CN116953823A - 光装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种能提高光的耦合效率的光装置。一个实施方式的光装置具备：光源；以及光学透镜，具有入射面和出射面，该入射面沿第一轴和与第一轴交叉的第二轴这双方延伸，该出射面沿第一轴和第二轴这双方延伸。光学透镜将从光源射出并射入至入射面的入射光转换为平行光，并使平行光从出射面射出，入射面具有：凸部，在第一轴所延伸的第一方向上设置而成；以及凹部，在第二轴所延伸的第二方向上设置而成。

Description

光装置

技术领域

本公开涉及光装置。

背景技术

在专利文献1中记载了一种光束整形光学系统，该光束整形光学系统将具有椭圆形截面的光束转换为具有圆形截面的平行光束。光束整形光学系统具备准直透镜和整形透镜。整形透镜具有凹状的入射面和凸状的出射面。入射面和出射面中的至少任一个在XZ平面中的横截面形状实质上形成为非圆形。

在专利文献2中记载了一种光拾取装置。光拾取装置具有光源、耦合透镜、偏振分束器、相位元件、偏转棱镜、物镜、低容量光盘以及大容量光盘。从光源辐射的光的光束是发散性的。光从光源呈椭圆形辐射。即，该光的光束的发散角在y方向上最大，在x方向上最小。耦合透镜是在该x、y这两个方向上光学作用不同的变形透镜。耦合透镜在y方向上使射入的发散光束准直而成为光束直径Dy的平行光束。此外，耦合透镜在x方向上使射入的发散光束扩大并准直而成为光束直径Dx的平行光束。耦合透镜通过使光束直径Dx与光束直径Dy大致相同来对来自光源的发散光束进行光束整形。

在专利文献3中记载了一种半导体激光的光束整形方法。从半导体激光器射出的出射光束透过准直透镜和被设为位置调整自如的两个棱镜。在光束整形方法中，通过调整两个棱镜的配置位置来将来自半导体激光器的出射光束被准直之后的椭圆光束整形为正圆形。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平8－29726号公报

专利文献2：日本特开平11－39705号公报

专利文献3：日本特开昭61－240220号公报

上述的光学透镜被用作将椭圆光束整形为圆形的准直光的光学系统。再者，在高NA(Numerical Aperture：数值孔径)的半导体激光器的波导中，可能会使用准直光束来寻求高效率的耦合的实现。然而，在高NA的情况下，由像差引起的损耗有时会变大。因此，光的耦合效率有时会下降，所以可能会寻求提高光的耦合效率。

发明内容

本公开的目的在于提供一种能提高光的耦合效率的光装置。

本公开的光装置具备：光源；以及光学透镜，具有入射面和出射面，该入射面沿第一轴和与第一轴交叉的第二轴这双方延伸，该出射面沿第一轴和第二轴这双方延伸。光学透镜将从光源射出并射入至入射面的入射光转换为平行光，并使平行光从出射面射出，入射面具有：凸部，在第一轴所延伸的第一方向上设置而成；以及凹部，在第二轴所延伸的第二方向上设置而成。

发明效果

根据本公开，能提高光的耦合效率。

附图说明

图1是用于对实施方式中的XZ截面内的光学透镜的设计进行说明的图。

图2是用于对实施方式中的YZ截面内的光学透镜的设计进行说明的图。

图3是表示具备实施方式的光学透镜的光学系统的立体图。

图4是表示图3的光学透镜的立体图。

图5是用于对实施方式的光学透镜的YZ截面内的设计进行说明的图。

图6是将图5的光源附近放大后的图。

图7是用于对实施方式的光学透镜的XZ截面内的设计进行说明的图。

图8是将图7的光源附近放大后的图。

图9是表示拟合时的误差与光学损耗的关系的例子的图表。

图10是用于对第一变形例的光学透镜的YZ截面内的设计进行说明的图。

图11是用于对第一变形例的光学透镜的XZ截面内的设计进行说明的图。

图12是表示具备第二变形例的光学透镜的XZ截面内的光学系统的图。

图13是表示具备第二变形例的光学透镜的YZ截面内的光学系统的图。

图14是将第二变形例的光学系统的非球面透镜的周边放大后的图。

附图标记说明

1：光学透镜

2：入射面

3：出射面

10：光学系统(光装置)

