CN112051647A - 光传输棱镜及光输出装置、光输入装置 - Google Patents

光传输棱镜及光输出装置、光输入装置 Download PDF

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Abstract

本公开是关于一种光传输棱镜及光输出装置、光输入装置。该光传输棱镜包括入射面；第一反射面，与所述入射面呈一个夹角θ；至少两个第二反射面，所述第二反射面均与所述第一反射面平行，所述第二反射面中第k个反射面和第一反射面之间的距离，小于第k+1个反射面和第一反射面之间的距离，其中k为正整数；以及出射面，平行于所述入射面，并分别与所述第一反射面的边缘、所述第二反射面的边缘均相交，如此，通过第一反射面和多个第二反射面改变平行入射光的间距。

Description

光传输棱镜及光输出装置、光输入装置
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光传输棱镜及光输出装置、光输入装置。
背景技术
光电子器件是光纤通信的核心零部件。随着光电子器件向着高速率、高封装密度、低成本、低功耗方向发展，集成封装技术在光电子器件封装上发挥着越来越重要的作用。集成封装就是利用光波导技术，将调制、复用/解复用等功能集成在光波导芯片上，这样可以提高封装密度，增加光路可靠性。但光波导芯片无法集成光源，因此需要外部光源将光耦合进入光波导芯片。在将光耦合进光波导芯片的过程中，一般会用到用于耦合光线的棱镜。
发明内容
一方面，本公开提供一种光传输棱镜。
本公开提供的一种光传输棱镜，包括：
入射面；
第一反射面，与所述入射面呈一个夹角θ；
至少两个第二反射面，所述第二反射面均与所述第一反射面平行，所述第二反射面中第k个反射面和第一反射面之间的距离，小于第k+1个反射面和第一反射面之间的距离，且相邻的两个所述第二反射面相互错开，且均朝向所述入射面，其中k为正整数；以及
出射面，平行于所述入射面，并分别与所述第一反射面的边缘、所述第二反射面的边缘均相交。
在一些实施例中，所述第二反射面中第k个反射面和第k+1个反射面之间的距离，与第k+1个反射面和第k+2个反射面之间的距离相等。
在一些实施例中，所述入射面用于入射具有第一间距L1的平行入射光；
所述第k个反射面和所述第k+1个反射面之间的距离为ak；
经所述第k个反射面和所述第k+1个反射面反射的所述平行入射光之间具有第二间距L2；其中，所述第一间距L1、所述ak与所述第二间距L2之间满足：
L2＝L1+ak/sinθ。
在一些实施例中，所述第一反射面和所述第二反射面均包含反射所述平行入射光的反射膜。
在一些实施例中，所述光传输棱镜的折射率大于1.5。
在一些实施例中，所述光传输棱镜为整体成型，或由若干个斜方棱镜粘合而成。
在一些实施例中，所述夹角θ为锐角。
在一些实施例中，所述第二间距L2是所述第一间距L1的N倍，所述N为大于1的正整数。
另一方面，本公开提供一种基于光传输棱镜的光输出装置，包括：
至少两个激光器，用于发射多束平行入射光；
上述一方面提供的光传输棱镜，位于所述激光器后端，用于接收所述激光器发射的平行入射光至所述第二反射面；以及
光波导器件，设置于所述光传输棱镜后端，用于接收经所述第一反射面反射的多束所述平行入射光。
再一方面，本公开提供一种基于光传输棱镜的光输入装置，包括：
光波导器件，用于接收输入的多束平行入射光；
上述一方面提供的光传输棱镜，位于所述光波导器件后端，用于接收所述光波导器件传输的平行入射光至所述第一反射面；以及
