CN111736277B - 双向耦合光学器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了双向耦合光学器件。描述了用于将光双向地耦合到光纤中的方法和装置。所公开的装置可以廉价地单件式地来制造，并且集成在具有小外形规格的高速光学收发器中。所描述的方法和装置能够在这样的收发器中实现OTDR功能，并且与安装在布线板或电路板上的传感器部件兼容。

Description

双向耦合光学器件
政府支持
本发明是在美国海军授予的补助金N00024-14-C-4060下由政府支持进行的。美国政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本公开内容涉及光学双向耦合装置以及应用光学双向耦合装置的方法。根据本公开内容的实施方式可以被应用于将来自光源的光耦合到光纤中，用于集成在具有小外形规格的低成本封装中的光学时域反射计(OTDR)功能。
背景技术
光纤(与光学纤维同义的术语)为高速数据通信提供了高数据速率和电磁干扰抗扰度。虽然光纤被用于长距离链路，但是现在光纤在短距离应用中——例如在数据中心、飞行器系统和船载系统中——变得流行。这些系统将受益于具有高分辨率的光学时域反射计(OTDR)，以确定光纤故障、断裂、不连续或结构变化的精确位置。
光学收发器被广泛用于使用光纤进行的高速数据传输中。这样的收发器的典型示例是小外形规格可插拔(SFP)，该SFP本质上是为各种网络设备提供即时光纤连接的紧凑的热插拔连接器。外形规格和电气接口是在小外形规格委员会(Small Form FactorCommittee)的支持下由多源协议(MSA)来规定的。
由于光学收发器在光学网络中的大量使用，因此在某些情况下，非常希望将OTDR功能添加到这样的收发器。OTDR功能的这样的集成应当是成本效益高的。作为示例，SFP光学模块是常用类型的收发器，并且为了保持竞争力，向SFP光学模块添加任何新功能诸如OTDR需要是成本低廉的实现。这给嵌入式OTDR系统的设计带来了严峻的挑战。此外，所设计的OTDR系统应该足够小以装配在SFP机械壳体中。在电信领域中已知的是：与外形规格相关的要求是严格的，这是由来自MSA标准的严格规范所强加的。这样的OTDR系统的另一个设计挑战是增加的功能不应该分散数据传输和/或使传输长时间段停止。
大多数现有的嵌入式OTDR系统仅被设计用于仅一种模式的光可以通过的单模光纤(而不用于多种模式的光可以通过的多模光纤)，并且这些OTDR系统通常提供例如大约几十米的较低的分辨率。现有解决方案的另一个问题是使用具有非平面电气接口的多个独立部件的实现通常更昂贵并且需要更大的空间。此外，已知的是非平面电气接口不适用于需要更高速度和更低噪声的数据传输的应用。
现有系统可以用于光纤到户(FTTH)应用，在这些应用中来自中心局的光纤路径可以被分成各个家庭/街区的多条路径。由于距离通常大于几十米，因此低分辨率OTDR系统可以足以满足FTTH应用。然而，存在需要更高的分辨率的其他应用。一个示例是部署了浮点数据中心的军用船只。在这样的系统中，光纤绕船延伸返回到数据中心，并且在某些情况下，感兴趣的光纤长度可能小于10米。在这种类型的应用中，非常需要在更小的距离(例如，低至厘米范围)中调试光纤断裂。这意味着应该实现更高分辨率的OTDR系统(使用数百皮秒范围内的脉冲宽度)。此外，部署在这样的船上的人员通常不擅长调试光纤网络。这意味着集成的OTDR系统应该是即插即用的并且非常容易使用。
贯穿本公开内容使用的术语的定义
