CN1211116A - 光通信设备和方法 - Google Patents

Abstract

提供这样一种光通信设备和方法,以实现结构的简化和尺寸减小,提高光发射装置与光传输介质之间的光耦合效率,以及获得令人满意状况下的光通信。光纤与光发射器和光接收器之间在没有光学系统的条件下完成二者之间光耦合,为的是实现结构的简化和尺寸减小。在光发射器中心C偏离中心轴O放置时,光纤一个端面上的发光图形短轴就与端面的径向一致。从而提高光发射器与光纤之间的光耦合效率。

Description

光通信设备和方法

本发明涉及使用光传输介质的光通信设备和方法。

使用光纤实现光通信为的是增大计算机之间，计算机与其外围设备之间或与其他数字设备之间的数据传输速度。对于这种使用光纤的光通信，一般采用双光纤双向通信方案，其中使用两根光纤。然而，对实行双光纤双向通信方案的设备要求有很大的结构，由于需要两根光纤，该设备的成本很高，且发射信号光装置等设备的尺寸也很大。

所以，人们已提出单光纤双向通信方案，其中使用单根光纤。现在描述用于单光纤双向通信中光通信设备实例的光发送器-接收器。把光发送器-接收器耦合到一根光纤的端部，传送和接收信号光。

图1表示用于单光纤双向通信中的光发送器-接收器实例。图1是光发送器-接收器主要部分的侧视图。此光发送器-接收器包括：用硅半导体或砷化镓(GaAs)半导体制成的半导体衬底101，在其上表面形成作为光接收装置的光电二极管102；连接到衬底101表面的棱镜103；连接到衬底101表面呈长方体形状的半导体器件104；连接到半导体器件104顶部作为光发射装置的激光二极管105；以及透镜107，此透镜107使激光二极管105射出并送到另一个光发送器-接收器的第一信号光L₁进入作为通信线的光纤106一个端面，并且会聚另一个光发送器-接收器经光纤106送出并从光纤106端面射出的第二信号光L₂，再把第二信号光L₂引向光电二极管102。

在衬底101上，棱镜103放置在光电二极管102上面。半导体器件104放在棱镜103的一侧。激光二极管105安排成这样，使第一信号光L₁射向棱镜103。棱镜103在其面向激光二极管105的一侧，有一个与衬底101上表面成一夹角的斜面，例如，夹角为45°。半反射镜103a形成在此斜面上。至于光纤106，可以采用大直径塑料光纤。

在具有这种结构的光发送器-接收器中，激光二极管105被未画出的驱动电路所驱动，第一信号光L₁从激光二极管105射出。第一信号光L₁进入数值孔径(NA)为，例如，0.1的棱镜103半反射镜103a，其中，例如约50％的光量被反射而进入透镜107。第一信号光L₁被透镜107会聚，进入数值孔径为，例如，0.1的光纤106。从激光二极管105射出第一信号光L1的数值孔径取决于激光二极管105。

另一方面，从另一个光发送器-接收器经光纤106送出的第二信号光L₂是从数值孔径为，例如，0.3的光纤106射出的。第二信号光L₂被透镜107会聚，所以其数值孔径为0.3，并进入棱镜103的半反射镜103a。约50％的光量进入光电二极管102。然后，此光被转变成电信号。从光纤106射出第二信号光L₂的数值孔径取决于光纤106。

然而，在图1所示作为光通信设备实例的光发送器-接收器中，在第一信号光L₁和第二信号光L₂中，都有约50％的光量损失。所以，光耦合效率和光接收效率都减小。在至今所描述的有关技术中，提高光发射装置，如激光二极管，耦合到光纤的光耦合效率和提高光接收装置，如光电二极管，接收信号光的光接收效率都是困难的。

