TWI742236B - 光耦合系統及光耦合方法 - Google Patents

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Abstract

一種光耦合系統，其用於在光通信模組中將光耦合進入光波導之端面中，所述光耦合系統包括沿光學路徑設置之彎曲光學表面及複數擾動部，所述彎曲光學表面包括基體和外側，由光源生成之光束以第一方向沿光學路徑入射到彎曲光學表面，所述擾動部設置於彎曲光學表面之外側，各所述擾動部對光束入射到彎曲光學表面之部分具有局部折射作用，於預定平面形成各自之光束部分，所述擾動部之形狀、尺寸和位置使得於預定平面上所有相應之光束部分，受到預定聚集折射效應而部分或全部重疊，於所述預定平面上形成複合光束形狀，所述複合光束形狀不同於各所述相應之光束部分，所述複合光束形狀被預選以匹配所述光波導之複數光模式之空間和角度分佈。

Description

光耦合系統及光耦合方法
本發明涉及一種光通信模組，具體的說涉及一種用於光通信模組之光耦合系統，所述光耦合系統能夠減少發射到光波導端面之光束之背向反射，同時改善光束模式和光波導模式之間之模式匹配。
於光通信網路中，光通信模組(例如光收發器、發射器和接收器模組)用於在例如是光纖的光波導之間發射和接收光訊號。光收發器模組包括發射端和接收端。於發射端，鐳射光源發射鐳射光束，光耦合系統接收這些鐳射光束，並光學耦合這些鐳射光束至光纖線纜之端面上。所述鐳射光源通常包括一個或多個產生特定波長或者波長範圍之鐳射二極體。發射端之鐳射二極體驅動電路輸出驅動鐳射二極體之電驅動訊號。所述光耦合系統通常包括一個或多個將模式化光束耦合至光纖線纜端面之反射、折射和/或衍射元件。於接收端，從光纖線纜端面出射之光訊號通過光耦合系統光耦合至光電二極體，比如通過收發器模組之光耦合系統耦合至例如P-intrinsic-N(P-I-N)二極體。所述光電二極體將光訊號轉換成電訊號。接收側之接收電路將電訊號還原成資料。所述發射和接收側可以使用同一個光耦合系統也可以使用分開之光耦合系統。
於高速資料通信網路中(例如10Gb/s或更高)，某些光鏈路性能特性，比如相對強度雜訊(RIN)等，取決於鐳射光源之屬性以及光耦合系統之設計。於大多數光纖線纜應用中，於從鐳射光源至光纖線纜端面之鐳射光的向前光耦合效率和從光纖線纜端面至鐳射光源之鐳射光的背向反射之間存在交換。隨著光鏈路利用越來越快之資料速度，降低RIN變得越來越重要。在使用多模鐳射光源和多模光纖(MMFs)之光鏈路中，由於鐳射光源模式和MMF模式之間之模式失配，向前光耦合效率降低。
傳統管理背向反射之方式包括使用具有固定偏振輸出光束之邊射形鐳射二極體與光隔離器一起使用，或使用角偏移發射，其中不管是帶尾纖之收發器套裝之成角度之光纖，還是光纖插芯，都是用來將來自光源之光線以與光鏈路光纖之光軸夾角不為零的角度導向光鏈路光纖之端面上。 這些方式有利有弊。光學二極體，比如垂直腔面發射器二極體(VCSEL)，與具有可變偏振輸出光之鐳射光源一起使用可能不會達到預期之效果。使用帶角度之光纖尾纖或者光纖插芯會增加收發器套裝之複雜度和成本。同時，這些方式對於需要使用標準光纖之應用不太適用。
因此，需要一種光耦合系統用以耦合鐳射光束與光纖之端面，其可以有效地耦合多種光纖模式，同時可以減少背向反射，從而降低RIN。
本發明之主要目的在於提供一種光耦合系統，其可以有效地耦合多種光纖模式，同時可以減少背向反射。
為解決上述技術問題，本發明可以採用如下技術方案：一種光耦合系統，其用於在光通信模組中將光耦合進入光波導之端面中，所述光耦合系統包括沿光學路徑設置之彎曲光學表面及複數擾動部，所述彎曲光學 表面包括基體和外側，由光源生成之光束以第一方向沿光學路徑入射到彎曲光學表面，所述擾動部設置於彎曲光學表面之外側，各所述擾動部對光束入射到彎曲光學表面之部分具有局部折射作用，於預定平面形成各自之光束部分，所述擾動部之形狀、尺寸和位置使得於預定平面上所有相應之光束部分，受到預定聚集折射效應而部分或全部重疊，並於所述預定平面上形成於形狀上不同於各所述相應之光束部分之複合光束形狀，而所述複合光束形狀被預選以匹配所述光波導之複數光模式之空間和角度分佈。
本發明之另一主要目的在於提供一種光耦合方法，其可以有效地耦合多種光纖模式，同時可以減少背向反射。
