CN101930096B - 用于将光耦合到光波导中的光学组件 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于从光源到光波导的光，例如光纤中的光，的低反馈耦合的光学组件。该光学组件包括具有表面的非球面透镜，该表面具有没有锥面垂度分量的旋转对称垂度分量，以及用于通过使相当大部分的被反射的光围绕激光器孔而减少从光纤顶端反射的光回到激光器孔中的耦合的旋转非对称垂度分量。透镜形状和螺旋面的高度被选择成使得聚焦到光纤顶端上的光被保持，光反馈减少。

Description

用于将光耦合到光波导中的光学组件

技术领域

本发明通常涉及用于光耦合的光学组件，尤其是涉及用于将光从背向反射敏感的光源耦合到光波导中的光学组件。

发明背景

在光纤通信中，来自光源的光，例如来自激光器或发光二极管(LED)的光以高速率使用数据流而被调制，并通过在两个或多个地理位置之间的一段光纤而被传输。激光器通常使用透镜被耦合到光纤。

光纤通信中的一个问题是从光纤到激光器光源的光反馈或背向反射会影响激光器操作并在经调制的光信号的上升和下降边缘的计时中引起抖动。光反馈的影响对单模激光器，例如1310nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)或分布式反馈(DFB)激光器，是最严重的，但对多模激光器例如850nm VCSEL或法布里-珀罗(FP)激光器也是明显的。因此，存在着对减少由于来自光纤顶端的反射而产生的进入单模激光器和多模激光器的光反馈的需要。

在通过引用并入本文的美国专利6,822,794或6,856,460中，Coleman等人公开了一种衍射光学元件，其用于将激光器所发出的光发射到光纤中，同时减少进入激光器的光反馈。参考图1A，示出了Coleman等人的光耦合系统10。系统10具有激光器光源11、具有衍射面15和折射面16的双凸传递透镜14、以及多模光纤12。衍射面15具有由图B所示的旋涡图案所表示的空间非均匀光学相位延迟函数。旋涡图案是径向和轴向对称图案的组合，并被构造成在多模光纤12处产生特定的光束发射条件，在此处多模光纤12的中心被避免。当多模光纤12的中心被避免时，光耦合系统10的模式色散性能提高了。此外，进入激光器11的背向反射由于衍射面15的存在而减少了，这使远离光源11的孔17反射的光重定向。

在通过引用并入本文的美国专利6,807,336中，van Haasteren公开了具有在数学上由圆锥、锥面和螺旋面分量的和描述的表面的光学透镜。该透镜适合于将光发射到多模光纤中，因为特定的表面轮廓导致在光纤顶端处产生环形光分布图案，以便避免光纤的中心。当光纤中心被避免时，模式色散减少了。到激光器光源的光反馈也减少了。

这些现有技术方法的一个缺点是对光学失调所增加的敏感度。现有技术的复杂透镜在光纤顶端处产生相对大的斑点。由于大的斑点尺寸，聚焦的激光束可能在光纤处被截短，导致功率损耗和可靠性问题。现有技术的激光器到光纤耦合器的组件所需要的紧密公差导致高制造成本。

因此就存在着对用于将光耦合到光纤中的失调容忍光学组件的需要，该组件具有进入光源的低水平的光反馈。

发明内容

根据本发明，提供了一种光学组件，其包括具有用于发射光的孔的光源、具有用于接收光的孔的光波导、以及用于将从光源孔发射的光耦合到光波导孔中的透镜，其中透镜具有由旋转对称垂度(sag)分量和旋转非对称垂度分量叠加而组成的垂度，其中由于从波导反射的光在光源处形成环形斑点，旋转非对称垂度分量用于减少从波导反射的光回到光源孔中的耦合，由此被反射的光的至少一部分围绕光源孔，且其中旋转对称的垂度分量是没有锥面垂度分量的球面垂度分量或非球面垂度分量之一。

根据本发明的另一方面，光学组件的壳体与透镜单片地集成，使得光源和光波导被壳体支持。

根据本发明的另一方面，进一步提供了用于当来自光源的光被耦合到光波导中时减少背向反射的方法，其包括提供用于将从光源的孔发射的光耦合到光波导的孔中的透镜，其中透镜具有表面，该表面具有由旋转对称垂度分量和旋转非对称垂度分量的叠加组成的垂度，其中由于从波导反射的光的至少一部分围绕光源孔，旋转非对称垂度分量用于减少从波导反射的光回到光源孔中的耦合，且其中旋转对称垂度分量是没有锥面垂度分量的球面垂度分量或非球面垂度分量之一。

