CN1926727A - 带有光限幅元件的光发射组件与光接收组件 - Google Patents

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Abstract

一种光发射组件(104)包括光发射器(130)和其中容置有光导纤维(108)的纤维容器(122)。光限幅元件(134)设置于该光发射器(130)和该纤维容器(122)之间。当从该光发射器射出光信号时，在该光信号到达纤维容器(122)并由该光导纤维接收之前，该光信号经过光限幅元件(134)。该光限幅元件(134)具有以下特性：如果进入该光限幅元件(134)的光信号的功率超出预定限值，那么光信号的功率就被从光学上减弱以使离开该光限幅元件的光信号的功率保持低于所述预定限值。

Description

带有光限幅元件的光发射组件与光接收组件
技术领域
本发明总体涉及光学收发器的领域。更具体而言，本发明的实施例涉及对从光学收发器传输的光信号的眼睛安全要求。
背景技术
激光信号广泛地用于各种不同的技术与应用中。例如，激光器已经广泛地用于军事范围作为测距仪、作为目标指示器，并且用于导向系统中。激光器还广泛地结合到通信系统中以用于高速数据传送。激光器的实际用途以及不同的激光器的物理性能变化很大。某些激光器发出较小功率的信号，而其它激光器可发出功率很高的信号。在多种情况中，感光设备以及人眼可能因暴露于大功率激光器信号下而被严重损坏。
为了保护人眼免受激光信号的损害，眼睛安全要求已经得到开发以便引导光传输设备的制造商。一组眼睛安全要求，即第一类眼睛安全要求，对在无防护的眼睛可以暴露于那些激光信号下的环境中安全地传输激光信号提供准则。第一类眼睛安全限制结合了激光功率与暴露时间的限制。这样，激光信号的功率可以在短时间内较高，或在长时间内较低，并且仍符合第一类眼睛安全要求。
在诸如光学收发器之类的应用中，第一类眼睛安全要求适用于激光信号的发射。对于光学纤维收发器，第一类眼睛安全要求适用于包括所有合理的单故障状态在内的所有条件，所述合理的单故障状态定义为收发器内的单个部件或连接的合理故障。为了符合眼睛安全要求，收发器总体上设计成按照两种方式之一来保证眼睛安全。第一，因为收发器能够发出的最大功率可以低于眼睛安全限度，所以收发器可以基本上为安全的。通常的情况是收发器包括有在1310nm-1550nm范围内操作的较长波长的激光器。第二，对于收发器所射出的激光信号不可能基本上安全的情况，例如，使用用于传输波长在850nm范围内的信号的激光器的收发器，通过冗余电路来保证眼睛安全限度，所述冗余电路通过监控光电二极管来监控激光器的电流，或者更直接地来监控激光器的输出功率。
尽管基于电路的眼睛安全系统对保持激光信号的功率处于眼睛安全限度内有用，但是此类眼睛安全系统可能变得结构复杂并且会使成本增加、生产复杂，以及影响光学收发器的性能。基于电路的眼睛安全系统包括冗余度(redundancy)，以保证在收发器使用的电路内的单个电部件或连接发生故障的情况下光学收发器能继续发挥作用。这些电路系统通常用于在检测到故障时切断通向激光器的偏置电流，因此其通常包括两个与激光器元件串联的晶体管。然而，因为串联的部件会降低收发器内的电净空(electrical headroom)，从而使晶体管在收发器内串联构造以限制收发器性能变得可能不切实际且无效。
用于检测或补偿单点故障(single point failure)的冗余电路的另一个实例涉及使用监控光电二极管。在结合有监控光电二极管的眼睛安全系统中，对监控光电二极管的输出进行监控，并且当该输出超出预定能级时，对激光器的偏置电流进行限制。在这种眼睛安全系统中，由于许多系统在反馈回路中使用监控光电二极管，所以必须检测监控光电二极管的故障或与该监控光电二极管的连接的故障，以便保持光输出能力处于理想范围内。如果监控光电二极管或与该监控光电二极管的连接出现故障，反馈回路将会驱动偏置电流至最高等级，这在多个系统中将会导致输出功率级超出眼睛安全限度。这样，需要冗余系统来检测监控光电二极管的故障或与该监控光电二极管的电路连接的故障，并且独立地关闭激光器。如果所有可能的故障模式均要得到编址(address)，那么总的眼睛安全电路就会变得结构复杂、效率低下且成本昂贵。而且，可能发现典型的眼睛安全电路将检测不到的合理的单一故障失效的情况。
而且，短波光学收发器的设计通常结构复杂，因为理想的额定运行功率通常与眼睛安全限度相当接近，从而使可靠地区别正常与危险等级的系统设计成为挑战。事实上，可接受的输出功率的标准通常由与眼睛安全限度相对应的最小值与最大值来限定。希望具有用于制造产量高的最大输出功率范围容易使眼睛安全控制更加困难。
发明内容
