CN1155843C - 光传输和接收组件 - Google Patents

Abstract

一个光传输和接收组件包括一个光源；一个光接收元件；和一个分光元件；该分光元件用于使来自光源的信号光入射到光纤、并使从所述光纤输出的信号光入射到所述的光接收元件。该分光元件包括一个棱镜矩阵，该棱镜矩阵具有多个以基本相同的间距平行设置的三角形棱镜、所述棱镜位于垂直于光源和光接收元件的光轴的平面内，并基本上垂直于连接光源和光接收元件的假想线延伸。

Description

光传输和接收组件

技术领域

本发明涉及光通信系统中用于通过光纤发射和接收光信号的光传输和接收组件，尤其涉及例如根据IEEE 1394和USB 2而实现高速传输的光传输和接收组件。

背景技术

日本公开的专利申请7-248429公开了一个如图30所示的光传输和接收组件1000。光传输和接收组件1000用以下方式进行工作。

传输信号光由光发射元件1001经安装在盒上的盖玻片1060发射、并被傅科棱镜1003分为两个光组分。透镜1004将两个光组分会聚在点A和点B。也就是，只有一个光组分入射到光纤1007。

由光纤1007输出的接收信号光被透镜1004会聚、而后入射到傅科棱镜1003。该光被傅科棱镜1003分为两个光组分、并经盖玻片1060发射。两个光组分中之一入射到光接收元件1002。

日本公开的专利申请8-15582公开了另一个如图31所示的光传输和接收组件2000。该光传输和接收组件2000用以下方式进行工作。

半导体激光器2002发射的传输信号光由透镜2004准直。之后该光入射到全息衍射光栅2005而分成零级光组分和一级光组分。只有零级光组分被会聚并入射到光纤2006。

由光纤2006输出的接收信号光入射到全息衍射光栅2005、并分成零级光组分和一级光组分。两个光组分被准直。只有被透镜2004会聚的一级光组分入射到光接收元件2003。

图30所示的光传输和接收组件1000存在下述问题。

(1)由于傅科棱镜1003的顶角小到2°～3°，所以光发射元件1001和光接收元件1002必然彼此靠近。这样，光接收元件1002必须远离接收信号光的焦点1008。于是，需要在扩展状态下检测该接收信号光。这就要求光接收元件1002较大。而较大的光接收元件1002的容积不利于进行高速传输。

虽然，为了加大光发射元件1001与光接收元件1002之间的距离可以增大傅科棱镜1003的顶角，但这要求傅科棱镜1003较厚。因此，难以减小光传输和接收组件1000的尺寸。

(2)由于当傅科棱镜1003不位于光纤1007的光轴上时、傅科棱镜1003的分光比例与所设计的分光比例不同，因此傅科棱镜1003必须以高精度安装。

(3)当RCLED(谐振腔发光二极管)用作光发射元件1001时，由于高效RCLED产生的光的峰值幅射角不是0°，所以光利用系数下降。

图31所示的光传输和接收组件2000存在下述问题。

(1)光的波长随半导体激光器2002的温度而改变。当入射到全息衍射光栅2005的光波长变化时，入射到光接收元件2003的光的会聚位置和光斑直径改变。于是，光传输和接收组件2000的光接收灵敏度下降。

(2)由于来自全息衍射光栅2005的衍射光包含不能用于通信的高级衍射光组分，所以光传输和接收组件2000的光利用系数下降。

(3)由于光栅的微细间距，所以能够消除高级衍射光组分的锯齿形衍射光栅不易制造。

(4)当用RCLED代替半导体激光器2002作为用作光发射元件时，由于高效RCLED产生的光的峰值幅射角不是0°，所以光利用系数下降。

发明内容

本发明的目的是这样实现的，即提供一个光传输和接收组件，包括：

一个光源；

一个光接收元件；

一个分光元件，用于使来自光源的信号光入射到光纤、并使从所述光纤输出的信号光入射到所述的光接收元件，

其中，所述的分光元件包括一个棱镜矩阵，该棱镜矩阵具有多个以基本相同的间距平行设置的三角形棱镜、所述棱镜位于垂直于光源和光接收元件的光轴的平面内，并基本上垂直于连接光源和光接收元件的假想线；

所述组件满足d/2＞P＞＞λ/sinθ，其中，d是光纤直径，λ是来自光源的光波长，P是多个三角形棱镜的间距，θ是多个三角形棱镜的偏转角；

每个三角形棱镜都具有约-20°～60°范围的顶角，该组件满足：

1/tan(1/αtx)＝1/tan(1/αrx)+tan(αrx-arcsin(αtx/n))

