CN1210987A - 连接塑料光纤和光探测器的结构 - Google Patents

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Abstract

具有纤心和包覆层的塑料光纤(A)通过一种连接结构连接到光电二极管(PD)等光接收元件上。光中继件(52)之类的连接结构以同一轴向插入在塑料光纤端面和光电二极管的光接收面(Rf)间。连接结构具有截头锥体形状,有圆筒形表面和端面。该结构的直径从光纤侧向光电二极管侧逐渐减小,其光纤侧端面大小与光纤纤心部大小对应,而其光电二极管侧面大小则与光接收面大小对应。这样的结构可把塑料光纤和光接收元件间的连接损耗降到最低。

Description

连接塑料光纤和 光探测器的结构
本发明涉及高速光导通信领域以及一种用于该领域的塑料光导纤维。更具体地说，本发明涉及塑料光导纤维与光接收元件(光探测器)之间的连接结构。
一般地说，塑料光导纤维的纤心直径较其他石英型光导纤维的纤心直径粗些。因此，易于将它们彼此连接或者连接到光学元件上。而且其部件亦不需精确尺寸。因此对于经济型的光导通信装置，塑料光导纤维很是适用，易于进行其光学调整。
过去，当进行相对低速的光导通信时，设备的布局总是将塑料光导纤维的端头与光电二极管之类的光学元件的光接收面直接相对放置。
然而，随着近来的研究已经进入到用塑料光导纤维进行高速通信，产生了光导纤维与光探测器间连接的问题。
光电二极管的响应速度取决于光经过光接收面进入光接收区后激活的电子抵达光电二极管内部电极的时间长度。为了得到能够用于超过整百个Mbps(比特/秒)的高速光导通信的响应速度，光电二极管的光接收区应按比例缩小，以缩短上述时间长度。
另一方面，当光接收区小了以后，只能经过它接收到一部分从塑料光导纤维端面发射出的光，从而导致在光纤和光电二极管之间出现很大的连接损耗。
本发明旨在解决以上问题。因此本发明的目的是提供一种塑料光导纤维和光接收元件之间的连接结构，它可以使两者间的连接损耗减少到最低程度。
为此，提供了一种连接光导纤维和光接收元件的结构，光导纤维具有一个发射光的端面，而光接收元件有一个光接收面，其表面小于光导纤维端面并接收由光导纤维端面发出的光。该结构有一个截头锥体形外表面，有一个光纤侧面和一个光接收元件侧面，其直径从光纤侧面起向元件侧面渐细，并适于将光纤端面及光接收面互连。
上述结构中，塑料光导纤维有一根纤心和包覆层，而该结构的光纤侧面的大小可基本上与塑料光导纤维的纤心部分的端面大小相同，该结构的元件侧面大小则基本上与光接收元件的光接收面的大小相同。
最好，该结构采用与塑料光导纤维纤心部分的折射率相同的材料制成。
另外，该结构可采用折射率低于光导纤维包覆层的涂层包覆。
本发明还提供了权利要求1所述结构、塑料光导纤维和光接收元件构成的光连接器。
下面参照附图对本发明的首选实施方案进行描述，以非限制性实例阐明本发明的上述目的以及其它目的、特性和优点。附图中：
图1为本发明一个实施方案所述的光连接器的纵断面图。
图2所示为连接塑料光导纤维和光电二极管的结构的纵断面图，以及从内部观察的光线传输图。
现参照图1说明应用了本发明的连接结构的光连接器。
光连接器1包括光导纤维侧(图1中的后面)壳体10，和模块侧(图1中前面)壳体30，壳体10夹持光导纤维A，而壳体30容纳光电二极管PD。光电二极管的光接收面小于塑料光导纤维的端面。
光导纤维侧壳体10有一框架11和接合在其中的连接套筒21。首先剥掉光导纤维A端头部的包覆层。然后把具有圆筒形部22的连接套筒21装配到覆盖该端头部的地方。圆筒形部22的轴向约一半处设有向外突起的圈形护环24。
框架11有一个圆筒形的外罩12包着连接套筒21。圆筒形外罩12的内径稍大于连接套筒21的护环24的外径。在框架11的圆筒形外罩12的内圆周面上设有一个向内突起的凹颈13，它滑套在连接套筒21的圆筒形部分22上，凹颈13起为连接套筒21定位的作用。
从护环24起向后，连接套筒21上绕有螺旋弹簧14(见图1)。框架11的圆筒形外罩12装配有盖15，它从后向前推着螺旋形弹簧14。从而螺旋形弹簧14向前推连接套筒21的护环24(见图1)。结果，护环24紧靠着圆筒形外罩12的凹颈13，而防止了连接套筒21向后移动。在盖15上设有孔15a，光导纤维A从其中插进。在插入中确定了光导纤维A在筒形外罩后侧的位置。
光纤侧壳体(图1的后侧)的顶端设有一个细长的从壳体10后方延伸到壳体近半截处的止挡16。该止挡在尾部有一个角形支挡17。相应地，在模块侧壳体30(图1的前侧)上有一个突起33a。当角形支挡17和突起33a搭挂起来时，模块侧壳体30和光纤侧壳体10就紧密配合。
