CN1193118A - 光发送装置 - Google Patents

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Abstract

在光缆(1)的光输出面(1a)上配置一个光缆适配件(2)。光缆适配件(2)的外表面呈圆柱形,其直径向后逐渐减小。光离开光缆端面后射向光接收器(31),借助于适配件(2)的锥形圆柱表面逐渐会聚,然后发射出去,从而最大限度地减小了光损耗。为避免锥形表面漏光,锥形表面上涂有低折射率膜(23)。此外,还用套筒(3)使光缆适配件(2)在光缆(1)上定位。用这种结构,在光被芯片表面小的光接收器(31)接收时,漏光可大大减小。

Description

光发送装置
本发明涉及光通信系统。具体说，涉及光在光纤与接收器之间的传送，更具体说，涉及这种传送所使用的光发送装置。
光纤主要有两种：玻璃光纤和塑料光纤。
玻璃光纤透明度高，因此要提高光传送的精确度时，将其纤心部分的直径设计得尽可能小，这样就不难提高其对单模信号的适应性。
另一方面，塑料光纤在耐弯曲和对光纤中的光干扰或衰减的防范方面比较好，因而其直径通常设计得大于玻璃光纤。由于直径大，塑料光纤往往会有一定程度的模色散，从而使光传输有所损耗而且使光波变形。尽管如此，由于塑料光纤的孔径大，因而在塑料光纤之间连接光纤或将塑料光纤与其它元件连接时，安置这些元件就无需特高的精确度。因此，塑料光纤既易于在光学上排列配置，又可以形成不太贵而有用的光通信装置。基于直径大这个原因，周知的塑料光纤可以接收发光二极管(LED)射入光纤中的大量光信号。这些光信号输出之后可以被大芯片光电二极管(PD)接收而将其转换成电信号。
现代光纤通信研究了速率从几百Mbps(每秒兆比特)至几个Gbs(每秒千兆比特)的高速率光通信。这样，接收端光电二极管芯片的大小就受到限制：用光照射芯片表面会产生受激电子。这些电子移动到芯片端焊有导线的位置。光电二极管芯片的表面积越大，电子移动的时间越长，因此光电二极管的芯片表面要设计得尽可能小。
然而，对于芯片表面小的光电二极管，如上所述，周知塑料光纤的孔径是设计得较大的。这样，如图1所示，从光纤A1光输出端面A2出来的信号只有一部分为光电二极管A3接收，因而光输出端面A2与光电二极管A3之间的光损耗增加。
塑料光纤的端外径为例如750微米时，从塑料光纤能发射出均匀的光并被光接收面直径为250微米的光电二极管接收。若按表面比计算，接收下来的仅为原光量的11％。这就是说，换算成分贝毫瓦(dBm)时，光量减少9.54分贝毫瓦。
因此，大孔径塑料光纤A1虽然易于处理，但对芯片表面小的为接收高速信号而设计的光电二极管A3的适应性差，这会因连接而引起大量损耗。
本发明的目的是提供一种与小表面芯片的光接收器配用时能减小因连接而引起损耗的光发送装置。
为解决上述问题，本发明提供的有一个光轴的光发送装置包括：
(a)一条光缆，其光输出面有一定的直径；
(b)光缆适配件，用于使所述光缆与光接收元件连接。光缆适配件呈截头锥形，其表面是直径逐渐变小的圆柱面，有一个大端面和一个小端面。大端面的直径基本上与光输出面的直径相等，所述直径从光输出面沿光轴逐渐减小；和
(c)一个套筒，至少覆盖住光缆的光输出面和光缆适配件的大端面。
因此，通过锥面上的反射可引导进入光缆一端的光。所以，用小表面芯片作为外部光元件使用时，结合起来的双方连接得使光能有效地在两者之间传送，从而大大减小了光损耗。此外，光缆及其适配件可妥善安置固定在套筒中，并且这些连接件无需使用其它元件就可定位，从而减少了零件数目。
还有这样的优点，套筒的内表面可以制造得使其与光缆适配件的锥形柱面相适应，从而可以牢固地将光缆适配件固定住。这样，光缆适配件就可以更可靠更容易地安置在套筒中。
此外，还可以使光缆适配件的光纤材料的数值孔径的等级与光缆的相同，这样就可以使光缆的数值孔径与光缆适配件的数值孔径相匹配，从而使离开光缆的光有效地通过光缆适配件传送。
