CN114459459B - 采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块，包括光源、探测器、非球面透镜；所述光源为超辐射发光二极管光源芯片；所述非球面透镜的前端面为聚焦透镜，后端面为镀有半透半反膜的倾斜端面，实现汇聚光源出射光束以及耦合分光；所述光收发一体模块的端口采用尾纤进行收光，实现所述光收发一体模块与光纤陀螺的敏感环模块之间光的交互。该光收发一体模块提高了光纤陀螺中光收发模块的集成度、光路传输效率、光路的信噪比。

Description

采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块
技术领域
本发明属于光电子器件技术领域，具体涉及一种光纤陀螺用光收发一体模块，用于小型化光纤陀螺领域与免光纤连接光收发一体情况下，光源、探测器与尾纤之间的耦合封装。
背景技术
光源和探测器分别是光信号的发出与接收单位，是一个光学系统的首尾两端，也是光纤陀螺的核心器件。干涉式光纤陀螺的光路结构如图1所示，可以分为光源、探测器和耦合器组成的光收发模块，以及Y波导调制器和光纤环组成的敏感环模块两大部分。目前国内成熟的干涉式光纤陀螺方案中，光收发模块的光源、探测器和耦合器之间是相互独立的，而随着惯性导航领域的不断发展，许多应用场景对光纤陀螺都有小型化、高精度的要求。对于小型化光纤陀螺，在保证一定精度要求的同时压缩体积重量是其主要诉求，散装光收发模块的分立器件的独立封装会增加光收发模块的体积重量，此外，尾纤及熔点的存在会带来可靠性和熔点反射引起的额外误差问题。
通过光收发模块的集成一体化，可以显著减小光收发模块的体积重量，减少尾纤用量和熔点数目，在减小光收发模块尺寸的同时适当提高光收发模块的可靠性。
光收发模块集成一体化的难点在于光路结构的设计，光源和探测器之间有可能存在的相互串扰，为结构设计增加了额外的难度，对于此种空间光集成光收发模块，其具体难点在于所实现聚焦以及耦合分光功能的非球面透镜设计，由于聚焦透镜采用的是折射率较大的材质，因而在倾斜端面容易发生全反射，而无法实现半透半反的分光耦合功能，但如果倾斜角度过小，又会造成光源的透射光与从陀螺敏感环中由尾纤返回的包含所传感角速度信息的干涉光的反射光会发生交汇，相互干扰，引起光路噪声，因此需要设计适合的非球面透镜，在不发生全反射的前提下，能够将光源透射光与返回光的反射光分离开来。目前已有的光收发集成方案不多，通常通过贴片(bonding)技术将光源、探测器芯片和波导耦合器粘合在同一基底上，并直接对轴耦合，但这种方法的实验样品存在着损耗大、信噪比低、检测精度低等问题，尚未能推广至工程应用之中。
为了实现光纤陀螺中光收发模块的集成一体化，减小体积尺寸，设计可行的集成光收发模块光路结构是解决问题的关键，本专利提出了一种采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块方案设计，用于减小光纤陀螺中光收发模块的体积重量，对小型化光纤陀螺的研制具有深远意义。
发明内容
本发明的目的是实现光纤陀螺中光收发模块的集成一体化，提出了一种基于单一非球面透镜聚焦与分光的光收发模块集成方案。
该光收发模块的光源部分是光谱宽度较大的超辐射发光二极管(SLD)光源芯片(一般在850nm或1310nm波段)；探测器部分是相应波段的光电二极管；耦合器部分采用前端面为聚焦透镜，后端面是一个镀有半透半反膜的倾斜端面，同时实现汇聚光源出射光束，以及耦合分光的功能；模块的端口采用金属化的透镜光纤作为尾纤进行收光，实现该光收发模块与光纤陀螺的敏感环模块之间光的交互，所设计的光收发模块结构如图2所示。具体的结构设计分析如下：
(1)非球面透镜前端曲面曲率半径的确定：
根据所采用SLD芯片出射光的发散角和它与光收发模块输出端尾纤端面之间的距离确定非球面透镜前端曲面所需的焦距，保证光源芯片输出的发散光能够汇聚到输出尾纤的端面上，并在尾纤的接收孔径之内。
(2)非球面透镜后端面倾斜角的确定：
非球面透镜后端面设定为一个镀有半透半反膜的倾斜端面，根据斯涅耳折射定律，确定由前端面折射后的汇聚光束经过后端面折射后的出射角，确定尾纤端口位置，以及尾纤返回光束由该后端面反射后光的传播途径，从而确定探测器芯片的位置，避免了端面倾角过大导致光源入射光在该端面的全反射，或是倾角过小，光源透射光与尾纤返回光束的反射光交汇，有效减小了光路噪声大小。
(3)非球面透镜侧面处理方式
为避免光源入射光束在后端面上的反射光在光路系统中引起噪声，所设计的非球面透镜采用吸收光处理方式，进行涂黑或者镀吸收膜层，使反射到非球面透镜侧面的光束被吸收损耗掉。
(4)输出尾纤端面
对输出尾纤端面进行处理，将尾纤端面研磨出一个斜面角度，增大其收光孔径与工作距离，提高耦合效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块，包括光源、探测器、非球面透镜；所述光源为超辐射发光二极管光源芯片；所述非球面透镜的前端面为聚焦透镜，后端面为镀有半透半反膜的倾斜端面，实现汇聚光源出射光束以及耦合分光；所述光收发一体模块的端口采用尾纤进行收光，实现所述光收发一体模块与光纤陀螺的敏感环模块之间光的交互。