其中αtx为一个顶角，αrx为另一个顶角，n是每个三角棱镜的折射率；

该组件满足Φ＞B，其中Φ是从光纤输出到棱镜矩阵的信号光的直径，B是每个三角形棱镜基底的长度。

根据本发明的一个方面，光传输和接收组件包括一个光源；一个光接收元件；和一个分光元件，光传输和接收组件使来自光源的信号光入射到光纤、并使从该光纤输出的信号光入射到光接收元件。分光元件包括一个棱镜矩阵，棱镜矩阵包含多个以基本相等的间距平行设置的三角形棱镜、所述棱镜位于垂直于光源和光接收元件的光轴的平面内，并基本垂直于连接光源和光接收元件的假想线。

在本发明的一个实施例中，光传输和接收组件满足d/2＞P＞＞λ/sinθ，其中，d是光纤直径，λ是来自光源的光波长，P是多个三角形棱镜的间距，θ是多个三角形棱镜的偏转角。

在本发明的一个实施例中，每个三角形棱镜具有等腰三角形的横截面。

在本发明的一个实施例中，每个三角形棱镜具有-20°～60°的顶角。

在本发明的一个实施例中，光传输和接收组件满足：

1/tan(1/αtx)＝1/tan(1/αrx)+tan(αrx-arcsin(αrx/n))，

其中，αtx是一个顶角，αrx是另一个顶角，n是每个三角形棱镜的折射率。

在本发明的一个实施例中，光传输和接收组件满足Φ＞B，其中Φ是从光纤输出到棱镜矩阵的信号光的直径，B是每个三角形棱镜基底的长度。

在本发明的一个实施例中，棱镜矩阵由丙烯树脂构成。

在本发明的一个实施例中，光源包括一个由半导体激光器元件构成的光发射元件。

在本发明的一个实施例中，光源包括一个由谐振腔发光二极管构成的光发射元件。

在本发明的一个实施例中，光源包括一个光发射元件，分光元件的偏转角与来自光发射元件的辐射光的峰值辐射角基本上彼此相等。

在本发明的一个实施例中，光源包括一个光发射元件，该光发射元件包含一个第一会聚透镜，该光接收元件包含一个第二会聚透镜，该光传输和接收组件还包括至少一个设置在棱镜矩阵、第一会聚透镜和第二会聚透镜之间的准直透镜，至少一个准直透镜与该棱镜矩阵平行。

