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JP2011158867A - Optical module for communication, and aspherical lens used for the same - Google Patents

Optical module for communication, and aspherical lens used for the same Download PDF

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JP2011158867A
JP2011158867A JP2010022910A JP2010022910A JP2011158867A JP 2011158867 A JP2011158867 A JP 2011158867A JP 2010022910 A JP2010022910 A JP 2010022910A JP 2010022910 A JP2010022910 A JP 2010022910A JP 2011158867 A JP2011158867 A JP 2011158867A
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JP
Japan
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lens
optical
glass
optical module
glass lens
Prior art date
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Application number
JP2010022910A
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Japanese (ja)
Inventor
Kentaro Murakami
研太郎 村上
Tomoki Kasahara
知樹 笠原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
YAMAMURA PHOTONICS CO Ltd
Original Assignee
YAMAMURA PHOTONICS CO Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical module for communication in which efficient coupling between a light emission part and an information transmission part is achieved and the airtightness of a sealed space surrounded by a stem for securing the environment resistance of a semiconductor laser, a holding member, and a glass spherical lens is enhanced, and cost can be reduced, and to provide an aspherical lens used for the optical module. <P>SOLUTION: The optical module includes: the glass lens to which a light signal from the light emission part is incident; the stem to which the light emission part is mounted; the holding member that is attached to the stem, surrounds the light emission part, and holds the glass lens; and a plastic aspherical lens that has a concave shape having the same curvature as the outer surface of the glass lens, and is attached so as to cover a part of the outer surface of the glass lens. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気信号を光信号へ変換する光電変換モジュール(光モジュール)およびそれに用いる非球面レンズに関する。   The present invention relates to a photoelectric conversion module (optical module) that converts an electrical signal into an optical signal and an aspheric lens used therefor.

光通信において、情報である電気信号を光信号へ変換し、発光部から情報伝達部である光ファイバーへ導入する。光ファイバーは情報伝達において光信号の劣化が少ないため、長距離伝達に優れている。伝達された光信号は、光ファイバー出力端において半導体受光素子の受光面に照射され、光信号から電気信号へと変換され、情報を伝達する仕組みとなっている。
光モジュールは各種の光半導体素子を組み込んだ光部品であって、光コネクタや光コリメータなどがあり、様々な分野で使用されている。
In optical communication, an electrical signal, which is information, is converted into an optical signal and introduced from the light emitting unit into an optical fiber, which is an information transmission unit. Optical fibers are excellent for long-distance transmission because optical signals undergo little degradation in information transmission. The transmitted optical signal is applied to the light receiving surface of the semiconductor light receiving element at the output end of the optical fiber, converted from the optical signal to an electrical signal, and transmits information.
An optical module is an optical component in which various optical semiconductor elements are incorporated, and includes an optical connector and an optical collimator, and is used in various fields.

具体的には、光半導体素子(例えば、レーザダイオード等の半導体発光素子あるいはフォトダイオード等の半導体受光素子)とレンズ、及び接続相手の光プラグのフェルールを嵌合保持するレセプタクルコア等を具備し、光プラグ接続時に光半導体素子とフェルールの光ファイバーとがレンズを介して光学的に結合する構造となっている。   Specifically, it comprises an optical semiconductor element (for example, a semiconductor light emitting element such as a laser diode or a semiconductor light receiving element such as a photodiode) and a lens, and a receptacle core that fits and holds a ferrule of an optical plug of a connection partner, The optical semiconductor element and the ferrule optical fiber are optically coupled via a lens when the optical plug is connected.

光モジュールには、種々の形態があり、その一つとして、発光部、レンズ、ステム、レンズに保持してステムに固定する保持部材、情報伝達部を備えるものがある。この形態においては、発光部は、レンズ、ステム、保持部材によって密閉されて空間的に設けられる。   There are various types of optical modules, and one of them includes a light emitting unit, a lens, a stem, a holding member that is held by the lens and fixed to the stem, and an information transmission unit. In this embodiment, the light emitting section is spatially provided by being sealed with a lens, a stem, and a holding member.

光通信用光モジュールに使用されるレンズは、光通信ユニットの発光部である半導体レーザの光を情報伝達部である光ファイバーへ高効率で結合する第一の役割と、半導体レーザの耐環境性を確保するためにステムと、レンズを保持する保持部材に囲まれた密閉空間において気密を有する第二の役割を有するレンズキャップとして機能する。   The lens used in the optical module for optical communication has the first role of coupling the light of the semiconductor laser, which is the light emitting part of the optical communication unit, to the optical fiber, which is the information transmission part, and the environmental resistance of the semiconductor laser. In order to ensure, it functions as a lens cap having a second role of airtightness in a sealed space surrounded by a stem and a holding member that holds the lens.

これまで、レンズキャップとして機能するレンズは、上記役割を担うために、ガラス製球レンズ若しくはガラス製非球面レンズを用いて構成されていた。ここで、ガラス製球レンズにより構成されたレンズキャップは、レンズの加工が容易なため安価に製造可能であるが、第一の役割である、発光部から情報伝達部への高効率な結合が十分ではなかった。   Until now, a lens that functions as a lens cap has been configured using a glass spherical lens or a glass aspherical lens in order to fulfill the above role. Here, the lens cap formed of a glass ball lens can be manufactured at low cost because it is easy to process the lens, but the first role, the highly efficient coupling from the light emitting part to the information transmitting part, is It was not enough.

