CN112764138A - 一种高耦合效率的to非球面透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光纤通信领域中用于将LD发出的光耦合进单模光纤的高效耦合的单个TO非球面透镜，该TO非球面透镜从光发射端至光接收端依次为前凸非球面和后凸非球面，透镜材料为K‑VC89玻璃。该TO非球面透镜将LD发射波长1.310μm、发光面积4μm×3μm、出射光束发散角Y方向为±35°、Z方向为±23.58°的激光，在距离发射端6.23mm的接收端面会聚成为9.0μm×6.75μm的光斑，与数值孔径NA=0.16的单模光纤耦合效率理论计算为89.8%，实验最大耦合效率88.63%。

Description

一种高耦合效率的TO非球面透镜
技术领域
本发明属于光纤通信领域，特别涉及到一种半导体激光器芯片发出的光经管帽非球面透镜耦合进单模光纤的技术。
背景技术
晶体管外壳 (TO，Transistor Outline) 是某种特殊导电电子外壳的国际行业标准名称。TO 封装包含两个元件：管座和管帽。在光电子领域中，管帽具有两大作用，一是形成密闭的空间保护芯片不被氧化，二是将半导体激光器芯片发出的光聚焦耦合到光纤中，确保光学信号的顺利传输。因此，安装在管帽中的窗口或透镜的光学性质必须达到相当高的要求。
在光纤通信领域，一般采用半导体激光器LD作为光源。用于光通信的LD，发光芯片的发光面一般为4μm×3μm，其出射光束发散角Y方向为±35°，Z方向为±23.58°，发光光斑为椭圆形。使用的光纤为单模光纤，单模光纤的模场直径MFD一般为9um左右(普通通信用光纤模场直径为 8. 2 μm)，数值孔径NA大约为0.16，也就是说入射到光纤端面的光，必须汇聚成直径9um左右或者更小的光斑，并且入射角度小于9.2°，才能进入光纤，形成稳定的传播。
随着对光通信速率的要求不断提高，特别是5G通信技术的发展，对TO封装光模块中耦合透镜的耦合效率提出了更高要求。TO管帽中的耦合透镜从球透镜发展到了非球透镜。用于光纤通信中的TO管帽透镜通常有3种类型，直径1.5mm和2.0mm的球面透镜，直径2.0mm的非球透镜。直径1.5mm球面透镜俗称小球透镜，有效数值孔径约为0.125；直径2.0mm球面透镜俗称大球透镜，有效数值孔径约为0.16，这两种管帽球透镜的耦合效率为5%~15%。管帽非球透镜的有效数值孔径约为0.16，耦合效率为40%~50%。
影响管帽球面透镜耦合效率的因素大致有，（1）机械结构的精准度误差，包括横向偏移误差、纵向偏移误差及角度；（2）加工精度的限制；（3）材料的吸收和菲涅耳损耗；（4）透镜像差，主要是球差。前两个因素是加工及装配过程中出现的问题，第三个因素由材料的性质决定，而第四个因素是透镜设计过程中出现的问题。在此，本发明只考虑第四个因素。由于单个球面透镜不能校正球差，所以聚焦在光纤端面的光斑直径大于光纤模场直径，光信号大部分不能进入光纤，造成了光能的损失。单个非球面透镜可以校正球差，可以通过优化非球面参数把球差校正为到最小甚至零，这大大扩展了耦合透镜的数值孔径，使LD发出的光经透镜聚焦在光纤端面上的光斑直径大大缩小，耦合效率大大增加。
本发明设计了一高次非球面透镜，给出了高次非球面系数，光线追迹模拟了耦合过程，在zemax软件上验证了设计结果，并把设计结果进行实验验证，计算耦合效率为89.8%，实验最大耦合效率88.63%，实验平均耦合效率为79.39%。
发明内容
本发明目的在于提供一种专用TO非球面透镜，将激光二极管出射波长为1.310μm、出射光束发散角Y方向为±35°、Z方向为±23.58°的激光，经TO非球面透镜，在距离出射端6.23mm的光纤接收端耦合进数值孔径NA=0.16的单模光纤中，形成稳定的光纤传输。
根据一些可行的实施方式, 单个TO非球面透镜，其从光束入射方到光束出射方依次为前表面和后表面，前表面和后表面都为凸非球面，即为双凸非球面透镜，透镜材料为K-VC89玻璃，对于波长1.310μm的光波，其折射率为1.78331。非球面面型用最高次为8次的偶次非球面方程表征，非球面系数为优选的。
本发明有益效果:针对特定发光面、光束发散角，采用单个双凸非球面透镜把出射光高效率耦合进单模光纤，结构尺寸小，装配简单；发光面为4μm×3μm，出射光束发散角Y方向为±35°、Z方向为±23.58°的出射激光与数值孔径NA=0.16的光纤耦合效率理论计算为89.8%，实验最大耦合效率88.63%，实验平均耦合效率为79.39%。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1（A）和图1（B）是在此所述的示例实施方式的概括图；
图2（A）是在此所述示例用Zemax软件模拟的耦合光路二维图；
图2（B）是在此所述示例用自编matlab程序模拟的耦合光路三维图；
图3（A）是在此所述示例计算机模拟光接收处汇聚光斑的二维图示；
图3（B）是在此所述示例计算机模拟光接收处汇聚光斑的三维图示；
图3（A）和图3（B）中有关长度的坐标单位为μm；
图中：1.光发射面，2.非球面透镜，3. 光接收面，4.TO帽，5. TO封装中线。
具体实施方式
示例实施方式的以下详细说明参考了附图
将激光二极管1、TO帽4中的非球面透镜2的光轴（x轴）、单模光纤纤芯与TO封装中线5对齐。TO帽支撑非球面透镜，并把非球面透镜2封装在如图1（A）所示的TO帽4中。
如上所述，图1（A）中所示的TO帽4规格仅作为例子提供。其他例子是可行的，且可与关于图1（A）所述的TO帽4规格不同。
如图1（B）所示，激光束经由透镜2从光发射点1处的激光二极管(LD)朝向光接收点3和朝向SMF而被导向。激光二极管发光端为沿光轴远离透镜2一距离，该距离为0.975 mm。透镜2的后表面22顶点布置为沿光轴远离光接收点4.1531mm。
透镜2将光发射点1处从激光二极管朝向光接收点3发射的激光束聚焦，如图1（B）详细示出的。
该TO非球面透镜针对激光二极管出射波长为1.310μm、发光面大小为4μm×3μm，出射光束发散角Y方向为±35°、Z方向为±23.58°的激光，在距离光出射端6.23mm的光纤接收端与数值孔径NA=0.16的单模光纤耦合。
请参阅图1（B），该TO非球面透镜从光发射端至光接收端依次为透镜前表面(21)和透镜后表面(22)。其中x轴为透镜的光轴，透镜前表面和透镜后表面均为以x轴旋转对称。
TO非球面透镜的材料为K-VC89玻璃，对于波长1.310μm的光波，其折射率为1.78331。
优选的，该TO非球面透镜的前表面（21）与后表面（22）顶点之间的距离为1.1019mm，其前表面(21)的通光口径为1.5mm，其后表面(22)的通光口径为1.8mm，其侧表面为直径1.8mm的圆柱面。
请参阅图1（B）、图2（A）和图2（B），TO非球面透镜的前表面21和后表面22均为凸面，且均为非球面，其面型用最高次为8次的偶次非球面方程描述：
Figure 563011DEST_PATH_IMAGE001
其中，x为以各非球面与光轴交点为起点，沿着光轴方向的轴向值，a 2为二次曲面系数；C为镜面中心曲率， R =1/ C为镜面中心曲率半径，
Figure 848499DEST_PATH_IMAGE002
为镜面上一点的垂轴高度；a 4，a 6，a 8为非球面公式中高次项系数，优选的前表面21和后表面22非球面系数列在了表1中
Figure 116669DEST_PATH_IMAGE003
请参阅图2（A）和图2（B），该TO非球面透镜把1处的发射光汇聚到光接收处3的光路图。图2（A）是把优化得到的本发明相关数据代入到zemax软件中的Lens Data Editor相应位置得到的2维光路图，图中示出了3个发光点的光路，分别是0μm处发光点即轴上发光点、垂轴高度1.0μm处发光点、垂轴高度2.0μm处发光点，Zemax中显示垂轴放大率为2.24495。图2（B）是用自编matlab程序模拟的本发明的TO非球面透镜把发光面为4μm×3μm，出射光束发散角Y方向为±35°、Z方向为±23.58°的激光，汇聚在光接收处的三维光路图。
请参阅图3（A）和图3（B），是所述示例计算机模拟光接收处汇聚光斑的二维图示和三维图示。是追迹了32969025万条光线得到的。从图3（A）和图3（B）可以看出光斑形状与发光面形状一致，光斑约为9.0μm×6.75μm，大部分光线落在光纤纤芯直径之内（
Figure 436792DEST_PATH_IMAGE004
）。此光斑图还说明耦合透镜不但起到耦合作用，而且还具有成像的特性，其垂轴放大率约为2.25，与Zemax中显示的垂轴放大率2.24495近似相等。