為解決上述技術問題，本發明可以採用如下技術方案：一種光耦合方法，其用於將光源產生之光線發射到光波導之端面上，所述光耦合方法包括光源及光耦合系統，所述光源用以產生光束，所述光耦合系統接收所述光束並導引所述光束於所述光耦合系統之光路徑中沿第一方向傳輸，導致光束入射到光耦合系統之彎曲光學表面，複數所述擾動部設置於彎曲光學表面之外側，各所述擾動部對於入射於彎曲光學表面之光束之部分具有局部折射效應，於預定平面形成相應之光束部分，其中各所述擾動部之形狀、尺寸及位置使得於預定平面上相應之光束部分，受到預定聚集折射效應而部分或全部重疊，於預定平面處形成相應光束部分之複合光束形狀，所述複合光束形狀被預選以匹配光波導之多個光模式之空間和角度分佈。
通過以下的描述、圖式和申請專利範圍，本發明的這些和其他特徵和優點將變得顯而易見。
100、200:光耦合系統
101、201:彎曲光學表面
102、231、232、233、234:擾動部
102a、102i:縮進之面
102b、102h:突出之面
102c、102f:側面
102d:彎曲過渡表面
102e、102k:曲面
104、212:光源
105、218:端面
106、219:光纖線纜
107:鐳射光源驅動器電
108:調製光訊號
109:準直透鏡
111、213:光束
112、215:反射器
121:虛線圈
122、222:折射聚焦透鏡
123:基體
124:虛線曲線
125:切線
210:折射準直透鏡
211:發散鐳射光束
235、236、237、238:第一曲率
241、242、243、244:第二曲率
247:第一複合光束形狀
248:第二複合光束形狀
251、252、253、254:光束部份
261:第一平面
262:第二平面
第一圖揭示的係具有代表性之實施例之光耦合系統之一部分之側視圖，所述光耦合系統包括彎曲光學表面，所述彎曲光學表面上設有複數擾動部。
第二圖揭示的係第一圖中所示之設有擾動部的彎曲光學表面之標號為121之虛線圓圈部分之橫截面側視圖。
第三圖係第一圖中所示符合另一個代表性實施例之折射聚焦透鏡之擾動部的平面圖，其具有由擾動部的M乘N陣列的亮度和暗度來表示的下垂值。
第四圖係第一圖中所示符合另一個代表性實施例之折射聚焦透鏡之擾動部的平面圖，其具有由同心環之亮度變化表示的下垂值。
第五圖係第一圖中標號121虛線圈中所示之彎曲光學表面符合另一個代表實施例之具有擾動部之部分之橫截面之側視圖。
第六圖係第一圖中標號121虛線圈中所示之彎曲光學表面符合另一個代表實施例之具有擾動部之部分之橫截面之側視圖。
第七圖係第一圖中所示之符合另一個代表實施例之折射聚焦透鏡部分之橫截面之側視圖。
第八圖係第一圖中所示之符合另一個代表實施例之折射聚焦透鏡部分之橫截面之側視圖。
第九圖係符合另一個代表實施例之光耦合系統之側視圖，其具有於折射準直透鏡之外側上形成的擾動的彎曲光學表面。
第十圖係第一圖至第八圖中符合代表實施例之包括2乘2具有任一形狀之擾動部的擾動的彎曲光學表面之平面圖。
第十一圖和第十二圖係於相應之第一和第二平面之第一和第二複合光束形狀之前平面圖。
本發明係提供一種用於光通信模組之光耦合系統及方法，其通過更好之模式匹配和降低背向反射之方式來改善向前光耦合效率。所述光耦合系統包括至少一個於其上形成有擾動部的彎曲光學表面，所述光學表面具有至少一個使得所述擾動部與彎曲光學表面之光學路徑相交之部分。所述擾動部之形狀、尺寸和位置以預定方式改變鐳射光束之相，以便以預定之方式控制鐳射光束發射至光波導之端面，改善模式匹配並減少背向反射。請參照第一至十二圖說明性或者代表性地描述實施例，其中相同之圖式標記代表相似之特徵、部件或元件。
在接下來詳細的描述中，為了解釋而非限制的目的，闡述了示例性或代表性實施例，以便提供對發明原理和概念的透徹理解。但是，未在本文中明確描述或示出之其他本領域普通技術人員根據本教導而顯而易見的實施例也應在所附權利要求的範圍內。此外，省略對公知裝置和方法之描述，而不是模糊示例性實施例之描述。這些方法及裝置顯然是在本教導之範圍之內，本領域之普通技術人員能夠理解這些方法及裝置。還應該理解的是，這裡使用的詞語“例”，旨在本質上是非排他性的和非限制性的。更具體地說，這裡使用的“代表性”這個詞表示幾個示例中的一個，並且必須理解，沒有過度強調或偏好針對正在描述的特定示例。還應該理解的是，這裡使用的詞語“代表性”在本質上是非排他性的和非限制性的。
