光通信用的透镜以及半导体模块的制作方法
光通信用的透镜以及半导体模块的制作方法
【专利摘要】提供一种将半导体模块设置成紧凑的模块，通过进一步将有效NA抑制得小，能够抑制耦合效率的变动的光通信用的透镜以及使用该透镜的半导体模块。因为只在光耦合透镜CL的一面设置了衍射构造DS，所以衍射间距整体上变窄，在用光耦合透镜部CL聚光到光纤OF的端面的点上，因为周边部的光量相对于通过透镜的光轴附近的光量变低，所以发生点变粗，有效NA增大。由此，发生温度变化时的耦合效率的变动减少。
【专利说明】光通信用的透镜以及半导体模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及在光通信等中使用，例如将半导体激光器的激光与光纤进行耦合的光通信用的透镜以及半导体模块。
【背景技术】
[0002]在光通信等中，要求半导体激光器或者受光元件和光纤进行高效率地耦合。因此，为了聚光来自半导体激光器的光束而使用光耦合透镜。但是，在以往的光耦合透镜中主要使用玻璃透镜，但具有非球面的玻璃透镜一般价格高，存在引起成本高的问题。因而，开发了高精度的非球面的成形容易并且可以大量生产的塑料制的光耦合透镜。可是，存在塑料和玻璃相比热膨胀系数大，另外塑料材质的折射率因温度而发生变化的问题。因此，如果使用塑料透镜，则当把半导体激光器和透镜间距离固定的情况下，因为与环境温度的变化相应地焦点距离即光纤方向的成像位置发生变化，所以耦合效率降低。对此，还考虑了使用让透镜在光轴方向移动的作动器，可是还存在因可动部的增大引起成本增加，以及如何供电的问题。
[0003]对此，在专利文献I中公开了在塑料透镜的两面设置衍射构造的光通信用的半导体模块。根据专利文献I的技术，通过在塑料透镜的两面设置衍射构造，能够抑制衍射间距变得过小的现象，容易进行透镜的成形。
[0004]另外，在专利文献2中，实现通过在塑料透镜的一面设置浮凸型的衍射构造，在抑制从透镜中心部到周边部的衍射效率的分布的同时，抑制由温度引起的焦点位置变动。
[0005]专利文献1:日本特开平11-274646号公报
[0006]专利文献2:国际公开第00/17691号小册子
[0007]可是，在专利文献I的透镜中的I个问题是，在2面使用衍射构造的结果，各自的面的衍射形状的误差累积地具有影响，发生不需要的衍射光等，反而容易出现制造误差，是不理想的。另外专利文献2中的透镜的问题是，因为具有浮凸形状的衍射构造，所以衍射效率低，因此对光纤的耦合效率也变低，并且多发生不需要的衍射光，因为产生用针孔等遮挡不需要的光束的需求，所以在使用上不理想。
【发明内容】
[0008]本发明就是鉴于上述这样的问题而提出的，其目的在于提供一种使半导体模块成为紧凑的模块，虽然是简单的结构，但通过将温度变化等的灵敏度抑制得小而能够抑制耦合效率的变动的光通信用的透镜以及使用该透镜的半导体模块。
[0009]技术方案I所述的光通信用的透镜是对从半导体激光器射出的波长λ的光束进行聚光的光通信用的透镜，其特征在于:上述透镜是塑料制，上述透镜只在光学面的I个面形成抑制温度变化时的焦点位置变动的光程差赋予构造，上述光程差赋予构造包含以上述透镜的光轴为中心的多个环形带，利用通过上述透镜的光轴的面切断的上述环形带的剖面形状是闪耀型形状，通过上述透镜的光束的光瞳透过率分布满足条件式(I )，[0010]0.5≤T1/T0 ≤ 0.85 (I),
[0011]其中，TO:上述透镜的光轴附近的透过率，Tl:上述透镜的周边的透过率。
[0012]而且，所谓“光轴附近”是在将光轴设置为0，将透镜光学面外周设置为I时，优选在O~0.05的范围内，所谓“周边”优选是在0.95~I的范围内。
[0013]本发明人专心研究的结果发现:通过使用闪耀型形状的光程差赋予构造能够提高衍射效率，另外通过只在光学面的I面设置光程差赋予构造，抑制耦合效率的变化。首先，如果闪耀型的衍射构造与在专利文献2的透镜所设置的浮凸形状的衍射构造相比，则具有不需要的衍射光少、并且能够确保更高的衍射效率的优点。即，在闪耀型形状的光程差赋予构造中，特别容易发生影子的影响、且容易通过控制环形带间的阶梯控制衍射效率。
[0014]进而，例如在专利文献I中，为了扩大衍射间距在透镜的两面设置衍射构造。与此相对，本发明人大胆尝试了通过只在透镜的I面设置光程差赋予构造加细衍射间距。如果加细衍射间距，则如条件式(I)那样，特别是在透镜的周边部，由于与折射面的组合，光束的影子的影响增大。对该影响进行说明。
[0015]参照图1，在此作为光程差赋予构造以将闪耀型形状的衍射构造形成于透镜为例子进行说明。图1 (a)是在半导体激光器侧设置了衍射构造的透镜的放大剖面图，图1 (b)是在半导体激光器侧设置了衍射构造的透镜的放大剖面图。在图1中，环形带状的衍射构造DS具有朝向未图示的光轴(在图1中下侧)的阶梯面ST、和连结相邻的阶梯面ST的光轴方向外侧端和内侧端的斜面CP。在此，通过斜面CP的光束以透镜的折射面的折射功率和衍射构造DS的衍射功率的和来发挥全部的功率用于聚光，而通过阶梯面ST的光束未被用于聚光，引起透过率的减少。把它称为影子的影响。
[0016]然而，相对于在透镜的光轴附近因为光束与光轴平行地射出，所以由影子的影响引起的光量损失小而言，在镜头的周边部因为作为母体非球面的折射面倒塌，所以相对光轴倾斜的光束容易入射，另外，还加上因模具的起模斜度的影响引起的阶梯面ST的倾斜，如图1所示，影子的影响引起的光量损失增大。在此，在聚光点上，相对于通过透镜的光轴附近的光量，如果周边的光量变低，则发生点变粗，即有效NA (数值孔径)降低。如果能够降低有效NA，则能够减小在发生了温度变化时的耦合效率的变动。即，在衍射构造中在影子效应、衍射效率的分布下，通过特意使得具有在透镜中心部和周边部的分布，可以提供耦合效率的变动小的光通信用的透镜。另外，当只由影子效应不能降低周边部的效率的情况下，通过微调整各环形带间的阶梯来调整衍射效率，可以具有因影子效应而不足的量的中心部和周边部的分布。但是，如果T1/T0的值超过(I)式的下限，则NA的降低量过大，不理想。更理想的是满足0.6≤T1/T0 ≤ 0.85。
[0017]技术方案2所述的光通信用的透镜在技术方案I所述的发明中，其特征在于:来自上述半导体激光器的光束入射侧的NA满足条件式(2)，
[0018]0.35 ≤ NA ≤ 0.85 (2)。
[0019]通过满足条件式(2)，能够在确保来自半导体激光器的获取光量的同时确保适宜的聚光点的直径。
[0020]技术方案3所述的光通信用的透镜在技术方案I或者2所述的发明中，其特征在于:上述光程差赋予构造具有朝向上述透镜的光轴的阶梯。是因为在这种光程差赋予构造中，能够抑制温度变化时的焦点位置、且特别容易发生影子的影响的缘故。[0021]技术方案4所述的光通信用的透镜在技术方案I~3中的任意一项所述的发明中，其特征在于:上述光程差赋予构造将上述波长λ的大致整数倍的光程差赋予给通过的光束。由此在具有高的衍射效率的同时能够抑制因温度变化时的透镜折射率变化引起的焦点位置偏移。
