CN115516344A - 光学部件以及使用了该光学部件的光模块 - Google Patents

光学部件以及使用了该光学部件的光模块 Download PDF

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Abstract

本发明的课题是使在光通信中使用的光学部件小型化并且提高光学部件的安装时的稳定性。光学部件具有：透明体，该透明体是在与光轴正交的面内高度与宽度之比大于1的长方体；以及透镜，设于上述透明体的光出射侧和光入射侧中的至少一方，由上述透明体和上述透镜形成的透镜主体具有包括平坦的接触面的第一面，从上述透镜主体的重心向上述接触面垂下的垂线与连结上述重心和上述接触面的中心的线段在规定的范围内一致。

Description

光学部件以及使用了该光学部件的光模块
技术领域
本发明涉及光学部件以及使用其的光模块。
背景技术
由于IoT(Internet of Things：物联网)、云服务的普及，光网络的通信量持续急增，要求通信速度和品质的进一步提高。另一方面，鉴于对光通信设备的小型化的要求，对嵌入通信模块的各光学部件、光电子部件也要求小型化和高密度化。
已知如下构成：通过在光通信等所使用的方形透镜的四角形成突出部来增大透镜安装面的面积，在设置时使透镜的粘接固定牢固(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1日本专利第五074017号
发明内容
发明所要解决的问题
在搭载光通信用的光学部件的模块中，小型化以及多通道化不断推进。在多个通道并列配置的光收发器中，通道间的配置间隔窄，需要使在各通道使用的光学部件的宽度比高度小。
随着光学部件整体的小型化，需要光圈被收束得较细的光束，也要求透镜的短焦点化。其结果是，需要在光轴方向上也使透镜薄化。宽度和厚度被减小的纵向长的透镜不稳定，容易倾斜，容易倒下。
本发明的目的在于提供一种能够使在光通信中使用的光学部件小型化并且能够获得安装时的稳定性的构成。
用于解决问题的方案
在本公开的一个方案中，光学部件具有：
透明体，该透明体是在与光轴正交的面内高度与宽度之比大于1的长方体；以及
透镜，设于上述透明体的光出射侧和光入射侧中的至少一方，
由上述透明体和上述透镜形成的透镜主体具有包括平坦的接触面的第一面，
从上述透镜主体的重心向上述接触面垂下的垂线与连接上述重心和上述接触面的中心的线段在规定的范围内一致。
发明效果
通过上述的构成，在光通信中使用的光学部件被小型化，并且光学部件的安装时的稳定性提高。使用了该光学部件的光模块的大小也减小，动作的可靠性提高。
附图说明
图1为对立式透镜的问题点加以说明的图。
图2为包括使用了实施方式的光学部件的光模块的光发送器的示意图。
图3为表示第一实施方式的光学部件的图。
图4为对第一实施方式的光学部件的参数加以说明的图。
图5为表示透镜主体的延伸部的构成例的图。
图6为对第一实施方式的光学部件和一般的光学部件进行比较说明的图。
图7为第二实施方式的光学部件的示意图。
图8为第三实施方式的光学部件的示意图。
图9为第四实施方式的光学部件的示意图。
图10为第五实施方式的光学部件的示意图。
具体实施方式
在对实施方式的构成详细得加以说明之前，参照图1，对厚度减小的立式透镜中的技术课题更详尽地加以说明。
图1为被作为光学部件使用的一般的透镜的侧视图。图1的(A)为在纵剖面观察的示意图，图1的(B)为包括光轴OA和透镜重心的光路图。透镜重心以十字标记来表示。将光的行进方向设为X方向，将透镜的高度方向设为Z方向，将与X方向和Z方向正交的方向设为Y方向。
透镜具有底部A、上部B以及透镜部LN。在将透镜安装于基板等时，透镜通过上部B被提起从而被运至安装位置，并通过底部A固定于安装位置。透镜部LN在该例子中是凸透镜，在安装位置对入射激光进行准直(日文原文：コリメート)。