另外一个优点是，光缆及其适配件分别有一个其折射率与另一个同等级的核心部分，彼此通过其折射率与核心部分同等级的透明粘合材料粘接，从而有效抑制了粘接表面处的菲涅耳反射，提高了光传输效率。
光缆及其适配件可以制成一个整体，这样可以避免菲涅耳反射，提高光传输效率。
再有一个优点是，光缆适配件有一个其折射率等级与核心部分相同的包层部分。
包层部分可被覆有折射率低于包层部分的被覆层。这种结构可使引到光缆适配件锥形表面并通过该表面泄漏的光由被覆层反射回到光适配件内部，从而大大降低了光缆适配件中的光损耗。
光缆可以是塑料光缆。
光缆可以是折射率跃变型光缆。
光缆可以是折射率渐变型光缆。
从下面的非限制性实例对本发明最佳实施例和附图的说明可以更清楚理解本发明及其优点。附图中：
图1示出了现有技术光发送装置的作用；
图2示出了本发明第一实施例光发送装置的结构示意图；
图3示出了本发明第一实施例光发送装置的光缆及其适配件之间连接部分的剖视图；
图4示意性示出了光缆适配件的形状；
图5示出了光缆适配件制造过程的透视图；
图6示出了光在光缆适配件中传播的原理；
图7示出了第一实施例的光发送装置的光输出部分的剖视图；
图8示出了第二实施例的光发送装置的光输出部分的剖视图；
图9是第二实施例的光发装置在光缆及其适配件制成一个整体时的剖视图；
图10是第四实施例的光发送装置的光缆及其适配件的剖视图；
图11是第五实施例的光发送装置的光缆及其适配件的剖视图。
图2示出了本发明第一实施例的光发送装置。如图2所示，光缆适配件2基本上呈截头锥形，连接在广泛使用的塑料光缆1的光输出端面1a上，从而使光输出遍布在光缆1的端直径上。光缆适配件2在此状态下装在套筒3中。
所使用的光缆1其核心部分与其包层部分之间的折射率略有不同。光缆1数值孔径(NA)的等级低，属于折射率跃变型光缆。如图3中所示，光缆1的核心11由折射率为1.495的塑料制成，例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或其它类似材料。光缆1还包括包层12，包覆着核心11，并由折射率为1.493的碳氟聚合物制成，例如PTFE(聚四氟乙烯)或其它类似材料制成。包层12的外圆柱表面还被覆有诸如聚乙烯或其它塑料之类的塑料制成的被覆层13。光缆1的被覆层13从其端部沿预定的长度剥开，从而暴露出光缆的光输出端面1a，在上述实施例中，光缆1包层的外径为750微米，光缆的传输耗为230分贝/公里。核心与包层之间的折射率相差0.002。
如图4所示，光缆适配件2呈截头锥形，具有核心21和包层22。光缆适配件的锥形表面还被覆有低折射率膜或被覆层23(如图3中所示)。
光缆适配件2通过拉伸与光缆1相同的塑料光纤或同数值孔径的塑料光纤制成。例如，光缆适配件2的长度L1可以是6毫米。核心21和包层22组成的截头锥头，其大端面2a的大直径Da可以取对应于光缆1外径的750微米，其小端面2b的直径Dh在200微米至700微米的范围。上述核心21和包层22的层厚比必须与光缆1的核心11和包层12的相同。小端面2b处必须保持同样的厚度比，即
Dc＝αDb
其中Dc表示核心21在小端面2b处的直径，α表示层厚比(即核心直径/包层直径)。
上述截头锥形(21，22)是这样形成的：将核心21和包层22如在光缆1中一样地堆叠，再将其端部加热的同时沿轴向施加100克左右的力，使截头锥形变细长。图5举例说明了这个方法。将100克的珐码30a用绳30b系在周知光纤的端部，再用150℃的热空气沿10毫米的间距加热靠近端部的部分。改变5至10秒的加热时间，光纤A1就可以借助于珐码30a伸长，得出如图4所示截头锥形的光缆适配件2。
截头锥形中形成光波路径时，传播中的光被核心21与包层22的界面反射，如图6中所示。每一次反射，传播中的光与光轴形成的角φ1、φ2、φ3、φn越来越大。以q表示锥形表面与光轴形成的倾角，以φ0表示光射向核心21的入射角时，则传播中的光与光轴先后形成的各角φ1、φ2、φ3、……φn可用下式表示：
φ1＝φ0+2θ
φ2＝φ1+2θ
φ3＝φ2+2θ
          
          