[0022]技术方案5所述的光通信用的透镜在技术方案4所述的发明中，其特征在于:上述光程差赋予构造在上述透镜的有效直径的全范围中，将上述波长λ的I倍的光程差赋予给通过的光束。通过赋予尽可能小的光程差，抑制光程差赋予构造的阶梯的高度，抑制成形误差等，由此能够提高光线透过率。
[0023]技术方案6所述的光通信用的透镜在技术方案I~5中的任意一项所述的发明中，其特征在于:上述光程差赋予构造在上述透镜的光轴附近的中央区域赋予上述波长入的X倍的光程差，在上述透镜的中央区域的外侧的周围区域，将上述波长λ的Y倍的光程差赋予通过的光束，将X的小数点后一位四舍五入而设为整数的值比将Y的小数点后一位四舍五入而设为整数的值小。由此，能够容易进行转印间距往往变窄的周边区域的光程差赋予构造的模具的加工。
[0024]技术方案7所述的光通信用的透镜在技术方案6所述的发明中，其特征在于:将上述X的小数点后一位四舍五入而设为整数的值是1，将上述Y的小数点后一位四舍五入而设为整数的值是2。
[0025]技术方案8所述的光通信用的透镜在技术方案I~7中的任意一项所述的发明中，其特征在于:上述透镜是在光纤的端面聚光从上述半导体激光器射出的光束的光耦合透镜。
[0026]技术方案9所述的光通信用的透镜在技术方案8所述的发明中，其特征在于:上述耦合透镜的光学系统倍率M满足以下的条件式(3)，
[0027]1.0 ≤ M ≤ 4.0 (3)。
[0028]由此，可以在一般的单模光纤中可以获取的M0.1到M0.12左右提供最佳的效率。特别理想的是满足以下式子，
[0029]2.0 ≤ M ≤ 4.0 (3，)。
[0030]技术方案10所述的光通信用的透镜在技术方案I~9中的任意一项所述的发明中，其特征在于:上述光程差赋予构造设置于来自上述半导体激光器的光束射出的面。
[0031]在图1 (a)中，因为在半导体激光器侧设置衍射构造DS，所以入射到阶梯面ST中的光束的比例增高，影子的影响变大。另一方面，在图1 (b)中，因为在和半导体激光器相反一侧设置衍射构造DS，所以光束往往在沿着环形带的阶梯面ST的方向前进，即，入射到阶梯面ST的光束的比例相对地变低，影子的影响变小。即，通过在来自半导体激光器的光束射出的面具有衍射构造，即使因制造误差，环形带的阶梯面ST发生倾斜了的情况下，耦合效率也难以降低，能够实现对于制造误差耐受强的透镜，另外，与激光器侧相比，光纤侧的光学面的面积相对地变宽，所以设置衍射构造的面积变宽，因此相应地可以扩大环形带的间距，容易抑制透过率的降低。
[0032]技术方案11所述的半导体模块，其特征在于:将技术方案I~10中的任意一项所述的光通信用的透镜和半导体激光器一体地组装而成。
[0033]技术方案12所述的半导体模块，在技术方案11所述的发明中，其特征在于:上述透镜安装于将上述半导体激光器密封的筐体。
[0034]技术方案13所述的半导体模块，在技术方案11所述的发明中，其特征在于:上述透镜和密封上述半导体激光器的筐体是一体的。
[0035]所谓“半导体激光器”是利用半导体的再耦合发光的激光器，一般是在环境温度上升时振荡波长变长，在环境温度下降时振荡波长变短。
[0036]所谓透镜包含:对从半导体激光器射出的光束进行聚光的透镜、对从光纤的端面射出的光束进行聚光的透镜、特别将从半导体激光器射出的光束聚光到光纤的端面的光耦合透镜、将从光纤的端面射出的光束聚光到受光元件的受光面的光耦合透镜。透镜是塑料制。
[0037]在本说明书中所说的所谓光程差赋予构造是对入射光束附加光程差的构造的总称。在光程差赋予构造中还包含赋予相位差的相位差赋予构造。另外，在相位差赋予构造中包含衍射构造。本发明的光程差赋予构造优选衍射构造。光程差赋予构造具有阶梯，优选具有多个阶梯。通过该阶梯在入射光束中附加光程差以及/或者相位差。通过光程差赋予构造附加的光程差既可以是入射光束的波长的整数倍，也可以是入射光束的波长的非整数倍。阶梯既可以在光轴垂直方向以周期性的间隔进行配置，也可以在光轴垂直方向以非周期性的间隔进行配置。另外，当设置有光程差赋予构造的透镜是单片非球面透镜的情况下，由于距离光轴的高度致使光束对镜头的入射角度不同，所以光程差赋予构造的阶梯差针对各环形带的每个而不同。例如，当镜头是单片非球面的凸透镜的情况下，即使是赋予相同光程差的光程差赋予构造，一般也是越远离光轴，越呈现阶梯差增大的趋势。
[0038]另外，在本说明书中所说的所谓衍射构造是具有阶梯，具有因衍射而使光束收敛或者发散的作用的构造的总称。例如，包含如下那样的构造:通过单位形状以光轴为中心排列多个来构成，对于各个单位形状入射光束，透过的光的波阵面在相邻的每个环形带上发生损耗，其结果，通过形成新的波阵面使光收敛或者发散。衍射构造具有多个阶梯，阶梯既可以在光轴垂直方向以周期性的间隔来配置，也可以在光轴垂直方向以非周期性的间隔来配置。另外，当设置有衍射构造的透镜是单片非球面透镜的情况下，由于距离光轴的高度不同，光束对透镜的入射角度不同，所以衍射构造的阶梯差针对各环形带的每个有些许不同。例如，当透镜是单片非球面的凸透镜的情况下，即使是发生相同衍射级数的衍射光的衍射构造，一般也是距离光轴越远，越呈现阶梯差变大的趋势。
[0039]可是，光程差赋予构造优选具有以光轴为中心的同心圆状的多个环形带。另外，光程差赋予构造一般可以取各种剖面形状(在包含光轴的面中的剖面形状)，包含光轴的剖面形状大致分为闪耀型构造和台阶型构造。
[0040]所谓闪耀型构造是指如图2 (a)、(b)所示那样，具有光程差赋予构造的光学元件的包含光轴的截面形状为锯齿状的形状。此外，在图2的例子中，上方为光源侧，下方为光盘侧，在作为母体非球面的平面形成有光程差赋予构造。在闪耀型构造中，将一个闪耀单位的光轴垂直方向的长度称为间距P (参照图2 (a)、(b))。另外，将与闪耀的光轴平行方向的阶梯的长度称为阶梯差B (参照图2 (a))。而且，在闪耀型形状中，如图1所示，例如为了容易用车刀切削模具，也可以不将阶梯面设置成和光轴平行，而设置成些许倾斜，这种情况下，优选一个闪耀的顶点的位置在光轴正交方向间距的O?25%的范围内。
[0041]另外，所谓台阶型构造是指如图2 (c)、(d)所示那样，具有光程差赋予构造的光学元件的包含光轴的截面形状为具有多个小台阶状的结构(称为台阶单位)的形状。而且，在本说明书中，所谓“V级”是指在台阶型构造的一个台阶单位中与光轴垂直方向对应(朝向)的环形带的面(以下有时也称为台面)用阶梯划分，针对V个环形带面的每个进行分割，特别是大于等于3级的台阶型构造具有小的阶梯和大的阶梯。