有关技术中的另一个问题是，去除杂散光分量很困难，即，光发射装置产生的信号光从光纤的一个端面反射而进入光接收装置。这些杂散光分量影响光通信。

此外，在有关的技术中，包含成像透镜的光学系统放在光发射和接收装置与光纤之间，所以，此设备中所含元件数目就增多，这种设备的结构复杂且体积庞大。

本发明的一个目的是，提供这样一种光通信设备和光通信方法，以获得简单的和小型结构，提高光发射装置耦合到光传输介质等的光耦合效率，实现令人满意的光通信。

本发明的光通信设备包括一个光发射装置，发射光通信中的信号光，此信号光以偏离光传输介质一个端面的中心轴入射。此光发射装置在没有光学系统的情况下提供到光传输介质的直接光耦合。

在本发明的另一种光通信设备中，光接收装置的一个边缘放在光发射装置的信号光射到光传输介质一个端面上的入射点与此端面中心轴之间。

按照本发明的光通信方法，光发射装置射出的信号光，以偏离光传输介质一个端面的中心轴入射。

按照本发明的光通信设备，光通信中光发射装置射出的信号光，以偏离光传输介质端面的中心轴入射。

在本发明的另一种光通信设备中，光接收装置的一个边缘放在光发射装置的信号光射到光传输介质端面上入射点与此端面中心轴之间。

本发明的光通信方法使光发射装置射出的信号光，以偏离光传输介质端面的中心轴入射。

本发明的其他和深入一步的目的，特征和优点在以下的描述中会更充分地展现出来。

图1画出作为有关技术中一例光通信设备的光发送器-接收器结构。

图2画出本发明一个实施例的光通信设备结构。

图3表示图2所示光通信设备中各个元件的布置。

图4是一曲线图，指出光耦合效率与图2中光发射器的光耦合位置之间的关系，其中采用阶跃折射率光纤。

图5是一曲线图，指出光耦合效率与图2中光发射器的光耦合位置之间关系，其中采用缓变折射率光纤。

图6是一曲线图，指出图2中光接收器的光接收区域边缘位置与入射杂散光百分率之间关系。

图7是一曲线图，指出光接收区域边缘位置与图2中光发射器的光接收效率之间关系。

图8画出本发明一个光通信设备实例的结构。

现在结合附图详细地描述本发明的一个优选实施例。

图2是一示意图，画出本发明一个实施例的光通信设备结构。本发明的光通信方法是采用此设备实现的，现结合此设备的描述来说明光通信方法。

此实施例的光通信设备用在单光纤双向通信中。如图2所示，该设备包括：作为光传输介质的光纤1，以及放在光纤1两端的光发射器2a和2b，光接收器3a和3b。

在此实施例的光通信设备中，光发射器2a和光接收器3a放在光纤1的一端，而光发射器2b和光接收器3b放在光纤1的另一端。从光发射器2a射出的信号光进入光纤1的一端，被放置在光纤1另一端的光接收器3b所接收。类似地，从光发射器2b射出的信号光进入光纤1的另一端，被放置在光纤1一端的光接收器3a所接收。双向通信按照这一方式在光纤1的两端之间进行。

光纤1可以是阶跃折射率光纤，也可以是缓变折射率光纤。光纤1的纤芯直径是1mm量级。然而，纤芯直径不限制在1mm，也可以是50μm量级，只要光纤1是多模光纤。

光发射器2a和2b以及光接收器3a和3b都各自放在离光纤1端面11的距离“z”处(例如，10μm或更大些)，这样放置可以直接地实现没有光学系统，如成像透镜，而与端面11的光耦合。因此，举例来说，在光纤1与光发射器2a和2b之间可以实现发散光的光耦合。这就减少回程光的百分率，即，光发射器2a和2b射出的信号光从端面11反射而返回到光发射器2a和2b的百分率。所以，避免了由于这种回程光给光发射器2a和2b造成的不稳定运行。具体些说，若光发射器2a和2b放置在离端面1150μm处，则返回到光发射器2a和2b的回程光百分率是0.04个百分点。若光发射器2a和2b放在离端面11100μm处，则回程光百分率下降到0.01个百分点。因此，光发射器2a和2b放在离光纤1端面11距离为“z”处而在其间没有光学系统的情况下，实现光发射器2a和2b的稳定运行。