若为了小型化而整体地减小透镜的厚度，则透镜重心沿光轴OA向前方即光出射侧偏离。在图1的(B)中，以十字标记来表示的透镜重心比从底部A的中心C1向光轴OA的垂线Lper向+X方向偏离。
若使用另一种说法，则是连接底部A的中心C1与透镜重心的线段比垂线Lper向前方(+X方向)倾斜角度θoff。结果，如图中的白箭头所示，透镜在厚度方向上变得容易向前方(+X方向)倾倒。在透镜的背面即激光的入射侧具有透镜部的情况下，根据透镜的重心位置，透镜会变得容易向后方(－X方向)倾倒。
若为了小型化而在减小透镜的厚度以外还使透镜的宽度(Y方向上的大小)变窄，则底部A的固定面积变小，透镜安装时透镜的独自站立变得困难。在透镜重心偏离的情况下，透镜恐怕会在倾斜的状态下被固定。
若上部B的上表面的面积变小，则难以稳定地提起或保持透镜。在使用真空吸附时，作用于透镜的上表面的吸附力变小，移动中透镜恐怕会掉落。
在实施方式中，提供一种能够解决上述问题点的至少一部分并能够稳定地对厚度和宽度被减小的长方体型的透镜进行安装的构成。
图2为应用实施方式的光学部件10的光发送器1的示意图。光发送器1具有数字信号处理器(DSP)2、光模块5以及合波器6。光模块5是光发送的前端模块，在该例子中被形成为4通道的光发送模块。实线的箭头表示电信号，虚线的箭头表示光信号。
光模块5具有按通道设置的驱动电路DRV、作为光源的激光二极管(LD)以及光学部件10。驱动电路DRV基于由DSP2生成的变调数据信号来生成对LD进行驱动的驱动信号。在各通道中，LD被设计成分别不同的波长λ0～λ3，输出与被输入的驱动信号相应的变调光信号。
与多个LD分别对应地配置有光学部件10－1～10－4。在对光模块5的小型化的要求严格的情况下，与光学部件10－1～10－4被一体化成阵列相比，理想的是个别地配置光学部件10－1～10－4。通过与LD的配置精度相应地个别地调整光学部件10－1～10－4的位置、朝向等，能够在狭窄空间内使光损失最小。
通过光学部件10－1～10－4被准直或者聚光的各波长的光通过合波器6被合波。通过合波器6合波后的光例如被输入至光纤并被发送至数据中心内的服务器等。
在图2中，光学部件10－1～10－4被示意地描绘为正方形的框，而实际上具有通道排列方向上的宽度和光轴方向上的厚度被减小的纵长的形状。在光模块5的内部个别地调整这样形状的光学部件10－1～10－4的位置、朝向等的情况下，需要光学部件10自身稳定。在以下的实施方式中，对小型且稳定的光学部件的构成加以说明。
＜第一实施方式＞
图3表示第一实施方式的光学部件10。图3的(A)为光路图，图3的(B)为从光的行进方向(X方向)观察的主视图，图3的(C)为立体图。与图1同样地，将光的行进方向设为X方向，将光学部件10的高度方向设为Z方向，将与X方向和Z方向正交的方向设为Y方向。Y方向成为沿着光学部件10的宽度的方向。
光学部件10具有纵长的透明体110以及设于透明体110的光出射侧和光入射侧中的至少一方的透镜15。通过透明体110和透镜15形成透镜主体100。透明体110在与光轴OA正交的面内具有高度与宽度之比大于1的长方体的形状。作为一例，在透明体110的宽度被设定为0.6mm以下的情况下，透镜主体100的高度为1.0mm。
透镜主体100具有底部11和上部12。底部11具有成为光学部件10的设置面的第一面115。上部12具有位于与第一面115反对侧的第二面125。在光学部件10的安装时，上部12通过真空吸附、机械夹头等被保持，并被运至规定的安装位置。在安装位置处，对光学部件10相对于LD的位置、角度等进行微调整。若光学部件10的配置以及姿势确定，则光学部件10通过第一面115被固定于基板等。更具体地讲，光学部件10通过第一面115所包含的平坦的接触面115a被固定于基板等。