[0042]例如，将图2 (C)所示的光程差赋予构造称为5级台阶型构造，将图2 (d)所示的光程差赋予构造称为2级台阶型构造(也称为双重构造)。以下说明2级台阶型构造。包含以光轴为中心的同心圆状的多个环形带，包含物镜的光轴的多个环形带的剖面形状由与光轴平行延伸的多个阶梯面Pa、Pb、连结相邻的阶梯面Pa、Pb的光源侧端部彼此之间的光源侧台面Pc、连结相邻的阶梯面Pa、Pb的光盘侧端部彼此之间的光盘侧台面Pd来形成,光源侧台面Pc和光盘侧台面Pd沿着与光轴交叉的方向交替配置。
[0043]而且，光程差赋予构造优选某一个单位形状周期性重复的构造。这里所说的“单位形状周期性重复”当然包含同一形状以同一周期重复的形状。进而，成为周期的I个单位的单位形状具有规律性，周期逐渐变长或者逐渐变短的形状也包含在“单位形状周期性重复”之中。
[0044]光程差赋予构造在具有闪耀型构造的情况下，变成作为单位形状的锯齿状的形状重复的形状。既可以如图2 (a)所示同一锯齿状形状重复，也可以如图2 (b)所示随着在从光轴向离开的方向前进，锯齿状形状的间距(还称为衍射间距)逐渐变长的形状，或者也可以是间距逐渐变短的形状。此外，在某一区域上，也可以设置成闪耀型构造的阶梯向着与光轴(中心)侧相反的形状，在其他的区域上，设置成闪耀型构造的阶梯向着光轴(中心)侧的形状，在其间设置成设置有为了切换闪耀型构造的阶梯的朝向而所需要的转移区域的形状。而且，当这样设置成在中途切换闪耀型构造的阶梯朝向的构造的情况下，可以扩大环形带间距，能够抑制由光程差赋予构造的制造误差引起的透过率降低。
[0045]光程差赋予构造在具有台阶型构造的情况下，可以得到如图2 (c)所示那样的5级台阶单位重复那样的形状等。进而，可以是随着在从光轴离开的方向前进台阶单位的间距逐渐变长的形状、台阶单位的间距逐渐变短的形状。而且当利用台阶型形状对闪耀型形状进行近似了的情况下，虽然衍射效率降低，但可以得到和本发明同样的效果。
[0046]光程差赋予构造优选具有朝向透镜的光轴的阶梯。所谓“阶梯朝向光轴”是指图
3(a)那样的状态。
[0047]光程差赋予构造优选将波长λ的大致整数倍的光程差赋予通过的光束。所谓大致整数倍是指在将除了 O以外的整数设为N时，大于等于(Ν-0.4)λ，小于等于(Ν-0.4)λ。光程差赋予构造优选，在透镜的有效直径的全范围中赋予波长λ的I倍的光程差、或者在透镜的光轴附近的中央区域赋予波长λ的I倍的光程差，在透镜的中央区域的外侧的周边区域赋予波长λ的2倍的光程差。中央区域和周边区域的边界优选为例如距离有效直径的2/3的光轴的高度。
[0048]优选通过了透镜的光束的光瞳透过率分布满足条件式(I)。所谓光瞳透过率分布是射出光瞳面的透过率分布，相当于相对均匀强度的入射光束的射出光瞳面的亮度分布。而且，所谓透镜的光轴附近例如是在距离有效直径的1/3的光轴的高度以内，更理想的是在0.2以内，所谓透镜的周边例如是在距离有效直径的2/3光轴的高度的外侧，更理想的是在0.8的外侧。[0049]0.4 ≤ T1/T0≤0.8 (I)
[0050]TO:上述透镜的光轴附近的透过率
[0051]Tl:上述透镜的周边的透过率
[0052]来自半导体激光器的光束入射侧的NA优选满足条件式(2 )
[0053]0.30≤ NA≤0.85 (2)
[0054]进而理想的是优选满足条件式(4 )。
[0055]0.35 ≤NA≤ 0.65 (4)
[0056]根据本发明，提供一种将半导体模块设置成紧凑的模块，进而通过将光纤侧的聚光点的有效NA抑制得小，从而能够抑制耦合效率的变动的光通信用的透镜以及使用该透镜的半导体模块。
【专利附图】
【附图说明】
[0057]图1 (a)是在半导体激光器侧设置了衍射构造的透镜的放大剖面图，(b)是在半导体激光器侧设置了衍射构造的透镜的放大剖面图。
[0058]图2是表示光程差赋予构造的例子的放大剖面图，(a)、(b)是表示闪耀型构造的例子的图，(C)、Cd)是表示台阶型构造的例子的图。
[0059]图3 (a)是表示阶梯向着光轴方向的状态，(b)是表示阶梯向着与光轴相反方向的状态的图。
[0060]图4 Ca)是涉及第I实施方式的半导体模块LM的光轴方向剖面图，(b)是放大表示用箭头IVB表示的透镜表面的图。
[0061]图5 (a)是涉及第2实施方式的半导体模块LM的光轴方向剖面图，(b)是放大表示用箭头VB表示的透镜表面的图。
[0062]图6 Ca)是涉及第3实施方式的光稱合透镜CL的光轴方向剖面图，(b)是放大表示用箭头VIB表示的透镜表面的图。
[0063]图7是实施例1~4和比较例中的耦合效率的曲线图。
[0064]图8是实施例5~8和比较例中的耦合效率的曲线图。
[0065]图9是实施例9中的耦合效率的曲线图。
[0066]图10是表示用衍射构造的阶梯赋予的相位差和衍射效率的关系的图。
[0067]符号说明
[0068]AP:开口
[0069]BS:基座
[0070]CG:盖玻璃
[0071]CL:光稱合透镜或者光稱合透镜部
[0072]CV:盖
[0073]DS:衍射构造
[0074]FL:凸缘部
[0075]LD:半导体激光器
[0076]LG:管脚部
[0077]LM:半导体模块[0078]OF:光纤
[0079]PD:光电二极管
[0080]PDa:受光面
[0081]S1:半导体激光器侧光学面
[0082]S2:反半导体激光器侧光学面
【具体实施方式】
[0083]以下根据【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。图4是涉及第I实施方式的半导体模块LM的光轴方向剖面图。在具有供电用的3根管脚部LG的基座BS安装有半导体激光器LD的衬底，射出波长λ的光束的半导体激光器LD用具有开口 AP的盖(筐体)CV覆盖。开口 AP从内侧用透明盖玻璃CG遮盖，将半导体激光器LD与外部大气隔开密封。
[0084]设为覆盖开口 AP的外侧，光耦合透镜部CL的凸缘部FL与盖CV粘接。塑料制的光耦合透镜CL具有作为半导体激光器侧的折射面的光学面S1、其相反侧的光学面S2，在光学面S2在折射面上形成有衍射构造DS。光学面SI的曲率半径比光学面S2的曲率半径大。闪耀型形状的衍射构造DS在波长λ的光束入射时，赋予波长λ的整数倍的光程差。
[0085]半导体模块LM的基座BS经由未图示的筐体，以规定的距离与光纤OF连接。而且，光纤OF用外皮SL覆盖。
[0086]说明本实施方式的半导体模块LM的动作。如果经由管脚部LG供电，则半导体激光器LD发光，其射出光束通过盖玻璃CG以及开口 AP入射到光耦合透镜CL。入射到光耦合透镜CL的光束在折射面发生折射，并且通过衍射构造DS射出，聚光于光纤OF的端面，其后在光纤OF内进行传播。
[0087]如果环境温度上升(或者下降)，因为半导体激光器LD的振荡波长增大(或者降低)，与之相应从衍射构造DS发生的衍射光的衍射角发生变化，由此能够补正因环境温度变化造成的光耦合透镜CL的折射率的变化引起的焦点位置偏移。另外，根据本实施方式，因为只在光耦合透镜CL的一面设置了衍射构造DS，所以衍射间距整体上变窄，在用光耦合透镜部CL聚光到光纤OF的端面的点上，因为周边部的光量相对于通过了透镜的光轴附近的光量变低，所以发生点变粗，有效NA降低。由此，发生温度变化时的耦合效率的变动变小。