11：光学透镜

12：入射面

13：出射面

14：凸部

15：凹部

16：第一凸部

17：第二凸部

18：聚光透镜

19：光纤

21：光学透镜

22：入射面

23：出射面

24：凸部

25：凹部

26：第一凸部

27：第二凸部

30：光学系统(光装置)

31：光学透镜

31b：入射面

31c：出射面

32：非球面透镜

32b：平面

33：聚光透镜

34：凸部

35：凹部

40：LD芯片(具有光源的光元件)

40b：端面

41：波导

D1：第一方向

D2：第二方向

f：焦距

L1：入射光

L2：聚焦光

L3：平行光

L4：光

L5：平行光

L11：入射光

L12：平行光

n：折射率

O：光源

P、Q：虚像

S、S'：点。

具体实施方式

[本申请发明的实施方式的说明]

首先，列举本公开的实施方式的内容来进行说明。(1)一个实施方式的光装置具备：光源；以及光学透镜，具有入射面和出射面，该入射面沿第一轴和与第一轴交叉的第二轴这双方延伸，该出射面沿第一轴和第二轴这双方延伸。光学透镜将从光源射出并射入至入射面的入射光转换为平行光，并使平行光从出射面射出，入射面具有：凸部，在从第一轴所延伸的第一方向观察时形成；以及凹部，在从第二轴所延伸的第二方向观察时形成。入射面具有：凸部，以在从第一轴所延伸的第一方向观察时形成的方式设置而成；以及凹部，以在从第二轴所延伸的第二方向观察时形成的方式设置而成。

在该光装置中，在光学透镜中，入射面和出射面的每一个沿着第一轴和第二轴这双方延伸。该光学透镜将从光源射出并射入至入射面的入射光转换为平行光，并使转换后的平行光从出射面射出。入射面具有凸部和凹部。凸部在从第一轴所延伸的第一方向观察时形成，凹部在从第二轴所延伸的第二方向观察时形成。如此，通过入射面具备凸部和凹部，能提高光的耦合效率。

(2)在上述(1)中，也可以是，入射光的远场图样为椭圆形。

(3)在上述(1)或(2)中，也可以是，从光学透镜的出射面射出的平行光是圆形光束。

(4)在上述(1)至(3)中的任一项中，也可以是，光学透镜的出射面具有：第一凸部，在从第一方向观察时形成；以及第二凸部，在从第二方向观察时形成，第一凸部的曲率和第二凸部的曲率彼此不同。也可以是，光学透镜的出射面具有：第一凸部，以在从第一方向观察时形成的方式设置而成；以及第二凸部，以在从第二方向观察时形成的方式设置而成，第一凸部的曲率和第二凸部的曲率彼此不同。在该情况下，有助于光的耦合效率的进一步提高。

(5)在上述(1)至(4)中的任一项中，也可以是，光学透镜由玻璃、硅或树脂构成。

(6)在上述(1)至(5)中的任一项中，也可以是，光源具有包括光元件的波导的端面。也可以是，光装置还具备非球面透镜，该非球面透镜具有与光源的端面接合的平面，从光源射出的出射光射入至光学透镜的入射面。也可以是，光学透镜的入射面供入射光射入。在该情况下，能通过非球面透镜来缩小NA从而抑制由渐晕引起的光学损耗，因此能提高光的耦合效率。

[本公开的实施方式的详情]

以下，参照附图对本公开的实施方式的光学透镜的具体例进行说明。在附图的说明中，对相同或相当的要素标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。此外，对于附图，为了便于理解，有时会将一部分简化或夸张地描绘，尺寸比率等不限定于附图所记载的内容。