关于控制大功率的光信号的这些及其它问题通过本发明的实施例而被克服，所述实施例通常涉及将光限幅材料引入光发射组件(TOSA)中，以便控制光信号的输出功率并且便于其符合眼睛安全要求。一种此类的TOSA包括光发射器与容置有光导纤维的纤维容器。为了限制光输出以便于符合眼睛安全标准，所以在该光发射器与该纤维容器之间设有光限幅材料。选择一种光限幅材料，其在正常情况下将功率限制为适当的级别而不会从本质上影响输出功率。当将光信号从光发射器传输至容置在纤维容器中的光导纤维时，光限幅材料使功率超过眼睛安全要求的任何信号减弱。
附图说明
为了进一步阐明本发明实施例的以上及其它方案，将参考附图所示的本发明实施例，对本发明进行更具体的说明。这些附图只是示出了本发明的典型实施例，因而不应当被理解成用于限制本发明的范围。此外，附图并未按比例绘制。通过使用附图，将对本发明进行更具体且详细地描述与说明，附图中：
图1为示例性的光收发模块的剖视图，其中使用了光限幅材料与元件；
图2为TOSA的一个实施例的剖视图，其中光限幅材料直接结合至光发射器的发射面；
图3为从光限幅材料传输的光信号的输出功率随进入光限幅材料的光信号的输入功率而变化的曲线图；以及
图4为示出了用于对TOSA中所传输的光信号的功率进行限制的过程流程图。
图5为示例性的结合有光限幅材料的ROSA的剖视图；
图6为示例性的结合有位于检测元件的检测表面上的光限幅材料的ROSA的剖视图；
图7为示例性的结合有与物理接触元件相结合的光限幅材料的ROSA的剖视图；
图8为示例性的结合有光限幅材料与离散的透镜的ROSA的剖视图；
图9为示例性的结合有设置于透镜支架内的光限幅材料的ROSA的剖视图；
图10为离开光限幅材料的光信号的输出功率随进入光限幅材料的光信号的输入功率变化的曲线图；以及
图11为示出了用于从光学上减弱光信号的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的示例性实施例涉及光学收发器，该光学收发器通过将称作光限幅材料的材料结合到光发射组件(“TOSA”)与光接收组件(“ROSA”)中而满足有关的眼睛安全要求。所述由光限幅材料构成的光限幅元件用于在光信号的功率级超过预定阈值时从光学上减弱光信号。
在示例性的TOSA中，信号从光发射器传输，并且该信号行进至纤维容器，在该纤维容器中光信号由光导纤维接收。为了保证光导纤维中的、从光发射器所接收的光信号的功率不会超过预定的诸如眼睛安全限度之类的限值，本发明的实施例包括一个或多个位于光发射器与光导纤维之间的光限幅元件。光限幅元件通过减弱功率级超出理想阈值的光信号而有效地限制所传输的光信号的功率。通过限制从TOSA所传输的光信号的功率，光限幅材料确保从TOSA所传输的光信号不会超过眼睛安全限度并且不会损伤无防护的眼睛。
I.示例性的工作条件
现在参考图1，其示出了示例性的光收发模块100。除壳体102之外，收发器模块100包括基本封闭于壳体102内的TOSA 104和ROSA106。TOSA104容置有光导纤维108，而ROSA 106容置有光导纤维110。TOSA 104与ROSA 106中每一个均通过印刷电路板(PCB)112的第一电接触元件114而连接至PCB112。多个第一电接触元件114连接至多个信号跟踪器116和PCB 112的电路(未示出)，其中该电路可以包括后置放大器、激光驱动器以及相关电路，随后所述信号跟踪器与多个第二电接触元件118连接。所述第二电接触元件118连接至外部和/或内部的电子元件(未示出)。
光收发模块100接收与发送光信号。当光信号接收到光收发模块100中时，光信号就通过光导纤维110进入ROSA 106。在进入ROSA 106之后，该光信号由光信号转变成电信号。该电信号从ROSA106经由所述第一电接触元件114而传输至PCB 112。随后，该电信号通过所述信号跟踪器116和PCB 112的电路行进至所述第二电接触元件118，进而至外部和/或内部的电子元件。
除了接收来自ROSA 106的电信号之外，外部和/或内部的电子元件可以将电信号传输至TOSA 104。在一个实例中，电信号从外部部件传输至所述第二电接触元件118，并且沿着与诸如激光驱动器的电路连接的所述信号跟踪器116而行进穿过PCB 112。最终，可以由该电路处理的电信号就到达TOSA 104，在此将该电信号转变成光信号。随后，该光信号从TOSA 104通过光导纤维108而被传输。
现在，更特别地关注示例性的TOSA 104，TOSA 104包括壳体120。在本发明的一个实施例中，壳体120实施为单个模制塑料元件。壳体120还可设置成由诸如玻璃的替代材料构成。此外，壳体120限定容置有光导纤维108的纤维容器122。位于纤维容器122端部的纤维止动器(fiber stop)124用于限制光导纤维108可插入到TOSA 104的壳体120中的距离。
