CN1359016A - 光源－光纤耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种光源—光纤耦合器。它包括光源(例如半导体激光器芯片10);用于从光源处发出的散射光通量耦合至光纤(例如单模光纤16)入射端的梯度折射率柱透镜14。在该梯度折射率柱透镜中,其邻近光源的端面呈凸球面形状,而邻近光纤的端面则为平面。该梯度折射率柱透镜被放置在托架内,使得该光源(激光芯片)与该梯度折射率柱透镜在该托架内紧靠在一起,所述激光芯片表面与所述梯度折射率柱透镜端面间的距离以不超过0.3mm为宜,其最佳数值范围为0.2mm至0.25mm.。

Description

光源—光纤耦合器
技术领域
本发明涉及一种光源—光纤耦合器，该耦合器用一个梯度折射率柱透镜把从光源射出的光束耦合至光纤入射端面。另外，本发明特别涉及这样一种光源—光纤耦合器，其梯度折射率柱透镜邻近光源的端面呈凸球面形状，而邻近光纤端则为平面形状，为缩小体积尺寸，该梯度折射率柱透镜与光源间应尽可能靠近。
背景技术
在光学通讯或相关的领域，从光源处发出的散射光通量均是由透镜传导至光纤纤芯的。而过去用来进行光学耦合的透镜一般为球面镜、非球面镜或者梯度折射率柱透镜等。
虽然球面镜的造价颇为低廉，但由于受其特性所限，该球面镜无法以较小的损耗完成自半导体透镜至单模光纤的光学耦合，因为这种具有单模特性的光纤的纤芯直径非常细小，因而该透镜需要满足非常精确的像差性能要求以增强光学耦合效率。所以，在现阶段，非球面透镜往往被用来作为高耦合透镜。
另一方面，当采用梯度折射率柱透镜时，因为耦合来自半导体激光器的光束需要大的孔径比率(NA)，所以该柱镜中至少应有一个端面被制成凸球面形状，这正是基于凸球面的聚光能力以及由凸球面所形成的像差会因分布于梯度折射率柱透镜上的折射率而被抵消的原理。
附图6所示为现有技术中的一个实例，作为光源的半导体激光器被置于特定的封套内(例如TO类型的封套结构)，该激光芯片10被包裹在开有窗口的外套壳内，这样，激光光束可以从该窗口的玻璃罩12处发射，由激光器发射的光束经由梯度折射率柱透镜14而被聚集于单模光纤16的入射端面，在这个实例中，所述的梯度折射率柱透镜14系组装而成，其邻近半导体激光器的端面14a呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面14b则为平面。
通常，为了制造非球面透镜，首先需要按照透镜的形状来制造模具，这个工序需要耐热性能优良的材料和极高的加工精度，尤其是在大尺寸、小批量的生产中，该透镜的造价因此会变得十分昂贵。
与之相反，梯度折射率柱透镜的尺寸较小，制造起来也更为容易和便宜得多，然而，由于半导体激光器在封装后加很容易操作，所以带有封套的半导体激光器更为常用，此时，由于玻璃罩12的存在，激光芯片与梯度折射率柱透镜端面之间的距离就无法缩短到某个特定数值以内，其可以达到的最短的距离值的范围一般为0.6mm到0.7mm，从半导体激光器发射出的光束会因而发生衰减，导致耦合损失增大，所以从半导体激光器至单模光纤的耦合效率很难充分保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光源—光纤耦合器，能够以低损耗实现从半导体激光器至单模光纤的光学耦合，并具备造价低廉、加工容易和体积小等优点。
本发明的光源—光纤耦合器包括光源以及用于从光源处发出的散射光通量耦合至光纤入射端的梯度折射率柱透镜，在所述的光源—光纤耦合器中，该梯度折射率柱透镜邻近光源的端面呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面则为平面，在该梯度折射率柱透镜外还设置有一个托架，梯度折射率柱透镜与作为光源的半导体激光器的激光芯片在该托架内紧靠在一起，而光纤也被安置于在该托架内。
