CN106501904A - 光耦合装置及光传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露了一种光耦合装置，用于连接光传输系统中的光电转换器及光纤。光耦合装置包含第一导光体及第二导光体，其中第一导光体具有一入光面用以接收光电转换器所发出的光线，并具有第一反射面用以反射所接收的光线至出光面，使得光线自出光面射出至光纤的光线接收端。第二导光体具有接触结构以接触第一导光体的第一反射面，可将射至第一反射面的部分光线导入第二导光体中，并由第二导光体导出至监控光电二极管。本发明中光耦合装置可将光电转换器所产生的部分光源传导至监控光电二极管中，以检测其光通量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光耦合装置及光传输系统，并且特别地，本发明涉及一种可将垂直共振腔面发射激光器(Vertical-CavitySurface-Emitting Laser,VCSEL)所产生的光线导入至监控光电二极管以侦测其光通量的光耦合装置，及使用此光耦合装置的光传输系统。
背景技术
光传输系统属于有线远程通讯的一种，其与传统电传输系统不同处，在于光传输系统是以光及光纤来传递信息。相较于传统电传输技术，光传输技术具有传输容量大、保密性好等许多优点，因此光纤通讯现在已经成为当今最主要的有线通讯方式。光经过调变后便可携带信息，一言以蔽之，光传输技术的实行方法在于将欲传送的信息输入至光电转换器中，以将信息迭加或调变到作为信息信号载体的载波上，然后将已调变的载波通过传输媒质(光纤)传送到远处的接收端，最后由接收器解调出原来的信息。
上述用来作为信息信号载体的载波乃是光线，而光电转换器用来产生光线的光源有发光二极管和激光二极管两种形式。为了保持传输信号的强度，通常采用能发出具有方向性之激光光线的激光二极管作为光源。请参阅图1(a)，图1(a)是表示现有技术中光传输系统的数据输入端1的示意图。如图1(a)所示，数据输入端1包含光电转换器，其进一步包含电路板10以及边发射激光器12。电路板10可控制边发射激光器12产生经过调变且带有信息的激光光线，并使激光光线射至光纤F的光线接收端F0，接着激光光线通过光纤F传输至远方的接收器。于图1(a)中，数据输入端1进一步包含监控光电二极管14(Monitor PhotoDiode,MPD)，设置电路板10于边发射激光器12的主要出光口的相对侧上。边发射激光器12在此相对侧上开启一小的出光口，使其产生的激光光线的一小部分可射入监控光电二极管14，而监控光电二极管14可由所接收到的一小部分激光光线获得边发射激光器12所产生的激光光线的光通量等信息。因此，数据输入端1能根据监控光电二极管14所获得的激光光线信息进行反馈控制。
然而，边发射激光器具有无法在制作过程或制作完成后进行测试的缺点，若数据输入端制作完成但边发射激光器无法运作，将会浪费制作过程与物质加工的处理时间。此外，由于边发射激光装置所射出之激光光线平行于电路板，表示光纤的接收端必须位于电路板上或靠近电路板，将会限制电路板的可利用空间。因此，现有技术中发展了另一种以垂直共振腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)作为激光光源的数据输入端，以解决上述的问题。垂直共振腔面发射激光器可于制作的任何过程中进行测试，并且不同于边发射激光器以平行于反应区的方向射出激光，垂直共振腔面发射激光器是以垂直于反应区之方向射出激光。
如图1(b)所示，图1(b)是表示现有技术中光传输系统的另一种数据输入端2的示意图。如图1(b)所示，数据输入端2包含电路板20、设置于电路板20上的垂直共振腔面发射激光器22，以及光耦合装置24。光耦合装置24是一种折射率较大的介质，当激光光线从垂直共振腔面发射激光器22射出后，经过光耦合装置24的入射透镜结构240射入光耦合装置24。即使是发散度极小的激光光线，于射出后至光耦合装置24间仍有发散现象产生，而入射透镜结构240可收敛发散的激光光线。当激光光线于光耦合装置24中行进至呈一倾斜角度的表面242时，基于光耦合装置24与外界的折射率差异(一般而言，光耦合装置24的折射率根据激光波长不同而位于1.62至1.64的范围之间，外界的折射率则为1)，激光光线会被表面242全反射至出射透镜结构244，并被出射透镜结构244收敛而射出至光纤F的光线接收端F0。于图1(b)中，由于光纤F的位置离电路板20较远，不会对电路板20的可利用空间造成限制。