透镜15设于底部11与上部12之间，将来自LD的入射光准直成平行光。或者，也可以设为对透镜15的形状进行调整等来将入射光聚光至规定的位置的构成。在透镜主体100的宽度和高度被设定为0.6mm×1.0mm的情况下，透镜15的半径例如为0.27mm～0.28mm。当在沿着光轴OA的垂直剖面进行观察时，透镜主体100的形状具有在光轴方向上非对称即在光出射侧和光入射侧不同的截面形状。
对于光轴方向上的厚度减小且沿着光轴非对称的光学部件，如参照图1进行了说明的那样，其重心在光轴方向上偏离从而光学部件变得容易倒下。为了解决该问题，第一实施方式的光学部件10被设计为：透镜主体100的重心(以十字标记来表示)与光学部件10的接触面115a的中心位于相同的垂线上。
在更优选的例子中，透镜主体100的重心、接触面115a的中心C1以及上部12的中心C2位于相同的垂线上。上部12的第二面125具有用于真空吸附等的平坦面125a。透镜主体100的重心位于连接底部11的接触面115a的中心C1与上部12的平坦面125a的中心C2的垂线上。
为了确保光学部件10的稳定性，透镜主体100也可以在底部11具有在光轴方向上突出的第一延伸部111。第一延伸部111可以在底部11的整个宽度方向上形成。第一延伸部111向光轴方向的突出量在整个宽度方向上可以是均匀的。由此，底面积增大，光学部件10稳定。
也可以在透镜主体100的上部12设有在光轴方向上突出的第二延伸部121。第二延伸部121也可以在上部12的整个宽度方向上以一定的突出量形成。由此，将光学部件10运至安装位置时的提起面积增大，移动时的光学部件10的姿势稳定。
图4为对光学部件10的参数加以说明的图。该图为沿着光学部件10的光轴OA的垂直剖视图。透镜主体100在光轴OA上具有重心COM。将底部11的第一面115在光轴方向上的大小设为d12，将接触面115a在光轴方向上的大小设为d11。优选的是，d11比d12的1/2大。通过使d11比d12的1/2大，光学部件10的安装的稳定性提高。作为一例，在将d12设为0.48mm～0.50mm的情况下，d11为0.33mm～0.35mm。
图4表示光学部件10的理想式样，从重心COM垂至接触面115a的垂线L1与连接重心COM和接触面115a的中心C1的线段L2一致。若使用另一种说法，则是在沿着光轴OA的垂直截面内，从接触面115a的中心C1朝向光轴OA的垂线Lper(参照图1)和光轴OA的交点与重心COM一致。
将连接重心COM和接触面115a的后端116的线相对于垂线L1所成的角度设为倾角(日文原文：倒れ角)θa。倾角θa与从供光学部件10安装的面朝向透镜主体100的前方(+X侧)作用的力相关。
将连接重心COM和接触面115a的前端117的线相对于垂线L1所称的角度设为倾角θb。倾角θb与从供光学部件10安装的面朝向透镜主体100的后方(－X侧)作用的力相关。
在图4中，通过θa＝θb而取得平衡，光学部件10自身稳定。更优选的是，L1和L2的延长线穿过上部12的平坦面125a的中心C2。光学部件10并不一定被限定于该理想式样。垂线L1和线段L2可以在容许范围内偏离一定程度。关于此，参照图6在后面加以记述。
图5表示透镜主体100的延伸部的参数的一例。在图5中，举例示出了上部12的第二延伸部121，但在上部12和底部11形成为相对于光轴OA上下对称的情况下，图5的参数直接适用于底部11的第一延伸部111。
第二延伸部121从上部12的平坦面125a起连续，并在光轴方向上(在该例中为+X方向)突出。同样地，底部11的第一延伸部111从接触面115a起连续，并在光轴方向上突出(参照图4)。
考虑透镜主体100的整体的尺寸，第二延伸部121的高度h被设定为不易缺损的高度。例如，在透镜主体100的宽度和高度被设定为0.6mm×1.0mm时，第二延伸部121的高度h优选为0.2mm以上。对于底部11的第一延伸部111的高度也同样适用。
