CN105359017B - 激光器和光纤的耦合装置、光信号传输系统和传输方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光器和光纤的耦合装置、光信号传输系统和传输方法，在激光器和光纤之间设置一个耦合装置，所述耦合装置中包含内部折射率渐变的光信号传输部件，且所述光信号传输部件越靠近中心轴线处的折射率越大，可用于对激光器入射的光信号进行整形(包括光信号的汇聚或发散)，使得整形后的光信号的模场半径与光纤的芯径相契合，整形后的光信号能够高效耦合进入光纤。

Description

激光器和光纤的耦合装置、光信号传输系统和传输方法
技术领域
本发明涉及光信号领域，尤其涉及一种激光器和光纤的耦合装置、光信号传输系统和传输方法。
背景技术
随着大规模集成电路的发展，电路中元器件的密集度和运行速度迅速提高，传统的基于电互连的通信方式遭遇到了发展瓶颈，这是因为：由于电互连的连接尺寸非常小，导致电互连的延迟大于元器件的运行速度，影响元器件的正常运行，同时元器件布线的密集度高也带来了严重的寄生效应以及串扰和较大的功率消耗。
由于电互连具有上述缺陷，因此，光互连由于其延迟低、电磁兼容性好、功耗小、带宽大等优点，已经成为解决电互连缺陷的关键技术。如图1所示，为一种典型的基于光互连技术的光信号传输示意图，从图1中可以看出，为了使电信号从元器件A传输至元器件B，将电信号通过调制加载在光波上形成光信号，然后再将形成的光信号通过光纤进行传输，接着再由探测器接收光信号，进行信号转换、解调等操作，最后得到源电信号并传输给元器件B，完成整个传输过程。
在图1所示的光信号传输过程中，一个非常重要的部分就是用于加载电信号的光源，目前所使用的光源是激光器发射的激光。一般所使用的激光器有边发射激光器(如分布式反馈(Distributed Feedback，DFB)激光器)和面发射激光器(如垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL))，与边发射激光器相比，面发射激光器具有以下优势而有着巨大的应用场景：(1)、面发射激光器可直调，调制效率高且阈值电流小；(2)、温漂小，无需热电制冷；(3)、电光转换率高，功耗小。
在图1所示的光信号传输过程中，激光器的出射光需耦合进入光纤的芯径，例如，在使用的激光器为VCSEL，光纤为单模光纤时，VCSEL的出射光需耦合进入单模光纤的芯径，但是，VCSEL出射光的模场直径(MFD，Mode Field Diameter，即光信号的横模模场所占据的最大的面积相对应的直径)在几十到一百微米(如50μm～100μm)，而单模光纤的芯径直径在6μm～10μm，如图2所示，两者之间存在严重的模场失配，导致VCSEL的出射光与单模光纤的耦合率很低。
除了VCSEL与单模光纤之间存在模场失配的问题，其他类型的激光器与单模光纤(或多模光纤)之间也可能存在模场失配的问题(包括激光器出射光的模场直径远大于光纤的芯径直径，或远小于光纤的芯径直径)，因此，需要有合适的方式对激光器出射的光信号进行整形，使得整形后的光信号的光斑直径与光纤的芯径直径相契合，光信号能够高效耦合进光纤中。
发明内容
本发明实施例提供了一种激光器和光纤的耦合装置、光信号传输系统和传输方法，用以解决入射至光纤的光信号直径与光纤的芯径直径不契合的问题。
第一方面，提供了一种激光器和光纤的耦合装置，包括：
光信号传输部件，所述光信号传输部件两端分别包含用于与激光器耦合的激光器固定部件和用于与光纤耦合的光纤固定部件；
所述光信号传输部件的折射率渐变，越靠近中心轴线处的折射率越大，用于对耦合在所述激光器固定部件上的激光器入射的光信号进行汇聚或发散后，出射进入耦合在所述光纤固定部件上的光纤。
结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述光纤固定部件外表面的折射率与用于包裹光纤的光纤包层的折射率之差小于阈值。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，所述光信号传输部件包括：第一子部件和第二子部件，其中：
所述第一子部件被包裹在所述第二子部件内；