[0088]图5是涉及第2实施方式的半导体模块LM的光轴方向剖面图。在具有供电用的3根管脚部LG的基座BS安装有半导体激光器LD的衬底。在本实施方式中，密封地覆盖射出波长λ的光束的半导体激光器LD的盖(筐体)CV是塑料制的帽子状，在该遮挡端侧一体地形成光稱合透镜部CL。
[0089]光耦合透镜部CL具有作为半导体激光器侧的折射面的光学面S1、作为该相反侧的折射面的光学面S2，在光学面S2在折射面上形成衍射构造DS。光学面SI的曲率半径比光学面S2的曲率半径大。闪耀型形状的衍射构造DS在波长λ的光束入射时，赋予波长λ的整数倍的光程差。
[0090]半导体模块LM的基座BS经由未图示的筐体以规定的距离与光纤OF连接。而且，光纤OF用外皮SL覆盖。
[0091]说明本实施方式的半导体模块LM的动作。如果经由管脚LG供电，则半导体激光器LD发光，其射出光束直接入射到光耦合透镜部CL。入射到光耦合透镜部CL的光束在折射面折射，并且通过衍射构造DS而射出，聚光于光纤OF的端面，其后在光纤OF内传播。
[0092]如果环境温度上升(或者下降)，因为半导体激光器LD的振荡波长增大(或者降低)，与之相应从衍射构造DS发生的衍射光的衍射角发生变化，由此能够补正因环境温度变化造成的光耦合透镜部CL的折射率的变化引起的焦点位置偏移。另外，由于温度上升(或者降低)，透镜膨胀(或者收缩)，进而能够补正焦点位置偏移。根据本实施方式，因为只在光耦合透镜部CL的外侧面设置衍射构造DS，所以衍射间距整体上变窄，在用光耦合透镜部CL聚光于光纤OF的端面的点上，因为周边部的光量相对于通过了透镜的光轴附近的光量变低，所以发生点变粗，有效NA降低。由此，发生温度变化时的耦合效率的变动减小。
[0093]图6是涉及第3实施方式的光耦合透镜CL的光轴方向剖面图。在本实施方式中，从未图示的半导体激光器经由光纤OF传播，从其端面射出的光束经由光耦合透镜CL聚光到光电二极管ro的受光面roa。在光耦合透镜CL的一面的光学面(光纤OF侧的光学面)SI的折射面上，设置补正温度变化时的焦点位置偏移的闪耀型的衍射构造DS。另一光学面S2只由折射面组成。光学面SI的曲率半径比光学面S2的曲率半径小。而且，CG是光电二极管的盖玻璃。
[0094]根据本实施方式，因为只在光耦合透镜CL的一面SI设置了闪耀型的衍射构造DS，所以衍射间距整体上变窄，在用光耦合透镜CL聚光到光电二极管H)的受光面PDa的点上，因为周边部的光量相对于通过透镜的光轴附近的光量变低，所以发生点变粗，有效NA增大。由此，发生温度变化时的耦合效率的变动减小。其他效果和上述的实施方式一样。
[0095](实施例)
[0096]以下，说明能够在上述实施方式中使用的实施例。实施例1~4都是树脂透镜，是适合于图4所示的半导体模块的光耦合透镜。另外，作为比较例子参照没有衍射构造的玻璃透镜和树脂透镜。表1中表不实施例1~4的半导体模块的规格,表2中表实施例5~8的半导体模块的规格,表3中表不实施例9的半导体模块的规格,表4中表不实施例1~4的各材质的折射率，表5中表 示实施例5~8的各材质的折射率，表6中表示实施例9的各材质的折射率。
[0097][表 I]
[0098]半导体模块的规格
[0099]
【权利要求】
1.一种光通信用的透镜，是对从半导体激光器射出的波长λ的光束进行聚光的光通信用的透镜，其特征在于: 上述透镜是塑料制， 只在上述透镜的光学面的I个面形成抑制温度变化时的焦点位置变动的光程差赋予构造， 上述光程差赋予构造包含以上述透镜的光轴为中心的多个环形带，由通过上述透镜的光轴的面切断的上述环形带的剖面形状是闪耀型形状， 通过上述透镜的光束的光瞳透过率分布满足条件式(I )， . 0.5 ≤Τ1/Τ0 ≤ 0.85 (I), 其中， TO:上述透镜的光轴附近的透过率， Tl:上述透镜的周边的透过率。
2.根据权利要求1所述的光通信用的透镜，其特征在于: 来自上述半导体激光器的光束入射侧的NA即数值孔径满足条件式(2)， .0.35 ≤ NA ≤ 0.85 (2)。
3.根据权利要求1或者2所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述光程差赋予构造具有朝向上述透镜的光轴的阶梯。
4.根据权利要求1~3中的任意一项所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述光程差赋予构造将上述波长λ的大致整数倍的光程差赋予给通过的光束。
5.根据权利要求4所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述光程差赋予构造在上述透镜的有效直径的全范围中，将上述波长λ的I倍的光程差赋予给通过的光束。
6.根据权利要求1~5中的任意一项所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述光程差赋予构造在上述透镜的光轴附近的中央区域赋予上述波长λ的X倍的光程差，在上述透镜的中央区域的外侧的周围区域，将上述波长λ的Y倍的光程差赋予通过的光束，将X的小数点后一位四舍五入而设为整数的值比将Y的小数点后一位四舍五入而设为整数的值小。
7.根据权利要求6所述的光通信用的透镜，其特征在于: 将上述X的小数点后一位四舍五入而设为整数的值是1，将上述Y的小数点后一位四舍五入而设为整数的值是2。
8.根据权利要求1~7中的任意一项所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述透镜是在光纤的端面聚光从上述半导体激光器射出的光束的光耦合透镜。
9.根据权利要求8所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述耦合透镜的光学系统倍率M满足以下的条件式(3)，
1.0 ≤ M ≤ 4.0 (3)。
10.根据权利要求1~9中的任意一项所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述光程差赋予构造设置于来自上述半导体激光器的光束射出的面。
11.一种半导体模块，其特征在于: 将权利要求1~10中的任意一项所述的光通信用的透镜和半导体激光器一体地组装--? 。
12.根据权利要求11所述的半导体模块，其特征在于: 上述透镜安装于将上述半导体激光器密封的筐体。
13.根据权利要求11所述的半导体模块，其特征在于: 上述透镜和密封上述半导体激光器 的筐体是一体的。
【文档编号】G02B13/18GK103503253SQ201280013685
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年3月14日 优先权日:2011年3月18日
【发明者】三森满 申请人:柯尼卡美能达株式会社