该细长的止档16装有一个手柄18，向下按手柄18时，突起33a就从角形支挡17上松开，从而使壳体10和30彼此分开。
模块侧壳体30包括一个框架31和一个内壳32。
模块侧壳体30的框架31形成一个盒套，它在光导纤维A的轴向上洞开。该框架还有一块顶板33和一块底板34。顶板33的一部分被切成为与角形支挡17啮合并搭挂光纤侧壳体10的突起33a。
内壳32的前端固定在壳体31的底板34的内表面上。该内壳有一个圆柱形引导装置39，它位于后侧并接受安装在光纤侧壳体10内的连接套筒21的端部。内壳32还有位于前侧的光电二极管PD的罩套41和位于该罩套和圆柱形引导装置39之间的中间罩套40。该中间罩套中持有一个下文详述的中继元件50。
圆柱形引导装置39设置在与光纤侧壳体10的连接套筒21对应的位置。当连接套筒21经引导装置39导入时达到模块侧壳体30中预定的位置并被保持在该位置。
联同底板42，光电二极管罩套41形成一个与光电二极管PD的外形相对应的内部空间。当把光电二极管PD放入光电二极管罩套41中时，它置于底板42上。然后，模块侧壳体30的框架31的前侧盖上一个具有垫片44的盖子43。通过垫片44，光电二极管PD被推向引导装置39并固定于这种状态。一对导线L从光电二极管PD的底部引出，分别经过底板42和底板42与盖子43之间的空间，然后从模块侧壳体30上引出。
光电二极管PD有一个光接收部分R。在上述条件下，光接收部分R位于连接套筒21的中轴上，牢固地处在由引导装置39所预定的位置上。
位于引导装置39和光电二极管PD的罩套41之间的中间罩套40的内径略大于引导装置39的内径，从而可以把中继元件50容纳于其中。
中继元件50有中继套筒54，其中间装有一个光中继件52之类的连接结构。
光中继件52由折射率与塑料光导纤维A的纤心折射率相同的材料制成。其后端面的大小与塑料光导纤维的端面相当，而其前端面大小与光电二极管PD的光接收部分R的光接收面相当。另外其直径由后向前逐渐减小。此外，光中继件52的圆周表面护以折射率小于塑料光导纤维的包覆层的折射率的包覆层。
上述光中继件52的生产，举例来说可以是加热一根塑料光导纤维，在其两端拉它，冷却固化然后截出其中的锥形部分。然后进一步在中继件52上涂低折射率的树脂加以保护。
中继套筒54设有与光中继件52相对应的外形，紧密地包容光中继件52。
这样光中继件52通过中继套筒54被包容在中间罩套40内。光中继件52在罩套40内以其大面相对引导装置39的端面，而小面面对光电二极管PD的光接收面，可以接触，也可以紧密相邻。当光纤侧壳件10和模块侧壳件30装配在一起时，塑料光导纤维A经过套筒21位于引导装置39中，其端面面对光中继件52的后侧。
在这样配置的光连接器1中，当光纤侧壳体10插入模块侧壳体30的后侧时，连接套筒21就被导入引导装置39并且与之接合。结果，塑料光导纤维A、中继件52和光电二极管PD的光接收部分R就位于同根光学轴上。
然后细长止档16上的角形支挡17与突起33a搭挂起来，锁定壳体10和30。
图2所示为光路，由图可见光线从塑料光导纤维A的端面发出经过光中继件52然后进入光电二极管PD。
该图中，塑料光导纤维的纤心直径为500μm，它的数值孔径为0.3，而光电二极管PD的光接收面(Rf)直径为100μm。相应地，光中继件52的光纤A侧端面直径为500μm，光电二极管PD侧的端面直径为100μm，而长度为5,000μm。图2中还示出了横轴X和竖轴Y，原点在光中继件52的光纤A侧端面的最低点P0。
此例中，沿光中继件52的光学轴所作的截面界定了圆周面形成的上、下直线L和M。通过测量计算正切值±tan(200/5,000)可知直线L和M的倾角约为2.3°。因此，线L可以用方程式G1(x)=-tan(2.3)×x+500表示，而线M可以用方程式G2(x)=tan(2.3)×x表示。
光导纤维A的数值孔径为0.3时，通过其中的光线相对于光纤A的中轴，即相对于横轴x形成约7.7°的倾角。当先进入光中继件52并在接近点P0处被反射时，光线又得到2θ=4.6°的倾角。光路线P0P1由方程式f1(x)=tan(12.3)×x表示。
接着，光在光中继件52的圆周表面上形成一个第二反射点P1。解方程f1(x)=G1(x)，该点定为P1(1936.5,422.2)。
在P1点反射的光沿路线P1P2前进。该线方程式为f2(x)=-tan(16.9)×x+1010.6。因此解方程f2(x)=G2(x)可知，中继件52圆周表面上的下一个反射点为点P2(2937.9,118.0)。