TOSA 104的壳体120还构置成用于接合封套126。封套126示例性地实施为TO罩并且包括窗128。光发射器130由封套126密封，并且设置于该封套126内，从而使来自光发射器130的光信号经过窗128。
在一个实施例中，光发射器128为激光器，其实例包括但不限于：竖直空腔表面发射的激光器(“VCSEL”)、Fabry-Perot(FP)激光器以及分布反馈(“DFB”)激光器。用于TOSA 104中的该激光器或其它光发射器可能选择成产生特定的理想波长的光信号。在一个示例性实施例中，激光器发射波长约为850nm的光信号。在其它示例性实施例中，该激光器发射波长约为1310nm或约为1550nm的光信号。
继续参见图1，透镜132设置于TOSA 104内，以将来自光发射器128的光信号聚焦至光导纤维108中。另外，光限幅元件134设置于TOSA 104内的光导纤维108与光发射器128之间。一个或多个光限幅元件134可以设置于在光导纤维108与光发射器128之间的任何位置处或多个位置处。在图1的特定实例中，光限幅元件134设置于封套126的窗128上。
各种材料可以用于构造诸如光限幅元件134之类的光限幅元件。此类材料的实例包括但不限于：玻璃、透明玻璃凝胶、聚合物、以及与诸如球壳状碳分子之类的具有非线性光学特性的材料相混合的高分子半导体(semiconducting polymer)。在本发明的其它实施例中，光限幅元件可以用聚合物或与掺杂物混合的聚合物构造。
在操作中，当由TOSA 104接收来自PCB 112的电信号时，该电信号转变成光信号，该光信号随后从光发射器128射出。该光信号通过封套126的窗130而从光发射器128行进至光限幅元件134。如果传递至光限幅元件134的光信号的功率低于预定的限制，则当该光信号穿过光限幅元件134时，该光信号基本上保持不变。然而，如果光信号的功率超过预定的限值，则光限幅元件134就从光学上减弱该光信号的功率。这样，光限幅元件确保从TOSA104所传输的光信号的功率不会超过预定的限值。在本发明的一个实施例中，所述预定的限值对应于眼睛安全要求。在本发明的一个实施例中，眼睛安全要求为第一类眼睛安全要求。
II.带有光限幅材料的示例性的TOSA
现在，直接参考图2，示出了示例性的TOSA 200。TOSA 200包括壳体202，其限定纤维容器204和相关的纤维止动器206。光导纤维208容置于纤维容器204中并且延伸至纤维止动器206。壳体202还包括一体式透镜210并设置成连接于封套212上。封套212的窗214设置成使密封于该封套212内的光发射器216能够传输光信号通过窗214并进入光导纤维208。
TOSA 200还包括光限幅元件218，在本示例性实施例中，该光限幅元件218位于光发射器216的发射面上。通常，如果必要的话，该光限幅元件用于减弱来自光发射器216的光信号的功率。
尽管图2所示的光限幅元件218直接设置于光发射器216的发射面上，但是在其它示例性实施例中，该光限幅元件可以设置于光发射器216与纤维容器204之间的任意位置处或多个位置处。而且，诸如透镜210和/或纤维止动器208之类的TOSA 200的其它部件可以结合有光限幅材料。
尽管某些示例性实施例提供用于使用诸如光限幅元件218之类的离散的光限幅元件，但是与TOSA相关联的光限幅功能也可以按照其它方式实施。例如，TOSA的替代实施例包括壳体或壳体的一部分，其由掺杂有诸如双光子吸收染料(two-photon absorption dye)之类的光限幅器化合物构造而成。然而，可以替代地使用任何其它适用的掺杂材料。在这种示例性实施例中，壳体构置成使从光发射器射出的光信号在进入光导纤维之前经过壳体的一部分。在本示例性的实施方式中，没有设置独立的光限幅元件，而光限幅功能由TOSA壳体自身实施。除了没有设置独立的光限幅元件218之外，这种实施方式的一个实例在构造上类似于图2所公开的TOSA 200。
III.带有光限幅材料的示例性的ROSA
现在参照图5，示出了ROSA 500的剖视图。在本示例性实施例中，ROSA500的壳体502为单个塑料模制元件。壳体502可以由多种不同的材料制造，所述材料包括：例如塑料、玻璃或任何其它光学上适用的材料。如图5所示，ROSA 500的壳体502与封套504接合，该封套504示例性地实施为TO罩(TO can)，检测元件506设置并密封于该封套504内。在本发明的一个实施例中，检测元件506为雪崩光电二极管检测器(APD)。然而，可以替代地使用各种其它类型的检测元件。此类检测元件的实例包括但不限于：PIN型光电二极管。同样，封套504的透镜508设置并定位成用于将光信号聚焦于检测元件506上。在所示的实施例中，透镜508与封套504形成为一体，但是在某些替代实施例中透镜包括离散的部件。
