WO2014045850A1 - 光通信用のレンズ及び光通信モジュール - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a lens for optical communication and an optical communication module which are used for optical communication or the like and couple light from an optical element such as a semiconductor laser to an optical fiber or a light receiving element.
- a lens for optical coupling is used for efficient optical coupling between a semiconductor laser or light receiving element and an optical fiber.
- the structure which mainly supports a glass lens with a stainless steel leg part is widely used.
- a glass lens having an aspheric surface is generally expensive, and there is a problem that a significant cost is incurred due to a process of assembling with a leg portion made of different materials. Therefore, as shown in Patent Document 1, a plastic leg-integrated lens has been developed that enables easy molding of a highly accurate aspherical surface and enables mass production.
- Patent Document 1 a cylindrical portion for mounting an optical transmission line, a cylindrical portion for mounting a photoelectric element, and a wall portion connecting them are integrally formed, and the lens faces the photoelectric element. It is integrally formed on the wall so as to have a convex surface.
- a recess is formed so as to surround the lens. Since this recessed part functions as a thinning part, it can reduce that a thin part is pulled by the thick part by shaping
- JP 2007-183565 A Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-286016
- the cylindrical portion for mounting the optical transmission path, the cylindrical portion for mounting the photoelectric element, and the lens are integrally formed.
- the lens may be provided on one cylindrical portion.
- the leg-integrated lens as shown in Patent Document 1 inherently has a light emitting element and a light receiving element disposed therein, it has a cylindrical part (hereinafter referred to as a leg part) having a relatively long length with respect to the diameter. ing.
- a leg part cylindrical part having a relatively long length with respect to the diameter.
- the legs are relatively long, the releasability at the time of molding is deteriorated, and there is a risk of causing breakage or deformation at the time of release.
- the thickness of the leg portion is increased, the interference with the light emitting element and the light receiving element disposed inside, the adjustment margin in the direction perpendicular to the optical axis is reduced, the internal parts due to the protrusion of the adhesive applied to the end face of the leg portion, etc. It is easy to invite contamination. Furthermore, if the base of the leg portion is made thicker due to the draft, the influence of shrinkage during molding tends to affect the lens portion and deteriorate optical performance. On the other hand, if the thickness of the leg is increased or the base of the leg is thickened while the inner diameter of the leg is fixed, the outer diameter of the leg is increased accordingly and interferes with surrounding parts. There is a fear. On the other hand, it is possible to reduce the outer diameter of the leg by making the draft angle by making the tip end side thinner without changing the thickness of the base of the leg. There is a concern that the coating area is reduced and the adhesive strength is lowered.
- FIG. 9 of Patent Document 2 discloses a leg-integrated lens in which the leg is tapered so that the mold can be easily removed after molding.
- FIG. 9 of Patent Document 2 is for explaining a problem to be solved in which the laser light reflected from the inner surface becomes stray light noise. Therefore, in Patent Document 2, the leg portion is parallel to the optical axis. It has been proposed to do so. That is, Patent Document 2 does not disclose or suggest a technique capable of effectively suppressing stray light noise while maintaining the tapered shape of the leg.
- the present invention has been made in view of such problems, and is capable of reducing the size and improving the formability and assembling performance while enabling high-accuracy optical communication. As a result, the cost can be greatly reduced.
- An object is to provide a communication lens and an optical communication module using the same.
- the lens for optical communication according to claim 1 is a lens for optical communication that collects a light beam emitted from an optical element or an optical fiber, It is made of a plastic material, and is formed by integrally forming a cylindrical leg portion and a lens portion connected to the leg portion, and the inner peripheral surface of the leg portion is relative to the optical axis of the lens portion.
- the tapered surface is formed so as to spread from the lens portion toward the lens end surface on the leg portion side, and is a non-mirror surface.
- the inner peripheral surface of the leg portion is a tapered surface inclined with respect to the optical axis of the lens portion, and the tapered surface extends from the lens portion to the lens end surface on the leg portion side. Since it is formed so as to spread out, it can improve the releasability at the time of molding, and avoids interference with components such as light emitting elements and light receiving elements provided inside the legs, orthogonal to the optical axis Since it is possible to secure a margin for adjusting the alignment by displacement in the direction, it is possible to realize highly accurate optical coupling.
- the taper angle of the taper surface is increased, the releasability is further improved, but interference with surrounding parts due to an increase in the outer diameter of the lens, or a decrease in strength or adhesion due to a thinner leg portion, etc. There is a risk of inviting. Therefore, in the present invention, the taper angle of the tapered surface is suppressed, and the strength, size reduction, and adhesion of the leg portion are secured, and instead, the inner peripheral surface of the leg portion is made non-mirror surface. In the molding process, the adhesion area between the mold and the plastic material is reduced to improve the mold release. In addition, since the lens part and the leg part are integrally molded and the lens is for optical communication, the optical element is located close to the leg part.
