CN108957634A - 光学元件和光连接器 - Google Patents

Abstract

本发明提供价格低廉且能够抑制环境温度变化时的损失的光连接器以及用于该光连接器的光学元件。与保持单模用光纤的插芯连结的光学元件具有形成有多个透镜的玻璃制光学部和保持所述光学部的树脂制保持部，使用所述保持部的至少局部，使所述透镜相对于所述光纤的被所述插芯保持的端部定位。

Description

光学元件和光连接器

技术领域

本发明涉及例如适合用于光通信等的光学元件和光连接器。

背景技术

在包括路由器等网络装置、服务器、大型计算机在内的各种信息/信号处理装置中，信息/信号处理的大规模化、高速化在不断进步。在这些装置中，一直以来都是借助电气布线来进行电路基板(板：Board)中的CPU与存储器相互间、布线基板相互间、装置(架：Rack)相互间等的信号传送。但是，从传送速度、传送容量、消耗电力、来自传送路径的輻射、电磁波对传送路径的干扰等观点的优势出发，取代上述电气布线而将光纤等作为传送路径传送信号的所谓光互连(Optical Interconnect)开始被实际引进。在光互连中，为了实施光纤彼此的光耦合，而使用光连接器。一般的光连接器具有将从一个光纤的端部射出的光向另一个光纤的端部会聚的透镜。

然而，近年来，光通信信息量一直在增加，此外，信息的长距离/高速传送被热切期望。但是，在从以往便被使用的多模纤维的情况下，采用光纤的纤芯直径为50μm、62.5μm的光纤，由于是以多个模式传送光信号，因此存在信号的到达时间出现偏差、产生模色散(Mode Dispersion)这类问题。因此，由于因模色散而产生数据损失，故而不适合长距离/高速传送。

与此相对地，单模纤维是模场直径约为9μm的极细径的光纤，具有通过将光信号的传播设定为一个模式能够极力抑制衰减的优点。因此，与像多模纤维那样使用多个模式的传送方法不同，由于信号的到达时间单一，因此不产生模式损耗(mode loss)而适合长距离/高速传送，因此使用单模纤维的机会变多。

然而，作为使用单模纤维时的课题之一，存在如下问题，由于其模场直径较小，约为9μm，因此在使用光连接器对光纤彼此进行光耦合时，偏芯的允许度较小。尤其成为问题的是因环境温度变化所致的偏芯问题。以下，详细进行说明。

一般的光连接器为了增大信息量，多是将集束多个纤芯而成的多芯光纤体彼此耦合。在这样的用途中使用的光连接器一般而言，具有光学元件和被称为插芯的对多芯光纤体进行保持的部件，该光学元件配置于一对插芯之间，形成有多个用于使光在被保持于该插芯的多个纤芯端彼此间传播的透镜。

然而，即使在使用光连接器精度良好地耦合光纤彼此的情况下，若因环境温度变化而在各部分产生热膨胀差，则存在因耦合部的偏差等致使损失增大之虞。这里，一方面，光纤是玻璃制的，插芯多由混入有玻璃纤维的树脂成形，混入有玻璃纤维的树脂具有线膨胀系数接近玻璃的特性，因此可以说在两者间不易产生因热膨胀差所致的问题。另一方面，就光学元件而言，由于对规定的光学特性有要求，因此根据其材料选定的不同，有出现其与插芯之间的问题之虞。作为避免该问题的措施，例如在将透镜设定为玻璃制的情况下，由于线膨胀系数与光纤、插芯接近，因此虽然不易出现光耦合时的偏移问题，但存在成本上升这类问题。此外，玻璃一般不易成形，因此也存在如何设置对玻璃制的光学元件与插芯进行定位的构造的问题。

与此相对地，只要使用例如专利文献1的技术，利用含有玻璃纤维的树脂制作光学元件，就能精度良好地形成定位用嵌合孔等，同时能够抑制光学元件与插芯之间的线膨胀差，并由此能够抑制环境温度发生了变化时的效率损失。

专利文献1：日本特开2016-133518号公报

然而，在树脂中含有玻璃纤维的材料中，在技术上难以使折射率与温度特性匹配至满足光学特性的水平，并且，一般而言，由于是通过混入玻璃纤维，来给树脂着色，并由此减小透光率，因此难以将含有玻璃纤维的树脂用于在光连接器中使用的光学元件。