附图说明

现在将结合附图描述示例性的实施方式，其中：

图1A是包括具有衍射面的透镜的传统光耦合系统的图示；

图1B是图1A的光耦合系统的衍射面的平面图

图2是根据本发明的用于耦合光的光学组件的等距视图；

图3A示出图2的透镜表面的非球面垂度分量和圆锥形透镜的锥面垂度分量的垂度曲线；

图3B示出图2的光学组件的透镜表面的螺旋面垂度分量和分段螺旋面垂度分量的垂度曲线；

图4示出根据本发明的在光线顶端处聚焦的并从其反射回光源上的光的点列图；

图5A和5B分别是根据本发明的以第一对焦距离聚焦到光纤顶端上的光和反射回光源上的光的点列图；

图5C和5D分别是根据本发明的以第二对焦距离聚焦到光纤顶端上的光和反射回光源上的光的点列图；

图6是作为图2的光学组件的光纤的横向位移的函数的光纤耦合效率的曲线；

图7是作为沿着图2的光学组件的光轴(散焦)的位移的函数的光纤耦合效率和背向反射的曲线；

图8是包括整体集成的壳体的本发明的光学组件的横截面视图；以及

图9A和9B是图8的光学组件的壳体的等距视图。

具体实施方式

虽然结合不同的实施方式和实例描述了本教导，但其意图并不是教导被限制到这样的实施方式。相反，本教导包括各种替换、更改和等效形式，正如本领域技术人员将认识到的。

参考图2，本发明的光学组件20包括光源，例如具有孔22的垂直腔面发射激光器(VCSEL)21和具有孔25的多模光纤24，而透镜23被布置在其间。VCSEL 21、透镜23和多模光纤24被同轴地布置。透镜23具有表面26A和26B。表面26A具有表面轮廓或由两个垂度分量描述的所谓的表面垂度：非球面分量和螺旋面分量。在操作中，由VCSEL 21的孔22发出的光聚焦到光纤24的孔25中，如右指向箭头27所示意性的示出的。从光纤24反射的光通过透镜23传播回到VCSEL 21，如左指向箭头28所示的。表面26A的垂度中螺旋面垂度分量的存在导致了被反射的光形成围绕VCSEL 21的孔22的环形斑点29。作为结果，被反射的光进入VCSEL 21的孔22的耦合降低了，且进入VCSEL 21的孔22的光反馈减少了。光波导可代替光纤24来使用，且任何适当的光源可代替VCSEL 21来使用。

转到图3A和3B，以作为极坐标系的径向坐标r和方位角φ的函数的表面垂度值的曲线示出来自图2的透镜23的表面26A的非球面和螺旋面垂度分量，该极坐标具有在透镜23的表面26A的中心处的原点。在图3A中，线31和32分别将非球面垂度分量表示为r和φ的函数。垂度分量32并不随着方位角φ改变，因为非球面分量是旋转对称的。非球面垂度分量S_A由下面的方程定义：

$S_A=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}---\left(1\right)$

其中c是曲率(曲率半径的倒数)，而k是二次曲线常数。必须注意，方程(1)的函数S_A不包含与r成比例的项。仅为了说明的目的在图3A中在35示出与r成比例的项。它定义了锥面垂度分量并通常包括在透镜垂度函数中，以在焦平面处产生环形斑点。然而在本发明中，为了下面讨论的原因而并不使用它。

在图3B中，线33和34分别表示作为r和φ的函数的螺旋面分量。垂度分量不随着半径r改变，并且是方位角φ的线性函数。螺旋面垂度分量S_B由下面的方程定义：

$S_B=\frac{b}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\φ}---\left(2\right)$

其中b是螺旋步长。

在一个实施方式中，螺旋面具有两个或多个半径段，垂度分量由在36示出的齿状函数表示。该分段的螺旋面垂度分量S_B2由下面的方程定义：

$S_{B2}=b\·F\left(M\frac{\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}}\right)---\left(3\right)$

