の前記端面と接合する側が前記第１レンズの光軸と直交する平面に形成され、前記平面の面積が、前記光導波路の光軸に直交する断面の最大面積よりも小さい、光デバイス。

【請求項2】

前記第２レンズから出射された前記コリメート光を集光する第３レンズと、
前記第３レンズと光結合され、前記第３レンズから出射された集束光が入射される光ファイバと、をさらに備える、請求項１に記載の光デバイス。

【請求項3】

前記第１レンズは、屈折率ｎ、前記光素子側の面の所定位置を点Ｏ、前記第１レンズの前記光素子側の面を除く表面上の任意の位置を点Ｓ、前記第１レンズによる虚像の位置を点Ｐとするとき、前記点Ｏと前記点Ｓ間の距離に前記屈折率ｎを乗算した値から、前記点Ｓと前記点Ｐ間の距離を減算した値が、一定値の関係である、請求項１または請求項２に記載の光デバイス。

【請求項4】

前記光導波路の光軸が前記第１レンズの前記点Ｏの位置で前記光素子側の面と直交し、前記第１レンズの前記虚像の位置点Ｐが前記光導波路の光軸上にある、請求項３に記載の光デバイス。

【請求項5】

前記光導波路の光軸が前記第１レンズの前記点Ｏの位置で前記光素子側の面と直交し、前記第１レンズの前記虚像の位置点Ｐが前記光導波路の光軸から離れた位置にある、請求項３に記載の光デバイス。

【請求項6】

前記光導波路の光軸が前記点Ｏ以外の位置で前記光素子側の面に直交する、請求項３に記載の光デバイス。

【請求項7】

前記第１レンズは、前記第２レンズと光結合する側に少なくとも半球状部分を有する、請求項１または請求項２に記載の光デバイス。

【請求項8】

前記第１レンズは、光軸方向のレンズの厚みが、前記半球状部分の曲率半径よりも大きい、請求項７に記載の光デバイス。

【請求項9】

前記第１レンズの光軸が、前記光素子の前記光導波路の光軸に対して、前記光素子の前記光導波路におけるビーム径の半分以上オフセットされている、請求項７または請求項８に記載の光デバイス。

【請求項10】

前記第１レンズは、ガラスまたは樹脂のいずれかからなる、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、通信速度の高速化への要求から、通信ネットワーク内で使用されている光デバイスを小型化し、複数の光素子を高密度実装することよって、ネットワークの大容量化を実現させている。ネットワークの大容量化のためには、効率的な光通信を行う必要があり、光学系の光結合効率を高める必要がある。特許文献１には、レーザダイオードと光ファイバとを光学的に結合するレーザダイオードモジュールが開示されており、レーザダイオードからの出射光を光ファイバ内に導入するために、レーザダイオードと光ファイバ入射端面とを所定の位置関係で固定し、レーザダイオードと光ファイバとの間にこれらと光結合した集光用のレンズが設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００１－２８１５０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されたレーザダイオードモジュールでは、レーザダイオードからの光を効率よく外部の光ファイバに導くために、レーザダイオード、集光レンズ、および、光ファイバの各構成部品を極めて高い精度で位置決めすることが要求される。同様に、基板上に形成した光導波路を用いて多数の光素子を高密度に集積した光回路においても、光回路の光導波路からの光を外部の素子に効率よく入力し、さらに外部の素子から光回路の光導波路に光を効率よく入力する必要がある。このため、外部の素子との光結合効率の良好なインターフェースが求められている。

【0005】

本開示は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、外部との光結合効率の良好な光デバイスを提供することを、その目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る光デバイスは、光素子の光導波路の端面に接合し、前記光素子からの出射光を放射する第１レンズと、前記第１レンズと光結合し、前記第１レンズからの出射光をコリメート光に変換する第２レンズと、を備え、前記光素子は、レーザ素子、光変調素子、光増幅素子のいずれかであり、前記第１レンズは、前記光素子側の反対側に突出した曲面を有する非球面レンズであって、前記光素子の前記光導波路の前記端面と接合する側が前記第１レンズの光軸と直交する平面に形成され、前記平面の面積が、前記光導波路の光軸に直交する断面の最大面積よりも小さい。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、外部との光結合効率の良好な光デバイスを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の実施形態に係る光デバイスの一例を示す図である。

