CN104246568B - 光插座及具备该光插座的光学模块 - Google Patents

光插座及具备该光插座的光学模块 Download PDF

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Abstract

本发明的课题在于提供由简易结构来实现伴随监视的光发送且能够确保光程配置的自由度的光插座及具备该光插座的光学模块。采用如下方案：具备将发光元件(7)的光利用全反射分割为监视光和应耦合于光传输体(5)的耦合光的光分割面(14)，光分割面(14)具有第一曲面及第二曲面，该第一曲面从相对于光插座主体(2)中的光电转换装置(3)侧的第一面(2a)具有角度α[°]的倾斜角的第一假想基准平面朝向与第一面(2a)相反一侧膨出，该第二曲面与第一曲面连接且从相对于第一面(2a)具有角度β[°]的倾斜角的第二假想基准平面朝向与第一面(2a)相反一侧膨出，α及β满足α＞β＞临界角。

Description

光插座及具备该光插座的光学模块
技术领域
本发明是涉及光插座及具备该光插座的光学模块，尤其是涉及适合光学耦合发光元件与光传输体的光插座及具备它的光学模块。
背景技术
一直以来在使用光纤的光通信中，有采用面发光激光器(例如，VCSEL：VerticalCavitySurfaceEmittingLaser：垂直空腔表面发射激光器)等的发光元件的光学模块。
在这种光学模块中，有采用被称为光插座的光学模块零件，该光插座是使包含从发光元件射出的通信信息的光耦合于光纤的端面，由此用于经由光纤的光发送。
此外，一直以来在光学模块中，已有完成以发光元件的输出特性对温度变化的稳定化或光输出的调整为目的，用于监视(monitor)从发光元件射出的光(强度或光量)的各种提案。
例如，在专利文献1中，有提出透镜阵列的发明，其在透镜阵列主体的凹部内配置反射/透射层，且由该反射/透射层将发光元件的光分割为应耦合于光纤的耦合光和监视光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-133807号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献1所记载的发明中，由反射/透射层中的反射来取得监视光，并且由构成反射/透射层的金属单层膜或是介质多层膜的材质或厚度的选择来进行监视光与耦合光的光量比的调整。
相对于此，本发明人是由比专利文献1所记载的发明还少的零件数来实现监视光的取得以及监视光与耦合光的光量比的调整，并且为了确保光程配置的自由度而进行精心研究，以至完成本发明。
本发明是鉴于这种问题点而完成，其目的在于提供一种由简易结构来实现伴随监视的光发送，并且可确保光程配置的自由度的光插座及具备该光插座的光学模块。
用于解决课题的方案
为了达成上述目的，本发明的方案一的光插座，其在配置于光电转换装置与光传输体之间的状态下能够光学耦合上述发光元件与上述光传输体，上述光电转换装置具有发光元件以及接收用于监视从该发光元件发出来的光的监视光的受光元件，上述光插座的特征在于，具备：光插座主体中的上述光电转换装置侧的第一面，其进行来自上述发光元件的上述光的入射以及朝向上述受光元件的上述监视光的射出；光分割面，其在与该第一面相反一侧的上述光插座主体中的第二面上以入射于上述第一面的上述发光元件的上述光进行内部入射的方式进行配置，且将进行内部入射后的上述发光元件的光利用全反射分割为上述监视光和应耦合于上述光传输体的耦合光；监视光反射面，其由凹部的内斜面所形成，该凹部凹设于上述第二面上的相对于上述光分割面的上述监视光及上述耦合光的全反射方向侧的位置，上述监视光反射面使从上述光分割面侧入射后的上述监视光朝向上述第一面中的与上述受光元件对应的位置反射；以及上述光插座主体中的上述光传输体侧的第三面，其将通过上述凹部中的比上述监视光反射面靠上述第二面侧的部位的上述耦合光朝向上述光传输体射出；上述光分割面具有：第一曲面，其形成为，从相对于上述第一面具有角度α[°]的倾斜角的第一假想基准平面朝向与上述第一面相反一侧膨出；以及第二曲面，其形成为，与该第一曲面连接并且从相对于上述第一面具有角度β[°]的倾斜角的第二假想基准平面朝向与上述第一面相反一侧膨出，α及β满足以下的(1)所示的条件式：α＞β＞临界角…(1)，上述发光元件的光中的一部分光向上述第一曲面以比上述临界角大的入射角进行内部入射并作为上述耦合光进行全反射；上述发光元件的光中的上述一部分光以外的其他一部分光向上述第二曲面以比上述临界角大且比上述第一曲面中的上述入射角小的入射角进行内部入射并作为上述监视光进行全反射。
