CN1049504C - 用于双路传输的光学组件 - Google Patents

Abstract

一种用于双路传输的光学组件。例如，这种组件包括：一个透镜，用于会聚来自一根光纤的接收光；一个光电二极管，用于检测会聚的接收光；一个激光二极管，用于输出发送光；及一个棱镜，用于改变由透镜会聚的发送光的光程并把发送光输入到光纤中。

Description

用于双路传输的光学组件

本发明涉及一种用于双路传输的光学组件。

在最近几年，将光学发送系统应用到用户系统的研究和开发已经进行到实施阶段。例如，人们提出，通过使用相同的波长或波长复用使双路光学传输系统用于用户系统。所提出的系统是这样的，即通过连接总站与每个用户终端的单根光纤进行双路传输，并且为大批量生产在用户终端器件中起发送和接收作用的双路传输光学组件而建立的技术是实施该系统的关键技术之一。

在可以使用双路光学传输的用户系统中，在用户器件中实现发送和接收功能的最普通结构包括：一个这样构造的LD组件，以便把从激光二极管芯片发射的光会聚到一个第一光纤的激发端；一个这样构造的PD组件，以便把从一个第二光纤的激发端发射的光会聚到一个光电二极管芯片，以及一个光学耦合器，用于把第一和第二光纤与一个用作光学传送通道的第三光纤耦合。由于上述结构在减小尺寸和降低成本方面是不利的，因而提出了用于双路传输的光学组件，其中发送和接收功能可以通过一个部件实现。

用于有关技术的双路传输的光学组件的一个例子包括一个通过使一个激光二极管片和一个透镜成为整体而形成的LD准直仪、一个通过使一个光电二极管片和一个透镜成为整体而形成的PD准直仪、一个通过使一根光纤的一端和一个透镜成为整体而形成的光纤准直仪、以及通过在一个玻璃基片上形成一个滤光膜而构成的光学耦合器。该LD准直仪、PD准直仪、光纤准直仪和光学耦合器例如以预定的相对位置固定在该基片上。从该LD准直仪输出的发送光例如被该滤光膜反射并输入到该光纤准直仪，而从该光纤准直仪输出的接收光则例如允许透过滤光膜和玻璃块并输入到该PD准直仪。

用于有关技术的双路传输的光学组件的另一个例子包括一个具有第一至第三端口的Y分支型光学波导。第一至第三端口分别具有一个光学连接到其上的一根光纤、一个激光二极管片和一个光电二极管片。来自该激光二极管的发送光经该Y分支供给该光纤，而来自该光纤的接收光经该Y分支供给该光电二极管。

对于用于双路传输的光学组件的前一个有关技术的例子，存在着难以减小尺寸的问题，因为这些准直仪不得不制成分离的部件。对于用于两路发送的光学组件的后一个有关技术的例子，存在着在像把光纤与光学波导管耦合之类的工作中需要技巧的问题，因此其制造并不容易。

因此，本发明的目的在于提供一种用于双路传输的光学组件，该组件能够适当地减小尺寸且制造容易。

根据本发明，提供有一种用于双路传输的光学组件，该组件连接到一根光纤的端部，它包括：一个透镜，用于会聚从该光纤的激发端输出的接收光；光/电转换装置，用于把会聚的接收光转换成一个接收信号；及电/光转换装置，用于把输入到其上的发送信号转换成发送光。其中电/光转换装置布置在光/电转换装置的附近，并且来自电/光转换装置的发送光由透镜会聚，且该组件还包括有光程移动装置，用于改变会聚的发送光的光程，以便输入到光纤的激发端。

在本发明的用于双路传输的光学组件中，相互靠近布置的电/光转换装置和光/电转换装置经一个透镜和光程移动装置与光纤的激发端光学耦合，因此，该组件便于减小尺寸且改善了其生产率。

参照表示本发明的一些最佳实施例的附图，根据下面的描述和附属的权利要求书的研究，本发明的上述和其他目的、特点和优点及其实施方式将更加明白，本发明本身也将被最好地理解。