所述第一子部件的横截面半径逐渐变化，且任一横截面中越靠近圆心的位置折射率越大；所述第二子部件的折射率恒定。
结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，当所述第一子部件在光信号传输方向上的横截面半径逐渐变小，则所述第一子部件用于对光信号进行汇聚；
当所述第一子部件在光信号传输方向上的横截面半径逐渐变大，则所述第一子部件用于对光信号进行发散。
结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第一子部件在光信号出射位置的横截面半径与光信号从第一子部件出射时的模场半径之间的关系为：
其中：a为第一子部件中任一横截面半径；W为光信号在所述a对应的横截面处的模场半径；所述λ0为用于调制光信号的光源在真空中的波长；n1为所述第一子部件中心轴线处的折射率；所述n2为所述第二子部件的折射率。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述光信号传输部件包括：第三子部件和第四子部件，其中：
所述第四子部件在所述第三子部件的光信号出射位置处与所述第三子部件连接；
所述第三子部件任一横截面中越靠近圆心的位置折射率越大，所述第四子部件的折射率恒定，且所述第四子部件的折射率与所述第三子部件中心轴线处的折射率相同。
结合第一方面的第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，若所述第三子部件的长度大于门限值，则所述第三子部件用于对光信号进行汇聚，且第三子部件的长度越长，对光信号的汇聚程度越高；
若所述第三子部件的长度小于所述门限值，则所述第三子部件用于对光信号进行发散，且第三子部件的长度越短，对光信号的发散程度越高。
结合第一方面的第六种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述第三子部件的长度与光信号从第四子部件出射时的模场半径之间的关系为：
其中，L1为所述第一子部件的长度；W为光信号从第一子部件出射时的模场半径；w0为光信号入射至第一子部件时的模场半径；所述所述λ0为用于调制光信号的光源在真空中的波长，n2为所述第一子部件中心轴线处的折射率；g为聚焦参数。
第二方面，提供了一种光信号的传输系统，所述系统包括激光器、光纤和所述的激光器和光纤的耦合装置；
所述激光器和光纤分别通过所述耦合装置中的激光器固定部件和光纤固定部件与所述耦合装置耦合；
激光器发出的光信号经所述耦合装置中的折射率渐变的光信号传输部件对所述光信号进行汇聚或发散后，出射的光信号进入所述光纤。
结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述光纤尾端通过胶固定在光纤固定部件内。
结合第二方面或第二方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，光纤尾端为呈设定角度的切面，使得进入光纤的光信号经所述切面反射后，光信号在光纤中沿光纤的芯径传输。
结合第二方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述光纤尾端的切面覆盖有用于减小光信号泄露的反射层。
结合第二方面，在第四种可能的实现方式中，在所述耦合装置中的光信号传输部件包括第一子部件和包裹所述第一子部件的第二子部件，且所述第一子部件的横截面半径逐渐变化，任一横截面中越靠近圆心的位置折射率越大，所述第二子部件的折射率恒定时，通过缩小所述第一子部件在光信号出射位置的横截面半径来汇聚所述光信号，使得经所述耦合装置后出射的光信号的模场半径与光纤的芯径半径之差小于设定门限值；或者
在所述耦合装置中的光信号传输部件包括第三子部件和在所述第三子部件的光信号出射位置处与所述第三子部件耦合的第四子部件，且所述第三子部件任一横截面中越靠近圆心的位置折射率越大，所述第四子部件的折射率恒定，所述第四子部件的折射率与所述第三子部件中心轴线处的折射率相同时，通过增大所述第三子部件的长度来汇聚所述光信号，使得经所述耦合装置后出射的光信号的模场半径与光纤的芯径半径之差小于设定门限值。
