CN102436038A - 光路耦合器件、光路耦合装置及光路耦合方法 - Google Patents

光路耦合器件、光路耦合装置及光路耦合方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光路耦合器件、光路耦合装置及光路耦合方法。该光路耦合器件包括光束准直元件以及光束会聚元件。光束准直元件包括第一焦点、第一光轴和聚光面，聚光面接收由第一焦点位置发出的入射光并将入射光准直为沿第一光轴传导的准直光束。光束会聚元件包括第二焦点、第二光轴和反射凹面，第二光轴与第一光轴平行设置并相距一预设距离，反射凹面相对第一光轴倾斜设置，反射凹面接收准直光束，并将准直光束反射会聚至第二焦点位置。本发明的光路耦合器件通过光束准直元件与光束会聚元件的反射凹面相互配合，实现了大角度的离轴光聚焦，降低了光学元器件之间光路耦合的装配难度和制造成本。

Description

光路耦合器件、光路耦合装置及光路耦合方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及将光从光发射器耦合到光纤或光波导的光路耦合器件、光路耦合装置及光路耦合方法。
背景技术
在光纤通信技术中，首先需要将电信号经过光发射器(例如半导体激光器)转换为光信号，在光纤通信技术的应用中，首先需要将电信号经过光发射装置(例如半导体激光器)转换为光信号，然后将光信号耦合进传导光信号的光纤或者是对光信号进行调制的平板光波导(例如是薄膜光波导或带状光波导)中。
通常，光路耦合装置的设计，是使光发射装置、所有光学器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，并且可以只使用一个简单的光学元件，例如凸透镜制成。但是，这种设计方案要求光纤与光发射装置必须沿光路严格对准，各光路耦合器件必须十分精心的设计，才能获得有效的光路耦合。
图1是一种现有技术中的光路耦合装置的结构示意图。如图1所示，该光路耦合装置10包括沿直线排列的激光器11、透镜12以及光纤13。激光器11发出的散射光束经由透镜12会聚至光纤13。为了获得较高的耦合效率，透镜12需要采用高精度的非球面透镜，要求透镜设计上的公差很严格，制作工艺难度高。而且由于光纤13的截面很小，会聚光束稍有偏移就会严重影响光路耦合效率，因此这种光路耦合方式对于激光器11、透镜12和光纤13的相对位置有严格的要求，激光器11与透镜12，透镜12与光纤13的光轴中心和元件之间的间距必须精确控制，在加工制造过程中，需要通过夹具对激光器11、透镜12和光纤13进行高精度的定位，这增加了生产难度和制造成本。
有鉴于此，需要提供一种更加简便有效的光路耦合器件，以降低光学元器件之间光路耦合的装配难度和制造成本。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种光路耦合器件、光路耦合装置及其光路耦合方法，以降低光学元器件之间光路耦合的装配难度和制造成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光路耦合器件，包括光束准直元件以及光束会聚元件。光束准直元件包括第一焦点、第一光轴和聚光面，聚光面接收由第一焦点位置发出的入射光并将入射光准直为沿第一光轴传导的准直光束。光束会聚元件包括第二焦点、第二光轴和反射凹面，第二光轴与第一光轴平行设置并相距一预设距离，反射凹面相对第一光轴倾斜设置，反射凹面接收准直光束，并将准直光束反射会聚至第二焦点位置。
根据本发明一优选实施方式，准直光束平行于所述第一光轴。
根据本发明一优选实施方式，准直光束在与第一光轴相垂直的截面上的光束包络线的形状包括圆形、椭圆形、矩形之一或其组合。