继续参照图5的示例性的ROSA 500，壳体502限定纤维容器510，在该纤维容器510内容置有光导纤维512。纤维容器与纤维止动器514连通，该纤维止动器514用于限制光导纤维512能够插入到ROSA 500的壳体502中的程度。类似于图1所公开的示例性的设置结构，如果必要的话，光限幅材料516设置于ROSA 500中的光导纤维512与检测元件506之间，以便减弱从光导纤维512接收到ROSA 500中的光信号的功率，从而防止损害检测元件506。
在图5所示的示例性实施例中，光限幅元件516采取连接至壳体502的材料块的形式，以便被设置于纤维止动器514与透镜508之间。然而，如本文中其它地方所指出，本设置结构仅为示例性，并且可以根据需要而对光限幅元件516的构造与设置进行改变。
在操作中，当将光信号接收到ROSA 500中时，光信号就从光导纤维512通过纤维止动器514和光限幅元件516而被传输。如果在光限幅元件516处从光导纤维512接收的光信号的功率低于预定的限值，那么光信号经过光限幅元件516而不会减弱。
另一方面，如果在光限幅元件516处从光导纤维512接收的光信号的功率超过预定的限值，那么光限幅元件516就从光学上将该光信号的功率减弱至所需的程度，以便确保在检测元件506处的光信号的光功率处于可接受的限值内。随后，检测元件506检测该光信号并且将所接收的光信号转变成电信号。按照这种方式，如果必要的话，最终到达光检测器506的光信号已经在光学上被减弱至一定级别，该级别低于与光检测器506相关联的光学过载限值、损害阈值和/或其它预定的限值。
如前文所述，ROSA内的光限幅元件的位置可以改变。现在参照图6，其提供了关于ROSA 600的详细情况，其中光限幅元件邻近检测元件设置。
如图6所示，示例性的ROSA 600包括壳体602，其构造成与封套604接合。检测元件606设置于封套604内，并且设置成接收来自透镜608的光信号，其中该透镜608实施为封套604的一体部分。在本示例性的实施例中，设置有光限幅元件610，其直接设置于光检测器606的检测表面上。
继续参照图6，ROSA 600的壳体602限定纤维容器612，在该纤维容器612内容置有光导纤维614。纤维止动器616由处于纤维容器612的一端的壳体602限定，以便限制光导纤维614能够插入到ROSA 600的壳体602中的深度。
当光导纤维614接收光信号时，该光信号从光导纤维614通过纤维止动器616行进至透镜608。随后，透镜608使该光信号聚焦并且将该光信号传送至位于检测元件606的检测表面上的光限幅元件610。通常，如以上结合图1的讨论所述，光限幅元件610将传输至检测元件606的光信号减弱至所需的程度，以防止损害检测元件606或防止关于检测元件606的其它问题发生。即使有的话，此类减弱所达到的程度可由例如检测元件606的光学过载限值或损害阈值来确定。更一般地，可以参考各种阈值与限值中的任何一种来确定由光限幅元件610所实施的光减弱的程度。
现在直接参照图7，其提供了关于本发明的另一个替代实施例的详细情况。在这种情况下，所公开的ROSA 700包括连接于封套704上的壳体702。类似于本文中其它示例性实施例的公开内容，检测元件706设置于封套704内并且通过该封套704与透镜708的配合而将密封于该封套704中。在本实施例中，透镜708用于将进入的光信号聚焦于检测元件706上。同样，ROSA700的壳体702限定容置有光导纤维712的纤维容器710。
与本文中所公开其它示例性实施例相比，图7所公开的示例性实施例还包括物理接触(physical cotact)元件714，该物理接触元件714设置成与纤维容器710接触以限制ROSA 700内的反射。此外，物理接触元件714确保光导纤维712不会延伸超出纤维容器710的端部。在本发明的一个实施例中，物理接触元件714为玻璃，本发明的实施例并不限于玻璃，而是可以包括塑料或其它适用的材料。随后在本实施例中，光限幅元件716设置于ROSA 700中的物理接触元件714与检测元件706之间，并且该光限幅元件与物理接触元件714形成接触。
在操作中，将光信号通过光导纤维712接收到ROSA 700中。光信号穿过物理接触元件714并进入光限幅元件716。如果传输到光限幅元件716中的光信号的功率低于预定的限值，那么当光信号穿过该光限幅元件716时，该光信号基本上保持不变。然而，如果进入该光限幅元件716的光信号的功率超过预定的限值，那么光限幅元件716就从光学上减弱该进入的光信号的功率，以使离开该光限幅元件716的光信号的功率低于预定的限值。这样，光限幅元件716确保了最终由检测元件706接收的光信号的功率低于预定的限值。