【专利摘要】提供一种将半导体模块设置成紧凑的模块，通过进一步将有效NA抑制得小，能够抑制耦合效率的变动的光通信用的透镜以及使用该透镜的半导体模块。因为只在光耦合透镜CL的一面设置了衍射构造DS，所以衍射间距整体上变窄，在用光耦合透镜部CL聚光到光纤OF的端面的点上，因为周边部的光量相对于通过透镜的光轴附近的光量变低，所以发生点变粗，有效NA增大。由此，发生温度变化时的耦合效率的变动减少。
【专利说明】光通信用的透镜以及半导体模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及在光通信等中使用，例如将半导体激光器的激光与光纤进行耦合的光通信用的透镜以及半导体模块。
【背景技术】
[0002]在光通信等中，要求半导体激光器或者受光元件和光纤进行高效率地耦合。因此，为了聚光来自半导体激光器的光束而使用光耦合透镜。但是，在以往的光耦合透镜中主要使用玻璃透镜，但具有非球面的玻璃透镜一般价格高，存在引起成本高的问题。因而，开发了高精度的非球面的成形容易并且可以大量生产的塑料制的光耦合透镜。可是，存在塑料和玻璃相比热膨胀系数大，另外塑料材质的折射率因温度而发生变化的问题。因此，如果使用塑料透镜，则当把半导体激光器和透镜间距离固定的情况下，因为与环境温度的变化相应地焦点距离即光纤方向的成像位置发生变化，所以耦合效率降低。对此，还考虑了使用让透镜在光轴方向移动的作动器，可是还存在因可动部的增大引起成本增加，以及如何供电的问题。
[0003]对此，在专利文献I中公开了在塑料透镜的两面设置衍射构造的光通信用的半导体模块。根据专利文献I的技术，通过在塑料透镜的两面设置衍射构造，能够抑制衍射间距变得过小的现象，容易进行透镜的成形。
[0004]另外，在专利文献2中，实现通过在塑料透镜的一面设置浮凸型的衍射构造，在抑制从透镜中心部到周边部的衍射效率的分布的同时，抑制由温度引起的焦点位置变动。
[0005]专利文献1:日本特开平11-274646号公报
[0006]专利文献2:国际公开第00/17691号小册子
[0007]可是，在专利文献I的透镜中的I个问题是，在2面使用衍射构造的结果，各自的面的衍射形状的误差累积地具有影响，发生不需要的衍射光等，反而容易出现制造误差，是不理想的。另外专利文献2中的透镜的问题是，因为具有浮凸形状的衍射构造，所以衍射效率低，因此对光纤的耦合效率也变低，并且多发生不需要的衍射光，因为产生用针孔等遮挡不需要的光束的需求，所以在使用上不理想。
【发明内容】
[0008]本发明就是鉴于上述这样的问题而提出的，其目的在于提供一种使半导体模块成为紧凑的模块，虽然是简单的结构，但通过将温度变化等的灵敏度抑制得小而能够抑制耦合效率的变动的光通信用的透镜以及使用该透镜的半导体模块。
[0009]技术方案I所述的光通信用的透镜是对从半导体激光器射出的波长λ的光束进行聚光的光通信用的透镜，其特征在于:上述透镜是塑料制，上述透镜只在光学面的I个面形成抑制温度变化时的焦点位置变动的光程差赋予构造，上述光程差赋予构造包含以上述透镜的光轴为中心的多个环形带，利用通过上述透镜的光轴的面切断的上述环形带的剖面形状是闪耀型形状，通过上述透镜的光束的光瞳透过率分布满足条件式(I )，[0010]0.5≤T1/T0 ≤ 0.85 (I),
[0011]其中，TO:上述透镜的光轴附近的透过率，Tl:上述透镜的周边的透过率。
[0012]而且，所谓“光轴附近”是在将光轴设置为0，将透镜光学面外周设置为I时，优选在O~0.05的范围内，所谓“周边”优选是在0.95~I的范围内。
[0013]本发明人专心研究的结果发现:通过使用闪耀型形状的光程差赋予构造能够提高衍射效率，另外通过只在光学面的I面设置光程差赋予构造，抑制耦合效率的变化。首先，如果闪耀型的衍射构造与在专利文献2的透镜所设置的浮凸形状的衍射构造相比，则具有不需要的衍射光少、并且能够确保更高的衍射效率的优点。即，在闪耀型形状的光程差赋予构造中，特别容易发生影子的影响、且容易通过控制环形带间的阶梯控制衍射效率。
[0014]进而，例如在专利文献I中，为了扩大衍射间距在透镜的两面设置衍射构造。与此相对，本发明人大胆尝试了通过只在透镜的I面设置光程差赋予构造加细衍射间距。如果加细衍射间距，则如条件式(I)那样，特别是在透镜的周边部，由于与折射面的组合，光束的影子的影响增大。对该影响进行说明。
[0015]参照图1，在此作为光程差赋予构造以将闪耀型形状的衍射构造形成于透镜为例子进行说明。图1 (a)是在半导体激光器侧设置了衍射构造的透镜的放大剖面图，图1 (b)是在半导体激光器侧设置了衍射构造的透镜的放大剖面图。在图1中，环形带状的衍射构造DS具有朝向未图示的光轴(在图1中下侧)的阶梯面ST、和连结相邻的阶梯面ST的光轴方向外侧端和内侧端的斜面CP。在此，通过斜面CP的光束以透镜的折射面的折射功率和衍射构造DS的衍射功率的和来发挥全部的功率用于聚光，而通过阶梯面ST的光束未被用于聚光，引起透过率的减少。把它称为影子的影响。
[0016]然而，相对于在透镜的光轴附近因为光束与光轴平行地射出，所以由影子的影响引起的光量损失小而言，在镜头的周边部因为作为母体非球面的折射面倒塌，所以相对光轴倾斜的光束容易入射，另外，还加上因模具的起模斜度的影响引起的阶梯面ST的倾斜，如图1所示，影子的影响引起的光量损失增大。在此，在聚光点上，相对于通过透镜的光轴附近的光量，如果周边的光量变低，则发生点变粗，即有效NA (数值孔径)降低。如果能够降低有效NA，则能够减小在发生了温度变化时的耦合效率的变动。即，在衍射构造中在影子效应、衍射效率的分布下，通过特意使得具有在透镜中心部和周边部的分布，可以提供耦合效率的变动小的光通信用的透镜。另外，当只由影子效应不能降低周边部的效率的情况下，通过微调整各环形带间的阶梯来调整衍射效率，可以具有因影子效应而不足的量的中心部和周边部的分布。但是，如果T1/T0的值超过(I)式的下限，则NA的降低量过大，不理想。更理想的是满足0.6≤T1/T0 ≤ 0.85。
[0017]技术方案2所述的光通信用的透镜在技术方案I所述的发明中，其特征在于:来自上述半导体激光器的光束入射侧的NA满足条件式(2)，
[0018]0.35 ≤ NA ≤ 0.85 (2)。
[0019]通过满足条件式(2)，能够在确保来自半导体激光器的获取光量的同时确保适宜的聚光点的直径。
[0020]技术方案3所述的光通信用的透镜在技术方案I或者2所述的发明中，其特征在于:上述光程差赋予构造具有朝向上述透镜的光轴的阶梯。是因为在这种光程差赋予构造中，能够抑制温度变化时的焦点位置、且特别容易发生影子的影响的缘故。[0021]技术方案4所述的光通信用的透镜在技术方案I~3中的任意一项所述的发明中，其特征在于:上述光程差赋予构造将上述波长λ的大致整数倍的光程差赋予给通过的光束。由此在具有高的衍射效率的同时能够抑制因温度变化时的透镜折射率变化引起的焦点位置偏移。