其中F是返回自变量的分数，即，小数点右边的部分的函数，而M是表面26A上的螺旋段的数量。

表面26A的完整的垂度S由下面的方程描述：

S＝S_A+S_B     (4)

现在转到图4，示出三个点列图。点列图41表示聚焦到光纤24的孔25中的光。点列图42表示通过没有螺旋面垂度分量S_B的传统透镜反射回VCSEL 21上的光。点列图43表示通过透镜23反射回VCSEL 21上的光。图2中示出VCSEL 21和透镜23。图4中的线条44是200微米定标线条。光纤孔25是具有50微米直径的圆。VCSEL孔22是具有8微米直径的圆。使用具有下列输入参数的ZEMAX^TM射线跟踪软件而获得点列图41和43：1/c＝0.567mm；k＝-1.42；b＝3微米；0.19的光源数值孔径(NA)和n＝1.632的折射率，其相应于Ultem^TM 1010材料在850nm波长处的折射率。对于点列图42，b的值被取为零，以表示传统非球面透镜。通过比较点列图42和43可看出，由于从光纤45反射的大部分光以环形图案45围绕光源孔22，包括具有只有3微米的b的方程(2)的螺旋面垂度分量导致进入VCSEL孔22的背向反射的急剧减少。环形图案45在没有透镜23的垂度中的锥面分量的情况下形成。意外地并且有利地，当在透镜23的垂度中不存在锥面垂度分量35时，环形光斑45在几乎不增加光纤24的顶端处的斑点尺寸的情况下形成。

技术人员应认识到，可利用其它旋转对称垂度分量来代替方程(1)的分量S_A以在光纤24的顶端处获得光聚焦。例如，可使用具有平均功率r项例如r²、r⁴、r⁶等的平均非球面垂度分量。技术人员还应认识到，方程(2)或(3)所定义的螺旋面垂度分量可代替另一旋转非对称垂度分量来获得围绕光源的孔22的环形光斑45。

现在参考图5A到5D，示出了被聚焦到光纤顶端(图5A、5C)上的光和反射回光源(图5B、5D)上的光的点列图。使用通过具有由方程(4)定义的表面垂度S的透镜聚焦的光的ZEMAX模拟来得到图5A到5D的点列图。图5A到5D的点列图是以相同的标度。图5C和5D的点列图在偏离图5A和5B的聚焦距离30微米的聚焦距离偏移处得到，以示出景深。可观察到的，图5A和5C的焦斑是连续斑点，而图5B和5D的焦斑是环形斑点。在操作中，图5A和5C的连续斑点被布置在接收光纤24的孔25内，而图5B和5D的环形斑点围绕光源21的孔22。

已经意外地发现，避免由方程(4)定义的垂度分量S中的锥面分量35允许光纤侧面处的斑点尺寸保持紧凑，简化了将光耦合到光纤24中的任务，同时减少了如上所述的光反馈。可获得存在于光纤孔25的中心处的具有非零光功率的紧凑连续斑点，而同时有围绕VCSEL孔25的环形反射斑点。与在透镜表面垂度中有锥面垂度分量的情况比较，较小的斑点尺寸允许放宽制造公差，同时有减少的背向反射和进入VCSEL孔22中的光反馈的益处。放宽的制造公差导致相当大的成本节约。

现在参考图6，示出了作为光纤24的横向位移的函数的光纤耦合效率的曲线。曲线61相应于使用具有表面26A的透镜23得到的光纤耦合效率，表面26A具有由方程(4)定义的垂度S，其中1/c＝0.567mm；k＝-1.42；and b＝3微米。相同的参数用于产生图4的点列图41和43。曲线62在b＝0微米处得到，也就是说，曲线62相应于传统非球面透镜。在这两种情况下使用0.2的光源数值孔径。与传统透镜的情况比较，使用非球面旋涡透镜23导致耦合效率减小大约3％，但没有显示横向光纤位置公差的明显减小。

转到图7，示出作为沿着光轴的光纤位移的函数的计算出的光纤耦合效率和背向反射的曲线。对具有方程(2)中10微米的螺旋步长b的透镜的情况执行该计算。使用光源NA的两个值：24和30度。曲线71和72分别相应于在24和30度的NA处的光纤耦合效率。曲线73和74相应于在相同的相应NA值处的背向反射。左边和右边标度分别是光纤耦合效率和背向反射。可看到，对于在0.4和0.43mm之间的光纤的Z轴位置处的两个NA值，在可忽略的背向反射处可获得超过65％的光纤耦合效率。