现在直接参照图8，示出了替代型ROSA的剖视图，该ROSA总体上用附图标记800表示并结合有光学限幅元件和离散的透镜。如图所示，ROSA800的壳体802与封套804接合，检测元件806设置于该封套804内。封套804包括窗808，窗808接近检测元件806设置以允许光信号穿过该封套804直至检测元件806。本替代实施例不同于其它示例性实施例之处在于光限幅材料810位于封套804的窗808上，以限制传输至该检测元件806的光信号的功率。
此外，用于ROSA800中的透镜设置结构同样不同于某些其它实施例中的透镜设置结构。特别是，设置了离散的透镜812，该透镜812通过透镜支架814固定就位并设置于ROSA800内，以将光信号聚焦于检测元件806上。物理接触元件816插入到透镜支架814与纤维容器818之间，至少在某些实施例中，该物理接触元件与透镜支架814和纤维容器818之一或这两者接触。
在操作中，接收到ROSA 800中的光信号首先穿过物理接触元件816传输至透镜812。透镜812将光信号聚焦，该光信号随后通过位于封套804的窗808上的光限幅元件810传输。如果传输至光限幅元件810的光信号的功率低于预定的限值，则当该光信号经过光限幅元件810时，该光信号基本上保持不变。然而，如果传输至光限幅元件810的光信号的功率超出预定的限值，那么该光限幅元件810就从光学上减弱该光信号，从而确保由检测元件806检测的光信号不会超过预定的限值。
现在直接参照图9，公开了本发明的另一个示例性实施例。类似于本文中所公开的其它示例性实施例，图9示出了ROSA 900的剖视图，该ROSA900包括互相接合的壳体902和封套904。所提供的检测元件906设置于封套904内。除与封套904接合之外，壳体902限定纤维容器908，该纤维容器908内设有光导纤维910。
ROSA 900还包括物理接触元件912和透镜支架914。光限幅元件914设置于光导纤维910与检测元件906之间的透镜支架916中，该透镜支架还保持有一个或多个透镜918和/或其它光学部件。
当将光信号接收到ROSA 900中时，该光信号通过光导纤维910进入ROSA 900。随后，该光信号穿过物理接触元件912并进入光限幅元件914。如果传输至光限幅元件914的光信号的功率低于预定的限值，则当该光信号穿过光限幅元件914时，该光信号将会基本上保持不变。然而，如果该光信号的功率超过预定的限值，那么光限幅元件914就从光学上减弱该光信号的功率，以确保由检测元件914检测的光信号的功率低于预定的限值。在穿过光限幅元件914之后，光信号继续穿过透镜918，其中该光信号聚焦于检测元件906上。随后，由检测元件906接收光信号并将该光信号转变成电信号。
IV.示例性光限幅材料
从本公开内容明显地看出，所公开的光限幅元件为用于从光学上减弱光信号功率的装置的示例性结构的实施例。然而，本发明的范围并不限于本文中所公开的示例性光限幅材料的示例性的类型与设置结构。相反，同样可以使用任何具有类似功能的其它结构。
如前文中所提出的，光限幅材料为对于至少某些光功率范围而言具有非线性的光学特性的材料，其中对于小功率的光信号，穿过光限幅材料的透射率比较高，并且如果光信号的功率超过预定的上限，透射率就降低至较低的水平。通常，如果必要的话，光限幅材料吸收进入该光限幅材料的光信号的部分能量。这样，离开该光限幅材料的光信号的功率就保持于预定的限值或低于该预定的限值。
如本文中其它地方所提出的，光限幅材料具有特性响应时间，以减弱超过给定功率阈值的光信号。如下文所述，特定的理想响应时间可以因用途和/或装置的不同而不同。
特定光限幅材料的响应时间紧紧地依赖于一些诸如眼睛安全要求之类的标准，这些标准为光信号容许功率级以及眼睛可以暴露于光信号下的最大容许时间提供了准则。特别是，光限幅材料的响应时间与以下容许时间有关，该容许时间为眼睛可以暴露于特定功率的光信号下而不会受到伤害的时间。响应时间因光限幅材料的不同而不同，其通常参考例如眼睛安全标准和将会涉及的光信号的预期功率来选择。示例性的响应时间以从数百秒至微秒的时间长度来测量。
在一个示例性实施例中，光限幅材料的响应时间介于约100μs至约100ms的范围之内。因为眼睛安全级别随眼睛暴露于给定的功率级下的总时间而变，所以暴露于较小功率的光信号下的时间限值可以显著地高于暴露于较高功率的光信号下的时间限值。此外，如果光限幅材料能够较快速地响应较高功率的光信号，则光信号的输出功率就可以在相对较长的时间内保持较高而不会超出眼睛的安全限度。