贯穿本公开内容，术语“低速光检测器”将用于描述被设计成在kHz范围或更低范围内操作的光检测器。术语“高速光检测器”将用于描述被设计成在GHz范围或更高范围内操作的光检测器。术语“高速数据通信”将用于指代以千兆比特/秒的速率或更高的速率进行的数据传输或接收。
发明内容
所公开的方法和装置解决了上面提到的问题，并且为所描述的设计挑战和问题提供了解决方案。本公开内容的教导可以用于将光双向地耦合到光纤中，从而能够将OTDR功能集成到高速光学收发器中。双向耦合也可以用于单根光纤上的双向数据通信。所公开的装置可以被廉价地大量制造，并且可以装配在现有的小外形规格的高速光学收发器例如SFP光学模块中。此外，所公开的装置可以被紧凑地单件式地来构造，并且与安装在诸如平面线路板(PWB)或印刷电路板(PCB)的板上的部件兼容。所公开的方法和装置可以以10千兆比特/秒的数据速率用于需要高分辨率OTDR功能的高速光传输应用中。此外，本公开内容的教导可以应用于各种光纤类型，包括但不限于多模光纤。
为了提供对所要求保护的主题的一些方面的基本理解，下面给出简化的概述。该概述不是广泛的综述，并且不旨在标识关键/重要元件或描绘所要求保护的主题的范围。其目的是以简化的形式给出一些概念，作为稍后给出的更详细描述的前奏。
根据本公开内容的一个方面，描述了一种通过耦合光学器件对光进行耦合的方法。该光学器件包括：第一透镜、第一反射表面以及具有第一凹槽侧和第二凹槽侧的凹槽。该方法包括：经由第一透镜将光耦合到耦合光学器件中以形成耦合光；通过第一透镜使耦合光准直以形成准直光；通过第一反射表面反射准直光，以形成穿过耦合光学器件的反射光；通过第一凹槽侧折射反射光以在耦合光学器件外部形成第一折射光，第一折射光穿过耦合光学器件外部的由凹槽限定的区域；并且通过第二凹槽侧进一步将第一折射光折射回耦合光学器件，以形成穿过耦合光学器件的第二折射光。该方法还可以包括通过第二凹槽侧将第一折射光反射到耦合光学器件外部。
根据本公开内容的另一方面，描述了一种模制的单件式双向耦合光学器件。该光学器件包括：发送透镜，其被配置成将第一光耦合到双向耦合光学器件中，第一光的光源在双向耦合光学器件外部；光纤透镜，其被配置成将第一光耦合到双向耦合光学器件外部的光纤中；接收透镜，其被配置成将来自光纤的第二光耦合到双向耦合光学器件外部的第一光检测器；第一腔，其具有第一反射表面；第二腔，其具有第二反射表面；以及凹槽，其具有第一凹槽侧和第二凹槽侧；其中：第一腔、第二腔和凹槽各自模制在双向耦合光学器件中；第一反射表面、第一凹槽侧和第二凹槽侧的组合被配置成引导第一光穿过从发送透镜延伸至光纤透镜的发送光路径；并且第二凹槽侧和第二反射表面的组合被配置成将第二光引导至第一光检测器中。
在本申请的说明书、附图和权利要求中示出本公开内容的其他方面。
附图说明
图1示出了根据本公开内容的实施方式的双向耦合光学器件的简化剖视图；
图2示出了图1所示的实施方式的顶部透视图；
图3示出了图1所示的实施方式的底部透视图；
图4示出了沿垂直于图2所示的实施方式的线A-A’截取的截面。
具体实施方式
图1示出了根据本公开内容的实施方式的光学系统(100)的简化剖视图。
光学系统(100)包括被设计成能够发送和接收光的双向耦合光学器件(2)。双向耦合光学器件(2)包括各种部件，诸如发送透镜(16)、光纤透镜(17)、接收透镜(18)、第一反射表面和第二反射表面(33、34)以及凹槽(40)，其中凹槽(40)具有第一凹槽侧(41)和第二凹槽侧(42)，第一凹槽侧(41)和第二凹槽侧(42)限定它们之间的由例如空气组成或包括空气的区域。