[0022]技术方案5所述的光通信用的透镜在技术方案4所述的发明中，其特征在于:上述光程差赋予构造在上述透镜的有效直径的全范围中，将上述波长λ的I倍的光程差赋予给通过的光束。通过赋予尽可能小的光程差，抑制光程差赋予构造的阶梯的高度，抑制成形误差等，由此能够提高光线透过率。
[0023]技术方案6所述的光通信用的透镜在技术方案I~5中的任意一项所述的发明中，其特征在于:上述光程差赋予构造在上述透镜的光轴附近的中央区域赋予上述波长入的X倍的光程差，在上述透镜的中央区域的外侧的周围区域，将上述波长λ的Y倍的光程差赋予通过的光束，将X的小数点后一位四舍五入而设为整数的值比将Y的小数点后一位四舍五入而设为整数的值小。由此，能够容易进行转印间距往往变窄的周边区域的光程差赋予构造的模具的加工。
[0024]技术方案7所述的光通信用的透镜在技术方案6所述的发明中，其特征在于:将上述X的小数点后一位四舍五入而设为整数的值是1，将上述Y的小数点后一位四舍五入而设为整数的值是2。
[0025]技术方案8所述的光通信用的透镜在技术方案I~7中的任意一项所述的发明中，其特征在于:上述透镜是在光纤的端面聚光从上述半导体激光器射出的光束的光耦合透镜。
[0026]技术方案9所述的光通信用的透镜在技术方案8所述的发明中，其特征在于:上述耦合透镜的光学系统倍率M满足以下的条件式(3)，
[0027]1.0 ≤ M ≤ 4.0 (3)。
[0028]由此，可以在一般的单模光纤中可以获取的M0.1到M0.12左右提供最佳的效率。特别理想的是满足以下式子，
[0029]2.0 ≤ M ≤ 4.0 (3，)。
[0030]技术方案10所述的光通信用的透镜在技术方案I~9中的任意一项所述的发明中，其特征在于:上述光程差赋予构造设置于来自上述半导体激光器的光束射出的面。
[0031]在图1 (a)中，因为在半导体激光器侧设置衍射构造DS，所以入射到阶梯面ST中的光束的比例增高，影子的影响变大。另一方面，在图1 (b)中，因为在和半导体激光器相反一侧设置衍射构造DS，所以光束往往在沿着环形带的阶梯面ST的方向前进，即，入射到阶梯面ST的光束的比例相对地变低，影子的影响变小。即，通过在来自半导体激光器的光束射出的面具有衍射构造，即使因制造误差，环形带的阶梯面ST发生倾斜了的情况下，耦合效率也难以降低，能够实现对于制造误差耐受强的透镜，另外，与激光器侧相比，光纤侧的光学面的面积相对地变宽，所以设置衍射构造的面积变宽，因此相应地可以扩大环形带的间距，容易抑制透过率的降低。
[0032]技术方案11所述的半导体模块，其特征在于:将技术方案I~10中的任意一项所述的光通信用的透镜和半导体激光器一体地组装而成。
[0033]技术方案12所述的半导体模块，在技术方案11所述的发明中，其特征在于:上述透镜安装于将上述半导体激光器密封的筐体。
[0034]技术方案13所述的半导体模块，在技术方案11所述的发明中，其特征在于:上述透镜和密封上述半导体激光器的筐体是一体的。
[0035]所谓“半导体激光器”是利用半导体的再耦合发光的激光器，一般是在环境温度上升时振荡波长变长，在环境温度下降时振荡波长变短。
[0036]所谓透镜包含:对从半导体激光器射出的光束进行聚光的透镜、对从光纤的端面射出的光束进行聚光的透镜、特别将从半导体激光器射出的光束聚光到光纤的端面的光耦合透镜、将从光纤的端面射出的光束聚光到受光元件的受光面的光耦合透镜。透镜是塑料制。
[0037]在本说明书中所说的所谓光程差赋予构造是对入射光束附加光程差的构造的总称。在光程差赋予构造中还包含赋予相位差的相位差赋予构造。另外，在相位差赋予构造中包含衍射构造。本发明的光程差赋予构造优选衍射构造。光程差赋予构造具有阶梯，优选具有多个阶梯。通过该阶梯在入射光束中附加光程差以及/或者相位差。通过光程差赋予构造附加的光程差既可以是入射光束的波长的整数倍，也可以是入射光束的波长的非整数倍。阶梯既可以在光轴垂直方向以周期性的间隔进行配置，也可以在光轴垂直方向以非周期性的间隔进行配置。另外，当设置有光程差赋予构造的透镜是单片非球面透镜的情况下，由于距离光轴的高度致使光束对镜头的入射角度不同，所以光程差赋予构造的阶梯差针对各环形带的每个而不同。例如，当镜头是单片非球面的凸透镜的情况下，即使是赋予相同光程差的光程差赋予构造，一般也是越远离光轴，越呈现阶梯差增大的趋势。
[0038]另外，在本说明书中所说的所谓衍射构造是具有阶梯，具有因衍射而使光束收敛或者发散的作用的构造的总称。例如，包含如下那样的构造:通过单位形状以光轴为中心排列多个来构成，对于各个单位形状入射光束，透过的光的波阵面在相邻的每个环形带上发生损耗，其结果，通过形成新的波阵面使光收敛或者发散。衍射构造具有多个阶梯，阶梯既可以在光轴垂直方向以周期性的间隔来配置，也可以在光轴垂直方向以非周期性的间隔来配置。另外，当设置有衍射构造的透镜是单片非球面透镜的情况下，由于距离光轴的高度不同，光束对透镜的入射角度不同，所以衍射构造的阶梯差针对各环形带的每个有些许不同。例如，当透镜是单片非球面的凸透镜的情况下，即使是发生相同衍射级数的衍射光的衍射构造，一般也是距离光轴越远，越呈现阶梯差变大的趋势。
[0039]可是，光程差赋予构造优选具有以光轴为中心的同心圆状的多个环形带。另外，光程差赋予构造一般可以取各种剖面形状(在包含光轴的面中的剖面形状)，包含光轴的剖面形状大致分为闪耀型构造和台阶型构造。
[0040]所谓闪耀型构造是指如图2 (a)、(b)所示那样，具有光程差赋予构造的光学元件的包含光轴的截面形状为锯齿状的形状。此外，在图2的例子中，上方为光源侧，下方为光盘侧，在作为母体非球面的平面形成有光程差赋予构造。在闪耀型构造中，将一个闪耀单位的光轴垂直方向的长度称为间距P (参照图2 (a)、(b))。另外，将与闪耀的光轴平行方向的阶梯的长度称为阶梯差B (参照图2 (a))。而且，在闪耀型形状中，如图1所示，例如为了容易用车刀切削模具，也可以不将阶梯面设置成和光轴平行，而设置成些许倾斜，这种情况下，优选一个闪耀的顶点的位置在光轴正交方向间距的O?25%的范围内。
[0041]另外，所谓台阶型构造是指如图2 (c)、(d)所示那样，具有光程差赋予构造的光学元件的包含光轴的截面形状为具有多个小台阶状的结构(称为台阶单位)的形状。而且，在本说明书中，所谓“V级”是指在台阶型构造的一个台阶单位中与光轴垂直方向对应(朝向)的环形带的面(以下有时也称为台面)用阶梯划分，针对V个环形带面的每个进行分割，特别是大于等于3级的台阶型构造具有小的阶梯和大的阶梯。
[0042]例如，将图2 (C)所示的光程差赋予构造称为5级台阶型构造，将图2 (d)所示的光程差赋予构造称为2级台阶型构造(也称为双重构造)。以下说明2级台阶型构造。包含以光轴为中心的同心圆状的多个环形带，包含物镜的光轴的多个环形带的剖面形状由与光轴平行延伸的多个阶梯面Pa、Pb、连结相邻的阶梯面Pa、Pb的光源侧端部彼此之间的光源侧台面Pc、连结相邻的阶梯面Pa、Pb的光盘侧端部彼此之间的光盘侧台面Pd来形成,光源侧台面Pc和光盘侧台面Pd沿着与光轴交叉的方向交替配置。
