CN1963578A - 基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件及其制作方法，涉及一种光通信中与高速激光器和探测器耦合的组件。本组件包括光探测器或激光器(30)，还包括结构性镍管(10)和斜平面圆柱形透镜光纤(20)；结构性镍管(10)为一种镀金双圆筒；斜平面圆柱形透镜光纤(20)由通过光纤依次连接的耦合光纤(21)、全反射棱镜(22)、聚光圆柱形透镜(23)组成；由耦合光纤(21)进来的光线通过全反射棱镜(22)的光学斜平面后，出来的光线方向和进来光线方向相互垂直，再进入聚光圆柱形透镜(23)，一个方向聚焦压缩，另一个不作处理，由此使圆形光斑变为椭圆形。本发明具结构紧凑，组装较简便；光耦合效率较高；适于高速光探测器和激光器的耦合。

Description

基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光通信中与高速光电器件(激光器和探测器)耦合的组件；具体地说，涉及一种基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件及其制作方法。

背景技术

由于光通信技术的不断发展，传输速率越来越高。近年来出现了单信道超高速率(40Gb/s以上速率)光通信系统和光电子器件的报道；它代表了当今光通信技术发展的最新水平。高速率光通信设备中关键部件为40Gb/s以上光发送模块和光接收模块。而在光发送模块和光接收模块中，其关键部件为高速激光器和光探测器组件。

已有的光电器件和光纤耦合技术，为耦合光纤直接和激光器及光探测器对准和固定技术，这种耦合技术比较简单。

1、对于光探测器对准和固定

因为光传输速率在10Gb/s以下时，光探测器光敏面直径一般大于45微米，而光纤芯径小于10微米。所以从10微米光纤芯径传出的光很容易和光探测器光敏面对准，且耦合效率一般可达70％以上。

当光传输速率在10Gb/s以上时，情况就大不相同了。为了提高光响应速率，探测器的光吸收层厚度和光敏面积就必须大大减小。因为10Gb/s以上光探测器的响应速率与器件结构、具体尺寸紧密相关。一般说来，体积(或尺寸)越小，速率越高，带宽越宽。然而，响应速率、传输带宽与光纤耦合效率是相互矛盾的。光探测器的光吸收层尺寸越小，与光纤的耦合效率就越低。为了提高耦合效率，在光探测器与光纤之间，常常插入一个聚光透镜，它使从光纤传出的光进行聚缩，使之与小的光敏面达到和接近形状匹配和尺寸匹配。这样，光耦合效率可望得到提高，光束的利用率也就提高了。但插入的聚光透镜必须安装一个金属外框支架才便于固定。虽然裸透镜外径最小只有1.5mm，但装配金属外框支架后，外径将大于3mm。这比起光探测器芯片尺寸(一般为0.4mm×0.5mm×0.2mm)来说，几乎堪称庞然大物。在混合集成组件的空间中，尽力减小聚光透镜的总体积就显得非常重要了。

其次，在光探测器芯片的安装和光纤组件的固定方面。为提高光探测器速率和带宽，要求光探测器芯片平行贴装在管壳内部，以减少连接光探测器芯片上电极与管壳上接线柱之间的连线而产生的寄生电容和电感。平行贴装的光探测器芯片和光纤组件的出光方向在一个平面内，无法进行光探测器耦合，必须在光纤组件的出光方向上再安装一个棱镜(全反射)，使光纤组件的出光方向与光探测器芯片垂直。同样必须安装一个金属外框支架，才便于将棱镜固定。

带外框支架的聚光透镜和全反射棱镜的问题是：

1)聚光透镜和全反射棱镜体积比较大，在整个光组件安装中时受到一定限制。

2)由于耦合光纤、全反射棱镜、聚光透镜和光电器件为分离元件，须分别安装，而且工艺比较繁复；更重要的是，多元对准和聚焦比单元复杂得多，其耦合和固定是非常困难的。几个元件的位置偏移要控制在0.2微米以下，从目前技术来看，是极其困难的。

2、对于激光器对准和固定：

激光器耦合和固定除了上述两大缺点外，激光器发射光斑(远场)为椭圆形，耦合光纤的接收光斑为正圆形，两者不匹配。若圆柱形光纤制成的圆柱形透镜安放在激光器和耦合光纤之间，则两者光路上刚好完全匹配。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述问题和不足，提供一种基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件及其制作方法，较好地解决了高速光电器件器耦合效率比较低、位置精度难于控制等技术问题。