在本发明的一个实施例中，棱镜矩阵与准直透镜构成为一体。

在本发明的一个实施例中，顶角αtx与αrx不同，这里αtx是每个三角形棱镜的一个顶角、αrx是每个三角形棱镜的另一个顶角。

在本发明的一个实施例中，棱镜矩阵被垂直于棱镜矩阵的低谷和尖峰的线分成多个棱镜区，低谷和尖峰在依次的棱镜区的基底上位移。

在本发明的一个实施例中，不同棱镜区中的低谷和尖峰具有彼此不同的长度。

在本发明的一个实施例中，棱镜矩阵包含具有随机深度的低谷和具有随机高度的尖峰。

因此，本文所述的发明可提供一个具有满意的光利用系数的结构紧凑且易于制造的光传输和接收组件。

以下结合附图所作的详细说明将使本领域的技术人员对本发明的这些和其它优点更加清楚。

附图说明

图1是本发明第一实例中光传输和接收组件的示意图；

图2～5是比较普通实例与本发明第一实例中的棱镜的视图；

图6是表示棱镜顶角αtx与第一实例中模拟实验得到的光利用系数之间关系的曲线；

图7是表示棱镜顶角αtx与第一实例中模拟实验得到的分光比例之间关系的曲线；

图8是表示棱镜正顶角的视图；

图9是表示棱镜负顶角的视图；

图10是表示入射到棱镜的光被折射到光接收元件的视图；

图11是表示入射到棱镜的光被折射到光纤的视图；

图12是表示不同顶角αtx与分光比例之间关系的曲线；

图13是表示不同顶角αtx与光利用系数之间关系的曲线；

图14是本发明第二实例中光传输和接收组件的剖面图；

图15是图14中所示光传输和接收组件沿图14的线A-A的剖面图；

图16是本发明第三实例中光传输和接收组件的剖面图；

图17是图16所示光传输和接收组件的光学系统的放大视图；

图18A、18B和18C分别是图16中所示光传输和接收组件的模制盒的侧视图、平面图和前视图；

图19是表示本发明第四实例中RCLED的示例性剖面视图；

图20是表示具有不同光电转换效率的RCLEDs辐射特性的曲线图；

图21是本发明第五实例中光传输和接收组件的光学系统的平面图；

图22是图21中所示光传输和接收组件的光学系统的放大视图；

图23是图21中所示光传输和接收组件的改进的视图；

图24是本发明第六实例中光传输和接收组件的视图；

图25是本发明第七实例中光传输和接收组件的视图；

图26是在第七实例中当αtx＝αrx＝60°时、以及当αtx＝60°而αrx＝65°时、光传输和接收组件的光接收元件在不同位置所接收光强度的示意图；

图27是表示本发明第八实例中光传输的接收组件的棱镜矩阵的视图；

图28是第八实例中棱镜矩阵的视图，表示来自该光组件的光的相干性下降；

图29是表示本发明第九实例中光传输和接收组件的棱镜矩阵的照片；

图30是普通的光传输和接收组件的视图；

图31是另一个普通光传输和接收组件的视图。

具体实施方式

下面结合附图的实例说明本发明。

图1是本发明第一实例中光传输和接收组件100的示意图。

光传输和接收组件100包括一个光源10，一个光接收元件11和一个分光元件20。

光源10将发射光51输出到分光元件20。例如，光源10可包括一个发光二极管10a和一个用于会聚发光二极管10a的输出光的透镜10b。

光接收元件11接收来自分光元件20的接收光。例如，光接收元件11可包括一个光电二极管11a和一个用于会聚接收光52的透镜11b。

连接光源10和光接收元件11的假想线沿箭头X所示的方向(称作“方向X”)延伸。箭头Z所示的方向(下文称作“方向Z”)基本垂直于方向X，箭头Y所示的方向(下文称作“方向Y”)基本垂直于方向X和方向Z。

分光元件20将来自光源10的发射光51作为信号光53输出到光纤30、并将从光纤30接收的信号光54作为接收光52输出到光接收元件11。分光元件20可包括一个基体21和一个包含多个棱镜22的棱镜矩阵22A。

基体21可由PET构成(聚乙烯远酞酸盐)，棱镜22可由丙烯树脂构成。

当截面垂直于方向Y时，每个棱镜22基本呈三角形。三角棱镜22的边23平行基体21、并沿方向Y伸展。相邻棱镜22的边23之间的间距设为P。αtx表示面对光源10所发射的发射光51的三角形顶角，αrx表示光接收元件11离开所接收的接收光52的三角形顶角。

字母θ表示棱镜22的偏转角，该角由方向Z与发射光51构成、也由方向Z与接收光52构成。

光传输和接收组件100应满足条件P＞＞λ/sinθ。在P＝λ/sinθ的条件下，分光元件20所进行的分光和偏转主要受衍射影响。

当满足条件P＞＞λ/sinθ时，分光元件20所进行的分光和偏转主要受折射影响。这种分光和偏转不会明显地受到光源10所发射光的波长变化的影响，所以高衍射级的光组分不会产生。因此，光传输和接收组件100具有满意的光利用系数。

全息衍射光栅具有例如-3.453的阿贝数。丙烯树脂构成的棱镜矩阵具有57的阿贝数。包括由丙烯树脂构成的棱镜矩阵22A的光传输和接收组件100对波长的变化敏感度至少比使用全息衍射光栅的光传输和接收组件小10倍。

光传输和接收组件100应满足条件Φ＞B，这里Φ表示从光纤30输出到棱镜矩阵22A的信号光54的光斑直径、也表示从棱镜矩阵22A输出到光纤30的信号光53的光斑直径，B表示棱镜22的基底长度。

当棱镜22的位置偏移间距P的1/4时，棱镜22的位置偏移所引起的分光比例(分割入射光所得到的光组分的光斑直径的比例)的变化最大。这将结合图2-6进行说明。

图2和4是表示具有光斑直径Φ的光组分51A入射到傅科棱镜1030上、且该光组分被分成两个光组分51B和51C的图，其中独立使用的(即，不在多个棱镜组合中)傅科棱镜1030与图30所示光传输和接收组件1000的傅科棱镜1003相似。图3和5是表示具有光斑直径Φ的光组分51A入射到光传输和接收组件100的棱镜矩阵22A上、并被分成两个光组分51D和51E的图。

傅科棱镜1030和棱镜矩阵22A具有相同的尺寸L。

在图2和3中，傅科棱镜1030和棱镜矩阵22A都具有1∶1的分光比例。

在图4中，傅科棱镜1030位于光组分51A的中心轴51F的下面的距离D处，傅科棱镜1030的分光比例偏离1∶1。

在第一实例中，当棱镜矩阵22A位于图3所示位置的下面时，棱镜矩阵22A的分光比例偏离1∶1。如图5所示，当棱镜矩阵22A位于相对于中心轴51F位于下面1/2P时，棱镜矩阵22A的分光比例恢复到1∶1。

