CN115327685A - 一种用于to封装的单个非球面透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光纤通信领域中一种用于TO封装的单个非球面透镜，该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。该非球面透镜将LD发射波长1.310μm、发光面积3μm×2μm、出射光束数值孔径NA=0.4的激光，在距离发射端4.53毫米的接收端面会聚成为半长轴和半短轴分别为3.3μm和2.2μm的椭圆光斑，与数值孔径NA=0.2的单模光纤耦合效率理论计算为79.83%。

Description

一种用于TO封装的单个非球面透镜
技术领域
本发明属于光纤通信和光束整形领域，特别涉及将发光面为3μm×2μm半导体激光器芯片发射的波长为1.310μm、数值孔径为0.4的激光，在距离发射端4.53mm处耦合进单模光纤的单个非球面透镜。
背景技术
TO是Transistor Outline的缩写，意思是晶体管封装外壳。TO包含管座和管帽，用于TO封装的单个非球面透镜安装在管帽里面，其作用是将半导体激光芯片发出的携带调制信息的激光聚焦耦合到光纤中，确保光学信号的顺利传输。因此，安装在管帽中的透镜的光学性质必须达到相当高的要求。
目前，用于光纤通信的单模光纤的模场直径MFD一般为9μm左右(普通通信用光纤模场直径为 8.2μm)，数值孔径N.A.为0.16~0.4之间，也就是说入射到光纤端面的光，必须汇聚成直径小于9μm的光斑，并且小于一定的入射角度，才能进入光纤，形成稳定的传输。
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也有了更高要求，TO耦合透镜从球透镜发展到了非球透镜。TO球透镜为一简单的球体，光线经过前后两个球面，发生两次折射，这种球透镜结构简单。但由于单个球面透镜不能校正球差，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，单个球透镜与单模光纤的耦合效率大约在5%~15%。如果采用多个专门优化设计的球面透镜可以减小球差，缩小会聚光斑，但是，多个透镜又大大增加装配难度。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发出的光经单个非球面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，单个非球透镜与单模光纤的耦合效率可以提高到50%~60%。
本发明设计了一高次非球面透镜，前后两表面都为非球面凸面，易于加工和装配（凹面不利于加工和装配）。将发光面为3μm×2μm半导体激光芯片发射的波长为1.310μm、数值孔径为0.4激光，耦合到距离发射端4.53mm处直径9μm、数值孔径NA=0.2的单模光纤接收端，计算耦合效率为79.83%。光线追迹模拟了耦合过程，在zemax软件上验证了设计结果。
发明内容
本发明目的在于提供一种专用于TO封装的非球面透镜，将出射波长为1.310±0.02μm、发光面大小为3μm×2μm、数值孔径为0.4的半导体激光芯片发出的携带调制信息的激光耦合进距离其出射端4.53mm的单模光纤中，单模光纤的直径为9μm、数值孔径NA=0.2；根据一些可行的实施方式,用于TO封装的单个非球面透镜，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。
附图说明
针对特定发光面、发射光数值孔径，采用单一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（凹面不利于加工和装配）；发光面为3μm×2μm，发射光束数值孔径NA=0.4的出射激光与直径为9μm、数值孔径NA=0.2的单模光纤耦合效率理论计算为79.83%。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1和图2是在此所述的示例实施方式的概括图；
图3A是在此所述示例用Zemax软件模拟的耦合光路二维图；
图3B是在此所述示例用Zemax软件模拟的耦合光路三维图；
图4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
将半导体激光芯片1、非球面透镜2、单模光纤纤芯与TO帽4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所示的TO帽4中。
如上所述，图1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所述的TO帽4规格不同。
如图2所示，激光束经由透镜2从光发射点1处的半导体激光芯片(LD)朝向光接收点3和朝向SMF而被导向。激光芯片发光端为沿光轴远离透镜2距离，该距离为0.97mm。透镜2的后表面22顶点布置为沿光轴远离光接收点2.66mm。
透镜2将在光发射点1处从激光二极管朝向光接收点3发射的激光束聚焦，如参图2详细示出的。
该用于TO封装的非球面透镜针对激光芯片出射波长为1.310μm、发光面大小为3μm×2μm，出射光束数值孔径NA=0.4的激光，在距离出射端4.53mm的光纤接收端与数值孔径NA=0.2的单模光纤耦合。
请参阅图2，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0.9mm，其前表面(21)的通光口径为1.52mm，其后表面(22)的通光口径为1.7mm，其侧表面为直径1.7mm的圆柱面。
请参阅图3，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 223634DEST_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=1/R，其中R为镜面中心曲率半径，C为镜面中心曲率，
Figure 829583DEST_PATH_IMAGE002
为镜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 269792DEST_PATH_IMAGE003
请参阅图3A和图3B，该TO非球面透镜把光发射点1处发射光会聚到光接收点3处的光路图。图3A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1.50μm处发光点。
图3B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3维光路图，最大视场为物高（垂轴发光高度）为1.5μm，出射光束的数值孔径NA=0.4。
请参阅图4是所述示例计算机模拟光接收处会聚光斑的三维图示。是追迹了 32969025万条光线得到的。从图4可以看出光斑形状为椭圆，椭圆半长轴和半短轴分别为 3.3μm和2.2μm，光线全部落在光纤纤芯直径之内（
Figure 604958DEST_PATH_IMAGE004
）。

Claims (5)

1.一种用于TO封装的单个非球面透镜，能将出射波长为1.310±0.02μm、发光面大小为3μm×2μm、数值孔径为0.4的半导体激光芯片的出射光耦合进距离其出射端4.53mm的单模光纤中，单模光纤的直径为9μm、数值孔径NA=0.2；其特征在于：透镜前表面(21)和后表面(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 235857DEST_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=1/R，其中R为镜面中心曲率半径，C为镜面中心曲率，
Figure 111409DEST_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，这些系数取值如列表1所示；
Figure 609387DEST_PATH_IMAGE003
透镜前表面(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0.9mm；
第3组数据：
第一个非球面参数为c=1/1.731856;a2=-12.835976;a4=-0.010198；a6=-0.009327;a8=0.008822;
第二个非球面参数为c=-1/0.949511;a2=-1.202246;a4=0.010959;a6=-0.008473;a8=0.002621;
两面顶点距离0.9，像面距后面顶点距离2.66。
2.如权利要求1所述的一种用于TO封装的单个非球面透镜，其前表面(21)和其后表面(22)均为凸面，其侧表面(23)为直径1.7mm的圆柱面。
3..如权利要求1所述的一种用于TO封装的单个非球面透镜，其特征在于：半导体激光芯片发光面距透镜前表面(21)顶点0.97mm，单模光纤接收端距透镜后表面(22)顶点2.66mm。
4.如权利要求1所述的一种用于TO封装的单个非球面透镜，其特征在于：其前表面(21)的通光口径为1.52mm，其后表面(22)的通光口径为1.7mm。
5.如权利要求1所述的一种用于TO封装的单个非球面透镜，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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