這裡使用的術語僅用於描述特定實施例之目的，而不是在限制。所定義之術語是在相關背景下通常理解和接受之定義術語的技術，科學或普通含義之外。
除非上下文另有明確規定，否則術語“一”，“一個”和“該”包括單數和複數指示物。因此，例如，“一個元件”包括一個元件和多個元件。術語“實質”或“實質上”是指於本領域技術人員可接受之可接受之限度或程度內。例如，術語“基本上平行於”意味著由於製造結構或裝置之過程中之公差或缺陷，結構或裝置可能不能完美地平行於某一其它結構或裝置。術語“大約”或“約”是指於本領域普通技術人員可接受之限度或量內。諸如“於...之上”，“於...下面”，“頂部”，“底部”，“上部”和“下部”之相對術語可以用於描述各個元件於相應圖式中之彼此之關係。除了圖式中描述之方位之外，這些相對術語旨在包含裝置和/或元件之不同方位。例如，如果裝置相對於圖式中之視圖是倒置的，則例如被描述為於另一元件“之上”之元件於這種情況下將低於該元件。於第一設備被描述成連接或耦合到第二設備之情況下，這包括可以採用一個或多個中繼裝置來將兩個設備彼此連接之示例。相反，於第一裝置被描述為直接連接或直接耦合到第二裝置之情況下，該示例之兩個裝置連接於一起而沒有除連接器之外之任何中間裝置(例如，粘合材料，機械緊固件等)。
第一圖揭示的係具有代表性之實施例之光耦合系統100之一部分之側視圖，所述光耦合系統100包括彎曲光學表面101，所述彎曲光學表面上設有複數擾動部102。第二圖揭示的係第一圖中所示之設有擾動部的彎曲光學表面101之標號為121之虛線圓圈部分之橫截面側視圖。所述彎曲光學表面表示具有曲率並對諸如光發射器、收發器或接收器模組之類之光通信模組(未顯示)發射之工作波長為λ之光線執行折射操作之表面。所述擾動部表示於彎曲光學表面101之外側之結構變化，寬度之範圍從60λ至400λ以及高度之範圍從0到5λ。具有於其上形成擾動部102之所述彎曲光學表面101於下文中被稱為“擾動的彎曲光學表面”。
所述光耦合系統100光學耦合由鐳射光源104發射之鐳射光束111至光纖線纜106之端面105上。請參考第二圖，各所述擾動部102具有被預選之寬度和高度以獲得局部凹形縱斷面，為穿過相應之所述擾動部102之鐳射光束111提供局部折射效應。由各所述擾動部102提供之所述局部折射效應對穿過擾動部102之鐳射光束之部分之相產生局部修飾作用。所述擾動部102之聚集光學效應係對於預定平面上之鐳射光束111之相的預定修飾，該預定平面為鐳射光束111提供發射條件至光纖線纜106之端面105上，增強模式匹配並降低背向反射，從而提高RIN。
所述鐳射光源104可以是例如垂直腔面發射器二極體(VCSEL)或者邊射型鐳射二極體，但是本發明之原理和結構不限於使用任何典型的光源之光耦合系統及方法。為示例性之目的，這裡假定光源104為鐳射光源。 本發明之原理和結構之目的之一係為了增加鐳射光源104模組和光纖線纜106模組之間之模式匹配，本發明之原理和結構非常適合鐳射光源104為多模鐳射光源，光纖線纜106為多模光纖(MMF)。然而，本發明之原理和結構也不限制於光耦合系統100中使用之光波導之類型。
根據該代表實施例，鐳射光源驅動器電路107於其輸入處接收資料訊號，並將資料訊號變換為驅動所述鐳射光源104之調製電流或電壓訊號，使其發射調製光訊號108。本發明之原理和概念不限於用於此目的之驅動電路或調製方案。根據該代表實施例，調製光訊號108係光耦合系統100之準直透鏡109自準直或近似自準直以產生平行的或近似平行的鐳射光束111。 反射器112可以是例如全內反射透鏡(TIR)或於其上具有反射塗層之表面，接收平行之光束並且以預定之非零角度反射，於本例中角度為90°，並將光束111導向擾動的彎曲光學表面101。
於第一圖中，參照X、Y、Z笛卡爾坐標系顯示的光耦合系統100。 所述擾動的彎曲光學表面101，於本例中係折射聚焦透鏡122之外表面，接收於Z方向傳播之平行的或近似平行的鐳射光束111，並且耦合鐳射光束111至光纖線纜106之端面105。所述擾動的彎曲光學表面101之各所述擾動部102接收平行之鐳射光束111之光束部分，並於其上局部操作以改變相應之光束部分之相。所有相應光束部分之局部相變化之聚集折射效應導致鐳射光束於預定平面處具有預選之相分佈，該預定平面於所述光纖線纜106之端面105之前、之後或之上，這取決於所需之條件。所述鐳射光束111於預定平面處之所述預選之相分佈被調整以確保鐳射光束111之一個或多個模式匹配光纖線纜106之一個或多個模式，進而改進向前光耦合效率同時減少鐳射之背向反射進入鐳射光源104之孔或作用區(未顯示)。達到這一目的之預選相分佈之例子會於下文中詳細描述。