至少两个光探测器，用于接收至少两个所述第二反射面反射的所述平行入射光。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本公开实施例的光传输棱镜具有反射入射光线的第一反射面和均与第一反射面平行相对的多个第二反射面，且多个第二反射面与第一反射面的距离不相等，第二反射面中第k个反射面和第一反射面之间的距离，小于第k+1个反射面和第一反射面之间的距离，使得当具有一定间距的平行入射光入射至第一反射面并经第一反射面反射至多个第二反射面后，经第k个反射面和第k+1个反射面反射的平行入射光之间的间距相对于入射至第一反射面的平行入射光的间距会变大，从而一个光传输棱镜能够提供多种不同传输路径长度的传输通道。如此，可利用该棱镜的上述光传输特性，将上述光传输棱镜应用于光通信系统中，可以灵活适配需要较长的传输通道或较短的传输通道的传输场景。例如但不限于，以将具有较长通道间距的激光器发射的光束耦合进较小波导间距的光波导器件，或将较小波导间距的光波导器件输出的光耦合进较长通道间距的探测器内，从而在形成高集成光通信系统中可显著减小光波导器件的体积，降低光波导器件的成本。
附图说明
图1为根据一示例性实施例示出的光传输棱镜的光传输示意图。
图2为根据一示例性实施例示出的光传输棱镜的结构示意图一。
图3为根据一示例性实施例示出的光传输棱镜的的结构示意图二。
图4为根据一示例性实施例示出的光输出装置结构示意图。
图5为根据一示例性实施例示出的无光传输棱镜的光输出装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一般多通道激光器或探测器与光波导的耦合，输入波导间距和激光器或探测器间距是相等的，只有这样激光器或探测器的光才能一一对应地输入到光波导中去。一般激光器芯片宽度在250um左右，加上热沉等附属封装结构，宽度在1mm左右，所以与多通道激光器配合的光波导芯片间距往往在1mm以上。而以现有的光波导工艺，无论是二氧化硅光波导芯片还是硅光芯片，其芯片尺寸可以做的非常小。但由于光波导芯片为了便于和激光器或探测器耦合，不得不将波导间距做大，最终芯片尺寸也会跟着变大。芯片尺寸变大会造成芯片成本变高，芯片封装体积增大。显然这对光波导器件制作是不利的。在激光器或探测器与光波导之间增加一个棱镜，以适配激光器或探测器间距与输入波导间距。
本公开提供一种光传输棱镜。图1为根据一示例性实施例示出的光传输棱镜的结构示意图。如图1所示，上述光传输棱镜包括：
入射面；
第一反射面，与所述入射面呈一个夹角θ；
至少两个第二反射面，所述第二反射面均与所述第一反射面平行，所述第二反射面中第k个反射面和第一反射面之间的距离，小于第k+1个反射面和第一反射面之间的距离，且相邻的两个所述第二反射面相互错开，且均朝向所述入射面，其中k为正整数；以及
出射面，平行于所述入射面，并分别与所述第一反射面的边缘、所述第二反射面的边缘均相交。
在本示例性实施例中，相邻的两个所述第二反射面相互错开，并均朝向所述入射面，包括相邻的两个第二反射面相互完全错开和部分错开，并均朝向所述入射面。
在本示例性实施例中，如图1所示，第一反射面的边缘可以和入射面的边缘相交形成夹角θ，或第一反射面的延伸与入射面的延伸相交形成夹角θ。即第一反射面和入射面可以直接相交，也可以是在两个面之间具有其他棱镜面，通过其他棱镜面连接。
在本示例性实施例中，当具有一定间距的平行入射光通过入射面入射至第一反射面后，经第一反射面反射的平行入射光平行入射至多个第二反射面，此时，平行入射光的间距不变。上述平行入射光经多个第二反射面反射后，同一个第二反射面反射的平行入射光之间的间距不变。例如，由第二反射面中第k个反射面反射的光束之间的间距对于入射至第一反射面的平行入射光的间距没有发生改变。
但是由于第二反射面中第k个反射面和第k+1个反射面与第一反射面之间的距离不相等，第二反射面中第k个反射面和第一反射面之间的距离，小于第k+1个反射面和第一反射面之间的距离，如此使得入射的平行光经第k个反射面和第k+1个反射面反射后，输出的平行光之间的间距相对于入射至第一反射面的平行入射光的间距会变大。
