CN100397103C - 光学透镜 - Google Patents

Abstract

描述了一种将激光耦合进光纤的光学透镜，其引入光以避开光纤的中心和芯-包层，防止了到激光光源的光反馈，并且可以以单个或阵列的形式经济地大量制造。透镜(10′)具有至少一个以下端面(25′)，端面(25′)的形状为二次曲线组分、螺旋组分和圆锥组分的组合(55)。二次曲线组分可以为双曲面、抛物面或球面形状的一种。另一端面(30′)典型地是凸双曲面形状。透镜位于外封装中，或者可以与外封装集成，所述外封装的一端耦合到激光光源(15)，另一端耦合用来接收并保持光纤(20)的自由端。制造透镜的步骤如下：首先形成与透镜具有相反形状的模，所述模包括对应于透镜端面的模部分，并且所述模部分与二次曲线组分、螺旋组分和圆锥组分的组合相反，然后将可流动材料放入所述模中，以产生所述透镜。

Description

光学透镜

技术领域

本发明涉及用在纤维光学数据通信系统中的单个或阵列式的微光学透镜的领域，具体地说，本发明涉及将激光引入高带宽光纤中同时减小或消除到激光器的反馈的廉价透镜。

背景技术

图1示出了一般公知的布置，其中光学透镜10插入在激光(即，相干)光源15和光纤20的前端之间。激光光源15例如安装在晶体管外壳(TO)头部或覆盖了腔14的开放端的电路板12上。透镜10具有物(或输入)面25和像(或输出)面30。透镜10通过晶体管外壳(TO)容器或模16夹持，且与激光源15光对齐。图1以光线跟踪的方式示出了从激光源15进入光纤20的前端22的光线的典型路径。光纤20还具有与接收机设备35相连接的后端24。

关于这种透镜，有若干种不利的设计因素。这包括了以下情形，即在包含激光器、透镜和光纤末端的封装内，空间容积是非常小的。一般地说，在平行光通道应用中，在激光光源和透镜的输入面之间只有300μm。这对透镜设计提出了限制。此外，这种透镜耦合单元通常以阵列形式(一般为12×1)制造。这种透镜设计中最重要的目的是避免后向反射。再参考图1，传统的光纤面22部分地反射输入激光，然后输入激光会干涉光源15(从而干扰调制光源所代表的数据)，导致在光纤远端的数据错误。在输出面24也可能发生部分反射，该部分反射光向后传播到激光光源15，再次导致数据损坏。另外还要求透镜将激光引入到光纤中，同时避免光纤中心与芯-包层界面处的折射率异常，从而提高数据通信的带宽。

在英国专利公开No.GB 2 354 839 A(安捷伦科技公司)中描述了在现有技术中对于部分反射问题的解决方法的一个示例。该现有技术文献描述了环形透镜表面，作为对更早的双曲传输透镜的替换。

另外公知的是使用亚微米衍射图(例如，小脊)作为透镜表面，以减小后向反射。这些透镜利用昂贵的亚微米晶片技术来产生，并且这些透镜衰减激光光束。

通常希望能够对微透镜注塑成模，因为这种制造工艺适于大量、低成本的生产。因为激光发射器/收发器模块在通过焊点回流工艺或熔焊浴放置到PCB板上的期间，要暴露在高温下，所以要求透镜能在200℃或更高的温度下保持形状。由于这个原因，只能使用具有高的玻璃临界温度的聚合物。然而，使用这些类聚合物妨碍了衍射表面的应用。除了聚合物外，也可利用某些类型的玻璃，然而这会明显提高透镜或透镜阵列的价格。

发明内容

一种具有至少一个以下端面的光学透镜，所述端面的表面形状为二次曲线组分、螺旋组分和圆锥组分的组合。

透镜可被布置为阵列形式。透镜或透镜阵列可以与外封装(housing)集成，所述外封装的一端耦合到一个或多个激光光源，另一端耦合到一根或多根光纤的自由端。

一种制造所述光学透镜的方法，涉及形成与透镜具有相反形状的模，所述模包括对应于透镜端面的模部分。模部分与二次曲线组分、螺旋组分和圆锥组分的组合是相反的。通过将可流动材料放入模中，产生所述透镜。