图1示出了作为一个例子的光学透镜1的XZ截面。图2示出了光学透镜1的YZ截面。XZ截面是沿X轴(第一轴)和Z轴(第三轴)这双方延伸的截面。YZ截面是沿Y轴(第二轴)和Z轴这双方延伸的截面。如图1和图2所示，光学透镜1具有：入射面2，供来自光源O的入射光L1射入；以及出射面3，将来自入射面2的入射光L1转换为聚焦光L2，并射出聚焦光L2。

入射面2是非球面。来自光源O的入射光L1在入射面2发生折射。在XZ截面内聚光于虚像P、在YZ截面内聚光于虚像Q的入射面2的非球面算式如下表示。在下述的算式中，OS表示从光源O到XZ截面内的入射面2的任意的点S的距离，n表示光学透镜1的折射率，SP表示从点S到虚像P的距离，OS'表示从光源O到YZ截面内的入射面2的任意的点S'的距离，S'Q表示从点S'到虚像Q的距离。

(入射面2的XZ截面非球面)

OS－n×SP＝const

(入射面2的YZ截面非球面)

OS'－n×S'Q＝const

在XZ截面和YZ截面的各截面内，从光源O经过点S(S')到虚像P(虚像Q)的光路长度是恒定的，因此得到了上述的各算式。通过使虚像P和虚像Q位于彼此不同的位置，能改变XZ截面和YZ截面的各截面内的焦距和倍率。

图3是表示作为具备实施方式的光学透镜11的光装置的光学系统10的立体图。如图3所示，例如，光学系统10具有光学透镜11和聚光透镜18。例如，来自半导体光波导的光射入至光学透镜11。来自半导体光波导的光是椭圆光束。作为一个例子，该来自半导体光波导的光的波长为1.55μm，该光的MFD(Mode Field Diameter：模场直径)为2.5×1.0μm。

射入至光学透镜11的光被光学透镜11转换为平行光L12。光学透镜11使平行光L12射出至聚光透镜18。平行光L12是圆形光束。聚光透镜18使来自光学透镜11的平行光L12会聚并射入至光纤19。作为一个例子，光纤19是单模光纤，光纤19的MFD为9.2μm。此外，来自聚光透镜18的聚焦光的焦距为2mm。

图4是将光学透镜11放大后的立体图。如图4所示，光学透镜11具有：入射面12，沿X轴和Y轴这双方延伸；以及出射面13，沿X轴和Y轴这双方延伸。光学透镜11将从作为光源的半导体光波导射出并射入至入射面12的入射光L11转换为平行光L12，并使平行光L12从出射面13射出。

光学透镜11例如是玻璃制的。光学透镜11是各向异性透镜。入射面12是非球面。入射面12具有：凸部14，在从作为X轴所延伸的方向的第一方向D1观察时形成；以及凹部15，在从作为Y轴所延伸的方向的第二方向D2观察时形成。例如，凸部14设于光学透镜11中的第二方向D2的中央部分，凹部15设于光学透镜11中的第一方向D1的中央部分。作为一个例子，凸部14沿着第一方向D1延伸。凹部15沿着第二方向D2延伸。

图5是表示光学透镜11的YZ截面的设计例的图。图6是将图5的光学透镜11的凸部14附近放大后的图。如图5和图6所示，在光学透镜11中，来自光源O的入射光L1在入射面12发生折射。从光源O经过点S'到虚像Q的光路长度是恒定的，因此在YZ截面内聚光于虚像Q的入射面12的非球面算式被表示为：

OS'－n×S'Q＝const。

作为一个例子，光学透镜11的折射率n的值为1.78，数值孔径NA为0.8。此外，在YZ截面内，在光学透镜11中，将MFD为1.0μm的入射光L1转换为MFD为430μm的平行光L3。作为一个例子，YZ截面内的光学透镜11的焦距f为220μm。

图7是表示光学透镜11的XZ截面的设计例的图。图8是将图7的光学透镜11的凹部15附近放大后的图。如图7和图8所示，从光源O经过点S到虚像P的光路长度是恒定的，因此在XZ截面内聚光于虚像P的入射面12的非球面算式被表示为：