对在850nm的预定波长处具有1.632的折射率的透镜材料Ultem^TM 1010执行前述计算。一旦确定了材料和波长，螺旋透镜步长高度b就保持为用于优化螺旋面的顶部或底部之间的光学相差的唯一变量。小于8微米、且优选地小于6微米、以及最优选地小于4微米的步长高度值可用于VCSEL应用。通过考虑一方面光反馈的减少与另一方面耦合效率和光纤位置公差之间的折衷来选择b的值。计算表明，b＝7微米的旋涡步长应导致在光纤处侧的具有在4.5微米半径内的10％和19％之间的环绕光能的焦斑，一些能量在中心模式中存在。为了比较，标准非旋涡非球面透镜耦合在4.5微米半径内的大约55％的环绕光能。IEEE通信标准要求在4.5微米半径内的小于30％的环绕光能和在19微米半径内的大于86％的环绕光能。可将光纤稍微移出标准透镜的焦斑，以便不违反IEEE要求，大约30％在范围从4.5到6.5um的半径内。此焦点外移动将光纤处的斑点尺寸稍微增加大约与本发明的旋涡透镜相同的量；然而，在本发明的旋涡透镜的情况下，进入激光器的背向反射明显减少了。

通常，使用下面的方程来计算具有步长b的旋转非对称旋涡透镜两端的光学相差Φ：

Φ＝2πb(n_L-1)λ_V    (5)

其中n_L是透镜材料的折射率，λ_V是激光波长。

例如，在应用中的在850nm处具有7微米的步长b的Ultem^TM 1010透镜将在光纤24的孔25处产生10π的最大光学相位变化Φ。优选地，10π的相同最大相差可被用在各种光学组件中，用于例如在并行收发机中或在光纤中的光耦合到激光耦合器。进一步地，优选地，作为旋转非对称分量34的幅度的步长b使得射到光纤上的光的超过90％的光功率耦合到光纤中，而从光纤反射到光源上的光的少于10％的光功率被耦合回光源的孔中。例如分别对光源21的孔22和对具有4+/-1微米和25+/-1的半径的光纤24的孔25可获得大于90％和小于10％的这些值。

如方程(2)和(3)所描述的聚焦透镜的垂度函数中的螺旋面分量的存在导致光反馈的相当大程度的减少。可发现，考虑到多模光纤的改进，不必通过将锥面分量包括在聚焦透镜的垂度函数中来形成光纤孔25内的环，因为这样的环的形成将不提高较新的光纤的模式色散，同时增加在光纤顶端处的斑点尺寸。这些较新的多模光纤的模式色散将不会提高，因为其模式性能已经提高了，而并不管光发射条件如何。

事实上，已发现将锥面(有时称为“负轴锥体”)包括在聚焦透镜的总sag函数中是有害的。已经发现，包括锥面分量导致光纤处总斑点尺寸的增加，增加了对失调的敏感性，而包括由方程(2)或(3)定义的螺旋面分量不增加、或可忽略地增加光纤处的斑点尺寸，允许对机械和光学公差留有更多余地。因此，由于具有减少的模式色散的多模光纤的可用性，不必将光聚焦到环形强度轮廓中的光纤端部上，以便获得减少的模式色散。所获得的优点是增加的对准公差，这在使用注模技术制造用于将光从VCSEL阵列耦合到光纤阵列中的低成本旋涡透镜耦合元件中很重要。

现在参考图8，示出了本发明的光纤组件80的横截面视图。它相应于图2的组件20。在组件80中，具有用于容纳光纤24的光纤连接器套83的壳体81和用于容纳并包围VCSEL 21和没有示出的其它部件的圆柱形外壳整体地与透镜23集成。壳体81优选地通过注模从热塑性塑料树脂例如Ultem^TM 1010(聚醚酰亚胺)而制造。与传统加工过程比较，注模过程的提高的机械公差有利地用于光学组件80的有效对准。此外，注模是用于制造大量壳体81的相当廉价的制造过程。