- non-mirror surface refers to a surface that is not a mirror surface.
- the mirror surface means a surface having a ten-point average roughness Rz of 0.8 ⁇ m or less in accordance with JIS 0601-1976 (standard for surface roughness).
- the “optical element” includes both a light emitting element and a light receiving element. If the roughness is less than 0.8 ⁇ m, the stray light noise cannot be suitably suppressed, and the releasability when the lens of the present invention is released from the mold is deteriorated.
- the taper angle of the inner peripheral surface with respect to the optical axis of the lens portion is 2 ° or more and 40 ° or less.
- the taper angle is preferably 3 ° or more and 10 ° or less.
- the optical communication lens according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the inner peripheral surface of the leg portion has a ten-point average roughness Rz of 1.0 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less. It is characterized by.
- the inner peripheral surface of the leg portion When the ten-point average roughness Rz of the inner peripheral surface of the leg portion is 1.0 ⁇ m or more, releasability can be secured and stray light noise of reflected light can be suppressed. On the other hand, when the ten-point average roughness Rz of the inner peripheral surface of the leg portion is 50 ⁇ m or less, it is possible to suppress deterioration in releasability due to the unevenness of the inner peripheral surface being caught on the surface of the mold. More preferably, the inner peripheral surface has a ten-point average roughness Rz of 5.0 ⁇ m or more and 40 ⁇ m or less.
- the lens for optical communication according to claim 4 is characterized in that, in the invention according to any one of claims 1 to 3, the length of the leg portion is not less than 1 mm and not more than 4 mm.
- the leg portion is 4 mm or less due to problems such as consistency in replacing existing glass lenses with the lenses of the present invention. It is desirable.
- the lens for optical communication according to claim 5 is a ratio (L / D) between the length L of the leg portion and the outer diameter D of the lens in the invention according to any one of claims 1 to 4. Is 0.2 or more and 2 or less.
- the length L of the leg means the distance in the optical axis direction from the farthest from the mounting reference surface to the mounting reference surface, excluding the optical surface, of the lens inner surface.
- the optical communication lens according to claim 6 is the optical communication lens according to any one of claims 1 to 4, wherein the optical element is an LED (Light Emitting Diode), an LD (Laser Diode), a VCSEL (Vertical Cabinty Surface). It is characterized by being Emitting Laser) and PD (Photo Diode).
- the optical element is an LED (Light Emitting Diode), an LD (Laser Diode), a VCSEL (Vertical Cabinty Surface). It is characterized by being Emitting Laser) and PD (Photo Diode).
- An optical communication module is characterized in that the optical communication lens according to any one of claims 1 to 6 is assembled to a substrate that supports an optical element.
- a lens for optical communication and an optical communication module using the same that can achieve downsizing and improve moldability and assemblability while enabling high-accuracy optical communication, resulting in significant cost reduction. Can be provided.
- FIG. 1 is a cross-sectional view in the optical axis direction of an optical communication module 10 according to the present embodiment. It is a figure which shows the manufacturing process (a)-(c) of the lens of this embodiment. It is sectional drawing of lens 20 'concerning a comparative example. It is sectional drawing of the lens 20 concerning an Example.
- FIG. 1 is a cross-sectional view in the optical axis direction of an optical communication module 10 according to the present embodiment.
- a chip mounting portion 13 is attached to the center of a disk-shaped stem 12 having rod-shaped terminals 11 for feeding power, and a laser chip 15 as a light emitting element is attached to a side surface of the chip mounting portion 13 via a heat sink 14. Yes.
- the laser chip 15 is connected to the terminal 11 via a wiring (not shown).
- an LED Light Emitting Diode
- LD Laser Diode
- VCSEL Very Cavity Surface Emitting Laser
- the wavelength used is generally about 1310 ⁇ 15 nm or 1550 ⁇ 15 nm for the single mode, and about 850 ⁇ 15 nm for the multimode.
- PD Photo Diode
- the lens 20 is arranged so as to cover the outside of the laser chip 15.
- the lens 20 is made of plastic, and is integrally formed from a substantially cylindrical leg portion 21 and a lens portion 22 provided at an end portion of the leg portion 21.
- the lens 20 is attached to the stem (substrate that supports the optical element) 12 by bonding the tip 21b of the leg 21 to the stem 12.
- the tip 21b of the leg 21 is an attachment reference plane.
- the stem 12 is usually formed of a ceramic material having a uniform thickness and has a disk shape when viewed from the optical axis direction. It may be polygonal or elliptical. Further, the size of the stem 12 is sufficiently larger than the outer diameter of the holder 30 when viewed from the optical axis direction. In addition, the surface of the stem 12 is plated with gold.
- the inner peripheral surface 21a of the leg portion 21 is a tapered surface formed so as to spread from the lens portion 22 toward the lens end surface on the leg portion 21 side, and is a rough surface.