发明内容

本发明鉴于上述问题而产生，目的在于提供价格低廉且能够抑制环境温度变化时的损失的光连接器以及用于光连接器的光学元件。

本发明的光学元件是用于与保持单模用光纤的插芯连结的光学元件，具有：

玻璃制的光学部，其形成有多个透镜；和

树脂制的保持部，其保持所述光学部，

该光学元件使用所述保持部的至少局部，使所述透镜相对于在所述光纤的被所述插芯保持的端部定位。

根据本发明，能够提供价格低廉并且能够抑制环境温度变化时的损失的光连接器以及用于光连接器的光学元件。

附图说明

图1是第一实施方式的光连接器的立体图。

图2是分解示出光连接器的图。

图3是在使用耦合器将一对光连接器连接起来的状态下在通过图1的III-III线的铅垂面处进行切断并沿箭头方向进行观察的图。

图4是分解示出第二实施方式的光连接器的图。

图5是示出在本实施方式的光连接器120中使用的透镜板(光学元件)130的光学部130a的立体图。

图6是示出在本实施方式的光连接器120中使用的透镜板130的立体图。

图7是示出光学部130a的再热(Reheat)成形工序的图。

图8是示出透镜板130的嵌件成形工序的图。

图9是与圆轴22形成了卡合的透镜板130的主视图。

附图标记说明

10…光缆；11…光纤；12…包覆部；20、120…光连接器；21…插芯；21a…放大部；21b…端部孔；21c…贯通孔；21d…端面；21e…圆形开口；22…圆轴；30、130…透镜板；30a、130a…光学部；30b、130b…保持部；30c、130c…透镜面；30d…圆形孔；30e…矩形开口；41、42…耦合器；41a…凸缘部；41b…封闭端；41c…导出孔；41d…卡合凹部；42a…凸缘部；42d…卡合凸部；130e…矩形开口；130f…缺口；CV…型腔；MD1…上模；MD1a…光学面转印面；MD2…下模；MD2a…光学面转印面；MD2b…缺口转印面；MD3…上模；MD3a…凹部转印面；MD3b…框部；MD4…下模；MD4a…凹部转印面；MD4b…框部；MD4c…圆柱部。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，基于附图说明本发明的实施方式。图1是第一实施方式的光连接器的立体图。图2是分解示出光连接器的图。图3是在使用耦合器将一对光连接器连接起来的状态下在通过图1的III-III线的铅垂面处进行切断并沿箭头方向进行观察的图。通过将一对光连接器20彼此对合连结，能够实施光信号在光缆10间的传递。

在图1中，与多芯(这里为60芯)光缆10连结的光连接器20具有插芯主体21和作为光学元件的透镜板30。含有玻璃纤维的热固化性树脂制插芯21为近似长方体状，在与光缆10连结的端部一侧具有放大部21a。光缆10是借助包覆部12对由纤芯和包层构成的60根光纤11进行保护而成的(参见图3)。

如图3所示，在各放大部21a的内侧设置有供光缆10的端部插入的端部孔21b。以从端部孔21b的底部沿插芯21的长边方向延伸的方式形成有多个贯通孔21c，在该贯通孔21c内部保持有从光缆10的内部延伸的光纤11。光纤11为单模用，如图2所示，其顶端在与放大部21a相反侧的端面21d暴露。

在图2中，在一组使光纤11的顶端形成了暴露的贯通孔21c的左右方向两侧形成有圆形开口(孔)21e。在圆形开口21e中插入(植设)圆轴(轴部)22，使圆轴(轴部)的顶端从端面21d突出。

在图2中，透镜板30具有玻璃制的呈矩形板状的光学部30a和树脂制的呈矩形框状的保持部30b。保持部30b在中央具有矩形开口30e，在其内部的规定位置处嵌合配置有光学部30a。光学部30a的板厚t1比保持部30b的板厚t2小(t1＜t2)。

一方面，在光学部30a形成有以5行12列的方式呈阵列状排列的透镜面30c，在正面和背面对置的透镜面30c彼此构成光轴一致的具有双凸形状的透镜。光学部30a通过玻璃模制成形而形成，其四周在成形后利用机械加工被调整为与矩形开口30e相符合的形状。另外，若在光学部30a的包括透镜面30c在内的面上形成防反射膜，则能够抑制通信时的损失，故优选。