OS－n×SP＝const。

在XZ截面内，在光学透镜11中，将MFD为2.5μm的入射光L1转换为MFD为430μm的平行光L3。如此，光学透镜11将作为椭圆光束的入射光L1转换为作为圆形光束的平行光L3。作为一个例子，XZ截面内的光学透镜11的焦距f为550μm。

例如，出射面13具有：第一凸部16，在从第一方向D1观察时形成；以及第二凸部17，在从第二方向D2观察时形成。第一凸部16的曲率和第二凸部17的曲率彼此不同。例如，第一凸部16的曲率小于第二凸部17的曲率。

以上，对光学透镜11的设计例进行了说明。需要说明的是，光学透镜11也可以通过以下的算式(1)的扩展多项式来进行拟合。

[数式1]

在上述的算式(1)中，c表示曲率，x表示X轴方向的坐标，y表示Y轴方向的坐标，z表示Z轴方向的坐标，r表示半径方向的坐标，k表示圆锥系数，a表示多项式的系数。

图9是表示拟合时的误差与光学透镜11的光学损耗的关系的例子的图表。如图9所示，随着拟合时的误差变大，光学损耗增加。在将光的波长设为λ时，在拟合误差为λ/20(0.05λ)的情况下，成为0.25dB的损耗。例如，该λ/20成为拟合的精度的参考值。

接着，对本实施方式的光学透镜11的作用效果进行说明。在光学透镜11中，入射面12和出射面13的每一个沿着X轴(第一轴)和Y轴(第二轴)这双方延伸。光学透镜11将从光源O射出并射入至入射面12的入射光L1转换为平行光L3，并使转换后的平行光L3从出射面13射出。入射面12具有凸部14和凹部15。凸部14在从X轴所延伸的第一方向D1观察时形成，凹部15在从Y轴所延伸的第二方向D2观察时形成。如此，通过入射面12具备凸部14和凹部15，能提高光的耦合效率。

如上所述，也可以是，入射光L1的远场图样为椭圆形。此外，也可以是，从出射面13射出的平行光L3是圆形光束。在该情况下，能将来自光源O的作为发散光的椭圆光束转换为作为平行光L3的圆形光束并从光学透镜11输出。

如上所述，也可以是，出射面13具有：第一凸部16，在从第一方向D1观察时形成；以及第二凸部17，在从第二方向D2观察时形成，第一凸部16的曲率和第二凸部17的曲率彼此不同。在该情况下，有助于光的耦合效率的进一步提高。

接下来，参照图10和图11对第一变形例的光学透镜21进行说明。光学透镜21的一部分的构成与上述的光学透镜11的一部分的构成相同。由此，以下适当省略与光学透镜11的说明重复的说明。光学透镜21是硅制的。图10是表示光学透镜21的YZ截面的设计例的图。图11是表示光学透镜21的XZ截面的设计例的图。

光学透镜21是具有入射面22和出射面23的各向异性透镜。入射面22具有：凸部24，在从第一方向D1观察时形成；以及凹部25，在从第二方向D2观察时形成。出射面23具有：第一凸部26，在从第一方向D1观察时形成；以及第二凸部27，在从第二方向D2观察时形成，第一凸部26的曲率小于第二凸部27的曲率。

硅制的光学透镜21的折射率n的值大于玻璃制的光学透镜11的折射率n的值，例如为3.48。由于光学透镜21的折射率n高于光学透镜11的折射率n，因此光学透镜21的设计自由度高于光学透镜11的设计自由度，能扩大从光源O到光学透镜21的距离。因此，光学透镜21的安装变得更加容易。

以上，第一变形例的光学透镜21由硅构成。如上所述，硅制的光学透镜21的折射率n高于玻璃制的光学透镜11的折射率n，因此能进行不形成极端的凹凸的设计。其结果是，能抑制发生了轴偏移的情况下的对光学损耗的影响。另一方面，玻璃制的光学透镜11具有物性稳定这一优点。而且，光学透镜也可以由树脂构成。在该情况下，有助于降低花费于光学透镜的成本。

