CN203849464U - 高耦合效率的有源光缆光耦合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高耦合效率的有源光缆光耦合装置，包括激光器和光纤，激光器与光纤的耦合端之间安装有微透镜，光纤的耦合端端面为斜平面且与激光器的出光中心线之间呈40°～50°夹角，光纤的耦合端端面设置有全反射膜，光纤的耦合端端面的中心和微透镜的中心位于或基本位于激光器的出光中心线上。本实用新型使用斜平面形状的光纤耦合端端面并设置全反射膜，使其直接具有反射功能，代替传统有源光缆光耦合装置中棱镜的反射功能，工程耦合时，只需将光纤或光纤阵列在两个方向上进行耦合，降低耦合难度，提高了耦合效率，可达到87.13％，明显高于传统有源光缆光耦合装置80％以下的耦合效率，并减小了整个装置的尺寸。

Description

高耦合效率的有源光缆光耦合装置

技术领域

本实用新型涉及一种有源光缆光耦合装置，尤其涉及一种特别适用于40G有源光缆的高耦合效率光耦合装置。 

背景技术

宽带产业的迅速发展，激光通信中继距离越来越长，通信速率越来越高，耦合效率已经成为其性能瓶颈之一。尤其高速率下的有源光缆耦合效率很难得到保证，光信噪比(OSNR)、色散、非线性作用以及有源光缆内部器件的耦合焊接都制约着耦合效率。 

目前的有源光缆，其光纤与激光器的耦合效率偏低，究其原因是光耦合装置设计不够理想，比如，目前的40G有源光缆的光耦合装置采用较多的是VCSEL即垂直腔面发射激光器与棱镜组合方式，具体结构如图1所示，激光器1发出的光通过45°棱镜2，光路转变90°后，与光纤5耦合，图1中还示出了V型槽3和光纤入口4。这种结构存在以下缺陷：激光器发出的信号经过棱镜使光路旋转90°进入光纤，在耦合找光信号时需要将光纤阵列在四个方向上移动，很难在短时间找到最佳耦合位置，所以会浪费调试的时间和人力成本，而且耦合效率低于80％。 

根据大量资料分析，提高光纤与激光器的耦合效率可有效提高光纤通信的最大传输速率，本实用新型正是基于这种理论而提出。 

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高耦合效率的有源光缆光耦合装置。 

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的： 

一种高耦合效率的有源光缆光耦合装置，包括激光器和光纤，所述激光器与所述光纤的耦合端之间安装有微透镜，所述光纤的耦合端端面为斜平面且与所述激光器的出光中心线之间呈40°～50°夹角，所述光纤的耦合端端面设置有全反射膜，所述光纤的耦合端端面的中心和所述微透镜的中心位于或基本位于所述激光器的出光中心线上。 

上述结构中，激光器用于产生激光，微透镜用于聚焦，反射率接近于1的全发射膜用于将激光反射至光纤内的纤芯中，其中全反射膜的应用使光纤的耦合端直接具有激光反射功能；而光纤的耦合端端面为斜平面，使其在耦合时，只需在两个方向上寻找光源，降低耦合难度。全发射膜一般采用电镀方式设置于光纤的耦合端端面。 

根据应用需要，所述激光器、所述微透镜和所述光纤均为多个且并列排列形成阵列结构。 

作为优选，所述光纤的耦合端端面为斜平面且与所述激光器的出光中心线之间呈45°夹角。 

作为优选，所述激光器为出光侧安装有凸平微透镜的垂直腔面发射激光器。 

作为最佳选择，所述微透镜的透镜折射率为1.46，透镜半径为60μm，球体半径为948.7μm，冠高为1.9um，透镜焦距为2062.4um，透镜厚度为1000um，所述微透镜的透镜焦点到透镜平面端的距离为1440um，焦点半径为32um，透过率为89.7％，所述微透镜的出光侧正表面与所述光纤的入光侧正表面之间的距离为115.11um。 

本实用新型的有益效果在于： 

本实用新型使用斜平面形状的光纤耦合端端面并设置全反射膜，使其直接具有反射功能，代替传统有源光缆光耦合装置中棱镜的反射功能，工程耦合时， 只需将光纤或光纤阵列在两个方向上进行耦合，降低耦合难度，提高了耦合效率，可达到87.13％，明显高于传统有源光缆光耦合装置80％以下的耦合效率，增加了单位时间内的光耦合量；由于省去了棱镜，直接用光纤耦合端端面达到使光路旋转90°的目的，所以减小了整个装置的尺寸，使本装置更便于携带和节约安装空间。 