图1是表示本发明的一个实施例的用于双路传输的光学组件的轴测图；

图2是图1中所示组件的剖视图；

图3是图2中所示组件体的剖视图；

图4是图3中所示外壳的侧视图；

图5A和5B表示表明在外壳中光学器件连接例子的示意图；

图6是说明实施例的用于双路传输的光学组件的工作的示意图；

图7A和7B表示说明在发送光与接收光的光路之间产生的轴向差的原理的示意图；

图8A、8B和8C表示表明用于接收的光电二极管的固定位置的例子的示意图；

图9是监视光电二极管的平面图；

图10是表示沿图9中的线A-A的感光性分布的示意图；

图11是说明在往复发送中的噪声产生的简图；及

图12A和图12B分别是一个光电二极管阵列的平面图和剖视图。

参照附图以下将详细描述本发明的实施例。

图1是本发明用于其上的双路传输的光学组件的轴测图，图2是图1组件的剖视图，图3是图2中所示组件的剖视图。用于两路发送的光学组件，如在图1和图2中所示的那样，通过装在由树脂或类似物形成的模制壳4中的组件体2构成，并因此改善了组件在印刷线路板或类似物上的安装性能。

组件体2，如图3中所示的那样，通过使光学器件组件6、透镜组件8和光纤组件10成为整体而构成。光学器件组件6通过具有容纳激光二极管片或类似物的部件12来构造，由金属夹14保持的部件12在以后描述。透镜组件8通过具有放置和固定在金属夹18中的透镜16来建造。尽管在该实施例中的透镜16由消球差透镜构成，但它可以由球面透镜或梯度—指数杆式透镜(gradient-index rodlens)构成。光纤组件10由其中放置和固定有光纤20的箍28、其中放置和固定有箍28的筒30、固定在箍28的端表面上的棱镜32及用于保持筒30的金属夹34形成。在透镜16侧，箍28的端表面28A从垂直于光纤20的轴线的平面倾斜。金属夹14、18和34每个都有实际上垂直于光纤20轴线的平端面并且通过端表面相互靠近在一起而固定地连接。在固定它们时，例如使用激光焊接，因此，在固定前它们光轴的对准变得更为方便。

图4是图3中所示外壳12的侧视图。部件12是这样的，即它相当于用在CD(紧致盘)重放设备中的LD部件并具有实际为盘形的基座34。在基座34的一侧，装有固定件36和38，而在基座34的另一侧，装有从该基座伸出的多个端子40。固定件38倾斜地固定在基座34上且楔形板42放入它们之间。在固定件36的顶端处，固定有子固定件44。子固定件44具有激光二极管46安装在其上。激光二极管46具有在其两个端部上由半导体解理面形成的激发端46A和46B。一束发送光从激发端46A输出而一束监视器光从激发端46B输出。

在固定件38上，相对着激光二极管46的激发端46B固定有光电二极管48。光电二极管48接收监视器光并对应于接收到的监视器光的强度输出一个监视器信号。在固定件38上，还装有靠近光电二极管48布置的光电二极管50。光电二极管50接收接收光并输出一个接收信号。固定件38倾斜地固定在基座34上，以便防止已经从光电二极管48的光敏表面反射的监视器光返回激光二极管46的激发端46B而造成激光二极管46以有害的方式振荡。

图5A和5B表示表明在部件12中带有端子40的光学器件连接例子的示意图。在这些例子中，端子40由一个公共端子40A和三个独立端子40B、40C与40D组成。在图5A的例子中，激光二极管46的阴极、光电二极管48的阳极和光电二极管50的阳极连接到公共端子40A上，而激光二极管46的阳极、光电二极管48的阴极和光电二极管50的阴极分别连接到独立端子40B、40C和4D上。在图5B的例子中，激光二极管46的阳极、光电二极管48的阴极和光电二极管50的阴极连接到公共端子40A上，而激光二极管46的阴极、光电二极管48的阳极和光电二极管50的阳极分别连接到独立端子40B、40C和40D上。在这些例子中，激光二极管和光电二极管反向连接的原因是，激光二极管使用时伴随有通过其中的正向电流，而光电二极管使用时伴随有施加到其上的反向偏置。