进而在点P2反射的光沿方程式f3(x)=tan(21.5)×(-1039.3)所代表的路线P2P3前进。根据方程f3(x)=G1(x)可知在中继件52的斜面上的下一个反射点是点P3(3546.2,357.6)。
依此类推光在光中继件52中反复反射，渐渐进入其小直径部然后从中继件52的小端面射出。射出的光进入光电二极管PD的光接收面Rf。在图2中，为了显示方便光中继件52的端面和光接收面Rf表示在分开的位置。然后正常情况下，它们的位置非常紧密，或者互相接触。
按照该连接结构，从塑料光导纤维A的端面射出的光通过光中继件52然后导入小直径区，从而使光线会聚。会聚的光从光中继件52的小端面射出后进入光电二极管PD的光接收面Rf从而，具有较大纤心直径的塑料光导纤维A和具有较小直径光接收面Rf的光电二极管PD贴切地连接起来，将连接造成的光损耗降到最小。最好把光中继件52的塑料光导纤维侧的尺寸定为大致相当于光导纤维A的纤心大小。从而，从光纤A端面发出的光有效地导入光中继件52。类似地，光中继件52的光电二极管PD侧的端面大小定为大致相当于光接收面Rf的大小。从而，由光中继件52发出的光能有效地被光接收面Rf恢复。这些优选的结构可以进一步降低光损耗。
过去，当把光电二极管用树脂模塑封装时，注塑的过程中在其中安排了一个半圆形的透镜，从面形成广义的“光电二极管”。用这个半圆形透镜会聚从塑料纤维端面上发出的光。
然而，现在使用的光导纤维有不同的数值孔径。因而当半圆形透镜的会聚能力与光导纤维不匹配时，就会出现显著的光损耗。
相反，本发明的连接结构允许容易地选择可以与塑料光导纤维的数值孔径相匹配的光中继件52。因此该连接结构有广泛的用途。
为覆盖光电二极管的前侧，一般采用一种聚碳酸酯型的多功能树脂(环氧树脂)。硬化后，这种树脂的折射率为1.56至1.59，相对较高。因而，当光从光中继件52射出进入该树脂时，光线受到折射形成近乎垂直于光接收面Rf方向的角度。由于此现象，极大降低光损耗。
而且，光中继件52的外圆周表面上包绕着折射率低于塑料光导纤维A的包覆层的折射率的保护层。光在光中继件52中传播得越远，光与轴心间的夹角越大。利用上述包覆层，这样的光可以被有效地反射。
制造好连接塑料光导纤维和光接收元件的结构后，测出的该结构的连接损耗记于下文。
采用了有与上述实施方案相同结构的光连接器1，作为连接部件。
光中继件52用旭化成工业株式会社生产的产品SI-POF(陡折射率塑料光导纤维)制备，该光导纤维的外径为750μm，折射率偏差为0.02，传输损耗为230分贝/公里。在SI-POF的末端处用风筝线悬挂着一个100克的砝码。然后长度为10mm的光纤产品在150℃的加热情况下牵拉并冷却，从而得到热成形的、圆锥形的部分。截出该部分。通过在5至10秒间改变加热的时间，可以改变光中继件52外圆周面的锥度，从而得到几种圆锥形部。
通过切削黄铜材料并形成可以把光中继件52包容其中的空洞制备中间套筒54。
采用住友电装制造的GL连接(产品名)发光二极管LED模块作为测量光源。该模块由精密稳定电源连续驱动，从而在发光二极管模块中发出输出为3dBm的中心波长700纳米的光。
属于该发光二极管LED模块的光通过一根塑料光导纤维导向光电二极管PD。该光纤通过截出2米由旭化成工业株式会社制造的SI-POF光纤得到。
连接损耗用Yokogawa制造的光功率计(产品号3292)测量，该光功率计的波长灵敏中心调定至700纳米。该装置的传感件装入模块侧壳体30中的罩套41中而不是光电二极管PD中。
作为本发明连接结构的例子，提供了十一个大端面为750μm而小端面以50μm为增量从250至750μm不等的光中继件52。相继采用这些个不同的光中继件52时测量了其小端面发出的光输出，结果列于表1。
表1中，“表面比”标出的一栏表示光电二极管PD的光接收面与光中继件52小端面的表面积比。从光中继件52的小端面发出的光进入光电二极管PD的光接收面Rf时，可认为发生的光损耗取决于该表面积比。因此光中继件52和光电二极管PD间的连接损耗(PD进入损耗)可以按下式由该表面积比计算：
PD进入损耗[dB]=10log10(表面积比)
把计算出的PD进入损耗(负数项，见表1)加上光中继件小端面的光输出(同样为负数项)给出通过插入在塑料光导纤维和光电二极管间的光中继件52得到的有效连接输入(实际PD输入，为负数项)。
