CN104662462A - 光通信用透镜及光通信模块 - Google Patents

Abstract

提供一种光通信用透镜及光通信模块，既能够进行高精度的光通信，又能够谋求小型化且提高成型性及组装性，结果能够实现成本的大幅降低。因为脚部(21)的内周面(21a)成为相对于透镜部(22)的光轴倾斜的锥面，所以能够提高成型时的脱模性，而且能够避免与设置于脚部内部的发光元件、受光元件等部件的干涉，能够确保通过向光轴正交方向的位移来进行对准的调整余量，因此能够实现高精度的光耦合。此外，稍微抑制锥面的锥角，确保所述脚部的强度和小型化，并且另一方面，通过使脚部(21a)的内周面(21a)设为非镜面，从而使成型时模具与塑料原材料的紧密接触面积减小，从而提高脱模性，并且通过使脚部(21)的内周面(21a)设为非镜面，能够有效抑制内表面反射引起的杂散光噪声。

Description

光通信用透镜及光通信模块

技术领域

本发明涉及在光通信等中使用的、例如将来自半导体激光器等光学元件的光与光纤或受光元件耦合的光通信用透镜及光通信模块。

背景技术

在光通信等中，为了在半导体激光器或受光元件与光纤之间有效地进行光耦合，使用光耦合用透镜。然而，在现有的光耦合用透镜中，主要广泛使用由不锈钢制脚部支承玻璃透镜的结构。可是，具有非球面的玻璃透镜通常价格高，此外，由于经过与原材料不同的脚部进行组装的工序而存在导致成本显著增高的问题。于是，如专利文献1所示，正在开发高精度的非球面成型简单且能够大量生产的塑料制的脚部一体型透镜。

在专利文献1所示的结构中，一体地形成光传输路径安装用圆筒部、光电元件安装用圆筒部及连接上述圆筒部的壁部，透镜与光电元件对置，以具有凸面的方式一体地形成在壁部上。在此，在通过注塑成型等形成上述结构的情况下，原材料冷却时厚壁部的收缩在维持形状精度方面容易成为障碍。于是，在专利文献1中，以围绕透镜的方式形成凹部。因为该凹部作为减薄部发挥作用，所以能够减轻由于成型收缩薄壁部被厚壁部牵拉而不均匀地变形的程度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特开2007-183565号公报

专利文献2：(日本)特开平08-286016号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，在专利文献1的脚部一体型透镜中，因为使光传输路径安装用圆筒部、光电元件安装用圆筒部及透镜一体成型，所以能够精确地确保这些部件的同轴度，但存在在将该脚部一体型透镜安装在发光元件或受光元件与光纤之间而出现了错位的情况下如何进行调整的问题。为了调整错位，优选将光传输路径安装用圆筒部与光电元件安装用圆筒部分开而构成能够在光轴正交方向上位移的结构。透镜只要设在一个圆筒部上即可。这样虽改良了专利文献1的脚部一体型透镜，但也存在如下所述的问题。

专利文献1所示的脚部一体型透镜因为原本在内部配置发光元件或受光元件，所以具有相对于直径长度较长的圆筒部(以下称为脚部)。但是，如果使脚部相对较长，则成型时的脱模性变差，在脱模时可能导致破损、变形。作为其对策，为了确保脚部的强度，考虑增加脚部的厚度，而且为了提高脱模性，考虑对脚部设置起模斜度。然而，如果增加脚部的厚度，则由于与配置在内部的发光元件或受光元件的干涉、光轴正交方向的调整余量的减小、涂布在脚部端面上的粘接剂的溢出，容易导致内部部件等的污染等。并且，如果考虑到起模斜度而增加脚部根部的厚度，则成型时的收缩的影响波及镜头部而容易导致光学性能下降。针对此，如果将脚部的内径固定不变，增加脚部的壁厚或者增加脚部的根部厚度，则随之脚部的外径增大，可能与周围部件发生干涉。另一方面，如果不改变脚部根部侧的厚度而减薄脚部的前端侧来设置起模斜度，虽然也可以抑制脚部的外径，但由此脚部前端的粘接剂涂布面积减小，存在粘接强度降低的问题。

