光通信模塊以及光通信用的透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于光通信等且例如將來(lái)自半導(dǎo)體激光等光學(xué)元件的光與光纖 或受光元件結(jié)合的光通信用的透鏡以及光通信模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光通信模塊中，為了在半導(dǎo)體激光或者受光元件與光纖之間高效地使光結(jié)合， 使用光結(jié)合用的透鏡。然而，在現(xiàn)有的光結(jié)合用的透鏡中，主要廣泛使用了利用不銹鋼制的 腿部支承玻璃透鏡的結(jié)構(gòu)。然而，具有非球面的玻璃透鏡通常價(jià)格高，存在導(dǎo)致明顯的成本 升高這一問(wèn)題。因此，存在如下嘗試：用容易進(jìn)行高精度的非球面的成形且能夠大量生產(chǎn)的 塑料制的透鏡替換玻璃制的透鏡，嘗試能否在半導(dǎo)體激光或者受光元件與光纖之間實(shí)現(xiàn)光 結(jié)合。
[0003] 這里，與玻璃透鏡相比，樹脂透鏡的特征之一是，相對(duì)于溫度變化的折射率變化及 面形狀變化相對(duì)較大。雖然存在光通信用模塊內(nèi)部暴露于_40°C~+100°C這一范圍寬的溫 度環(huán)境下的可能性，但是在一般的樹脂透鏡的情況下，由于折射率及面形狀與環(huán)境溫度變 化相應(yīng)地變化，所以會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)位置的變動(dòng)。然而，由于光向光纖端面的結(jié)合效率由光源的 橫模（光束直徑）決定，所以若因透鏡的折射率變化及面形狀變化而導(dǎo)致最佳焦點(diǎn)位置變 動(dòng)，則存在結(jié)合效率變動(dòng)大這一光通信用光學(xué)系統(tǒng)所固有的問(wèn)題。因此，存在重用線膨脹系 數(shù)比較小的玻璃制的透鏡這一實(shí)際情況。但是，如上述那樣與樹脂制相比，玻璃制的非球面 透鏡的價(jià)格高，存在為了減少光通信用模塊的成本而使用樹脂制的透鏡這一強(qiáng)烈需求。
[0004] 作為使用樹脂制的透鏡時(shí)的對(duì)策，雖然如專利文獻(xiàn)1所示那樣，通過(guò)采用光學(xué)元 件一透鏡間隔因溫度變化而變化這樣的結(jié)構(gòu)，能夠抑制環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的焦點(diǎn)位置變 動(dòng)，但是其效果不能說(shuō)是充分達(dá)到完全消除折射率變化以及面形狀變化導(dǎo)致的影響的程 度。即，其有效量完全不同，透鏡光學(xué)面的溫度變化所引起的焦點(diǎn)位置的變動(dòng)起支配作用且 效力大，因此可以說(shuō)校正效果微薄。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006] 專利文獻(xiàn)
[0007] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開(kāi)2011-003857號(hào)公報(bào)
[0008] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開(kāi)平11-274646號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 與此相對(duì)，如專利文獻(xiàn)2所示，具有如下技術(shù)思想：對(duì)樹脂制的透鏡附加具有波長(zhǎng) 依賴性的衍射結(jié)構(gòu)，利用因半導(dǎo)體激光的溫度而產(chǎn)生波長(zhǎng)變動(dòng)（cU/dT)這一點(diǎn)，消除環(huán)境 溫度變化時(shí)的焦點(diǎn)位置變動(dòng)。即，樹脂制透鏡的溫度變化導(dǎo)致的膨脹收縮所產(chǎn)生的焦點(diǎn)位 置變動(dòng)、以及半導(dǎo)體激光的波長(zhǎng)變動(dòng)導(dǎo)致的焦點(diǎn)位置變動(dòng)在對(duì)透鏡附加衍射結(jié)構(gòu)的情況下 通常是相反方向，是彼此消除的方向。但是，在專利文獻(xiàn)2的技術(shù)中，衍射光焦度相對(duì)于整 體光焦度的比小，在-40°C~+100°C這一寬的溫度變化范圍內(nèi)始終不能充分地抑制焦點(diǎn)位 置的變動(dòng)。