附图说明

在附图中：

图1示出了已知的通用光纤/光源耦合布置的示意图；

图2是透镜的二次曲线表面的透视图；

图3是透镜的圆锥表面的透视图；

图4是透镜端面的螺旋成分的透视图；

图5是具有二次曲线、圆锥和螺旋成分的透镜端面的透视图；

图6示出了与实施本发明的透镜集成在一起的光耦合器；

图7示出了发生在光纤近端面的引入分布(profile)；

图8示出了来自透镜的后向反射；

图9a和9b示出了透镜阵列；

图10示出了集成耦合器的示意形式；以及

图11示出了另一种形式的集成耦合器的示意形式。

具体实施方式

在一种实施方式中，输入透镜表面被制造成代表二次曲线、螺旋和圆锥的几何组合的形状。

下面的方程代表二次曲线组分：

$z=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2(x^2+y^2)}}-\left(1\right)$

其中：

z：表面的垂度或z坐标；

x，y：横向坐标；

k：二次曲线常数；

c：曲率(表面的弯曲半径的倒数)。

图2是由该方程实现的二次曲线形状40的实施例。

下面的方程代表圆锥：

$z(x,y)=d\sqrt{x^2+y^2}-\left(2\right)$

这里，z表示表面的垂度或z坐标，x和y还代表横向坐标，d表示常数。

图3示出了由该方程实现的圆锥面形状45的实施例。

下面的段落代表螺旋组分：

$z(x,y)=u\arctan \left(\frac{y}{x}\right)-\left(3\right)$

这里，z表示表面的垂度或z坐标，x和y代表横向坐标，u表示常数。

图4示出了由该方程实现的螺旋面形状50的实施例。

图5示出了合成的端面形状55，合成的端面形状55是二次曲线、螺旋和圆锥表面的组合。这种形状用于透镜的物面25′，还可用在像面30′。

这样的透镜10′起两个作用。第一个作用是防止例如被光纤的前端面22反射回激光器的光到达激光器15。必须防止这种后向反射，因为这会使激光器不稳定，并严重地干扰接收机侧的数据恢复。通过使用透镜10′，对前光纤面上的光点进行“调节(condition)”。这种经过调节的引入减小了多膜光纤中的模色散，从而增大了光纤的数据带宽。电信工业协会的任务组已经将调节引入指定为使用“高带宽”光纤所必需的步骤。

圆锥、螺旋和二次曲线的理想垂度取决于激光器的特性，如模式分布和数值孔径。此外，还必须考虑最小耦合效率和已接受的后向反射。最后，也必须考虑激光器到透镜和透镜到光纤的距离。透镜10′可应用于单模和多模应用中。例如，在多模VCSEL应用中，可利用具有螺旋组分加上圆锥组分的透镜表面，其中当从透镜的圆周移动时，螺旋组分经过360°转动引入6π的相变，圆锥组分引入-4π的相变。

具体实施例

为了描述目的，可参考图6，在图6中，实施了本发明并且与外封装集成在一起的透镜10′被用来替换图1中的传统透镜10。

在该实施例中，制造透镜10′的材料为“Ultem”。Ultem在850nm和1300nm处呈现出高的透射系数，使得其成为适用于发射器、接收器和收发器的合适材料。其玻璃临界温度较高，约为215℃，从而允许模块回流。

下面的方程表示凸的输入端面25′的形状，其直径为250μm：

$z(x,y)=\frac{4.53(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1+34.07(x^2+y^2)}}+\left[6\mathrm{\π}\arctan \right[\frac{y}{x}]-\frac{4\mathrm{\π}\sqrt{(x^2+y^2)}}{125\·{10}^{-3}}]\frac{850\·{10}^{-6}}{2\mathrm{\π}\·0.632}-\left(4\right)$

从以上的通用方程可识别出的组分形状为二次曲线、螺旋和圆锥。包括了最后的倍乘因子，以将‘相面’转化为波长850nm的Ultem形状，并且最后的倍乘因子在分母中包含校正参数，校正参数代表(折射率-1)。

在该具体实施例中，只选择将透镜的像(即，输出)端面30′实现为凸双曲面。

$z(x,y)=\frac{3.36(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1+18.64(x^2+y^2)}}-\left(5\right)$

这里，曲率半径为0.297mm，二次曲线常数为-2.65。第一和第二表面的顶点之间的距离被选定为1.5mm。

图7示出了由上述透镜10′实现的引入图案60。如可观察到的，获得了光强的环形分布。

图8示出了来自透镜10′和光纤20的组合的后向反射65，后向反射65可由激光光源15看见。很显然，该部分反射不对光源产生影响，这意味着极大地减少了数据错误的发生。