因此，当棱镜矩阵22A满足条件Φ＞B时，光传输和接收组件100(图1)对波长变化的敏感度小于包含诸如傅科棱镜1030或1003(图30)的棱镜的光传输和接收组件1000。

更优选地，光传输和接收组件100满足条件d/2＞P。这里，d表示光纤30的直径。

当光传输和接收组件100满足条件Φ＞B时，棱镜矩阵22A的高度h2小于傅科棱镜1030的高度h1。换言之，满足条件Φ＞B的光传输和接收组件100可小于或薄于包含傅科棱镜1030或1003的光传输和接收组件1000。

图6是表示棱镜22的顶角αtx与由模拟实验得到的光利用系数之间的关系曲线。图7是表示顶角αtx与由模拟实验得到的分光比例之间的关系曲线。棱镜22的折射率是1.5。图6和7中“数学式(1)”是指下面的表达式：

1/tan(1/αtx)＝1/tan(1/αrx)+tan(αrx-arcsin(αrx/n))

如图6所示，当棱镜22的顶角α tx在-20°～60°的范围时，光利用系数、即光传输时的传输率ηtx和光接收时的传输率ηrx的总量约为85％或更大。

棱镜22的顶角αtx的正值说明各棱镜22的顶角面对光纤30，如图8所示。棱镜22的顶角αtx的负值说明各棱镜22的顶角背对光纤30，如图9所示。

光传输时的传输率ηtx可等于光接收时的传输率ηrx。

出于下文的原因，为了实现条件ηtx＝ηrx，光传输和接收组件100可满足表达式(1)：

1/tan(1/αtx)＝1/tan(1/αrx)+tan(αrx-arcsin(αrx/n))。

原因如下。

图10是表示入射到棱镜22的光被分光并折射到光接收元件11的图(图1；图10中的右底部)。

当忽略折射表面的菲涅耳反射时，图10所示光的传输率表示为Prx/P。

Prx/P＝{h/tanαrx}/{h(1/tanαrx+1/tanαrx)}

     ＝{1/tanαrx}/{1/tanαrx+1/tanαrx)}

其中，P＝(1/tanαrx+1/tanαrx)，Prx＝h/tanαrx，h是棱镜22的高度。

图11是表示入射到棱镜22的光被分光并折射到光纤30的图(图1；图11的左部)。

当忽略折射表面的菲涅耳反射时，图11所示光的传输率表示为Ptx/P。

Ptx/P＝{1/tanαtx+tan(αrx-arcsin(αrx/n))}/{1/tanαtx+1/tanαrx}

其中，Ptx＝h/tanαtx+h(tan(αrx-arcsin(αrx/n)))，n是棱镜22的折射率。

为了实现ηtx＝ηrx，由于Ptx＝Prx、因此需满足表达式(1)：

1/tan(1/αtx)＝1/tan(1/αrx)+tan(αrx-arcsin(αtx/n))。

在图7中，当αrx＝αtx时得到曲线71，当满足表达式(1)时得到曲线72。

在曲线71(αrx＝αtx)的范围之外，曲线72(满足表达式(1))满足ηtx＝ηrx(ηtx/ηrx＝1)。

即使满足表达式(1)，当因不能忽略的菲涅耳反射而使顶角αtx超出前述范围时，则分光比例为ηtx/ηrx＜1。为了在较宽的顶角范围实现ηtx＝ηrx，必须基于菲涅耳反射确定顶角αtx。

当ηtx＝ηrx时，相同类型光传输和接收组件之间的光利用系数按下文所述进行改进。

在下文中，设定两个光传输和接收组件。一个光传输和接收组件在光传输时的传输率是ηtxA、在光接收时的传输率是ηrxA，另一个光传输和接收组件在光传输时的传输率是ηtxB、在光接收时的传输率是ηrxB。

由于各光传输和接收组件的分光元件是波面分光型的，所以ηtxA+ηrxA＝1、ηtxB+ηrxB＝1。由于两个光传输和接收组件是相同的类型，所以ηtxA＝ηtxB、ηrxA＝ηrxB。光利用系数由ηtxA×ηrxB或ηtxB×ηrxA表示。