根据在图5A和5B中所示的连接例子，由于光学器件连接到公共端子40A上，所以能够使用带有单一电源的经济的驱动电路而且还降低了外壳的制造成本。在图4中的标号52代表用于在其中气密地密封有光学器件的外罩，而且这个外罩52在相对于激光二极管46和光电二极管50的位置处具有一个形成的用于让发送光和接收光穿过其中的窗口。

图6是说明根据本实施例的用于双路传输的光学组件的工作的示意图。在这个实施例中，为了用一个透镜16把一根光纤20与激光二极管46和光电二极管50光学地耦合，一个棱镜32用作光路移动装置。棱镜32具有一个第一表面32A和第二表面32B以便让接收光和发送光穿过其中。接收光顺序透过第一表面32A和第二表面32B，而发送光透过第二表面32B，顺序从第一表面32A和第二表面32B反射，再透过第一表面32A。特别在此实施例中，为了简化棱镜32的制造并因而便于建立下文中所要描述的条件，使棱镜32的第一表面32A和第二表面32B成为相互平行的。在这种情况下，为使棱镜32具有上述的功能，棱镜32具有部分提供有在其上形成有全反射膜54的第一表面32A和部分提供有在其上形成分裂膜56的第二表面32B。全反射膜54由例如金属或介质多层膜形成而分裂膜56由例如介质多层膜形成。

当发送光和接收光具有相同的波长时，一部分发送光被分裂膜56反射，而还让一部分接收光透过分裂膜56。为了使在分裂膜56中的损失为最小，其透射率和反射率取决于入射光波长的滤光膜也可以用作分裂膜56。在这种情况下，发送光和接收光具有相互不同的波长，并且大部分发送光从分裂膜56反射而大部分接收光则透过分裂膜56。

从光纤20的激发端20A输出的接收光被允许透过棱镜32并透过分裂膜56从棱镜32的第二表面32B输出。接收光被透镜16会聚到光电二极管50的光敏表面上。另一方面，从激光二极管46的激发端46A发射的发送光被透镜16会聚再透过棱镜32进入光纤20的激发端20A中。就是说，发送光透过在棱镜32的第二表面32B处没形成分裂膜56的部分进入棱镜32，顺序从全反射膜54和分裂膜56反射，并进入粘附在第二表面32A上的光纤20的激发端20A。

在此实施例中，由于棱镜32的第一表面32A与第二表面32B相互平行，为了在发送光与接收光的光程之间产生轴向差，箍28的端表面28A从垂直于光纤20轴线的平面倾斜，并且棱镜32的第一表面32A例如用光学粘合剂固定附着在箍端表面28A上。

参照图7A和7B，下面将描述在发送光与接收光的光程之间出现轴向差的原理。图7A是一简图，表示当棱镜32存在时发送光和接收光的光程；而图7B是一简图，表示当棱镜32中的光程被空气中的光程代替时光纤20的实际位置。标号20’代表对于发送光的光纤20的实际位置，而标号20”代表对于接收光的光纤20的实际位置。

现在，我们分别用d、n和θ代表棱镜的厚度、折射率和倾角，用f代表透镜16的焦距，用l₁代表在激光二极管的激发端46A与透镜16的主平面PP之间的光学长度，用l₁+δl₁代表在光电二极管50的光敏表面与透镜16的主平面PP之间的光学长度，用l₂和l₂-δl₂分别代表对于发送光和接收光在透镜16的主平面PP与光纤20的激发端20A之间的光学长度，用δx₁代表光电二极管50与激光二极管46的光程差，并用δx₂代表在透镜16与光纤20的激发端20A之间的发送光与接收光的光程差。

通过根据激光二极管46和光电二极管50的相对位置(其参数δx₁和δl₁)适当地设定δx₂和δl₂，可以改善在激光二极管46与光纤20之间的光学耦合效率和在光电二极管50与光纤20之间的光学耦合效率。具体地说，通过满足由下列表达式(1)至(5)给定的条件能够改善上述的光学耦合效率。有助于调整以便满足这些条件的参数是棱镜32的厚度d、折射率n和倾角θ。

l/l₁+l/l₂＝l/(l₁+δl₁)+l/(l₂-δl₂)＝l/f

                                        …(1)

δx₂＝δx₁f/(l₁+δl₁-f)            …(2)

δx₂＝2d tanθcosθ₁                 …(3)