另一方面，保持部30b通过注塑成形等由含有玻璃纤维的树脂形成。在保持部30b的矩形开口30e的左右方向两侧分别形成有圆形孔30d。圆形孔30d的直径与圆轴22的直径(参见图2)相等。与不含有玻璃纤维的树脂相比，在保持部30b使用的含有玻璃纤维的树脂的与玻璃的线膨胀系数之间的差异较小，因此环境温度变化时的热膨胀的影响较小。另外，也可以一边实施了玻璃模制成形的光学部30a在模具内形成嵌件一边实施对保持部30b的成形，来制成透镜板30。

接下来，对光连接器20的组装方式和耦合方式进行说明。这里，如图2所示，光缆10的端部与插芯21的端部孔21b连结，光纤11的顶端在端面21d暴露。在组装光连接器20时，通过使用夹具等将光学部30a在保持部30b的矩形开口30e内嵌合配置于规定位置，由此制成透镜板30。接下来，将圆轴22插通于插芯21的圆形开口21e，使其突出的端部与透镜板30的圆形孔30d卡合，使保持部30b的一个面与插芯21的端面21d抵接。此时，由于为t1＜t2，因此不存在透镜面顶点与端面21d形成干扰之虞，能够在透镜面顶点与端面21d之间确保规定间隙。进而，各透镜面30c被以一对圆形孔30d的在中心线上的中点为基准，精度良好地定位，并且，的光纤11的在贯通孔21c内被保持的端部也被以一对圆形开口21e的在中心线上的中点为基准，精度良好地定位，因此能够使各透镜面30c的光轴和与之对置的光纤11的端部中心精度良好地对齐。

进而，在将光连接器20彼此进耦合的情况下，使用图3所示的耦合器41、42。耦合器41、42分别为一端形成有开口的壳体状，在开口端侧具有凸缘部41a、42a，在与开口端相反侧的封闭端41b、42b具有导出孔41c、42c。在凸缘部41a的对置面形成有卡合凹部41d，在凸缘部42a的对置面形成有与卡合凹部41d对应的卡合凸部42d。

如图3所示，在耦合器41、42的内部分别收容插芯21，将光缆10分别经由导出孔41c、42c向外部引出。此时，在封闭端41b、42b的内周壁嵌合插芯21的放大部21a，相对于耦合器41、42，实施对插芯21的定位。在该状态下，处于透镜板30在耦合器41、42的开口端形成了暴露的状态。

若以使凸缘部42a的卡合凸部42d与凸缘部41a的卡合凹部41d卡合的方式，使凸缘部41a、42a彼此紧贴，则对置的透镜板30的保持部30b彼此相互抵接。此时，由于t1＜t2，因此不存在透镜面顶点彼此形成干扰之虞，能够在透镜面顶点彼此之间确保规定间隙。通过卡合凹部41d与卡合凸部42d的卡合，使对置的透镜面30c的光轴精度良好地对齐。由此能够借助耦合器41、42将一对光连接器20精度良好地接合。另外，虽未明确图示，但插芯21的圆形开口21e与圆轴22之间的间隙等于圆轴22与透镜板30的圆形孔30d之间的间隙，或者插芯21的圆形开口21e与圆轴22之间的间隙小于圆轴22与透镜板30的圆形孔30d之间的间隙，而且圆轴22与圆形孔30d之间的间隙小于耦合器41、42和光缆10相互卡合的部位处的间隙。

在图3中，在一个光缆10的光纤11内传播来的光(例如波长为850nm、1310nm、1550nm中的任一个)从插芯21的端部射出，以扩散光的状态射入一个透镜板30，并作为准直光射出。所射出的准直光射入另一个透镜板30，并射出会聚光。该会聚光会聚于另一个插芯21的光纤11的端部，从此处经由另一个光缆10传递。相对于单模光纤11的纤芯直径而言，准直光的直径被放大到其5倍左右，因此即使在一对透镜板30彼此之间产生光轴错位，也能抑制其影响。

采用本实施方式，一方面，将光学部30a设为玻璃制，因此光学特性和温度特性优异，能够使其线膨胀系数接近含有玻璃纤维的树脂制的插芯21、光纤11，因此能够利用耦合部在环境温度变化时的错位来抑制损失。另一方面，将保持部30b设为树脂制，由此圆形孔30d的形成变得容易，能够借助圆轴22与插芯21精度良好地连结。