これに対し、ガラス製非球面レンズにより構成されたレンズキャップは、第一の役割である発光部から情報伝達部への高効率な結合が良好であるが、レンズの製造にコストがかかるため、ガラス製非球面レンズのレンズキャップの価格が球レンズのキャップよりも高価になってしまうという問題があった。   On the other hand, the lens cap constituted by the glass aspherical lens has a good high-efficiency coupling from the light emitting unit to the information transmitting unit, which is the first role, but it costs a lot to manufacture the lens. There has been a problem that the price of the lens cap of the glass aspheric lens becomes more expensive than the cap of the spherical lens.

さらに、プラスチック製の非球面レンズは、安価な製造が可能であるが、プラスチック及び非球面レンズを固定するための接着剤に吸湿性があるため、第二の役割である密閉空間における気密の確保に問題が生じていた。   In addition, plastic aspherical lenses can be manufactured at low cost, but the adhesive used to fix plastics and aspherical lenses is hygroscopic, ensuring airtightness in the sealed space, which is the second role. There was a problem.

図7は関連する技術にかかるガラス製球レンズキャップを用いた光モジュールの構成図を示す。
図7に係る光モジュールは、発光部としての半導体レーザ10、ガラス製球レンズ11、保持部材としての金属プレス缶15、ステム16、低融点シールガラス14、情報伝達部としての光ファイバー13、ヒートシンク18、リードピン17を備える。これらのうち、ガラス製球レンズ11を保持し、密閉空間の気密性を高めるために、ガラス製球レンズ11と金属プレス缶15の間を低融点シールガラス14によって接着している。
FIG. 7 shows a configuration diagram of an optical module using a glass ball lens cap according to a related technique.
The optical module according to FIG. 7 includes a semiconductor laser 10 as a light emitting unit, a glass ball lens 11, a metal press can 15 as a holding member, a stem 16, a low melting point sealing glass 14, an optical fiber 13 as an information transmission unit, and a heat sink 18. The lead pin 17 is provided. Among these, the glass ball lens 11 and the metal press can 15 are bonded together by a low-melting point sealing glass 14 in order to hold the glass ball lens 11 and improve the airtightness of the sealed space.

しかし、図7に係る光モジュールでは、ガラス製球レンズの光学的収差が大きいため高効率な結像が得られず結合効率の低い用途での使用に限られていた。   However, in the optical module according to FIG. 7, since the optical aberration of the glass ball lens is large, high-efficiency imaging cannot be obtained and the use is limited to applications where the coupling efficiency is low.

図8は関連する技術にかかるガラス製非球面レンズキャップを用いた光モジュールの構成図を示す。
図8に係る光モジュールは、半導体レーザ10、ガラス製非球面レンズ23、金属プレス缶15、ステム16、低融点シールガラス14、光ファイバー13、ヒートシンク18、リードピン17を備える。図8に係る光モジュールは、発光部から情報伝達部への結合効率を高めるため、ガラス製非球面レンズ23を配置しており、このガラス製非球面レンズ23と金属プレス缶15を固定するため、低融点シールガラス14で接着している。
FIG. 8 shows a configuration diagram of an optical module using a glass aspheric lens cap according to a related technique.
The optical module according to FIG. 8 includes a semiconductor laser 10, a glass aspheric lens 23, a metal press can 15, a stem 16, a low melting point seal glass 14, an optical fiber 13, a heat sink 18, and lead pins 17. The optical module according to FIG. 8 is provided with a glass aspheric lens 23 in order to increase the coupling efficiency from the light emitting unit to the information transmission unit, and to fix the glass aspheric lens 23 and the metal press can 15. The low melting point sealing glass 14 is adhered.

しかし、図8に係る光モジュールでは、ガラス製非球面レンズ23の製造コストが高いため安価に製造が出来ない問題があった。   However, the optical module according to FIG. 8 has a problem that it cannot be manufactured at low cost because the manufacturing cost of the glass aspheric lens 23 is high.

図9は関連する技術にかかるガラス製非球面レンズキャップを用いた光モジュールの構成図を示す。
図9に係る光モジュールは、半導体レーザ10、ガラス製非球面レンズ23、金属切削ホルダ24、ステム16、光ファイバー13、ヒートシンク18、リードピン17を備える。図9に係る光モジュールは、発光部から情報伝達部への結合効率が高いため、ガラス非球面レンズ23を配置しており、このガラス非球面レンズ23と金属切削ホルダ24を直接接合する構成となっている。
FIG. 9 shows a configuration diagram of an optical module using a glass aspheric lens cap according to a related technique.
The optical module according to FIG. 9 includes a semiconductor laser 10, a glass aspheric lens 23, a metal cutting holder 24, a stem 16, an optical fiber 13, a heat sink 18, and a lead pin 17. Since the optical module according to FIG. 9 has high coupling efficiency from the light emitting unit to the information transmission unit, a glass aspheric lens 23 is disposed, and the glass aspheric lens 23 and the metal cutting holder 24 are directly joined. It has become.