【図2】図１に示す光デバイスの斜視図である。

【図3】図１に示す光デバイスにおける、光導波路からの光の広がりを説明するための図である。

【図4】図１に示す光デバイスにおける、光素子から光ファイバまでの光路を示す図である。

【図5】図１に示す光デバイスにおいて、光導波路の光軸と第１レンズの光軸をずらした際の図である。

【図6】図１に示す光デバイスにおける、光導波路と第１レンズの光軸の軸ずらし量に対する、ロス増および反射戻り率の関係を示す特性図である。

【図7】図１に示す光デバイスにおいて、第１レンズの像倍率を変えた場合の、光導波路のビーム径に対する、ケラレによるロスの関係を示す特性図である。

【図8】図１に示す光デバイスにおいて、レンズの厚みを一定にした場合の、半球状部分の曲率半径に対する、像倍率およびレンズ先端から虚像までの距離の関係を示す特性図である。

【図9】図１に示す光デバイスにおける、レンズの曲率半径に対する、収差によるロスの関係を示す特性図である。

【図10】第１レンズの厚みを厚くした際の、レンズの収差と虚像の関係を説明するための図である。

【図11】図１に示す光デバイスにおいて、第１レンズに用いられる非球面レンズを説明するための図である。

【図12A】非球面レンズの他の例を示す図である。

【図12B】非球面レンズのさらに他の例を示す図である。

【図12C】非球面レンズのさらに他の例を示す図である。

【図13】従来の光デバイスにおける、光素子から光ファイバまでの光路を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

[本開示の実施態様の説明]
最初に本開示の実施形態を列記して説明する。
（１）本開示に係る光デバイスは、光素子の光導波路の端面に接合し、前記光素子からの出射光を放射する第１レンズと、前記第１レンズと光結合し、前記第１レンズからの出射光をコリメート光に変換する第２レンズと、を備え、前記光素子は、レーザ素子、光変調素子、光増幅素子のいずれかであり、前記第１レンズは、前記光素子側の反対側に突出した曲面を有する非球面レンズであって、前記光素子の前記光導波路の前記端面と接合する側が前記第１レンズの光軸と直交する平面に形成され、前記平面の面積が、前記光導波路の光軸に直交する断面の最大面積よりも小さい。これにより、外部との光結合効率の良好な光デバイスを得ることができ、第１レンズの収差による光のロスを抑えることができる。

【0011】

（２）本開示に係る光デバイスでは、前記第２レンズから出射された前記コリメート光を集光する第３レンズと、前記第３レンズと光結合され、前記第３レンズから出射された集束光が入射される光ファイバと、をさらに備えていてもよい。これにより、光デバイスからの光を光ファイバに効率よく導くことが可能となる。

【0017】

（３）本開示に係る光デバイスでは、前記第１レンズは、屈折率ｎ、前記光素子側の面の所定位置を点Ｏ、前記光素子側の面を除く表面上の任意の位置を点Ｓ、前記第１レンズによる虚像の位置を点Ｐとするとき、前記点Ｏと前記点Ｓ間の距離に前記屈折率ｎを乗算した値から、前記点Ｓと前記点Ｐ間の距離を減算した値が、一定値の関係である。これにより、第１レンズの収差による光のロスを抑えることができる。

【0018】

（４）本開示に係る光デバイスでは、前記光導波路の光軸が前記点Ｏの位置で前記第１レンズの光素子側の面と直交し、前記第１レンズの前記虚像の位置点Ｐが前記光導波路の光軸上にあってよい。これにより、第１レンズを光軸に対して対称に形成できるため、製作が容易になる。

【0019】

（５）本開示に係る光デバイスでは、前記光導波路の光軸が前記点Ｏの位置で前記第１レンズの光素子側の面と直交し、前記第１レンズの前記虚像の位置点Ｐが前記光導波路の光軸から離れた位置にあってよい。これにより、第１レンズの収差による光のロスを抑えつつ、第１レンズの表面での反射戻り光による影響を小さくすることができる。