Claims (6)

1.一种高效耦合的TO非球面透镜，其特征在于：TO非球面透镜包括前表面(21)、后表面(22)和侧表面（23）；该TO非球面透镜将激光二极管出射的波长为1.310μm、发光面大小为4μm×3μm，出射光束发散角Y方向为±35°、Z方向为±23.58°的激光，在距离出射端6.23mm的光纤接收端，与数值孔径NA=0.16的单模光纤耦合。
2.如权利要求1所述的一种高效耦合TO非球面透镜，其前表面(21)和其后表面(22)均为凸面，其侧表面（23）为直径1.8mm的圆柱面。
3.如权利要求1所述的一种高效耦合的TO非球面透镜，其特征在于：其前表面(21)和其后表面(22)均为非球面，其面型用最高次为8次的偶次非球面方程描述：
Figure 334086DEST_PATH_IMAGE001
其中，x为以各非球面与光轴交点为起点，沿着光轴方向的轴向值，a 2为二次曲面系数；C为镜面中心曲率，R=1/ C为镜面中心曲率半径，
Figure 267407DEST_PATH_IMAGE002
为镜面上一点的垂轴高度；a 4，a 6，a 8为非球面公式中高次项系数，这些系数取值如表1所列出：
Figure 467444DEST_PATH_IMAGE003
。
4.如权利要求1所述的一种高效耦合的TO非球面透镜，其特征在于：其前表面(21)顶点和透镜后表面(22)顶点之间的距离即透镜中心厚度为1.1019mm。
5.如权利要求1所述的一种高效耦合的TO非球面透镜，其特征在于：其前表面(21)的通光口径为1.5mm，其后表面(22)的通光口径为1.8mm。
6.如权利要求1所述的一种高效耦合的TO非球面透镜，其特征在于：其材料为K-VC89玻璃，对于波长1.310μm的光波，其折射率为1.78331。
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