光学系统(100)还包括套圈插座(140)，光纤(150)可以插入到套圈插座(140)内部。可以通过将套圈插座(140)配合到光学连接器(4)诸如LC连接器等来执行耦合。根据本公开内容的实施方式，第一反射表面和第二反射表面(33，34)可以通过在双向耦合光学器件(2)中分别形成第一腔区域和第二腔区域(31，32)来构造。
光学系统(100)还包括用作支承件(3)的印刷电路或布线板，支承件(3)具有支承件顶侧(6)和支承件底侧(5)。图1中还示出了全都安装在支承件顶侧(6)上的诸如例如VCSEL(垂直腔表面发射激光器)的激光器(11)的光源、第一光检测器HSPD(12)和第二光检测器PD(15)。在图1的实施方式中，第一光检测器是高速光检测器，而第二光检测器可以是高速光检测器或低速光检测器。根据本公开内容的实施方式，激光器(11)和HSPD(12)可以分别使用丝焊(13，14/14’)而被丝焊到支承件(3)。
根据本公开内容的教导，光学系统(100)可以在发送模式、接收模式或其组合下操作。在发送模式下，激光器(11)被高速数据调制并相应地产生光。
在图1中，双向耦合光学器件(2)内的各种光路径通过由虚线包围的箭头的组合示出，箭头指示行进的光的方向。由激光器(11)产生的光作为撞击本质上用作准直器的发送透镜(16)的光锥而向上行进。然后，准直光进入双向耦合光学器件(2)，仍如箭头(21)所指示的向上行进，撞击第一反射表面(33)，从而产生反射光，该反射光现在在碰撞第一凹槽侧(41)之前沿着由箭头(22)指示的方向行进。
在撞击第一凹槽侧(41)之后，行进的光以不同的角度离开双向耦合光学器件(2)，以碰撞第二凹槽侧(42)。本领域技术人员将理解，由箭头(22，23)指示的光路径之间的角度差异的原因是空气和用于构造双向耦合光学器件(2)的材料的折射率之间的差异。在碰撞第二凹槽侧(42)之后，光的一部分可以再次以不同的角度——其原因与前面提到的原因相同——进入回到双向耦合光学器件(2)中，以沿着由箭头(25)指示的方向行进并经由光纤透镜(17)而被聚集和耦合到光纤(150)中。碰撞第二凹槽侧(42)的光的另一部分可以在第二凹槽侧(42)处被反射以在碰撞PD(15)之前沿着由箭头(24)指示的方向行进。本领域技术人员将理解，光的沿着由箭头(22，23，24)的顺序指示的光路径行进的部分被PD(15)接收，并且可以用于监测激光功率，从而用于根据设定的要求调节光强度。
在接收模式下，来自光纤的光沿着由箭头(30)指示的方向经由光纤透镜(17)进入双向耦合光学器件(2)，然后沿着由箭头(26，27)指示的方向行进。行进的光然后撞击第二凹槽侧(42)，沿着由箭头(28)指示的方向反射和行进，然后碰撞第二反射表面(34)并反射，以在碰撞HSPD(12)之前如由箭头(29)指示的向下行进。
本领域技术人员将理解，当在接收模式下操作时，从光纤(150)进入双向耦合光学器件(2)的光的来源是任意的，并且可以是例如相邻的光学模块。这样，当处于接收模式时，可以不需要激光器(11)。
鉴于上述内容，光学系统(100)可以用作OTDR。在这种情况下，激光器(11)被OTDR脉冲调制而不是被高速数据调制。使用控制电路(160)来执行这样的OTDR脉冲的生成以及OTDR功能所需的其他控制功能，该控制电路(160)可以设置在PWB(3)的底侧(5)处。光的发送以及耦合到光纤类似于上面关于发送模式描述的光的发送和耦合。换言之，发送光路径如由箭头顺序(21，22，23，25)所指示。HSPD(12)遵循相同的路径并基于与前面关于接收模式所描述的相同的机制来接收从光纤中的光学不连续或中断反射的光。换言之，接收路径如箭头顺序(30，26，27，28，29)所指示。根据本公开内容的实施方式，可以产生数百皮秒或更少范围内的OTDR脉冲宽度，从而实现厘米范围内的高分辨率OTDR功能。