【0020】

（６）本開示に係る光デバイスでは、前記光導波路の光軸が前記点Ｏ以外の位置で前記光素子側の面に直交してよい。これにより、第１レンズの収差による光のロスを抑えつつ、第１レンズの表面での反射戻り光による影響を小さくすることができる。

【0021】

（７）本開示に係る光デバイスでは、前記第１レンズは、前記第２レンズと光結合する側に少なくとも半球状部分を有する。これにより、光導波路から放出される光の広がりを抑えることができ、第２レンズのパワーを小さくすることができる。また、各構成部材の実装時における位置合わせ精度の許容値を大きくすることができる。

【0022】

（８）本開示に係る光デバイスでは、前記第１レンズは、光軸方向のレンズの厚みが、前記半球状部分の曲率半径よりも大きい。これにより、第１レンズの像倍率が大きくなり、光導波路のビーム径が小さい場合も光の広がりを抑えることができる。

【0023】

（９）本開示に係る光デバイスでは、前記第１レンズの光軸が、前記光素子の前記光導波路の光軸に対して、前記光素子の前記光導波路におけるビーム径の半分以上オフセットされていてもよい。これにより、第１レンズの表面での反射戻り光による影響を小さくすることができる。

【0024】

（１０）本開示に係る光デバイスでは、前記第１レンズは、ガラスまたは樹脂のいずれかからなる。これにより、レンズ材料の選択肢が増える。また、樹脂を用いる場合は、３Ｄプリンティング技術を用いて形成できる。

【0025】

[本願発明の実施形態の詳細]
本開示に係る光デバイスの具体例を、以下に図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。また、複数の実施形態について組み合わせが可能である限り、本発明は任意の実施形態を組み合わせたものを含む。なお、以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成部材等は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。

【0026】

（実施形態１）
本実施形態では、光デバイスに用いる光素子として、レーザ素子を例に説明するが、光導波路から光を外部へ放出する光素子であれば、レーザ素子に限らず、光変調素子、光増幅素子であってもよい。図１は、本開示の実施形態に係る光デバイスの一例を示す図であり、図２は、図１に示す光デバイスの斜視図である。また、図３は、図１に示す光デバイスにおける、光導波路からの光の広がりを説明するための図であり、図４は、図１に示す光デバイスにおける、光素子から光ファイバまでの光路を示す図である。なお、図４では、光素子と光ファイバの記載を省略している。

【0027】

本実施形態の光デバイス１は、光学系の構成部材として、レーザ素子であるレーザダイオードチップ（以下、「ＬＤチップ」という。）４０、第１レンズ１０、第２レンズ２０、第３レンズ３０、および、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）である光ファイバ６０を備えている。ＬＤチップ４０は、熱伝導率の大きい例えば窒化アルミ製のサブキャリア５２の上に実装されている。第２レンズ２０は、後述するように第１レンズから入射した光を平行ビームであるコリメート光に変換するコリメートレンズであり、ＬＤチップ４０を実装したサブキャリア５２とともにキャリア５１の上に固定されている。キャリア５１は、例えばＦｅ－Ｎｉ－Ｃｏ合金（例えば、商品名コバール）等を用いたパッケージ５０内に配置されている。ＬＤチップ４０の駆動信号は、パッケージ５０の外部から、フィードスルー５３を介して供給される。

【0028】

本実施形態の第１レンズ１０は、樹脂から形成され、ＬＤチップ４０の光導波路４１の端面に接合して設けられている。第１レンズ１０を樹脂から形成する場合は、３Ｄプリンティング技術を用いて作製することができる。第１レンズ１０と第２レンズ２０とは光結合されており、第２レンズは調芯された状態で、例えばエポキシ系などの接着剤で高精度にキャリア５１上に固定される。光ファイバ６０はフェルール６１内に収納された状態で、レセプタクル６２内に位置決め保持される。第３レンズ３０は集光レンズであり、第２レンズ２０からのコリメート光は、第３レンズ３０で集光され、光ファイバ６０に結合する。第３レンズ３０は、パッケージ５０の外に配置したホルダ６３に収納されており、第３レンズ３０と光ファイバ６０は光結合が得られるように調芯され、ホルダ６３とパッケージ５０とは、例えば、ＹＡＧ溶接にて固定される。

