CN115421247A - 一种光耦合结构 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种光耦合结构，包括尾纤组件、光波导芯片，所述光耦合结构还包括光斑调整组件及耦合组件，所述光斑调整组件与光波导芯片端面固定；所述耦合组件与尾纤组件的一端固定,所述光斑调整组件对光波导芯片包括光波导的输出端的光斑尺寸进行调整，所述耦合组件将所述光斑耦合进入所述尾纤组件包括的光纤。本申请提供的光耦合结构，能改善光斑模场尺寸严重失配的现象发生，能提升光波导与光纤耦合的稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及光信号传输技术领域，尤其是涉及一种光耦合结构。
背景技术
在光学模块结构中，常常需要将光波导芯片中的光信号耦合至光纤中，以实现信号的传输。然而，现有技术中，光波导芯片在与光纤直接进行信号耦合时，有耦合损耗高的问题。针对此种情况，为了提高耦合效率往往采用磨锥透镜光纤来进行匹配，导致耦合精度要求过高，环境温度变化所导致的耦合效率波动也较大。
发明内容
为了提高光纤与光波导的耦合对准度以及降低耦合损耗，简化组装工艺，本申请提供一种光耦合结构。
本申请提供的一种光纤及小尺寸模场光波导的耦合结构，采用如下的技术方案：
一种光耦合结构，包括：尾纤组件以及光波导芯片，所述光耦合结构还包括光斑调整组件以及耦合组件，所述光斑调整组件与光波导芯片的端面固定；所述耦合组件与尾纤组件的端面固定,所述光斑调整组件对光波导芯片包括光波导的输出端的光斑尺寸也即光波导的模场进行调整，所述耦合组件将调整了模场之后的所述光斑耦合进入所述尾纤组件包括的光纤。
在其中一个实施例中，所述尾纤组件包括毛细玻璃以及与插设于毛细玻璃中的所述光纤，所述耦合组件固定于毛细玻璃的一端且对准所述光纤，所述光纤的另一端露出所述毛细玻璃。
在其中一个实施例中，所述光斑调整组件采用平凸非球透镜。
通过采用上述技术方案，使光波导的轴心与光斑调整组件的轴心对准，能提高端面固定及对准的效率，且凸球面能较好地对光束进行扩斑，为光信号的耦合提供了很好的效果。
在其中一个实施例中，所述光耦合结构还包括基板，所述光波导芯片设置于基板上，所述光斑调整组件固定于所述基板的侧面且与所述光波导对准。
在其中一个实施例中，所述基板的尺寸大于或者等于所述光波导芯片的尺寸。
在其中一个实施例中，所述基板上还设置有定位槽，所述光纤及所述耦合组件设置在定位槽中。
在其中一个实施例中，所述光波导芯片包括的光波导的模场尺寸小于4um；所述尾纤组件中的光纤的模场直径介于6um-9um。
通过采用上述技术方案，通过限定光波导的模场尺寸及尾纤组件中光纤的模场尺寸，给出了最优的光波导与光纤耦合的最佳搭配尺寸，在此尺寸范围下，提高了光信号的耦合的耦合效率，简化了组装工艺。
在本申请的其中一个实施例中，对准标记在常规状态下为透明，在激发光的照射下显示颜色。
通过采用上述技术方案，将光斑调整组件与耦合组件上的对准标记，设置为透明，在激光照射下可激发其产生荧光，在对耦合组件与光斑调整组件信号耦合时，通过对准标记产出的荧光观察耦合组件与光斑调整组件的对准偏差，并进一步微调。
在本申请的其中一个实施例中，光斑调整组件与耦合组件背离彼此的表面分别设置有增透膜。
通过采用上述技术方案，分别在光斑调整组件与耦合组件的平面一侧设置增透膜；增透膜可减少光信号入射至光斑调整组件以及耦合组件上的反射损失，降低光信号的传播损失。
在本申请的其中一个实施例中，光耦合结构还包括玻璃管，所述玻璃管的两端分别嵌套光斑调整组件与耦合组件。
通过采用上述技术方案，在光斑调整组件与耦合组件之间设置玻璃管，光斑调整组件与耦合组件分别嵌套在玻璃管的两个端口中；玻璃管采用与光斑调整组件及耦合组件同种材质，采用小间隙配合，实现了膨胀系数匹配，提高了在恶劣环境下的适应性，降低了耦合损耗波动。
在本申请的其中一个实施例中，所述光斑调整组件的外径及所述耦合组件的外径均与所述玻璃管的内径相同，所述光斑调整组件及耦合组件与所述玻璃管紧配合。