図9に係る光モジュールは、図8に係る光モジュールと同様に、ガラス製非球面レンズ23の製造コストが高いため安価に製造が出来ない問題があった。   The optical module according to FIG. 9, like the optical module according to FIG. 8, has a problem that it cannot be manufactured at low cost because the manufacturing cost of the glass aspheric lens 23 is high.

例えば、特許文献1には、光通信に用いられる光電交換モジュールを備えた光サブアセンブリに関する発明が記載され、かかる光サブアセンブリは、光コネクタのフェルールを受納する光レセプタクル部材と、ボールレンズを介して、フェルールの光ファイバーへ信号光を送信し、光ファイバーから信号光を受信する光電変換モジュールとを備えており、ボールレンズと光ファイバーとの間の光路上に、信号光の光軸に対して傾いて配置された平板状の光学部材と、ボールレンズ及び光学部材により生じる波面収差を補正する収差補正部材とを備えるものである。特許文献1に係る光サブアセンブリによれば、レセプタクル部材に一体に成型した位相差補正部により球面収差及び非点収差を抑制することができるので、良好な光学特性を得ることができるというものである。   For example, Patent Document 1 describes an invention related to an optical subassembly including a photoelectric exchange module used for optical communication. The optical subassembly includes an optical receptacle member that receives a ferrule of an optical connector, and a ball lens. A photoelectric conversion module that transmits signal light to and receives signal light from the optical fiber, and is tilted with respect to the optical axis of the signal light on the optical path between the ball lens and the optical fiber. And a flat plate-shaped optical member, and an aberration correction member for correcting wavefront aberration caused by the ball lens and the optical member. According to the optical subassembly according to Patent Document 1, since spherical aberration and astigmatism can be suppressed by the phase difference correction unit formed integrally with the receptacle member, good optical characteristics can be obtained. is there.

しかし、収差補正部材及び部材保持部品が必要となるための部品点数の増加と、収差補正部材の位置精度を確保するための部品の高精度化若しくは調芯工程の追加とが必要になりコストがかかる問題があった。   However, it is necessary to increase the number of parts because an aberration correction member and a member holding part are required, and to increase the precision of the part or to add a centering process to ensure the positional accuracy of the aberration correction member, which is costly. There was such a problem.

特開2009−258320号公報JP 2009-258320 A

以上のように、背景技術にかかる、光モジュールに使用されるレンズキャップは、製造コストを抑えつつ、光通信ユニットの発光部の光を情報伝達部である光ファイバーへ高効率で結合するのが困難であり、また、発光部の耐環境性を確保するために要求されるステムとレンズキャップに囲まれた密閉空間の気密性を高めるのが難しいという問題点があった。   As described above, it is difficult for the lens cap used in the optical module according to the background art to efficiently couple the light of the light emitting unit of the optical communication unit to the optical fiber that is the information transmitting unit while reducing the manufacturing cost. In addition, there is a problem that it is difficult to improve the airtightness of the sealed space surrounded by the stem and the lens cap, which is required to ensure the environmental resistance of the light emitting portion.

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、低コストを図りつつ、発光部から情報伝達部への高効率な結合を実現するとともに、密閉空間において気密性を高めることが可能な通信用光モジュールおよびそれに用いる非球面レンズを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve such a problem, and achieves high-efficiency coupling from the light emitting unit to the information transmission unit while reducing the cost, and also improves airtightness in a sealed space. An object of the present invention is to provide a communication optical module that can be used and an aspherical lens used therefor.

本発明に係る通信用光モジュールは、発光部からの光信号が入射するガラスレンズと、前記発光部が搭載されたステムと、前記ステムに取り付けられ、前記発光部を囲むとともに、前記ガラスレンズを保持する保持部材と、前記ガラスレンズの外面と同じ曲率を有する凹面形状を有し、前記ガラスレンズの外面の一部を覆うように取り付けられたプラスチック製非球面レンズを備えたものである。   An optical module for communication according to the present invention includes a glass lens on which an optical signal from a light emitting unit is incident, a stem on which the light emitting unit is mounted, and is attached to the stem, surrounds the light emitting unit, and includes the glass lens. A holding member to be held and a plastic aspherical lens having a concave shape having the same curvature as the outer surface of the glass lens and attached so as to cover a part of the outer surface of the glass lens.

本発明に係るプラスチック製非球面レンズは、信号光を送信する発光部を囲いガラスレンズを保持する保持部材の端部に、前記ガラスレンズの外面と同じ曲率を有する凹面形状で、前記ガラスレンズの外面の一部を覆うように接合するものである。   The plastic aspherical lens according to the present invention has a concave shape having the same curvature as the outer surface of the glass lens at the end of the holding member that surrounds the light emitting portion that transmits the signal light and holds the glass lens. It joins so that a part of outer surface may be covered.

本発明により、低コストを実現でき、発光部から情報伝達部への高効率な結合を実現するとともに、半導体レーザの耐環境性を確保するためにステム、保持部材及びガラス製球レンズに囲まれた密閉空間の気密性を高めることが可能な通信用光モジュールおよびそれに用いる非球面レンズを提供することができる。   According to the present invention, low cost can be realized, high efficiency coupling from the light emitting part to the information transmission part is realized, and the environment of the semiconductor laser is ensured and surrounded by the stem, the holding member and the glass ball lens. In addition, it is possible to provide an optical module for communication and an aspherical lens used therefor that can improve the airtightness of the sealed space.