附图说明

图1是传统有源光缆光耦合装置的结构示意图； 

图2是本实用新型所述高耦合效率的有源光缆光耦合装置的结构示意图； 

图3是图2中的A-A剖视图； 

图4是本实用新型所述高耦合效率的有源光缆光耦合装置的光路传输示意图； 

图5是本实用新型所述光纤的耦合端端面的光反射和光折射传输示意图； 

图6是本实用新型所述光纤入光侧正表面的平行度对光耦合效率的影响分析示意图； 

图7是本实用新型所述光纤耦合端端面的加工误差对光耦合效率的影响分析示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明： 

如图2所示，本实用新型所述高耦合效率的有源光缆光耦合装置包括激光器7和光纤5，激光器7与光纤5的耦合端之间安装有微透镜6，光纤5的耦合端端面52为斜平面且与激光器7的出光中心线之间呈45°夹角，也可以为40°～50°之间45°以外的其它夹角，光纤5的耦合端端面52设置有全反射膜(厚度很小，图中未示出)，光纤5的耦合端端面52的中心和微透镜6的中心位于 或基本位于激光器7的出光中心线上。图2中示出了光纤5的纤芯51，激光在纤芯51中反射传输；图2中还示出了用于安装的V型槽板3。 

如图3所示，激光器7、微透镜6和光纤5均为多个且并列排列形成阵列结构，对应的阵列分别为激光器阵列、微透镜阵列和光纤阵列。 

本例中，光纤5采用多模光线；微透镜6采用P平凸透镜；激光器7采用出光侧安装有凸平微透镜8的垂直腔面发射激光器；微透镜6的透镜折射率为1.46，透镜半径为60μm，球体半径为948.7μm，冠高为1.9um，透镜焦距为2062.4um，透镜厚度为1000um，所述微透镜的透镜焦点到透镜平面端的距离为1440um，焦点半径为32um，透过率为89.7％，微透镜6的出光侧正表面与光纤5的入光侧正表面之间的距离为115.11um。 

下面结合附图对本实用新型所述高耦合效率的有源光缆光耦合装置中微透镜6的安装位置、耦合效率分析作具体描述： 

1、微透镜6的出光侧正表面与光纤5的入光侧正表面之间距离的确定： 

如图4所示，光线1和光线2为激光器7的光源9的最大发散角的光线，与光纤5的外包层和纤芯51表面的折射角分别表示为α₁₂，α₂₂，α₁₃，α₂₃，入射角分别表示为α₁₁，α₂₁，光线1和光线2到达端面52时，其反射角分别表示为α₁，α₂；光线3为激光器7的光源9的中心光线，其入射角表示为α₃₁，与光纤5的外包层和纤芯51表面的折射角分别表示为α₃₂，α₃₃，光线3到达端面52时，其反射角表示为α₃。 

根据图3有以下公式： 

n₀sinα₁₁＝n₂sinα₁₂＝n₁sinα₁₃

n₀sinα₂₁＝n₁sinα₂₃＝n₂sinα₂₂

n₀sinα₃₁＝n₁sinα₃₃＝n₂sinα₃₂

其中，n₀、n₁、n₂分别表示空气折射率、光纤5的外包层的折射率和光纤5 的纤芯的折射率。 

计算结果为： 

α₁₁＝α₂₁＝10°；α₁₂＝α₂₂＝6.69°；α₁₃＝α₂₃＝6.65° 

$l_{\max }=\frac{r_1-(r_2-r_1)\tan {\mathrm{\α}}_{12}-2r_1\tan {\mathrm{\α}}_{13}}{\tan {\mathrm{\α}}_{11}}$

其中，l_max表示微透镜6的出光侧正表面与光纤5的入光侧正表面之间的距离。 

代入参数计算得到l_max＝115.11um。 

2、微透镜6的固定方式设计： 

参照图2和图3，在刻蚀V型槽板3的V型槽时，根据微透镜6到光纤5的距离将基板下V型槽板3的进光部分刻穿(刚好达到排放微透镜6的阵列的直径)，保留未进光部分，使V型槽板3不散架的同时固定微透镜6。 