本发明的目的是这样实现的：先把分离的耦合光纤、全反射棱镜、聚光圆柱形透镜通过光纤连接在一起得到一种斜平面圆柱形透镜光纤，再将斜平面圆柱形透镜光纤与结构性镍管组装在一起，形成一种组装简便的固体化组件。这样，不仅体积较小，节省了多次固定工艺，它一个多元对准问题简化为一个单元对准问题，从而使对准较为容易。

一、高效耦合组件的结构

由图1可知，本组件包括结构性镍管10、斜平面圆柱形透镜光纤20、光探测器或激光器30；

结构性镍管10为一种镀金双圆筒，如图2；

斜平面圆柱形透镜光纤20由通过光纤依次连接的耦合光纤21、全反射棱镜22、聚光圆柱形透镜23组成，如图1、图5；

全反射棱镜22为一种光线变向和传光元件，如图3；

聚光圆柱形透镜23为一种光斑变换元件，如图4；

结构性镍管10的粗圆筒与带有包皮的耦合光纤21密配合，结构性镍管10的细圆筒与斜平面圆柱形透镜光纤20焊接在一起；

由耦合光纤21进来的光线通过全反射棱镜22的光学斜平面后，出来的光线方向和进来光线方向相互垂直，再进入聚光圆柱形透镜23，一个方向聚焦压缩，另一个不作处理，由此使圆形光斑变为椭圆形。

本高效耦合组件的工作原理：

①与高速探测器30耦合

来自耦合光纤21的圆斑光线直接照射到全反射棱镜22的斜平面上形成椭圆斑光线；因该斜平面和空气构成了一个全反射光学面，且与入射光成45度角光线，在此斜面发生90度的转向，在能量不损失的情况下，椭圆斑光线又进入聚光圆柱形透镜23中；椭圆斑光线在聚光圆柱形透镜23的作用下，一个方向进行聚焦压缩(短轴)，另一个方向(长轴)没有进行聚焦压缩处理，使原本椭圆形的光斑变为短轴更短的椭圆形光斑，且光斑面积得到了压缩。

采用该组件与高速探测器30耦合时，首先将结构性镍管10固定在微调架上，旋转微调架上的微调丝杆，使该组件发出的(已被压缩了)椭圆形光斑和待耦合高速探测器30上很小的光敏面匹配(此时高速探测器30的响应度最大)，最后将该组件的结构性镍管10和高速探测器30的金属外壳固定。

②与高速激光器偶合

由高速激光器件5上发光的有源区(1×2微米)发出的椭圆形光斑，通过聚光圆柱形透镜23的作用，将光线聚光到全反射棱镜22的斜平面上，在其上的全反射光学平面的作用下，光线发生90度的转向(不损失能量的情况下)，进入耦合光纤21中。

采用该组件与高速激光器件耦合时，首先在耦合光纤21的另一端接入一个光功率计，用于检测耦合光纤21的耦合出光功率；再将结构性镍管10固定在微调架上，旋转微调架上的微调丝杆，使聚光圆柱形透镜4的接收光斑(可接收椭圆形光斑)和待耦合高速激光器30上发出的椭圆形光斑相匹配(此时光功率计示值最大)，最后将组件的结构性镍管10和高速激光器30的金属外壳固定。

二、高效耦合组件的制作方法

高效耦合组件的制作方法包括下列步骤：

①耦合光纤21的光学斜平面的制作

在没有光纤连接器的耦合光纤21的一端，用光纤热剥皮机将光纤的涂覆层清除干净，露出包层玻璃材料120～130mm，用光纤解理刀切出所需要的耦合光纤长度，用专用的高精度光纤抛光机将耦合光纤21的解理面磨抛出41～45度的光学斜平面；

②耦合光纤21表面金属化

用化学电镀或溅射法将耦合光纤21表面金属化，聚光圆柱形透镜23和全反射棱镜22部位不可被覆金属化层；

③斜平面圆柱形透镜光纤20的组装

把分离的耦合光纤21、全反射棱镜22、聚光圆柱形透镜23通过光纤连接在一起得到一种斜平面圆柱形透镜光纤20；

④斜平面圆柱形透镜光纤20和结构性镍管10的组装

将斜平面圆柱形透镜光纤20穿过结构性镍管10，且使其伸出结构性镍管10细圆筒0.5～1mm，使用金属焊料将已金属化的耦合光纤21部分和结构性镍管10焊接；包皮未剥离的耦合光纤21嵌入结构性镍管10的粗圆筒4～5mm，采用机械压紧和胶粘方法使耦合光纤21和结构性镍管10固定在一起。