φ(n-1)＝φ(n-2)+2θ
φn＝φ(n-1)+2θ
接着，光在核心21与包层22的界面反射n次之后，φn角可用下式表示：
φn＝φ0+2θ×n
上式表明，光的核心21与包层22界面的反射角随反射的次数增大。
因此，通过反复产生的反射，在光纤内传播的光必然会通过界面，从而使漏光量增加。为防止这种漏光，给光缆适配件2的锥形表面涂上PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或折射率低于包层22的其它类似材料制成的低折射率膜23。借助于这种结构，通过核心21与包层22界面的光就被反回到核心21中。在这种结构中，小直径端面2b的数值孔径(NA)为0.5。
光缆适配件2用透明的软硅树脂弹性体24粘接到光缆1的光输出端面1a上。弹性体24的制造方法如下：将高折射率硅树脂组成的底料展开；在室温下使底料凝固成片材，再将其小心冲压成成品。这种硅树脂弹性体24的折射率设计成1.495，这个数值与相应光缆1的核心11、21和光缆适配件2的相同，因而避免了核心11、21与软硅树脂弹性体24之间界面处的菲涅耳反射。
只将光缆1粘附到光缆适配件2也可不采用硅树脂弹性体24而采用结合油。但这种油的粘度往往随温度而异，而且倾注时会产生气泡，这容易影响通信信道的稳定性，因此最好还是采用硅树脂为基料的高折射率材料来制造。
套筒3可以通过将黄铜材料切割成图7所示的形状制取。套筒3沿轴向的半途上设有径向凸出的法兰25。法兰25搭接到图中未示出的接插件上。套筒3还有一个光缆通孔29由下列各部分组成：光纤护套26，其内腔直径与光缆1被覆层13的直径相当；光缆适配件护套27，供固定光缆适配件2用，其端部外露；和倾斜护套28，将上述两护套连接起来。这三个护套依次在同一轴向形成。此外，光缆适配件护套27呈中空的截头锥形，与光缆适配件2的形状相当。
下面说明上述装置的作用。如图2所示，光缆1的光输出端面1a通过软硅树脂弹性体片24粘附到光缆适配件2上。得出的装配件插入套筒3的光缆路径孔29中。接着，将光电二极管(PD)31面对面安置在元件2端部附近。所使用的光电二极管31为小表面芯片，供高速通信用。在光缆1的另一端部，发光二极管(LED)32作为光源面对面安置在光接收面1b附近。
发光二极管32一亮一灭，向光接收端面1b发出预定的光信号。光在核心11与包层12的界面上反复反射而通过光缆1，且通过光输出端面1a输出。光通过折射率等级与光缆相同的软硅树脂弹性体24，然后通过光缆适配件2的大直径端面2a进入核心21中。软硅树脂弹性体24的折射率等级与核心11、21的都相同，因而可以极有效地避免因菲涅耳反射引起的光损耗。
光透过光缆适配件2的核心21，先后在核心21与包层22的界面处反复反射向前传播。在此过程中，如上面所述，光在核心21与包层22界面处的反射角随反射次数而增大。然而，由于包层还涂有低折射率膜，因而有效地避免了漏光。
接着，光通过小直径端面2a，射到光电二极管31的接收表面，由光电二极管31转换成电信号。信号由处理电路33处理。上面说过，光电二极管31有一个小表面芯片以便高速起作用。元件2的小直径端面2b的尺寸设计得与光电二极管31的芯片表面相当时，大部分离开小直径端面2b的光可由光电二极管31的光接收面回收，这样可以大大减小此阶段产生的光损耗。
表1示出了光缆适配件2的小端面2b外径变化时光电二极管光接收灵敏度的变化情况。但这些实验使用的是大表面芯片的光电二极管，因而在最大外径为750微米的情况下，可以认为从元件2出来的光完全被光电二极管回收。在这些实验中，光缆1长为2米。同样，所使用的发光二极管32，其波长中值为700毫微米，输出功率为3分贝毫瓦。光缆适配件2的长度L1为6毫米，核心21和包层22组成的截头锥形，其大端面2a的直径Da为750微米，与光缆1的外径相当。包层12的外径为750微米。这样，小直径端面2b的外径为750微米时，完全就不呈锥形了。
                                    表1
  光缆适配件的小端面(外径)     光接收灵敏度