理想情況下，所述擾動的彎曲光學表面101形成之相分佈被預選來保證鐳射光束111之所有模式與光纖線纜106之相應之模式相匹配。理想情況下，所述擾動的彎曲光學表面101形成之預選之相分佈還防止任何背向反射光被耦合進入鐳射光源104之孔中。實現理想之模式匹配和理想之防背向反射並不總是可行的。於一些情況下，於實現理想之模式匹配和實現理想之防背向反射之間可能有某種程度之折中。於這些情況下，所述擾動的彎曲光學表面101通常被設計和製造成同時滿足合適水平之模式匹配和合適水平之防背向反射。於防背向反射不是重大考量之應用中，所述擾動的彎曲光學表面101通常被設計和製造成實現理想或近似理想水平之模式匹配。同樣的，於模式匹配不是重大考量之應用中，所述擾動的彎曲光學表面101通常被設計和製造成實現理想或近似理想水平之防背向反射。
再次參考第一圖，根據該代表實施例，所述彎曲光學表面101係折射聚焦透鏡122之外表面，所述折射聚焦透鏡122包括基體123，於該代表實施例中所述基體123是平坦的。即使於彎曲光學表面101上形成所述擾動部102，所述折射聚焦透鏡122之一體輪廓仍然被保留，以保持折射聚焦透鏡之特性。此外，雖然於所述彎曲光學表面101上所述擾動部102之尺寸、形狀及排列產生聚集折射效應導致鐳射光束111於預選平面處具有預選之相分佈以實現所需水平之模式匹配和防背向反射。所以，其中所述折射聚焦透鏡122係混合透鏡，其提供了典型的折射聚焦透鏡之折射作用使得鐳射光束111以預定方式聚焦至焦點同時當相應之光束部分穿過相應之擾動部102時局部改變它們之相。所述聚集折射效應為所述鐳射光束111於預選平面上提供預選之相分佈。上述表明，取決於準備或者需要發射之條件，所述預選平面可以於所述光纖線纜106之端面之前、之後或之上。
參考第二圖，根據該代表實施例，所述擾動部102對應於X和Y方向延伸以形成擾動部102之M乘N陣列之正弦函數，M係大於或等於2之正整數對應擾動部102之行數，N係大於或等於2之正整數對應擾動部102之列數。各擾動部102具有寬度W，對應正弦函數之週期，寬度之範圍從60λ至400λ，λ係鐳射光源104於空氣中之工作波長。第二圖中之虛線曲線124代表第一圖中揭示的折射聚焦透鏡122之沒有形成擾動部102之彎曲光學表面101。各擾動部102具有最大高度H，對應虛線曲線124中代表之透鏡輪廓與垂直於虛線曲線124之切線125方向上之擾動部102之間之距離。最大高度H之範圍從0到5λ。
第三圖揭示了第一圖中所示符合另一個代表性實施例之折射聚焦透鏡122之擾動部102之平面圖，其具有由擾動部102之M乘N陣列之亮度和暗度來表示的下垂值，圖示右側的表面下垂標度與亮度和暗度所表示的下 垂值相關。所述下垂值對應來自折射聚焦透鏡122之原始凹陷之擾動部。第三圖中最亮之特徵對應各擾動部102之最大高度H，最暗之特徵對應最大高度H之相鄰點之間之一半之點。第三圖中可以看出，各所述擾動部102以行和列排列，於Y和X方向延伸，於彎曲光學表面101形成擾動部102之M乘N陣列。根據代表實施例，所述M乘N陣列之擾動部102折射聚焦透鏡122中心對稱，儘管M乘N陣列之擾動部102對於折射聚焦透鏡122之中心對稱不是必要的。同時，根據代表實施例，所述M乘N陣列之擾動部102於所述折射聚焦透鏡之整個彎曲光學表面101上延伸。上述表明，所述擾動部102僅僅需要於彎曲光學表面101與光耦合系統100之光路徑相交之部分上延伸。
第四圖揭示了第一圖中所示符合另一個代表性實施例之折射聚焦透鏡122之擾動部102之平面圖，其具有由同心環之亮度表示之下垂值。根據代表實施例，於所述彎曲光學表面101上形成之所述擾動部102為與折射聚焦透鏡122之中心對稱之同心環，並從折射聚焦透鏡122之中心向彎曲光學表面101之邊緣延伸。於繪圖頁之右側之下垂刻度與下垂值之亮度和暗度相對應。下垂值對應折射聚焦透鏡122之原始凹陷之擾動部102。第四圖中最亮之特徵對應各環狀之擾動部102之最大高度H之值，最暗之特徵對應相鄰環狀之擾動部102之一半之值。第四圖中揭示的擾動部102除了是以同心環之方式排列而不是M乘N之陣列之外，其他所揭示的擾動部102與第二圖中揭示的擾動部102是完全相同的。