本発明に係る光モジュールの断面図である。It is sectional drawing of the optical module which concerns on this invention. 本発明に係る通信用光モジュールの動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the optical module for communication based on this invention. 光ファイバーを所定の角度にカットした図である。It is the figure which cut the optical fiber at the predetermined angle. 光ファイバー集光主光線角度αを構成する配置図である。FIG. 6 is a layout diagram that constitutes an optical fiber condensing principal ray angle α. 半導体レーザの角度をα傾けた図である。It is the figure which inclined the angle of the semiconductor laser by (alpha). 実際に使用するプラスチック製非球面レンズ12の形状図である。It is a shape figure of the plastic aspherical lens 12 actually used. 関連技術にかかるガラス製球レンズキャップを用いた光モジュールの構成図である。It is a block diagram of the optical module using the glass-made spherical lens cap concerning related technology. 関連技術にかかるガラス製非球面レンズキャップを用いた光モジュールの構成図である。It is a block diagram of the optical module using the glass-made aspherical lens cap concerning related technology. 関連技術にかかるガラス製非球面レンズキャップを用いた光モジュールの構成図である。It is a block diagram of the optical module using the glass-made aspherical lens cap concerning related technology.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、以下の実施形態に関する記載及び図面は、明確化のため、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、その説明は省略することとする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Note that the description and drawings relating to the following embodiments are omitted and simplified as appropriate for the sake of clarity. In the drawings, components having the same configuration or function and corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

(実施の形態1)
本発明の実施形態1に係る通信用光モジュールついて、図1を参照して説明する。
図1は本発明に係る光モジュールの断面図を示す。図1に示されるように、電気−光変換素子(発光部)である半導体レーザ10は、ステム16、保持部材15、ガラス製球レンズ11、及び、低融点シールガラス14にて密閉空間に設置されている。ここで、発光部は、半導体レーザ10の他に、フォトダイオード、スーパールミネッセントダイオード、発光ダイオード等であってもよい。
(Embodiment 1)
An optical module for communication according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a sectional view of an optical module according to the present invention. As shown in FIG. 1, a semiconductor laser 10 that is an electro-optical conversion element (light emitting unit) is installed in a sealed space with a stem 16, a holding member 15, a glass ball lens 11, and a low melting point sealing glass 14. Has been. Here, in addition to the semiconductor laser 10, the light emitting unit may be a photodiode, a super luminescent diode, a light emitting diode, or the like.

ステム16と保持部材15は、抵抗溶接を用いて接合し、保持部材15とガラス製球レンズ11は、低融点シールガラス14を介して接合されている。一方、ガラス製球レンズ11の片面にはプラスチック製非球面レンズ12が接合されている。プラスチック製非球面レンズ12の片面はガラス製球レンズ11と同じ曲率を持つ凹面形状を有している。このような形状をすることで、ガラス製球レンズ11とプラスチック製球レンズ12を接合することが可能となり、プラスチック製非球面レンズ12の保持部材の削減が可能となる。   The stem 16 and the holding member 15 are joined using resistance welding, and the holding member 15 and the glass ball lens 11 are joined via a low melting point sealing glass 14. On the other hand, a plastic aspheric lens 12 is bonded to one side of the glass ball lens 11. One surface of the plastic aspherical lens 12 has a concave shape having the same curvature as that of the glass spherical lens 11. With such a shape, the glass ball lens 11 and the plastic ball lens 12 can be joined, and the holding member for the plastic aspheric lens 12 can be reduced.

ガラス製球レンズ11とプラスチック製非球面レンズ12との接合方法は、ガラス製球レンズ11上に直接、プレスチック製非球面レンズ12を成形する方法、別に成形製造したプレスチック製非球面レンズ12を接着剤を用いて接合する方法を用いることができる。   The glass ball lens 11 and the plastic aspherical lens 12 can be joined by directly molding the plastic aspherical lens 12 on the glass spherical lens 11, or by separately forming and manufacturing the plastic aspherical lens 12. It is possible to use a method of joining the two using an adhesive.

上記成形方法としては、射出成型、プレス成型、UV硬化型成型法等が挙げられる。   Examples of the molding method include injection molding, press molding, and UV curable molding.

非球面レンズに用いる光学プラスチック材料の屈折率ndは、1.6以下であるものが一般的である。他方、光学ガラス材料は、屈折率ndが2.1を超えるものがある。レンズの屈折率が高いと、光をより曲げることが可能となり、FFP(Far Field Pattern)がより大きな半導体レーザ10においての結合を高めることが可能となる。このため、本発明においては、ガラス製球レンズ11に使用されるガラス材料は、屈折率ndが1.7以上であることが好ましい。   In general, the refractive index nd of the optical plastic material used for the aspherical lens is 1.6 or less. On the other hand, some optical glass materials have a refractive index nd exceeding 2.1. When the refractive index of the lens is high, the light can be bent more, and the coupling in the semiconductor laser 10 having a larger FFP (Far Field Pattern) can be enhanced. Therefore, in the present invention, the glass material used for the glass ball lens 11 preferably has a refractive index nd of 1.7 or more.