第二延伸部121可以具有从平坦面125a起连续的弯曲面123、与弯曲面123连续的平坦的垂直面124以及与垂直面124连续的倾斜面122。通过平坦面125a和弯曲面123而形成第二面125。第二延伸部121向X方向的突出量d13可以被设定为图4的d12与d11的差量的大致一半。作为一例，d13为0.07mm～0.08mm。
倾斜面122相对于Z方向的倾斜角θ例如为40°～50°，在图5的例子中被设定为45°。可以在第二延伸部121与透镜15之间设置平坦部126。平坦部126的高度d15为0.03mm左右。通过设置平坦部126，透镜15与倾斜面122之间通过钝角来连接，从而防止陡直的切口。通过由弯曲面123、垂直面124、倾斜面122形成第二延伸部121，并在与透镜15之间设置平坦部126，能够获得不宜缺损的形状。对于第一延伸部111，相同的构成也适用。
图6表示处于容许误差的范围内的光学部件10的构成例。从重心COM垂至接触面115a的垂线L1与连接重心COM和中心C1的线段L2可以在规定的范围内错开。在图6的(A)中，光学部件10的垂线L1与线段L2错开1°的角度。
垂线L1与线段L2的偏离角(日文原文：ずれ角)如果是倾角θa与倾角θb中大的一方的10％以下则在容许范围内，纵长的透镜主体100的稳定性得以维持。另外，垂线L1与线段L2之间的偏离角为倾角θa与倾角θb的差量的大致一半。
作为比较，图6的(B)表示图1的一般的透镜构成中的偏离角。垂线L1与线段L2之间的偏离角为2.3°，重心COM向前方(X方向)倾斜。该偏离角超过倾角θa的10％，确保不了稳定性。
在第一实施方式的光学部件10中，从透镜主体100的重心COM向底部11的接触面115a垂下的垂线L1与连接重心COM和接触面115a的中心C1的线段L2在被容许的偏离角的范围内大致一致。由此，能够使光学部件10在安装位置处独自站立，从而稳定地进行位置调整或者角度调整。
在垂线L1与线段L2之间的偏离角处于容许误差的范围内时，垂线L1的延长线穿过上部12的平坦面125a的中心附近。将光学部件10运送至安装位置时的光学部件10的姿势稳定，能够可靠地将光学部件10运至安装位置。
＜第二实施方式＞
图7为第二实施方式的光学部件10A的示意图。光学部件10A通过沿着光轴OA的垂直截面来表示。
光学部件10A在透镜主体100A的背面即光入射侧具有第一延伸部111A和第二延伸部121A。第一延伸部111A是从底部11的接触面115a起在－X方向上连续地形成的。第二延伸部121A是从上部12的平坦面125a起在－X方向上连续地形成的。
通过将第一延伸部111A和第二延伸部121A设于与透镜15的相反侧，在光轴方向上透镜主体100A容易取得平衡从而稳定。第一延伸部111A和第二延伸部121A设于与透镜15相反侧的平坦的背面，因此，第一延伸部111A和第二延伸部121A的形状被简单化，从而不易缺损。
从透镜主体100A的重心COM向接触面115a垂下的垂线L1与连接接触面115a的中心C1和重心COM的线段L2在规定的范围内大致一致这一点与第一实施方式相同。此外，接触面115a的光轴方向上的长度d11被设定为比第一面115的光轴方向上的长度d12的1/2大。
通过将第一延伸部111A和第二延伸部121A设于透镜主体100A的背面侧，与第一实施方式相比较，重心COM向透镜主体100A的背面侧移位(shift)。接触面115a被配置为稍稍靠近透镜主体100A的前方，以使从重心COM向接触面115a垂下的垂线L1与连接接触面115a的中心C1和重心COM的线段L2在规定范围内一致。
在更优选的构成例中，在上部12A的第二面125，平坦面125a被配置为稍稍靠近透镜主体100A的前方，垂线L1的延长线穿过第二面125的平坦面125a的中心的附近。通过该构成，安装位置处的光学部件10A的独自站立变得容易，并且向安装位置运送中的光学部件10A的姿势稳定，运送变得可靠。