第五圖揭示了第一圖中標號121虛線圈中所示彎曲光學表面101中另一個代表實施例之具有擾動部的部分之橫截面的側視圖。根據該代表實施例，所述擾動部102包括相對於虛線圈124分別大幅縮進之面102a和突出之面102b，虛線圈124代表第一圖中所揭示的折射聚焦透鏡122，其未於其中形成擾動部102之彎曲光學表面101的輪廓。所述擾動部102包括側面 102c，所述側面102c基本分別垂直與大幅縮進之面102a和突出之面102b。 所述擾動部102具有彎曲之拐角表面102d，於大幅縮進之面和突出之面102a、102b以及側面102c之間提供相應之平滑之過渡。各所述擾動部102具有寬度W範圍從60λ至400λ，以及最大高度H範圍從0至5λ。所述擾動部102僅僅需要於彎曲光學表面101與光路徑相交部分上延伸，但是可能會沿著整個彎曲光學表面延伸。
第五圖中揭示了所述彎曲光學表面101之擾動部102之尺寸、形狀和排列，產生前述聚集折射效應導致鐳射光束111於預選平面處具有預選之相分佈，形成需求水平之模式匹配和防背向反射。上述表明，所述折射聚焦透鏡122包括擾動的彎曲光學表面101，所述彎曲光學表面101為混合透鏡，於其中它提供了典型的折射聚焦透鏡之折射作用，導致鐳射光束111當所述擾動部102局部改變穿過相應擾動部102之相應光束部分之相時以預定之方式聚焦至焦點。所述聚集折射效應是給鐳射光束111於預選平面上提供預選之相分佈，所述預選平面可以於光纖線纜106之端面105之前、之後或之上，取決於打算或需要發射之條件。
第六圖揭示了第一圖中標號121虛線圈中所示之彎曲光學表面101，其為另一個代表實施例之具有擾動部之部分的橫截面側視圖。根據該代表實施例，除了其沒有相對於虛線圈124大幅縮進之面102a，所述擾動部102與第五圖中揭示的擾動部102是完全相同的，虛線圈124代表沒有於其上形成擾動的彎曲光學表面101之輪廓。相反，相鄰之擾動部102通過曲面102e相連接，所述曲面102e的曲率與虛線圈124的曲率相同，所述虛線圈124代表第一圖中揭示的未於其上形成擾動部102的彎曲光學表面101的輪廓。各擾動部102具有基本垂直於相應擾動部102之基本平坦的大幅突出之面102b之側面102c。各擾動部102具有彎曲過渡表面102d於基本平坦的突出之面 102b和側面102c之間提供相對平滑之過渡，如通過塑膠注射成型工藝製造透鏡所需的。各所述擾動部102具有寬度W範圍從60λ至400λ，及最大高度H範圍從0至5λ。
第六圖中揭示的所述彎曲光學表面101上擾動部102之尺寸、形狀和排列產生前述聚集折射效應，導致鐳射光束111於預選平面處具有預選之相分佈，以達到需求水平之模式匹配和防背向反射。上述表明，所述折射聚焦透鏡122包括擾動的彎曲光學表面101，提供典型的折射聚焦透鏡之折射作用，當所述擾動部102局部改變穿過相應擾動部102之相應光束部分之相時導致鐳射光束111以預定方式聚焦至焦點。所述聚集折射效應係為鐳射光束111於預選平面處提供了預選之相分佈，取決於打算或需要發射之條件，所述預選平面可以於所述光纖線纜106之端面105之前、之後或之上。
第七圖揭示了第一圖中所示之符合另一個代表實施例之折射聚焦透鏡部分的橫截面側視圖。根據該代表實施例，所述擾動部102具有側面102f基本垂直於折射聚焦透鏡122之基體123。所述擾動部102具有相對於虛線圈124分別突出和縮進之面102h和102i，所述虛線圈124代表第一圖中揭示的沒有於其上形成擾動部102之彎曲光學表面101之輪廓。所述突出和縮進之面102h和102i分別通過側面102f相互連接。根據該代表實施例，於所述突出之面102h與相應之側面102f之間之過渡相對平滑。各所述擾動部102具有寬度W範圍從60λ至400λ，以及最大高度H範圍從0至5λ。
第七圖中揭示的所述擾動部102之尺寸、形狀和排列都被預選以產生聚集折射效應，導致鐳射光束111(第一圖)於預選平面處具有預選之相分佈，以達到需求水準之模式匹配和防背向反射。上述表明，所述折射聚焦透鏡122包括擾動的彎曲光學表面101，提供典型的折射聚焦透鏡之折射作用，導致所述鐳射光束111當所述擾動部102局部改變穿過相應擾動部102 之相應光束部分之相時以預定之方式聚焦至焦點。所述聚集折射效應為所述鐳射光束111於預選平面處提供了預選之相分佈，所述預選平面可以於所述光纖線纜106之端面105之前、之後或之上，取決於打算或需求發射之條件。