非球面レンズに用いる光学プラスチック材料(樹脂材料)は、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ノルボルネン系樹脂(COP)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルエーテルケトン(PEE)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリフェニルサルファイド(PPS)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリカーボネート(PC)、ポリアミド、環状オレフィレン共重合体(COC)、ポリオレフィン、ポリエステル、等が挙げられ、この中でも耐熱性、吸湿性の点で、ノルボルネン系樹脂(COP)が好ましい。   Optical plastic materials (resin materials) used for aspherical lenses are polymethyl methacrylate (PMMA), norbornene resin (COP), liquid crystal polymer (LCP), polyetheretherketone (PEE), polyetherimide (PEI), Examples include polyphenyl sulfide (PPS), polybutylene terephthalate (PBT), polyphenylene ether (PPE), polycarbonate (PC), polyamide, cyclic olefin copolymer (COC), polyolefin, polyester, and the like. From the viewpoint of hygroscopicity, norbornene resin (COP) is preferable.

また、長距離光通信の光の波長は1.31μmや1.55μmであるため、プラスチック材料に吸収があると光量が減衰する。そのため、吸湿性の優れた材料、即ち、吸湿性が低い材料を選択することが好ましい。具体的には、ノルボルネン系樹脂(COP)が挙げられる。さらにプラスチック製非球面レンズの厚さを出来る限り薄くすることが好ましい。また、プラスチック製非球面レンズの厚さは、プラスチック材料の種類に応じて適宜選択することができる。   Further, since the wavelength of light for long-distance optical communication is 1.31 μm or 1.55 μm, the amount of light is attenuated if the plastic material is absorbed. Therefore, it is preferable to select a material having excellent hygroscopicity, that is, a material having low hygroscopic property. Specifically, a norbornene resin (COP) can be used. Furthermore, it is preferable to make the thickness of the plastic aspheric lens as thin as possible. The thickness of the plastic aspheric lens can be appropriately selected according to the type of plastic material.

プラスチック製非球面レンズ12の先には、情報伝達部である光ファイバー13が配置される。
なお、以下の説明は、情報伝達部として光ファイバーを適用した場合について行う。
An optical fiber 13 as an information transmission unit is disposed at the tip of the plastic aspheric lens 12.
The following description will be given for the case where an optical fiber is applied as the information transmission unit.

光ファイバー13は、フェルール22及びスリーブ21を介して保持部材15と固定される。保持部材15とスリーブ21の接合は、接着剤やレーザにて固定する方法が好ましい。   The optical fiber 13 is fixed to the holding member 15 via the ferrule 22 and the sleeve 21. A method of fixing the holding member 15 and the sleeve 21 by an adhesive or a laser is preferable.

光ファイバー13及びフェルール22は、斜めにカットしたものを使用することが可能である。これは、光ファイバー13の端面からの反射光が半導体レーザ10に戻らないための工夫である。この点については、後述する。   The optical fiber 13 and the ferrule 22 can be cut obliquely. This is a device for preventing the reflected light from the end face of the optical fiber 13 from returning to the semiconductor laser 10. This point will be described later.

このような構成にすることにより、光学素子である光アイソレータを削減することが可能となる。本発明においては、斜めカット光ファイバー13に対応するためプラスチック製非球面レンズ12を偏心している。   By adopting such a configuration, it is possible to reduce the number of optical isolators that are optical elements. In the present invention, the plastic aspherical lens 12 is decentered to correspond to the obliquely cut optical fiber 13.

保持部材15は、ステム16と保持部材15とガラス製球レンズ11と低融点シールガラス14で覆われた密閉空間の気密性を確保するために、金属プレス缶が好ましく、また金属切削ホルダでもよい。また、金属の種類は、特に限定されることはなく、ステンレス、鉄、Ni合金等を挙げることができる。また、金属表面にはNiめっきや金めっきを施す場合もある。   The holding member 15 is preferably a metal press can or a metal cutting holder in order to ensure the airtightness of the sealed space covered with the stem 16, the holding member 15, the glass ball lens 11, and the low melting point sealing glass 14. . In addition, the type of metal is not particularly limited, and examples thereof include stainless steel, iron, and Ni alloy. Further, the metal surface may be subjected to Ni plating or gold plating.

次に、本発明に係る通信用光モジュールの動作方法について、図面を用いて説明する。
図2は、本発明に係る通信用光モジュールの動作を示す図である。
Next, the operation method of the optical module for communication according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a diagram showing the operation of the optical module for communication according to the present invention.

図2に係る通信用光モジュールは、半導体レーザ10、ガラス製球レンズ11、プラスチック製非球面レンズ12、金属プレス缶15、低融点シールガラス14、ステム16、ヒートシンク18、光ファイバー13、リードピン17、及びガラス製球レンズ11とプラスチック製非球面レンズ12とから構成される合成レンズ26を備える。   2 includes a semiconductor laser 10, a glass ball lens 11, a plastic aspheric lens 12, a metal press can 15, a low melting point seal glass 14, a stem 16, a heat sink 18, an optical fiber 13, a lead pin 17, And a synthetic lens 26 composed of the glass ball lens 11 and the plastic aspheric lens 12.