根据上述的关系，ηtxA×ηrxB＝ηtxA×ηrxA＝ηtxA×(1-ηtxA)。当ηtxA＝0.5，即ηtxA＝ηrxA时、光利用系数最高。

根据其使用的需要，光传输和接收组件可具有非1∶1的分光比例。

例如，通常很希望在通信期间能降低移动通信终端的功率消耗。在这种情况下，为了改进传输时的效率，分光比例可设为ηtx/ηrx＞1，传输比接收消耗更多的功率。

图12是当αtx为30°、45°和60°时，αrx与分光比例之间的关系曲线。图13是当αtx为30°、45°和60°时，αrx与光利用系数之间的关系曲线。为了实现ηtx/ηrx＞1、例如，ηtx/ηrx＝5，如图12中的曲线121所示，αtx约30°、αrx约60°。在这种情况下如图13的曲线131所示，光利用系数约85％或更大。

图1中的光传输和接收组件100的间距P大于图31中的光传输和接收组件2000的全息衍射光栅2005的间距。

在光传输和接收组件2000中，如，当来自光源的光波长λ是650nm、衍射角θ是30°，全息衍射光栅2005的间距是P时，P＝λ/sinθ＝1.3μm。

在图1示出的光传输和接收组件100中，当棱镜22由丙烯树脂构成并具有45°的顶角αtx和αrx时，棱镜22的折射角约30°。当棱镜22的高度h2(图3)是25μm时，间距P是50μm。在这些条件下，光传输和接收组件100比图31所示的光传输和接收组件2000更易于制造。

图14是本发明第二实例中的光传输和接收组件200的剖视图。图15是沿图14中线A-A的剖视图。与图1相同的元件使用相同的标号、并省略对其的详细说明。

为了传输信号，将带有光纤30的插头210插入光传输和接收组件200中。光纤30与插头210同轴设置。

光传输和接收组件200包括一个具有被整体模制的半导体光发射块201和半导体光接收块202的模制盒230和一个分光元件20。光传输和接收组件200还包括一个其中装有内置式ICs 240的PWB(印刷电路板)290。模制盒230、分光元件20和PWB 290封装在外壳220中。

外壳220具有一个用于保持插头210位置的插孔、一个插入分光元件20的插槽、一个插入模制盒230的模制盒插入部分、和一个插入PWB 290的PWB安装部分，这些结构均未示出。外壳220用例如尼龙或ABS树脂经注模法制成。

包含半导体光发射块201和半导体光接收块202的模制盒230以下述方式制作。用银浆或铟浆将半导体光发射块201和半导体光接收块202固定到引线框架280。引线框架280通过在铜板上涂敷银而形成。而后，通过引线连接使引线框架280与半导体光发射块201和半导体光接收块202电连接。将被连接的引线框架280、半导体光发射块201和半导体光接收块202装入模具并用转移模制法进行处理。至少将两个透镜(未示出)模制在模制盒230的表面上。

利用注模法处理具有与棱镜矩阵22A(图1)相反形状的模具中的透明树脂、例如丙烯树脂而制成分光元件20。将分光元件20沿方向Y(图15)插入外壳220的插入槽，并用粘接剂固定。

也以棱镜片名称等使用或用于补偿液晶显示面板背景光亮度的分光元件20可经市场从许多公司购买。在本实例中，使用住友3M有限公司生产的BEF II 90/50。该棱镜片包含设置在PET层上的具有45°顶角的丙烯树脂等腰三角形棱镜矩阵。分光元件20沿方向Y插入如上所述的槽。

PWB 290具有ICs 240；电阻器(未示出)或电容器(未示出)。ICs 240包含放大器、驱动电路、以及解调和调制电路。ICs 240的部分或整体、电阻器或电容器可装在模制盒230内。

PWB 290沿方向Y插入外壳220的PWB的安装部分中，并被固定。模制盒230的引线285插入PWB 290的孔中，引线285焊接到PWB 290的图案上以便电连接。

下面说明光传输和接收组件200的示范性操作。

接收信号光从光纤30输出、并沿方向Z入射到分光元件20。

然后，分光元件20将该光分成相对方向Z倾斜±30°的两个光组分。一个光组分被模制盒230表面上的透镜会聚、并入射到半导体光接收块202。

入射到半导体光接收块202的接收信号光变成接收信号电流、并被PWB 290上的电路处理。而后，接收信号电流进入主PWB(未示出)，将光传输和接收组件200安装到该主PWB上。

一个发射信号经主PWB和引线285输送到半导体光发射块201。该信号由半导体光发射块201变成发射信号光、并被模制盒230表面上的透镜会聚。而后，该发射信号光以相对方向-Z(与方向Z相反)倾斜30°的角入射到分光元件20。