    250微米300350400450500550600650700750(没有锥形表面)     -15.519分贝毫瓦-14.974-14.477-14.821-14.309-13.719-13.104-12.413-12.252-11.722-11.116
在上述实验中，使用的是大表面芯片的光电二极管。实际上，高速处理用的(小表面芯片)光电二极管31其接收表面直径为例如250微米时，计算最终光接收灵敏度时须考虑表面的这种差异。当光信号均匀离开塑料光纤(外径＝750微米)的端部表面并被直径250微米的光电二极管捕获时，只有11％的原信号在上述表面比的基础上被接收下来。这可换算成分贝毫瓦如下：
-10×Log(0.11)＝9.54(分贝)这表明光量减少9.54分贝毫瓦。
表1中，750微米小直径端面与250微米的相比较时，光接收灵敏度只下降4.4分贝毫瓦左右。
因此，和本实施例一样，给光缆1加一个光缆适配件2可以使光接收灵敏度降低4.4分贝毫瓦(-15.519)左右。相比之下，上面就原光强(-11.116)在上述表面比的基础上计算，结果减少了9.54分贝毫瓦。这样，与现有技术的实例相比。可以得出9.54-4.4＝5.14分贝毫瓦的增益。
因此，即使象光电二极管31之类的光接收器的入射平面变得非常小，光缆适配件2内光信号的强度也越趋近小直径端面2b越增大。这样，降低光损耗能提高光连接的效率。因此，要有效连接特别是为接收每秒数百兆比特级的高速光信号而设计的光电二极管31，可以采用供高速光通信开发的折射率跃变型光缆1作为传输媒体。在光缆边上加上截头锥形光缆适配件2就可以将两部分有效连接起来，而且可以最大限度地减小以后的光损耗。
此外，将光缆适配件2固定到光缆1的光输出端面1a时，可用软硅树脂弹性体24将两者连接起来，这样处理起来很容易。
图8和图9示出了第二实施例的光发送装置。与第一实施例中同样的编号用来表示相应的功能元件。
在第一实施例中，光缆适配件2是通过软硅树脂弹性体固定到周知折射率渐变型光缆1的光输出端面1a上的。在第二实施例的装置中，周知塑料光纤的一端直接从塑料光缆1和光缆适配件2拉出。这种装置可借助珐码拉伸光缆制取，如图5中所示。
在第二实施例中，光缆1及其适配件2分别具有核心11、21和包层12、22。光缆1包层12的外圆柱表面被覆有被覆层13。同样，光缆适配件包层22的外圆柱表面涂有低折射率膜23。其结构与第一实施例类似。但第二实施例中的适配件2是拉伸塑料光纤的一端制取的，因此在此情况下不使用软硅树脂弹性体24。其它结构与第一实施例相同。
表2示出了用第二实施例的装置得出的光接收灵敏度的测定值。实验条件与第一实施例在表1中列出的一样。
                                表2
  光缆适配件的小端面(外径)     光接收灵敏度
    250微米300350400450500550600650700750(没有锥形表面)     -15.305分贝毫瓦-14.217-14.399-13.298-13.157-12.450-12.288-12.284-11.783-11.170-11.1 16
如表2中所述，当离开光缆适配件2小直径端面2b的光被直径例如为250微米的光电二极管接收时，测出的光接收灵敏度为-15.305分贝毫瓦，比无维形的装置只减少了4.189分贝毫瓦。与现有技术实例得出的9.54分贝毫瓦相比，损耗大大地减小了。因此，和第一实施例中一样，用小表面芯片的光电二极管31高速传输时，光接收灵敏度比现有技术的结果提高了。
在第一实施例中，光缆适配件2是通过软硅树脂弹性体24连接到周知光缆1的光输出端面1a上的。第二实施例的光缆1及其适配件2是通过拉伸形成整体的。按照第三实施例，与第一实施例相同的光缆适配件2是安置在周知折射率跃变型塑料光纤1的光输出端面1a上的。这些元件都装在套筒3中并被妥善安置。与第一实施例相比，没有采用软硅树脂弹性体24。除这一点以外，其它结构特点与第一实施例的相同。