＜第三实施方式＞
图8为第三实施方式的光学部件10B的示意图。光学部件10B通过沿着光轴OA的垂直截面来表示。
在光学部件10B中，在透镜主体100B的光出射侧(+X方向)和光入射侧(－X方向)这两方设有延伸部。在底部11B，通过光出射侧的延伸部111Ba和光入射侧的延伸部111Bb构成第一延伸部。在上部12B，通过光出射侧的延伸部121Ba和光入射侧的延伸部121Bb构成第二延伸部。
光出射侧的延伸部111Ba和121Ba形成为不与透镜15抵触且不包括锐角的形状，成为不易缺损的形状。光入射侧的延伸部111Bb和121Bb成为凹凸少的形状。该构成在LD与光学部件10B之间没有空间的富裕的情况下是优选的。
延伸部的突出量被分散于光出射侧和光入射侧，在第一面115，接触面115a所占的比例高，安装时的固定面积大。在第二面125，平坦面125a所占的比例高，能够在运送时通过强吸附力来保持光学部件10B。
从透镜主体100B的重心COM垂至接触面115a的垂线L1与连接重心COM和接触面115a的中心C1的线段L2在规定的范围内大致一致这一点与第一实施方式以及第二实施方式相同。光学部件10B在光轴方向上窄的空间内也能够稳定地独自站立。
＜第四实施方式＞
图9为第四实施方式的光学部件10C的示意图。光学部件10C通过沿着光轴OA的垂直截面来表示。在光学部件10C中，在透镜主体100C的底部11C，具有沿着光轴向两侧突出的延伸部，在上部12C，具有仅向一侧突出的延伸部。
在底部11C，通过光出射侧的延伸部111Ca和光入射侧的延伸部111Cb来构成第一延伸部。在上部12B，光入射侧的延伸部121C成为第二延伸部。
底部11C的光出射侧的延伸部111Ca形成为不与透镜15抵触且不包括锐角的形状，成为不易缺损的形状。光入射侧的延伸部111Cb和121C成为凹凸少的形状。该构成在LD与光学部件10B之间没有空间的富裕的情况下是优选的。
在底部11C，延伸部的突出量被分散于光出射侧和光入射侧，宽的接触面115a得以确保。在上部12C，光轴方向上的凹凸被抑制到最小限度。光学部件10C在光轴方向上窄的空间内也能够稳定地独自站立。
从透镜主体100C的重心COM垂至接触面115a的垂线L1与连接接触面115a的中心C1和重心COM的线段L2在规定的范围内大致一致这一点与第一实施方式～第三实施方式相同。通过设计为垂线L1的延长线穿过上部12C的平坦面125a的中心或者其附近，即使在透镜主体100C相对于光轴OA并非上下对称的情况下，也能够以稳定的姿势对光学部件10C进行运送。
＜第五实施方式＞
图10为第五实施方式的光学部件10D的示意图。光学部件10D通过沿着光轴OA的垂直截面来表示。对于光学部件10D，仅底部11D具有第一延伸部111D。上部12D不具有光轴方向上的凹凸。该构成适于通过机械夹头20进行的把持。能够通过透镜主体100D的背面(光入射侧)的平坦的面和上部12D的前面(透镜侧)的平坦的面来可靠地把持光学部件10D。
从透镜主体100D的重心COM垂至接触面115a的垂线L1与连接接触面115a的中心C1和重心COM的线段L2在规定的范围内大致一致这一点与第一实施方式～第四实施方式相同。光学部件10D具有独自站立的稳定性，并且形状简单因此易于加工。
以上，基于特定的构成例进行了说明，但本发明并不限定于上述构成例。透镜15无需仅配置于光出射侧，也可以设于入射面，还可以设于入射面和出射面这两方。任何情况下均构成为从透镜主体的重心垂至底部的接触面的垂线L1与连接接触面的中心和重心的线段L2在规定的范围内一致。
上述第一实施方式～第五实施方式可以彼此进行组合。例如，在图7(第二实施方式)的构成中，可以在透镜主体100A的底部11A和上部12A的一方或者双方设置向光出射侧(+X方向)突出的延伸部。在图10(第五实施方式)的底部11D，除了第一延伸部111D，也可以设置向光入射侧(－X方法)突出的延伸部来使突出量在光轴方向上分散。