该光沿方向Z被分光元件20偏转、并入射到光纤30。而后，该光被另一个传送信息的装置接收。

由于插头210相对光纤30的光轴对称，所以为了减小光传输和接收组件200的尺寸也可使分光元件20的棱镜矩阵相对光纤30的光轴对称。

图16是本发明第三实例中光传输和接收组件300的剖视图。图16表示沿与图15相同方向的剖面，并表示把具有光纤30的插头310插入到光传输和接收组件300的状态。图17是光传输和接收组件300的放大视图。图18A、18B和18C分别是模制盒230(图16)的侧视图、平面图和前视图。与前述实例相同的部件使用相同的标号、并省略对它们的详细说明。

光传输和接收组件300包括作为光发射元件的半导体激光二极管(LD)40、以取代第一实例中用于光传输和接收组件100中的发光二极管(LED)。下面说明光传输和接收组件300与光传输和接收组件100的区别。

参照图16和17，LD阵列61以下述方式制成。

将氧化铝或类似的陶瓷体切割成规定形状而制成辅助底座60。金、铝或类似的电极形成在辅助底座60的表面上。用蜡将半导体LD 40和金锡合金的LD光监测光电探测器(MPD)50固定在该电极上。通过引线连接将半导体LD 40和LD光MPD 50电连接到辅助底座60。测试所得到的LD阵列61、并完成制作。

参照图18A、18B和18C，模制盒230以下述方式制成。

在铜板上涂敷银而制成引线框架280。用银浆或类似物将半导体光接收块202固定在引线框架280上、并通过引线连接与引线框架280电连接。将引线框架280和半导体光接收块202放入铸模、并进行转移注模处理。一个透镜整体形成在模制盒230的表面上。用铟浆或类似物将LD阵列61固定在引线框架280上。从而制成模制盒230。

参照图17说明光传输和接收组件300的示例性操作。

来自半导体LD 40的激光的后组分41入射到LD光MPD 50、并变成用于控制半导体激光器驱动电路(未示出)的控制信号。激光的前组分42(发射信号光)入射到分光元件20、并被偏转。而后，该偏转光入射到光纤30、并被另一个传输信息的装置接收。

参照图19和20说明本发明的第四实例。该实例提出了一个具有谐振腔结构的常规发光二极管，以便用于改进如在“自发发射控制二极管”OPTRONICS(1993，第4号)中所述的发光二极管的特性(光一电转换率、波长半宽度，辐射半宽度，响应速度等)。目前，LEDs、RCLEDs这类器件已经大批量生产。

图19表示可用于本发明光传输和接收组件的RCLED 400的示意性剖面。如图19所示，RCLED 400包括以下述顺序重叠的一个电极420、一个DBR(分布式布拉格反射器)层450、一个DH(双异质结构)层440、另一个DBR层430、和一个电极410。

图20是表示具有不同光-电转换率的RCLEDs的辐射特性曲线。在图20中，EE表示光-电转换率，CL表示谐振腔长度。在改进上述的特性时对RCLED是有利的，但如图20所示，其问题是当设计成改进光-电转换率EE时、峰辐射位置从该RCLED的前面偏移。由于φ＝cos-(λe/λo)，所以可通过改变谐振器的设计来控制峰值辐射角φ(EE位于峰处的角)，这里λe是发光层所发射光的波长、λo是来自光发射元件的谐振器的光的峰波长。

RCLED的上述问题可通过使分光元件的偏转角θ等于峰值辐射角φ而得到补偿。于是，光利用系数得到改进。这一作法也可应用到图31所示的常规光传输和接收组件2000。

图20所示的辐射特性是RCLEDs的一个剖面。由于实际的辐射特性是一个绕Z轴转动图20所示的特性所得到的三维特性，所以更确切地说，当峰值辐射角φ接近而非准确地等于偏转角θ时，光利用系数最大。用光线跟踪法可方便地计算出光利用系数最大时的偏转角数值。

如上所述，通过使分光元件的偏转基本等于光发射元件发射光的峰值辐射角、则可使被利用的光辐射达到最大。

图21是本发明第五实例中光传输和接收组件500的平面图。在图21中，带有光纤的插头插入光传输和接收组件500。图22是光传输和接收组件500的光学系统的放大视图。

光传输和接收组件500包括一个含有会聚透镜(未示出)的光发射元件501和一个含有会聚透镜(未示出)的光接收元件502。光发射元件501和光接收元件502安装在单个的PWB上。

用环氧基树脂505密封光发射元件501和光接收元件502。最好使用耐气候的环氧基树脂，例如由日立化学股份有限公司生产的CEL-T-2000。会聚透镜503和504形成在树脂密封材料上。

光传输和接收组件500以下述方式工作。

从光发射元件501输出并经透镜503透射的透射光入射到棱镜矩阵520、并被棱镜矩阵520折射，而后入射到光纤30。来自光纤30的接收光入射到棱镜矩阵520、并被棱镜矩阵520折射，而后经会聚透镜504由光接收元件502会聚。