在本示例性实施例中，光传输棱镜具有反射入射光线的第一反射面和均与第一反射面平行相对的多个第二反射面，且多个第二反射面与第一反射面的距离不相等。第二反射面中第k个反射面和第一反射面之间的距离，小于第k+1个反射面和第一反射面之间的距离，使得当具有一定间距的平行入射光入射至第一反射面并经第一反射面反射至多个第二反射面后，经第k个反射面和第k+1个反射面反射的平行入射光之间的间距相对于入射至第一反射面的平行入射光的间距会变大。如此，可利用该棱镜的上述光传输特性，将上述光传输棱镜应用于光通信系统中，以将具有较长通道间距的激光器发射的光束耦合进较小波导间距的光波导器件，或将较小波导间距的光波导器件输出的光耦合进较长通道间距的探测器内，从而在形成高集成光通信系统中可显著减小光波导器件的体积，降低光波导器件的成本。
在一些实施例中，所述第二反射面中第k个反射面和第k+1个反射面之间的距离，与第k+1个反射面和第k+2个反射面之间的距离相等。
在本示例性实施例中，当第二反射面中第k个反射面和第k+1个反射面之间的距离，与第k+1个反射面和第k+2个反射面之间的距离相等时，可保证经过第k个反射面和第k+1个反射面反射的平行入射光之间的间距与经第k+1个反射面和第k+2个反射面反射的平行入射光之间的间距相等，从而使得相邻光束间等间距的多束平行入射光经多个第二反射面反射后，依然等间距输出。
在一些实施例中，所述入射面用于入射具有第一间距L1的平行入射光；
所述第k个反射面和所述第k+1个反射面之间的距离为ak；
经所述第k个反射面和所述第k+1个反射面反射的所述平行入射光之间具有第二间距L2；其中，所述第一间距L1、所述ak与所述第二间距L2之间满足：
L2＝L1+ak/sinθ。
在本示例性实施例中，如图1所示，当第k个反射面和所述第k+1个反射面之间的距离为ak时，第k个反射面和第k+1个反射面反射的平行入射光之间的第二间距L3等于第K路光和第K+1路光之间的第一间距bk(即L1)与ak/sinθ的和。
在本示例性实施例中，当夹角θ为45度时，第k个反射面和第k+1个反射面反射的平行入射光之间的第二间距L2等于
Figure BDA0002622868480000061
在一些实施例中，所述光传输棱镜的折射率大于1.5。
在本示例性实施例中，光传输棱镜的折射率大于1.5，且夹角θ可为45度，有利于实现对波长1260～1650nm光的全反射。
在一些实施例中，所述光传输棱镜为整体成型，或由若干个斜方棱镜粘合而成。
在一些实施例中，所述第一反射面和所述第二反射面均包含反射所述平行入射光的反射膜。
在本示例性实施例中，可在第一反射面和第二反射面上镀制反射膜，以实现对入射光的全反射。
当光传输棱镜为整体成型的棱镜时，在第二反射面镀制的或粘贴的反射膜可以是一个整体膜。多个第二反射面的反射膜是一个整体膜的不同区域。第一反射面上的反射膜也可以是这个整体膜的不同区域，并与第二反射面上的反射膜形成区域对应。
当光传输棱镜为多个棱镜组合形成的棱镜时，一个第二反射面对应一个反射膜。不同的反射面的反射膜可以不同。
在本示例性实施例中，光传输棱镜可为注塑成型的整体棱镜。
图2为根据一示例性实施例示出的光传输棱镜的结构示意图一，图3为根据一示例性实施例示出的光传输棱镜的结构示意图二。在本示例性实施例中，如图2、3所示，光传输棱镜可以是多个棱镜粘合合形成的多面棱镜。如图2所示，可对多个不同大小的斜方棱镜的侧面进行粘合，以形成斜方棱镜1的未粘合的侧面为第一反射面，与第一反射面相对的粘合侧面中的未粘合的错开区域作为第二反射面。
或，如图3所示，对多个不同大小的斜方棱镜的上下面进行粘合，以在斜方棱镜一端形成一个统一的未错开的平面作为第一反射面，另一端形成错开多个第二反射面。
在本示例性实施例中，光传输棱镜除了一体成型外，也可以通过多个具有夹角θ的平行四边形斜方棱镜粘合而成。