第三方面，提供了一种光信号传输的方法，所述方法包括：
与激光器和光纤的耦合装置进行耦合的激光器出射的光信号进入所述耦合装置；
光信号在所述耦合装置中的折射率渐变的光信号传输部件内传输时，光信号受到汇聚或发散；
汇聚或发散后的光信号从所述耦合装置出射至与所述耦合装置进行耦合的光纤中。
本发明有益效果如下：
本发明实施例在激光器和光纤之间设置一个激光器和光纤的耦合装置，该耦合装置包含内部折射率渐变的光信号传输部件，且光信号传输部件越靠近中心轴线处的折射率越大，可用于对激光器入射的光信号进行整形(包括光信号的汇聚或发散)，使得整形后的光信号的模场半径与光纤的芯径半径相契合，整形后的光信号能够高效耦合进入光纤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为背景技术中基于光互连技术的光信号传输示意图；
图2为背景技术中VCSEL出射光的模场与单模光纤的芯径直接出现模场失配的示意图；
图3为本发明实施例一中激光器和光纤的耦合装置的结构示意图；
图4为本发明实施例一中内-外型光信号传输部件的结构示意图；
图5为本发明实施例一中上-下型光信号传输部件的结构示意图；
图6为本发明实施例二中传输系统的结构示意图；
图7为本发明实施例三中传输方法的步骤流程示意图；
图8为本发明实施例三中传输方法应用场景示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例描述了一种激光器和光纤的耦合装置，所述耦合装置对激光器入射的光信号进行整形，即对光信号进行汇聚或发散，使得整形后的光信号的模场直径与光纤的芯径直径相契合，光信号可以高效地耦合进光纤中。
下面通过具体实施例对本发明方案中的激光器和光纤的耦合装置以及利用该耦合装置进行光信号传输的传输系统和传输方法，当然，本发明方案并不限于以下实施例。
实施例一：
本发明实施例一描述了一种激光器和光纤的耦合装置，图3所示，所述耦合装置包括光信号传输部件，所述光信号传输部件的两端分别包含用于与激光器耦合的激光器固定部件和用于与光纤耦合的光纤固定部件，所述激光器固定部件与激光器耦合是指：激光器与激光器固定部件之间相互配合，激光器向激光器固定部件发射光信号；所述光纤固定部件与光纤耦合是指：光纤固定部件与光纤之间相互配合，光信号从光纤固定部件出射进入光纤。
对本实施例一中的耦合装置进行详细描述如下：
所述光信号传输部件是一个内部折射率渐变的部件，越靠近中心轴线处的折射率越大，通过对光信号传输部件的尺寸设计，使得光信号传输部件能够对激光器入射的光信号进行整形(包括光信号的汇聚或发散)，使得整形后的光信号的模场半径与光纤的芯径半径相契合，光信号能够高效耦合进入光纤。
优选地，所述光信号传输部件的中心轴线处的折射率可设计成与光纤包层折射率之差小于阈值的情况，也就是将光信号传输部件的中心轴线处的折射率设计得与光纤包层的折射率相同或尽可能接近，这样做的好处是：当经过光信号传输部件整形后的光信号进入光纤时，界面处的反射被减少到最小，从而可提高光信号进入光纤的耦合率。所述光纤包层是用于包裹光纤的外层部分，可对纤芯进行保护。
由于所述光信号传输部件能够对入射的光信号进行汇聚或发散，亦即从光信号传输部件出射的光信号的模场半径可根据光信号传输部件的尺寸设计而定，因此，针对某一类型的激光机和光纤进行光信号传输时，在选择的耦合装置内部的光信号传输部件的尺寸合适时，就可以对激光机出射光信号的模场半径进行整形，使得最终进入光纤的光信号的模场半径与光纤的芯径半径相契合，避免两者之间出现严重的模场失配问题。
图3所示的耦合装置是以长方体形状为例来描述的，除此以外，所述耦合装置也可以根据实际应用场景的不同而采用其他形状，如圆柱形、球形、椭球形等，本发明实施例并不对耦合装置的外观形状做限定。
优选地，所述激光器固定部件和光纤固定部件分别位于光信号传输部件的两端，可以竖直设计，也可以横向设计，只要与激光器固定部件耦合的激光器入射的光信号通过所述耦合装置后能够出射进入与所述光纤固定部件耦合的光纤即可。
优选地，所述激光器固定部件可以是诸如插槽、挂钩等，能够将激光器与所述激光器固定部件耦合在一起，使得激光器入射的光信号进入所述耦合装置的位置固定。