图23表示光传输和接收组件500A，它是图21和22所示光传输和接收组件500的改进型。

准直透镜530设置在带有光发射元件501和光接收元件502的会聚透镜503与504之间。准直透镜530与棱镜矩阵520平行。准直透镜可以是球面或非球面的。在这个实例中，准直透镜530是球面的。

光发射元件501、光接收元件502及透镜503和504由注模法或类似方法整体地构成。用于密封和透镜503、504的材料应是良好的耐气候的材料，例如上述的CEL-T-2000或日本合成橡胶股份有限公司生产的ARTON-F。最好制作这种注模，即该注模使准直透镜530边缘构成锥形以便于处理。

光传输和接收组件500A以下述方式工作。

从光发射元件501输出并经会聚透镜503透射的透射光由准直透镜530准直，而后入射到棱镜矩阵520、并被棱镜矩阵520折射。之后，该光入射到光纤30。来自光纤30的接收光被棱镜矩阵520折射、而后被准直透镜530准直。接着，该光经会聚透镜504由光接收元件502会聚。这样，光被准直后入射到棱镜矩阵520。因此，通过在光发射元件501与光接收元件502之间设置准直透镜530，对于光的传输和接收均改善了光耦合效率。

图26表示本发明第六实例中的光传输和接收组件600。该光传输和接收组件600包括一个集成的光学元件540，该集成光学元件540包含与光发射元件501、光接收元件502和会聚透镜503及504构为一体的准直透镜530和棱镜矩阵520。集成光学元件540利用如第五实例中所述的良好的耐气候材料、通过注模法制成。最好制作这种注模，即该注模使准直透镜530边缘构成锥形以便于处理。

可用少于光传输和接收组件500A的元件数制作光传输和接收组件600。另外，由于准直透镜530与棱镜矩阵520之间的菲涅耳反射被减小，所以光传输和接收的光耦合效率均得到改善。

图25表示本发明第七实例中的光传输和接收组件700。在光传输和接收组件700中，集成光学元件540中的棱镜矩阵520A具有彼此不相同的顶角αtx(向着此方向透射光被传输)和αrx(背离此方向接收光被接收)。由于αtx＝αrx时棱镜矩阵520A的损耗最小，因此αtx与αrx之间的差别应减到最小。

图26表示当αtx＝αrx＝60°和αtx＝60°、αrx＝65°时在光接收元件502的不同位置所接收光强度的曲线图。在图26的方框中，传输光沿F4的方向传输。将αtx和αrx设定为不同的值可以使光接收元件502的会聚光所接收的光强度减小一半。

参照图27和28说明本发明的第八实例。与第六实例相似集成光学元件540中的棱镜矩阵520B被垂直线分成多个棱镜区(沿方向X分割)。多个棱镜区具有由例如图27中的标号610、620表示的不同的长度。由例如图27中标号630、640表示的棱镜间距随机地构成。在图27中，虚线601表示低谷，实线602表示屋脊。在不同的棱镜区中，低谷601与屋脊602彼此不同。低谷601与屋脊602在依次的棱镜区的基底上也有位置偏移。如图28所示，由于通过集成光学元件540所传输的光线沿不同长度的光路传输，所以从该光传输和接收组件输出的光的相干性可以减小。

图29是本发明第九实例中光传输和接收组件的棱镜矩阵520C的平面图。

在这个实例中，棱镜矩阵520C的尖峰602的高度和低谷601的深度是随机形成的。这种结构也可减小相干性。

根据本发明，分光元件包括一个棱镜矩阵，该棱镜矩阵具有多个以基本相同的间距、在沿基本上垂直于连接光源和光接收元件的假想线伸展的平面上设置的三角形棱镜。只要间距基本上一样长，则不必精确地确定棱镜的位置。本发明的光传输和接收组件的间距大于常规组件的间距，因此较易于制作。

在满足d/2＞p＞＞λ/sinθ的光传输和接收组件的实施例中，其中d是光纤直径，λ是来自光源的光的波长，p是间距，θ是偏转角；光传输和接收组件不会明显地被来自光源的光的波长变化或元件的位置偏移所影响。所以，该光传输和接收组件具有满意的光利用系数、并且较易于制作。

在棱镜具有等腰三角形截面的实施例中，光传输和接收组件的尺寸可以减小。

在顶角处于-20°～60°范围的实施例中，光传输时的传输量ηtx和光接收时的传输量ηrx的总值可以增加到85％或更大。

在光传输和接收组件满足：

1/tan(1/αtx)＝1/tan(1/αrx)+tan(αrx-arcsin(αtx/n))