光限幅材料的另一个参数与功率超出预定限值的光信号对光限幅材料的影响有关。特别是，光限幅材料对由TOSA的光发射器传输的光信号的响应可以是可逆或不可逆的。尽管大功率的光信号通过可逆与不可逆的光限幅材料而被减弱，但是当光信号的功率降低至预定的功率限值以下时，可逆的光限幅材料的透射率将恢复较高的等级。相反，一旦光信号超过功率阈值，不可逆的光限幅材料就不能恢复高等级的光信号透射率。
可逆的光学材料可被进一步分成至少两个种类。第一种类的材料基本上为吸收性的，并且还可被称作双光子吸收材料。第二种类的材料基本上为折射性的。尽管折射性的光限幅材料适用于能强烈地会聚或发散光束的光学系统，但是折射性和/或吸收性的光限幅材料可用于本发明的示例性实施例中。
如上文所指出，根据光限幅材料的特定特性而选择用于本发明的示例性实施例的光限幅材料，所述特定特性的实例包括响应时间、透射率和可逆性。在选择特定的光限幅材料和/或设置光限幅材料的过程中，另一个考虑事项涉及相关的光信号的波长。
例如，如果TOSA的激光器所发射的光信号的波长约为850nm，则就可以选择限制功率介于约-3dBm至约-1.3dBm范围内的光限幅材料，以便提供理想的光减弱功能。可以穿过这种光限幅材料传输的光信号功率和用于光信号功率的最大眼睛安全限度的上限约为-2dBm。这些功率限值是指在光导纤维处接收的光信号的功率。当然，此类功率限值仅用于示例说明，而非意欲限制本发明的范围。
同样，可选择光限幅材料以便与其它波长的光信号一起使用。例如，本发明的某些实施例使用一种激光器，该激光器分别发射1310nm和1550nm的信号。该波长信息将会传达(inform)特定光限幅材料的选择。在本特定实例中，与选择用于传输850nm范围内的信号的TOSA的光限幅材料所用的响应时间相比，选择用于传输1310nm或1550nm的信号的TOSA的光限幅材料所用的响应时间可以相对较长，而不会超出眼睛安全要求。这样，本发明的实施例使用各种不同的、传输各种波长的光发射器。
光限幅材料可以与由以下装置所产生的各种光信号一起有效地使用，所述装置诸如但并不限于：FP激光器、DFB激光器以及VCSEL。同样，光限幅材料适于与各种型式的检测器一起使用，所述检测器的实例包括雪崩光电二极管(APD)和P-I-N型光电二极管。类似地，通常相对于光限幅材料预计会遇到的特定波长或波长范围来选择用于特定环境中的特定的光限幅材料。此类波长的实例包括但是并不限于：1310nm和1550nm。然而，上述内容仅为实例，本发明的范围不应被理解成限于任何特定的装置、构造或工作波长。
前文中指出检测元件的一种损坏机理本质上是热损坏。因此，为了保护检测元件免于因接收过量的、会导致检测元件或其它光学收发机部件的温度升高至不可接受的等级的光功率而受损害，所以示例性光限幅材料将检测器暴露于大功率的光信号下的时间限制为一定周期，该周期显著地短于使温度升高超出临界点所需的时间周期。
例如，对于约6dBm-20dBm或4mW-100mW的光功率级，时间量度介于微秒或约10-6～10-3秒的范围之内。因此，本发明的某些实施例中所结合有的光限幅材料的特征在于响应时间为约10-6～10-3秒。然而，本发明中所用的光限幅材料的响应时间将会改变并且不限于任何特定时间。
光限幅材料的另一个参数与功率超出预定限值的光信号对光限幅材料的影响有关。特别是，光功率限幅材料对接收到ROSA中的光功率信号的响应可以为可逆或不可逆的。尽管大功率的光信号通过可逆与不可逆的光限幅材料而被减弱，但是当光信号的功率降低至预定的功率限值以下时，可逆的光限幅材料的透射率将恢复较高的等级。相反，一旦光信号超过功率阈值，不可逆的光限幅材料就不能恢复高等级的光信号透射率。
可逆的光学材料可被进一步分成至少两个种类。第一种类的材料基本上为吸收性的，并且还可被称作双光子吸收材料。第二种类的材料基本上为折射性的。尽管折射性的光限幅材料适用于能强烈地会聚或发散光束的光学系统，但是折射性和/或吸收性的光限幅材料可用于本发明的示例性实施例中。
如上所述，本发明的实施例将光限幅材料结合到ROSA中以改进光过载限值，并且增加检测元件的损伤阈值，其中所述光限幅材料的实例包括吸收性的或折射性的材料。使用具有适用的响应时间和能量吸收的光限幅材料有助于确保：对于大范围的光输入功率，使到达检测元件的光功率低于检测元件的光过载限值或其它预定的限值。而且，可以将光限幅材料结合到ROSA中而不会对相关的收发器的整体结构与设计产生不利影响。