(第二实施方式)

图4是分解示出第二实施方式的光连接器的图。图5是示出本实施方式的光连接器120所使用的透镜板(光学元件)130的光学部130a的立体图。图6是示出本实施方式的光连接器120所使用的透镜板130的立体图。在本实施方式中，光缆10、插芯21、圆轴22与在上述实施方式中使用的部件相同，但将光缆10设为24芯，并与之相对应地，将插芯21的贯通孔21c设为2行12列。

图5所示的光学部130a是玻璃模制的板状，在光学部130a的两个面具有以2行12列方式呈阵列状排列的透镜面130c，并且，在其两个侧表面形成有V形的缺口130f。缺口130f的夹角优选为60°±20°。一般而言，与树脂相比，玻璃的成形性较差，因此通过形成缺口而非孔，来减轻成形时的负担，有助于降低成本。

在图6中，如后所述通过嵌件成形而形成的透镜板130由光学部130a和在其四周形成的呈矩形框状的保持部130b构成。透镜板130具有隔着其厚度方向中心面对称的形状。保持部130b具有使透镜面130c形成了暴露的矩形开口130e，其形状为从两侧夹住光学部130a的上缘附近和下缘附近并且包围光学部130a的四周。此时在缺口130f与保持部之间产生三棱柱状的空间。通过嵌件成形使光学部130a与保持部130b接合，由此能够精度良好地实施相互的定位，从而能够较高地维持光连接器120在组装后的精度。

接下来，对透镜板130的成形工序进行说明。图7是示出光学部130a的再热成形工序的图。在图7中的(a)中，上模MD1具有与一个透镜面130c相对应的光学面转印面MD1a。与此相对地，下模MD2具有与另一个透镜面130c相对应的光学面转印面MD2a和与V形的缺口相对应的缺口转印面MD2b。对光学面转印面MD2a和缺口转印面MD2b同时进行机械加工，形成单一的下模MD2，由此精度良好地决定被转印成形的透镜面130c与缺口130f之间的位置关系。

如图7中的(a)所示，在隔着玻璃的预制件PF的状态下，使光学面转印面MD1a、MD2a彼此对置，如图7中的(b)所示，一边对上模MD1和下模MD2进行加热一边使上模MD1相对于下模MD2接近，实施合模，进行冷却，使之固化。

之后，使上模MD1离开下模MD2，由此如图7中的(c)所示，能够使形成有透镜面130c和缺口130f的光学部130a脱模。

图8是示出透镜板130的嵌件成形工序的图。在图8中的(a)中，上模MD3具有：凹部转印面MD3a，其与保持部130b的一个面相对应；和框部MD3b，其防止树脂流入透镜面130c。与此相对地，下模MD4具有：凹部转印面MD4a，其与保持部130b的另一个面相对应；框部MD4b，其防止树脂向透镜面130c流入；以及圆柱部MD4c，其为了对光学部130a进行定位而与缺口130f嵌合。

以使圆柱部MD4c分别与在前道工序中成形了的光学部130a的一对缺口130f嵌合并且使框部MD4b与下方的透镜面130c的四周表面抵接的方式，将光学部130a载置于下模MD4之上。进而，如图8中的(b)所示，使凹部转印面MD3a、MD4a彼此对置，进行合模。此时，框部MD3b与上方的透镜面130c的四周表面抵接。之后，从未图示的浇口，向在合模后的下模MD4与上模MD3之间形成的型腔CV内填充熔融了的热塑性树脂(优选含有玻璃纤维)，并使之固化。

之后，通过将上模MD3离开下模MD4，由此如图8中的(c)所示，能够将由保持部130b包住光学部130a形成的透镜板130脱模。若通过再热成形优先透镜面130c的形状精度地形成光学部130a，则其外周多会是出来什么形状就是什么形状，若在后道工序的机械加工中切割外周的非主要部分，则花费成本。与此相对地，像本实施方式那样，用保持部130b将成形出来的光学部130a的四周包住，由此既省略光学部130a的机械加工又能确保透镜板130的外观品位。此外，在是像无意中使透镜板130掉落那样的情况下，也能通过保持部130b发挥冲击吸收性，来制玻璃制的光学部130a破损的可能性。另外，若在光学部130a的包括透镜面130c在内的面形成防反射膜，则能够抑制通信时的损失，因此优选。