的实施例中，其中αtx和αtx是棱镜的顶角，n是棱镜的折射率；相同类型组件之间传输的光利用系数可以增加。

在分光元件的偏转角与制成RCLED的光发射元件的峰值辐射角彼此基本相等的实施例中，RCLED的缺陷得到补偿，于是光利用系数被改善。因此，与用LED作光发射元件的常规组件相比、可以实现较高速度的长距离光通信。这种光传输和接收组件可根据IEEE 1394和USB2使用。

在准直透镜设置在光发射和接收元件与棱镜矩阵之间的实施例中，在入射到光纤或被光接收元件接收之前，发射光和接收光被准直透镜准直。所以，光耦合效率增加、且安装位置的允许偏差增加。

在棱镜矩阵和准直透镜构为一体的实施例中，元件数目减少，所以棱镜矩阵与准直透镜之间的菲涅耳反射所产生的损耗可减小。

从光发射元件输出、并被棱镜矩阵与空气之间界面处的菲涅耳反射所反射的光被避免直接耦合到光接收元件。

即使当从本发明的光传输和接收组件发出的光直接进入用户眼睛时，由于光斑因小的相干性而具有大的直径，因此对视网膜的损害较小。即，棱镜矩阵提供了所谓眼安全装置的功能。

在不脱离本发明的范围和宗旨的前提下，各种其它的改进对于本领域的技术人员是显而易见且易于作出的。因此，不应将所附权利要求书的范围限制在前述的说明中，而应对权利要求书作最宽的解释。

Claims (12)

1.一个光传输和接收组件，包括：

一个光源；

一个光接收元件；

一个分光元件，用于使来自光源的信号光入射到光纤、并使从所述光纤输出的信号光入射到所述的光接收元件，

其特征在于，所述的分光元件包括一个棱镜矩阵，该棱镜矩阵具有多个以相同的间距平行设置的三角形棱镜、所述棱镜位于垂直于光源和光接收元件的光轴的平面内，并垂直于连接光源和光接收元件的假想线延伸；

所述组件满足d/2＞P＞＞λ/sinθ，其中，d是光纤直径，λ是来自光源的光波长，P是多个三角形棱镜的间距，θ是多个三角形棱镜的偏转角；

每个三角形棱镜都具有-20°～60°范围的顶角，该组件满足：

1/tan(1/αtx)＝1/tan(1/αrx)+tan(αrx-arcsin(αtx/n))

其中αtx为一个顶角，αrx为另一个顶角，n是每个三角棱镜的折射率；

该组件满足Φ＞B，其中Φ是从光纤输出到棱镜矩阵的信号光的直径，B是每个三角形棱镜基底的长度。

2.一个如权利要求1的光传输和接收组件，其特征在于，每个三角形棱镜都具有等腰三角形横截面。

3.一个如权利要求1的光传输和接收组件，其特征在于，所述的棱镜矩阵由丙烯树脂构成。

4.一个如权利要求1的光传输和接收组件，其特征在于，光源包括一个由半导体激光器元件构成的光发射元件。

5.一个如权利要求1的光传输和接收组件，其特征在于，光源包括一个由谐振腔发光二极管构成的光发射元件。

6.一个如权利要求1的光传输和接收组件，其特征在于，光源包括一个光发射元件，所述分光元件的偏转角与来自所述光发射元件的辐射光的峰值辐射角彼此相等。

7.一个如权利要求1的光传输和接收组件，其特征在于：

所述的光源包括一个光发射元件，

所述的光发射元件包括一个第一会聚透镜，

所述的光接收元件包括一个第二会聚透镜，且

所述的光传输和接收组件还包括一个设置在所述棱镜矩阵与第一会聚透镜和第二会聚透镜之间的准直透镜，所述的准直透镜与所述棱镜矩阵平行。

8.一个如权利要求7的光传输和接收组件，其特征在于，所述棱镜矩阵与准直透镜构成为一个整体。

9.一个如权利要求1的光传输和接收组件，其特征在于，顶角αtx与顶角αrx不同，这里αtx是各个三角形棱镜的一个顶角，αrx是各个三角形棱镜的另一个顶角。

10.一个如权利要求1的光传输和接收组件，其特征在于：

所述棱镜矩阵由垂直于其低谷和尖峰的线分成多个棱镜区，

所述低谷和尖峰在依次的棱镜区基底上位移。

11.一个如权利要求10的光传输和接收组件，其特征在于，不同棱镜区中的低谷和尖峰具有彼此不同的长度。

12.一个如权利要求1的光传输和接收组件，其特征在于，所述的棱镜矩阵包含具有随机深度的低谷、和具有随机高度的尖峰。

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