根据本发明一优选实施方式，光束准直元件为聚光透镜，第一焦点为聚光透镜的物方焦点，第一光轴为聚光透镜的光轴，聚光面为聚光透镜的物方凸面。
根据本发明一优选实施方式，聚光透镜包括球面透镜、非球面透镜、柱透镜、梯度折射率透镜、平凸透镜组或凹凸透镜组之一。
根据本发明一优选实施方式，光束会聚元件为凹面反射镜，第二焦点为凹面反射镜的焦点，第二光轴为凹面反射镜的光轴，反射凹面为凹面反射镜的凹面。
根据本发明一优选实施方式，凹面反射镜包括球面凹面镜、抛物面凹面镜或双曲线面凹面镜之一。
根据本发明一优选实施方式，光束准直元件与光束会聚元件分离地设置在第一光轴上。
根据本发明一优选实施方式，光束准直元件还包括出光面，出光面与光束会聚元件的反射凹面相贴合。
根据本发明一优选实施方式，光路耦合器件为复合透镜，复合透镜包括聚光准直部和反射部，光束准直元件为复合透镜的聚光准直部，光束会聚元件为复合透镜的反射部，第一焦点为聚光准直部的物方焦点，第一光轴为聚光准直部的光轴，聚光面为聚光准直部的物方凸面，第二焦点为反射部的焦点，第二光轴为反射部的光轴，反射凹面为反射部的外凹面，外凹面上设置有反射膜。
根据本发明一优选实施方式，聚光面上设置有增透膜，反射凹面上设置有反射膜。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种光路耦合装置，包括光发射器件、光接收器件以及上述本发明优选实施方式中的光路耦合器件，光发射器件位于光路耦合器件的第一焦点位置，光接收器件位于光路耦合器件的第二焦点位置。
根据本发明一优选实施方式，光路耦合装置还包括基座，基座包括承载台，光路耦合器件固定设置在承载台上。
根据本发明一优选实施方式，基座还包括调节螺丝，调节螺丝连接承载台以调节承载台的水平俯仰角、垂直俯仰角或其组合。
根据本发明一优选实施方式，光发射器件包括激光器、发光二极管或聚光灯之一。
根据本发明一优选实施方式，光接收器件包括光纤、薄膜光波导或带状光波导之一。
为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种光路耦合方法，包括步骤：由第一光轴上的第一焦点位置发出入射光；经由聚光面接收入射光，并将入射光准直为沿第一光轴传导的准直光束；经由相对第一光轴倾斜设置的反射凹面接收准直光束，并将准直光束反射会聚至第二光轴的第二焦点位置，反射凹面的光轴为第二光轴，第二光轴与第一光轴平行设置并相距一预设距离。
根据本发明一优选实施方式，准直光束平行于第一光轴。
根据本发明一优选实施方式，准直光束在与第一光轴相垂直的截面上的光束包络线的形状包括圆形、椭圆形、矩形之一或其组合。
本发明的有益效果是：本发明的光路耦合器件通过光束准直元件与光束会聚元件的反射凹面相互配合，实现了大角度的离轴光聚焦，降低了光学元器件之间光路耦合的装配难度和制造成本。
附图说明
图1是一种现有技术中的光路耦合装置的结构示意图；
图2是本发明的光路耦合装置第一实施方式沿第一光轴和第二光轴所在平面的截面示意图；
图3是本发明的光路耦合装置的光路传导原理示意图；
图4A至图4C是本发明的光路耦合器件的准直光束的包络线示意图；
图5至图8分别是本发明的光路耦合装置的第二至第五实施方式的结构示意图；
图9是本发明的光路耦合方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明作进一步的详细说明。
为使得本领域技术人员更易于理解本发明的技术方案，首先对本发明的光路耦合装置的结构和工作原理进行说明。