虽然垂直共振腔面发射激光器解决了边发射激光器的缺点，但由于垂直共振腔面发射激光器的出光口位于其顶面，无法如同边发射激光器在主要出光口的相对侧设置监控光电二极管。换言之，现有技术中，利用垂直共振腔面发射激光器的数据输入端无法做到如同利用边发射激光器的数据输入端的反馈控制。
因此，有必要研发一种能对利用垂直共振腔面发射激光产生器之数据输入端进行反馈控制的方法或装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种光耦合装置，可用于连接光传输系统中的光电转换器及光纤。根据本发明的一个具体实施例，光耦合装置包含第一导光体及第二导光体。第一导光体包含入光面、第一反射面及第一出光面，其中入光面面对光电转换器以接收光线，第一出光面面对光纤中的光线接收端。第二导光体包含接触结构及第二出光面，其中接触结构接触第一导光体之第一反射面，第二出光面则面对监控光电二极管。
于本具体实施例中，光电转换器所发出的光线可穿过入光面进入第一导光体，并被第一反射面反射至第一出光面，接着由第一出光面射出至光纤处。另一方面，抵达第一反射面的部分光线，将透过接触结构而射入第一导光体，并由第二导光体的第二出光面射出至监控光电二极管。据此，本发明中的光耦合装置可将包含垂直共振腔面发射激光器的光电转换器所发出的光信号传输至光纤，同时撷取一部分光信号至监控光电二极管以进行反馈控制。
本发明的另一方面在于提供一种光传输系统。根据本发明之另一具体实施例，光传输系统包含光电转换器、光纤、监控光电二极管以及连接三者的光耦合装置。光耦合装置包含第一导光体及第二导光体。第一导光体包含入光面、第一反射面及第一出光面，其中入光面面对光电转换器的出光口以接收光线，第一出光面面对光纤中的光线接收端。第二导光体包含接触结构及第二出光面，其中接触结构接触第一导光体的第一反射面，第二出光面则面对监控光电二极管。
于本具体实施例中，光电转换器的出光口所发出的光线可穿过入光面进入第一导光体，并被第一反射面反射至第一出光面，接着由第一出光面射出至光纤中的光线接收端。另一方面，抵达第一反射面的部分光线，将透过接触结构而射入第一导光体，并由第二导光体的第二出光面射出至监控光电二极管。据此，本发明中光传输系统的光电转换器可利用垂直共振腔面发射激光产生器发出光信号并通过光耦合装置传输至光纤，同时撷取一部分光信号至监控光电二极管以进行反馈控制。
关于本发明的优点与精神可以藉由以下的发明详述以及参考附图得到进一步的了解。
附图说明
图1(a)是表示现有技术中光传输系统的数据输入端的示意图。
图1(b)是表示现有技术中光传输系统的另一种数据输入端的示意图。
图2是表示根据本发明的一个具体实施例的光传输系统的示意图。
图3是表示根据本发明的另一具体实施例的光传输系统的示意图。
图4是表示根据本发明的另一具体实施例的光传输系统的示意图。
图5(a)是表示根据本发明的另一具体实施例的光传输系统的示意图。
图5(b)则为图5(a)中光传输系统另一视角的部分示意图。
附图标记：
1、2：数据输入端 10、20：电路板
12：边发射激光器 14：监控光电二极管
22：垂直共振腔面发射激光器
24：光耦合装置 240：入射透镜结构
242：表面 244：出射透镜结构
F：光纤 F0：光线接收端
3、4、5、6：光传输系统
30、40、50、60：光电转换器
32、42、52、62：光耦合装置
34、44、54、64：光纤
36、46、56、66：监控光电二极管
300、400、500、600：电路板
302、402、502、602：垂直共振腔面发射激光器
320、420、520、620：第一导光体
322、422、522、622：第二导光体
3200、4200、5200、6200：入光面
3202、4202、5202、6202：第一反射面
3204、4204、5204、6204：第一出光面
3206、4206、5206、6206：第一透镜结构
3208、4208、5208、6208：第二透镜结构
3220、4220、5220、6220：接触结构
3222、3222'、4222、4222'、5222、6222'：第二反射面
3224、4224、5224、6224：第二出光面
340、440、540、640：光线接收端
L：激光光线 L'：部分激光光线
具体实施方式
请参阅图2，图2是表示根据本发明的一个具体实施例的光传输系统3的示意图。如图2所示，本具体实施例中光传输系统3包含光电转换器30、光耦合装置32、光纤34以及监控光电二极管36。请注意，图2或后续提及之附图仅表示出光传输系统3的数据输入端的部分构件，其可将电信号转换成光信号并输入至光纤，使其传输至光纤的另一侧。基于简洁起见，光传输系统中与本发明无关的其它部分于附图及相关说明中予以省略。