まず、通信信号である電気信号がリードピン17に入力されて半導体レーザ10により電気−光変換される。変換された信号光は発散光であるが、ガラス製球レンズ11及びプラスチック製非球面レンズ12を通過する時に光の屈折が起こり集光光へと変換される。この集光点に光ファイバー13の端面を配置することで光ファイバー13へ光を導入する。   First, an electrical signal which is a communication signal is input to the lead pin 17 and is subjected to electro-optical conversion by the semiconductor laser 10. The converted signal light is divergent light, but when it passes through the glass ball lens 11 and the plastic aspheric lens 12, light is refracted and converted into condensed light. Light is introduced into the optical fiber 13 by arranging the end face of the optical fiber 13 at this condensing point.

光ファイバー13に導入された光信号は、光ファイバー13のコアを伝達する。特に、光ファイバー13が、石英製シングルモードファイバーであるならば、光ファイバー13の特徴である伝達距離の長距離化がより可能となる。   The optical signal introduced into the optical fiber 13 is transmitted through the core of the optical fiber 13. In particular, if the optical fiber 13 is a quartz single-mode fiber, the transmission distance that is a characteristic of the optical fiber 13 can be further increased.

しかし、光ファイバー13にも損失があるため、長距離伝達には限界がある。より長距離伝達するためには光ファイバー13への導入エネルギを出来る限り大きくする必要がある。前記エネルギを大きくするためには、半導体レーザ10のパワーを上げること、また後述する結合効率を上げる方法がある。   However, since there is a loss in the optical fiber 13, there is a limit to long-distance transmission. In order to transmit a longer distance, it is necessary to increase the energy introduced into the optical fiber 13 as much as possible. In order to increase the energy, there are methods of increasing the power of the semiconductor laser 10 and increasing the coupling efficiency described later.

ここで、結合効率とは、半導体レーザ10の発光エネルギと光ファイバー13に導入された光エネルギの比を言う。結合効率を上げるためには、設計時において半導体レーザ10の発散角度は光モジュール中の合成レンズ26(ガラス製球レンズ11とプラスチック製非球面レンズ12の合成レンズ)の倍率により任意の集光角度へ変換する方法等が挙げられる。   Here, the coupling efficiency refers to the ratio of the light emission energy of the semiconductor laser 10 and the light energy introduced into the optical fiber 13. In order to increase the coupling efficiency, the divergence angle of the semiconductor laser 10 at the time of design is an arbitrary condensing angle depending on the magnification of the synthetic lens 26 (the synthetic lens of the glass spherical lens 11 and the plastic aspherical lens 12) in the optical module. And the like.

上記合成レンズ26の倍率は、合成レンズ26の焦点距離及び半導体レーザ10とガラス製球レンズ11の距離により決定される。この設計時の倍率を選択することで、光ファイバー13が光を導入できる最適角と前記集光角を一致させる手段である。例えば、半導体レーザ10の開口数を0.4、光ファイバー13の最適角の開口数を0.1とすると、倍率は4倍を選択すればよい。   The magnification of the synthetic lens 26 is determined by the focal length of the synthetic lens 26 and the distance between the semiconductor laser 10 and the glass ball lens 11. By selecting the magnification at the time of design, the optical fiber 13 is a means for matching the optimum angle at which light can be introduced and the light collection angle. For example, if the numerical aperture of the semiconductor laser 10 is 0.4 and the numerical aperture of the optimum angle of the optical fiber 13 is 0.1, the magnification may be selected to be 4.

上記結合効率を高める手段として、レンズ表面は表面反射によりレンズ通過光を減らしており、使用する半導体レーザ10の発光の波長にて反射を防止する蒸着膜をレンズの表面に付ける方法もある。更に、合成レンズ26による集光能力を上げること、すなわち、球レンズ11では球面収差が大きく集光能力が良くないが、非球面レンズ12はこの集光能力を良くなるような形状にすることにより、結合効率を上げることが可能となる。   As a means for increasing the coupling efficiency, there is a method in which the lens surface reduces the light passing through the lens by surface reflection, and a deposition film for preventing reflection at the emission wavelength of the semiconductor laser 10 to be used is attached to the lens surface. Further, by increasing the condensing ability of the synthetic lens 26, that is, the spherical lens 11 has a large spherical aberration and the condensing ability is not good, but the aspherical lens 12 has a shape that improves this condensing ability. As a result, the coupling efficiency can be increased.

本発明においては、球レンズ11で発生した収差を打ち消すような形状のプラスチック非球面レンズ12を用いて集光能力を向上させている。その他、合成レンズ26の集光能力の特性を表現する光学的収差表記として波面収差を用いる方法も用いることができる。   In the present invention, the light collecting ability is improved by using a plastic aspherical lens 12 shaped so as to cancel the aberration generated in the spherical lens 11. In addition, a method using wavefront aberration can be used as an optical aberration notation expressing the characteristics of the light collecting ability of the synthetic lens 26.

半導体レーザ10は、自身の発光光が発光部に戻ると発振を起こす。この発振は通信の信号情報を変化させるため、戻り光を極力なくす必要がある。この戻り光をなくすために、光アイソレータを挿入する方法と、光ファイバー13を斜めカットする方法を用いることができる。   The semiconductor laser 10 oscillates when its own emitted light returns to the light emitting section. Since this oscillation changes signal information of communication, it is necessary to eliminate return light as much as possible. In order to eliminate this return light, a method of inserting an optical isolator and a method of obliquely cutting the optical fiber 13 can be used.

