CN100562771C - 改进光纤光耦合效率的设备 - Google Patents

Abstract

一种光学组件，采用紧凑并有效的透镜，把光束从光学装置耦合到光纤。该透镜包括弯曲的表面和聚焦的表面。透镜放在适当的位置，以便从光学装置接收光束并以内反射把光束向聚焦表面反射。聚焦表面又把反射的光束聚焦，进入光纤的端部。弯曲的表面可以包括反射的涂层，使光束的一部分向监控单元传送，该部分被用来监控光束的参数。该光学组件还可以包括支承光学装置、透镜、光纤、和监控单元的平台。

Description

改进光纤光耦合效率的设备

技术领域

本发明一般涉及把光从光发射装置耦合到光纤的光学组件，更具体说，是涉及采用反射弯曲表面和聚焦球面弯曲表面的光学组件，有效地把光从竖直发射激光器耦合到水平放置的光纤。

背景技术

光纤技术非常适合通信的应用，因为光纤有宽的传输带宽和相对低的衰减。在大多数应用中，首先把电信号经过光发射装置，例如半导体激光器，转换为光信号。接着把光信号耦合进传输光信号的光纤。通常，光耦合组件的设计，要使光发射装置、所有光学部件、和光纤，全部成一直线沿光路对准。这种对准方案的优点，在于光学组件相对简单，并能只用一个简单的光学部件，例如球透镜制成。但是，当光纤不与光发射装置放在一直线中时，各光耦合组件必须十分精心设计，才能获得有效的光耦合。

近来，高速竖直腔表面发射激光器(“VCSEL”)技术的研发和进展，与城市光纤通信市场的兴起结合，产生对基于VCSEL技术的高速光发射装置和相关的光耦合组件的需求。但是，VCSEL技术的使用，对光耦合组件中高功率耦合效率和高阶模耦合效率有严格的要求。这是因为VCSEL装置把接收的电信号转换为不同的激光传输模，每一模有不同的空间分布。只当所有激光模都以一样的损耗耦合时，传送的光信号才能被适当地接收。因此，为了从光发射/接收装置到光纤的有效光耦合，光耦合组件的适当设计，已经成为永恒的课题。

耦合组件还应容许制造过程引起的大的光学对准公差。组装过程的对准问题，由于光发射/接收装置整个尺寸趋于微型化及趋于更低成本材料的趋势而恶化。光学组件本身的微型化，要求光耦合必须以高的效率在小的体积内完成。但是，体积或尺寸的要求，限制了组件内能使用的光学部件大小及数量。

尽管有趋于微型化的趋势，但为了在两个垂直方向，例如竖直和水平方向之间获得高功率耦合和高阶模耦合，一般需要复杂的光学组件，这种光耦合组件常常是大体积的并要求多个光学部件。这样给制造带来额外的组装操作及对准的困难，和额外的成本，从而与微型化目标不相称。

此外，光学装置，包括竖直的或边缘的发射装置，必须监控，以保证传送的光束有确定的特征。这需要把监控单元置于光学装置的光路之内，从而增加光耦合组件的复杂性，和容纳监控单元的附加空间要求。

因此，对采用VCSEL技术和在激光器与光纤间有效耦合的技术，需要一种紧凑的光学组件。还需要一种易于制造、组装、和对准的光学组件。还需要一种有小的覆盖区(footprint)以利于在小体积光学组件中使用的光耦合组件。

发明内容

按照本发明的一个实施例，是提供一种光学组件，它采用紧凑并有效的透镜，把光束从光学装置耦合到光纤。透镜包括一聚焦的曲面和一球面表面。透镜放在适当的位置，从光学装置接收光束，以内反射把光束向球面表面反射并准直。球面表面接着把反射的准直光束聚焦，进入光纤的端部。对许多应用来说，必须把光束的一部分向监控单元传送，用监控单元监控光束的参数。为此目的，聚焦的曲面可以部分涂覆部分反射薄膜，例如电介质和/或金属薄膜，以保证需要的反射率和透射率性质。在许多应用中，为易于组装、对准、和低的成本，该光学组件可以模铸成一单元部分，该单元部分包括接合透镜、光学装置、套筒、壳体和/或光纤连接器等机械结构。光学装置可以是产生相干光束的激光器发射装置，也可以是产生非相干光束的非激光器装置。光学装置可以采用竖直或边缘发射技术。反射的弯曲表面和球面表面，可以是成一体的透镜的一部分。或者，透镜可以是有至少两个配对部分的透镜组件。一个配对部分可以包括反射的弯曲表面，而另一个配对部分可以包括球面表面。透镜还可以包括配对的表面，该配对表面与用于支承光学装置的平台、透镜、和/或电子装置接合。透镜还可以包括光束耦合表面，该光束耦合表面是半透明的，并放在把光束从光学装置输送到监控二极管的适当位置。

