CN102597832B

CN102597832B - 扩束接口设备及其制造方法

Info

Publication number: CN102597832B
Application number: CN201080048616.6A
Authority: CN
Inventors: M.A.卡达-卡伦
Original assignee: Tyco Electronics Corp
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: US20110096404A1; WO2011056187A1; BR112012008521B1; US8085472B2; JP2013509614A; CN102597832A; EP2494394A1; EP2494394B1; BR112012008521A2

Abstract

一种光电子设备(200)包括具有光学长度L的梯度折射率透镜(204)，其中，L＝P/4+NP/2，这里，N是等于或大于0的整数，P是所述梯度折射率透镜(204)的节距。如果期望焦点离开梯度折射率透镜的端面，可相应地按照此距离和占据该距离的介质的折射率的函数来调整光学长度L。

Description

扩束接口设备及其制造方法

技术领域

本发明有关光电子学。更具体的，本发明对于扩束光电子连接器连接特别有用。

背景技术

通常情况下，传输到光纤的光信号必须从该光纤耦接至另一光纤或电子设备。一般，光纤的端部配备有给定形状因素的光连接器，此连接器可与另一光纤或光电子设备上的相配光连接器连接。光电子设备可以是光-电转换设备或者电-光转换设备。例如，公知的，光信号是用于在两电子设备之间传输数据的极有效方法。然而，光数据必须在传输设备处从电信号转换为光信号，然后在接收设备处从光信号转换回电信号。因此，光信号通常起初作为数字电信号，利用一般至少包括用于把电信号转换为光信号的激光器或LED的光-电光电子组件将该数字电信号转换为光脉冲。然后，传输此光信号。光信号在接收端处的接收设备处被接收。接收设备一般包括光-电光电子组件，该光-电光电子组件至少具有用于把光输出信号转换为电输出信号的光检测器例如光电二极管。

光电子领域公知的，连接器提供有直接包括在该连接器内的光电子组件(接收或发送)。

这些连接器通常必须被极精密地制造，以确保尽可能多的光经由该连接器传输。典型光纤中，光通常仅收容在一般对于单模式光纤而言直径约10微米或者对于多模式光纤而言直径约50微米的纤芯内。一粒尘埃的截面通常大于10微米。因此，两连接器接口处的单粒尘埃能够基本或者甚至完全阻止光信号通过连接器。由此，公知的，在连接器可能将处于野外、特别是恶劣或多灰尘的环境中的情况下采用扩束连接器，这种情况是军事和工业应用中常常遭遇到的。

扩束连接器包括用于在连接器的光接口(即，连接器的被设计用以与另一光连接器或光电子设备连接的端部)处扩张光束以增大光束截面的光学器件。当然，依据光行进经过连接器的方向，扩束连接器可将所输入的光束扩张为较大的截面和/或接收所输入的扩张光束并将其聚焦为较小的截面。理论上，扩张后光束的截面大到足以使得尘埃颗粒将不会大幅减少耦接在相配连接器之间的光量。

美国专利No.6913402公开了一种具有内置光电子组件的扩束光连接器，如图1所示。此连接器100包括位于光接口面111与光电子组件104之间的球面透镜101和收容在套圈103内的光纤102。采用接收光-电组件作为一例，在光接口面111处进入连接器100的准直光113进入球面透镜101，并聚焦在光纤102的输入端面115上。光纤102的另一端面与光电子组件104的光输入端106接触。光电子组件104对应于射到检测器表面的光信号把数字电信号输出到一根或多根电线107上。

发明内容

所要解决的问题是尽管图1所示设备可有效地聚焦扩张光束或者反之，但制造困难且昂贵。特别的，其由包括球面透镜、光纤、套圈、壳体和光学组件在内的若干光学器件组成，所有这些光学器件必须精密地组装到一起。