制造方法

所描述的通用和具体形式的透镜可通过注模方法制造。可利用聚合物材料、各种类型的玻璃和具有合适的光学性质的其他材料。可利用金刚石转动工艺加工模腔的形状。

实施本发明的透镜可制造为阵列结构。图9a和图9b以示意图的形式示出了12×1的透镜10′的阵列。

图10是光耦合器80的剖面图，光耦合器80具有与所述透镜10′集成的模85，其与输入孔径90和输出孔径95对齐。激光光源15牢固地安装在入口孔径90中。以类似的方式，在出口孔径95接收并固定光纤。激光器15、透镜10′和光纤20保持在适当的光对齐方式下。

图11以剖面图的形式示出了另一种形式的光耦合器100。该耦合器与图9布置的不同之处在于晶体管外壳封装(通常称为TO盒)105位于入口孔径90′内部。在输出孔径95中接收光纤20，输出孔径95面向出口室98开放，像面30′凸出到出口室98中。透镜10′的输入面25′延伸到腔102中。在腔102的开口处安装有激光光源15，激光光源15从TO头部105处安装。

应用领域

根据本发明概念构造的透镜和透镜阵列可应用于多模和单模光数据通信设备，如发射器、收发器和接收器。

总结

本发明涉及这样的实现，该实现直接对包括二次曲线、螺旋和圆锥形状组合的基本形状模压成型，防止后向反射光到达激光光源，并将来自激光器的光聚焦为环形形状，使得光纤的芯层不被照射。与现有技术相比，增强了防止后向反射光到达激光器的能力，使得透镜的耦合效率更高，透镜成本更低且设计灵活性更高。

Claims (14)

1.一种光耦合器，包括：

一端耦合连接到激光光源，另一端连接用来接收并保持光纤的自由端的外封装；以及

集成在所述外封装内的光学透镜，所述光学透镜与所述激光光源和所述光纤自由端对齐，并且其中，所述透镜包括一种光透射材料的体部分，其中，至少激光器端表面的形状为二次曲线组分、螺旋组分和圆锥组分的组合，并且所述透镜的光纤端表面为凸双曲面形状。

2.如权利要求1所述的光耦合器，其中，所述二次曲线组分为双曲面、抛物面或球面的一种。

3.如权利要求2所述的光耦合器，其中，由所述螺旋组分和所述圆锥组分引入的最大相移的比率为-3∶2。

4.如权利要求2所述的光耦合器，由适于模压的材料制造。

5.如权利要求1所述的光耦合器，其中，二次曲线、螺旋和圆锥组分中每一种的数学特征在于垂度分量，并且所述垂度分量被选定为至少与光源的模式分布或数值孔径相匹配，其中所述透镜与所述光源一同使用。

6.如权利要求5所述的光耦合器，其中，所述垂度分量还取决于所述透镜和光源、以及所述透镜和光纤之间的各自距离，其中所述透镜与所述光纤一同使用。

7.如权利要求1所述的光耦合器，其中，所述激光器安装在印刷电路板和/或柔性电路带上。

8.一种光耦合器，包括：

一端耦合连接到激光光源阵列，另一端连接用来接收并保持光纤阵列的自由端的外封装；以及

集成在所述外封装内的光学透镜阵列，所述光学透镜阵列与所述激光器阵列和所述光纤阵列的自由端对齐，并且其中，所述透镜阵列包括一种光透射材料的体部分，并且其中，阵列中透镜的至少激光器端表面的形状为二次曲线组分、螺旋组分和圆锥组分的组合，并且所述透镜阵列中透镜-的光纤端表面具有凸双曲面形状。

9.如权利要求8所述的光耦合器，其中，所述二次曲线组分为双曲面、抛物面或球面的一种。

10.如权利要求9所述的光耦合器，其中，由所述螺旋组分和所述圆锥组分引入的最大相移的比率为-3∶2。

11.如权利要求10所述的光耦合器，由适于模压的材料制造。

12.如权利要求8所述的光耦合器，其中，二次曲线、螺旋和圆锥组分中每一种的数学特征在于垂度分量，并且所述垂度分量被选定为至少与光源的模式分布或数值孔径相匹配，其中所述透镜阵列将与所述光源一同使用。

13.如权利要求12所述的光耦合器，其中，所述垂度分量还取决于所述透镜阵列和所述激光器阵列、以及所述透镜阵列和所述光纤阵列之间的各自距离，其中所述透镜阵列将与所述光纤阵列一同使用。

14.如权利要求8所述的光耦合器，其中，所述激光器阵列安装在印刷电路板和/或柔性电路带上。

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