针对此，在专利文献2的图9中公开了一种将脚部形成为锥状而在成型后能够容易地取下模具的脚部一体型透镜。然而，专利文献2的图9用来说明在内侧面反射的激光成为杂散光噪声的应该解决的课题，为此，在专利文献2中提出了使脚部与光轴平行的方案。换言之，在专利文献2中对在维持脚部的锥状的状态下能够有效抑制杂散光噪声的技术不仅没有公开也没有给出启示。

本发明是鉴于上述问题点而提出的，目的在于提供一种光通信用透镜及使用该透镜的光通信模块，能够进行高精度的光通信且谋求小型化，并且提高成型性及组装性，结果能够谋求大幅降低成本。

用于解决课题的技术方案

第一方面所述的光通信用透镜为将由光学元件或光纤射出的光束会聚的光通信用透镜，其特征在于，使用塑料原材料形成，将筒状的脚部和与所述脚部连接的透镜部一体地成型而成，所述脚部的内周面成为相对于所述透镜部的光轴倾斜的锥面，所述锥面形成为从所述透镜部向所述脚部侧的透镜端面扩展且是非镜面。

根据本发明，所述脚部的内周面成为相对于所述透镜部的光轴倾斜的锥面，所述锥面形成为从所述透镜部向所述脚部侧的透镜端面扩展，所以能够提高成型时的脱模性，而且，能够避免与设置于脚部内部的发光元件\受光元件等部件的干涉，确保通过向光轴正交方向的位移来进行芯对准的调整余量，因此，能够实现高精度的光耦合。需要说明的是，如果增大锥面的锥角，则脱模性进一步提高，但是可能因透镜外径的增大而导致与周围部件发生干涉，或者随着脚部的薄壁化而导致强度降低、粘接性降低等。于是，在本发明中，稍微抑制所述锥面的锥角，确保所述脚部的强度、小型化及粘接性，并且，另一方面，通过使所述脚部的内周面设为非镜面，减少成型时模具与塑料原材料的紧密接触面积，提高脱模性。而且，因为将所述透镜部与所述脚部一体成型，并且由于是光通信用透镜，所述光学元件位于与所述脚部接近的位置，所以向所述透镜内射出的光由于透过所述脚部或发生反射而可能成为杂散光。特别是，很难预测透过所述脚部的光在所述透镜内如何进行反射而最终成为杂散光的情况，但是，通过使所述脚部的内周面设为非镜面，能够有效地抑制透过或反射引起的杂散光噪声的发生。在此，“非镜面”是指不是镜面的面，镜面是指根据日本JIS 0601-1976(表面粗糙度的规格)，十点平均粗糙度Rz为0.8μm以下的面。而且，“光学元件”包括发光元件和受光元件。不足0.8μm的粗糙度不能适当地抑制杂散光噪声，而且将本发明的透镜从模具脱模时的脱模性变差。

第二方面所述的光通信用透镜的特征在于，在第一方面的基础上，所述内周面相对于所述透镜部的光轴的锥角为2°以上40°以下。

如果所述锥角为2°以上，则能够确保脱模性。另一方面，如果所述锥角为40°以下，则能够确保所述脚部的强度，既抑制其外径，又确保内部空间，能够抑制与内部部件的干涉，进而能够确保所述脚部端面的面积，所以通过足够的粘接面积能够提高粘接强度。优选的是，所述锥角为3°以上10°以下。

第三方面所述的光通信用透镜的特征在于，在第一方面或第二方面的基础上，所述脚部的内周面的十点平均粗糙度Rz为1.0μm以上50μm以下。

如果所述脚部的内周面的十点平均粗糙度Rz为1.0μm以上，则能够确保脱模性，而且能够抑制反射光的杂散光噪声。另一方面，如果所述脚部的内周面的十点平均粗糙度Rz为50μm以下，则能够抑制所述内周面的凹凸被卡在模具表面而引起的脱模性的恶化。更加优选的是，所述内周面的十点平均粗糙度Rz为5.0μm以上40μm以下。