【0029】

本開示のＬＤチップ４０は、光導波路４１を有する光素子である。光導波路付き半導体レーザに限らず、例えば、ダブルヘテロ接合を有する半導体レーザは、活性層が周囲のクラッド層よりも大きな屈折率を有しているため光導波路を形成しており、光導波路を有する光素子であるといえる。図３に示すように、本実施形態では、第１レンズ１０は、半球レンズとして形成されており、ＬＤチップ４０の光導波路４１の端面に接合して設けられている。そして、第１レンズ１０の光軸（中心軸）は、ＬＤチップ４０の光導波路４１の光軸と一致するように、オフセットなしで設けられている。

【0030】

光デバイス１は、第１レンズ１０がＬＤチップ４０の光導波路４１の端面に設けられているため、図４に示すように、図示しないＬＤチップ４０の光導波路４１から放出された光が、第１レンズ１０によって効率よく第２レンズ２０に導かれる。そして、第２レンズ２０でコリメート光Ａに変換された後、第３レンズで集光されて図示しない光ファイバ６０に導かれる。このため、光デバイス１は、従来に比べて外部の光ファイバ６０との光結合効率の良好な光デバイス１を実現している。

【0031】

ここで、本開示の光デバイスと従来の光デバイスとの違いについて説明する。図１３は、比較のためのモデルとして、従来の光デバイスにおける、光素子から光ファイバまでの光路を示す図であり、図４と同様に、光素子と光ファイバの記載を省略している。従来の光デバイス１’においても、第１レンズ１０’、コリメートレンズである第２レンズ２０’、集光レンズである第３レンズ３０を備えており、図示しないＬＤチップ４０の光導波路４１から放出される光が、第１レンズ１０’によって第２レンズ２０’に導かれ、さらに、第２レンズ２０’でコリメート光Ａに変換された後、第３レンズ３０で集光されて光図示しない光ファイバ６０に導かれる。

【0032】

図１３に示す光デバイス１’は、開口数ＮＡ０．６５の第１レンズ１０’に対して、光導波路のビーム半径ωが０．８μｍ、波長λが１．５５μｍのガウシアンビームが入射した場合の図を示している。ここで、光導波路４１の開口数ＮＡは、ＮＡ＝λ／（π×ω）から求まり、０．６２である。図１３の一部拡大図から分かるように、光導波路からの光の拡散のために、第１レンズ１０’では、破線Ｂで示すように周辺光がケラレる現象が生じている。図１３に示す光デバイス１’の場合、光のロスは１．０ｄＢとなる。なお、一般に、ビームのＮＡが０．６以上（ビーム半径ωが０．８μｍ以下）となると、光導波路からの光の広がりが大きくなりレンズで光を受けきることが難しくなる。このため、光のロスが発生する。

【0033】

次に、本実施形態の光デバイス１について説明する、図３は、本実施形態の光デバイスにおける、光導波路４１からの光の広がりを説明するための図である。図３に示す光デバイス１は、従来の光デバイス１’の場合（図１３参照。）と同様に、光導波路４１の開口数ＮＡは０．６２で、光導波路４１からは、ビーム半径ωが０．８μｍ、波長λが１．５５μｍのガウシアンビームが出射される場合を示している。第１レンズ１０は、屈折率ｎが１．５、曲率半径Ｒが５０μｍの半球レンズであり、第２レンズ２０は開口数ＮＡが０．６５のコリメートレンズである。

【0034】

図３に示すように、本実施形態の光デバイス１では、ＬＤチップ４０の光導波路４１の端面に接合して第１レンズ１０を形成している。光デバイス１ではＬＤチップ４０と第１レンズ１０との間に空気を介さないため、光導波路４１からの光は漏れなく第１レンズ１０に入射する。第１レンズ１０の屈折率を屈折率ｎとした場合、ＬＤチップ４０からの光の広がりは、第１レンズ１０への入射時は屈折により空気中の１/ｎ倍となる。一方、半球レンズである第１レンズ１０の中心から入射した光はレンズ表面に垂直に入射し、出射時は屈折しないため、その広がりが維持される。そのため、ＬＤチップ４０からの光の広がりは、第１レンズ１０全体で空気中の１/ｎ倍に抑えられる。