图2是本发明的光路耦合装置第一实施方式沿第一光轴和第二光轴所在平面的截面示意图。如图2所示，本发明的光路耦合装置100主要包括光发射器件110、光路耦合器件120以及光接收器件130。光发射器件110位于光路耦合器件120的输入焦点，用于输出光束，其可以是激光器、发光二极管或聚光灯。光路耦合器件120接收光发射器件110输出的光束，并将其耦合进光接收器件130，光接收器件130位于光路耦合器件120的输出焦点，用于传导光束，其可以是光纤、薄膜光波导或带状光波导。
光路耦合器件120包括光束准直元件121和光束会聚元件122。光束准直元件121包括聚光面1211、第一光轴1212和第一焦点1213，第一焦点1213也就是光路耦合器件120的输入焦点，聚光面1211接收由第一焦点1213位置的光发射器件110发出的入射光140并将入射光140准直为沿第一光轴1212传导的准直光束150。更进一步的，聚光面1211上设置有增透膜，以增加入射光140的透过率。
光束会聚元件122包括反射凹面1221、第二光轴1222和第二焦点1223。本发明中，第二光轴1222与第一光轴1212相距一预定距离，该预定距离为离轴偏移量h，正是由于第二光轴1222与第一光轴1212之间离轴偏移量h的存在，实现了光束会聚元件122的离轴聚焦功能。反射凹面1221相对第一光轴1212倾斜设置，其用于接收准直光束150，并将准直光束150反射会聚至第二焦点1223位置。第二焦点1223也就是光路耦合器件120的输出焦点，光接收器件位于第二焦点1223以接收会聚光束160。更进一步的，反射凹面1221上设置有反射膜，以增加反射率。
以上简单描述了本发明的光路耦合装置100及其核心的光路耦合器件120，为使本领域技术人员更加深入的理解本发明的技术方案，下面对其光路传导原理进行说明，以描述本发明光路耦合器件120的结构参数的获取过程。
图3是本发明的光路耦合装置的光路传导原理示意图。如图3所示，光源21位于聚光透镜22的焦点，其发出的光束经聚光透镜22准直为平行于聚光透镜22的光轴221的平行光束，反射凹面镜23将平行光束会聚在焦点F处。反射凹面镜23的光轴231是反射面的轴对称中心，其相对于光轴221平行并相距离轴偏移量h，反射凹面镜23是偏离轴对称中心的一部分反射面。反射凹面镜23包括球面凹面镜、抛物面凹面镜或双曲线面凹面镜。特别的，当反射凹面镜23为抛物面镜时，由抛物面镜的几何光学特性可知，任何平行于主轴的光线入射至抛物面镜，其反射光线必定通过抛物面镜的焦点，因此在本发明的优选实施方式中，如图2所示，准直光束150平行于第一光轴1212，以便于采用抛物面镜，来确保光线会聚质量，提高光线耦合效率。根据图3所示，只要确定了聚光透镜22的光轴221与反射凹面镜23的光轴231之间的离轴偏移量h，就可以通过平行光束范围确定实际所需的反射凹面镜23在第一光轴和第二光轴所在平面的结构参数。更进一步的，通过将图3所示的反射凹面镜23的抛物线截面绕光轴221旋转，就可以获得沿光轴221方向的投影形状，结合准直光束的包络线，进而获得反射凹面镜23垂直于第一光轴和第二光轴所在平面的结构参数。
图4A至图4C是本发明的光路耦合器件的准直光束的包络线示意图。图4A是光发射器件110为多模激光器时光路耦合器件的准直光束的包络线示意图，准直光束的包络线32为椭圆形，图中虚线31是反射凹面在光轴方向的投影形状。图4B是光发射器件110为单模激光器时光路耦合器件的准直光束的包络线示意图，准直光束的包络线34为圆形，图中虚线33是反射凹面在光轴方向的投影形状。图4C是光发射器件110为发光二极管时光路耦合器件的准直光束的包络线示意图，准直光束的包络线36为矩形，图中虚线35是反射凹面在光轴方向的投影形状。
结合以上图3和图4A至图4C的描述，光路耦合装置的反射凹面的轮廓只要大于准直光束的包络线，就可以实现对准直光束的有效反射。
下面对本发明的其他实施方式进行逐一描述。