図3は、光ファイバーを所定の角度にカットした図である。
図3中、端面斜めカット光ファイバー13b、集光光束27、光ファイバー集光主光線角度α、端面斜めカット角度βを示す。
カットファイバー13bの端面斜めカット角度をβとすると、集光光束は光ファイバー集光主光線角度αにて結合効率が最良となる。これは、下記式(1)から求めることができる。
FIG. 3 is a diagram in which the optical fiber is cut at a predetermined angle.
In FIG. 3, the end face oblique cut optical fiber 13b, the condensed light beam 27, the optical fiber condensing principal ray angle α, and the end face oblique cut angle β are shown.
When the oblique cut angle of the end face of the cut fiber 13b is β, the combined luminous flux has the best coupling efficiency at the optical fiber condensing principal ray angle α. This can be obtained from the following equation (1).

sin(α−β)=nsinβ (1)
(式(1)中、α(degree)は光ファイバー集光主光線角度、β(degree)は斜めカット角度、n(λ)は屈折率を表す。)
sin (α−β) = nsinβ (1)
(In the formula (1), α (degree) represents an optical fiber condensing principal ray angle, β (degree) represents an oblique cut angle, and n (λ) represents a refractive index.)

例えば、半導体レーザ10の波長を1.31μmとし、光ファイバー13を石英製光シングルモードファイバーとすると、必要な角度αを計算で求めることが出来る。結果を表1に示す。   For example, when the wavelength of the semiconductor laser 10 is 1.31 μm and the optical fiber 13 is a quartz optical single mode fiber, the necessary angle α can be obtained by calculation. The results are shown in Table 1.

Figure 2011158867
Figure 2011158867

図4は、光ファイバー集光主光線角度αを構成する配置図である。
図4(a)中、半導体レーザ10、ガラス製球レンズ11、プラスチック製非球面レンズ12、端面フラット光ファイバー13aである。また、図4(b)中、端面斜めカット光ファイバー13bを示す。
FIG. 4 is a layout diagram for configuring the optical fiber condensing principal ray angle α.
In FIG. 4A, a semiconductor laser 10, a glass ball lens 11, a plastic aspheric lens 12, and an end-face flat optical fiber 13a are shown. 4B shows an end face oblique cut optical fiber 13b.

プラスチック製非球面レンズ12は、図4(a)のα=0°にて最適な集光となるような形状を持たせている。使用する光ファイバー13の斜めカット角度βが決まったとき、プラスチック製非球面レンズ12と半導体レーザ10の位置関係を保持したまま、ガラス製球レンズ11の中心を回転軸として、光軸を傾ける。この時、半導体レーザ10も一緒に回転させるが、光ファイバー13は回転させず集光点にシフトさせる。このようにして構成されたものが図4(b)であり、構成上最良の結合効率を得ることができる。   The aspherical lens 12 made of plastic has a shape that provides optimum light condensing at α = 0 ° in FIG. When the oblique cut angle β of the optical fiber 13 to be used is determined, the optical axis is inclined with the center of the glass ball lens 11 as the rotation axis while maintaining the positional relationship between the plastic aspheric lens 12 and the semiconductor laser 10. At this time, the semiconductor laser 10 is also rotated together, but the optical fiber 13 is not rotated but shifted to the condensing point. FIG. 4B shows the structure configured in this way, and the best coupling efficiency can be obtained.

図5は、半導体レーザの角度をα傾けた図である。
図5中、半導体レーザ10、ヒートシンク18、ステム16、ポスト25、光ファイバー集光主光光線角度αを示す。
半導体レーザの角度をα傾けるため、ステム16上のポスト25をαの角度だけ傾ける構造とすることもできる。
FIG. 5 is a diagram in which the angle of the semiconductor laser is inclined by α.
In FIG. 5, the semiconductor laser 10, the heat sink 18, the stem 16, the post 25, and the optical fiber condensing main light beam angle α are shown.
In order to incline the angle of the semiconductor laser by α, the post 25 on the stem 16 may be inclined by an angle of α.

図6は、実際に使用するプラスチック製非球面レンズ12の形状図である。
図6中、プラスチック製非球面レンズ12、接合球面部28、非球面部29、光ファイバー集光主光線角度α、内径φ1、外径φ2を示す。
FIG. 6 is a shape diagram of the plastic aspherical lens 12 actually used.
In FIG. 6, a plastic aspherical lens 12, a cemented spherical part 28, an aspherical part 29, an optical fiber focusing principal ray angle α, an inner diameter φ1, and an outer diameter φ2 are shown.

ガラス製球レンズと接合される接合球面部28の球芯を回転軸としてαの角度で非球面部29を傾けるが、φ2で表す外径は保持部材15と同じ角度にする方がスリーブ21を被せる時の障害とならない。また、非球面部29は回転対称形状でも非回転対象形状、回折光学面でも良い。   The aspherical surface 29 is tilted at an angle α with the spherical surface of the cemented spherical surface 28 to be bonded to the glass ball lens as the rotation axis. It does not become an obstacle when covering. The aspherical surface 29 may be a rotationally symmetric shape, a non-rotation target shape, or a diffractive optical surface.

本実施の形態に係る通信用光モジュールにおいては、非球面レンズに接合するガラスレンズについて、ガラス球レンズを用いたが、ガラス製平面板を用いても構わない。   In the communication optical module according to the present embodiment, the glass ball lens is used as the glass lens to be bonded to the aspheric lens, but a glass flat plate may be used.