解决办法由一种扩束光耦合器提供，该扩束光耦合器包括具有光学长度L的梯度折射率透镜，其中，L近似为P/4+NP/2，这里，N是整数且P是梯度折射率透镜的节距。此长度将射到梯度折射率透镜的输入端面上的准直输入光束聚焦到位于透镜另一端面处的一点上，或者把射到梯度折射率透镜的一个端面上的点光束扩张为从透镜另一端面输出的扩张准直束。如果希望将扩张束聚焦到不与梯度折射率透镜的端面共面的一点处，那么可相应地从P/4+NP/2调整透镜的长度。例如，如果期望焦点与梯度折射率透镜的端面相隔非零距离D，那么可按照距离D和占据此距离的介质的折射率相对于透镜折射率的函数相应地缩短梯度折射率透镜的光学长度L。

本发明可用于扩束连接器，包括光-光连接器和具有内置光电子组件例如光-电组件和电-光组件的光电子连接器。

附图说明

现在将参照附图说明本发明的实施例，其中：

图1示出现有的扩束光电子连接器。

图2示出依据第一实施例的扩束光电子连接器。

图3是示出一种示范性梯度折射率透镜的梯度折射率的图表。

图4是示出准直光束在梯度折射率透镜内的示范路径的示图。

图5示出依据第二实施例的扩束光电子连接器。

图6示出依据第三实施例的扩束光电子连接器。

具体实施例

图2示出本发明的原理被应用于扩束光电子连接器，例如结合有光电子组件的穿板式(bulkhead)连接器。此示范实施例示出了接收经扩张光束中的光信号作为输入、将此光聚焦到光-电光电子组件的光检测器表面上、并输出电信号的光电子连接器。然而，这仅是示范性的。相同的原理可应用于基本相同的构造中扩张光束，例如电-光光电子连接器中。另外，本发明的原理不限于用于光电转换用连接器。相同的原理可用在无光电子组件的光-光扩束连接中。再另外，本发明的原理甚至不限于用于连接器本身，而是可应用于期望扩张或收敛准直光束的任何地方。

无论如何，图2所示的示范实施例中，连接器200包括供入射光202射于其上的表面201。表面201可以例如包括光连接器的端面。此表面201包括或者抵接径向梯度折射率(GRIN)透镜204的端面212。梯度折射率透镜204的相反端面208抵接光-电组件206的光检测器209的光输入端207。光-电组件206可以是任何传统光-电组件。

光-电组件206把光信号转换为电信号，此电信号通过一根或多根电线203输出至可与连接器200电耦接的电子装置。

梯度折射率透镜204是柱面径向梯度折射率透镜。径向梯度折射率透镜的折射率作为相对于柱面透镜的中心纵轴211的径向距离r的函数变化。径向GRIN透镜的折射率分布可表示为：

n (r) = n_{0} (1 - \frac{A}{2} r^{2})

这里，n₀是透镜中心轴211上的折射率，n(r)是与GRIN透镜的轴211相隔距离r处的折射率，r是相对于光轴211的距离，以及A是透镜的梯度折射率常数的平方(即，透镜的梯度折射率常数是

)。A是实质上限定作为相对于中心轴211的径向距离的函数的折射率的变化的常数。对于给定的GRIN透镜，n₀和A两者都是常数。尽管不是必要的，但是一般折射率n作为相对于轴211的距离r的函数呈抛物面状变化。图3示出对于典型的抛物柱面GRIN透镜而言，作为相对于中心轴的距离r的函数的折射率的示意图。

如图4所示，进入GRIN透镜的准直光以近似正弦曲线路径行进经过透镜，正弦曲线的“振幅”是在光射到透镜处相对于中心纵轴的距离r的函数。

GRIN透镜内的光的正弦曲线路径的“周期”已知为GRIN透镜的“节距”P，且经由以下关系与梯度折射率常数相关：

P = 2 π / \sqrt{A}

图4示出了垂直于理想GRIN透镜309的端面307射到该端面的五个示范性平行光束301，302，303，304，305的路径。每个光束都以具有相同节距P的正弦曲线路径行进。然而，每个路径在光束射到端面307处相对于透镜的中心轴312具有如径向距离a，b，c，d或e所示的不同“振幅”。因此，如自图4显而易见的，来自所有平行光束301，302，303，304，305的所有光都聚焦到从端面307起位于四分之一节距(1/4)P处的一个点上，随后每隔半个节距(1/2)P，例如3/4P、5/4P、7/4P再次聚焦到一个点上。此关系可表示为：