在一些实施例中，所述夹角θ为锐角。锐角相对于钝角角度较小，有利于光线在入射面入射后，在第一反射面反射。
在一些实施例中，所述第二间距L2是所述第一间距L1的N倍，所述N为大于1的正整数。
在本示例性实施例中，通过调整第k个反射面和第k+1个反射面之间的距离大小，使得第二间距L2可以是第一间距L1的大于1的正整数倍，例如2倍、3倍、4倍、5倍等。
本公开还提供一种基于光传输棱镜的光输出装置，包括：
至少两个激光器，用于发射多束平行入射光；
上述一方面提供的光传输棱镜，位于所述激光器后端，用于接收所述激光器发射的平行入射光至所述第二反射面；以及
光波导器件，设置于所述光传输棱镜后端，用于接收经所述第一反射面反射的多束所述平行入射光。
在本示例性实施例中，可在光传输棱镜的前端设置多个具有一定间距的激光器，在光传输棱镜的后端设置光波导器件。激光器发射的光直接入射至第二反射面，再经过第一反射面反射至光波导器件内。根据光线可逆原理，激光器发出的具有较大间距的光束通过光传输棱镜后，光束的间距变小，以便于耦合进具有相对较小波导间距的光波导器件内，从而使得在光通信系统中便于减小光波导器件体积，实现高集成度。
再一方面，本公开提供一种基于光传输棱镜的光输入装置，包括：
光波导器件，用于接收输入的多束平行入射光；
上述一方面提供的光传输棱镜，位于所述光波导器件后端，用于接收所述光波导器件传输的平行入射光至所述第一反射面；以及
至少两个光探测器，用于接收至少两个所述第二反射面反射的所述平行入射光。
在本示例性实施例中，可在光传输棱镜的前端设置接收光束的光波导器件，该光波导器件可以包括光纤。光传输棱镜的后端设置多个具有一定间距的光探测器。当光探测器之间的间距大于光波导器件内的光波导间距时，经光波导器件输出的平行光束入射至光传输棱镜的第一反射面后再经多个第二反射面反射后，平行光束的间距变大，从而便于光探测器接收。
图1中仅展示了具有三个第二反射面的光传输棱镜。实际上本领域的技术人员应该知道，此处仅是因为篇幅限制。实际上所述棱镜是可以依照本图重复扩展成具有任意个第二反射面的。可调节通道间距的光传输棱镜包含入射面、第一反射面、N个第二反射面、出射面。入射面与出射面平行，第一反射面与N个第二反射面相互平行，入射面与第一反射面夹角为θ。任意第k反射面和第K+1反射面间距记为ak，当于N路相互平行的光束从入射面入射，全部光束被第一反射面反射后，第k和k+1路光分别能被第k和k+1第二反射面反射并从出射面出射。出射后的第k和k+1路光通道间距比入射时的间距增加
Figure BDA0002622868480000091
理论上通过设置不同的第二反射面间距，可以对任意通道的光路进行任意间距调整。
优选的，设置第一反射面与入射面的夹角为45°，那么所述棱镜材料的折射率大于1.5就可以确保第一反射面和第二反射面均发生全发射，例如可以选择常见的N-BK7或N-SF11玻璃作为棱镜材质，那么在1260～1650nm波段，棱镜在第一反射面和第二反射面均会发生全反射，而无需额外镀反射膜。
优选的，所有第二反射面的尺寸相等，间距也相等均为a，第一反射面与入射面的夹角为45°，那么所有输入光路通道间距将等距离增加
Figure BDA0002622868480000092
例如入射光通道间距为0.25mm，取a＝0.53mm，那么输出光路通道间距将变为1mm，这相当于入射光路间距的4倍。该棱镜可以适配不同通道间距的光路，这增加了光路设计的灵活性，特别是对于选择集成光波导芯片的通道间距增加了灵活性。该棱镜制造过程也较为灵活，可以通过单一的模具整体成型，也可以由多个斜方棱镜组合而成，如图2、3所示。在图2和图3中，光传输棱镜均由斜方棱镜1、斜方棱镜2和斜方棱镜3组合而成。