第八圖揭示了第一圖中所示之符合另一個代表實施例之折射聚焦透鏡部分之橫截面之側視圖。根據代表實施例，類似第七圖中揭示的實施例，所述擾動部102具有側面102f基本垂直於所述折射聚焦透鏡122之基體123。第七圖中揭示的擾動部102具有相對於虛線圈124分別突出和縮進之面102h和102i，所述虛線圈124表示彎曲光學表面101之輪廓，與其不同的是，第八圖中揭示的擾動部102具有突出之面102h，但是沒有縮進之面102i。於第八圖中，縮進之面被曲面102k代替，其與虛線圈124具有相同之曲率。根據代表實施例，於突出之面102h和相應側面102f之間之過渡相對平滑，於製作透鏡時需要通過注塑成型過程。各所述擾動部102具有寬度W範圍從60λ至400λ，以及最大高度H範圍從0至5λ。
第八圖中揭示的所述彎曲光學表面101上之擾動部102之尺寸、形狀和排列被預選以產生聚集折射效應導致鐳射光束111於預選平面上具有預選之相分佈以達到需求水平之模式匹配和防背向反射。上述表明，所述折射聚焦透鏡122包括擾動的彎曲光學表面101，其提供典型的折射聚焦透鏡之折射作用，當所述擾動部102局部改變穿過相應擾動部102之相應光束部分之相時導致鐳射光束111以預定之方式聚焦至焦點。所述聚集折射效應為鐳射光束111於預選平面上提供預選之相分佈，取決於打算或需求發射之條件，所述預選平面可以於光纖線纜106之端面105之前、之後或之上。
再，所述擾動的彎曲光學表面101之材料優選的係類似ULTEM聚醚醯亞胺之塑膠光學材料，其於使用光耦合系統100之光通信模組(未顯示) 中光之工作波長是透明的。ULTEM聚醚醯亞胺係沙烏地阿拉伯之沙烏地阿拉伯基礎工業公司(SABIC)之產品。如下將更詳細之描述，所述擾動的彎曲光學表面101通常通過注塑成型過程成型，而所述擾動的彎曲光學表面101一般係光耦合系統100之一體部分，所述光耦合系統100單片形成整片部分，例如作為具有擾動的彎曲光學表面101之單個塑膠模製部分，光學部件或特性於其中一體成型。
各所述擾動部102用作相應之折射透鏡，改變鐳射光束111穿過透鏡的部分的相。結果是與不存在擾動102時將出現的光束形狀或輪廓相比而出現複雜的光束形狀。所述複合光束形狀降低背向反射，並且也達到於鐳射光束111之模式和光纖線纜106之模式之間之模式匹配至耦合鐳射光束111之水平，進而增強向前耦合效率並減少RIN。
通常，所述擾動部102於預定平面處形成預定複合光束形狀。所述複合光束形狀形成之平面是典型的，但不是必須是所述光纖線纜106之端面105所在之同一平面。所述擾動的彎曲光學表面101具有預定之結構被設計用於光纖線纜106之端面105上形成複合光束形狀。於此使用之術語“複合光束形狀”表示由至少兩束光束部分組成之光束形狀，所述至少兩個光束部分彼此相鄰或者於預定平面處完全或部分地相互重疊，以於與每個光束部分不同的預定平面處形成光束形狀。各所述擾動部對入射於所述擾動的彎曲光學表面101之光束部分具有局部折射效應以形成相應之光束部分。所述擾動部之形狀、尺寸和位置使得所有局部折射效應之預定聚集折射效應於預定平面處形成複合光束形狀。
所述擾動的彎曲光學表面可以設置於沿著光耦合系統之光路徑之任何地方。比如第九圖揭示之符合另一個代表實施例之光耦合系統200之側視圖，其具有於折射準直透鏡210之外側上形成之擾動的彎曲光學表面 201。所述擾動的彎曲光學表面201之擾動部可以具有與上述第一至八圖中擾動部之尺寸、形狀和結構。所述折射準直透鏡210準直鐳射光源212發射之發散鐳射光束211，將準直之鐳射光束213導向反射器215。所述擾動的彎曲光學表面201包括具有上述描述之結構、尺寸和形狀之擾動部，對發散鐳射光束211以上述折射方式進行操作形成具有複合光束形狀之鐳射光束213。所述鐳射光束213具有複合光束形狀入射於反射器215上，所述反射器215將鐳射光束213轉向不為零之角度(於本實施例中為90°)並導向光纖線纜219之端面218。折射聚焦透鏡222將複合鐳射光束形狀導向光纖線纜219之端面218上。由於折射準直透鏡210上之擾動部之存在，於所述折射聚焦透鏡222上操作之聚焦光束將會與典型的準直透鏡實現之典型的聚焦效應不同。所述聚焦光束具有複合光束分佈，提高了鐳射模式和光纖模式之間之模式匹配，同時減少了進入鐳射之背向反射。