- the taper angle ⁇ with respect to the optical axis of the taper surface is 2 ° or more and 40 °, and is 5 ° here.
- the ten-point average roughness Rz of the roughened surface is 1.0 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less, and here is 8 ⁇ m.
- the leg portion 21 and the stem 12 may be joined by welding or the like, but are usually joined by an adhesive.
- Adhesives include thermosetting adhesives, hot melt adhesives, UV curable adhesives, anaerobic pressure sensitive adhesives, epoxy adhesives, etc., but UV curing has little effect on the lens during bonding. It is preferable to use an adhesive or an epoxy-based adhesive, and it is desirable to use a highly thixotropic adhesive that has a sufficient adhesive force between the metal and resin systems and does not spread liquid. Since the lens 20 having the leg 21 is made of resin and the substrate 12 is usually gold-plated, the bottom surface of the leg 21 is attached by an adhesive without being welded.
- the total length H in the optical axis direction of the lens 20 according to the embodiment is 3.5 mm, the outer diameter D thereof is 4.7 mm, and the length L of the leg portion 21 in the optical axis direction is 2 mm.
- the lens can be molded by ordinary injection molding.
- the resin used for the lens for optical communication is not particularly limited as long as it has a good infrared transmittance.
- the shape of the lens 20 when viewed from the optical axis direction is preferably a circular shape, but may be a polygonal shape such as a quadrangle or an elliptical shape.
- the outer size of the lens for optical communication is generally 2 to 6 mm, and the total length in the optical axis direction is 3 to 7 mm.
- the optical axis in this specification refers to the thickest part or the thinnest part of the lens part 22 or a straight line passing through the center of the lens part 22.
- the substantially optical axis direction includes the optical axis direction itself.
- it indicates a direction in which the inclination from the optical axis is 2 degrees or less.
- a cylindrical stainless steel holder 30 is attached to the outside of the lens 20 in the direction orthogonal to the optical axis so as to be welded to the stem 12 with a gap.
- a cylindrical sleeve 31 having a smaller diameter is fixed to the tip of the holder 30, and a ferrule 32 into which the optical fiber FB is inserted is inserted therein.
- the end of the optical fiber FB faces the lens unit 22. ing.
- the distance between the inner circumference of the holder 30 and the outer circumference of the lens 20 in the optical axis circumferential direction is preferably between 0.002 mm and 0.020 mm. When it is 0.002 mm or more, the holder 30 can be smoothly inserted into the lens 20, and when it is 0.020 mm or less, the holder 30 and the lens 20 can be substantially fitted.
- the optical communication module 10 of this embodiment When power is supplied through the terminal 11, the laser chip 15 emits light, and the emitted light beam passes through the lens unit 22, is refracted by the refracting surface, and is condensed on the end surface of the optical fiber 32. Will be propagated. Incidentally, the light emitted from the laser chip 15 and incident on the inner peripheral surface 21a of the leg 21 is diffused by the roughened surface, so that it is suppressed from returning to the laser chip 15 and stray light entering the optical fiber FB. , Stray light noise can be suppressed.
- FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process of the lens of this embodiment.
- a leg transfer surface Ma is formed from a mold material M by electric discharge machining. More specifically, electric discharge machining is performed on the material M of the mold using the electrode ET having a shape similar to the leg transfer surface Ma after the machining.
- the corresponding portion of the leg transfer surface Ma can be roughened by forming minute irregularities on the surface of the electrode ET corresponding to the inner peripheral surface 21a of the leg 21. The roughness of the roughened surface can be adjusted by the speed and voltage of the electrode ET.
- the optical surface transfer surface Mb corresponding to the lens portion 22 is formed by cutting.
- the mold M1 thus formed and the flat mold M2 are clamped and melted into an internal cavity through a gate (not shown). , PC, etc.). Further, as shown in FIG. 2C, the lens 20 is released after the material is cooled. At this time, since the inner peripheral surface 21a of the leg portion 21 is a tapered surface inclined with respect to the optical axis of the lens portion 22, the releasability at the time of molding can be improved. Moreover, since the corresponding part of the leg transfer surface Ma is an appropriately roughened surface, the mold release property is further improved.
- the inner peripheral surface 21 a of the leg portion 21 is a tapered surface inclined with respect to the optical axis of the lens portion 22. Interference with the chip mounting portion 13 provided inside 21 can be suppressed. Further, when the lens 20 is bonded to the stem 12, when the centering is performed by performing displacement in the direction perpendicular to the optical axis, interference with the chip mounting portion 13 or the like is prevented even if the adjustment margin is relatively large. Since it can suppress, highly accurate optical coupling is realizable.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of the lens 20 ′ according to the comparative example
- FIG. 4 is a cross-sectional view of the lens 20 according to the example.
- a comparative example and an Example differ only in the structure of a leg part.
- the inner peripheral surface of the leg portion 21 ′ extending in the optical axis direction from the lens portion 22 is parallel to the optical axis.