本发明的实施例的各个方面可以根据需要改进以便允许使用特定的设置结构与材料，并且/或者获得理想的效果。例如，光限幅功能可以在ROSA中实施，其中检测元件与光导纤维之间的距离约为1mm或以下。特别是，如果该光限幅材料具有玻璃的机械特性，那么就可以有更多的选择，基于掺杂有适当吸收剂的玻璃的限流器(limiter)可能就是这种情况。对于较软的材料，由玻璃制成的衬底可用于支承该材料。
而且，如这种方面的另一个实例，本发明的某些实施例使用以下光限幅材料：直到输入光限幅材料的光信号的功率达到+3dBm至+10dBm范围内的级别为止、多数是达到+6dBm范围内的级别(其由检测元件的损伤阈值确定)为止，所述光限幅材料才提供光减弱效果。如果光限幅材料设计成使接受器的正常运转范围扩展，那么光减弱开始处的阈值落入-6dBm至+3dBm范围内，其中该阈值根据检测器的饱和水平来选择。由于光限幅材料的响应的性质取决于以每单位面积的功率来测量的光强，所以光限幅材料的特性可能需要将光限幅材料设置于光路的一部分中，该光路具有适用的光信号截面。相反地，光路中的位置可以选择成调节ROSA或收发器的有效功率限值。另外，光限幅材料也选择成具有响应时间短于光检测器可能被光信号的功率损害的时间。
通常，关于光限幅材料的各个参数可以根据需要调节以适合特定的应用。此类参数的实例包括但不限于：透射率、可逆性、响应时间、极限功率范围、光限幅材料的定位以及能量吸收。
如前文清楚所述，关于光限幅材料的各个参数可以根据需要调节以适合特定的应用。此类参数的实例包括但不限于：透射率、可逆性、响应时间、极限功率范围、光限幅材料的定位、光发射器的波长以及能量吸收。
V.光限幅材料的性能
现在参照图3，用于TOSA的光限幅材料的输出功率与光限幅材料的输入功率的关系图示出了光限幅材料的光限幅特性。用于本发明的示例性实施例中的光限幅材料选择成使该光限幅材料的透射率与规定的功率阈值相一致，如图3的线302所示。在本发明的一个实施例中，功率阈值为检测元件的损伤阈值。
在本发明的另一个实施例中，功率阈值为检测元件的光学过载限值。当接收到光限幅材料中的光信号的输入功率低于功率阈值时，如线AB所示，则输出功率基本上等于输入功率。这样，穿过光限幅材料的透射率约为100％。当输入功率达到点B处所示的、与低于功率阈值(即线304)的预定级别的输出功率相当的输入功率阈值时，光限幅材料减弱该光信号的功率，从而防止输出光信号的功率超出功率阈值，而不管输入功率更进一步增加至超出输入功率阈值B。
也就是说，由于光限幅材料具有减弱特性，所以光限幅材料的输入功率增加至超过点B时不会导致来自光限幅材料的输出功率产生显著变化。相应地，输入光功率的增加超出输入功率阈值时，光限幅材料的透射率响应变平并且可以接近于零。在本发明的光限幅材料为可逆式的本发明的实施例中，当光信号的输入功率降低到B处所示的输入功率阈值以下时，光信号的透射率恢复接近100％的级别。
现在参考图10，来自用于ROSA的光限幅材料的输出功率与光限幅材料的输入功率的关系图示出了光限幅材料的光限幅特性。用于本发明的示例性实施例中的光限幅材料选择成使该光限幅材料的透射率与规定的功率阈值相一致，如图10的线1002所示。在本发明的一个实施例中，功率阈值为检测元件的损伤阈值。
在本发明的另一个实施例中，功率阈值为检测元件的光学过载限值。当接收到光限幅材料中的光信号的输入功率低于功率阈值时，如AB所示，则输出功率基本上等于输入功率。这样，穿过光限幅材料的透射率约为100％。也就是说，输出的光功率与输入的光功率为1∶1比率或相一致。当输入功率达到点B处所示的、与低于功率阈值的预定级别的输出功率相当的输入功率阈值时，光限幅材料减弱该光信号的功率，从而防止输出光信号的功率超出功率阈值，而不管输入功率更进一步增加至超出输入功率阈值B。
也就是说，由于光限幅材料具有衰减特性，所以至少对于预定的输入功率范围，光限幅材料的输入功率增加至超过点B不会导致来自光限幅材料的输出功率产生显著变化。相应地，输入光功率的增加超出输入功率阈值时，光限幅材料的透射率响应变平并且可以接近于零。
VI.光减弱的方法
现在参照图4，示出了用于在TOSA内处理光信号的方法。在步骤402，将电信号转变成光信号。随后，如步骤404所示，通过例如激光器发出光信号。如果该光信号的输入功率超出输入功率阈值，则从光学上减弱光信号的功率，以使输出光信号的功率保持低于预定的功率限值，如步骤406所示。在步骤408，传输所减弱的光信号。由此，所传输的光信号的功率保持低于眼睛安全限度的功率或处于某些其它预定阈值。
本发明的实施例通过将光限幅材料结合到诸如TOSA之类的部件而保持光信号输出功率级处于所需限度内。通过在诸如激光器和光导纤维之类的光发射器之间设置光限幅材料，就能防止最终传输至光导纤维中的光信号的功率超出所需限度。