现在转到图9A和9B，示出了图8的单体壳体81的等距视图。通过将光纤24插入光纤连接器套83中并将VCSEL 21连接到圆柱形外壳84来制造光学组件80。

Claims (16)

1.一种光学组件，其包括具有用于发射光的孔的光源、具有用于接收光的孔的光波导、以及用于将从光源孔发射的光耦合到光波导孔中的透镜，

其中所述透镜具有表面，所述表面面向所述光源，并具有由旋转对称垂度分量和旋转非对称垂度分量叠加组成的垂度，

其中在操作中，由于从所述光波导反射的光在所述光源处形成环形斑点，所述旋转非对称垂度分量导致降低了从所述光波导反射的光回到所述光源孔中的耦合，由此被反射的光的至少一部分围绕所述光源孔，以及

其中所述旋转对称垂度分量由下面的方程定义：

$S_A=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}$

其中，r是径向坐标，c是曲率，k是二次曲线常数，以及

其中所述旋转非对称垂度分量是螺旋面垂度分量S_B和分段螺旋面垂度分量S_B2的其中之一，

其中所述螺旋面垂度分量S_B由方程定义，所述分段螺旋面垂度分量S_B2由方程限定，其中φ是极坐标系的方位角，b是螺旋步长，M是段的数量，且F是获得自变量的小数部分的分数函数。

2.如权利要求1所述的光学组件，其中从所述光源发射的光被聚焦成实质上被布置在所述光波导的所述孔内的斑点。

3.如权利要求1所述的光学组件，其中透镜表面的垂度中的所述旋转非对称垂度分量导致在所述光波导的孔处的不大于10π的光学相位变化。

4.如权利要求2所述的光学组件，其中所述光波导相对于所述透镜布置，使得在操作中，由所述光源发射的光的非零光功率出现在所述光波导孔的中心处。

5.如权利要求2所述的光学组件，其中所述旋转非对称垂度分量具有一幅值，使得在操作中，射到所述光波导上的光的超过90％的光功率被耦合到所述光波导中，而从所述光波导反射到所述光源上的光的少于10％的光功率被耦合回所述光源的孔中。

6.如权利要求5所述的光学组件，其中所述光源和所述光波导的孔分别是具有4+／-1微米和25+／-1微米的半径的圆。

7.如权利要求1所述的光学组件，其中所述光源是垂直腔面发射激光器VCSEL。

8.如权利要求7所述的光学组件，其中所述光波导是光纤。

9.如权利要求8所述的光学组件，其中所述光波导是多模光纤。

10.如权利要求9所述的光学组件，还包括用于支持所述光纤和所述垂直腔面发射激光器VCSEL的壳体。

11.如权利要求10所述的光学组件，其中所述壳体与所述透镜单片地集成。

12.一种用于将来自光源的光耦合到光波导中的方法，其包括：

(a)提供用于将从所述光源的孔发射的光耦合到所述光波导的孔中的透镜，

其中所述透镜具有表面，所述表面面向所述光源，并具有由旋转对称垂度分量和旋转非对称垂度分量叠加组成的垂度，

其中所述旋转非对称垂度分量被选择以减少从所述光波导反射的光回到所述光源孔中的耦合，以及

其中所述旋转对称垂度分量由下面的方程定义：

$S_A=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}$

其中，r是径向坐标，c是曲率，k是二次曲线常数，以及

其中所述旋转非对称垂度分量是螺旋面垂度分量S_B和分段螺旋面垂度分量S_B2的其中之一，

其中所述螺旋面垂度分量S_B由方程定义，所述分段螺旋面垂度分量S_B2由方程限定，其中φ是极坐标系的方位角，b是螺旋步长，M是段的数量，且F是获得自变量的小数部分的分数函数；以及

(b)通过所述透镜将来自所述光源孔的光发射到所述光波导孔。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述旋转非对称垂度分量是所述螺旋面垂度分量。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述光源是垂直腔面发射激光器VCSEL。

15.如权利要求12所述的方法，其中在步骤(b)中，由所述光源发射的光的非零光功率出现在所述光波导孔的中心处。

16.如权利要求12所述的方法，其中在步骤(b)中，射到所述光波导上的光的超过90％的光功率被耦合到所述光波导中，而从所述光波导反射到所述光源上的光的少于10％的光功率被耦合回所述光源的孔中。