第四方面所述的光通信用透镜的特征在于，在第一方面至第三方面中任一方面的基础上，所述脚部的长度为1mm以上4mm以下。

如果所述脚部的长度为1mm以上，则与设置于所述脚部内部的发光元件、受光元件等发生干涉的可能性降低，如果所述脚部的长度为4mm以下，则能够确保脱模性，并且能够控制光通信模块的全长。特别是目前，因为大量设置了具有玻璃制透镜的光通信模块，所以从将现有的玻璃制透镜置换为本发明的透镜时的整合性等问题出发，优选的是，脚部的长度为4mm以下。

第五方面所述的光通信用透镜的特征在于，在第一方面至第四方面中任一方面的基础上，所述脚部的长度L与所述透镜的外径D之比(L/D)为0.2以上2以下。

如果所述比(L/D)为0.2以上，则与设置于所述脚部内部的发光元件、受光元件等发生干涉的可能性降低，如果所述比(L/D)为2以下，则能够确保脱模性，并且能够控制光通信模块的全长。更加优选的是，L/D＝0.2～1。需要说明的是，脚部的长度L是指除了光学面以外的透镜内表面中，从距安装基准面最远处到安装基准面的沿光轴方向的距离。

第六方面所述的光通信用透镜的特征在于，在第一方面至第四方面中任一方面的基础上，所述光学元件为LED(Light Emitting Diode：发光二极管)、LD(Laser Diode：激光二极管)、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直腔面发射激光器)、PD(Photo Diode：光电二极管)。

第七方面所述的光通信模块的特征在于，在支承光学元件的基板上组装第一方面至第六方面中任一方面的光通信用透镜而成。

发明效果

根据本发明，能够提供既可进行高精度的光通信，又能够谋求小型化且提高成型性及组装性，结果实现成本大幅降低的光通信用透镜及使用该透镜的光通信模块。

附图说明

图1是本实施方式的光通信模块10的光轴方向剖面图；

图2是表示本实施方式的透镜的制造工序(a)～(c)的示意图；

图3是比较例的透镜20′的剖面图；

图4是实施例的透镜20的剖面图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是本实施方式的光通信模块10的光轴方向剖面图。在具有供电用棒状端子11的圆板状芯柱12的中央安装芯片搭载部13，在芯片搭载部13的侧面经由散热片14安装作为发电元件的激光芯片15。激光芯片15经由未图示的配线与端子11连接。需要说明的是，作为光学元件，使用LED(Light Emitting Diode：发光二极管)、LD(Laser Diode：激光二极管)、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直腔面发射激光器)等。而且，对所使用的波长而言，在单模时通常使用1310±15nm或1550±15nm左右的波长，而在多模时使用850±15nm左右的波长。另外，在使用受光元件的情况下，使用PD(Photo Diode：光电二极管)等。

配置透镜20而使之覆盖激光芯片15的外侧。透镜20为塑料制，由大致圆筒状的脚部21与设置于脚部21的端部的透镜部22一体地形成。通过将脚部21的前端21b粘接在芯柱12上，透镜20安装在芯柱(支承光学元件的基板)12上。需要说明的是，脚部21的前端21b为安装基准面。而且，芯柱12通常由具有相同厚度的陶瓷材料形成，从光轴方向观察时呈圆板状的形状，但也可以具有厚度不同的部分，也可以是多边形状、椭圆形状等。另外，从光轴方向观察时，芯柱12的大小大于支架30的外径，此外，芯柱12的表面被实施了镀金。

脚部21的内周面21a为从透镜部22向脚部21侧的透镜端面扩大形成的锥面且是粗糙面。锥面相对于光轴的锥角θ为2°以上40°，在此θ为5°。而且，粗糙面的十点平均粗糙度Rz为1.0μm以上50μm以下，在此Rz为8μm。虽然脚部21与芯柱12通过焊接等进行接合即可，但是在通常情况下大多使用粘接剂进行接合。作为粘接剂，可以举出热固性粘接剂、热熔融性粘接剂、UV固化粘接剂、厌氧压敏性粘接剂、环氧类粘接剂等，但优选使用粘接时对透镜影响较小的UV固化粘接剂或者环氧类粘接剂，而且期待使用对金属类与树脂类具有足够的粘接力，低粘度且液体不会蔓延的触变性较高的粘接剂。需要说明的是，具有脚部21的透镜20为树脂制，基板12通常被实施有镀金，所以脚部21的底面使用粘接剂而非焊接等安装。

