TWI286618B - Optical lens, optical lens array, optical coupler and method of fabricating optical lens - Google Patents

Description

1286618 玖、發明說明： 【發明所Λ之技術領域3 發明領域 本發明係屬於例如使用在光纖資料傳訊系統之微光學 5 透鏡的領域，尤係關於一種能將雷射光導入高頻帶寬的光 纖並能減少或消除對該雷射之反饋的便宜透鏡。 I：先前技術3 發明背景 一典型的習知裝置係被示於第1圖中，其中一光學透鏡 10 10係被設在一雷射（即相干的）光源15與一光纖20的前端之 間。該雷射源15係被裝在例如一電晶體外廓(TO)罩上，或 在一覆蓋一腔穴14開口端的電路板12上。該透鏡10具有一 物體（或輸入)表面25及一影像（或輸出）表面30。該透鏡1〇係 被一電晶體外廓(TO)殼或一成型物16所固持而對準於該雷 15 射源b。第1圖示出其射線執跡，典型的光徑會由該雷射源 15進入光纖20的前端。該光纖20亦具有一後端連接於一接 收裝置。 關於該等透鏡有許多棘手的設計考量。此包括在一容 裝該雷射、透鏡及光纖末端之封裝體内的空間容積是非常 20 地小。在平行光通道器材中該雷射光源與透鏡的輸入表面 之間典型僅有300μπι。此對透鏡設計會形狀成限制。又， 該等透鏡耦合單元通常會被製成一陣列(典型為12><1)。該等 透鏡設計的最重要標的係避免回反射。請參閱第}圖，傳統 的光纖表面22會部份地反射輸入的雷射光，其將會干擾該 I2866l8 光源15(及該光源所調制的數據），而在該光纖的遠端造成數 的誤差。該部份反射亦可能發生於輸出表面24處，並被 向田射光源15傳送回來，而再度導致資料的劣化。另一 5種⑥求係當該透鏡將雷射光導入光纖時，要避免在該光纖 中央以及蕊心覆層介面處的折射率變異，俾改善其資料傳 訊的頰帶寬度。 、 對部份反射問題的研究之一習知技術例曾被揭於英國 專利公告No· GB 2 354 839 A (Agilem Technologies Inc·)。 此習知技術資料揭露以環形的透鏡表面來取代更早的雙曲 10面傳輪透鏡。 又已知可使用次微米繞射紋路（如小凸紋）作為一透鏡 表面，而來減少回反射。但該等透鏡表面需使用昂貴的次 微米晶圓技術來製造，且該等透鏡會衰耗雷射束。 通常係希能以射出成型來製成微透鏡，因為此製法會 15特別適用於大量且低成本地生產。該等透鏡需要在200°C或 以上溫度能保持它們的形狀，因為雷射傳輸/收發模組在 被以焊劑重流製法或焊劑浸潰來設置在PCB板上時，將會 曝露於高溫。因此，僅有賦具高玻璃轉換溫度的聚合物能 被使用。但是’使用該類的聚合物將不能使用繞射表面。 20此外，某些玻璃類型的聚合物亦可被使用，但其將會可觀 地提高該透鏡或透鏡陣列的價格。 【發明内容]I 發明概要 一光學透鏡具有至少一端的表面形狀係為一錐面分量， 6