根据本公开内容的各种实施方式：
·双向耦合光学器件(2)可以被制成模制的单件式部件，·双向耦合光学器件(2)可以用热塑性材料或任何其他光学透明材料来模制，
·激光器(11)可以是垂直腔表面发射激光(VCSEL)激光器，尽管也可以设想其他激光器类型，
·光纤(150)可以是多模光纤或单模光纤，
·双向耦合光学器件(2)可以装配在具有小外形规格的高速光学收发器的壳体中。这样的光学收发器的示例包括但不限于SFP光学模块和SFP+光学模块。换言之，双向耦合光学器件(2)可以与以几十千兆比特/秒的数据传输速率运行的高速光学收发器集成在一起，·双向耦合光学器件(2)可以使用标准注塑模制工艺模制在第一腔区域和第二腔区域(31，32)周围，
·双向耦合光学器件(2)的长度约为1cm或更短。
仍然参照图1，双向耦合光学器件(2)还包括保持至光学收发器例如SFP光学模块的壳体的套环(35)，双向耦合光学器件(2)集成在该光学收发器中。
图2和图3示出了图1所示的实施方式的透视顶视图和底视图。图4示出了垂直于图2的轴线A-A’的截面。这样的截面基本上是图1所示的实施方式的3D图示。
根据本公开内容的教导，可以使用主动对准以将来自激光器的光耦合到双向耦合光学器件(2)中，然后耦合到光纤(150)中。这样的对准可以基于耦合到光纤中的光学功率的设定要求来执行。在主动对准中，双向耦合光学器件(2)在支承件或PWB(3)上移动，同时使用PD(15)主动地监测激光功率。一旦测量的激光功率达到期望值，双向耦合光学器件(2)就被粘胶至芯片，随后是固化粘胶剂的后续步骤。在这样的主动对准中，可以调节双向耦合光学器件(2)相对于PWB(3)的高度。这是有益的，因为它允许对具有不同性能参数的各种激光器类型的耦合进行优化。
返回参照图1，在固定高度处的不同类型的对准也可以通过简单地将双向耦合光学器件(2)放置在PWB(3)的顶部上的第一支柱(61)和第二支柱(62)上来执行。这样的对准可能需要更精确的设计考虑——包括激光器类型的选择——以确保光从激光器(11)到双向耦合光学器件(2)的耦合被优化。在双向耦合光学器件(2)与PWB(3)适当对准之后，双向耦合光学器件(2)被接合至PWB(3)。
参照图1和图4，双向耦合光学器件(2)还包括分别与第一抛光对准端口和第二抛光对准端口(51’、52’)对准的第一对准基准点和第二对准基准点(51、52)。这样的对准部件用于实现双向耦合光学器件(2)与激光器(11)和光纤(150)两者的优化对准。发送光路径(410)在图4中也示意性地被示为空的白色通路。发送光路径(410)主要被示出以说明先前由箭头(21，22，23，25)的顺序指示的发送路径，与关于图1所描述的一致。
根据本公开内容的另外的实施方式，具有不同反射系数的各种类型的涂层可以被施加至第一反射表面和第二反射表面(33，34)以及第一凹槽侧和第二凹槽侧(41，42)。作为示例而非限制，90％至100％的反射涂层可以被施加至第一反射表面和/或第二反射表面(33，34)，并且第一凹槽侧和/或第二凹槽侧(41，42)可以各自被施加40％至60％——例如50％——的反射涂层，这意味着碰撞第一凹槽侧和第二凹槽侧(41，42)中的任何一个的一半的光将以给定的角度通过，并且一半的光将以另一角度被反射。在这样的情况下，耦合到光纤(150)中的行进的光具有由激光器(11)最初产生的光的光学功率的大约1/4的光学功率。这在如下应用中可能是有益的：其中，耦合到光纤(150)中的光学功率必须遵守通过各种光学标准设定的最小眼睛安全要求。基于这样的示例，本领域技术人员将理解，控制耦合到光纤(150)中的光学功率的一种方式是改变双向耦合光学器件(2)内的各种反射部件的涂层，以调节从激光器(11)到光纤(150)的光路径的衰减。本领域技术人员将理解，本公开内容的教导将允许第一反射表面(33)、第二反射表面(34)、第一凹槽侧(41)或第二凹槽侧(42)中的至少一个的涂层的反射百分比是能够单独选择的。