优选地，所述光纤固定部件可以是呈球形、椭球形或V字形的凹槽，使用胶将光纤固定在所述凹槽内，实现光纤固定部件与光纤之间的耦合。所述凹槽可以如图3所示呈水平方向，也可以根据实际的应用场景呈与水平方向一定角度。通过光纤固定部件可以将光纤与耦合装置耦合在一起，使得从耦合装置出射的光信号在固定位置进入光纤。
由于激光器和光纤都与光信号传输部件耦合在一起，因此，只要在固定激光器和光纤时进行一次位置对准，就可确保激光器发出的光信号经耦合装置后能够准确进入光纤的芯径，而不必每次需要进行光信号传输时做现场的实时对准。由于通信波段是无法用肉眼识别，需特殊对准设备，因此，通过激光器固定部件和光纤固定部件就可大大简化对准过程，也减少了多次对准过程受周围环境影响带来的误差；另外，如果后续还需对激光器、耦合装置和光纤进行封装的话，将激光器、耦合装置和光纤固定在一起的方式也可以有效降低封装难度和集成成本，提高应用的可靠性。
优选地，可以将述光纤固定部件外表面的折射率设计为与光纤包层的折射率之差小于阈值的情况，亦即光纤固定部件外表面的折射率与光纤包层的折射率相同或尽可能接近，这样做的好处是：由于所述光纤固定部件外表面(即凹槽外表面)与光纤相接触，因此，当光信号传输至光纤固定部件表面时，如果光纤固定部件外表面的折射率与接触的光纤包层的折射率相同或接近的话，可缓解在交界处因菲涅尔反射对耦合率造成的不利影响。
优选地，所述耦合装置可以使用有助于激光器芯片散热的材料制备，如二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅以及其他高分子材料或聚合物材料，本发明实施例并不对耦合装置实际所采用的制备材料所限定。
优选地，在制备耦合装置时，既可借鉴已有的渐变型光纤的制备方式(如预制棒法、直接共挤法)来制备折射率渐变的耦合装置，也可采用离子交换工艺或气相沉积法来制备，本发明实施例并不对耦合装置的制备工艺做限定。
需要说明的是，本发明实施例所涉及的光信号是指：激光器芯片出射的包含有调制信息的光场，所述激光器芯片是由电信号通过驱动而激励的，激光器相关的驱动电路可以是外置的，也可以和激光器芯片一起固定在激光器和光纤的耦合装置上。
下面通过具体实例对耦合装置中的光信号传输部件的结构进行详细描述，需要说明的是，实例1和实例2是以对光信号进行汇聚为例进行描述的。
实例1：
如图4所示，为内-外型光信号传输部件的结构示意图，从图4中可以看出：光信号传输部件包括第一子部件和第二子部件，所述第一子部件是内层部件，所述第二子部件是外层部件，所述第一子部件被包裹在所述第二子部件内。
所述第一子部件是折射率渐变的子部件，越靠近中心轴线处的折射率越大，即任一横截面中越靠近圆心的位置折射率越大。
所述第一子部件呈圆台型，其横截面半径逐渐变化，假设：光信号从第一子部件的底部传输到顶部，即光信号在第一子部件内的传输方向为从第一子部件的底部传输到顶部，若横截面半径逐渐变小，则所述第一子部件能够对光信号进行汇聚；若横截面半径逐渐变大，则所述第一子部件能够对光信号进行发散。
所述第二子部件为折射率恒定的子部件，第二子部件包裹所述第一子部件，使得整个光信号传输部件呈长方体。当然，本发明实施例并不对第一子部件和第二子部件的形状做具体限定，所述第二子部件也可呈其他形状，使得整个光信号传输部件呈诸如圆柱形、球形等形状。
激光器发射的光信号从第一子部件的底部入射，从顶部出射，为了使顶部出射的光信号的模场半径与光纤的芯径半径相契合，第一子部件需要具有对入射的光信号进行整形的能力。考虑到所述光信号从第一子部件出射时的模场半径与第一子部件出射位置的横截面半径有关，第一子部件出射位置的横截面半径越大，光信号从第一子部件出射时的模场半径也就越大，因此，可预先制备多个耦合装置，各耦合装置中第二子部件出射位置的横截面半径不相同，以便于根据实际传输过程中采用的光纤的芯径大小，选择合适的耦合装置。