实施方式的透镜20在光轴方向上的全长H为3.5mm，其外径D为4.7mm，脚部21在光轴方向上的长度为2mm。透镜可以通过普遍采用的注塑成型来成型。作为光通信用透镜所使用的树脂，只要是红外线透射率良好的树脂即可，不进行特别的限制，可以举出丙烯酸树脂、聚碳酸酯树脂、聚酯树脂、环烯烃树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂，聚酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚甲基戊烯树脂、硅树脂、环氧树脂等。其中，从难以因吸湿而光学性能的变化这一观点出发，特别优选使用环烯烃树脂。另外，虽然优选从光轴方向观察时透镜20的形状为圆形，但也可以是四边形等多边形状或者椭圆形状。此外，光通信用透镜的外形大小通常为2～6mm，光轴方向上的全长为3～7mm。需要说明的是，在本说明书中，光轴是指在透镜部22中通过最厚部分或最薄部分，或者透镜部22中心的直线。

而且，在本说明书中记载为“大致○○”的情况下，也包括“○○”自身。例如，大致光轴方向也包括光轴方向。另外，大致光轴方向是指从光轴倾斜的倾斜度为2度以下的方向。

在透镜20的光轴正交方向的外侧，与该透镜20隔着间隙而将圆筒状不锈钢制的支架30通过焊接安装在芯柱12上。在支架30的前端固定直径更小的圆筒状的套筒31，在其内部插入插有光纤FB的套圈32，光纤FB的端部与透镜部22相对。优选的是，支架30的内周与透镜20的外周在光轴周方向上的距离为0.002mm～0.020mm之间。通过使该距离为0.002mm以上，能够将支架30顺利地套在透镜20上，通过使该距离为0.020mm以下，能够使支架30与透镜20大致嵌合。

说明本实施方式的光通信模块10的动作。如果经由端子11进行供电，则激光芯片15发光，该射出光束通过透镜部22在折射面上发生折射，集聚在光纤32的端面，之后向光纤32内传播。需要说明的是，从激光芯片15射出并射入脚部21的内周面21a的光在粗糙面上发生扩散，所以抑制光返回到激光芯片15以及杂散光进入光纤FB内，从而能够抑制杂散光噪声。

图2是表示本实施方式的透镜的制造工序的示意图。首先，在图2(a)中，通过放电加工，从模具的原材料M中形成脚部转印面Ma。更具体地说，使用具有与加工结束后的脚部转印面Ma类似形状的电极ET，对模具的原材料M进行放电加工。此时，在与脚部21的内周面21a对应的电极ET表面形成微小凹凸等，能够使脚部转印面Ma的对应部位成为粗糙面。粗糙面的粗糙度可以通过电极ET的速度、电压等进行调整。另外，与透镜部22对应的光学面转印面Mb通过切割加工而形成。

如图2(b)所示，将按照上述方式形成的模具M1与平板状模具M2夹紧，经由未图示的浇口向内部的型腔内注入熔融的塑料(丙烯酸塑料、PC等)。进而，如图2(c)所示，在原材料冷却后使透镜20脱模。此时，脚部21的内周面21a为相对于透镜部22的光轴倾斜的锥面，所以能够提高成型时的脱模性。而且，因为使脚部转印面Ma的对应部位适当成为粗糙面，所以脱模性进一步提高。

此外，如图1所示，在将透镜20组装在芯柱12上时，因为脚部21的内周面21a为相对于透镜部22的光轴倾斜的锥面，所以能够抑制与设置于脚部21内部的芯片搭载部13等的干涉。而且，在将透镜20粘接在芯柱12上时，在向光轴正交方向位移来进行芯对准的情况下，即使确保较大的该调整余量，也能够抑制与芯片搭载部13等的干涉，所以能够实现高精度的光耦合。