光发射器2a和2b可以由半导体激光器组成，例如，水平谐振型正常辐射激光器。光发射器2a和2b使激光构成的信号光，以偏离光纤1端面11的中心轴位置入射。光接收器3a和3b放在离光发射器2a和2b特定的距离处，这个距离减少了杂散光分量的百分率，此杂散光是由光发射器2a和2b射出的信号光从光纤1端面11反射而产生的。光发射器2a和2b相当于本发明的光发射装置。光接收器3a和3b相当于本发明的光接收装置。

现在详细地描述光发射器2a和2b以及光接收器3a和3b与光纤1端面11三者之间位置的关系。

图3画出了光发射器2a和2b，光接收器3a和3b与端面11三者之间位置的关系。图3只展示端面11的芯，其中“r”是芯半径，“O”是端面11的中心轴。采用与端面11中心轴O互相垂直的x和y座标轴作为图3中的原点(o,o)，现描述光发射器2a和2b与光接收器3a和3b之间位置的关系。

如图3所示，光发射器2a和2b射出信号光，使得在光纤1端面11上形成的发光图形21呈非圆形，例如，椭圆形。射出的信号光中心C偏离端面11的中心轴O。具体些说，如图3所示，非圆形发光图形21的短轴与端面11芯区的X轴一致。而且，中心C的位置是在偏离中心轴O的X轴上(c,o)处。因此，通过射出非圆形信号光以及使中心C在偏离端面11中心轴O的位置处(在端面11芯区内的位置)，获得这样的效果，例如，提高了光耦合效率。以下要详细地描述这些位置之间关系的效果。

如图3所示，光接收器3a和3b各自放在相对于端面11这样的位置处，使光接收器3a和3b的光接收区域31并不与光发射器2a和2b的发光图形21重叠，例如，光接收区域31呈长方形，并且，光接收区域31几乎覆盖了相当于端面11芯区的全部区域。光接收区域31边缘上一点(即，X轴与光接收区域31直边相交的边缘位置D)位于发光图形21与端面11中心轴O之间的点(d,o)处。光接收区域31的边缘位置D放在离光发射器2a和2b特定的距离上，该距离可以减少入射杂散光分量的百分率，此杂散光是由光发射器2a和2b射出的信号光从光纤1端面11反射而产生的。以下要详细地描述该距离与入射杂散光百分率之间关系。

参照图4至图7，现在描述光发射器2a和2b，光接收器3a和3b，以及光纤1端面11三者之间位置的关系，主要描述这个关系对设备的影响。图4至图7是曲线图，画出光耦合效率与光发射器2a和2b的光耦合位置之间关系等等。展示了得到的结果，其中采用纤芯半径“r”为0.5mm和NA为0.25的光纤1，光发射器2a和2b是产生波长λ为0.8μm光束的半导体激光器，靠近发光点的光束形状是椭圆形，其光束直径的长轴半径为2μm，短轴半径为0.6μm。

图4和图5是曲线图，指出光耦合效率与光发射器2a和2b光耦合位置之间的关系。垂直轴表示光耦合效率(％)。水平轴表示作为光耦合位置的中心C位置(μm)，光耦合位置是图3中中心C在X轴上的数值，相当于离中心轴O的距离。图4表示采用阶跃折射率光纤作为光纤1得到的结果。图5表示采用缓变折射率光纤作为光纤1得到的结果。图4中的曲线31和图5中的曲线41代表光耦合效率，其中，图3光纤1端面11上光发图形21的短轴与端面11中心轴O的径向一致(即，图3中的X方向，这也适用于下面的描述)。图4中的曲线32和图5中的曲线42代表光耦合效率，其中，图3端面11上发光图形21的长轴与端面11的径向一致。