通过这些构成，使透镜主体的重心COM和接触面的中心C1重叠在同一垂线L1，由此，在安装时，光学部件的姿势稳定，能够防止倾斜、倒下。此外，通过将上部的平坦面的中心C2配置于垂线L1的延长线上，将光学部件10运送至安装位置时的光学部件的姿势稳定。即使迅速地将光学部件移动至安装位置，通过真空吸附或者机械夹头进行的把持也稳定。在安装位置，光学部件的配置调整稳定，因此，能够整体上缩短光学部件10的组装时间。
该国际申请基于2020年6月11日提出的日本专利申请第2020－101765号而主张其优先权，并包括该日本专利申请的全部内容。
附图标记说明
1 光发送器
5 光模块
10、10－1～10－4、10A～10D 光学部件
11、11A～11D 底部
12、12A～12D 上部
15 透镜
100、100A～100D 透镜主体
110 透明体
111、111A、111D 第一延伸部
115 第一面
115a 接触面
121、121A、121C 第二延伸部
125 第二面
125a 平坦面
COM 重心
OA 光轴
L1 从重心向接触面的垂线
L2 连接重心和接触面的中心的线段
Lper 从接触面的中心向光轴方向的垂线
C1 接触面的中心
C2 平坦面的中心

Claims (13)

1.一种光学部件，具有：
透明体，该透明体是在与光轴正交的面内高度对于宽度之比大于1的长方体；以及
透镜，设于上述透明体的光出射侧和光入射侧中的至少一方，
由上述透明体和上述透镜形成的透镜主体具有包含平坦的接触面的第一面，
从上述透镜主体的重心向上述接触面垂下的垂线与连接上述重心和上述接触面的中心的线段在规定的范围内一致。
2.根据权利要求1所述的光学部件，其中，
上述规定的范围是：上述垂线与上述线段之间的偏离角为连接上述重心和上述接触面的后端或前端的线与上述垂线之间的倾角的10％以内。
3.根据权利要求1或2所述的光学部件，其中，
上述接触面的光轴方向上的长度比上述第一面的上述光轴方向上的长度的1/2大。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的光学部件，还具有：
第一延伸部，从上述第一面起连续并在光轴方向上突出。
5.根据权利要求4所述的光学部件，其中，
上述第一延伸部遍及上述透明体的上述宽度的整体而形成。
6.根据权利要求5所述的光学部件，其中，
上述第一延伸部向上述光轴方向的突出量在上述透镜主体的宽度方向上是固定的。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的光学部件，其中，
上述透镜主体在上述第一面的相反侧具有第二面，上述第二面包含平坦面。
8.根据权利要求7所述的光学部件，其中，
上述平坦面的中心位于上述垂线的延长线上。
9.根据权利要求7或8所述的光学部件，还具有：
第二延伸部，从上述第二面起连续并在光轴方向上突出。
10.根据权利要求1～3中任一项所述的光学部件，其中，
上述透明体具有：第一延伸部，从上述第一面起连续并在光轴方向上突出；以及第二延伸部，从上述第一面的相反侧的第二面起连续并在上述光轴方向上突出，
上述透镜位于上述第一延伸部与上述第二延伸部之间。
11.根据权利要求10所述的光学部件，其中，
在上述透镜与上述第一延伸部和上述第二延伸部中的至少一方之间设有平坦部。
12.一种光模块，具有：
光源；以及
如权利要求1～11中任一项所述的光学部件，该光学部件对来自上述光源的出射光进行准直或聚光。
13.根据权利要求12所述的光模块，具有：
多个上述光源；以及
多个上述光学部件，与上述光源对应地设置，
上述光学部件相对于上述光源的位置或角度在多个上述光学部件的各光学部件中被个别地调整。
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