在图4所示的光信号传输部件中，在光信号的传输方向上，第一子部件的横截面逐渐变小，因此，光信号的模场半径逐渐变小，达到对光信号进行汇聚的目的；如果在光信号的传输方向上，第一子部件的横截面逐渐变大，则光信号的模场半径也会逐渐变大，达到对光信号进行发散的目的。通过控制第一子部件中横截面半径长度就可控制光信号从第一子部件出射时的模场半径，换句话说，如果根据光线的芯径半径确定出光信号从第一子部件出射时所需的模场半径，就可以根据合适的横截面半径长度确定第一子部件的形状参数。参见图4，光信号在第一子部件(图4中粗实线)中传输时的模场半径如虚线所示。
所述光信号从第一子部件出射时的模场半径与第一子部件出射位置的横截面半径的具体关系可通过以下公式确定：
针对图4所示的光信号传输部件，在任一横截面上，折射率的分布为：
其中：n2(r)为光信号传输部件的任一横截面中，与圆心距离为r处的折射率；a为第一子部件中任一横截面半径；n1为第一子部件中心轴线处的折射率；n2为第二子部件的折射率；横截面的相对折射率差t为第一子部件中任一横截面的折射率分布指数，如t为2，表示横截面的折射率分布呈平方率分布。
其中，如果n1和n2相差很小，则
优选地，所述n1与光纤包层折射率之差小于阈值，最好是尽可能接近光纤包层折射率，以提高光信号进入光纤的耦合率。
另外，光信号在光信号传输部件中的传播导模为：
其中：β为传播导模；W为光信号整形后的模场半径；所述λ0为用于调整光信号的光源在真空中的波长。
由于β2是一个稳定值，因而满足于是，对公式(2)求导可得：
结合上述公式(1)中，当t为2，且r＜a时，将公式(1)中中代入公式(3)可得：
利用分部积分法对公式(4)进行简化可得：
令β＝0，可得：
将公式(6)变形为
所述公式(7)即为W与a之间的逻辑运算关系。
其中：所述W为光信号在所述a对应的横截面处的模场半径；公式(3)中的a是指第一子部件中任一横截面半径，如果此处W是指出射时的模场半径，则这里的a特指为第一子部件的顶部横截面半径(即第一子部件在光信号出射位置的横截面半径)。
以上公式(7)是第一子部件的横截面半径与光信号的模场半径之间的关系表达式，但本发明实施例也不限于其他关系表达式来体现第一子部件的横截面半径与光信号的模场半径之间的关系。
实例2：
如图5所示，为上-下型光信号传输部件的结构示意图，从图5中可以看出：光信号传输部件包括了第三子部件和第四子部件，所述第三子部件是下层部件，所述第四子部件是上层部件，所述第四子部件在所述第三子部件的光信号出射位置处与所述第三子部件连接。
所述第三子部件呈圆柱形，其横截面半径恒定。
所述第三子部件是折射率渐变的子部件，越靠近中心轴线处的折射率越大，即任一横截面中越靠近圆心的位置折射率越大。
所述第四子部件为折射率恒定的子部件，且第四子部件的折射率与所述第三子部件中心轴线处的折射率相同。
优选地，第四子部件的折射率(即第三子部件中心轴线处的折射率)与光纤包层折射率之差小于阈值，最好是尽可能接近光纤包层折射率，以提高光信号入射至光纤的耦合率。
第四子部件也呈圆柱形，使得整个光信号传输部件呈圆柱形。当然，本发明实施例并不对第三子部件和第四子部件的形状做具体限定，例如，所述第三子部件和第四子部件呈立方体，使得整个光信号传输部件也呈立方体结构。
激光器发射的光信号从第三子部件的底部入射，从第三子部件的顶部出射后进入第四子部件底部，最后从第四子部件的顶部出射进入光纤。为了使第四子部件顶部出射的光信号的模场半径与光纤的芯径半径相契合，第三子部件需要具有对入射的光信号进行整形的能力。考虑到所述光信号最终出射时的模场半径与第三子部件的长度有关，第三子部件的长度越长，光信号从第三子部件出射时的模场半径也就越小，亦即从第四子部件出射时的模场半径越小，因此，可根据实际传输过程中采用的光纤的芯径大小，选择合适第三子部件的长度合适的耦合装置。
例如，根据实验确定第三子部件长度的门限值，所述门限值为临界值，若所述第三子部件的长度大于所述门限值，则所述第三子部件可对光信号进行汇聚，且第三子部件的长度越长，对光信号的汇聚程度越高；若所述第三子部件的长度小于所述门限值，则所述第三子部件可对光信号进行发散，且第三子部件的长度越短，对光信号的发散程度越高。
所述光信号从第三子部件出射时的模场半径与第三子部件的长度关系可以为：
其中：L1为所述第三子部件的长度；W为光信号从第三子部件出射时的模场半径；w0为光信号入射至第三子部件时的模场半径(即激光器出射的光信号的模场半径)；所述所述λ0为用于调制光信号的光源在真空中的波长；g为聚焦参数，n2为第四子部件的折射率，即第三子部件中心轴线处的折射率。