光电转换器30包含电路板300以及设置在电路板300上的垂直共振腔面发射激光器302，透过电路板300的控制，垂直共振腔面发射激光器302可沿着电路板300的法向量射出激光光线L。请注意，此激光光线L为经过信息迭加或调变的激光光线，换言之，为载有信息的激光光线。
光耦合装置32是连接于光电转换器30、光纤34以及监控光电二极管36三者之间，使得光电转换器30所发出的激光关系L可经过光耦合装置32而被传输至光纤34以及监控光电二极管36。详言之，光耦合装置32包含第一导光体320及第二导光体322，其中第二导光体322具有接触结构3220接触第一导光体320。第一导光体320及第二导光体322为折射率相较于外界(折射率为1)大的光传输介质，且两者的折射率大体上相同。在实际操作过程中，第一导光体320及第二导光体322可选用复合塑料，例如聚醚酰亚胺(Polyetherimide，PEI)，其折射率对应不同的光线波长可位于1.62至1.64的范围内，然而，本发明并不限于此，任何可传输光线且折射率大于外界的导光体，均可用来作为光耦合装置的第一导光体及第二导光体。
第一导光体320包含了入光面3200、第一反射面3202以及第一出光面3204。入光面3200进一步包含第一透镜结构3206面对垂直共振腔面发射激光器302的顶面出光口，且第一出光面3204包含第二透镜结构3208面对光纤34的光线输入端340。垂直共振腔面发射激光器302所发射的激光光线L可经由第一透镜结构3206入射第一导光体320，并且透过第一透镜结构3206，原本略为发散的激光光线L被收敛而于第一导光体320中行进，并抵达第一反射面3202。
第一反射面3202相对于入光面3200而呈一倾斜角度，此倾斜角度系由第一导光体320的折射率来决定。第一反射面3202藉由此倾斜角度的设置，可将抵达的激光光线L全反射至第一出光面3204的第二透镜结构3208而射出。激光光线L经过第二透镜结构3208后可更进一步收敛，同时射至光纤34的光线接收端340而被光纤34接收。光纤34接收激光光线L后可将其传输至另一侧的数据输出端以输出数据，但由于数据输出端并非本发明所主张的范围，故于图2中予以省略。
综上所述，光耦合装置32的第一导光体320可将光电转换器30的垂直共振腔面发射激光器302的顶面出光口所发出的激光光线L传导至光纤34，以将带有信息或数据的光信息输入至光纤34。另一方面，光耦合装置32也可将激光光线L的一部分导入监控光电二极管36，以实现反馈控制的功能。
除了将激光光线L传导至光纤34的第一导光体320，光耦合装置32还包含了第二导光体322，其中第二导光体322具有接触结构3220接触第一导光体320的第一反射面3202。接触结构3220接触第一反射面3202的位置，系位于激光光线L照射第一反射面3202的范围内，并且，由于第二导光体322与第一导光体320具有大体上相同的折射率，激光光线L于接触结构3220接触第一反射面3202的位置并不会被全反射，而是穿透至第二导光体322中。换言之，激光光线L的一部分(部分激光光线L')由第一导光体320被撷取至第二导光体322中。由于接触结构3220以相对小的面积接触第一反射面3202，故所撷取出的部分激光光线L'占原本的激光光线L相当小的部分。光经由入光面3200的第一透镜结构3206，会因透镜结构改变光束结构，使得光束尺寸产生变化。当光束到达第一反射面3202，会因第一反射面3202的倾斜角度，再度造成光束尺寸发生变化。此时第二导光体322的接触结构3220以小面积方式接触第一反射面3202，使得其撷取的部分激光光线L’得以经由第二导光体322，作为监控光电二极管而使用。因此，第二导光体322撷取部分激光光线L'并不会对原本的激光光线L的强度造成太大影响，使得数据输出端所接收到的数据具有足够的强度。
第二导光体322可进一步包含至少一个第二反射面以及第二出光面，如图2所示，第二导光体322包含第二反射面3222、3222'及第二出光面3224。当部分激光光线L'由接触结构3220入射而抵达第二反射面3222时，第二反射面3222的倾斜角度可使部分激光光线L'被全反射；更进一步地，被第二反射面3222全反射的部分激光光线L'抵达第二反射面3222'后再一次被全反射。最后，部分激光光线L'穿过第二出光面3224而自第二导光体322射出。