:t 3曰修(更)正本I 一螺旋分量，及一圓錐分量^J 該透鏡可被排成一陣列。該透鏡或透鏡陣列可與一鳗 體整合，該殼體有一端可耦合於一或數雷射源，及另一端 可搞合於一或數光纖的自由端。 製造上述光學透鏡的方法包括製成一模具其具有該透 鏡的倒反形狀，而包含一模部對應於該透鏡的一端表面。 該模部係為一錐面部份，一螺旋部份，及一圓錐部份之組 合物的倒反造型。該透鏡係將一可流動材料注入該模具中 來製成。 圖式簡單說明 第1圖示出一習知普通光纖/光源耦合裝置的示意圖； 第2圖為一透鏡之錐面表面的立體圖； 第3圖為一透鏡之圓錐表面的立體圖； 第4圖為一透鏡之螺旋端面的立體圖； 第5圖為一具有錐面、圓錐、及螺旋分量等之透鏡端面 的立體圖； 第6圖為一整合本發明之透鏡實施例的光耗合器； 第7圖示出在靠近端面之光纖處產生的發射廓形； 第8圖為一由透鏡回反射的影像； 第9a及9b圖示出一透鏡陣列； 第10圖示出一整合耗合器的示意圖；及 第11圖示出另一整合耦合器的示意圖。 I：實施方式3 較佳實施例之詳細說明 1286618 在一實施例中，該透鏡的輸入表面會被製成一形狀， 其係呈一錐面，一螺旋，一圓錐組合的形狀。 下列公式代表錐面分量： z=- c(5 ) -： - ---(1) 1+ + k)c2(x2 + y2) 5 其中：z為該表面的垂度或z座標； χ，y為橫向座標； k為錐面常數； c為曲率（彎曲表面半徑的倒數） 第2圖即為依本公式所形成之一錐面形狀40。 10 下列公式代表一圓錐： z(x?y) = dVx2 + y2 ⑺ 其中Z代表該表面的垂度或z座標，X與y仍代表橫向座 標，而d代表一常數。 第3圖示出依本公式所形成之一圓錐表面形狀45。 15 下列公式代表該螺旋分量： z(x?y) = u arc tan(-) …⑶ χ 其中z代表該表面的垂度或z座標，χ與y代表橫向座 標，而u代表一常數。 第4圖示出依本公式所形成的螺旋表面形狀50之一例。 20 由該錐面、螺旋及圓錐表面所組成的複合端面形狀55 乃示於第5圖中。該形狀係被用來作為該透鏡的（輸入)物面 25’，且亦可作為（輸出）像面30’。 1286618 該等透鏡10’有兩個目的。第一目的係為防止光例如被 光纖的前端面22朝該雷射反射而傳回至該雷射15。此等回 反射必須被阻止，因其會令雷射不穩定，且嚴重地干擾到 接收側的資料復原。利用該透鏡10,，則回反射一般可減至 5 _30dB。該透鏡的第二目的係為“調整，，於前端光纖表面上 的光點。此调整傳送會減少一多波模光纖的波模散失，而 得增加該光纖的數據帶寬。電信產業公會之一專門委員會 已規定一調整傳送必需使用“高帶寬，，光纖。 該圓錐、螺旋、錐面形狀的理想垂度係依雷射的特性 10而定，例如其波模廓形及數值孔隙等。且，最低耦合效率 及所接收的回反射亦必須納入考量。最後，該雷射至透鏡 及透鏡至光纖的距離亦必須考慮。該透鏡10，可被使用於單 波模及多波模器材。例如，在一多波模的VCSEL器材中， 一透鏡表面乃可被利用，其當由該透鏡的圓周移動時具有 15 一螺旋分量，在一360。迴轉中會造成6 7Γ的相變，並組合一 圓錐分量乃會造成-4 7Γ的相變。 (實施例） 為具體說明本發明，請參閱第6圖，其中有一透鏡1〇, 係實施本發明並與一殼體整合，而來取代第丨圖所示的傳統 20 透鏡10。 在本例中，製成該透鏡10’的材料係為“ultem”。該材 料Ultem會對850及1300nm波長具有高傳輸效率，故令其可 成為一適用於傳輸器、接收器、傳接器等的材料。其具有 約215°C的高玻璃轉換溫度，故使該模組可被重流。 1286618 下列公式代表凸出的輸入端面25’之形狀，其直徑為 250μιη : 6π arctan Ύ 4^(x2 + y2) X _ 125.10'3 850.10~6 2^*0.632 z(x，y)=——^53^：,.ly ,L·= i+V1+34*〇7(x2 + y2) …(4) 5 由上述公式所得的分量形狀係為一錐面，一螺旋及一 圓錐。最後的乘因數係針對850nm波長用來將“相面”轉變 成一Ultem的形狀，而在分母中包含一修正參數，其代表(折 射率-1)。 於此特定例中，係選成使該透鏡的影像（即輸出）端表面 10 30’僅形成一凸出的雙曲面。 …（5) z(x,y)- 3.36(x2ty2) 1+ yl + 18.65(x2 + y2) 其中，曲率半徑為0.297mm，而該錐面常數為-2·65。 該第一與第二表面頂點之間的距離係被選為1.5mm。 第7圖示出由上述之透鏡10’所達成的傳送圖案60。如 15 圖所示，其光強度可形成一環狀分佈。 第8圖示出在該雷射光源15可見到之由透鏡10’結合光 纖20所造成的回反射65。明顯可知，該部份反射並未侵入 於光源上，此即意味著發生數據誤差的機會將大為減少。 (製造方法） 20 上述特定形式的透鏡可藉射出成型法來製成。聚合物 材料，各種玻璃或其它具有適當光學品質的材料皆可使 用。該模穴可用一鑽石迴轉製法來成型。 10 1286618 i if- q Π .雜·. / 沄; 實施本發明的透鏡可被製成陣列結構。第9a及9b圖乃 概略地示出一 12x1的透鏡10’陣列。 第10圖為一光耦合器80的截面圖，其具有一成型物85 乃與一上述的透鏡1〇’形成一體，而對準一輸入孔隙90及一 5 輸出孔隙95。一雷射光源15係固設於該輸入孔隙90中。以 相同的方式，一光纖會被容納並固接於該輸出孔隙95中。 該雷射15、透鏡1〇’及光纖20會被保持在正確的光對準狀 態。