并且，根据该方案一的发明，由于能够利用光分割面中的全反射将发光元件的光分割为监视光与耦合光，因此能够仅由光分割面的面形状这样的几何学结构来实现监视光的取得及监视光与耦合光的光量比的调整，此外，由于能够利用构成光分割面的第一曲面及第二曲面的聚光功能及全反射方向控制功能，使耦合光及监视光朝向所期望的方向一边进行全反射一边进行会聚，因此能够自由地配置各光的光程。
此外，方案二的光插座的特征在于，在方案一中更具有以下的特征点：上述第二曲面相对于上述第一曲面配置在上述第一面侧。
根据该方案二的发明，能够容易设计经由监视光反射面而从第一面射出的监视光的光程。
再者，方案三的光插座的特征在于，在方案一或二中更具有以下的特征点：上述第一曲面及上述第二曲面成为自由曲面。
根据该方案三的发明，能够更进一步提高监视光及耦合光的光程配置的自由度。
再者，方案四的光插座的特征在于，在方案一至三中任一项中更具有以下的特征点：在上述第一面上形成有使上述发光元件的光朝向上述光分割面入射的第一透镜面，在上述第三面上形成有使上述耦合光朝向上述光传输体会聚地射出的第二透镜面。
根据该方案四的发明，能够更适当地进行耦合光向光传输体的耦合。
此外，方案五的光插座的特征在于，在方案四中更具有以下的特征点：上述第一曲面及上述第二曲面的各自的面顶点配置于包含上述第一透镜面上的光轴及上述第二透镜面上的光轴的假想平面上。
并且，根据该方案五的发明，能够进行更简便的光程设计。
再者，方案六的光插座的特征在于，在如方案一至五中任一项中更具有以下的特征点：上述监视光反射面成为以上述监视光以比临界角还大的入射角进行内部入射的方式配置的仅由上述凹部的内斜面构成的全反射面。
根据该方案六的发明，能够更进一步削减零件数。
再者，方案七的光学模块的特征在于，具备：根据方案一至六中任一项所记载的光插座；以及根据方案一所记载的光电转换装置。
根据该方案七的发明，能够仅由光分割面的几何学结构来实现伴随监视的光发送，并且能够利用光分割面的聚光功能及全反射方向控制功能来确保光程配置的自由度。
发明效果
根据本发明，能够由简易结构来实现伴随监视的光发送并且能够确保光程配置的自由度。
附图说明
图1是表示本发明的光插座及具备该光插座的光学模块的实施方式的概要结构图。
图2是图1所示的光插座的俯视图。
图3是图1所示的光插座的主要部分放大图。
具体实施方式
以下，参照图1至图3说明本发明的光插座及具备该光插座的光学模块的实施方式。
图1是与本实施方式的光插座2的纵剖视线图一起表示本实施方式的光学模块1的概要的概要结构图。此外，图2是图1所示的光插座2的俯视图。此外，图1所示的光插座2相当于图2的A-A剖面。
如图1所示，本实施方式的光插座2(光插座主体)是配置在光电转换装置3与作为光传输体的光纤5之间。
此处，图1的光电转换装置3成为基板安装型的光电转换装置3。即，如图1所示，光电转换装置3在相对于光插座2的下端面2a平行配置的半导体基板(电路基板)6中的光插座2侧的面(上面)具有使激光La相对于该面朝向垂直方向(上方向)射出(发光)的一个发光元件7，该发光元件7构成上述的VCSEL(垂直空腔表面发射激光器)。此外，光电转换装置3在半导体基板6中的光插座2侧的面上且在相对于发光元件7的图1中的右方位置具有一个受光元件8，其接收用于监视从发光元件7射出的激光La的输出(例如，强度或光量)的监视光M。该受光元件8也可以为光电检测器。再者，虽然未图示，但在半导体基板6中的光插座2侧的面上安装基于由受光元件8接收的监视光M的强度或光量来控制从发光元件7发出的激光La的输出的控制电路等电子零件，该电子零件是经由配线而与发光元件7及受光元件8电连接。这种光电转换装置3是例如由配置于半导体基板6与光插座2之间的粘接剂(例如，热硬化性树脂/紫外线硬化性树脂)等公知的固定手段而安装于光插座2，由此与光插座2一起构成光学模块1。