返回参照图1，并且如由光学射线(90，90’)所示，在由箭头(24)指示的方向上行进的一部分光可以在碰撞支承件顶侧(6)之前从PD(15)和双向耦合光学器件(2)的主体反弹。根据本公开内容的实施方式，激光器(11)和PD(15)之间的空间可以被设计，使得光的反弹部分避免撞击激光器(11)。
继续参照图1，本领域技术人员将理解，设计参数——诸如发送光和接收光的各种反射角和折射角、双向耦合光学器件(2)内的各种部件之间的间隔、激光器(11)、PD(15)和HSPD(12)的内部间隔——可以因设计而异。这样的参数可以根据用于构造双向耦合光学器件(2)的材料的折射率和/或例如耦合到光纤的光功率或外形规格的设定要求等而变化。第一反射表面和第二反射表面(33，34)以及第一凹槽侧和第二凹槽侧(41，42)的反射角和折射角可以被调节以适应上述部件的间隔。用于第一反射表面和第二反射表面(33，34)的角度范围的示例是在20度和50度之间(从水平方向测量)。用于第一凹槽侧和第二凹槽侧(41，42)的角度范围的示例是在60度和85度之间(从水平方向测量)。
尽管本文已经公开了各个方面和实施方式，但是其他方面和实施方式对于本领域技术人员将是明显的。本文公开的各个方面和实施方式是为了说明的目的而不是旨在限制，真正的范围通过所附权利要求来指示。

Claims (26)

1.一种双向耦合光学器件，包括：
发送透镜，其被配置成将第一光耦合到所述双向耦合光学器件中，所述第一光的光源在所述双向耦合光学器件外部；
光纤透镜，其被配置成将所述第一光耦合到所述双向耦合光学器件外部的光纤中；
接收透镜，其被配置成将来自所述光纤的第二光耦合到所述双向耦合光学器件外部的第一光检测器；
第一腔，其具有第一反射表面；
第二腔，其具有第二反射表面；以及
凹槽，其具有第一凹槽侧和第二凹槽侧，
其中：
所述第一反射表面、所述第一凹槽侧和所述第二凹槽侧的组合被配置成引导所述第一光穿过从所述发送透镜延伸至所述光纤透镜的发送光路径；以及
所述第二凹槽侧和所述第二反射表面的组合被配置成将所述第二光引导至所述第一光检测器中。
2.根据权利要求1所述的双向耦合光学器件，其中，所述第一腔、所述第二腔和所述凹槽各自模制在所述双向耦合光学器件中，所述双向耦合光学器件是模制的单件式双向耦合光学器件。
3.根据权利要求1或2所述的双向耦合光学器件，还被配置成将所述第一光的一部分引导至所述双向耦合光学器件外部的第二光检测器中。
4.根据权利要求3所述的双向耦合光学器件，其中，所述发送光路径的一部分在所述双向耦合光学器件外部。
5.根据权利要求2所述的双向耦合光学器件，其中，所述双向耦合光学器件用热塑性材料或光学透明材料来模制。
6.根据权利要求1或2所述的双向耦合光学器件，其中，所述双向耦合光学器件集成在具有由多源协议(MSA)定义的标准规定的外形规格和电气接口的光学收发器的壳体内。
7.根据权利要求6所述的双向耦合光学器件，其中，所述光学收发器是小外形规格(SFP)收发器或SFP+收发器。
8.根据权利要求4所述的双向耦合光学器件，其中，所述第一反射表面、所述第二反射表面、所述第一凹槽侧或所述第二凹槽侧中的至少一个包括涂层。
9.根据权利要求8所述的双向耦合光学器件，其中，所述第一反射表面、所述第二反射表面、所述第一凹槽侧或所述第二凹槽侧中的至少一个的涂层的反射百分比是能够单独选择的。