光学组件还可以包括位于透镜和光纤端部之间的半透明块。该半透明块减少光束向着光学装置的后向传播。为有利于组装和对准，该块可以包括与光纤端部接合的接合表面。在本实施例中，聚焦表面的焦点可以与接合表面重合或靠近接合表面。

按照本发明的另一个实施例，透镜包括有配对部分的透镜组件，配对部分包括在光束光路中相互接合的配对表面。配对表面的一个或两者，可以包括反射部分，该反射部分的形状，便与把一部分光束沿监控光路反射。反射部分可以包括全部配对表面或配对表面的一部分。此外，至少一个配对表面的反射部分，可以包括涂层，以建立需要的光束反射。还有，配对表面可以各包括至少一个对准表面，以利于接合时使配对表面相互对准。

附图说明

参考下面的详细说明和附图，将对本发明的上述特点和优点有更充分的了解，这些说明与附图以示范的实施例给出，但不意味对本发明的限制。

图1按照本发明的一个实施例，画出一种光学组件的透镜的示范性实施例。

图2A按照本发明的一个实施例，画出光发射装置和它与有平坦下表面的透镜的关系。

图2B按照本发明另一个实施例，画出光发射装置和它与透镜的关系。

图2C按照本发明另一个实施例，画出光发射装置和它与透镜的关系。

图3按照本发明的一个实施例，画出一种包括监控单元的光学组件。

图4A和4B按照本发明的一个实施例，画出一种采用透镜组件的光学组件。

图5A和5B按照本发明另一个实施例，画出一种采用透镜组件和监控单元的光学组件。

图6按照本发明的一个实施例，画出一种包括监控单元的光学组件。

具体实施方式

按照本发明的一个实施例，是提供一种光学组件，它采用紧凑并有效的透镜，把光束从光学装置耦合到光纤。透镜包括一抛物弯曲的反射表面和一球面表面。透镜放在适当的位置，从光学装置接收光束，并以内反射把光束向聚焦表面反射。球面表面接着把反射的光束聚焦，进入光纤的端部。抛物表面可以包括部分反射的涂层，使光束的一部分向监控单元传送，用监控单元监控光束的参数。该光学组件还可以包括支承光学装置、透镜、光纤、和监控单元的平台。

按照本发明的透镜，可以按任何包括光学装置及光纤的光耦合组件，和任何光监控装置实施。图1-5按照本发明的实施例，说明透镜和采用该透镜的组件的各个实施例。

图1画出按照本发明的一个实施例的透镜。现在参考图1，图上画出的透镜200基本是圆柱形的。但是，应当指出，透镜可以是其他合适的形状，使它能方便地装入组件内，并如本文说明那样，在光纤与光学部件间进行光通信。

表面210是反射的弯曲表面，用于光偏折和光约束的目的。光偏折功能是指，把从光学装置，如光发射装置接收的光，向表面220偏折。光约束的目的是指，控制光发射装置始发的光束，避免进一步发散，或避免比预定量更大的发散。反射的弯曲表面，例如可以作为抛物面实施。抛物面能够以大于或小于90度，使光发射装置的光束偏折和反射，到达弯曲表面220，并同时使该光束经过反射基本是准直的。但是，反射弯曲表面不一定必须是抛物面，它可以有任何适合的形状和特征，只要它能执行光偏折和光约束或准直，把适当形状的光束输送到弯曲表面220。表面210可以用特定涂层覆盖，能使从图2A所示下表面230接收的光束，实现约90度的内反射。也可以选择涂层，允许光的一部分通过表面210传输，供监控或其他用途。