在图4中，曲线32指出，光耦合效率保持在76％附近而与光耦合位置(图3的中心C位置)无关，其中，图3中发光图形21的长轴与端面11的径向一致。与此对照，曲线31指出，光耦合效率随光耦合位置与中心轴O之间距离的增加而增大，其中，发光图形21的短轴与端面11的径向一致。尤其是，当中心C位置与中心轴O之间距离为450μm时，获得的光耦合效率几乎为100％。采用阶跃折射率光纤作为光纤1，使光纤1端面上发光图形21的短轴与端面11的径向一致，并保持光耦合位置与中心轴O之间距离不变，就能提高光耦合效率。

在图5中，曲线41和曲线42都呈现出向下坡度，曲线41中发光图形21的短轴与端面11的径向一致，而曲线42中发光图形21的长轴与端面11的径向一致。两条曲线41和42都指出，光耦合效率随中心C与中心轴O之间距离的增加而减小。然而，与曲线42比较，曲线41处处都呈现较高的光耦合效率。例如，当光耦合位置与中心轴O之间距离不超过450μm时，曲线41中的光耦合效率为63％，而曲线42中的光耦合效率为38％。如上所述，采用缓变折射率光纤作为光纤1，使光纤1端面11上发光图形21的短轴与端面11的径向一致，就可以提高光耦合效率。然而，采用阶跃折射率光纤作为光纤1(图4)，保持光耦合位置与中心轴O之间距离不变，不能提高光耦合效率。

如图4和图5中两条曲线所指出的，使光纤1端面11上发光图形21的短轴与端面11的径向一致，并保持光耦合位置与中心轴O之间距离不变，就能提高光发射器2a和2b的光耦合效率。

图6是曲线图，说明图3中光接收器3a和3b的光接收区域31直边位置D与入射杂散光百分率之间的关系，杂散光是光发射器2a和2b信号光从光纤1端面11反射而进入光接收器3a和3b的。垂直轴表示入射杂散光的百分率(％)。水平轴表示光接收区域31边缘D的位置(μm)，边缘位置是D在图3中X轴上的数值，相当于离中心轴O的距离。图6说明采用端面11上没有防反射膜的光纤1得到的结果。此结果是在光发射器2a和2b放在离端面11不大于10μm的距离处(在图2中的“z”方向)和中心C的位置离端面11中心轴O不大于400μm情况下得到的。曲线51说明这种关系，其中，图3端面11上发光图形21的短轴与端面11的径向一致。曲线52说明另一种关系，其中，端面11上发光图形21的长轴与端面11的径向一致。

如图6所示，入射在光接收器3a和3b上的杂散光百分率很低，就是说，端面11上发光图形21的短轴与端面11的径向一致时，可以提高防杂散光效果。也可以注意到，使光接收区域31边缘位置D放在离光发射器2a和2b中心C(离中心轴O的距离为400μm)的距离不超过50μm处(离中心轴O的距离为350μm)，则光接收器3a和3b上入射杂散光减小到可以忽略的程度(入射杂散光百分率约为0.0002％)。

图7是曲线图，说明图2中光接收器3a和3b的光接收区域31边缘位置D与光接收效率之间关系。垂直轴表示光接收效率的百分比。水平轴表示光接收区域31的边缘位置D，此边缘位置是边缘位置D在图3中X轴上的数值，相当于离中心轴O的距离。光接收效率是指在光纤1上传输并从光纤1端面11射出而被光接收器3a和3b接收的信号光百分比。

如图7所示，光接收收率随光接收器3a和3b的光接收区域31边缘位置D与光纤1端面11的中心轴O之间距离的增加而增大。例如，当边缘位置D放在与中心轴O的距离为350μm时，光接收效率达到90％。

研究图4至图7所示的全部结果，并注意到端面11上的费涅耳损耗，得到了令人满意的参数，其中包括：与光纤1的光耦合效率约为90％，光接收器3a和3b的光接收效率约为90％，入射到光接收器3a和3b上的杂散光百分率约为0.0002％。获得这些参数的条件是：光发射器2a和2b放在与中心轴O的距离为400μm处；光接收器3a和3b的光接收区域31边缘位置D放在与中心轴O的距离为350μm处；以及光纤1端面11上的发光图形21短轴与端面11的径向一致。