【0035】

本実施形態の光デバイス１では、第１レンズ１０の屈折率ｎを１．５とした場合に、光導波路４１からの光を、第２レンズ２０にロス０．０６ｄＢとほぼロスがない状態で導くことができる。これによって、第２レンズ２０のパワーを小さくすることでき、実装時の調芯のずれに対するトレランスを大きくできる。

【0036】

（実施形態２）
実施形態１では、光導波路４１の光軸と第１レンズ１０の光軸（中心軸）を一致させているため、第１レンズ１０の表面に光が垂直に入射することとなり、表面での反射光は光をそのまま逆向きにたどることとなる。これにより、光導波路４１側への反射戻り光の影響が大きくなる。本実施形態２では、第１レンズ１０の表面での反射戻り光の問題に対処するため、第１レンズ１０の光軸を光導波路４１の光軸とずらしている。なお、実施形態５で後述する、光の進行方向が第２レンズ２０から第１レンズ１０に入射する場合も、第１レンズ１０の表面で反射戻り光が発生し、光ファイバ等の光導波路影響を与えることから、第１レンズ１０の光軸を光導波路４１の光軸とずらすことが望ましい。

【0037】

図５は、図１に示す光デバイスにおいて、光導波路の光軸と第１レンズの光軸をずらした際の図である。図５では、簡単化のため、ＬＤチップ４０の記載を省略している。また、図５では、第１レンズ１０の光軸を、図示しないＬＤチップ４０の光導波路４１の光軸に対して、軸ずらし量ｄだけ紙面上方に平行にずらし、オフセットを設けている。このため、第１レンズからの出射光の内、第２レンズ２０では、紙面上部の入射光がコリメート光に変換されずにケラレている。

【0038】

図６は、図１に示す光デバイスにおける、光導波路の光軸と第１レンズの光軸の軸ずらし量に対する、ロス増および反射戻り率の関係を示す特性図である。図６において、実線は、横軸軸ずらし量（μｍ）に対するロス増（ｄＢ）を示し、破線は、軸ずらし量に対する反射戻り率（ｄＢ）を示している。図６の特性図における、光導波路４１、第１レンズ１０、第２レンズ２０等の諸元は、実施形態１で説明したものと同様である。図６から分かるように、軸ずらし量ｄを大きくすれば、ロス増が大きくなるものの、反射戻り率は著しく減少する。例えば、軸ずらし量ｄを１μｍ以上にすれば、ほとんどロス増なく、反射戻り光を－４０ｄＢ以下に抑制できる。なお、ＬＤチップ４０の光導波路４１のビーム径との関係から見た場合、光導波路４１のビーム径の半分、すなわちビーム半径ω（本実施形態では、０．８μｍ）以上をオフセットさせることで、反射戻り光を十分抑制することができる。

【0039】

（実施形態３）
実施形態１、実施形態２では、光導波路４１のビーム半径ωが０．８μｍの場合について説明したが、光ビームの広がり角はビーム半径ωに反比例して大きくなる。このため、実施形態２の構成でも、ビーム半径ωが小さくなるにしたがって、第２レンズ２０で光がケラレ、ロスが発生することになる。

【0040】

図７は、図１に示す光デバイスにおいて、第１レンズの像倍率を変えた場合の、光導波路のビーム半径に対する、ケラレによるロスの関係を示す特性図である。図７を参照すれば、像倍率１．５倍の半球レンズでは、ビーム半径０．７μｍ以下でロスが顕著に大きくなる。例えば、ビーム半径が０．５μｍでは、ロスは１．２ｄＢを超える。一方、像倍率を１．８倍、２．３倍と大きくすると、光の広がりは反比例して小さくなるため、ロスは下がり、より小さなビーム半径にも対応できることが分かる。