第十圖揭示了第一至八圖中代表實施例之包括2乘2具有任一形狀之擾動部之擾動部231、232、233、及234之彎曲光學表面230之平面圖。根據代表實施例，各所述擾動部231、232、233、及234係小雙錐透鏡。於本實施例中，較長之箭頭235、236、237、及238代表相應雙錐透鏡之第一曲率，較短之箭頭241、242、243、及244代表相應雙錐透鏡之小於第一曲率之第二曲率。
第十一圖和第十二圖揭示了分別於第一和第二平面261和262之第一和第二複合光束形狀247和248的前平面圖。所述第一和第二平面261和262分別處於焦點和焦點之外。另外，所述第一和第二複合光束形狀247和248包括四光束部分251、252、253、及254，其通過第十圖所揭示的2乘2陣列之擾動部231、232、233、及234的四個雙錐透鏡而經歷不同的折射效應所形成。因為雙錐透鏡於不同空間位置具有不同取向，所述光束部分 251、252、253、及254分別於焦點之第一平面261之不同位置處形成。於接近焦點之第二平面262處，第二複合光束形狀248之複雜性進一步增加，使得所述光束部分251、252、253、及254無法再辨別，並且整個第二複合光束形狀248與典型的光束之典型圓圈形狀完全不同。為了於本實施例中簡單說明擾動部之作用，是以於第一和第二平面261和262上相互重疊之相干鐳射光束之不同部分之間之干涉引起之更複雜之重疊圖案不顯示。
理想性的，入射於光纖線纜之端面上之所述複合光束形狀具有光纖線纜之所有光模式之空間和角度分佈以達到最佳向前光耦合效率。然而，使用典型的光耦合系統是十分困難的。第十一圖和第十二圖中揭示的所述第一和第二複合光束形狀247和248被分別預定於光纖端面處具有空間和角度分佈，以足夠匹配光纖線纜之光模式，來達到良好的向前光耦合效率。所以，於所述彎曲光學表面101上之擾動部102(第一至八圖)之尺寸、形狀和空間排布被預選以於預選平面處達成與光纖之端面共面或基本共面之複合光束形狀，處於焦點或接近焦點之位置以匹配光纖線纜光模式之空間和角度分佈，進而達到較好之向前光耦合效率並降低RIN。此外，任何所述光線包括從光纖之端面處背向反射之複合光束形狀經歷與向前光路徑不同的相反之光路徑，所述光路徑防止背向反射光線被耦合進入鐳射光源104。
於大多數實施例中，所述擾動部102之尺寸、形狀和空間排布都被預選以於預選平面處達成複合光束形狀，所述預選平面與光纖之端面共面，並且其處於焦點附近，但不處於焦點上，以匹配光纖線纜之光模式之空間和角度分佈，進而達到良好之向前光耦合效率並降低RIN。比如，第十二圖揭示的於焦點附近之所述第二複合光束形狀248，其具有比第十一圖揭示的第一複合光束形狀247更加複雜之空間分佈。於焦點附近之更加複雜 之所述第二複合光束形狀248可以比不太複雜之第一複合光束形狀247激發更多之光纖線纜之光模式。
儘管所述光耦合系統100為可以包含擾動的彎曲光學表面101之結構示例，但是所述擾動的彎曲光學表面101不限於在其中包括光耦合系統之結構或配置。比如，儘管第一圖揭示的光耦合系統100配置了準直透鏡109將發散之鐳射光束108變換為準直之鐳射光束111，所述準直之鐳射光束111隨後被反射器112耦合至所述擾動的彎曲光學表面101，但是所述擾動的彎曲光學表面101可以作用於非準直之光束上，比如發散或合流之光束。
所述擾動的彎曲光學表面101通常使用與製造已知塑膠透鏡之已知塑膠模製工藝相同類型之工藝製造。所述擾動部102足夠大能通過已知塑膠模製工藝精確地形成。具有於其中形成之衍射或全息元件之衍射或全息表面經常被用來以試圖匹配耦合光束之空間和角度分佈與光纖線纜之多種光模式之方式耦合來自鐳射光源之光線至光纖線纜之端面上。然而，由於衍射或全息特徵之寬度必須與工作波長相當，這些特徵通常太小而不能被已知塑膠模製工藝形成。相反，衍射或全息表面通常由使用玻璃蝕刻技術或光刻技術形成，這些技術相對昂貴。相反，由於所述擾動部102相比於衍射或全息元件相對較大，所述擾動的彎曲光學表面101可以由用來製造整個光耦合系統100之已知塑膠模製工藝形成。這種已知模製工藝相對便宜。上述表明，模製工藝導致所述擾動部102具有範圍從60λ至400λ之寬度，和範圍從0至5λ之最大高度。所以，所述擾動部102太大而不能於入射光束上產生衍射作用，相反的，其於入射光束上產生反射作用。換句話說，各所述擾動部102於入射光線之各部分上具有局部折射效應，所有所述擾動部102對所述入射光束之聚集折射效應係光纖線纜106之端面105上形成前述預定複合光束形狀通過增強模式匹配降低背向反射並增加向前光耦合效率。