图5是本发明的光路耦合装置的第二实施方式的结构示意图。如图5所示，该光路耦合装置400包括激光器410、光路耦合器件420以及光纤430。光路耦合器件420进一步包括光束准直元件421和光束会聚元件422，光束准直元件421与光束会聚元件422分离设置，二者相隔一定距离设置在光束准直元件421的第一光轴上。光束准直元件421为聚光透镜，第一焦点为聚光透镜的物方焦点，第一光轴为聚光透镜的光轴，聚光面为聚光透镜的物方凸面。聚光透镜可以选自球面透镜、非球面透镜、柱透镜、梯度折射率透镜、平凸透镜组或凹凸透镜组。光束会聚元件422为凹面反射镜，第二焦点为凹面反射镜的焦点，第二光轴为凹面反射镜的光轴，反射凹面为凹面反射镜的凹面。光路耦合装置400还包括基座440，基座包括承载台441、底板442以及调节螺丝443，光路耦合器件420固定设置在承载台441上。调节螺丝443连接承载台441以调节承载台441的水平俯仰角、垂直俯仰角或其组合。
图6是本发明的光路耦合装置的第三实施方式的结构示意图。如图6所示，该光路耦合装置500包括激光器510、光路耦合器件520以及光纤530。光路耦合器件520进一步包括光束准直元件521和光束会聚元件522，光束准直元件521的出光面与光束会聚元件522的反射凹面相贴合，从而避免了光束在介质-空气界面的反射损耗，提高了光路耦合效率。
图7是本发明的光路耦合装置的第四实施方式的结构示意图。如图7所示，该光路耦合装置600包括激光器610、光路耦合器件620以及光纤630。在本实施方式中，该光路耦合器件620为复合透镜，复合透镜包括聚光准直部621和反射部622，第一焦点为聚光准直部621的物方焦点，第一光轴为聚光准直部621的光轴，聚光面为聚光准直部621的物方凸面，第二焦点为反射部622的焦点，第二光轴为反射部622的光轴，反射凹面为反射部622的外凹面，外凹面上设置有反射膜。
图8是本发明的光路耦合装置的第五实施方式的结构示意图。该光路耦合装置700包括激光器710、光路耦合器件720以及光纤630。该光路耦合器件720为复合透镜，复合透镜包括聚光准直部721和反射部722，与本发明第四实施方式的不同之处在于，聚光准直部721包括一段柱形导光部7221，通过柱形导光部7221可以方便地夹持固定光路耦合器件720。
图9是本发明的光路耦合方法的步骤流程图。如图9所示，本发明的光路耦合方法包括以下步骤：
步骤S101：由第一光轴上的第一焦点位置发出入射光；
步骤S102：经由聚光面接收入射光，并将入射光准直为沿第一光轴传导的准直光束；
步骤S103：经由相对第一光轴倾斜设置的反射凹面接收准直光束，并将准直光束反射会聚至第二光轴的第二焦点位置，反射凹面的光轴为第二光轴，第二光轴与第一光轴平行设置并相距一预设距离。
在优选的实施方式中，步骤S102中的准直光束平行于第一光轴。
结合图2所示，在优选的实施方式中，准直光束平行于第一光轴传导至反射凹面，准直光束在与第一光轴相垂直的截面上的光束包络线的形状包括圆形、椭圆形、矩形之一或其组合。
在上述实施方式中，本发明的光路耦合器件通过光束准直元件与光束会聚元件的反射凹面相互配合，实现了大角度的离轴光聚焦，降低了光学元器件之间光路耦合的装配难度和制造成本。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (19)

1.一种光路耦合器件，其特征在于，包括：
光束准直元件，其包括第一焦点、第一光轴和聚光面，所述聚光面接收由所述第一焦点位置发出的入射光并将所述入射光准直为沿所述第一光轴传导的准直光束；以及
光束会聚元件，其包括第二焦点、第二光轴和反射凹面，所述第二光轴与所述第一光轴平行设置并相距一预设距离，所述反射凹面相对所述第一光轴倾斜设置，所述反射凹面接收所述准直光束，并将所述准直光束反射会聚至所述第二焦点位置。