10.根据权利要求8所述的双向耦合光学器件，其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面中的至少一个具有90％至100％的反射涂层。
11.根据权利要求8所述的双向耦合光学器件，其中，所述第一凹槽侧和所述第二凹槽侧中的至少一个具有40％至60％的反射涂层。
12.根据权利要求5所述的双向耦合光学器件，其中，所述第一腔、所述第二腔和所述凹槽各自使用标准注塑模制工艺模制在所述双向耦合光学器件中。
13.根据权利要求6所述的双向耦合光学器件，其中，所述光学收发器被用作高速数据发送器或OTDR。
14.一种OTDR，其包括根据权利要求1或2所述的双向耦合光学器件。
15.一种光学耦合系统，其包括：
根据权利要求3所述的双向耦合光学器件；以及
支承件，所述支承件在所述双向耦合光学器件外部并且与所述双向耦合光学器件对准，所述支承件包括第一光的光源、第一光检测器和第二光检测器。
16.根据权利要求15所述的光学耦合系统，其中，所述光源是激光光源。
17.根据权利要求15所述的光学耦合系统，其中，所述第一光检测器是高速光检测器。
18.根据权利要求15所述的光学耦合系统，其中，所述光源、所述第一光检测器和所述第二光检测器面向所述双向耦合光学器件安装在所述支承件的同一侧上。
19.根据权利要求15所述的光学耦合系统，还包括耦合到所述双向耦合光学器件的光纤，其中，所述第二光的光源是所述第一光的从所述光纤反射的一部分。
20.根据权利要求19所述的光学耦合系统，其中，所述光纤是多模光纤。
21.根据权利要求15所述的光学耦合系统，其中，所述支承件还包括控制电路，所述控制电路包括电子电路。
22.根据权利要求16所述的光学耦合系统，其中，所述支承件是印刷板。
23.根据权利要求22所述的光学耦合系统，其中，所述支承件是平面布线板或印刷电路板。
24.一种通过耦合光学器件耦合光的方法，所述耦合光学器件包括第一透镜、第一反射表面以及具有第一凹槽侧和第二凹槽侧的凹槽，所述方法包括：
经由所述第一透镜将光耦合到所述耦合光学器件中以形成耦合光；
通过所述第一透镜使所述耦合光准直以形成准直光；
由所述第一反射表面反射所述准直光以形成穿过所述耦合光学器件的反射光；
通过所述第一凹槽侧折射所述反射光以在所述耦合光学器件外部形成第一折射光，所述第一折射光穿过所述耦合光学器件外部的由所述凹槽限定的区域；以及
通过所述第二凹槽侧进一步将所述第一折射光折射回所述耦合光学器件，以形成穿过所述耦合光学器件的第二折射光，
其中，所述耦合光学器件还包括第二透镜，所述方法还包括：
经由所述第二透镜将所述第二折射光聚集到光纤中；以及
接收来自所述光纤的光，其中，所述耦合光学器件还包括第二反射表面，所述方法包括：
将来自所述光纤的光接收到所述耦合光学器件中，以形成穿过所述耦合光学器件的接收光；
从所述第二凹槽侧将所述接收光反射到所述耦合光学器件内部，以形成第一内部反射光；
从所述第二反射表面进一步反射所述第一内部反射光，以形成穿过所述耦合光学器件并离开所述耦合光学器件的第二内部反射光；以及
将所述第二内部反射光聚集在所述耦合光学器件外部。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述耦合光学器件外部的由所述凹槽限定的区域包括空气。
26.根据权利要求24所述的方法，还包括：
通过所述第二凹槽侧将所述第一折射光反射到所述耦合光学器件外部。
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