弯曲表面220是聚焦的弯曲表面。该聚焦弯曲表面，把从弯曲反射表面接收的光聚焦，到达接收装置例如光纤或光接收器的耦合表面。举例说，聚焦表面可以作为球面实施。但是，聚焦表面不一定必须是球面，它可以有任何其他把会聚光束输送到光接收装置的适当形状。透镜聚焦特性的设计，要有利于把从光学装置接收的光束集中在离开透镜的焦点上。然后，把光纤放在光学组件内适当的位置，以光纤的一端放在焦点上或焦点附近，实现光束从光学部件进入光纤的有效耦合。或者，对接收的光学部件，把焦点上从光纤接收的光，基本上准直地传送回准直的反射表面210。该表面使光束会聚，并把它反射，通过下表面230到达接收的光学部件。

图2A按照本发明的一个实施例，画出一种光学部件和它在组件内与透镜200的关系。现在参考图2A，透镜200可以放在被光学部件投射的光束光路内。该光学部件可以投射相干光束，也可以投射非相干光束。光束一般从部件表面近似垂直于反射弯曲表面传播出去。但是，该角度可能偏离垂直变化，取决于实施的部件类型，和在产生部件中使用的制造过程及变化。

图2B中，透镜200配置有下表面230，下表面230位于来自部件100的光束光路中。透镜200以及下表面230，是半透明的，使部件100投射的光束进入透镜并向反射表面210传播。透镜200可以放在适当的位置，使部件100投射的光束，如果不是全部，也是大部分进入透镜并在反射表面210上被反射出去。下表面230可以基本是圆柱形的，如图2B所示。或者，下表面230可以是平坦的，如图2A所示。

在光束进入透镜的下表面之后，被弯曲的反射表面210反射出去，并沿透镜的长度向聚焦表面220传播。可以选择把光束准直的弯曲的反射表面，使光束基本呈柱形向聚焦表面210传播。弯曲反射表面的形状，可以是任何形状，而一般选择的形状，要使光束经过弯曲反射表面和聚焦透镜时，产生需要的焦点。透镜的形状可以预计与特定的光学部件结合，为特定的部件产生最佳形状的光束。

聚焦表面，是为了接收反射的光束，并把光束聚焦在透镜外的一点而设计的。透镜可以作为单个单元模铸。或者，透镜可以作为分开的两段模铸，一段包括表面210，而另一段包括表面220。然后把两段粘结在一起。透镜可以用塑料、玻璃、或任何其他合适的材料制成。

光纤300切口的中心，可以放在透镜200聚焦表面220定义的焦点上，或在该焦点附近。按此方式，来自光学部件100的光束，可以作为聚焦的光束，投射进光纤300的纤心。这样可把光信号有效地耦合进光纤。

图2C画出本发明另一个实施例，依据该实施例，使用半透明块作为透镜200聚焦表面220和光纤300切口之间的中间体。现在参考图2C，块310放在透镜200和光纤300之间的光路中。块310是半透明的，并包括一般面对透镜的表面和一般面对光纤的表面。面对透镜的表面，可以切割成与聚焦表面发射的光束传播方向成一定角度，避免或减少把该光束反射回透镜200。面对光纤300的块的表面，被称为接合表面，可以与光束方向垂直，也可以有任何其他的角度。

可以选择有某一折射率和沿光束传播方向某一长度的块310，使光束焦点在块的接合表面上或在块的接合表面附近。此外，在组装时，光纤的切口可以对着块的接合表面放置，使切口的中心基本在光束的焦点。使光束聚焦在块的接合表面310，或在块的接合表面310附近，有助于对准光纤，把光纤切口置于焦点上或在焦点附近。这是因为光纤切口可以对着块的接合表面适当放置，使光纤切口位于焦点上。

图3画出图2所示的光学组件及透镜的实施例，但进一步包括监控单元400。光学装置传送的光束，被耦合进透镜200，向弯曲的反射表面210传播。光束的一部分可以通过弯曲的反射表面，向监控单元透射。弯曲的反射表面可以包括电介质或金属涂层，用于调整弯曲反射表面的反射率，和确定光束传送到监控单元400的量。监控单元可以用于接收光束的透射部分，并监控与该光束有关的至少一个参数。

图4A和4B画出本发明的实施例，其中的透镜200是作为透镜组件实施的。透镜组件包括两个配对部分。第一部分包括弯曲反射表面210。第二部分包括聚焦表面220。配对部分包括配对表面500，配对表面500的全部或部分，可以通过使用反射涂层，或通过调整第二配对部分的电介质常数，作成部分反射的。反射表面500定位在光束光路上。反射表面500把光束的主要部分传送到聚焦表面。但是，光束的一部分可以沿监控光路反射，到达监控单元400。