表3列出了对上述装置测出的光接收灵敏度。实验条件与第一实施例的相同，第一实施例的实验结果见表1。
                                 表3
  光缆适配件的小端面(外径)     光接收灵敏度
    250微米300350400450500550600650700750(没有锥形表面)     -16.003分贝毫瓦-15.571-15.379-15.460-15.100-14.219-14.004-13.213-13.112-12.522-1 1.116
如表3所示，当离开光缆适配件2的小直径端面2b的光被直径例如250微米的光电二极管捕获时，光接收灵敏度达-16.003分贝毫瓦。这就是说，灵敏度比采用无锥形装置得出的只减小了4.887分贝毫瓦。这比起现有技术中9.54分贝毫瓦的减小量来，损耗大大地降低了。与第一实施例比较，因粘接引起的光损耗的增加程度相当于没有软硅树脂弹性体24的情况。然而，当光电二极管31与小表面芯片配用以进行高速传输时，该灵敏度比现有技术的数值大大提高了。
在上述实施例1至3中，采用的光缆1属于折射率跃变型，因而光缆适配件2包括有均匀折射率的核心21。另一方面，在第四实施例的装置中，采用了折射率渐变型(分布折射率型)光纤，在光缆1的核心内折射率是变化的。
图10示出了第四实施例的光发送装置。同样的编号用来表示与上述各实施例相同的功能元件。在此实施例中，光缆1及其适配件2采用折射率渐变型塑料光缆。光缆适配件2的制备与第二实施例一样，如图5所示，通过直接拉伸周知的折射率渐变型光纤的端部制备。这样，光缆1及其适配件2形成一个整体。此外，和第二实施例一样，光缆适配件2的包层22上涂有低折射率膜23。折射率渐变型塑料光纤核心的直径占光纤直径的70％左右，其余的30％是环绕的包层。
光缆1及其适配件2仍然采用同样的核心11、21/包层12、22之比。
在折射率渐变型光缆1中，包层12的直径、折射率差度和预定的折射率分布系数分别以2a、Δ和α(≌2)表示。这样，距中心轴一段距离r的一个点处的折射率n(r)可用下式计算出来：
n(r)＝n1(1-2Δ(r/a)α)1/12          (o≤r≤a(核心))
n(r)＝n2＝n1(1-2Δ)1/2≌n1(1-Δ)    (a＜r(包层))
按照以上两式，在折射率渐变型光缆1及其适配件2中，折射率随着核心11、21趋近各自的包层12、22而不断减小。按照图10中所示的折射率分布情况，只有核心11、21中线的轴向光束直线传播。中心轴外面的光束方向不断变化，然后回到中心轴。
这些光束的这种轨迹，不仅在光缆1中而且在光缆适配件2中也可以看到。在光缆适配件2中，光波波幅越来越小，与直径的减小成比例。接着，光缆1内的光束在趋近光缆适配件2的小直径端面2b的过程中会聚。这样，如图2所示，当光束从光缆适配件2的小端面2b射向有小表面芯片的光电二极管31上时，光损耗大大地减小了。
此装置测得的光接收灵敏度列于表4中。实验条件与第二实施例的一样，只是光缆1及其适配件2采用折射率渐变型。
                                    表4
  光缆适配件的小端面(外径)     光接收灵敏度
    150微米200250300350400450500550600650700750(没有锥形表面)     -16.283分贝毫瓦-13.964******-13.442-13.277-12.596-12.723-12.373-12.299-12.431-12.173-12.071-12.086
如表4所示，均匀离开核心直径为500微米的光缆的光信号可以被芯片直径为200微米的光电二极管31接收。按表面比计算，只有16％的原信号可接收下来。换算成分贝毫瓦时，减少量可为-10×Log(0.16)＝7.96分贝毫瓦。
在折射率渐变型光纤中，核心约占光纤直径的70％。这样，要使光缆适配件2的小直径端面2b中的核心直径达到200微米，端面2b的外径必须是300微米左右。表4中，小端面2b的外径为750微米的情况与300微米的情况相比较时，后者比前者在灵敏度方面低1.4分贝毫瓦。按表面比计算时，光强必然比原光强小7.96分贝毫瓦。由于减小量只有1.4分贝毫瓦，因而增益可达(7.96-1.4＝)6.56分贝毫瓦。