通过采用上述技术方案，当光波导与光纤达到最优的耦合效果后，能采用玻璃管对光斑调整组件及耦合组件进行限位固定，且能保护光斑调整组件的出光面及耦合组件的入光面，避免外界灰尘等杂质颗粒物的干扰。
在本申请中，还涉及一种光耦合结构，包括：光波导模块以及尾纤模块，其特征在于，所述光波导模块包括光波导芯片以及光斑调整组件，所述光斑调整组件的端面与光波导芯片的端面采用端对端直接固定；所述尾纤模块包括尾纤组件及耦合组件，所述耦合组件与尾纤组件的端面固定,所述光斑调整组件对光波导芯片输出端的光斑尺寸进行调整，所述耦合组件将调整尺寸后的所述光斑耦合进入所述尾纤组件包括的光纤。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.当光波导芯片需要与光纤耦合时，是在光波导芯片与光纤之间设置了与光波导芯片端面固定的光斑调整组件，以及设置了与光纤的端面固定的耦合组件，从而扩大了光波导输出的光斑的尺寸，增加了光信号的耦合效率。
2.将光斑调整组件固定于光波导的输出端、将耦合组件固定于尾纤组件的输入端，在实现光波导与光纤的耦合时，只需要调整组合件之间的距离便可快速实现光信号的耦合，提高了产品的可靠性。
附图说明
图1是本申请第一实施例提供的一种光耦合结构的示意图；
图2是本申请第二实施例提供的一种光耦合结构示意图；
图3是图2提供的光耦合结构的俯视图；
图4是本申请第三实施例提供的一种光耦合结构示意图。
附图标记说明：100、光耦合结构；1、光波导芯片；2、光斑调整组件；3、耦合组件；4、尾纤组件；5、基板； 10、铌酸锂衬底；12、光波导；20、镜座；40、毛细玻璃；42、光纤；51、台阶；52、定位槽；6、玻璃管。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-4及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例1
请参阅图1，图1为本申请第一实施例提供的一种光耦合结构100，请一并参阅图2，在本申请中，所述光耦合结构100包括光波导芯片1、尾纤组件4、光斑调整组件2以及耦合组件3。所述光斑调整组件2与光波导芯片1的端面固定；所述耦合组件3与尾纤组件4的端面固定。光斑调整组件2以及耦合组件3均采用平凸非球透镜。平凸非球透镜更容易通过胶体固定，提升了光耦合结构100的稳定性。
或者是，一种光耦合结构100包括：光波导模块以及尾纤模块，所述光波导模块包括光波导芯片1以及光斑调整组件2，所述光斑调整组件的端面与光波导芯片的端面采用端对端直接固定；所述尾纤模块包括尾纤组件4及耦合组件3，所述耦合组件3与尾纤组件4的端面固定,所述光斑调整组件对光波导芯片输出端的光斑尺寸进行调整，所述耦合组件3将调整尺寸后的所述光斑耦合进入所述尾纤组件4包括的光纤。
所述光斑调整组件2对光波导芯片1包括光波导12的输出端的光斑尺寸进行调整，所述耦合组件3将所述光斑耦合进入所述尾纤组件4包括的光纤42。光斑调整组件2及耦合组件3的直径均大于或者等于1毫米。
在本申请中，所述光波导芯片1包括铌酸锂衬底10以及形成于铌酸锂衬底10中的光波导12，所述光波导12的模场尺寸小于4um，优选的1微米。所述尾纤组件包括的光纤的模场直径介于6um-9um。也即光波导12的模场尺寸与光纤的模场尺寸不匹配，所以，在光波导12与尾纤组件4之间设置能调整光波导12的模场尺寸的组件，使光波导中的光信号高效的耦合至尾纤组件4。
所述光斑调整组件2的直径为1-5毫米，光斑调整组件2的直径优选为3毫米，此直径范围第一方面是方便光斑调整组件2与光波导芯片1的组装，另一方面是要充分发挥光斑调整组件2扩束的效果。光波导芯片1具有单偏振特性，只能传输电矢量方向平行于芯片Z切方向的TE模，在其表面设置有光波导12，光波导12可设置为Y型光波导12或者2X2形式的光波导等。