图4为根据一示例性实施例示出的光输出装置结构示意图。如图4所示，包含至少二路激光器2，激光器等间距布置，间距为L2，具有对应输入波导31的光波导芯片3，输入波导31等间距布置，间距为L1，且L1显著小于L2，一般地L2是L1的M倍，且M取值2、3、4、5。例如对于激光器芯片，一般L1＝1mm，那么可以将通道间距缩小4倍，配合输入波导间距为0.25mm的光波导芯片。再例如对于背照式探测器，一般取L1＝0.75mm，那么可以将通道间距缩小3倍，配合输入波导间距为0.25mm的光波导芯片。当然激光器或探测器芯片与光波导芯片之间还包含可调节通道间距的光传输棱镜1。光传输棱镜1的第一反射面与入射面之间的夹角为45°，且N个第二反射面为等间距，其间距设置为
Figure BDA0002622868480000093
棱镜可以完成激光器或探测器到光波导芯片之间的通道间距适配。根据光线可逆原理，在图4中，当光线逆向传输是，多个激光器可替换为探测器。
图5为根据一示例性实施例示出的无光传输棱镜的光输出装置结构示意图。如图5所示，激光器2之间的间距L2和光波导器件3中的输入波导31之间的间距相等。如果光器件中没有所述棱镜，那么光波导芯片宽度大约增加M倍。显然，本发明显著减小光波导芯片的体积，降低光波导芯片的成本。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种光传输棱镜，其特征在于，包括：
入射面；
第一反射面，与所述入射面呈一个夹角θ；
至少两个第二反射面，所述第二反射面均与所述第一反射面平行，所述第二反射面中第k个反射面和第一反射面之间的距离，小于第k+1个反射面和第一反射面之间的距离，且相邻的两个所述第二反射面相互错开，且均朝向所述入射面，其中k为正整数；以及
出射面，平行于所述入射面，并分别与所述第一反射面的边缘、所述第二反射面的边缘均相交。
2.根据权利要求1所述的光传输棱镜，其特征在于，所述第二反射面中第k个反射面和第k+1个反射面之间的距离，与第k+1个反射面和第k+2个反射面之间的距离相等。
3.根据权利要求2所述的光传输棱镜，其特征在于，所述入射面用于入射具有第一间距L1的平行入射光；
所述第k个反射面和所述第k+1个反射面之间的距离为ak；
经所述第k个反射面和所述第k+1个反射面反射的所述平行入射光之间具有第二间距L2；其中，所述第一间距L1、所述ak与所述第二间距L2之间满足：
L2＝L1+ak/sinθ。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光传输棱镜，其特征在于，所述第一反射面和所述第二反射面均包含反射所述平行入射光的反射膜。
5.根据权利要求1-3任一项所述的光传输棱镜，其特征在于，所述光传输棱镜的折射率大于1.5。
6.根据权利要求1-3任一项所述的光传输棱镜，其特征在于，所述光传输棱镜为整体成型，或由若干个斜方棱镜粘合而成。
7.根据权利要求1-3任一项所述的光传输棱镜，其特征在于，所述夹角θ为锐角。
8.根据权利要求1-3任一项所述的光传输棱镜，其特征在于，所述第二间距L2是所述第一间距L1的N倍，所述N为大于1的正整数。
9.一种基于光传输棱镜的光输出装置，其特征在于，包括：
至少两个激光器，用于发射多束平行入射光；
权利要求1-8任一项所述的光传输棱镜，位于所述激光器后端，用于接收所述激光器发射的平行入射光至所述第二反射面；以及
光波导器件，设置于所述光传输棱镜后端，用于接收经所述第一反射面反射的多束所述平行入射光。
10.一种基于光传输棱镜的光输入装置，其特征在于，包括：
光波导器件，用于接收输入的多束平行入射光；
权利要求1-8任一项所述的光传输棱镜，位于所述光波导器件后端，用于接收所述光波导器件传输的平行入射光至所述第一反射面；以及
至少两个光探测器，用于接收至少两个所述第二反射面反射的所述平行入射光。
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