按照至此所描述的本实施例光通信设备和方法，在光纤1与光发射器2a和2b以及与光接收器3a和3b之间没有光学系统，例如，成像透镜，条件下实现它们之间的光耦合。所以，这种设备的结构是简单的，且其尺寸也减小。由于光发射器2a和2b放在与光纤1端面11特定的距离处，且它们之间没有光学系统，回程光的百分率，即，光发射器2a和2b射出的信号光从端面11反射而返回到光发射器2a和2b的百分率，就减小了。从而实现光发射器2a和2b的稳定运行。

按照本实施例的光通信设备和方法，光纤1端面11上发光图形21的短轴与端面11的径向一致，光发射器2a和2b的中心C偏离中心轴O放置。所以，就提高了光发射器2a和2b与光纤1之间的光耦合效率。此外，光接收器3a和3b的光接收区域31边缘位置D放在发光图形21与端面11中心轴O之间，且边缘位置D是在与光接收器2a和2b这样的距离处，使入射杂散光减少。因此，通过减少入射在光接收器3a和3b上的杂散光，提高光接收效率。

本发明的这个实施例因而实现了设备的简化和体积减小，并且同时提高光发射器2a和2b信号光的光耦合效率以及光接收器3a和3b接收信号光的光接收效率。从而在满意的状况下实现光通信。

一个例子

现在描述应用本发明的一个具体例子。在以下描述中，与上述实施例光通信设备中类似的元件用相同的数字表示，从而省去了对它们的描述。

在上述实施例所描述的光通信设备中，光发射器2a和2b以及光接收器3a和3b可以用单片集成方法或混合集成方法制成。

例如，当采用单片集成方法时，每个光发射器2a和2b以及每个光接收器3a和3b做在单个半导体衬底上。现在描述利用这种单片集成方法做成的本发明光通信设备。

图8画出本发明这个例子中光通信设备结构的主要部分。此设备可以包括：作为光发射装置的光发射器71和作为光接收装置的光接收器72，每个元件集成在以硅或砷化镓为主要成分的衬底70上，为的是实现单片集成。

光发射器71包括含衬底70内水平谐振腔的激光二极管73和反射面74，激光二极管73射出作为信号光的激光L11，而反射面74是倾斜的，为的是把激光二极管73射出的激光L11引到光纤1的端面11。光电二极管72形成在衬底70的上表面上，并接收激光L12,L12是从光纤1端面11射出的另一信号光。

按照至此所描述的这个例子中光通信设备，实现了作为光发射装置的光发射器71和作为光接收装置的光电二极管72二者的单片集成。因此，除了上述实施例中该设备的效果以外，还提供了高可靠性状况下较小尺寸和较低成本的这种设备。

本发明不受上述实施例和这个例子的限制，可按照其他的方法加以实现。例如，发光二极管(LED)可以用作射出信号光的装置，替代激光二板管。

虽然上述实施例和这个例子中设备包含作为传输介质的光纤1，但本发明的光通信设备可以只包括光发射器2a和2b以及光接收器3a和3b，而不含光纤1。在此情况下，光发射器2a和2b以及光接收器3a和3b通过适用于光纤1直径制成的连接器连到光纤1。

虽然在上述实施例和这个例子中描述了适用于单光纤双向通信的本发明，但是，本发明的设备和方法可应用于任何其他类型的通信，例如，单向通信或多光纤双向通信。

按照至此所描述的本发明光通信设备和方法，光通信中的信号光以偏离光传输介质端面的中心轴入射。因而，提高了光发射装置与光传输介质之间的光耦合效率。而且，可以实现到光传输介质的直接光耦合而没有光学系统。所以，该设备结构是简单的，且其尺寸减小。此外，光接收装置可以放在与光发射装置之间这样的距离处，使入射到光接收装置上的杂散光分量百分率减少。从而通过减少入射到光接收装置上的杂散光分量百分率，提高光接收效率。在提高光发射装置与光传输介质之间光耦合效率和光接收效率的同时，实现设备的简化和尺寸减小。从而在令人满意的状况下完成光通信。