δl₂＝2d secθ/n-δx₂ tanθ₁        …(4)

sinθ₁＝nsinθ                                                   …(5)

在该实施例中，在棱镜32粘结附着在箍28(参见图6)上以便实现减小组件的尺寸的同时，棱镜32可以布置在箍28与由专用支承件支承的透镜16之间。在这种情况下，通过用放置和固定在箍28中的光纤20建造箍28以便可以从其他器件上折卸，能够获得插接型的组件。除了单一的透镜外，可以使用具有一个对应于上述参数δx₁的间距的阵列透镜。

当使用如图4中所示的这种部件时，在确定光电二极管50的固定位置以便接收光时有一个自由度。参照图8A、8B和8C下面将描述固定位置的变化。

在图8A中所示的例子中，用于接收接收光的光二极管50固定在透镜16侧的子固定件44的端表面上(参见图6)。在图8B中所示的例子中，光电二极管50固定在透镜16侧的固定件36的端表面上。在图8C中所示的例子中，光电二极管50固定在向透镜16延伸的端40的端表面上。因而，通过利用装在部件12中的零件把用于接收的光电二极管50与用于发送的激光二极管46相互靠近地布置并通过以适当的倾角布置具有适当厚度的棱镜32(参见图6)，就能够使光电二极管50和激光二极管46与单根光纤20光学地耦合。当光电二极管50固定在端子40的端表面上时，如图8C中所示，用于光电二极管50的诸导线的一根可以除去。

当使用具有满足其中由设定的表达式(1)至(5)给出的条件的参数的零件制造该实施例的组件时，在金属夹14、18和34的相互固定之前的光轴的对准，仅通过利用相互间滑动其端表面来调整金属夹的位置就能实现。具体地说，使在光电二极管50与光纤20之间的光学耦合效率保持在容许的范围内，在激光二极管46与光纤20之间的光学耦合效率被实际地测量，并通过进行金属夹的位置调整，从而使测得的值最大，能够设定金属夹的满意相对位置。此处，当激光二极管46轴向差的容限范围低于几个μm时，光电二极管50轴向差的容限范围却大于几十个μm，因此，可以容易地实现光轴的对准。

下面将描述一个适用于光学往复发送的实施例。在光学往复送中，信号的发送和接收交替地进行。因此，当用于信号接收的光电二极管和用于监视的光电二极管相互靠近地布置时，希望监视不影响信号接收。具体的结构将在下面描述。

图9是图4中所示用于接收的光电二极管50的平面图。光电二极管50在其表面上具有一个环形电极50A和一个由电极50A限定的光敏表面50B。标号52代表用于把电极50A与外电路连接的连接导线。

图10是示意图，表示光电二极管50沿图9中包含光敏表面50B的直径的线A-A的感光性的分布。纵坐标轴代表感光性而横坐标轴代表沿线A-A的位置。

用标号54代表的实线曲线是在光敏表面50B上的感光性容限范围曲线，从中可知在整个光敏表面50B上得到实际上恒定的感光性。光电二极管50还具有用虚线56代表的电极50A外的感光区域。在用标号56代表的感光区域中的响应速度低于在光敏表面50B中的响应速度。由于响应速度差在往复发送中产生噪声。

图11是示意图，说明在往复发送中的噪声产生。纵坐标轴代表在光电二极管50中产生的光电流而横坐标轴代表时间。沿着时间轴，“S”对应于信号发送而“R”对应于信号接收，而“G”对应于为在发送信号与接收信号之间的暂时间隔而提供的保护时间。

例如，在图4中所示的结构中，相对着激光二极管46的激发端46B布置有一个监视光电二极管48，因此，从激发端46B发射的监监测光被光电二极管48接收。监测光还进入用于信号接收的光电二极管50，并因此产生交扰。

在图11中用标号58代表的虚线表示在光电二极管50中由于监测光的交扰产生的光电流，而用标号60代表的实线表示在光电二极管50中由接收光产生的光电流。

监测光对光电二极管50的交扰不仅产生在光电二极管50的光敏表面50B中，而且还产生在电极50A的外部。由于在外部的响应速度低于在光敏表面50B中的速度，所以由监测光产生的光电流呈现一个缓慢的下降边。因此，如在图11中用标号62代表的那样，噪声叠加在接收信号上。结果，必须延长保护时间G以便获得希望的接收感光性，并因此降低了发送速度。