[0010] 除此之外，在透鏡附加衍射結(jié)構(gòu)的情況下，有助于焦點(diǎn)位置校正的焦點(diǎn)位置變動(dòng) 量與溫度變化導(dǎo)致的波長(zhǎng)變動(dòng)（d A/dT)成比例，因此，半導(dǎo)體激光的溫度變化導(dǎo)致的波長(zhǎng) 變動(dòng)（cU/dT)大對(duì)伴隨著溫度變化的焦點(diǎn)位置變動(dòng)的校正是有效的，專利文獻(xiàn)2使用了 波長(zhǎng)變動(dòng)（cU/dT)大的激光，因此成為容易充分抑制半導(dǎo)體激光的波長(zhǎng)變動(dòng)導(dǎo)致的焦點(diǎn) 位置變動(dòng)的發(fā)明。但是，在光通信中考慮到其性質(zhì)方面波分復(fù)用等用途，要求光的波長(zhǎng)大 致一定。由于近年來(lái)半導(dǎo)體激光的性能提高，存在要求溫度變化導(dǎo)致的波長(zhǎng)變動(dòng)（cU/dT) 小的激光的傾向。因此，在專利文獻(xiàn)2的發(fā)明中，產(chǎn)生如下問(wèn)題：在使用溫度變化導(dǎo)致的 波長(zhǎng)變動(dòng)（dA/dT)小的激光的情況下，難以抑制焦點(diǎn)的位置的變動(dòng)。這樣，在使用即使產(chǎn) 生-40°C~+100°C這一較大的溫度變化也能夠?qū)⒉ㄩL(zhǎng)變動(dòng)（dA/dT)抑制得較小的半導(dǎo)體 激光時(shí)，衍射結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的校正效果變小，不能充分地發(fā)揮溫度變化時(shí)的焦點(diǎn)位置變動(dòng)校 正功能。與此相對(duì)，雖然考慮進(jìn)一步提高其衍射光焦度，但若提高衍射的光焦度則衍射結(jié)構(gòu) 變得更微小，若衍射結(jié)構(gòu)變得微小，則在透鏡周邊部衍射間距變小，成形模具的加工性、成 形性等制造難易程度升高，容易產(chǎn)生制造誤差。若在成形后的透鏡的衍射結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生制造 誤差（微小結(jié)構(gòu)的塌邊等），則衍射效率降低，此外，若衍射間距成為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，則因接近 矢量衍射的區(qū)域而導(dǎo)致衍射效率降低，它們的協(xié)同效果導(dǎo)致透鏡的結(jié)合效率降低并且增加 雜光。這種結(jié)合效率的降低、雜光的增加成為將樹脂制的透鏡用于光通信時(shí)的障礙。
[0011]本發(fā)明是鑒于這種問(wèn)題而做出的，其目的在于提供一種能夠減少成本、制造容易、 并且即使產(chǎn)生大的環(huán)境溫度變化也能夠抑制焦點(diǎn)位置變動(dòng)而實(shí)現(xiàn)高精度的光通信的光通 信用的透鏡以及使用了該光通信用的透鏡的光通信模塊。
[0012] 技術(shù)方案1所述的光通信用模塊的特征在于，該光通信用模塊具有光學(xué)元件、光 纖、用于聚集從光學(xué)元件或光纖射出的光束的光通信用的透鏡，
[0013] 所述透鏡是由樹脂材料形成的單一的透鏡，具有所述光纖側(cè)的光學(xué)面（S2面）、與 所述光纖相反一側(cè)的光學(xué)面（S1面），在所述光纖側(cè)的光學(xué)面（S2面）形成有用于校正因溫 度變化引起的焦點(diǎn)位置變動(dòng)的光程差附加結(jié)構(gòu)，并滿足以下的式子：
[0014] 0.6 彡 dP/P 彡 0.8 (1)
[0015] 0<cU/dt 彡 0.2 (2)
[0016] 其中，
[0017] dP :所述光程差附加結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的衍射光焦度[1/_]