进一步，所述聚焦透镜的曲率半径采用如下方式确定：根据所述非球面透镜的折射率、所述光源芯片与所述尾纤端面之间的距离确定所述聚焦透镜的前端面的焦距，使得所述光源芯片输出的发散光能够汇聚到尾纤的端面，并在尾纤的接收孔径之内。
进一步，所述聚焦透镜的曲率半径为：
R＝(n-1)f
其中，R为曲率半径，n为折射率，f为焦距。
进一步，所述倾斜端面的倾斜角采用如下方式确定：
Figure BDA0003533761640000031
其中，θc为全反射临界角；n为折射率；
(1)倾斜角θ＜θc－入射光线的汇聚角半角；
(2)倾斜角θ＞折射光线的汇聚角，且倾斜角θ＞尾纤返回光线的发散角。
进一步，所述尾纤位置与探测器位置采用如下方式确定：根据斯涅耳折射定律，确定由前端面折射后的汇聚光束经过后端面折射后的出射角，确定尾纤端口位置，以及尾纤返回光束由后端面反射后光的传播途径，确定探测器的位置。
进一步，所述非球面透镜的侧面进行涂黑或镀吸收膜层。
进一步，所述尾纤端面为斜面。
相对于现有技术，本发明的优点与有益效果在于：
(1)本发明采用的结构方案具有普适性，可适用于不同波段的光源管芯、探测器芯片与尾纤之间通过一个2×2耦合器进行分光耦合的光路结构集成一体化，为光纤陀螺光收发模块的集成化和小型化提供了可靠的技术途径，为减小光收发模块的整体传输损耗提供了可靠的技术途径。
(2)本发明采用了单一透镜实现对光源出射光束汇聚，并将光束进行分光耦合，提高光收发模块集成度的同时，提高了光路传输效率。
(3)本发明在关注光路传输效率的同时，避免了正反两路光束的串扰，提高了光路的信噪比，保证了陀螺的精度。
附图说明
图1是本发明“采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块”中光纤陀螺的光路结构图，其中图1(a)为光收发模块中的元件互相分离，独立封装，元器件之间通过尾纤熔接互相连接，图1(b)为光收发模块中光源管芯和探测器管芯通过单一透镜实现耦合分光，各元件之间通过空间光传输连接，一体化封装，形成单一器件(光收发模块)；
图2是所设计的空间光集成光收发模块结构示意图；
图3是一般空间光集成光收发模块光路结构示意图，其中图3(a)是采用独立的光源芯片、聚焦透镜、分光片以及探测器芯片直接对轴耦合封装，图3(b)是采用TO封装的光源和探测器，将聚焦透镜做在它们的通光窗口上，再通过分光片分光耦合，并集成一体；
图4是非球面透镜后端面上光线发生折射的示意图，其中图4(a)是光源入射光线15汇聚后以水平光束为代表，在斜端面13处的折射示意图；图4(b)是尾纤返回光束17以水平光束为代表在斜端面13处的反射示意图；而入射光线15在斜端面13处的反射光，以及尾纤返回光束17在斜端面13处的折射光束均被透镜10的侧面吸收损耗掉，不做考虑。
图中：1-光收发模块；2-敏感环模块；3-光源元件；4-探测器元件；5-耦合器；6-Y波导调制器；7-光纤环；8-光源管芯；9-探测器管芯；10-非球面透镜；11-光收发模块尾纤端子；12-非球面透镜前聚焦端面；13-非球面透镜后端镀有半透半反膜的斜端面；14-光源出射发散光束；15-入射光线；16-折射光线；17-尾纤返回光线；18-尾纤返回光线的反射光线；19-聚光透镜；20-分光片；21-聚光透镜；22-带准直透镜的SLD光源；23-带聚焦透镜窗口的探测器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明针对小型化光纤陀螺用光收发一体模块以及光路精度的较高需求，采用单一透镜聚焦与分光耦合的空间光传输集成方式，减小了光收发模块的体积重量，同时取缔了传统分离器件之间的尾纤连接，减少了环境因素对光纤特性影响引入的非线性误差，如图1所示。采用该光路方案的关键在于所采用聚焦分光透镜的设计以及整体光路结构设计，即需要所采用的聚焦分光透镜同时起到对光源出射光束的汇聚以及对光束的分光耦合的作用。本发明设计采用的光收发模块集成方案为：采用后端面为镀有半透半反膜且具有一定倾角的倾斜端面的非球面透镜，以满足在不发生全反射的同时能够将光源透射光束与从尾纤中返回光束的反射光束分离开的要求。具体实施方案如下所述。
通常情况下，空间光集成光收发模块采用透镜聚焦，再采用分光片进行分光耦合，如图3(a)所采用的单独的聚焦透镜与分光片，以及图3(b)所示的在光源与探测器的通光窗口处设置为相应的透镜装置，前者所需分立元件数目过多，后者则需要将光源与探测器先行封装好，且在端口做相应处理，增加了工艺复杂度，也降低了可集成程度。