焦点＝P/4+N(P/2)，这里N是等于或大于0的整数。

这些点位于透镜309的中心轴312上，假定光垂直于透镜的端面射到该透镜端面上。

因此，“四分之一节距”GRIN透镜(长度L＝P/4)可从准直光源获取光，并将其聚焦到透镜端面上的一点。“二分之一节距”GRIN透镜可从一点获取光，并在与该点相隔距离L＝P/2的一点处成像。

返回图2，此图中的GRIN透镜204具有(3/4)P的光学长度，即，其是3/4节距GRIN透镜，此透镜获取准直光，聚焦到一点221上，然后在透镜的另一端面(其与光/电组件206的光输入端207共面)上形成该点的像。

图5示出相当的连接器500，除了具有用于扩张并发送光束的电-光组件501而不是用于接收并聚焦光束的光-电组件。在此扩张并发送的实施例中，光503在小点例如激光器515的输出端处进入3/4节距GRIN透镜505，且当其在相对端面处离开GRIN透镜505时被扩张和准直。因此，3/4节距GRIN透镜可使用单个光学元件(即，GRIN透镜)把从小点发射的光转换为扩张准直束和/或把扩张准直束聚焦为小点。与例如图1所示的现有扩束连接器相比，这被极大地简化。

此设计的一种变型具有长度L

L＝P/4+NP/2

这里，N是等于或大于0的整数。此式中的第一项P/4表示GRIN透镜获取平行光束并在离透镜输入面四分之一波长的一点处成像(或者反之亦然)这个事实。第二项NP/2表示聚焦图像沿着GRIN透镜轴每次移动二分之一节距。在现实世界中，随着N增大，像点可能变得越模糊。因此，N值具有实际的上限，该上限取决于包括GRIN透镜的质量和输入光的质量在内的多种参数。

梯度折射率常数

透镜中心轴上的折射率(n₀)、和/或上式中的整数N可被调整，以提供由任意应用、形状因素或其它考虑决定的实质上任意期望距离的有效焦距。光学建模软件例如从Zemax DevelopmentCorporation of Bellevue，Washington，USA获得的ZEMAX可用于预测图像质量和改善设计以优化性能。

此前所述的实施例是基于准直光将要被聚焦(在聚焦应用中)的点与GRIN透镜的端面共面这个假定。然而，情况不总是这样。存在期望聚光的点偏离透镜端面的应用。在此情况下，很可能期望焦点将位于透镜外侧，不过也可能存在希望聚焦到透镜体内一点上的应用。

例如，参照图6，在光-电转换光电子连接器600中，检测器表面601相对于GRIN透镜603的端面602偏移距离D。因此，GRIN透镜被设计成具有略小于P/4+NP/2的长度，以使得焦点从透镜的端面起移动期望的距离D。一般，GRIN透镜的端面与检测器表面之间的空间被折射率不同于GRIN透镜603的一种或多种不同介质例如空气、真空或其它介质占据。可选择GRIN透镜的长度，以应对GRIN透镜与位于该GRIN透镜和焦点之间的介质之间接点处的折射率的任何变化。此情况下，GRIN透镜的期望长度L在数学上可表示为：

L＝P/4+NP/2-y

这里，y是这样一种距离，该距离被选择为使进入梯度折射率透镜的第一端面的准直光束在与该梯度折射率透镜的第二端面相隔距离D处聚焦。注意，尽管以上在接收系统的文字说明中用句子说明了距离y，但GRIN透镜长度的这种调整也可应用于发送构造。其仅用于说明可使长度变化，不意味着其仅可应用于接收构造。