2.根据权利要求1所述的光路耦合器件，其特征在于，所述准直光束平行于所述第一光轴。
3.根据权利要求1所述的光路耦合器件，其特征在于，所述准直光束在与所述第一光轴相垂直的截面上的光束包络线的形状包括圆形、椭圆形、矩形之一或其组合。
4.根据权利要求1所述的光路耦合器件，其特征在于，所述光束准直元件为聚光透镜，所述第一焦点为所述聚光透镜的物方焦点，所述第一光轴为所述聚光透镜的光轴，所述聚光面为所述聚光透镜的物方凸面。
5.根据权利要求1所述的光路耦合器件，其特征在于，所述聚光透镜包括球面透镜、非球面透镜、柱透镜、梯度折射率透镜、平凸透镜组或凹凸透镜组之一。
6.根据权利要求1所述的光路耦合器件，其特征在于，所述光束会聚元件为凹面反射镜，所述第二焦点为所述凹面反射镜的焦点，所述第二光轴为所述凹面反射镜的光轴，所述反射凹面为所述凹面反射镜的凹面。
7.根据权利要求1所述的光路耦合器件，其特征在于，所述凹面反射镜包括球面凹面镜、抛物面凹面镜或双曲线面凹面镜之一。
8.根据权利要求1所述的光路耦合器件，其特征在于，所述光束准直元件与所述光束会聚元件分离地设置在所述第一光轴上。
9.根据权利要求1所述的光路耦合器件，其特征在于，所述光束准直元件还包括出光面，所述出光面与所述光束会聚元件的所述反射凹面相贴合。
10.根据权利要求1所述的光路耦合器件，其特征在于，所述光路耦合器件为复合透镜，所述复合透镜包括聚光准直部和反射部，所述光束准直元件为所述复合透镜的聚光准直部，所述光束会聚元件为所述复合透镜的反射部，所述第一焦点为所述聚光准直部的物方焦点，所述第一光轴为所述聚光准直部的光轴，所述聚光面为所述聚光准直部的物方凸面，所述第二焦点为所述反射部的焦点，所述第二光轴为所述反射部的光轴，所述反射凹面为所述反射部的外凹面，所述外凹面上设置有反射膜。
11.根据权利要求1所述的光路耦合器件，其特征在于，所述聚光面上设置有增透膜，所述反射凹面上设置有反射膜。
12.一种光路耦合装置，其特征在于，所述光路耦合装置包括光发射器件、光接收器件以及根据权利要求1至13中任一项所述的光路耦合器件，所述光发射器件位于所述光路耦合器件的第一焦点位置，所述光接收器件位于所述光路耦合器件的第二焦点位置。
13.根据权利要求12所述的光路耦合装置，其特征在于，所述光路耦合装置还包括基座，所述基座包括承载台，所述光路耦合器件固定设置在所述承载台上。
14.根据权利要求13所述的光路耦合装置，其特征在于，所述基座还包括调节螺丝，所述调节螺丝连接所述承载台以调节所述承载台的水平俯仰角、垂直俯仰角或其组合。
15.根据权利要求16所述的光路耦合装置，其特征在于，所述光发射器件包括激光器、发光二极管或聚光灯之一。
16.根据权利要求16所述的光路耦合装置，其特征在于，所述光接收器件包括光纤、薄膜光波导或带状光波导之一。
17.一种光路耦合方法，其特征在于，包括步骤：
由第一光轴上的第一焦点位置发出入射光；
经由聚光面接收所述入射光，并将所述入射光准直为沿所述第一光轴传导的准直光束；经由相对所述第一光轴倾斜设置的反射凹面接收所述准直光束，并将所述准直光束反射会聚至所述第二光轴的第二焦点位置，所述反射凹面的光轴为第二光轴，所述第二光轴与所述第一光轴平行设置并相距一预设距离。
18.根据权利要求17所述的光路耦合方法，其特征在于，所述准直光束平行于所述第一光轴。
19.根据权利要求17所述的光路耦合方法，其特征在于，所述准直光束在与所述第一光轴相垂直的截面上的光束包络线的形状包括圆形、椭圆形、矩形之一或其组合。
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