[0018] P :所述透鏡整個(gè)系統(tǒng)的光焦度[1/mm]
[0019] d A /dt :所述光學(xué)元件的溫度變化導(dǎo)致的波長(zhǎng)變動(dòng)（nm/°C )。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明，使用了用于校正因溫度變化引起的焦點(diǎn)位置變動(dòng)的衍射結(jié)構(gòu)。由此， 利用入射到所述透鏡的光的波長(zhǎng)與溫度相應(yīng)地變化這一點(diǎn)，通過(guò)使通過(guò)所述衍射結(jié)構(gòu)的光 的衍射光焦度變化來(lái)消除所述樹脂制透鏡的折射率變化以及面形狀變化所導(dǎo)致的焦點(diǎn)位 置的變動(dòng)，即，能夠抑制產(chǎn)生環(huán)境溫度變化時(shí)的焦點(diǎn)位置變動(dòng)，能夠提高光結(jié)合效率。這里， 由于期望的是光通信用途所使用的光的波長(zhǎng)與環(huán)境的變化無(wú)關(guān)而大致一定，所以雖然期望 使用（2)式子那種范圍的波長(zhǎng)變動(dòng)小的光學(xué)元件，但由于波長(zhǎng)變動(dòng)量非常小，所以在透鏡 的光學(xué)面形成光程差附加結(jié)構(gòu)的情況下難以進(jìn)行伴隨著溫度變化的焦點(diǎn)位置變動(dòng)的校正。 但是，在（1)式子的值在下限以上時(shí)，例如在_40°C~+100°C這一寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，能 夠獲得消除樹脂制的透鏡所產(chǎn)生的焦點(diǎn)位置的變動(dòng)這樣程度的足夠的衍射光焦度。另一方 面，在（1)式子的值在上限以下時(shí)，衍射結(jié)構(gòu)的衍射間距不會(huì)變得過(guò)小，易于加工，因此制 造容易。因此，通過(guò)在滿足（1)式子的范圍內(nèi)使衍射光焦度平衡，能夠提供一種具有既抑制 焦點(diǎn)位置的變動(dòng)、又確保制造容易性的透鏡的光通信用模塊。另外，更優(yōu)選的是，滿足以下 的式子。
[0021] 0. 62 ^ dP/P ^ 0. 77 (1'）
[0022] "光學(xué)元件"是指，例如能夠使用半導(dǎo)體激光、但只要是因溫度變化而產(chǎn)生波長(zhǎng)變 動(dòng)的元件就能夠使用。"光程差附加結(jié)構(gòu)"是指，例如衍射結(jié)構(gòu)。
[0023] 在通常的發(fā)送用光學(xué)系統(tǒng)中，由于光纖側(cè)的數(shù)值孔徑（NA)比光源側(cè)的數(shù)值孔徑 (NA)小，所以光線向透鏡光學(xué)面的入射角度變小。由于向光學(xué)面的入射角越小光的衍射效 率越大，所以通過(guò)將所述光程差附加結(jié)構(gòu)形成于所述光纖側(cè)的光學(xué)面（S2面），能夠提高衍 射效率。
[0024] 此外，在本說(shuō)明書中所說(shuō)的光程差附加結(jié)構(gòu)是指，對(duì)入射光束施加光程差的結(jié)構(gòu) 的總稱。在光程差附加結(jié)構(gòu)中也包含施加相位差的相位差施加結(jié)構(gòu)。另外，在相位差施加 結(jié)構(gòu)中包含衍射結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的光程差附加結(jié)構(gòu)優(yōu)選的是衍射結(jié)構(gòu)。光程差附加結(jié)構(gòu)具有 臺(tái)階，優(yōu)選的是具有多個(gè)臺(tái)階。利用該臺(tái)階對(duì)入射光束施加光程差及/或相位差。由光程 差附加結(jié)構(gòu)施加的光程差既可以是入射光束的波長(zhǎng)的整數(shù)倍，也可以是入射光束的波長(zhǎng)的 非整數(shù)倍。臺(tái)階既可以沿光軸垂直方向隔開(kāi)周期性的間隔而配置，也可以沿光軸垂直方向 隔開(kāi)非周期性的間隔而配置。另外，在設(shè)有光程差附加結(jié)構(gòu)的透鏡是單片非球面透鏡的情 況下，因距光軸的高度不同導(dǎo)致光束向耦合透鏡的入射角不同，因此光程