此外，如图1所示，就光纤5而言，将端面5a侧的规定长度的部位与保持该部位的圆筒状的箍圈(ferrule)9一起以能装卸的方式安装在形成于光插座2的筒状的光纤安装部4内。在该安装状态中，光纤5中的端面5a侧的部位(收容于光纤安装部4内的部位)相对于半导体基板6成为平行。此外，光纤5可为单模光纤(singlemodeopticalfiber)及多模光纤(multimodeopticalfiber)中的任一种。
而且，光插座2在配置于这种光电转换装置3与光纤5之间的状态下使发光元件7与光纤5的端面5a光学耦合。
对该光插座2进一步详述时，如图1所示，光插座2的具有各种光学面的主要部分的外形形成为大致梯形柱状。即，如图1及图2所示，光插座2的主要部分是由作为第一面的下端面2a、作为第二面的上端水平面2b及上端倾斜面2c、作为第三面的右端面2d、以及前端面2e及后端面2f的各面构成粗略的外形。此外，下端面2a与上端水平面2b是彼此呈平行。此外，上述光纤安装部4以从右端面2d朝向右方延伸的方式形成。
这种光插座2是能够由使用例如聚醚酰亚胺等的树脂材料的注射模塑成形而一体形成。
如图1所示，在光插座2的下端面2a上形成有相对于下端面2a朝向上方凹入的剖面大致梯形状的第一凹部10。而且，如图1所示，在该第一凹部10的内底面上形成有一个第一透镜面11。该第一透镜面11形成为平面圆形状，并且形成为使凸面朝向发光元件7侧的球面或者非球面的凸透镜面。此外，第一透镜面11上的光轴OA(1)的轴向还可以与第一凹部10的内底面及该内底面以外的下端面2a正交。
如图1所示，此种第1透镜面11在光插座2安装有光电转换装置3之状态下，使从发光元件7射出的激光La从下方入射。而且，第一透镜面11使入射后的激光La会聚(例如，准直)并向光插座2的内部行进。
此外，如图1及图2所示，在第一透镜面11的相反侧配置有上述光插座2的上端倾斜面2c，在该上端倾斜面2c上配置有光分割面14。该光分割面14使入射到第一透镜面11的发光元件7的激光La从下方进行内部入射。而且，光分割面14将进行内部入射后的发光元件7的激光La利用全反射分割为监视光M与应耦合于光纤5的耦合光Lc。
更具体而言，如图3所示，光分割面14由第一曲面S(1)及第二曲面S(2)构成，该第一曲面S(1)形成为，从相对于下端面2a具有角度α[°]的倾斜角的第一假想基准平面S(α)向与下端面2a相反一侧膨出，该第二曲面S(2)形成为，与该第一曲面S(1)连接，且从相对于下端面2a具有角度β[°]的倾斜角的第二假想基准平面S(β)向与下端面2a相反一侧膨出。
此外，α及β是满足以下的(1)所示的条件式。
α＞β＞临界角(1)
而且，发光元件7的激光La中的一部分光向第一曲面S(1)以比临界角还大的入射角进行内部入射，并由该第一曲面S(1)朝向图1及图3中的右方作为耦合光Lc进行全反射。同时，发光元件7的激光La中的向第一曲面S(1)的入射光以外的其他一部分光向第二曲面S(2)以比临界角还大且比第一曲面S(1)中的入射角还小的入射角进行内部入射，由该第二曲面S(2)朝向图1及图3中的右下方作为监视光M进行全反射。
此外，如图1及图3所示，在本实施方式中，由于第二曲面S(2)在比第一曲面S(1)靠下端面2a侧(下侧)且与耦合光Lc的全反射方向相反一侧(左侧)连接，因此耦合光Lc在比监视光M靠上方的光程上行进。
回到图1，在监视光M及耦合光Lc的全反射方向侧(图1中的右方)与上端倾斜面2c连接的光插座2的上端水平面2b上朝向下方凹设有具有剖面大致五角形状的第二凹部16。如图1所示，第二凹部16具有与其内底面161的左端部连接的内斜面162。该内斜面162成为监视光反射面162。该监视光反射面162形成为如随着朝向光分割面14侧(左方)而向上端水平面2b侧(上方)倾斜的倾斜平面。
如图1所示，这种监视光反射面162使由光分割面14进行全反射后的监视光M以比临界角还大的入射角进行内部入射。而且，监视光反射面162使进行内部入射后的监视光M朝向下端面2a中的与受光元件8对应的位置进行全反射。这样由监视光反射面162而进行全反射后的监视光M从下端面2a射出并耦合于受光元件8。