接下来，对光连接器120的组装方式和结合方式进行说明。这里，如图4所示，光缆10的端部与插芯21的端部孔21b连结，光纤11的顶端在端面21d暴露。

在组装光连接器20时，将圆轴22插通于插芯21的圆形开口21e，使其突出来的端部同透镜板130的缺口130f与保持部130b之间的空间卡合。图9示出与圆轴22形成了卡合的透镜板130的主视图(朝向圆轴22的轴线方向观察的图)。

在图9中，一方面，左侧的圆轴22的右半部外周面在2个点位P1、P2与缺口130f接触。另一方面，右侧的圆轴22的左半部外周面在2个点位P3、P4与缺口130f接触。由此，光学部130a相对于圆轴22精度良好地定位。

进而，各透镜面130c以一对缺口130f的在中心线上的中点为基准，精度良好地定位，并且，光纤11的在贯通孔21c内被保持的端部也以一对圆形开口21e的在中心线上的中点为基准，精度良好地定位，因此能够使各透镜面130c的光轴同与之对置的光纤11的端部中心精度良好地对齐。

此时，左侧的圆轴22的左端与保持部130b的矩形开口130e的左内侧表面(P5)抵接，右侧的圆轴22的右端与矩形开口130e的右内侧表面(P6)抵接。通过调整矩形开口130e的尺寸，由此能够对该左内侧表面和右内侧表面施加规定的弹性变形，能够将矩形开口130e与圆轴22间的表面压力设定为适当的范围，由此能使将透镜板130相对于圆轴22拔出(或者放入)时的力、所谓的拔出力设定为所希望值。此外，通过由保持部130b封闭缺口130f的开口侧，由此不会无意中使透镜板130从圆轴22脱落，从而操作变得容易。

另外，光学部130a的形成有各透镜面130c的面形成于距保持部130b的两个面为深度d(参见图6)的位置，因此没有透镜面顶点与插芯21的端面21d形成干扰之虞，能够在透镜面顶点与插芯21的端面21d之间确保规定间隙。

进而，在将光连接器120彼此耦合的情况下，能够使用与图3所示的耦合器相同的耦合器41、42。若使分别收容有光连接器120的耦合器41、42的凸缘部彼此紧贴，则对置的透镜板130的保持部130b彼此相互抵接。此时，光学部130a的形成有各透镜面130c的面形成于距保持部130b的两个面为深度d(参见图6)的位置，因此没有透镜面顶点彼此形成干扰之虞，能够在透镜面顶点之间确保规定间隙。除此以外的结构都与上述实施方式相同。

本发明并不局限于说明书所述的实施例，对于本领域技术人员而言，根据本说明书中记载的实施例、技术思想而得到包括其它实施例、变形例的技术方案是显而易见的。例如在透镜面设置防反射膜等是可有可无的。

Claims (10)

1.一种光学元件，用于与保持单模用光纤的插芯连结，其中，具有：

玻璃制的光学部，其形成有多个透镜；和

树脂制的保持部，其保持所述光学部，

该光学元件使用所述保持部的至少局部，使所述透镜相对于所述光纤的被所述插芯保持的端部定位。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，

在所述插芯植设有轴部，在所述保持部形成有孔，通过使所述轴部和所述孔卡合，来使所述光学元件相对于所述插芯定位。

3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，

在所述插芯植设有轴部，在所述光学部形成有缺口，通过使所述轴部与所述缺口、所述保持部卡合，来使所述光学元件相对于所述插芯定位。

4.根据权利要求3所述的光学元件，其中，

在从所述轴部的轴线方向观察时，所述缺口和所述轴部在2个点位接触。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的光学元件，其中，

所述保持部的材料即树脂含有玻璃纤维。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的光学元件，其中，

所述光学部被玻璃模制成形，一边使成形了的所述光学部形成嵌件，一边对所述保持部进行树脂成形。

7.根据权利要求6所述的光学元件，其中，

以夹住所述光学部的至少局部的方式形成所述保持部。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的光学元件，其中，

所述透镜呈阵列状排列。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的光学元件，其中，

至少针对所述透镜形成防反射膜。

10.一种光连接器，其中，

具有权利要求1～9中任一项所述的光学元件和与所述光学元件连结的插芯。