本发明将光收发模块中聚焦透镜与分光片的功能集成一体，设计了适合该光路具有分光端面的聚焦透镜，进而设计了采用单一透镜的小型化光收发一体模块，如图2所示。所设计非球面透镜采用对所使用波段透明的玻璃材质(以BK7材质为例，850nm的折射率为1.517)，通过前端曲面的折射实现对光源出射的发散光的汇聚，其端面曲率的计算公式如下：
Figure BDA0003533761640000051
其中，f为焦距，n为折射率，R为曲率半径，由于光源尺寸较小，可以近似看为有一定发散角的点光源，在此可以将所需的透镜焦距近似为光源管芯8的出射端面与非球面透镜前聚焦端面12之间的距离。
在非球面透镜的后倾斜端面处，由于光从玻璃介质折射到空气中，即是从光密介质入射到光疏介质，如果入射角度过大，便会发生全反射，在该端面上发生的全反射的临界条件是：
Figure BDA0003533761640000052
式中，θc为全反射临界角；nBK7为折射率；
对于水平入射的光，在后端面的折射角由折射率公式给出：
n1sinθ1＝n2sinθ2 (3)
式中，h1、n2分别为入射方介质和折射方介质的折射率，θ1、θ2为入射角和折射角。
当后端面倾角为θ时(定义端面与垂直轴的夹角为倾角，此时该端面与水平轴的夹角为90°-θ)，水平光线在后端面上的入射角为θ，如图4(a)所示，水平光线的折射角为：
Figure BDA0003533761640000053
根据水平光线的折射角确定由前端面折射后的汇聚光束经过后端面折射后的出射角，确定尾纤端口位置，以及尾纤返回光束由该后端面反射后光的传播途径，从而确定探测器芯片的位置。此外，水平返回光线的入射角与反射角均为θ，考虑到入射光线15的全反射问题以及折射光线16与反射光线18的分离问题，后端面的倾斜角θ的设计一定要合乎要求，考虑到入射光线15的汇聚角，以及尾纤返回光线17的发散角，为使光线不发生全反射，入射光线15与斜端面13法线的夹角应不超过全反射临界角(即入射光线15汇聚角半角+斜端面13倾角θ＜θc)；为使折射光线16和反射光线18不发生交汇，在光路中产生串扰与噪声，尾纤返回光线17与斜端面13法线的夹角θ应大于折射光线16汇聚角以及尾纤返回光线17发散角。对于折射率在1.5左右的BK7等材料的透镜而言，该倾斜角θ一般需要控制在15°～35°之间，保证了光线不会在斜端面13处发生全反射的同时，折射光线16与反射光线18不会发生交汇。
本发明从光线传输的角度阐述了光纤陀螺光收发模块的空间光集成方案。本发明提出了一种采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块方案设计，能够在提高光收发模块集成度的同时减小光路误差，为轻小型高精度光纤陀螺的研制提供了有效可行方案。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块，其特征在于，包括光源、探测器、非球面透镜；所述光源为超辐射发光二极管光源芯片；所述非球面透镜的前端面为聚焦透镜，后端面为镀有半透半反膜的倾斜端面，实现汇聚光源出射光束以及耦合分光；所述光收发一体模块的端口采用尾纤进行收光，实现所述光收发一体模块与光纤陀螺的敏感环模块之间光的交互；
所述倾斜端面的倾斜角采用如下方式确定：
Figure FDA0003940473040000011
其中，θc为全反射临界角；n为折射率；
(1)倾斜角θ＜θc－入射光线的汇聚角半角；
(2)倾斜角θ＞折射光线的汇聚角，且倾斜角θ＞尾纤返回光线的发散角。
2.根据权利要求1所述的采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块，其特征在于，所述聚焦透镜的曲率半径采用如下方式确定：根据所述非球面透镜的折射率、所述光源芯片与所述尾纤端面之间的距离确定所述聚焦透镜的前端面的焦距，使得所述光源芯片输出的发散光能够汇聚到尾纤的端面，并在尾纤的接收孔径之内。
3.根据权利要求2所述的采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块，其特征在于，所述聚焦透镜的曲率半径为：
R＝(n-1)f
其中，R为曲率半径，n为折射率，f为焦距。
4.根据权利要求1所述的采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块，其特征在于，所述尾纤位置与探测器位置采用如下方式确定：根据斯涅耳折射定律，确定由前端面折射后的汇聚光束经过后端面折射后的出射角，确定尾纤端口位置，以及尾纤返回光束由后端面反射后光的传播途径，确定探测器的位置。
5.根据权利要求1所述的采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块，其特征在于，所述非球面透镜的侧面进行涂黑或镀吸收膜层。
6.根据权利要求1所述的采用单一透镜的小型化空间光集成光收发一体模块，其特征在于，所述尾纤端面为斜面。
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