在本发明中，半导体激光器通常被用来作为光源，当具有微小纤芯直径的单模光纤被用以作为耦合器的组件时，其光耦合效率的提高尤为重要。在本发明中，由于梯度折射率柱透镜邻近光源的端面呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面为平面，所述激光芯片与梯度折射率柱透镜之间的距离就得以缩短，从而减弱从半导体激光器发射的光束衰减，从而提高了耦合效率。此外，由于选用了这种小口径的梯度折射率柱透镜，还实现该光学仪器的小型化。
本发明中，光源(激光芯片)与梯度折射率柱透镜端面间的距离的取值范围以不超过3mm为宜，其最佳值为0.2至0.25mm。在上述范围内，耦合损耗可以降为最小。
作为该光学仪器的实施例，所述托架包括一个用以放置所述的半导体激光器的激光器支架，一个用于放置梯度折射率柱透镜的镜架，而在该托架内，半导体激光器的位置与梯度折射率柱透镜的位置在其与光轴同向的轴向和与该光轴方向垂直的平面方向是可以调节的，为了保证在轴向调节时，该半导体激光器与梯度折射率柱透镜之间的距离不会小于预定值，该调节范围还应受到激光器支架的约束。
本发明的内容在日本专利NO.2000-376324(申请日为2000年12月11日)中已有涉及，在这里也可以结合该专利作为全面参考。
附图说明
图1是本发明的光源—光纤耦合器基本结构示意图；
图2是光源—光纤耦合器中光源与透镜的间距与耦合效率间的关系示意图；
图3是本发明的光源—光纤耦合器的一个实施例的结构示意图；
图4是本发明的光源—光纤耦合器的第二实施例的结构示意图；
图5是本发明的光源—光纤耦合器的第三实施例的结构示意图；
图6是现有技术的光源—光纤耦合器示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
附图1是本发明的光源—光纤耦合器基本结构示意图：从半导体激光器(激光芯片10)处发出的光束(散射光通量)经由梯度折射率柱透镜14被耦合至单模光纤16的入射端，所述的梯度折射率柱透镜14的设置如下：其邻近半导体激光器的端面14a呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面14b则为平面，在所述半导体激光器上既没有玻璃罩，也没有封套，所述半导体激光器被放置在托架(图中没有绘出)内，所述激光芯片10紧靠同样置于托架内的梯度折射率柱透镜14。另外，光纤16也被置于在该托架内。
为了增大柱镜中邻近半导体激光器的端面的孔径比率(NA)，激光芯片与柱镜的间距L1不应该大于3mm(其最小间距应该足以使得激光芯片与柱镜之间保持非接触状态)，该间距的最佳值为0.2mm到0.25mm之间，透镜半径r0的最佳取值范围在0.3mm至1.0mm左右，其球形端面的曲率半径R2的最佳取值范围在1.2mm至2.0mm左右，增大该柱镜中邻近半导体激光器的端面的孔径比率NA2的原因是为了令透镜更好地与半导体激光器的特性相适配。该孔径比率NA2的最佳取值范围在0.5至0.7左右，将透镜半径r0的取值范围限定在0.3mm至1.0mm之间的原因是：该透镜半径的数值越小越好，但能够制造出来的该类球形面的最小半径也就是0.3mm，将球形端面的曲率半径R2的取值范围限定在1.2mm至2.0mm左右是为了与透镜半径r0相适配。
梯度折射率柱透镜的放射状分布折射率可以由以下的表达式给出：
n(r)2＝n0 2.{1-(g.r)2+h4(g.r)4+h6(g.r)6+h8(g.r)8+...}
其中，r是该点与中心轴线间的距离，n(r)是与中心轴线距离为r的位置处的折射率，n0是中心轴线上的折射率，g是二次折射率分布系数，而h4、h6、h8...则分别为高次折射率分布系数。