[0043]而且，光程差赋予构造优选某一个单位形状周期性重复的构造。这里所说的“单位形状周期性重复”当然包含同一形状以同一周期重复的形状。进而，成为周期的I个单位的单位形状具有规律性，周期逐渐变长或者逐渐变短的形状也包含在“单位形状周期性重复”之中。
[0044]光程差赋予构造在具有闪耀型构造的情况下，变成作为单位形状的锯齿状的形状重复的形状。既可以如图2 (a)所示同一锯齿状形状重复，也可以如图2 (b)所示随着在从光轴向离开的方向前进，锯齿状形状的间距(还称为衍射间距)逐渐变长的形状，或者也可以是间距逐渐变短的形状。此外，在某一区域上，也可以设置成闪耀型构造的阶梯向着与光轴(中心)侧相反的形状，在其他的区域上，设置成闪耀型构造的阶梯向着光轴(中心)侧的形状，在其间设置成设置有为了切换闪耀型构造的阶梯的朝向而所需要的转移区域的形状。而且，当这样设置成在中途切换闪耀型构造的阶梯朝向的构造的情况下，可以扩大环形带间距，能够抑制由光程差赋予构造的制造误差引起的透过率降低。
[0045]光程差赋予构造在具有台阶型构造的情况下，可以得到如图2 (c)所示那样的5级台阶单位重复那样的形状等。进而，可以是随着在从光轴离开的方向前进台阶单位的间距逐渐变长的形状、台阶单位的间距逐渐变短的形状。而且当利用台阶型形状对闪耀型形状进行近似了的情况下，虽然衍射效率降低，但可以得到和本发明同样的效果。
[0046]光程差赋予构造优选具有朝向透镜的光轴的阶梯。所谓“阶梯朝向光轴”是指图
3(a)那样的状态。
[0047]光程差赋予构造优选将波长λ的大致整数倍的光程差赋予通过的光束。所谓大致整数倍是指在将除了 O以外的整数设为N时，大于等于(Ν-0.4)λ，小于等于(Ν-0.4)λ。光程差赋予构造优选，在透镜的有效直径的全范围中赋予波长λ的I倍的光程差、或者在透镜的光轴附近的中央区域赋予波长λ的I倍的光程差，在透镜的中央区域的外侧的周边区域赋予波长λ的2倍的光程差。中央区域和周边区域的边界优选为例如距离有效直径的2/3的光轴的高度。
[0048]优选通过了透镜的光束的光瞳透过率分布满足条件式(I)。所谓光瞳透过率分布是射出光瞳面的透过率分布，相当于相对均匀强度的入射光束的射出光瞳面的亮度分布。而且，所谓透镜的光轴附近例如是在距离有效直径的1/3的光轴的高度以内，更理想的是在0.2以内，所谓透镜的周边例如是在距离有效直径的2/3光轴的高度的外侧，更理想的是在0.8的外侧。[0049]0.4 ≤ T1/T0≤0.8 (I)
[0050]TO:上述透镜的光轴附近的透过率
[0051]Tl:上述透镜的周边的透过率
[0052]来自半导体激光器的光束入射侧的NA优选满足条件式(2 )
[0053]0.30≤ NA≤0.85 (2)
[0054]进而理想的是优选满足条件式(4 )。
[0055]0.35 ≤NA≤ 0.65 (4)
[0056]根据本发明，提供一种将半导体模块设置成紧凑的模块，进而通过将光纤侧的聚光点的有效NA抑制得小，从而能够抑制耦合效率的变动的光通信用的透镜以及使用该透镜的半导体模块。
【专利附图】
【附图说明】
[0057]图1 (a)是在半导体激光器侧设置了衍射构造的透镜的放大剖面图，(b)是在半导体激光器侧设置了衍射构造的透镜的放大剖面图。
[0058]图2是表示光程差赋予构造的例子的放大剖面图，(a)、(b)是表示闪耀型构造的例子的图，(C)、Cd)是表示台阶型构造的例子的图。
[0059]图3 (a)是表示阶梯向着光轴方向的状态，(b)是表示阶梯向着与光轴相反方向的状态的图。
[0060]图4 Ca)是涉及第I实施方式的半导体模块LM的光轴方向剖面图，(b)是放大表示用箭头IVB表示的透镜表面的图。
[0061]图5 (a)是涉及第2实施方式的半导体模块LM的光轴方向剖面图，(b)是放大表示用箭头VB表示的透镜表面的图。
[0062]图6 Ca)是涉及第3实施方式的光稱合透镜CL的光轴方向剖面图，(b)是放大表示用箭头VIB表示的透镜表面的图。
[0063]图7是实施例1~4和比较例中的耦合效率的曲线图。
[0064]图8是实施例5~8和比较例中的耦合效率的曲线图。
[0065]图9是实施例9中的耦合效率的曲线图。
[0066]图10是表示用衍射构造的阶梯赋予的相位差和衍射效率的关系的图。
[0067]符号说明
[0068]AP:开口
[0069]BS:基座
[0070]CG:盖玻璃
[0071]CL:光稱合透镜或者光稱合透镜部
[0072]CV:盖
[0073]DS:衍射构造
[0074]FL:凸缘部
[0075]LD:半导体激光器
[0076]LG:管脚部
[0077]LM:半导体模块[0078]OF:光纤
[0079]PD:光电二极管
[0080]PDa:受光面
[0081]S1:半导体激光器侧光学面
[0082]S2:反半导体激光器侧光学面
【具体实施方式】
[0083]以下根据【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。图4是涉及第I实施方式的半导体模块LM的光轴方向剖面图。在具有供电用的3根管脚部LG的基座BS安装有半导体激光器LD的衬底，射出波长λ的光束的半导体激光器LD用具有开口 AP的盖(筐体)CV覆盖。开口 AP从内侧用透明盖玻璃CG遮盖，将半导体激光器LD与外部大气隔开密封。
[0084]设为覆盖开口 AP的外侧，光耦合透镜部CL的凸缘部FL与盖CV粘接。塑料制的光耦合透镜CL具有作为半导体激光器侧的折射面的光学面S1、其相反侧的光学面S2，在光学面S2在折射面上形成有衍射构造DS。光学面SI的曲率半径比光学面S2的曲率半径大。闪耀型形状的衍射构造DS在波长λ的光束入射时，赋予波长λ的整数倍的光程差。
[0085]半导体模块LM的基座BS经由未图示的筐体，以规定的距离与光纤OF连接。而且，光纤OF用外皮SL覆盖。
[0086]说明本实施方式的半导体模块LM的动作。如果经由管脚部LG供电，则半导体激光器LD发光，其射出光束通过盖玻璃CG以及开口 AP入射到光耦合透镜CL。入射到光耦合透镜CL的光束在折射面发生折射，并且通过衍射构造DS射出，聚光于光纤OF的端面，其后在光纤OF内进行传播。
[0087]如果环境温度上升(或者下降)，因为半导体激光器LD的振荡波长增大(或者降低)，与之相应从衍射构造DS发生的衍射光的衍射角发生变化，由此能够补正因环境温度变化造成的光耦合透镜CL的折射率的变化引起的焦点位置偏移。另外，根据本实施方式，因为只在光耦合透镜CL的一面设置了衍射构造DS，所以衍射间距整体上变窄，在用光耦合透镜部CL聚光到光纤OF的端面的点上，因为周边部的光量相对于通过了透镜的光轴附近的光量变低，所以发生点变粗，有效NA降低。由此，发生温度变化时的耦合效率的变动变小。