- the holding pressure was increased to 1.5 times the basic condition, there was only an effect that the frequency at which the legs were cut slightly decreased.
- the mold is composed of a lens part that slides back and forth in the optical axis direction and a leg part that is a separate part, and the leg part is released by protruding the mold that constitutes the lens part. .
- the cycle time was twice as long as the basic conditions. As a result, the fact that only the leg portion 21 ′ remains in the mold has been greatly reduced, but it has not been completely eliminated. Therefore, it has been found that there is a problem that the optical performance of the molded product deteriorates or continuous molding cannot be performed.
- the leg 21 could be released without being caught when the molded product was taken out by molding under the basic conditions without changing the molding conditions such as extending the cycle time. Further, only the leg portion 21 was cut and it did not remain in the mold, and stable continuous molding was possible.
- the inner peripheral surface 21a of the leg portion 21 is formed by forming the corresponding mold part by electric discharge machining, and the molding surface is rough and cloudy (the ten-point average roughness Rz is about 8 ⁇ m). .
- the lens 20 of the example has a larger opening diameter at the tip of the leg than the lens of the comparative example, when the lens 20 was actually attached to the stem provided with the light emitting element / light receiving element, it was applied to the attachment reference surface. Even if the adhesive protrudes to the inside, it does not touch the element or the wiring, so there is no adverse effect due to the adhesive.
- the lens of the present invention may be used to collect the light emitted from the optical fiber on the light receiving element, and the tapered surface has a stepped portion or R within the scope of the purpose of the present invention. May be.
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Abstract
高精度な光通信を可能としつつ、小型化を図れ成形性や組み立て性が向上し、結果として大幅なコスト低減を図れる光通信用のレンズ及びそれを用いた光通信モジュールを提供する。脚部(21)の内周面(21a)が、レンズ部(22)の光軸に対して傾いたテーパ面となっているので、成形時の離型性を向上させることができ、又、脚部内部に設けた発光素子や受光素子などの部品との干渉を回避し、光軸直交方向への変位による芯合わせの調整代を確保できるから、高精度な光結合を実現できる。更に、テーパ面のテーパ角は抑え気味にして前記脚部の強度と小型化を確保しつつ、その代わり、脚部(21)の内周面(21a)を非鏡面とすることで、成形時に金型とプラスチック素材の密着面積を低減させ、離型性を高め、又、脚部(21)の内周面(21a)を非鏡面とすることで、内面反射による迷光ノイズの発生を効果的に抑制できる。
Description
本発明は、光通信等に用いられ、例えば半導体レーザ等の光学素子からの光を光ファイバーもしくは受光素子に結合する光通信用のレンズ及び光通信モジュールに関する。