在本申请中，所述尾纤组件4包括毛细玻璃40以及插设于毛细玻璃40中的所述光纤42，所述耦合组件3固定于毛细玻璃40的一端且对准所述光纤42，所述光纤42的另一端露出所述毛细玻璃40。毛细玻璃40的内径略大于光纤42的外径，在毛细玻璃40的一端开设有锥形孔，毛细玻璃40远离锥形孔的一端设置为平面，锥形孔的锥尖设置在毛细玻璃40的内管的圆心上，光纤42通过锥形孔穿插于毛细玻璃40的内玻璃管中，通过在毛细玻璃40的锥形孔内注入紫外固化胶，达到固定光纤42的目的。
光纤42可以为直线光纤，还可以是光纤环的一根，光纤42的直径为125微米、80微米以或者60微米，在此基础上，对毛细玻璃40的内管直径进行设计，设计出可匹配直径分别为125微米、80微米以及60微米的光纤42的毛细玻璃40。
本申请实施例采用光斑调整组件2对光斑进行准直扩束，光斑调整组件2以及耦合组件3均采用非球透镜，光斑调整组件2设置在基板5的侧面，耦合组件3贴设在毛细玻璃40的输入端面上，简化组装工艺，提高了产品的可靠性；将光波导12输出的光信号通过光斑调整组件2扩大光斑后，再传输至光纤42内，降低了光波导12与光纤42的耦合损耗；在基板5上开设的定位槽52来定位耦合组件3，避免了在安装耦合组件3时，通过监测信号耦合效率来定位耦合组件3的安装位置，简化了组装工艺，缩短了组装周期。
由于光波导芯片1中光波导12的模场直径小于4微米，如果直接与光纤42耦合，而光纤42的模场直径是介于6um-9um，这样会造成光波导12中的光斑进入光纤42时，光斑太小，耦合损耗较高。所以，在本申请中，当光波导芯片1需要与光纤42耦合时，是在光波导芯片1与光纤42之间设置了与光波导芯片1固定的光斑调整组件2，以及设置了与光纤42固定的耦合组件3，从而扩大了光波导12输出的光斑的尺寸，增加了光信号的耦合效率。
当将该光耦合结构100用于光纤陀螺仪时，能大大提升光纤陀螺仪的耦合对准效率，降低耦合损耗。
可以理解的是，在一个可能的实施例中，所述光斑调整组件2与耦合组件3表面分别设置有增透膜，以提高光信号的透射率。
可以理解的是，在其它实施例中，所述光耦合结构还可以用于边发射半导体激光器。
可以理解的是，所述光耦合结构可以用于其它的关于光波导与光纤耦合的场景中，以解决光波导的模场与光纤的模场不匹配的技术问题。
实施例2
请继续参阅图2-3，在本申请中，光波导芯片1为薄膜光波导芯片，其厚度较薄，所以，光波导芯片1通过紫外胶等胶体固定在基板5上以提升光波导芯片1的可靠性，基板5的材质可为可伐合金，譬如是可伐合金4J29，基板5的面积尺寸大于或者等于光波导芯片1的面积尺寸。以用于在基板5的侧面固定与光波导12对准的透镜。在本申请中，基板5的尺寸大于光波导芯片1，基板5与光波导芯片1形成台阶51。
基板5上还开设有定位槽52，定位槽52形状设置为V型，在其它实施例中定位槽52的形状也可为U型，耦合组件3安装在定位槽52内，位于定位槽52内的耦合组件3中的光纤42、耦合组件3与光斑调整组件2以及光波导12的轴心处于同一水平线上，并形成光信号耦合。
光斑调整组件2可直接固定于基板5的侧面且光斑调整组件2的轴心与光波导12的轴心对准，光斑调整组件2还可以固定于镜座20中，使镜座20与基板5的侧面固定。
实施例3
请参阅图4，图4为本申请第三实施例提供的一种光耦合结构100的结构示意图。
第三实施例与第一实施例相比，其不同之处在于，在本申请实施例中，光斑调整组件2与耦合组件3尺寸一致，光斑调整组件2与耦合组件3之间设置有玻璃管6，玻璃管6内壁设置有反射层，玻璃管6设置为两端开口的圆柱玻璃套管，玻璃管6的内径略大于光斑调整组件2与耦合组件3的直径，光斑调整组件2与耦合组件3分别嵌套在玻璃管6的两个端口中。
可选地，所述光斑调整组件2的外径及所述耦合组件3的外径均与所述玻璃管6的内径相同，所述光斑调整组件2及耦合组件3与所述玻璃管紧配合。
通过采用上述技术方案，当光波导12与光纤42达到最优的耦合效果后，能采用玻璃管6对光斑调整组件2及耦合组件3进行限位固定，且能保护光斑调整组件2的出光面及耦合组件3的入光面，避免外界灰尘等杂质颗粒物的干扰信号的传输。