图5是以对光信号进行汇聚的情况为例进行说明的，激光器入射的光信号经第三子部件整形后聚焦在第四子部件(长度为L2)的顶部出射，参见图5中虚线部分。由于第四子部件是折射率恒定的部件，因此，即使没有第四子部件，通过第三子部件对光信号整形后也可直接传输给光纤；考虑到耦合装置合适的尺寸大小以及第三子部件所设计的尺寸，如果为第三子部件设计的尺寸长度较短，则可设计合适长度的第四子部件。
优选地，图5所示的第三子部件内部也可以按照实例1所描述的内-外结构设计。
需要说明的是，实例1和实例2中所涉及的第一子部件、第二子部件、第三子部件和第四子部件中的“第一”、“第二”、“第三”和“第四”是用于区分各子部件的，并不对子部件的实际结构以及尺寸做限定。
实施例二：
基于实施例一所描述的激光器和光纤的耦合装置，本发明实施例二描述了一种光信号的传输系统，如图6所示，所述传输系统包括所述激光器和光纤的耦合装置、激光器和光纤，其中：
所述激光器和光纤分别通过所述耦合装置中的激光器固定部件和光纤固定部件与所述耦合装置耦合，激光器发出的光信号经所述耦合装置中的折射率渐变的光信号传输对所述光信号进行汇聚或发散后，出射的光信号进入所述光纤。
当然，根据光纤的芯径半径大小，可根据实例1或实例2的描述，选择合适结构以及尺寸的耦合装置，使得经耦合装置整形后出射的光信号的模场半径与光纤的芯径半径之差小于设定门限值，即出射的光信号的模场半径与光纤的芯径半径相契合。
例如，若所述耦合装置采用实例1的结构，通过缩小所述第一子部件在光信号出射位置的横截面半径可对光信号进行汇聚，或者通过增大所述第一子部件在光信号出射位置的横截面半径可对光信号进行发散，使得经所述耦合装置后出射的光信号的模场半径与光纤的芯径半径之差小于设定门限值；或者
若所述耦合装置采用实例2的结构，通过增大所述第三子部件的长度来汇聚所述光信号，或通过减小所述第三子部件的长度来发散所述光信号，使得经所述耦合装置后出射的光信号的模场半径与光纤的芯径半径之差小于设定门限值。
结合图6示意的情况，激光器通过插槽、挂钩(即激光器固定部件)等与耦合装置固定在一起，光信号垂直入射至的耦合装置；呈圆柱状的光纤尾端通过胶水平固定在耦合装置的凹槽(即光纤固定部件)内。此时，从耦合装置出射的是垂直方向的光信号，而光纤的芯径方向是水平方向，为了使光信号进入光纤的芯径，可将光纤尾端设计成呈设定角度(如θ角度)的切面，使得从光纤包层穿过之后的光信号入射到光纤尾端呈θ角度的切面上，在所述切面上发生反射，使光信号的传输方向发生改变，光信号在光纤中能够沿光纤的芯径传输。
在图6所示的情况下，出射的光信号的传输方向与光纤芯径方向呈90度，则可设计所述θ角度为45度，可恰好将垂直方向的光信号反射为水平方向。当然，如果光纤芯径方向与出射的光信号的传输方向之间的角度变化时，所述θ角度也会发生相应变化，例如，当光纤尾端垂直固定在耦合装置的凹槽内时(即光纤芯径方向与出射的光信号的传输方向之间的角度为0度)，则所述θ角度为0度。
优选地，还可在光纤尾端的切面覆盖反射层，可以是金属反射层，也可以采用其他材质的反射层，既可以是单层反射层，也可以是多层膜组成的布拉格反射镜，或是端面刻蚀反射光栅等。所述反射层用于减小凹槽表面处发生的光信号泄露，使尽可能多的光信号反射进光纤的芯径中，提高光信号的耦合率。
本发明实施例二所涉及的光纤可以标准的接收用单模光纤，也可以是其他类型的光纤。所述标准单模光纤包括但不限于国际电工委员会(IEC)和国际电信联盟远程通信标准化组织(ITU-T)等组织所规定的G.652、G.653、G.654、G.655、G.656和B1.1、B1.2、B1.3和B2、B4等单模光纤，光纤的制作材质包括但不限于二氧化硅以及相应的聚合物等。
本发明实施例二所涉及的激光器根据出射光波波长不同，划分为850nm波长、1310nm波长、1550nm波长等。
实施例三：
本发明实施例三描述了一种基于实施例二所述的传输系统的光信号传输方法，如图7所示，包括以下步骤：
步骤101：驱动与耦合装置耦合的激光器芯片，激光器芯片出射包含有调制信息的光信号，光信号进入所述耦合装置中折射率渐变的光信号传输部件。