[0088]图5是涉及第2实施方式的半导体模块LM的光轴方向剖面图。在具有供电用的3根管脚部LG的基座BS安装有半导体激光器LD的衬底。在本实施方式中，密封地覆盖射出波长λ的光束的半导体激光器LD的盖(筐体)CV是塑料制的帽子状，在该遮挡端侧一体地形成光稱合透镜部CL。
[0089]光耦合透镜部CL具有作为半导体激光器侧的折射面的光学面S1、作为该相反侧的折射面的光学面S2，在光学面S2在折射面上形成衍射构造DS。光学面SI的曲率半径比光学面S2的曲率半径大。闪耀型形状的衍射构造DS在波长λ的光束入射时，赋予波长λ的整数倍的光程差。
[0090]半导体模块LM的基座BS经由未图示的筐体以规定的距离与光纤OF连接。而且，光纤OF用外皮SL覆盖。
[0091]说明本实施方式的半导体模块LM的动作。如果经由管脚LG供电，则半导体激光器LD发光，其射出光束直接入射到光耦合透镜部CL。入射到光耦合透镜部CL的光束在折射面折射，并且通过衍射构造DS而射出，聚光于光纤OF的端面，其后在光纤OF内传播。
[0092]如果环境温度上升(或者下降)，因为半导体激光器LD的振荡波长增大(或者降低)，与之相应从衍射构造DS发生的衍射光的衍射角发生变化，由此能够补正因环境温度变化造成的光耦合透镜部CL的折射率的变化引起的焦点位置偏移。另外，由于温度上升(或者降低)，透镜膨胀(或者收缩)，进而能够补正焦点位置偏移。根据本实施方式，因为只在光耦合透镜部CL的外侧面设置衍射构造DS，所以衍射间距整体上变窄，在用光耦合透镜部CL聚光于光纤OF的端面的点上，因为周边部的光量相对于通过了透镜的光轴附近的光量变低，所以发生点变粗，有效NA降低。由此，发生温度变化时的耦合效率的变动减小。
[0093]图6是涉及第3实施方式的光耦合透镜CL的光轴方向剖面图。在本实施方式中，从未图示的半导体激光器经由光纤OF传播，从其端面射出的光束经由光耦合透镜CL聚光到光电二极管ro的受光面roa。在光耦合透镜CL的一面的光学面(光纤OF侧的光学面)SI的折射面上，设置补正温度变化时的焦点位置偏移的闪耀型的衍射构造DS。另一光学面S2只由折射面组成。光学面SI的曲率半径比光学面S2的曲率半径小。而且，CG是光电二极管的盖玻璃。
[0094]根据本实施方式，因为只在光耦合透镜CL的一面SI设置了闪耀型的衍射构造DS，所以衍射间距整体上变窄，在用光耦合透镜CL聚光到光电二极管H)的受光面PDa的点上，因为周边部的光量相对于通过透镜的光轴附近的光量变低，所以发生点变粗，有效NA增大。由此，发生温度变化时的耦合效率的变动减小。其他效果和上述的实施方式一样。
[0095](实施例)
[0096]以下，说明能够在上述实施方式中使用的实施例。实施例1~4都是树脂透镜，是适合于图4所示的半导体模块的光耦合透镜。另外，作为比较例子参照没有衍射构造的玻璃透镜和树脂透镜。表1中表不实施例1~4的半导体模块的规格,表2中表实施例5~8的半导体模块的规格,表3中表不实施例9的半导体模块的规格,表4中表不实施例1~4的各材质的折射率，表5中表 示实施例5~8的各材质的折射率，表6中表示实施例9的各材质的折射率。
[0097][表 I]
[0098]半导体模块的规格
[0099]
【权利要求】
1.一种光通信用的透镜，是对从半导体激光器射出的波长λ的光束进行聚光的光通信用的透镜，其特征在于: 上述透镜是塑料制， 只在上述透镜的光学面的I个面形成抑制温度变化时的焦点位置变动的光程差赋予构造， 上述光程差赋予构造包含以上述透镜的光轴为中心的多个环形带，由通过上述透镜的光轴的面切断的上述环形带的剖面形状是闪耀型形状， 通过上述透镜的光束的光瞳透过率分布满足条件式(I )， . 0.5 ≤Τ1/Τ0 ≤ 0.85 (I), 其中， TO:上述透镜的光轴附近的透过率， Tl:上述透镜的周边的透过率。
2.根据权利要求1所述的光通信用的透镜，其特征在于: 来自上述半导体激光器的光束入射侧的NA即数值孔径满足条件式(2)， .0.35 ≤ NA ≤ 0.85 (2)。
3.根据权利要求1或者2所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述光程差赋予构造具有朝向上述透镜的光轴的阶梯。
4.根据权利要求1~3中的任意一项所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述光程差赋予构造将上述波长λ的大致整数倍的光程差赋予给通过的光束。
5.根据权利要求4所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述光程差赋予构造在上述透镜的有效直径的全范围中，将上述波长λ的I倍的光程差赋予给通过的光束。
6.根据权利要求1~5中的任意一项所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述光程差赋予构造在上述透镜的光轴附近的中央区域赋予上述波长λ的X倍的光程差，在上述透镜的中央区域的外侧的周围区域，将上述波长λ的Y倍的光程差赋予通过的光束，将X的小数点后一位四舍五入而设为整数的值比将Y的小数点后一位四舍五入而设为整数的值小。
7.根据权利要求6所述的光通信用的透镜，其特征在于: 将上述X的小数点后一位四舍五入而设为整数的值是1，将上述Y的小数点后一位四舍五入而设为整数的值是2。
8.根据权利要求1~7中的任意一项所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述透镜是在光纤的端面聚光从上述半导体激光器射出的光束的光耦合透镜。
9.根据权利要求8所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述耦合透镜的光学系统倍率M满足以下的条件式(3)，
1.0 ≤ M ≤ 4.0 (3)。
10.根据权利要求1~9中的任意一项所述的光通信用的透镜，其特征在于: 上述光程差赋予构造设置于来自上述半导体激光器的光束射出的面。
11.一种半导体模块，其特征在于: 将权利要求1~10中的任意一项所述的光通信用的透镜和半导体激光器一体地组装--? 。
12.根据权利要求11所述的半导体模块，其特征在于: 上述透镜安装于将上述半导体激光器密封的筐体。
13.根据权利要求11所述的半导体模块，其特征在于: 上述透镜和密封上述半导体激光器 的筐体是一体的。
【文档编号】G02B13/18GK103503253SQ201280013685
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年3月14日 优先权日:2011年3月18日
【发明者】三森满 申请人:柯尼卡美能达株式会社
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