第二导光体322的第二出光面3224面对监控光电二极管36，因此，部分激光光线L'自第二导光体322的第二出光面3224射出后可被监控光电二极管36接收。监控光电二极管36根据部分激光光线L'的信息，例如光通量等，可计算得到激光光线L的各种信息，并将其反馈给光电转换器30以进行反馈控制。
基于本具体实施例中第二导光体322的形状，监控光电二极管36可与光电转换器30位于同一侧，如图2所示。因此，在实际操作中可将监控光电二极管36设置于光电转换器30的电路板300上。此外，若第二导光体322的形状改变，则可将部分激光光线L'反射至其它位置。请参阅图3，图3是表示根据本发明中另一具体实施例的光传输系统4的示意图。如图3所示，本具体实施例与上一具体实施例不同处，在于本具体实施例的第二光导体422的第二反射面4222、4222'及第二出光面4224设置于不同角度及不同位置，而监控光电二极管46亦对应第二出光面4224而设置于不同位置，甚至可设置于与光电转换器40所在位置相异的一侧。因此，透过第二导光体的形状改变，能更有效及灵活地设计光传输系统的数据输入端。请注意，本具体实施例中光传输系统4的其它单元均与前述具体实施例中相对应的单元大体上相同，故于此不再赘述。
前述的各具体实施例中，第二导光体均具有两个反射面以反射部分激光光线。然而，第二导光体最少仅需一个反射面即可将部分激光光线导入至监控光电二极管。请参阅图4，图是表示根据本发明中另一具体实施例的光传输系统5的示意图。如图4所示，本具体实施例与上一具体实施例不同处，在于本具体实施例的第二导光体522仅具有一个第二反射面5222，因此部分激光光线L'经过一次的全反射后便入射至监控光电二极管56。同样地，本具体实施例的光传输系统5的其它单元均与前述具体实施例中相对应的单元大体上相同，故于此不再赘述。更进一步地，于其它具体实施例中，第二导光体可具有更多的第二反射面，以将部分激光光线导至位于不同位置之监控光电二极管。
此外，由于传输量的需求越来越大，本发明的光传输系统也可设计多个光电转换器或多个光源，以同时将大量的数据转换成光信号。请参阅图5(a)及图5(b)，图5(a)是表示根据本发明中另一具体实施例的光传输系统6的示意图，图5(b)则为图5(a)中光传输系统6另一视角的部分示意图，详言之，图5(b)表示由光纤朝光耦合装置的方向看去的示意图。如图5(a)及图5(b)所示，本具体实施例与前述具体实施例不同处，在于本具体实施例的光传输系统6的光电转换器60包含了复数个垂直共振腔面发射激光器602，而光耦合装置62的第一导光体620同样包含复数个第一透镜结构6206以及复数个第二透镜结构6028，分别对应到不同的垂直共振腔面发射激光器602。这些垂直共振腔面发射激光器602可各自发射激光光线，经过对应的第一透镜结构6206后被收敛而行进至第一反射面6202，接着被第一反射面6202反射至对应的第二透镜结构6208，再次被收敛后出射至光纤64的光线接收端640。请注意，为了简洁起见，各垂直共振腔面发射激光器602所发出的激光光线于附图中予以省略，其各别的光路可参考前述的具体实施例及其说明。
由于光电转换器60包含了多个垂直共振腔面发射激光器602，因此需要分别对各垂直共振腔面发射激光器602撷取其激光光线的部分以进行反馈控制。光耦合装置62的第二导光体622具有复数个接触结构6220，分别对应到各撷取各垂直共振腔面发射激光器602，以分别撷取出垂直共振腔面发射激光器602所产生之激光光线的一部分，并导出至监控光电二极管66。监控光电二极管66同样为复数个，且分别对应不同的垂直共振腔面发射激光器602，其可分别将所接收到的部分激光光线反馈至光电转换器60而进行反馈控制。
于本具体实施例中，各垂直共振腔面发射激光器602可排列成4x4的数组，并且，第一透镜结构6206、第二透镜结构6208、接触结构6220乃至于监控光电二极管66均可对应地呈4x4的数组，如图5(b)所示。请注意，虽然图5(b)并未表示出接触结构6220与监控光电二极管66，但两者均与图5(b)中的复数个第二透镜结构6208呈现相似的数组排列。然而，本发明并不限制上述各单元排列成4x4的数组，根据使用上的需求，上述各单元也可设计成3x3数组、3x4数组、5x5数组或其它不同数量的数组配置。更甚者，上述各单元也可排列成数组以外的配置，例如排列成同心的环状配置或其它几何配置等。值得一提的是，虽然第二透镜结构6208、接触结构6220以及监控光电二极管66分别对应到不同的垂直共振腔面发射激光器602，但透过对光耦合装置的第一导光体及第二导光体的反射面设计，可使第二透镜结构6208、接触结构6220以及监控光电二极管66具有与垂直共振腔面发射激光器602及第一透镜结构6206不同的排列。