步骤102：光信号在所述光信号传输部件内传输时，光信号受到汇聚或发散。
步骤103：汇聚或发散后的光信号传输到耦合装置与光纤的交界面时，出射进入光纤包层。
步骤104：光信号穿过光纤包层后经光纤尾端呈θ角度的切面反射(切面上覆盖有反射层)后，光信号的传输方向发生改变，进入光纤的芯径，沿芯径传输，从而完成了光信号的传输过程。
以图8所示的场景为例，假设4路10G电信号通过激光器驱动记载在VCSEL激光器上，以直调的形式调制并输出光信号，通过耦合装置对光信号模场半径整形后，出射进入光纤中，随即在光纤链路中进行传输。当传输了一定距离后，光信号被探测器接收，输出的电流经过放大等后续处理，分离出电信号，从而完成整个电-光-电的转换传输过程。
通过本发明实施例的方案，设计的耦合装置采用折射率渐变的结构，对入射的光信号模场进行整形(包括汇聚或发散)，最终出射的光信号模场半径整形为与光纤芯径相契合的尺寸，避免了激光器出射的光信号模场半径与光纤芯径尺寸差别太大带来了模场严重失配问题，使得光信号能够高效耦合进光纤中；以图2所示的情况为例，VCSEL的出射光直接与单模光纤的芯径直径差别很大，两者之间存在严重的模场失配，通过本发明实施例的方案，可对VCSEL的出射光进行汇聚，使得从耦合装置出射的光信号直径与单模光纤的芯径直径相契合，VCSEL出射的光信号可以高效地耦合进单模光纤中。
同时，耦合装置的中心轴线处的折射率和与光纤交界面处的折射率与光纤包层的折射率接近，使得界面处的反射被减少到最小，进一步提高了耦合效率；另外，在光纤尾端上覆盖的反射层可几乎将全部入射光信号反射进光纤的芯径中，再次提高了耦合率。除此以外，激光器和光纤与耦合装置耦合在一起，减少了设备多次安装带来的误差，还降低了封装难度和集成成本。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种激光器和光纤的耦合装置，其特征在于，包括：
光信号传输部件，所述光信号传输部件两端分别包含用于与激光器耦合的激光器固定部件和用于与光纤耦合的光纤固定部件，用于对耦合在所述激光器固定部件上的激光器入射的光信号进行汇聚或发散后，出射进入耦合在所述光纤固定部件上的光纤；
所述光信号传输部件包括：第一子部件和第二子部件，所述第一子部件被包裹在所述第二子部件内；所述第一子部件的横截面半径逐渐变化，且任一横截面中越靠近圆心的位置折射率越大；所述第二子部件的折射率恒定；或者，所述光信号传输部件包括：第三子部件和第四子部件，所述第四子部件在所述第三子部件的光信号出射位置处与所述第三子部件连接；所述第三子部件任一横截面中越靠近圆心的位置折射率越大，所述第四子部件的折射率恒定，且所述第四子部件的折射率与所述第三子部件中心轴线处的折射率相同。
2.如权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，所述光纤固定部件外表面的折射率与用于包裹光纤的光纤包层的折射率之差小于阈值。
3.如权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，当所述第一子部件在光信号传输方向上的横截面半径逐渐变小，则所述第一子部件用于对光信号进行汇聚；
当所述第一子部件在光信号传输方向上的横截面半径逐渐变大，则所述第一子部件用于对光信号进行发散。
4.如权利要求3所述的耦合装置，其特征在于，所述第一子部件在光信号出射位置的横截面半径与光信号从第一子部件出射时的模场半径之间的关系为：
<mrow> <msup> <mi>W</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> <mi>a</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </msub> <msqrt> <mi>&amp;Delta;</mi> </msqrt> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中：a为第一子部件中任一横截面半径；W为光信号在所述a对应的横截面处的模场半径；所述λ0为用于调制光信号的光源在真空中的波长；n1为所述第一子部件中心轴线处的折射率；所述n2为所述第二子部件的折射率。