【0041】

半球レンズの像倍率は、空気の屈折率に対する半球レンズの屈折率ｎの比で決まるため、屈折率ｎの半球レンズの像倍率はｎ倍となる。このため、像倍率を大きくする１つ目の手段は、第１レンズ１０に大きな屈折率ｎの半球レンズを用いることであり、屈折率ｎに比例して像倍率を大きくすることができる。そして２つ目の手段は、第１レンズ１０の形状を変更し、球面の曲率半径Ｒをレンズの厚み（レンズの光軸方向長さ）より小さくすることである。

【0042】

図８は、図１に示す光デバイスにおいて、レンズの厚みを一定にした場合の、半球状部分の曲率半径に対する、像倍率およびレンズ先端から虚像までの距離の関係を示す特性図であり、図９は、図１に示す光デバイスにおける、曲率半径に対する、収差によるロスの関係を示す特性図である。図８において、実線は、レンズ曲率半径（μｍ）に対する像倍率を示し、破線は、レンズ曲率半径（μｍ）に対するレンズ先端から虚像までの距離（μｍ）を示している。また、図１０は、第１レンズの厚みを厚くした際の、レンズの収差と虚像の関係を説明するための図である。

【0043】

図８では、第１レンズ１０の厚み（光軸方向長さ）Ｄは５０μ で一定とし、像倍率を大きくするために半球状部分１１の曲率半径Ｒを小さくした場合を示している。曲率半径Ｒがレンズの厚みＤと等しい５０μｍの場合は、第１レンズ１０は半球レンズになる。また、図９は、光導波路４１のビーム半径ωが０．５μｍで一定とした場合を示している。そして、本実施形態３では、第１レンズ１０のレンズの厚みＤを、半球状部分１１の曲率半径Ｒよりも大きくしているため、図１０に示すように、大レンズの形状は砲弾形状となっている。また、光導波路４１からの光の入射位置を示す点Ｏは、半球状部分１１の中心から光導波路４１側にずれた位置となっている。図１０において、虚像の位置は点Ｐで示している。

【0044】

図８を参照すれば、第１レンズ１０の像倍率を２．３倍にするためには、曲率半径Ｒを３０μｍにすればよいことが分かる。この場合の虚像の位置Ｐはレンズ先端から７５μｍとの位置となる。一方で、図９を参照すれば、曲率半径Ｒが小さくなるほど収差によるロスは大きくなる。像倍率２．３倍（曲率半径３０μｍ）では、ロスは０．２９ｄＢとなり、ケラレによるロスより大きくなる。図１０に示す部分拡大図は、虚像位置近傍を拡大した図であり、収差のために虚像が１点に集光しないことを示している。このように、本実施形態では、レンズの厚みが半球状部分１１の曲率半径Ｒよりも大きい第１レンズ１０を用いているため、像倍率を大きくでき、小さなビーム半径ωに対応できる。しかし、本実施形態では、第１レンズ１０への入射光の位置（光源）とレンズ球面の中心位置が異なるため、収差によるロスが発生し、曲率半径Ｒが小さくなるほど収差によるロスは大きくなる。

【0045】

（実施形態４）
収差によるロスを抑制するためには、第１レンズ１０の非球面設計が必要となる。図１１は、図１に示す光デバイスにおいて、第１レンズに用いられる非球面レンズを説明するための図である。本実施形態では、第１レンズ１０Ａの性質として、光源からの光を虚像の１点に集光させるために、１点から出た光が１点に集まる場合、どの経路を通っても光路長が等しくなるという性質を利用している。

【0046】

すなわち、図１１において、第１レンズ１０Ａの屈折率を屈折率ｎ、ＬＤチップ４０側の面の所定位置を点Ｏ、第１レンズ１０Ａの光導波路４１の端面側を除く表面上の任意の位置を点Ｓ、第１レンズ１０Ａによる虚像の位置を点Ｐとするときに、点Ｏと点Ｓ間の距離に屈折率ｎを乗算した値から、点Ｓと点Ｐ間の距離を減算した値が、一定値の関係となるようにしている。この関係を式で表せば、次式で表せる。
ｎ×点ＯＳ間の距離－点ＳＰ間の距離＝一定値・・・（式１）