接着，以端面直径750μm直径，即其外圆筒形表面不是圆锥形的光中继件52得到的实际PD输入为基准，通过减差计算其它光中继件的实际PD输入并表示为由锥度产生的增益。
由表1可见，光中继件52小端面的直径越小，即锥度越大，由其得到的光输出越低。另一方面，当光从光中继件52进入光电二极管PD时发生的光损耗也必须考虑进去。大体上说，光中继件52小端面的直径越小，实际PD输入越大。结果是，直径为250μm的小端面与直径为750μm的小端面相比，锥度增益为5.139dB。
如上所述，当光中继件52的直径从一端向另一端逐渐减少时，塑料光导纤维与光电二极管PD间的光损耗变小。特别是，当小端面的大小相应于光电二极管PD的光接收面的大小时，连接损耗最低。
根据上述连接结构，于塑料光导纤维与光接收元件的光接收面之间插入了光中继元件。再有，该元件的直径从光导纤维侧起向光接收面逐渐减小。然后，从塑料光导纤维的端面发出的光被光中继件聚焦后进入光接收元件的光接收面。故由光纤端面来的光大部分进入光接收面。从而可进一步减少光损耗。
再者，光中继件的塑料光纤侧的大小制得基本与塑料光纤纤心大小相当，而其光接收元件端面大致制得与光接收元件光接收面大小相当。结果离开光纤端面的光可以有效地被光接收元件的光接收面恢复。从而进一步减少光损耗。
光中继元件的直径制得从其光纤侧端面向着光接收元件逐渐减细。光在其中前进时，光线指向光中继元件圆筒表面的角度逐渐加大。因此，当光中继件的外圆筒表面用折射率低于光纤的包覆层的折射率的包覆层保护时，可有效传输光。
                 表1
圆锥端直径(μm) 到达圆锥端的光(dBm)     表面比(％) PD接收损耗(dB) 实际PD输入(dBm) 锥度产生的增益(dB)
    250     -15.519     100.0     0.000     -15.519     5.139
    300     -14.974     69.44     -1.584     -16.558     4.101
    350     -14.477     51.02     -2.923     -17.400     3.259
    400     -14.821     39.06     -4.082     -18.903     1.755
    450     -14.309     30.86     -5.105     -19.414     1.244
    500     -13.104     25.00     -6.021     -19.125     1.534
    550     -13.104     20.66     -6.848     -19.952     0.706
    600     -12.413     17.36     -7.604     -20.017     0.641
    650     -12.252     14.79     -8.299     -20.551     0.107
    700     -11.722     12.76     -8.943     -20.665     -0.007
    750     -11.116     11.11     -9.542     -20.658     0.000

Claims (5)

1．一种连接塑料光导纤维(A)和光接收元件的结构，所述光导纤维有一个发出光的端面，而所述光接收元件有一个表面积小于所述光纤端面表面积的光接收面(Rf)，并接收从光纤发出的所述光，
所述结构的特征为它有一个截头锥体的外表面、以及一个光纤侧面和一个元件侧面，其直径从所述光纤侧面向所述元件侧面逐渐减少，从而所述结构适于互联所述光纤端面和所述光接收面。
2．根据权利要求1的结构，其特征为，所述塑料光导纤维(A)有一个纤心部和一个包覆层，而且所述结构的所述光纤侧面大小基本上与所述塑料光导纤维的所述纤心部的所述端面大小相同，同时所述结构的所述元件侧面大小基本上与所述光接收元件的所述光接收面(Rf)的大小相同。
3．根据权利要求1或2的结构，其特征为，它由折射率与所述塑料光纤(A)的所述纤心部分的折射率相同的材料制成。
4．根据权利要求1至3任一项的结构，其特征为，它上面包覆有折射率低于所述塑料光导纤维(A)的所述包覆层的折射率的包覆层。
5．一种包括权利要求1至4任一项所述的结构、所述光导纤维(A)和所述光接收元件的光连接器。
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