现在参照图11，示出了用于减弱超出预定的限值的光信号的功率的方法1100。在步骤1102，接收光信号。如果所接收的光信号的功率超出预定的限值，则从光学上减弱该功率，如步骤1104所示。这样，在检测元件处，不会接收功率超过预定的限值的输入光信号。
在该方法1100的步骤1106中，对所减弱的光信号聚焦。随后检测所减弱的光信号，如步骤1108所示。最后，在步骤1110，将所减弱的光信号转变成电信号。
在不脱离本发明的精神或基本特征的前提下，本发明可以其它具体形式来实施。所述的实施例在各个方面均被认为是举例性质的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而非由上述描述来表示。所有在权利要求的等同意义与范围内的变化均包括于所述权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种光发射组件包括：
封套，在该封套内设有光发射器；
壳体，其连接于该封套并且限定纤维容器，该纤维容器构置成当该纤维容器中容置有光导纤维时，使来自该光发射器的光信号进入该光导纤维；以及
光限幅元件，其设置于该光发射器与该纤维容器之间，其中该光限幅元件具有以下特性：当进入该光限幅元件的光信号的功率落入预定的范围内时，使离开该光限幅元件的光信号的功率保持等于或低于预定限值。
2.如权利要求1所述的光发射组件，其中该光发射器为垂直空腔表面发射激光器、Fabry-Perot激光器或分布反馈激光器。
3.如权利要求1所述的光发射组件，其中该光发射器的发射波长约为850nm、1310um或1550nm。
4.如权利要求1中所述的光发射组件，其中该光限幅元件为吸收性的或折射性的。
5.如权利要求1所述的光发射组件，其中该光限幅元件位于该光发射器的发射面上。
6.如权利要求1所述的光发射组件，其中该光限幅元件为可逆的或不可逆的。
7.如权利要求1所述的光发射组件，其中所述预定限值为眼睛安全限度。
8.如权利要求1所述的光发射组件，其中该光限幅元件的透射率在第一输入光功率范围内基本上为线性，而在第二输入光功率范围内基本上为非线性。
9.如权利要求1所述的光发射组件，还包括插在该纤维容器与该光发射器之间的透镜。
10.一种光接收组件包括：
封套，在该封套内设有检测元件；
壳体，其连接于该封套并且限定纤维容器，该纤维容器构置成当该纤维容器中容置有光导纤维时，将来自该光导纤维的信号导入该检测元件；以及
光限幅元件，其设置于该检测元件与该纤维容器之间，其中该光限幅元件具有以下特性：当进入该光限幅元件的光信号的功率落入预定的范围内时，使离开该光限幅元件的光信号的功率保持等于或低于预定限值。
11.如权利要求1所述的光接收组件，其中该光限幅元件为吸收性的或折射性的。
12.如权利要求1所述的光接收组件，其中该光限幅检测元件包括APD或P-I-N光电二极管。
13.如权利要求1所述的光接收组件，其中该封套包括窗，该光限幅元件连接至该窗。
14.如权利要求1所述的光接收组件，其中所述预定限值为光学过载限值或损伤阈值。
15.如权利要求1所述的光接收组件，其中该封套包括TO罩。
16.如权利要求1所述的光接收组件，其中该光限幅元件结合到邻近该纤维容器的物理接触元件中。
17.如权利要求1所述的光接收组件，还包括物理接触元件，该光限幅元件与该物理接触元件相接合，该物理接触元件插在该纤维容器与该检测元件之间。
18.如权利要求1所述的光接收组件，其中该光限幅元件设置于该检测元件上。
19.如权利要求1所述的光接收组件，其中该光限幅元件的透射率在第一输入光功率范围内基本上为线性，而在第二输入光功率范围内基本上为非线性。
20.如权利要求1所述的光接收组件，还包括插在该纤维容器与该检测元件之间的透镜。
21.如权利要求1所述的光接收组件，其中该光限幅元件的特性为：使得该光限幅元件的透射率基本上一致，直到进入该光限幅元件的光信号的功率落入下列范围之一为止：大约-6dBm至大约+3dBm；或大约+3dBm至大约+10dBm。
22.一种光收发模块包括：
印刷电路板；
光接收组件，其连接至该印刷电路板；
光发射组件，其连接至该印刷电路板，并且包括：
光发射器；
纤维容器，其构置成当该纤维容器容置有光导纤维时，使来自该光发射器的信号进入所述光导纤维；以及
从光学上减弱由该光发射器产生的光信号的装置；以及壳体，其基本上封闭该印刷电路板、该光发射组件以及该光接收组件。
23.如权利要求22所述的光收发模块，其中该光接收组件包括：
检测元件；
纤维容器，其构置成当该纤维容器容置有光导纤维时，使来自该光导纤维的信号进入该检测元件；以及
用于从光学上减弱光信号的装置。
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