另一方面，第二凹部16中的与监视光反射面162的上端连接的左内侧面163和与该左内侧面163对置的右内侧面164彼此平行且与下端面2a呈垂直。
而且，如图1所示，由光分割面14进行全反射后的耦合光Lc通过第二凹部16中的左内侧面163与右内侧面164之间的部位向光纤5侧行进。
此外，如图1所示，光插座2的主要部分的右端面2d形成为面对光纤5的端面5a的第二透镜面12。该第二透镜面12形成为平面圆形状，并且形成为使凸面朝向光纤5的端面5a侧的球面或者非球面的凸透镜面。此外，第二透镜面12上的光轴OA(2)期望与光纤5的端面5a的中心轴一致。
如图1所示，这种第二透镜面12使通过第二凹部16后的耦合光Lc进行内部入射。而且，第二透镜面12使该进行内部入射后的耦合光Lc会聚并朝向光纤5的端面5a射出。
根据以上的结构，由于能够利用光分割面14中的全反射，将发光元件7的激光La分割为监视光M与耦合光Lc，因此能够仅由光分割面14的面形状的几何学结构来实现监视光M的取得及监视光M与耦合光Lc的光量比的调整。此外，由于能够利用构成光分割面14的第一曲面S(1)及第二曲面S(2)的聚光功能及全反射方向控制功能，使监视光M及耦合光Lc朝向所期望的方向一边进行全反射一边进行会聚，因此能够自由配置各光的光程。
此外，根据上述结构，由于能够使监视光M进行全反射的第二曲面S(2)位于比使耦合光Lc进行全反射的第一曲面S(1)靠下端面2a侧，因此能够容易设计经由监视光反射面162而从下端面2a射出的监视光M的光程。
再者，根据上述结构，可经由第一透镜面11及第二透镜面12更适当地进行耦合光Lc向光纤5的耦合。
再者，根据上述结构，由于能够仅由光插座2的面形状来构成监视光反射面162，因此能够进一步削减零件数。
此外，除了上述结构以外，第一曲面S(1)及第二曲面S(2)也可进一步分别形成为自由曲面。
在此情况下，在将假想基准平面S(α)、S(β)的面法线方向取为Z轴、在与Z轴正交的方向取为X轴、Y轴，且以Z轴中的曲面S(1)、S(2)的膨出方向为正，以k为圆锥系数，以Zs、Za、Zc为系数，r＝(X2+Y2)1/2，以rmax为r的最大值时，自由曲面也可以以下式来表示。
Z＝cr2/[1+{1-(1+k)c2r2}1/2]+Zs×r4/rmax 4+Za×Y2/rmax 2+(Zc×r2/rmax 2)×(Y/rmax)(2)
此时，X轴也可以取为透镜阵列2的深度方向(图1中的纸面垂直方向)，Y轴也可以取为假想基准平面S(α)、S(β)的倾斜方向。
若这样构成，则可以进一步提高监视光M及耦合光Lc的光程配置的自由度。
此外，除了上述结构以外，第一曲面S(1)及第二曲面S(2)的各自的面顶点也可配置于包含第一透镜面11上的光轴OA(1)及第二透镜面12上的光轴OA(2)的假想平面(A-A剖断面)上。
若这样构成，则可以进一步实现简便的光程设计。
实施例
其次，在本实施例中，对使用图1至图3所示的光学模块1的监视光M及耦合光Lc的光量比调整的具体例进行说明。
此外，在本实施例中，将透镜阵列2由相对于λ＝850nm的折射率为1.64的PEI(聚醚酰亚胺)来注射模塑成形。这种本实施例的透镜阵列2的临界角为38°。
此外，在本实施例中，将第一曲面S(1)及第二曲面S(2)形成为均满足(1)式及(2)式的自由曲面。
具体参数如下。
＜第一曲面S(1)＞
α＝45°、c＝1/-2.6580、X＝1[mm]、Y＝1.414[mm]、k＝-62、rmax＝0.707[mm]、Zs＝-1.7504、Za＝0.0876、Zc＝0.0029
＜第二曲面S(2)＞
β＝38°、c＝1/-2.6580、X＝1[mm]、Y＝1.414[mm]、k＝-62、rmax＝0.707[mm]、Zs＝-1.7504、Za＝0.0876、Zc＝0.0029
这样，就第一曲面S(1)与第二曲面S(2)而言，由于假想基准平面的角度(α、β)以外的参数一致(同一形状)，因此从各曲面S(1)、S(2)至仅与各自的面形状相应的设计上的聚光点为止的光程长度彼此成为相同。
此外，在本实施例中，将第一曲面S(1)及第二曲面S(2)的各自的面顶点配置在包含第一透镜面11上的光轴OA(1)及第二透镜面12上的光轴OA(2)的假想平面(A-A剖断面)上。