图11示出了本发明第五实施例的装置，其编号与前面使用的一样。该装置和第四实施例的情况一样，塑料光缆1及其适配件2采用折射率渐变型核心，但不同点在于，光缆1及其适配件2制成独立的两个元件配置在套筒3中适当的位置。此外，光缆适配件2如第四实施例一样制备，切成预定的尺寸。光缆适配件2用与光缆1相同的材料制成，或者由数值孔径与光缆1的数值孔径同等级的材料制成。
用第五实施例装置测出的光接收灵敏度列于表5中。实验条件与上述一样。
                      表5
  光缆适配件的小端面(外径)     光接收灵敏度
    150微米200250300350400450500550600650700750(没有锥形表面)     -18.211分贝毫瓦-15.239******-14.387-14.502-14.669-13.510-13.732-13.526-13.637-12.991-13.007-12.086
如第四实施例所述，现有技术中的光损耗在理论上可估计为7.96分贝毫瓦。但外径为300微米的小端面2b(-14.387分贝毫瓦)与750微米(-12.086分贝毫瓦)的相比时，前者的光强比后者小2.301分贝毫瓦(14.387-12.086)。按表面比计算时，比原光强小7.96分贝毫瓦。与此相比，实际减小2.30分贝毫瓦。本实施例因粘接而在传输过程中产生光损耗，这与第四实施例不同。但与现有技术相比，增益达5.66分贝毫瓦(7.96-2.30)。
上述各实施例主要采用核心直径较大的塑料光缆。因此，这些实施例的目的是要会聚离开塑料光纤的光束。这种方法也可以同样方式应用到核心较大的玻璃光纤。

Claims (10)

1.一种具有一光轴的光发送装置，其特征在于包括：
(a)一条光缆(1)，其光输出面(1a)有一定的直径；
(b)一个光缆适配件(2)，用于使所述光缆(1)与光接收元件(31)连接，所述光缆适配件(2)呈截头锥形，其表面是直径逐渐变小的圆柱面，有一个大端面(2a)和一个小端面(2b)，所述大端面(2a)的直径(Da)基本上与所述光输出面(1a)的直径相等，所述直径沿所述光轴从所述光输出面(1a)逐渐减小；和
(c)一个套筒(3)，至少覆盖住所述光缆(1)的所述光输出面(1a)和所述光缆适配件(2)的所述大端面(2a)。
2.如权利要求1所述的光发送装置，其特征在于，所述套筒(3)有一个对应于所述光缆适配件(2)的所述锥形圆柱表面的内表面，从而牢牢地将所述光缆适配件(2)固定住。
3.如权利要求1或2所述的光发送装置，其特征在于，所述光缆适配件(2)的光纤材料的数值孔径等级与所述光缆(1)的相同。
4.如1至3任一权利要求所述的光发送装置，其特征在于，所述光缆(1)和所述光缆适配件(2)分别有一个核心部分(11，21)，两核心部分的折射率等级彼此相同，且两核心部分通过折射率与所述两核心部分(11，21)同等级的透明连接材料(24)彼此连接起来。
5.如1至3任一权利要求所述的光发送装置，其特征在于，所述光缆(1)和所述光缆适配件(2)形成一个整体。
6.如1至5任一权利要求所述的光发送装置，其特征在于，所述光缆适配件(2)有一包层部分(22)，其折射率与所述核心部分(21)的折射率等级相同。
7.如权利要求6所述的光发送装置，其特征在于，所述包层部分(22)被覆有折射率低于所述包层部分(22)的被覆层(23)。
8.如1至7任一权利要求所述的光发送装置，其特征在于，所述光缆(1)为塑料光缆。
9.如1至7任一权利要求所述的光发送装置，其特征在于，所述光缆(1)为折射率跃变型光缆。
10.如1至7任一权利要求所述的光发送装置，其特征在于，所述光缆(1)为折射率渐变型光缆。
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