所以，在本实施例中提供有一个防护罩63，来覆盖在电极50A的周缘上的光电二极管50的表面，如图9中所示。因此，光电二极管对监测光的交扰的响应速度得以改善，并使在光电二极管50中由于监测光的交扰而产生的光电流的下降边变陡，因而防止噪声叠加在接收信号上，即使当保护时间G较小时也是如此。

作为用于信号接收的光电二极管50和用于监视的光电二极管48，可以采用一个光电二极管阵列。图12A是该光电二极管阵列的平面图，而图12B是其剖视图。

光电二极管48和50整体形成在半导体基片64上。在光电二极管50具有一个环形电极50A和一个由环形电极50A限定的光敏表面50B的同时，光电二极管48也类似地具有一个环形电极48A和一个电极48A限定的光敏表面48B。

半导体基片64以下述的顺序一层压到另一层上由n-InP层64A、n-InGaAs层64B和n-InP层64C形成。光敏表面通过把P(磷)扩散到电极48A和50A的内部区域中的预定深度而形成。

在这个实施例中，还提供有一个保护罩63，用来覆盖电极50A周缘上的光电二极管50的表面，以便防止在往复发送中产生噪声。防护罩63可以是任何材料，只要它能屏蔽监测光波长并能用普能的方法形成在半导体基片上。为了使光电二极管阵列是通用的，一个防护罩还可以形成在监视光电二极管48上。

根据本发明，如上文中描述的那样，得到这种效果，即可以提供尺寸小、制造容易的用于双路传输的光学组件。

尽管参照具体实施例已经描述了本发明，但本发明不限于这些实施例的细节。此处描述的最佳实施例仅当作说明给出而不限制本发明。本发明的范围由附属的权利要求书限定，因此，落入权利要求书等效范围内的变更和修改都被本发明包含。

Claims (18)

1.一种用于双路传输的光学组件，它被连接到一根具有一个末端的光纤上，该光学组件包括：

一个透镜，用于会聚从所述末端输出的接收光；

光/电转换装置，用于把所述会聚的接收光转换成一个电接收信号；

电/光转换装置，用于把输入到其上的一个电发送信号转换成发送光；及

光程移动装置，用于改变所述发送光的光程以便输入到所述末端，所述光程移动装置包括一个具有一个第一表面和一个第二表面的棱镜，所述接收光和所述发送光都通过该棱镜，

其特征在于，所述电/光转换装置布置在所述光/电转换装置的附近，从所述电/光转换装置来的所述发送光也由所述透镜会聚；所述透镜放在所述棱镜和所述电/光转换装置之间；

其特征还在于所述光程移动装置的构造保证使所述接收光顺序透过所述第一表面和所述第二表面，及所述发送光透过所述第二表面，顺序从所述第一表面和所述第二表面反射，再透过所述第一表面，并且其中所述第一表面与所述第二表面基本相互平行。