光通信等において、半導体レーザまたは受光素子と、光ファイバーとの間で効率よく光結合させるために、光結合用のレンズが用いられている。ところで、従来の光結合用のレンズでは、主にガラスレンズをステンレス製の脚部で支持する構成が広く用いられている。しかるに、非球面を有するガラスレンズは一般的に高価であり、更に素材が異なる脚部と組み立てる工程を経ることで、顕著なコスト高を招くという問題がある。そこで、特許文献1に示すように、高精度な非球面の成形が容易で大量生産を可能とする、プラスチック製の脚部一体型レンズが開発されている。
特許文献1に示す構成では、光伝送路取付用の円筒部と、光電素子取付用の円筒部と、これらを接続する壁部とが一体に形成されており、レンズは光電素子に対向して凸面を有するように壁部に一体に形成されている。ここで、このような構成を射出成形等で形成する場合、素材冷却時の肉厚部の収縮が形状精度を維持する上で障害となりやすい。そこで、特許文献1では、レンズを取り囲むようにして凹部を形成している。かかる凹部が肉抜き部として機能するので、成形収縮によって肉薄部が肉厚部に引っ張られて不均一に変形することを低減できる。
ところで、特許文献1の脚部一体型レンズにおいては、光伝送路取付用の円筒部と、光電素子取付用の円筒部と、レンズとを一体成形しているので、これらの同軸度は精度良く確保されるが、この脚部一体型レンズを介在させる、発光素子又は受光素子と、光ファイバーとの間に芯ズレが生じていた場合、どのようにして調整するかという問題がある。芯ズレ調整のためには、光伝送路取付用の円筒部と、光電素子取付用の円筒部とを切り離し、光軸直交方向に変位可能な構成とするのが好ましい。レンズは、一方の円筒部に設ければ良い。しかしながら、このように、特許文献1の脚部一体型レンズを改良したとしても、以下に述べるような問題がある。
特許文献1に示すような脚部一体型レンズは、本来的に内部に発光素子や受光素子を配置するので、径に対して長さが比較的長い円筒部(以下、脚部という)を備えている。しかしながら、脚部を比較的長くすると、成形時の離型性が悪くなり、離型の際に破損や変形を招く恐れがある。その対策として、脚部の強度を確保するために、脚部の肉厚をあげることが考えられ、また離型性を高めるために、脚部に抜き勾配をつけることが考えられる。ところが、脚部の肉厚を増大すると、内部に配置した発光素子や受光素子との干渉や光軸直交方向の調整代の減少、脚部の端面に付与した接着剤のはみ出しによる内部部品等の汚染などを招きやすい。更に、抜き勾配のため脚部の根元を厚くすると、成形時の収縮による影響がレンズ部に及び光学性能の劣化を招きやすくなる。これに対し、脚部の内径を固定したまま、脚部の肉厚を増大させたり、脚部の根元を厚くすると、それに応じて脚部の外径が増大してしまい、周囲部品と干渉する恐れがある。一方、脚部の根元側の厚さを変えることなく脚部の先端側を薄くすることで抜き勾配をつければ、脚部の外径を抑えることもできるが、これにより脚部先端の接着剤塗布面積が小さくなり、接着強度の低下が懸念される。
これに対し、特許文献2の図9には、成形後に金型を容易に取り外すことができるように、脚部をテーパ形状とした脚部一体型レンズが開示されている。しかしながら、特許文献2の図9は、内側面で反射したレーザ光が迷光ノイズとなる解決すべき課題を説明するためのものであり、そのため、特許文献2では、脚部を光軸と平行にすることが提案されているのである。すなわち、特許文献2には、脚部のテーパ形状を維持した状態で迷光ノイズを有効に抑制できる技術は開示も示唆もされていない。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、高精度な光通信を可能としつつ、小型化を図れ成形性や組み立て性が向上し、結果として大幅なコスト低減を図れる光通信用のレンズ及びそれを用いた光通信モジュールを提供することを目的とする。
請求項1に記載の光通信用のレンズは、光学素子もしくは光ファイバーから出射された光束を集光する光通信用のレンズであって、
プラスチック素材を用いてなり、筒状の脚部と、前記脚部に連結されたレンズ部とを一体的に成形してなり、前記脚部の内周面は、前記レンズ部の光軸に対して傾いたテーパ面となっており、前記テーパ面は前記レンズ部から前記脚部側のレンズ端面に向かって広がるように形成されており、且つ非鏡面であることを特徴とする。
プラスチック素材を用いてなり、筒状の脚部と、前記脚部に連結されたレンズ部とを一体的に成形してなり、前記脚部の内周面は、前記レンズ部の光軸に対して傾いたテーパ面となっており、前記テーパ面は前記レンズ部から前記脚部側のレンズ端面に向かって広がるように形成されており、且つ非鏡面であることを特徴とする。
本発明によれば、前記脚部の内周面が、前記レンズ部の光軸に対して傾いたテーパ面となっているおり、前記テーパ面は前記レンズ部から前記脚部側のレンズ端面に向かって広がるように形成されているので、成形時の離型性を向上させることができ、又、脚部内部に設けた発光素子や受光素子などの部品との干渉を回避し、光軸直交方向への変位による芯合わせの調整代を確保できるから、高精度な光結合を実現できる。尚、テーパ面のテーパ角を大きくすれば、離型性はより向上するが、レンズ外径の増大による周囲部品との干渉、又は脚部の薄肉化に伴う強度低下や接着性の低下等を招く恐れがある。そこで、本発明では、前記テーパ面のテーパ角は抑え気味にして前記脚部の強度と小型化,接着性を確保しつつ、その代わり、前記脚部の内周面を非鏡面とすることで、成形時に金型とプラスチック素材の密着面積を低減させ、離型性を高めているのである。又、前記レンズ部と前記脚部とを一体的に成形しており、且つ光通信用のレンズであるため前記光学素子が前記脚部と近い位置にあるので、前記レンズ内への出射光が前記脚部を透過または反射することで迷光となってしまう恐れがある。特に前記脚部を透過した光は、前記レンズ内でどのような反射をし、最終的に迷光となってしまうのかを予測することが困難であるが、前記脚部の内周面を非鏡面とすることで、透過や反射による迷光ノイズの発生を効果的に抑制できる。ここで、「非鏡面」とは、鏡面でない面をいう。鏡面とは、JIS 0601-1976(表面粗さの規格)に準拠した十点平均粗さRzが0.8μm以下の面をいう。