下面给出一个实际例子：从激光芯片至柱镜的距离L1被设为0.2mm，单模光纤端面的孔径比率NA＝(NA1)设为0.15，柱镜端面至单模光纤的间距L2设为4.5mm左右，n0和g的取值令梯度折射率柱透镜位于中心轴处的折射率n0落到1.5到1.8之间，这样，n0.g.r0的数值取值范围为0.40到0.65之间。这样位于柱镜一端的球面的曲率半径就被改变，光损耗被降至最低。在此状态下，柱镜长度z、高次折射率分布系数h4、h6和h8以及半导体激光器的孔径比率NA2可以被计算出来，其结果见下表1：
                                          (表1)
  柱镜  R1(mm)  R2(mm)   Z(mm)   NA2(mm)     h4    h6     h8
   00     0     0   4.039    0.485    0.5711  1.478   -13.20
   11     0     -2.0   4.018    0.526    0.6063  1.722   -14.13
   12     0     -1.8   4.015    0.532    0.6113  1.760   -14.20
   13     0     -1.6   4.011    0.539    0.6179  1.821   -14.31
   14     0     -1.4   4.007    0.549    0.6269  1.906   -14.38
   15     0     -1.2   4.002    0.565    0.6401  2.035   -14.27
当梯度折射率柱透镜的外形尺寸等同于表1中数字13那一行时，从激光芯片至柱镜的距离L1以及柱镜端面至光纤的间距L2相应地分别取值为0.2mm和4.7mm，其耦合损失为1.59db(耦合效率为69.4％)，反之，当激光芯片至柱镜的距离L1以及柱镜至光纤的间距L2分别取值为0.65mm和6.0mm时(此为现有技术中的配置)，其耦合损失为2.60db(耦合损失为54.9％)，也就是说，本发明中的耦合损失与现有技术相比分别提高了约1db和约15％。
同样原理，当采用如上所述相同的镜片时，图2表示出耦合损失与激光芯片至柱镜的距离L1之间的关系，可以清楚的看出，激光芯片至柱镜的距离L1激光的适宜取值范围应该不超过0.3mm，其最佳值则应选在0.20mm至0.25mm之间，当激光芯片至柱镜的距离L1激光的取值范围在0.20mm至0.25mm之间时，耦合损失被降到最小。在此情形下，很显然，不需要在所述耦合器位于轴线方向(z向)上进行调整，因为该间距L1即使是出现数十微米的位移偏差，都不会引起耦合损失的太大变化，这样，完全可以在机械精度范围内完成相互间的组装。又由于柱镜的长度存在一定的偏差，所述光源—光纤耦合器应该制造成可以在其轴线方向(z向)上进行调整的模式，以便获得耦合损失的最小值。
图3所示为该光源—光纤耦合器的一个特殊实例，该光源—光纤耦合器包括一个半导体激光器20、一个梯度折射率柱透镜22及一个托架30，该托架30用于容纳半导体激光器20、梯度折射率柱透镜22及一个光纤插头的卡套(未绘出)，所述卡套安装在托架20内并配合该托架一起使用。该光源—光纤耦合器具有类似插座式结构，当单模光纤套在卡套内并插入光纤插头内后，半导体激光器20以及套在卡套内的单模光纤通过梯度折射率柱透镜22耦合在一起。
正如上面所述，半导体激光器20上既没有封套，也没有玻璃罩，激光芯片(部件)20a安装在芯片架(热散)20b上，该芯片架20b又安装在基座20c上，导线20d穿过基座20c，此设置可以令梯度折射率柱透镜22安放在距离作为发光点的激光芯片20a非常近的位置。