接着，对作为具备第二变形例的光学透镜31的光装置的光学系统30进行说明。图12是表示光学系统30的XZ截面的图。图13是表示光学系统30的YZ截面的图。如图12和图13所示，光学系统30具有光学透镜31、非球面透镜32以及聚光透镜33。

图14是将非球面透镜32放大后的图。非球面透镜32由树脂构成。非球面透镜32例如可以使用3D打印技术来制作。非球面透镜32接合于作为具有光源的光元件的激光二极管芯片(以下，称为“LD芯片”。)40的波导41的端面40b。

非球面透镜32被形成为半球状透镜。非球面透镜32是与LD芯片40的波导41的端面接合的端面树脂透镜。非球面透镜32具有与包括LD芯片40的波导41的端面40b接合的平面32b。作为一个例子，非球面透镜32的倍率为2.7倍。非球面透镜32的光轴(中心轴)例如以与LD芯片40的波导41的光轴一致的方式无偏移地设置。

光学透镜31具有入射面31b和出射面31c，来自非球面透镜32的光L4射入至入射面31b。光学透镜31是各向异性准直透镜。作为一个例子，XZ截面内的光学透镜31的焦距f为1.18mm，YZ截面内的光学透镜31的焦距f为0.46mm。

光学透镜31由玻璃构成。光学透镜31的入射面31b具有与上述的凸部14和凹部15相同的凸部34和凹部35。射入至光学透镜31的光L4被光学透镜31转换为平行光L5。光学透镜31使平行光L5射出至聚光透镜33。作为一个例子，聚光透镜33的焦距为1.58mm。聚光透镜33使来自光学透镜31的平行光L5会聚并射入至光纤。作为一个例子，该光纤的MFD为9.6μm。

以上，在第二变形例的光学系统30中，来自非球面透镜32的光L4射入至入射面31b，其中，该非球面透镜32具有与包括作为具有光源的光元件的LD芯片40的波导41的端面40b接合的平面32b。因此，能通过非球面透镜32来缩小NA从而抑制由渐晕引起的光学损耗，因此能提高光的耦合效率。

以上，对本公开的光学透镜的实施方式和各种变形例进行了说明。然而，本发明不限定于上述的实施方式或变形例。即，本领域技术人员会容易地认识到本发明在权利要求书所记载的主旨的范围内可以进行各种变形和变更。

Claims (6)

1.一种光装置，具备：

光源；以及

光学透镜，具有入射面和出射面，所述入射面沿第一轴和与所述第一轴交叉的第二轴这双方延伸，所述出射面沿所述第一轴和所述第二轴这双方延伸，

所述光学透镜将从所述光源射出并射入至所述入射面的入射光转换为平行光，并使所述平行光从所述出射面射出，

所述入射面具有：

凸部，在所述第一轴所延伸的第一方向上设置而成；以及

凹部，在所述第二轴所延伸的第二方向上设置而成。

2.根据权利要求1所述的光装置，其中，

所述入射光的远场图样为椭圆形。

3.根据权利要求1或2所述的光装置，其中，

从所述光学透镜的所述出射面射出的所述平行光是圆形光束。

4.根据权利要求1或2所述的光装置，其中，

所述光学透镜的所述出射面具有：

第一凸部，在所述第一方向上设置而成；以及

第二凸部，在所述第二方向上设置而成，

所述第一凸部的曲率和所述第二凸部的曲率彼此不同。

5.根据权利要求1或2所述的光装置，其中，

所述光学透镜由玻璃、硅或树脂构成。

6.根据权利要求1或2所述的光装置，其中，

所述光源具有包括光元件的波导的端面，

所述光装置还具备非球面透镜，所述非球面透镜具有与所述光源的所述端面接合的平面，

所述光学透镜的所述入射面供来自所述非球面透镜的光射入。