又、「光学素子」とは、発光素子及び受光素子のいずれも含む。0.8μm未満の粗さでは迷光ノイズを好適に抑制することができず、また、本発明のレンズを金型から離型する際の離型性が悪くなってしまう。
又、「光学素子」とは、発光素子及び受光素子のいずれも含む。0.8μm未満の粗さでは迷光ノイズを好適に抑制することができず、また、本発明のレンズを金型から離型する際の離型性が悪くなってしまう。
請求項2に記載の光通信用のレンズは、請求項1に記載の発明において、前記内周面の前記レンズ部の光軸に対するテーパ角は、2°以上、40°以下であることを特徴とする。
前記テーパ角が2°以上であると、離型性を確保することができる。一方、前記テーパ角が40°以下であると、前記脚部の強度を確保でき、その外径を抑えながらも内部空間を確保して、内部部品との干渉を抑制でき,更に前記脚部端面の面積を確保できるから、十分な接着面積により接着強度が高まる。尚、好ましくは、前記テーパ角は、3°以上、10°以下である。
請求項3に記載の光通信用のレンズは、請求項1又は2に記載の発明において、前記脚部の内周面は、十点平均粗さRzが1.0μm以上、50μm以下であることを特徴とする。
前記脚部の内周面の十点平均粗さRzが1.0μm以上であると、離型性を確保でき、また反射光の迷光ノイズを抑制できる。一方、前記脚部の内周面の十点平均粗さRzが50μm以下であると、前記内周面の凹凸が金型の表面に引っかかることによる離型性の悪化を抑制できる。より好ましくは、前記内周面は、十点平均粗さRzが5.0μm以上、40μm以下である。
請求項4に記載の光通信用のレンズは、請求項1~3のいずれかに記載の発明において、前記脚部の長さは、1mm以上、4mm以下であることを特徴とする。
前記脚部の長さが1mm以上であると、前記脚部内部に設けた発光素子や受光素子等に干渉する恐れが少なく、前記脚部の長さが4mm以下であると、離型性を確保できるとともに、光通信モジュールの全長を抑えることができる。特に、現在、ガラス製のレンズを有する光通信モジュールが大量に設置されているので、既存のガラス製のレンズを本発明のレンズに置き換える場合における整合性等の問題から脚部が4mm以下であることが望ましい。
請求項5に記載の光通信用のレンズは、請求項1~4のいずれかに記載の発明において、前記脚部の長さLと、前記レンズの外径Dとの比(L/D)は、0.2以上、2以下であることを特徴とする。
前記比(L/D)が0.2以上であると、前記脚部内部に設けた発光素子や受光素子等に干渉する恐れが少なく、前記比(L/D)が2以下であると、離型性を確保できるとともに、光通信モジュールの全長を抑えることができる。より好ましくは、L/D=0.2~1である。なお、脚部の長さLとは、レンズ内面のうち、光学面を除いて、取り付け基準面から最も遠いところから取り付け基準面までの光軸方向の距離をいう。
請求項6に記載の光通信用のレンズは、請求項1~4のいずれかに記載の発明において、前記光学素子は、LED(Light Emitting Diode),LD(Laser Diode)、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)、PD(Photo Diode)であることを特徴とする。
請求項7に記載の光通信モジュールは、請求項1~6のいずれかに記載の光通信用のレンズを、光学素子を支持する基板に組み付けてなることを特徴とする。
本発明によれば、高精度な光通信を可能としつつ、小型化を図れ成形性や組み立て性が向上し、結果として大幅なコスト低減を図れる光通信用のレンズ及びそれを用いた光通信モジュールを提供することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本実施形態にかかる光通信モジュール10の光軸方向断面図である。給電用の棒状の端子11を有する円板状のステム12の中央に、チップ搭載部13が取り付けられ、チップ搭載部13の側面にヒートシンク14を介して発光素子としてのレーザチップ15が取り付けられている。レーザチップ15は、不図示の配線を介して端子11に接続されている。なお、光学素子としてはLED(Light Emitting Diode),LD(Laser Diode)、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)、などが用いられる。また、用いられる波長は、シングルモードの場合には一般に1310±15nmまたは1550±15nm程度の波長が、マルチモードの場合には850±15nm程度の波長が用いられる。なお、受光素子を用いる場合にはPD(Photo Diode)などが用いられる。