这里，托架30是一个被整体铸造出来的树脂元件，其内大多数的孔腔直径大小不等并串在同一轴线方向上，形成一个通孔式结构。所述半导体激光器20被安装在该托架30的一端(在图3中是左端)30a上，所述梯度折射率柱透镜22被安放在托架内的中央部位，插座32是从托架30的中央部位直到另外一端(图3中的右端)的那一部分，在该插座32中含有一个内腔(腔室部分)34，作为耦合器配件的光纤插头卡套可以被插在其中。
如上所述，组装在光源—光纤耦合器内的梯度折射率柱透镜22，其邻近半导体激光器的端面呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面则为平面，该半导体激光器的邻近端面与激光芯片20a的发光点极为靠近(例如；该激光芯片至透镜的距离为0.20mm到0.25mm)，该梯度折射率柱透镜22的外周由胶粘剂或类似物固定在托架通孔内。
所述半导体激光器20的位置可调并被连接在托架30上，与所述梯度折射率柱透镜22组合在一起，该半导体激光器20与托架30间的装配位置令半导体激光器20的基座20c紧贴托架30的端面30a。当所述光纤插头卡套被装入托架30的插座32内后，该半导体激光器20(在置于垂直于轴线方向的平面内，也就是沿x、y方向)可以进行调节，从半导体激光器20中发射并被传导入光学纤维的单光纤内的光束即随之而得到调节。所述基座20c的外周用树脂胶粘剂36固定在托架上，用以将所述半导体激光器20安装在前面所述的位置上。这是基座20c与托架端面30a串接模式的一个例子，而沿轴向(z向)的距离调节功能则被省略掉了。
附图4和5给出了所述光源—光纤耦合器另外的两个实施例，因为图4和图5中的基本构造与图2相同，为节省篇幅，此处仅对其区别之处加于描述。在这两个实施例中，分别给出了不同的沿光轴方向(z向)的距离调节装置结构。
在附图4中，在托架40上有一个分离组件，用以安装半导体激光器的支架42和安装柱镜22的镜架44被拆分成两部分，其中一部分(在图4中是右边部分)镜架44作为连接件，该连接件上包含有一个光纤插座32，其中含有一个内腔(腔室部分)34，作为耦合器配件的光纤插头卡套可以被插在其中。
所述半导体激光器支架42的一端端面和安装柱镜22的镜架44的端面对接在一起以实现在x-y平面上的位置调节，在z轴方向上的距离调节则通过调节插入激光器支架20内的半导体激光器20来完成。实际操作时，当光纤插头卡套插入镜架44的内腔34内后，所述激光器支架42与镜架44的端面对接起来以进行x-y平面上的位置调节，此外，所述半导体激光器20的基座20c被安放到激光器支架42内的台阶状孔腔中，通过前后移动来实现z轴方向上的距离调节。伴随着所述半导体激光器20的位置调节，自半导体激光器20发射并向插在光纤插头中的单模光纤传输的光束也得以调节。当半导体激光器20被放到上面所述位置中后，所述激光器支架和镜架之间，以及半导体激光器和激光器支架之间可以通过焊接等方式连接起来。
在图5中，托架50上同样有一个分离组件，用以安装半导体激光器的支架52和安装柱镜22的镜架54被拆分成两部分，在这个实施例中，其中一部分(在图5中是右边部分)镜架54同样被作为连接件，该连接件上包含有一个内腔(腔室部分)34，作为耦合器配件的光纤插头卡套可以被插在其中。
所述半导体激光器支架52的一端端面和安装柱镜22的镜架54的端面对接在一起以实现z轴方向上的距离调节，所述半导体激光器20紧贴在激光器支架52上以实现在x-y平面上的位置调节。实际操作时，当光纤插头卡套插入镜架54的内腔34内后，所述园柱状的激光器支架52被套在镜架54的外部台阶管壁上，可以进行z轴方向上的距离调节，此外，所述半导体激光器20的基座20c紧贴在激光器支架52的端面上，以实现x-y平面上的位置调节。伴随着所述半导体激光器20的位置调节，自半导体激光器20发射并向插在光纤插头中的单模光纤传输的光束也得以调节。当半导体激光器20被放到前面所述位置后，所述激光器支架和镜架之间，以及半导体激光器和激光器支架之间可以通过粘接剂或类似物连接起来。