第11圖示出另一光耦合器100的截面圖。此耦合器與第 10 9圖的裝置不同之處在於，有一電晶體外廓封裝體(通常稱 為TO Can)105被容裝在輸入孔隙90’中。一光纖20會被承接 於輸出孔隙95中，該孔隙係開口於一輸出腔室98，而像面 30’會伸入該腔室98中。該透鏡1〇’的輸入表面25,會伸入一 腔穴102中。在該腔穴102的開口處，即設有該雷射源15， 15 其係設在一 TO殼105中。 (應用範圍）

依據本發明之概念所構建的透鏡及透鏡陣列，可被應 用於多波模及單波模的資料傳訊裝置，例如傳輸器、傳收 器、及接收器等。 20 (綜論） 本發明係包含一錐面，一螺旋及一圓錐形狀之直接成 型的基本造型之實現，其可防止回反射達到雷射光源，並 將一雷射發出的光會聚成一環狀，而使光纖的蕊心未被照 射。相較於習知技術，阻止回反射光達到雷射源之效果將 11 1286618 可改善，該透鏡的耦合效率會提高，且其成本會降低，而 設計之可調變性亦會提高。 t圖式簡單說明3 第1圖示出一習知普通光纖/光源耦合裝置的示意圖； 5 第2圖為一透鏡之錐面表面的立體圖； 第3圖為一透鏡之圓錐表面的立體圖； 第4圖為一透鏡之螺旋端面的立體圖； 第5圖為一具有錐面、圓錐、及螺旋分量等之透鏡端面 的立體圖； 10 第6圖為一整合本發明之透鏡實施例的光耦合器； 第7圖示出在靠近端面之光纖處產生的發射廓形； 第8圖為一由透鏡回反射的影像； 第9a及9b圖示出一透鏡陣列； 第10圖示出一整合耦合器的示意圖；及 15 第11圖示出另一整合耦合器的示意圖。 【圖式之主要元件代表符號表】 10，10’…透鏡 25…輸入表面 12…電路板 25’…物面 14···腔穴 30···輸出表面 15…雷射源 30’…像面 16…成型物 35…接收裝置 20…光纖 40···錐面形狀 22…前端 45···圓錐形狀 24…後端 50…螺旋表面形狀 12 1286618 55…端面形狀 60…傳送圖案 65…回反射圖案 80，100…光耦合器 85…成型物 90…輸入孔隙 95…輸出孔隙 98…輸出腔穴 102···腔穴 105…封裝體 13

Claims (1)

128661& 92128583號專利申請案申請專利範面修正本⑽02.06 拾、申請專利範®: 月^日修(更)正本 10 15 20 .一種光學透鏡，其至少有—端面的表面形狀係為-錐面 分量，一螺旋分量，及-圓錐分量的組合形狀。 如申請專職㈣1項之光學透鏡，其中_面分量係 為雙曲面、拋物面、或球面之一者^申Γ利範圍第2項之光學透鏡，其中由該螺旋分量 與圓錐分量所造摘最大峻㈣料_3:2。 如申請專利範圍第丨項之井A 的材料製成。 ，透鏡，係由一可模製成型 如申請專利範圍第i項之光 旋及圓錐分量係以_垂声〜、兄、中该各錐面、螺 度分量係被選成至少會與該里為其數學性特徵’且該垂 模廓形或數值孔隙匹配。、透鏡所要使用之光源的波 如申請專利範圍第5項之光 更取決於該透鏡與-光源之;^鏡，其中該垂度分量係 要使用的-光纖之間距。曰1巨及該透鏡與該遷鏡所如申請專利範圍第！項之 凸出的雙曲面形狀。予透鏡，其另-端面係為〜 一種用來將雷射光傳 透光材料的本體部份，且其^纜_光學透鏡，包含^ 狀，係為一錐面分量，— 夕在°亥田射側的端面形 合形狀。 旋分量’及一圓錐分量的鈑如申請專利_第8項之 為雙曲面、抛物面、或球面；"鏡，其中_面分量係<一者。 2. 3. 4. 5. 6. 8. 14 】0 “ 一臭^日修⑵斤 10.如申請專利範圍第9 /也〜—— ' 與圓錐分量所造成的最 予透鏡，其中由該螺旋分量 U·如申請專利範圍第8項 > 相變比率係為_3··2。 <光擧洁拉 的材料製成。 逐鏡，係由一可模製成型 12·如申請專利範圍第8 '<光學读# β ^ 旋及圓錐分量係以〜遷鏡，其中該各錐面、螺 4度分息炎 10 度分量係被選成至少會迤▲里馮其數學性特徵，且該垂 模廓形或數值孔隙匹配f 4透鏡所要使用之光源的波 13·如申請專利範圍第12項之… 更取決於該透鏡與〜光1光學透鏡，其中該垂度分量係 要使用的一光纖之間矩。、之間距及該透鏡與該透鏡所 14.如申請專利範圍第8項 為一凸出的雙曲面形狀。予遷鏡，其中該光纖端面係 15_—種光麵合器，包含： 15 -殼體具有-端接部 接部可承接並固持〜永 於一雷射源，及另一端 先纖的自由端·a -光學透鏡整合於該殼體内二 自由端對準，且其中該透鏡 士^雷射源和光纖 fV , ίλΆ ^ 有透光材料的本體部 伤，以及其中該雷射端的表面 20