本申请实施例通过对玻璃管6封装光斑调整组件2以及耦合组件3，使得光纤42与铌酸锂波导耦合结构的传播光束在玻璃管6中传输，光束入射至耦合组件3的曲面上，发生反射，玻璃管6可将入射至耦合组件3的反射光，经玻璃管6的内壁反射作用，再次反射至耦合组件3的曲面上，使该反射光再次折射进入光纤42内，该实施例通过玻璃管6对耦合组件3的反射光的回收再利用，提高了光信号的耦合效率，降低了光耦合结构的耦合损耗。而且由于玻璃管6的内壁设置有反射层，杂散光不能进入光斑调整组件2及耦合组件3的端面，从而能避免杂散光对光信号耦合的影响，且还可以保护光斑调整组件2及耦合组件3以避免刮伤。综上所述，分开组装光斑调整组件2至光波导12的输出端以及组装耦合组件3至尾纤组件4；分别组装完成后再将两者进行对准耦合，形成的光耦合结构100基本能用于所有需要光波导12与光信号需要耦合的场景中，譬如光纤陀螺仪及边发射半导体激光器中，提高了产品的可靠性。
本申请光耦合结构100的实施原理为：光斑调整组件2固定在光波导芯片1的输出端，耦合组件3固定在尾纤组件4的输入端；光斑调整组件2与光波导芯片1之间采用紫外胶水进行“端对端”粘接；利用光斑调整组件2调整光波导12的模场尺寸，利用耦合组件3的聚焦，使光波导的信号顺利耦合至光纤42，提高了光纤42与光波导12的耦合效率，降低了耦合损耗。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
Claims (10)
1.一种光耦合结构，包括：尾纤组件以及光波导芯片，其特征在于，所述光耦合结构还包括光斑调整组件以及耦合组件，所述光斑调整组件的端面与光波导芯片的端面采用端对端直接固定；所述耦合组件与尾纤组件的端面固定,所述光斑调整组件对光波导芯片输出端的光斑尺寸进行调整，所述耦合组件将调整尺寸后的所述光斑耦合进入所述尾纤组件包括的光纤。
2.根据权利要求1所述的一种光耦合结构，其特征在于：所述尾纤组件包括毛细玻璃以及与插设于毛细玻璃中的所述光纤，所述耦合组件固定于毛细玻璃的一端且对准所述光纤，所述光纤的另一端露出所述毛细玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种光耦合结构，其特征在于：所述光斑调整组件采用平凸非球透镜。
4.根据权利要求1所述的一种光耦合结构，其特征在于：所述光耦合结构还包括基板，所述光波导芯片设置于所述基板上，所述光斑调整组件固定于所述基板的侧面且与所述光波导芯片包括的光波导对准；或
所述基板的尺寸大于或者等于所述光波导芯片的尺寸。
5.根据权利要求4所述的一种光耦合结构，其特征在于：所述基板上还设置有定位槽，所述光纤及所述耦合组件均设置在定位槽中。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种光耦合结构，其特征在于：所述光波导芯片包括的光波导的模场尺寸小于等于4um；所述尾纤组件中的光纤的模场直径介于6um-9um。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种光耦合结构，其特征在于：所述光斑调整组件与耦合组件背离彼此的表面分别设置有增透膜。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的一种光耦合结构，其特征在于：所述光耦合结构还包括玻璃管，玻璃管内部形成有反射层，所述光斑调整组件与耦合组件分别插设于所述玻璃管的相对两端。
9.根据权利要求8所述的一种光耦合结构，其特征在于：所述光斑调整组件的外径及耦合组件的外径均与所述玻璃管的内径相同，所述光斑调整组件及耦合组件与所述玻璃管紧配合。
10.一种光耦合结构，包括：光波导模块以及尾纤模块，其特征在于，所述光波导模块包括光波导芯片以及光斑调整组件，所述光斑调整组件的端面与光波导芯片的端面采用端对端直接固定；所述尾纤模块包括尾纤组件及耦合组件，所述耦合组件与尾纤组件的端面固定,所述光斑调整组件对光波导芯片输出端的光斑尺寸进行调整，所述耦合组件将调整尺寸后的所述光斑耦合进入所述尾纤组件包括的光纤。
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