尤其是，本发明的光通信设备和方法可以使发散光进行光耦合。所以，回程光的百分率，即，光发射装置信号光从光传输介质端面反射而返回到光发射装置的百分率，减小了。从而实现光发射装置的稳定运行。

按照本发明的光通信设备和方法，信号光入射到光传输介质端面上形成的发光图形可以呈非圆形，其短轴与端面的径向一致。所以，进一步提高了光发射装置与光传输介质之间光耦合效率和光接收效率。从而在更令人满意的状况下完成光通信。

按照本发明的光通信设备和方法，光接收装置可以与光发射装置一起放在光传输介质端面那侧，从而在令人满意的状况下完成双向光通信。

按照本发明的光通信设备和方法，光接收装置可以放在与光发射装置之间这样的距离处，使入射到光接收装置上的杂散光分量百分率减小。因此，通过令人满意地减小入射到光接收装置上的杂散光分量百分率，提高光接收效率。

按照此光通信设备，光发射装置和光接收装置可以利用单片集成方法制成。所以，提供了较小尺寸且具有稳定状况的光通信设备。

显而易见，本发明的许多改型和变化在上述原理指导下是可行的。所以应当理解，除了已具体描述的以外，在所附权利要求书的范围以内可以实施本发明。

Claims (13)

1．一种光通信设备，用于使用光传输介质的光通信中，包括：

光发射装置，用于光通信中发射信号光，此信号光以偏离光传输介质一个端面的中心轴入射。

2．按照权利要求1的光通信设备，其中光发射装置放在离光传输介质端面10μm至1mm的距离处。

3．按照权利要求1的光通信设备，其中光发射装置提供与光传输介质的无光学系统直接光耦合。

4．按照权利要求1的光通信设备，其中光发射装置的信号光入射到光传输介质形成的发光图形呈非圆形，其短轴与端面中心的径向一致。

5．按照权利要求1的光通信设备，还包括与光发射装置放在光传输介质端面同一侧的光接收装置，用于接收不同于该光发射装置信号光的另一信号光，并利用光发射装置和光接收装置实现双向通信。

6．按照权利要求5的光通信设备，其中光接收装置放在离光发射装置这样的距离处，使来自光发射装置的信号光从光传输介质端面反射而产生的入射杂散光分量的百分率减小。

7．按照权利要求5的光通信设备，其中光发射装置和光接收装置用单片集成方法制成。

8．一种光通信设备，包括光发射装置和光接收装置，光发射装置用于光通信中发射朝向光传输介质一个端面的信号光；光接收装置与光发射装置放在光传输介质端面的同一侧，用于接收不同于该光发射装置信号光的另一信号光，其中；

光接收装置的一个边缘放在光发射装置信号光射到光传输介质端面的入射点与该端面中心轴之间。

9．一种光通信方法，使光发射装置的信号光进入光传输介质实现光通信，包括的步骤有：

使光发射装置射出的信号光，在光通信中以偏离光传输介质一个端面的中心轴入射。

10．按照权利要求9的光通信方法，其中光发射装置与光传输介质之间实现没有光学系统的直接光耦合。

11．按照权利要求9的光通信方法，包括的步骤有：使光发射装置信号光入射到光传输介质端面上形成的发光图形呈非圆形，其短轴与端面中心的径向一致。

12．按照权利要求9的光通信方法，包括的步骤有：把光接收装置与光发射装置放在光传输介质端面的同一侧，用于接收不同于该光发射装置信号光的另一信号光，利用光发射装置和光接收装置实现双向通信。

13．按照权利要求12的光通信方法，还包括的步骤有：把光接收装置放在离光发射装置这样的距离处，使来自光发射装置的信号光从光传输介质端面反射而产生的入射杂散光分量的百分率减小。

Images