⑤清洗

在显微镜下，将聚光圆柱形透镜23和全反射陵镜22部位擦洗干净，就制成了一种本光纤组件。

本发明具有下列优点：

1、结构紧凑，组装较简便；

2、光耦合效率较高；

3、适于高速光探测器和激光器的耦合。

附图说明

图1-本组件结构示意图；

图2-结构性镍管剖视图；

图3-全反射棱镜的光学斜平面剖视图；

图4-聚光圆柱形透镜示意图；

图5-斜平面圆柱形透镜光纤示意图。

其中：

10-结构性镍管。

20-斜平面圆柱形透镜光纤；

21-耦合光纤；    22-全反射棱镜；    23-聚光圆柱形透镜；

24-入射光或接收光。

30-光探测器或激光器；

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

斜平面圆柱形透镜光纤20的结构

1)耦合光纤21为光导纤维(见ITU-TG.652)，总长度为1.0～1.2m；一端制成光纤活动连接器，另一端为斜平面圆柱形透镜光纤20的首端。

2)全反射陵镜22中的斜平面与耦合光纤21成41～45度角。考虑到光纤核芯层折射率和空气折射率差异，41～45度角的斜面即可形成全反射面；该斜平面需进行抛光处理，消除漫射。光学斜平面表面无需镀反射膜。

3)聚光圆柱形透镜23是由全反射陵镜22下面的光纤外包层自然构成，为半圆柱形，直径为125微米，长度125微米；圆柱表面在光纤成型时已为光学表面，无需再镀增透膜，只需将光纤的外涂覆层清除干净即可。

Claims (5)

1、一种基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件，包括光探测器或激光器30，其特征在于：还包括结构性镍管(10)和斜平面圆柱形透镜光纤(20)；

结构性镍管(10)为一种镀金双圆筒；

斜平面圆柱形透镜光纤(20)由通过光纤依次连接的耦合光纤21、全反射棱镜(22)、聚光圆柱形透镜(23)组成；

全反射棱镜(22)为一种光线变向和传光元件；

聚光圆柱形透镜(23)为一种光斑变换元件；

结构性镍管(10)的粗圆筒与带有包皮的耦合光纤(21)密配合，结构性镍管(10)的细圆筒与斜平面圆柱形透镜光纤(20)焊接在一起；

由耦合光纤(21)进来的光线通过全反射棱镜(22)的光学斜平面后，出来的光线方向和进来光线方向相互垂直，再进入聚光圆柱形透镜(23)，一个方向聚焦压缩，另一个不作处理，由此使圆形光斑变为椭圆形。

2、按权利要求1所述的一种基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件，其特征在于：

耦合光纤(21)为光导纤维，总长度为1.0～1.2m；一端为光纤活动连接器，另一端为斜平面圆柱形透镜光纤(20)的首端。

3、按权利要求1所述的一种基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件，其特征在于：

全反射陵镜(22)中的斜平面与耦合光纤(21)成41～45度角。

4、按权利要求1所述的一种基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件，其特征在于：

聚光圆柱形透镜(23)是由全反射陵镜(22)下面的光纤外包层自然构成，为半圆柱形，直径为125微米，长度125微米。

5、一种基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件的制作方法，其特征在于包括下列步骤：

①耦合光纤(21)的光学斜平面的制作

在没有光纤连接器的耦合光纤(21)的一端，用光纤热剥皮机将光纤的涂覆层清除干净，露出包层玻璃材料120～130mm，用光纤解理刀切出所需要的耦合光纤长度，用专用的高精度光纤抛光机将耦合光纤(21)的解理面磨抛出41～45度的光学斜平面；

②耦合光纤(21)表面金属化

用化学电镀或溅射法将耦合光纤(21)表面金属化；

③斜平面圆柱形透镜光纤(20)的组装

把分离的耦合光纤(21)、全反射棱镜(22)、聚光圆柱形透镜(23)通过光纤连接在一起；

④斜平面圆柱形透镜光纤(20)和结构性镍管(10)的组装

将斜平面圆柱形透镜光纤(20)穿过结构性镍管(10)，且使其伸出结构性镍管(10)细圆筒0.5～1mm，使用金属焊料将已金属化的耦合光纤(21)部分和结构性镍管(10)焊接；包皮未剥离的耦合光纤(21)嵌入结构性镍管(10)的粗圆筒4～5mm，采用机械压紧和胶粘方法使耦合光纤(21)和结构性镍管(10)固定在一起；

⑤清洗

在显微镜下，将聚光圆柱形透镜(23)和全反射陵镜(22)部位擦洗干净。