レーザチップ15の外側を覆うようにして、レンズ20が配置されている。レンズ20は、プラスチック製であり、略円筒状の脚部21と、脚部21の端部に設けられたレンズ部22とから一体的に形成されている。脚部21の先端21bをステム12に接着することで、レンズ20はステム(光学素子を支持する基板)12に取り付けられている。尚、脚部21の先端21bは、取り付け基準面である。また、ステム12は、通常、一様な厚みを有するセラミック材料で形成されており、光軸方向から見た際に円板状の形状をしているが、厚みが異なる部分があっても、多角形状や楕円形などであってもよい。また、ステム12の大きさは、光軸方向から見た際にホルダ30の外径よりも十分大きくなっており、加えて、ステム12の表面には金メッキが施されている。
脚部21の内周面21aは、レンズ部22から脚部21側のレンズ端面に向かって広がるように形成されたテーパ面となっており、且つ粗し面である。テーパ面の光軸に対するテーパ角θは、2°以上、40°であり、ここでは5°である。又、粗し面の十点平均粗さRzは1.0μm以上、50μm以下であり、ここでは8μmである。また、脚部21とステム12とは、溶着などで接合されても良いが、通常、接着剤により接合されることが多い。接着剤としては、熱硬化性接着剤・熱溶融性接着剤・UV硬化性接着剤・嫌気性感圧性接着剤・エポキシ系接着剤などが挙げられるが、接着時のレンズへの影響が小さいUV硬化性接着剤やエポキシ系接着剤を用いることが好ましく、また、金属系と樹脂系に十分な接着力があり、低粘度かつ液体が広がらないチクソ性の高い接着剤を用いることが望ましい。なお、脚部21を有しているレンズ20は樹脂製であり、基板12は通常金メッキがなされているため、脚部21の底面は溶着などをされず接着剤によって取り付けられている。
実施の形態に係るレンズ20の光軸方向全長Hは3.5mmであり、その外径Dは4.7mmであり、脚部21の光軸方向長Lは2mmである。レンズは通常の射出成形により成形することができる。なお、光通信用のレンズに用いられる樹脂としては、赤外線の透過率が良好な樹脂であれば特に制限はなく、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、シクロオレフィン樹脂、ポリサルホン樹脂、ポリエーテルサルホン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。これらの中でも特に、吸湿による光学性能の変化が生じにくいという観点から、シクロオレフィン樹脂を用いることが好ましい。また、レンズ20を光軸方向から見た際の形状は円形状であることが好ましいが、四角形などの多角形状や楕円形状であってもよい。また、光通信用のレンズの外形の大きさは一般的に2~6mmであり、光軸方向の全長は3~7mmとなっている。なお、本明細書における光軸とは、レンズ部22のうち、最も厚い部分又は最も薄い部分、あるいはレンズ部22の中心を通過する直線のことを指す。
また、本明細書において「略○○」と記載されている場合には、「○○」自体も含むものとする。例えば、略光軸方向とは、光軸方向そのものも含む。なお、略光軸方向という場合には、光軸からのからの傾きが2度以下までの方向を指す。
レンズ20の光軸直交方向外側に、隙間を空けて円筒状のステンレス製であるホルダ30が、ステム12に溶接されるようにして取り付けられている。ホルダ30の先端には、より小さい径の円筒状のスリーブ31が固定され、その内部に光ファイバーFBが挿入されているフェルール32が挿入されており、光ファイバーFBの端部はレンズ部22に対向している。また、ホルダ30の内周とレンズ20の外周の光軸周方向における距離は0.002mm~0.020mmの間であることが好ましい。0.002mm以上であることにより、ホルダ30をレンズ20にスムーズに挿し込むことができ、0.020mm以下であることにより、ホルダ30とレンズ20とを略嵌合させることができる。
本実施形態の光通信モジュール10の動作を説明する。端子11を介して給電が行われると、レーザチップ15が発光し、その出射光束は、レンズ部22を通過して、屈折面で屈折され、光ファイバー32の端面に集光し、その後光ファイバー32内を伝播することとなる。尚、レーザチップ15から出射し、脚部21の内周面21aに入射した光は、粗し面で拡散されるので、レーザチップ15に戻ることや光ファイバーFB内に迷光が入ることが抑制され、迷光ノイズを抑えることができる。
図2は、本実施形態のレンズの製造工程を示す図である。まず、図2(a)にて、金型の素材Mから、放電加工にて脚部転写面Maを形成する。より具体的には、加工終了後の脚部転写面Maに類似の形状を持つ電極ETを用いて、金型の素材Mに放電加工を行う。このとき、脚部21の内周面21aに対応する電極ETの表面に微小な凹凸を形成するなどして、脚部転写面Maの対応部位を粗し面とすることができる。粗し面の粗度は、電極ETの速度や電圧などで調整できる。尚、レンズ部22に対応する光学面転写面Mbは,切削加工で形成する。
図2(b)に示すように、このようにして形成した金型M1と、平板状の金型M2とを型締めし、不図示のゲートを介して内部のキャビティ内に溶融したプラスチック(アクリル、PC等)を注入する。更に、図2(c)に示すように、素材冷却後にレンズ20を離型させる。このとき、脚部21の内周面21aが、レンズ部22の光軸に対して傾いたテーパ面となっているので、成形時の離型性を向上させることができる。又、脚部転写面Maの対応部位を適度な粗し面としているので、離型性が更に向上する。
更に、図1に示すように、レンズ20をステム12に組み付ける際に、脚部21の内周面21aが、レンズ部22の光軸に対して傾いたテーパ面となっているので、脚部21の内部に設けたチップ搭載部13等との干渉を抑制できる。又、レンズ20をステム12に接着する際に、光軸直交方向への変位を行って芯合わせを行う場合、その調整代を比較的大きく確保しても、チップ搭載部13等との干渉を抑制できるから、高精度な光結合を実現できる。