【0047】

図１１に示す第１レンズ１０Ａは、光導波路４１の光軸が点Ｏの位置で第１レンズ１０ＡのＬＤチップ４０側の面と直交している場合を示しており、虚像の位置点Ｐが光導波路４１の光軸上に位置するように設計されている。この場合、第１レンズ１０Ａの光軸は光導波路４１の光軸と一致し、光軸に対してレンズの形状を対称に形成することができる。そして、第１レンズ１０Ａは、光導波路４１の端面と接合する側が第１レンズ１０Ａの光軸と直交する平面に形成され、この平面の面積が、第１レンズ１０Ａの光軸に直交する断面の最大面積よりも小さくなっており、式１の関係を満たす像倍率２．３倍の無収差レンズを示している。第１レンズ１０Ａでは、図示しない光導波路４１のビーム半径ωが０．５μｍでのロスは０．０９ｄＢとなるが、このロスはケラレによるロスで収差によるロスではない。また、光導波路４１からの光は、光軸を除いてレンズ表面に垂直入射しないため、反射戻り率は第１レンズ１０の光軸を光導波路４１の光軸とずらさなくても－４５ｄＢと良好である。このように、第１レンズ１０Ａでビームの開口数ＮＡが小さくできるため、第２レンズ以降のレンズ設計は容易になる。

【0048】

図１２Ａは、非球面レンズの他の例を示す図であり、第１レンズ１０Ｂは、図１１に示した第１レンズ１０Ａよりも、式１における一定値の大きさを小さく（マイナス側に大きく）した場合を示している。また、図１２Ｂは、非球面レンズのさらに他の例を示す図であり、第１レンズ１０Ｃは、式１における一定値の大きさをマイナス無限大にした場合を示している。このように、本実施形態では、第１レンズの形状を種々選択することが可能である。また、本実施形態の第１レンズ１０Ａは反射戻り光の影響が少ないが、実施形態２で説明したように、第１レンズ１０Ａの光軸を光導波路４１の光軸とずらすことにより、レンズ表面からの反射戻り光の影響をさらに抑制することができる。

【0049】

また、本実施形態で示す非球面レンズは、虚像の位置点Ｐを光導波路４１の光軸から離れた位置にすることもできる。図１２Ｃは、非球面レンズのさらに他の例を示す図である。図１２Ｃに示す第１レンズ１０Ｄは、光導波路の光軸が点Ｏの位置で第１レンズ１０ＤのＬＤチップ４０側の面と直交し、第１レンズ１０Ｄの虚像の位置点Ｐが光導波路４１の光軸から離れた位置となるように（式１）を用いて設計している。このため、第１レンズ１０Ｄの光導波路４１と接する位置点Ｏ（光源の位置）と虚像の位置点Ｐを結ぶ直線（光軸）が、光導波路４１の光軸と交差してずれている。このように、本実施形態では、第１レンズ１０Ｄの光軸が光導波路の光軸に対してずれた状態でも非球面設計は可能であり、これにより、反射戻り光の影響が抑制されるだけでなく、光軸のずれによる収差が無くなり、ロス増も抑制される。

【0050】

なお、本実施形態においても、実施形態２と同様に、第１レンズ１０Ａの光軸と光導波路４１の光軸とをずらしてもよく、この場合、光導波路４１の光軸が第１レンズ１０Ａの点Ｏ以外の位置でＬＤチップ４０側の面に直交するようにすればよい。また、図１２Ｃで示す虚像の位置点Ｐが光導波路４１の光軸から離れた位置にある第１レンズ１０Ｄの場合も、同様に、光導波路４１の光軸が第１レンズ１０Ｄの点Ｏ以外の位置でＬＤチップ４０側の面に直交させてもよい。

【符号の説明】

【0053】

１、１'…光デバイス、１０、１０'、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…第１レンズ、１１…半球状部分、２０、２０'…第２レンズ、３０…第３レンズ、４０…ＬＤチップ、４１…光導波路、５０…パッケージ、５１…キャリア、５２…サブキャリア、５３…フィードスルー、６０…光ファイバ、６１…フェルール、６２…レセプタクル、６３…ホルダ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図13】