在图4中所示实施例的配置中，既使基座20c被推到激光器支架42的最深处(即：该基座20c的距离约束面20cs贴上激光器支架42的距离约束面42s)，激光芯片20a与柱镜22之间也不能相互接触(该激光芯片20a与柱镜22之间的间距不能小于某个特定值)。在图5中所示实施例的配置中，既使激光器支架52被推到与镜架54贴紧(即：该激光器支架52的距离约束面52s贴上镜架54的距离约束面54s)的位置，激光芯片20a与柱镜22之间也不能相互接触(该激光芯片20a与柱镜22之间的间距不能小于某个特定值)，这样就能够避免因为不慎接触而导致的失误。
虽然上面列举的实施例都属于采用光纤插头连接的插座式结构形式，本发明当然还可以采用将光纤卡套直接固定连接的尾光纤方式结构形式。
综上所述，在本发明中，所述的梯度折射率柱透镜在其邻近半导体激光器的端面上呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面则为平面，该梯度折射率柱透镜安装在托架内，与光源极为靠近，从而减小了来自发射光束的衰减，从光源至光纤的耦合损失也因此被降低，这样就实现了从半导体激光器到单模光纤的高耦合效率。
由于在本发明中使用的是球面透镜而不是非球面透镜，因而可以按照球面镜的制作方法进行加工，不需要制作压模，透镜的批量加工变得更为容易和更为便宜。这样所获得的光源—光纤耦合器不仅实现了从半导体激光器到单模光纤的低损耗(高效)耦合，而且其体积尺寸和造价也得以减小。

Claims (8)

1、一种光源—光纤耦合器，包括光源；用于从光源处发出的散射光通量耦合至光纤入射端的梯度折射率柱透镜；
在所述的梯度折射率柱透镜中，其邻近光源的端面呈凸球面形状，而其邻近光纤的端面则为平面；其特征在于：
在该梯度折射率柱透镜外还设置有一个托架，该梯度折射率柱透镜与作为光源的所述半导体激光器的激光芯片在该托架内紧靠在一起，而光纤也被安置于该托架内。
2、根据权利要求1所述的光源—光纤耦合器，其特征在于：所述的激光芯片表面与所述梯度折射率柱透镜端面间的距离不超过0.3mm。
3、根据权利要求1或2所述的光源—光纤耦合器，其特征在于：所述托架包括一个用以放置所述的半导体激光器的激光器支架，一个用于放置所述梯度折射率柱透镜的镜架，所述半导体激光器的位置与梯度折射率柱透镜的位置在与光轴同向的轴向和与该光轴方向垂直的平面方向是可以调节的，以便保证在轴向调节时，所述半导体激光器与梯度折射率柱透镜之间的距离不会小于预定值，该调节范围还应受到激光器支架的约束。
4、一种光源—光纤耦合器，其特征在于：所述光源—光纤耦合器
包括：一个托架；
一个半导体激光器，放置在该托架内，该半导体激光器上有一个裸露的激光芯片；
一个梯度折射率柱透镜，其中一个端面呈凸球面形状，与之相对的另一个端面则为平面；
该梯度折射率柱透镜被安装在该托架内，所述半导体激光器的激光芯片与所述梯度折射率柱透镜端面间的距离是0.3mm或更小。
5、根据权利要求4所述的光源—光纤耦合器，其特征在于：所述的光源—光纤耦合器在该托架上还包括一个插座部分，用以放置光纤，该耦合器因此而具有插座式结构。
6、根据权利要求4所述的光源—光纤耦合器，其特征在于：所述的光源—光纤耦合器在该托架上还安装有一个光纤，该耦合器因此而具有尾端型结构。
7、根据权利要求4所述的光源—光纤耦合器，其特征在于：所述半导体激光器包括一个基座，在该基座上设置第一距离约束面，在所述托架上还包括一个镜架，其上设置有与之相配合的第二距离约束面。
8、根据权利要求4所述的光源—光纤耦合器，其特征在于：所述托架包括一个激光器支架及一个镜架，在该激光器支架上设置有第一距离约束面，在该镜架上设置有与之相配合的第二距离约束面。
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