下面，与比较例进行比较来说明本实施方式的实施例。图3是比较例的透镜20′的剖面图，图4是实施例的透镜20的剖面图。比较例与实施例的不同之处只在于脚部的结构。

在图3所示的比较例中，从透镜部22沿光轴方向延伸的脚部21′的内周面与光轴平行。在使该透镜20′成型时，发生了只有脚部21′残留在模具中的现象(在透镜部与脚部的边界部分断开)。即使在只有脚部21′不残留在模具中的情况下，在打开模具取出成型品时，脚部21′也被模具卡住而发生变形。于是，对是否改变成型条件可改善脱模性进行了研究。最初尝试了提高保压来增加透镜部与脚部的强度。虽然将保压提高至基本条件的1.5倍，但只起到了脚部被切断的频率降低少许程度的效果。接着，尝试了减慢取出成型品时模具的顶出速度。模具由在光轴方向上前后滑动的透镜部与由独立部件形成的脚部构成，构成为通过顶出构成透镜部的模具来使脚部脱模的结构。尝试将速度降低至可设定的最大速度的5％，但一旦顶出模具，透镜部与脚部的边界就断开，脚部残留在模具侧。然后，尝试了延长周期，待透镜完全冷却固化后再取出。周期延长至基本条件的2倍长，其结果，虽然只有脚部21′残留在模具中的情况大幅减少，但却没有完全杜绝。因此，判定为存在成型品的光学性能恶化，不能连续成型的问题。

另一方面，在图4所示的实施例中，从透镜部22沿光轴方向延长的脚部21的内周面21a相对于光轴具有θ＝5°锥角。在使该透镜20成型时，即使不改变延长周期等成型条件，在基本条件下成型后取出成型品时，脚部21也不会被卡住而能够脱模。而且，也不会只有脚部21断开而残留在模具中，能够稳定地连续成型。进而，对脚部21的内周面21a而言，通过放电加工形成对应的模具的部位，使成型面成为粗糙的面(十点平均粗糙度Rz约为8μm)。因此，从发光元件射出的光不在内周面反射进入受光元件而成为杂散光噪声。并且，实施例的透镜20与比较例的透镜相比，脚部前端侧的开口口径较大，所以在设有发光元件/受光元件的芯柱上实际安装时，即使涂布于安装基准面的粘接剂向内侧溢出，也不会与元件、配线接触，所以不会因粘接剂而产生坏影响。

本发明不限于说明书所述的实施方式及实施例，本领域的技术人员从本说明书所述的实施方式、实施例、技术思想出发，显然会想到也包括其他的实施例、变形例。例如，为了在受光元件上会聚从光纤射出的光，可以使用本发明的透镜，而且，在本发明的目的范围内锥面也可以形成为具有台阶部或R的形状。

符号说明

10  光通信模块

11  端子

12  芯柱

13  芯片搭载部

14  散热片

15  激光芯片

20  透镜

21  脚部

21a 内周面

21b 前端

22  透镜部

30  支架

31  套筒

32  光纤

M   模具的原材料

M1  模具

M2  模具

Ma  脚部转印面

Mb  光学面转印面

FB  光纤

Claims (7)

1.一种光通信用透镜，其将由光学元件或光纤射出的光束会聚，其特征在于，

使用塑料原材料形成，将筒状的脚部和与所述脚部连接的透镜部一体地成型而成，所述脚部的内周面成为相对于所述透镜部的光轴倾斜的锥面，所述锥面形成为从所述透镜部向所述脚部侧的透镜端面扩展且是非镜面。

2.如权利要求1所述的光通信用透镜，其特征在于，所述内周面相对于所述透镜部的光轴的锥角为2°以上40°以下。

3.如权利要求1或2所述的光通信用透镜，其特征在于，所述脚部的内周面的十点平均粗糙度Rz为1.0μm以上50μm以下。

4.如权利要求1～3中任一项所述的光通信用透镜，其特征在于，所述脚部的长度为1mm以上4mm以下。

5.如权利要求1～4中任一项所述的光通信用透镜，其特征在于，所述脚部的长度L与所述透镜的外径D之比(L/D)为0.2以上2以下。

6.如权利要求1～5中任一项所述的光通信用透镜，其特征在于，所述光学元件为LED、LD、VCSEL、PD。

7.一种光通信模块，其特征在于，在支承光学元件的基板上组装权利要求1～6中任一项所述的光通信用透镜而成。