出于比较目的，图6示出了(1)长度L＝(3/4)P-y的GRIN透镜和(2)长度L＝(3/4)P的GRIN透镜(如虚拟端面631所示出的)的光路和焦点。由其可见，因为GRIN透镜603的折射率与位于GRIN透镜和表面601之间空间内的介质的折射率存在差异，所以GRIN透镜的端面与焦点之间的距离D不同于透镜调整距离y。GRIN透镜被缩短的长度y一般小于(1/4)P。例如，若假定GRIN透镜的端面602与期望焦点601之间仅存在一种介质且那种介质具有n_m的折射率，那么至少理想的，距离y可表示为：

y = \frac{P}{2 π} \arctan (D \frac{{2 πn}_{0}}{{Pn}_{m}})

这里，所有其它项都同之前的式中所限定的那样(具体的，P是GRIN透镜的节距，n₀是GRIN透镜的中心纵轴上的折射率)。此式的结果还可能需要使用光学模拟软件例如ZEMAX进一步优化。

对于光被扩张(例如朝向与图6所示相反的方向行进)的系统而言，预计一般希望光作为准直光离开相对端面。因此，当装置用于扩张准直光束时，往往不需要相对于P/4+NP/2调整GRIN透镜的长度。然而，肯定存在GRIN透镜的长度被有意识地相对于改变的扩张应用。这种情况发生在例如当输入光不准直或者当希望输出光不准直，而为扩张束时。在其它情况中，设计者会有意识地解谐(detune)系统以增大衰减或者增大对角度误差的容差。

本发明的另一优点是光学元件的支持构件更简单。具体的，在例如图1所示的现有系统中，支持构件必须维持透镜与套圈之间高度精密对准，而本发明无此要求。

这里所述的本发明原理也可应用于构建把扩张束连接器转换为单纤连接器的转换器或者把单纤连接器转换为扩张束连接器的转换器。在此实施例中，各图的光学组件可用光学连接器的套圈替换。

Claims

1.一种光电子设备（600）包括：

梯度折射率透镜（603），具有在所述梯度折射率透镜的第一端面和第二端面之间的光学长度L，

其特征在于，所述梯度折射率透镜（603）构造为将进入所述梯度折射率透镜的第一端面的准直光束聚焦至偏离所述梯度折射率透镜的第二端面的焦点（601），

其中，L等于

P/4+NP/2-y

这里N是等于或大于0的整数，P是梯度折射率透镜（603）的节距，y是这样一种距离，该距离被选择为使所述准直光束在与所述梯度折射率透镜的第二端面相隔一距离（D）的焦点处聚焦。

2.根据权利要求1所述的设备（600），其中，

这里

n_{r} = n_{0} (1 - \frac{A}{2} r^{2}),

且

n_r=与所述梯度折射率透镜（603）的光轴相隔距离r处的折射率，

n₀=所述梯度折射率透镜（603）沿着所述光轴的折射率，

r=相对于所述梯度折射率透镜（603）的所述光轴的距离，以及

A=所述梯度折射率透镜的梯度折射率常数的平方。

3.根据权利要求1所述的设备（600），其中

所述焦点（601）位于光电子组件的检测器表面处，所述光电子组件位于所述梯度折射率透镜（603）的第二端面附近以使光能够在所述梯度折射率透镜（603）与所述光电子组件之间传输。

4.根据权利要求3所述的设备（600），其中，所述光电子组件把光传输到所述梯度折射率透镜（603）内。

5.根据权利要求3所述的设备（600），其中，所述光电子组件自所述梯度折射率透镜（603）接收光。

6.根据权利要求1所述的设备（600），其中，所述设备是扩束连接器。

7.根据权利要求6所述的设备（600），其中，所述扩束连接器是光-光连接器。

8.根据权利要求6所述的设备（600），其中，所述扩束连接器是光-电连接器。

9.根据权利要求6所述的设备（600），其中，所述设备是穿板式连接器。

10.根据权利要求1所述的设备（600），其中，所述设备是扩束连接器与单纤连接器之间的转换器。