旦一總》\ 〜狀至少係為一錐面分 里，螺疑/刀量及一圓錐分量的級合形狀。 16. 如申請專利範_5項之光耦合器，其中該錐面分量係 為雙曲面、拋物面、或球面之—者。 17. 如申請專利範圍第闕之光耦合器，其中由該螺旋分量 與圓錐分量所造成的最大相變比率係為j · 2。 15

(更)正本丨 1286618 18·如申請專利範圍第16項之光耦合器，係由一可模製成型 的材料製成。 19·如申請專利範圍第15項之光耦合器，其中該各錐面、螺 旋及圓錐分量係以一垂度分量為其數學性特徵，且該垂 5 度分量係被選成至少會與該透鏡所要使用之光源的、皮 模廓形或數值孔隙匹配。

20·如申請專利範圍第19項之光耦合器，其中該垂度分量係 更取決於該透鏡與一光源之間距及該透鏡與該透鏡所 要使用的一光纖之間距。 10 21·如申請專利範圍第15項之光耦合器，其中該光纖端面係 為一凸出的雙曲面形狀。 22.如申請專利範圍第15項之光耦合器，其中該雷射係被装 設在一印刷電路板及/或撓性電路帶上。 23·—種製造光學透鏡的方法，包含以下步驟： 15 20

製成一模具其具有該透鏡的倒反形狀，而包含〜楔 部對應於該透鏡之一端部表面，其係倒反於一錐面分 里，一螺疑分量及一圓錐分量的組合形狀；及 將可流動材料注入於該模具中來製成該透鏡。 24·-種光學透鏡_，其包含_陣列設置有多數的光學透 鏡各光學透鏡具有至少_端部表面的形狀係為1 面分量，-螺旋分量及一圓錐分量的組合形狀。 25·—種光賴合器，包含·· 一殼體具有—端接部可連接於-雷射源陣列，及 端接部可承接並_—光__自由端；及 16

1286618 一光學透鏡陣列整合於該殼體内，而對準該雷射陣 歹J和該光纖陣列的自由端，且該透鏡陣列包含一透光材 料的本體部份，且其中於該陣列中之該等透鏡之該雷射 端的表面形狀，至少係為一錐面分量，一螺旋分量，及 一圓錐分量的組合形狀。 26·如申請專利範圍第25項之光耦合器，其中該錐面分量係 為雙曲面、拋物面、或球面之一者。

27’如申請專利範圍第26項之光耦合器，其中由該螺旋分量 與圓錐分量所造成的最大相變比率係為_3 ·· 2。 28·如申請專利範圍第27項之光耦合器，係由一可模製成型 的材料製成。 29·如申請專利範圍第15項之光耦合器，其中該各錐面、螺 旋及圓錐分量係以一垂度分量為其數學性特徵，且該垂 度分量係被選成至少會與該透鏡陣列所要使用之光源 的波模廓形或數值孔隙匹配。

30·如申請專利範圍第29項之光耦合器，其中該垂度分量係 更取決於該透鏡陣列與雷射陣列之間距，及該透鏡陣列 與該透鏡陣列所要使用的光纖陣列之間距。 31·如申請專利範圍第25項之光耦合器，其中該透鏡陣列中 之該等透鏡的光纖端表面具有凸出的雙曲面形狀。 32·如申請專利範圍第25項之光耦合器，其中該雷射陣列係 被裝設在一印刷電路板及/或撓性電路帶上。 17