以下、比較例と比較して、本実施形態の実施例を説明する。図3は、比較例にかかるレンズ20’の断面図であり、図4は、実施例にかかるレンズ20の断面図である。比較例と実施例は脚部の構成のみが異なる。
図3に示す比較例では、レンズ部22から光軸方向に延在する脚部21’は、内周面が光軸に対して平行になっている。このレンズ20’を成形したところ、脚部21’のみが金型に残ってしまうという現象が発生した。(レンズ部と脚部分との境界部分で切れてしまった)また、脚部21’のみが金型に残らない場合でも、金型を開いて成形品を取り出す時に、脚部21’が金型にひっかかり変形してしまった。そこで、成形条件を変更して離型性が改善するか検討した。最初に保圧を上げてレンズ部と脚部の強度を増すことを試みた。保圧を基本条件の1.5倍まで上げたが、脚が切れる頻度が若干減った程度の効果しかなかった。次に成形品を取り出す時の金型の突き出し速度を遅くすることを試みた。金型は、光軸方向に前後摺動するレンズ部と、別部品からなる脚部によって構成されており、レンズ部を構成する金型を突き出すことで脚部が離型する構造になっている。設定可能な最大速度の5%まで下げてみたが、金型を突き出すとレンズ部と脚部の境界で切れてしまい、脚部は金型側に残ってしまった。次にサイクルタイムを延ばしてレンズが完全に冷却固化してから取り出すことを試みた。サイクルタイムは基本条件の2倍の長さにした。その結果、脚部21’のみが金型に残ってしまうことは大幅に減少したが、完全に解消されたわけではなかった。そのため、成形品の光学性能が悪化したり、連続成形が出来ないという問題があることが判明した。
一方、図4に示す実施例では、レンズ部22から光軸方向に延在する脚部21は、内周面21aが光軸に対してθ=5°のテーパ角を持つ。このレンズ20を成形したところ、サイクルタイムを延ばす等の成形条件の変更をしなくても、基本条件での成形で成形品を取り出す時に脚部21がひっかかることなく離型出来た。また、脚部21のみが切れて金型に残ってしまうこともなく、安定して連続成形が可能であった。更に、脚部21の内周面21aは、対応する金型の部位を放電加工で形成しており、成形面がざらついて曇った面(十点平均粗さRzが約8μm)になっている。そのため、発光素子から出射した光が内周面で反射して受光素子に入って迷光ノイズとなることがない。加えて、実施例のレンズ20は、比較例のレンズに比べて脚部先端側の開口径が大きいので、実際に発光素子/受光素子を設けたステムに取り付けた時に、取り付け基準面に塗布した接着剤が内側にはみ出したとしても、素子や配線に触れることがないので接着剤による悪影響がない。
本発明は、明細書に記載の実施形態や実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態・実施例・技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、光ファイバーから出射した光を受光素子に集光するために、本発明のレンズを用いても良く、また、本発明の目的の範囲内においてテーパ面が段差部やRを有する形状となっていても良い。
10 光通信モジュール
11 端子
12 ステム
13 チップ搭載部
14 ヒートシンク
15 レーザチップ
20 レンズ
21 脚部
21a 内周面
21b 先端
22 レンズ部
30 ホルダ
31 スリーブ
32 光ファイバ
M 金型の素材
M1 金型
M2 金型
Ma 脚部転写面
Mb 光学面転写面
FB 光ファイバー
11 端子
12 ステム
13 チップ搭載部
14 ヒートシンク
15 レーザチップ
20 レンズ
21 脚部
21a 内周面
21b 先端
22 レンズ部
30 ホルダ
31 スリーブ
32 光ファイバ
M 金型の素材
M1 金型
M2 金型
Ma 脚部転写面
Mb 光学面転写面
FB 光ファイバー
Claims (7)
- 光学素子もしくは光ファイバーから出射された光束を集光する光通信用のレンズであって、
プラスチック素材を用いてなり、筒状の脚部と、前記脚部に連結されたレンズ部とを一体的に成形してなり、前記脚部の内周面は、前記レンズ部の光軸に対して傾いたテーパ面となっており、前記テーパ面は前記レンズ部から前記脚部側のレンズ端面に向かって広がるように形成されており、且つ非鏡面であることを特徴とする光通信用のレンズ。 - 前記内周面の前記レンズ部の光軸に対するテーパ角は、2°以上、40°以下であることを特徴とする請求項1に記載の光通信用のレンズ。
- 前記脚部の内周面は、十点平均粗さRzが1.0μm以上、50μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光通信用のレンズ。
- 前記脚部の長さは、1mm以上、4mm以下であることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の光通信用のレンズ。
- 前記脚部の長さLと、前記レンズの外径Dとの比(L/D)は、0.2以上、2以下であることを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載の光通信用のレンズ。
- 前記光学素子は、LED,LD、VCSEL、PDであることを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載の光通信用のレンズ。
- 請求項1~6のいずれかに記載の光通信用のレンズを、光学素子を支持する基板に組み付けてなることを特徴とする光通信モジュール。
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