如上所述，本发明的光耦合装置以及使用此光耦合装置的光传输系统，可利用第二导光体撷取入射至第一导光体之第一反射面的部分激光光线，并将部分激光光线导入监控光电二极管。即使光电转换器使用顶面出光的垂直共振腔面发射激光器，仍然可撷取部分激光光线来进行反馈控制，克服了现有技术的问题。
藉由以上较佳具体实施例的详细描述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。
Claims (14)
1.一种光耦合装置，用以连接一光电转换器及一光纤，所述光耦合装置包含：
一第一导光体，包含一入光面、一第一反射面以及一第一出光面，所述入光面面对所述光电转换器且所述出光面面对所述光纤；以及
一第二导光体，包含一接触结构以及一第二出光面，所述接触结构接触所述第一导光体之所述第一反射面，且所述第二出光面面对一监控光电二极管；
其中，所述光电转换器所发出的一光线穿过所述入光面进入所述第一导光体，接着所述光线被所述第一反射面反射至所述第一出光面，并由所述第一出光面射出至所述光纤；
其中，当所述光线抵达所述第一反射面，部分所述光线自所述接触结构射入所述第二导光体，并由所述第二出光面射出至所述监控光电二极管。
2.如权利要求1所述的光耦合装置，其中所述第一导光体的所述入光面具有一第一透镜结构，所述第一透镜结构面对所述光电转换器。
3.如权利要求1所述的光耦合装置，其中第一导光体的所述出光面具有一第二透镜结构，所述第二透镜结构面对所述光纤中的一光线接收端。
4.如权利要求1所述的光耦合装置，其中所述第二导光体进一步包含至少一个第二反射面，用以反射自所述接触结构入射的部分所述光线至所述监控光电二极管。
5.如权利要求1所述的光耦合装置，其中所述第一导光体及所述第二导光体的折射率大体上相同，且大于所述第一导光体及所述第二导光体外的折射率。
6.如权利要求1所述的光耦合装置，其中所述接触结构接触所述第一反射面的位置位于所述光线抵达所述第一反射面的范围内。
7.一种光传输系统，包含：
一光电转换器，用以射出一光线；
一光纤，包含一光线接收端；
一监控光电二极管，根据所接收的光线计算光通量；以及
一光耦合装置，包含：
一第一导光体，包含一入光面、一第一反射面以及一第一出光面，所述入光面面对所述光电转换器，且所述出光面面对所述光纤中的所述光线接收端；以及
一第二导光体，包含一接触结构以及一第二出光面，所述接触结构接触所述第一导光体的所述第一反射面，且所述第二出光面面对所述监控光电二极管；
其中，所述光电转换器所发出的一光线穿过所述入光面进入所述第一导光体，接着所述光线被所述第一反射面反射至所述第一出光面，并由所述第一出光面射出至所述光纤的所述光线接收端；
其中，当所述光线抵达所述第一反射面，部分所述光线自所述接触结构射入所述第二导光体，并由所述第二出光面射出至所述监控光电二极管。
8.如权利要求7所述的光传输系统，其中所述第一导光体的所述入光面具有一第一透镜结构面对所述光电转换器的所述出光口。
9.如权利要求7所述的光传输系统，其中第一导光体的所述出光面具有一第二透镜结构面对所述光纤中的所述光线接收端。
10.如权利要求7所述的光传输系统，其中所述第二导光体进一步包含至少一个第二反射面，用以反射自所述接触结构入射的部分所述光线至所述监控光电二极管。
11.如权利要求7所述的光传输系统，其中所述第一导光体及所述第二导光体的折射率大体上相同，且大于所述第一导光体及所述第二导光体外的折射率。
12.如权利要求7所述的光传输系统，其中所述接触结构接触所述第一反射面的位置位于所述光线抵达所述第一反射面的范围内。
13.如权利要求7所述的光传输系统，其中所述光电转换器包含一垂直共振腔面发射激光产生器以产生并射出所述光线。
14.如权利要求7所述的光传输系统，其中所述光电转换器包含复数个垂直共振腔面发射激光产生器以射出复数道光线，所述第二导光体包含复数个接触结构分别对应所述垂直共振腔面发射激光产生器，且所述光传输系统包含复数个监控光电二极管分别对应所述垂直共振腔面发射激光产生器，当所述垂直共振腔面发射激光产生器射出的所述光线抵达所述第一反射面时，每一所述光线的一部分分别自对应的所述接触结构射入所述第二导光体，并由所述第二出光面分别射出至对应的所述监控光电二极管。
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