2.根据权利要求1的用于双路传输的光学组件，其中所述光程移动装置进一步包括：

一个形成在所述第一表面上的全反射膜，用于反射所述发送光；及

一个形成在所述第二表面上的分裂膜，用于反射所述发送光并让所述接收光透过其中。

3.根据权利要求2的用于双路传输的光学组件，其中所述的分裂膜应保证当所述发送光和所述接收光具有相同的波长时，

一部分所述发送光被所述分裂膜反射，及

一部分所述接收光被允许透过所述分裂膜。

4.根据权利要求2的用于双路传输的光学组件，其中

所选的分裂膜应保证当所述分裂膜包括一个其透射性和反射性取决于入射光波的波长的光学滤光膜时，

所述发送光和所述接收光具有相互不同的波长，

大部分所述发送光被所述滤光膜反射，及

大部分所述接收光被允许透过所述滤光膜。

5.根据前面任一权利要求的用于双路传输的光学组件，进一步包括一个箍，其中放置和固定有所述光纤末端部且箍的端表面位于与所述末端相同的表面上，其中

反述棱镜的第一表面粘接附着在所述箍的端表面上。

6.根据权利要求5的用于双路传输的光学组件，其中所述箍的端表面倾斜于垂直于所述光纤轴线的平面。

7.根据前面任一项权利要求的用于双路传输的光学组件，其中

所述光/电转换装置包括一个具有光敏表面的第一光电二极管，及

所述电/光转换装置包括一个具有第一激发端的激光二极管，第一激发端用于输出所述发送光。

8.根据权利要求7的用于双路传输的光学组件，其中

所述激光二极管进一步具有一个用于输出一束监测光的第二激发端，

所述用于双路传输的光学组件进一步包括一个接收所述监测光以便对应于所述监测光的强度输出一个监测信号的第二光电二极管。

9.根据权利要求8的用于双路传输的光学组件，进一步包括一个部件，在该部件中容纳有所述第一和第二光电二极管及所述激光二极管，其中

所述部件包括：

一个基座，

固定到所述基座上的一个第一和一个第二固定件，

固定在所述第一固定件上的一个子固定件，及

从所述基座上伸出的多个端子，

所述激光二极管和所述第二光电二极管分别固定在所述子固定件和所述第二固定件上，

所述接收信号和所述监测信号从所述多个端子的两个中输出，及

所述发送信号输入到所述多个端子的另一个中。

10.根据权利要求9的用于双路传输的光学组件，其中所述第一光电二极管固定在所述第二固定件上。

11.根据权利要求9的用于双路传输的光学组件，其中所述第一光电二极管固定在所述第二子固定件上。

12.根据权利要求9的用于双路传输的光学组件，其中所述第一光电二极管固定在所述第一固定件上。

13.根据权利要求9的用于双路传输的光学组件，其中所述第一光电二极管固定到所述多个端子之一的端部上。

14.根据权利要求9-13的用于双路传输的光学组件，其中

所述多个端子包括一个公共端子和第一至第三独立端子，

所述公共端与所述激光二极管的阳极、所述第一光电二极管的阴极和所述第二光电二极管的阴极连接，及

所述第一至第三独立端子分别与所述激光二极管的阴极、所述第一光电二极管的阳极和所述第二光电二极管的阳极连接。

15.根据权利要求9-13的用于双路传输的光学组件，其中所述多个端子包括一个公共端子和第一至第三独立端子，

所述公共端子与所述激光二极管的阴极、所述第一光电二极管的阳极和所述第二光电二极管的阳极连接，及

所述第一至第三独立端子分别与所述激光二极管的阳极、所述第一光电二极管的阴极和所述第二光电二极管的阴极连接。

16.根据权利要求2-7的组合的用于双路传输的光学组件，其中

所述棱镜的第一表面和所述第二表面倾斜于垂直于所述光纤的轴线的平面，及

所述光程移动装置大体上满足由下列表达式给出的条件：

l/l₁+l/l₂＝l/(l₁+δl₁)+l/(l₂-δl₂)＝l/f

δx₂＝δx₁f/(l₁+δl₁-f)

δx₂＝2d tanθcosθ₁

δl₂＝2d secθ/n-δx₂ tanθ₁

sinθ₁＝n sinθ

其中d、n和θ分别是所述棱镜的厚度、折射率和倾角，f是所述透镜的焦距，l₁是在所述激光二极管的第一激发端与所述透镜的主平面之间的光学长度，l₁+δl₁是在所述第一光电二极管的光敏表面与所述透镜的主平面之间的光学长度，l₂是对于所述发送光在所述透镜的主平面与所述光纤的激发端之间的光学长度，l₂-δl₂是对于所述接收光在所述透镜的主平面与所述光纤的末端之间的光学长度，δx₁是所述第一光电二极管与所述激光二极管之间的光程差，及δx₂是在所述透镜与所述光纤的末端之间的发送光与接收光之间的光程差。

17.根据权利要求7-16的用于双路传输的光学组件，其所述第一光电二极管进一步具有一个限定所述光敏表面的环形电极和一个在所述电极周缘上覆盖所述第一光电二极管表面的防护罩。

18.根据权利要求8的用于双路传输的光学组件，其中所述第一和第二光电二极管整体形成在一个公共半导体基片上。

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