5.如权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，若所述第三子部件的长度大于门限值，则所述第三子部件用于对光信号进行汇聚，且第三子部件的长度越长，对光信号的汇聚程度越高；
若所述第三子部件的长度小于所述门限值，则所述第三子部件用于对光信号进行发散，且第三子部件的长度越短，对光信号的发散程度越高。
6.如权利要求5所述的耦合装置，其特征在于，所述第三子部件的长度与光信号从第四子部件出射时的模场半径之间的关系为：
<mrow> <mi>W</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>w</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>g</mi> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>gL</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>g</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>cos</mi> <mn>2</mn> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>gL</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mn>2</mn> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，L1为所述第三子部件的长度；W为光信号从第四子部件出射时的模场半径；w0为光信号入射至第三子部件时的模场半径；所述所述λ0为用于调制光信号的光源在真空中的波长，n2为所述第三子部件中心轴线处的折射率；g为聚焦参数。
7.一种光信号的传输系统，其特征在于，所述系统包括激光器、光纤和如权利要求1至权利要求6任一所述的激光器和光纤的耦合装置；
所述激光器和光纤分别通过所述耦合装置中的激光器固定部件和光纤固定部件与所述耦合装置耦合；
激光器发出的光信号经所述耦合装置中的折射率渐变的光信号传输部件对所述光信号进行汇聚或发散后，出射的光信号进入所述光纤。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光纤尾端通过胶固定在光纤固定部件内。
9.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于，光纤尾端为呈设定角度的切面，使得进入光纤的光信号经所述切面反射后，光信号在光纤中沿光纤的芯径传输。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述光纤尾端的切面覆盖有用于减小光信号泄露的反射层。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，若所述光信号传输部件包括所述第一子部件和所述第二子部件，则通过缩小所述第一子部件在光信号出射位置的横截面半径来汇聚所述光信号，使得经所述耦合装置后出射的光信号的模场半径与光纤的芯径半径之差小于设定门限值；
若所述光信号传输部件包括所述第三子部件和所述第四子部件，则通过增大所述第三子部件的长度来汇聚所述光信号，使得经所述耦合装置后出射的光信号的模场半径与光纤的芯径半径之差小于设定门限值。
12.一种基于权利要求7至权利要求11任一所述的传输系统进行光信号传输的方法，其特征在于，所述方法包括：
与激光器和光纤的耦合装置进行耦合的激光器出射的光信号进入所述耦合装置；
光信号在所述耦合装置中的折射率渐变的光信号传输部件内传输时，光信号受到汇聚或发散；
汇聚或发散后的光信号从所述耦合装置出射至与所述耦合装置进行耦合的光纤中。
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