该设计方案保证了光纤5表面的切点只有三个点，增加了阵列在工程制作稳定性；减少了半块基板，降低了工程上的成本；耦合时，只需插入光纤阵列，使得只在两个方向上寻找光源，降低耦合难度。 

3、耦合效率分析： 

如图4所示，激光在光纤5的端面52上的入射角与进入光纤5的折射角由几何关系可知： 

α₁＝45°+α₁₃

α₂＝45°-α₂₃

α₃＝45°-α₃₃

其中α₃为全反射角： 

计算可得光线2和光线3之间所夹区域为全反射区域，占激光器7所发光束比为： 

下面分析端面52未发生全反射的部分光束，端面52的折射与反射的光耦合效率： 

如图4和图5所示： 

在介质中满足反射率计算公式： 

$R_s=\frac{{\sin }^2({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)}{{\sin }^2({\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)}$

$R_p=\frac{{\tan }^2({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)}{{\tan }^2({\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)}$

由上式得该反射面的反射率为： 

$R_n=\frac{1}{2}(R_s+R_p)=\frac{1}{2}[\frac{{\sin }^2({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)}{{\sin }^2({\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)}+\frac{{\tan }^2({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)}{{\tan }^2({\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)}]$

在端面52未发生全反射的区域，取该区域内反射率的平均值作为未全反射区域的反射率： 

$R({\mathrm{\α}}_2,{\mathrm{\α}}_3)=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_3-{\mathrm{\α}}_2}\underset{{\mathrm{\α}}_2}{\overset{{\mathrm{\α}}_3}{\∫}}{R}_n\left({\mathrm{\δ}}_1\right)d{\mathrm{\δ}}_1$

则为发生全反面的区域光束占总光束的比例为： 

则总的耦合效率为：

光纤5的入光侧正表面的平行度对光耦合效率的影响分析如下： 

如图6所示，光束经过微透镜6后与光纤5的耦合效率的关系式为： 

由图6可知，随着Δα正向变大而变高，反向变大而变小，且在±1°内耦合效率依然保持在90％附近，因此可以说明，激光器7与光纤5的入光侧正表面的平行度误差很小。 

图7是本实用新型所述示意图。 

光纤耦合端端面52的加工误差对光耦合效率的影响分析如下： 

如图7所示，Δβ会影响与β关系式的计算结果，对其它参数是没有影响的。 

可以得到反射面角度误差与Δβ与微透镜6和光纤耦合效率的关系式： 

分析可知，Δβ在反向增大时，耦合效率在减小，正向时随着Δβ增大。在作图过程中，发现当Δβ在3.2°时，即β＝48.2°时，有效增加了耦合效率。因此，光纤耦合端端面52的加工误差在正向偏差较小角度时会有利于耦合效率的提高。 

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。 

Claims (5)

1.一种高耦合效率的有源光缆光耦合装置，包括激光器和光纤，其特征在于：所述激光器与所述光纤的耦合端之间安装有微透镜，所述光纤的耦合端端面为斜平面且与所述激光器的出光中心线之间呈40°～50°夹角，所述光纤的耦合端端面设置有全反射膜，所述光纤的耦合端端面的中心和所述微透镜的中心位于或基本位于所述激光器的出光中心线上。 

2.根据权利要求1所述的高耦合效率的有源光缆光耦合装置，其特征在于：所述激光器、所述微透镜和所述光纤均为多个且并列排列形成阵列结构。 

3.根据权利要求1所述的高耦合效率的有源光缆光耦合装置，其特征在于：所述光纤的耦合端端面为斜平面且与所述激光器的出光中心线之间呈45°夹角。 

4.根据权利要求1、2或3所述的高耦合效率的有源光缆光耦合装置，其特征在于：所述激光器为出光侧安装有凸平微透镜的垂直腔面发射激光器。 

5.根据权利要求1、2或3所述的高耦合效率的有源光缆光耦合装置，其特征在于：所述微透镜的透镜折射率为1.46，透镜半径为60μm，球体半径为948.7μm，冠高为1.9um，透镜焦距为2062.4um，透镜厚度为1000um，所述微透镜的透镜焦点到透镜平面端的距离为1440um，焦点半径为32um，透过率为89.7％，所述微透镜的出光侧正表面与所述光纤的入光侧正表面之间的距离为115.11um。