再者，在本实施例中，将第一透镜面11上的光轴OA(1)配置在第一曲面S(1)与第二曲面S(2)的界线上。
根据这种本实施例，如果忽视因光程上的吸收或菲涅耳反射等引起的损失，则能够将监视光M与耦合光Lc的光量比调整在大致1：1。顺便一提，如果使光轴OA(1)相对于第一曲面S(1)与第二曲面S(2)的界线错开于其中一方的曲面侧，则由于能够使对其一方的曲面的入射光量比对另一方的曲面的入射光量还大，因此还能够通过调整光轴OA(1)对这种界线的偏移量，来调整监视光M与耦合光Lc的光量比。
此外，本发明不限于上述的实施方式，只要在不损本发明的特征的限度内仍可以做各种变更。
例如，本发明作为光插座还可应用于将第一透镜面11及第二透镜面12分别排列配置于图1的纸面垂直方向的透镜阵列。在此情况，光电转换装置3的发光元件7及光纤5还可以按照透镜面11、12配置多个即可。
此外，本发明也可应用于光导波路等的光纤5以外的光传输体。
符号说明
1—光学模块，2—光插座，2a—下端面，2b—上端水平面，2c—上端倾斜面，2d—右端面，3—光电转换装置，5—光纤，7—发光元件，8—受光元件，14—光分割面，16—第二凹部，162—监视光反射面。

Claims (7)

1.一种光插座，其在配置于光电转换装置与光传输体之间的状态下能够光学耦合发光元件与上述光传输体，上述光电转换装置具有发光元件以及接收用于监视从该发光元件发出来的光的监视光的受光元件，
上述光插座的特征在于，具备：
光插座主体中的上述光电转换装置侧的第一面，其进行来自上述发光元件的上述光的入射以及朝向上述受光元件的上述监视光的射出；
光分割面，其在与该第一面相反一侧的上述光插座主体中的第二面上以入射于上述第一面的上述发光元件的上述光进行内部入射的方式进行配置，且将进行内部入射后的上述发光元件的光利用全反射分割为上述监视光和应耦合于上述光传输体的耦合光；
监视光反射面，其由凹部的内斜面所形成，该凹部凹设于上述第二面上的相对于上述光分割面的上述监视光及上述耦合光的全反射方向侧的位置，上述监视光反射面使从上述光分割面侧入射后的上述监视光朝向上述第一面中的与上述受光元件对应的位置反射；以及
上述光插座主体中的上述光传输体侧的第三面，其将通过上述凹部中的比上述监视光反射面靠上述第二面侧的部位的上述耦合光朝向上述光传输体射出；
上述光分割面具有：
第一曲面，其形成为，从相对于上述第一面具有角度α[°]的倾斜角的第一假想基准平面朝向与上述第一面相反一侧膨出；以及
第二曲面，其形成为，与该第一曲面连接并且从相对于上述第一面具有角度β[°]的倾斜角的第二假想基准平面朝向与上述第一面相反一侧膨出，
α及β满足以下的(1)所示的条件式：
α＞β＞临界角(1)，
上述发光元件的光中的一部分光向上述第一曲面以比上述临界角大的入射角进行内部入射并作为上述耦合光进行全反射；
上述发光元件的光中的上述一部分光以外的其他一部分光向上述第二曲面以比上述临界角大且比上述第一曲面中的上述入射角小的入射角进行内部入射并作为上述监视光进行全反射。
2.根据权利要求1所述的光插座，其特征在于，
上述第二曲面相对于上述第一曲面配置在上述第一面侧。
3.根据权利要求2所述的光插座，其特征在于，
上述第一曲面及上述第二曲面成为自由曲面。
4.根据权利要求1～3任一项所述的光插座，其特征在于，
在上述第一面上形成有使上述发光元件的光朝向上述光分割面入射的第一透镜面；
在上述第三面上形成有使上述耦合光朝向上述光传输体会聚地射出的第二透镜面。
5.根据权利要求4所述的光插座，其特征在于，
上述第一曲面及上述第二曲面的各自的面顶点配置于包含上述第一透镜面上的光轴及上述第二透镜面上的光轴的假想平面上。
6.根据权利要求1～3任一项所述的光插座，其特征在于，
上述监视光反射面成为以上述监视光以比临界角大的入射角进行内部入射的方式配置的仅由上述凹部的内斜面构成的全反射面。
7.一种光学模块，其特征在于，具备：
根据权利要求1～6任一项所记载的光插座；以及
根据权利要求1所记载的光电转换装置。
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