图5A和5B画出本发明另一个实施例，其中的透镜200是作为透镜组件实施的。组件的配对部分包括配对表面500。至少一个配对表面500的一部分是反射的，并在光束的光路之中。配对表面500还可以包括对准表面，以利于透镜200的该部分相互对准。表面500的反射部分，把光束沿监控光路向监控单元反射。

图6画出本发明另一个实施例，其中的透镜200c是作为透镜200的互补反方实施的。该光学装置发送的光束，越过光学装置与透镜之间的空间，向弯曲反射表面210传播。光束被弯曲反射表面210反射出去，然后沿透镜的长度向聚焦表面220传播。按照本实施例，光束是以外部反射方式被反射表面210反射出去的。光束的一部分可以通过弯曲反射表面，向监控单元400透射，监控单元400安放在透镜200c的顶部。弯曲反射表面可以包括电介质或金属涂层，用于调整弯曲反射表面的反射率，和确定光束传送到监控单元400的量。监控单元可以用于接收光束的透射部分，并监控与该光束有关的至少一个参数。

按照本发明另外的实施例，可以把光纤嵌入套管内。也可以把套管末端对着光纤通路部分的接合表面放置。按照本实施例，光纤可以靠在块310的接合表面。按此方式，光纤的切口可以靠在块上，从而放在透镜200的焦点上或焦点的附近。

虽然已经出示和说明本发明的具体实施例，但是，本领域一般人员显然清楚，在不偏离本发明的精神和范围下，可以改变这些实施例。

Claims (13)

1.一种把光学装置与光纤耦合的光学组件，包括：

包括反射弯曲表面和聚焦弯曲表面的透镜，该反射弯曲表面用于偏折并限定光束，该聚焦弯曲表面用于使光束聚焦，该透镜借助反射弯曲表面反射光束，又通过聚焦弯曲表面的传输，将光束聚焦到位于该聚焦弯曲表面的聚焦点上的光纤端部，从而使光束耦合进入光纤，而实现从光学装置到光纤输送光束，

其中该透镜包括细长、圆柱形的部分，而该光束的光路经过该反射弯曲表面和聚焦弯曲表面之间的细长、圆柱形的部分；

其中该透镜是透镜组件，至少有两个配对部分，第一配对部分包含该反射弯曲表面，而第二配对部分包含该聚焦弯曲表面，且其中第一和第二配对部分中的每一个，包括一个用于相互接合的基本上平坦的配对表面，并且该基本上平坦的配对表面是在光束的光路之中，而该基本上平坦的配对表面中的至少一个具有反射部分，该反射部分用于沿监控光路反射光束的一部分。

2.按照权利要求1的光学组件，其中的反射弯曲表面，在反射的光束被聚焦弯曲表面聚焦之前，控制反射光束的发散角。

3.按照权利要求1的光学组件，还包括：

监控单元；

且其中的反射部分把光束的一部分沿监控光路传送到该监控单元。

4.按照权利要求3的光学组件，其中的配对表面各包括至少一个对准表面，该对准表面在配对表面接合时，有助于配对表面的对准。

5.按照权利要求4的光学组件，其中配对表面的反射部分，包括产生光束反射的涂层。

6.按照权利要求3的光学组件，其中的监控单元，至少监控光束的一种性质。

7.按照权利要求1的光学组件，还包括：

位于透镜的聚焦弯曲表面和光纤端部之间的半透明块，该半透明块减少光束向着光学装置的后向传播。

8.按照权利要求7的光学组件，其中该块有接合表面，用于与光纤端部接合，且其中聚焦弯曲表面的聚焦点，与该接合表面重合。

9.按照权利要求1的光学组件，其中的反射弯曲表面是抛物面。

10.按照权利要求1的光学组件，其中的聚焦弯曲表面是球面。

11.按照权利要求1的光学组件，其中的反射弯曲表面以内反射方式把光束反射，送进构成透镜的材料。

12.按照权利要求1的光学组件，其中的反射弯曲表面把光束偏折90度。

13.按照权利要求1的光学组件，其中的反射弯曲表面在反射后，把该光束准直。

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