本発明に係る非球面レンズは、回折光学素子でもよい。この回折光学素子(DOE)とは、光の回折現象を利用した光学素子であり、回折格子やホログラムを表面上に加工した素子であり、回折による屈折効果を用いて集光を向上させる効果が得られる。
また、本発明に係る非球面レンズは、受光モジュールとして使用してもよい。
The aspheric lens according to the present invention may be a diffractive optical element. This diffractive optical element (DOE) is an optical element that utilizes the diffraction phenomenon of light, and is an element in which a diffraction grating or a hologram is processed on the surface, and has the effect of improving condensing using the refraction effect by diffraction. can get.
The aspheric lens according to the present invention may be used as a light receiving module.

なお、本発明は上記に示す実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲において、上記実施形態の各要素を、当業者であれば容易に考えうる内容に変更、追加、変換することが可能である。   In addition, this invention is not limited to embodiment shown above. Within the scope of the present invention, it is possible to change, add, or convert each element of the above-described embodiment to a content that can be easily considered by those skilled in the art.

10 半導体レーザ
11 ガラス製球レンズ
12 プラスチック製非球面レンズ
13 光ファイバー
13a 端面フラット光ファイバー
13b 端面斜めカット光ファイバー
14 低融点シールガラス
15 保持部材
16 ステム
17 リードピン
18 ヒートシンク
19 モニター受光素子
21 スリーブ
22 フェルール
23 ガラス製非球面レンズ
24 金属切削ホルダ
25 ポスト
26 合成レンズ
27 集光光束
28 接合球面部
29 非球面部
α 光ファイバー集光主光線角度
β 端面斜めカット角度
n 光ファイバーのコア部屈折率
10 Semiconductor Laser 11 Glass Ball Lens
12 Aspherical lenses made of plastic
13 Optical fiber
13a End face flat optical fiber
13b End face oblique cut optical fiber
14 Low melting point sealing glass
15 Holding member
16 stem
17 Lead pin
18 Heat sink
19 Monitor light receiving element
21 sleeve
22 Ferrule
23 Glass aspheric lens
24 Metal cutting holder
25 posts
26 Synthetic lens
27 Condensed light flux
28 Joint spherical surface
29 Aspheric surface
α Optical fiber focusing chief ray angle
β Diagonal cut angle on end face
n Optical fiber core refractive index

Claims (9)

発光部からの光信号が入射するガラスレンズと、
前記発光部が搭載されたステムと、
前記ステムに取り付けられ、前記発光部を囲むとともに、前記ガラスレンズを保持する保持部材と、
前記ガラスレンズの外面と同じ曲率を有する凹面形状を有し、前記ガラスレンズの外面の一部を覆うように取り付けられたプラスチック製非球面レンズを備えた通信用光モジュール。
A glass lens on which an optical signal from the light emitting unit is incident;
A stem on which the light emitting unit is mounted;
A holding member attached to the stem and surrounding the light emitting unit and holding the glass lens;
An optical module for communication comprising a plastic aspherical lens having a concave shape having the same curvature as the outer surface of the glass lens and attached to cover a part of the outer surface of the glass lens.
前記非球面レンズの内面及び外面の光軸が偏芯していることを特徴とする請求項1に記載の通信用光モジュール。   The optical module for communication according to claim 1, wherein the optical axes of the inner surface and the outer surface of the aspheric lens are decentered. 前記ガラスレンズが球レンズであることを特徴とする請求項1または2に記載の通信用光モジュール。   The optical module for communication according to claim 1 or 2, wherein the glass lens is a spherical lens. 前記ガラスレンズの屈折率が1.7以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の通信用光モジュール。   The optical module for communication according to any one of claims 1 to 3, wherein the refractive index of the glass lens is 1.7 or more. 前記非球面レンズが回折光学素子であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の通信用光モジュール。   The optical module for communication according to any one of claims 1 to 4, wherein the aspheric lens is a diffractive optical element. 前記非球面レンズを前記ガラスレンズに一体成形して接合することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の通信用光モジュール。   The optical module for communication according to any one of claims 1 to 5, wherein the aspheric lens is integrally molded and joined to the glass lens. 前記非球面レンズを前記ガラスレンズに接着して接合することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の通信用光モジュール。   6. The communication optical module according to claim 1, wherein the aspherical lens is bonded and bonded to the glass lens. 前記発光部が半導体レーザであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の通信用光モジュール。   8. The communication optical module according to claim 1, wherein the light emitting unit is a semiconductor laser. 信号光を送信する発光部を囲いガラスレンズを保持する保持部材の端部に、前記ガラスレンズの外面と同じ曲率を有する凹面形状で、前記ガラスレンズの外面の一部を覆うように接合するプラスチック製非球面レンズ。   A plastic that encloses a light emitting portion that transmits signal light and is bonded to an end portion of a holding member that holds a glass lens in a concave shape having the same curvature as the outer surface of the glass lens so as to cover a part of the outer surface of the glass lens. Made aspheric lens.
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JP2015503842A (en) * 2011-12-23 2015-02-02 フィニサー コーポレイション Optical subassembly with extended RF pins

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