應該注意的是，為了說明本發明之原理和概念，係參考一些代表實施例來描述本發明。比如，雖然代表實施例分別於預定第一和第二平面261和262處分別於焦點處或焦點附近描述之特定的第一和第二複合光束形狀247和248，但本發明原理和概念並不限於這些特定之複合光束形狀，因為此處提供之描述，本技術領域之技術人員係可以理解使用並可以設計和製造所述擾動的彎曲光學表面以實現適合於匹配用於所述擾動的彎曲光學表面光纖線纜之光模式之角度和空間分佈之任何期望之複合光束形狀之方法。所以，本發明之原理和概念不限於代表實施例，正如本技術領域之普通技術人員根據在此提供之描述可以理解的那樣。本領域之技術人員將會理解，可以對這裡描述之實施例進行修改，並且這些修改都於本說明書之範圍內。
100:光耦合系統
101:彎曲光學表面
102:擾動部
104:光源
105:端面
106:光纖線纜
107:鐳射光源驅動器電路
108:調製光訊號
109:準直透鏡
111:光束
112:反射器
121:虛線圈
122:折射聚焦透鏡
123:基體

Claims (17)

  1. 一種光耦合系統，其用於在光通信模組中將光耦合進入光波導之端面中，所述光耦合系統包括：沿光學路徑設置之彎曲光學表面，所述彎曲光學表面包括基體和外側，由光源生成之光束以第一方向沿光學路徑入射到彎曲光學表面；複數擾動部，所述擾動部設置於彎曲光學表面之外側，各所述擾動部對光束入射到彎曲光學表面之部分具有局部折射作用，於預定平面形成各自之光束部分；其中，所述擾動部之形狀、尺寸和位置使得於預定平面上所有相應之光束部分，受到預定聚集折射效應而部分或全部重疊，於所述預定平面上形成複合光束形狀，所述複合光束形狀不同於各所述相應之光束部分，所述複合光束形狀也被預選以降低從所述光波導末端面反射之光線被耦合到光源之孔之可能性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合系統，其中，複數所述擾動部以1乘N之陣列設置於所述彎曲光學表面之外側，N係大於或等於2之正整數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合系統，其中，複數所述擾動部以M乘N之陣列設置於所述彎曲光學表面之外側，M和N係大於或等於2之正整數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合系統，其中，各所述擾動部於所述第一方向之橫向方向具有預定寬度，所述預定寬度足夠大，使得所述擾動部對於入射到所述彎曲光學表面之光束沒有衍射效應。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光耦合系統，其中，使用所述光耦合系統之光通信模組之工作波長為λ，所述預定寬度之範圍從60λ至400λ。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之光耦合系統，其中，各所述擾動部具有預定最大高度，所述預定最大高度等於從所述彎曲光學表面之外側沿垂直於所述彎曲光學表面之基體之第三方向的距離，所述預定最大高度之範圍從0到5λ。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光耦合系統，其中，所述光耦合系統形成一個單一之模塑成型之零件，所述彎曲光學表面一體成型於該零件上。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光耦合系統，其中，所有所述擾動部之預定寬度相等。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光耦合系統，其中，所有所述擾動部之預定最大高度相等。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之光耦合系統，其中，所述擾動部僅於所述彎曲光學表面之外側與光路徑相交之部分上延伸。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之光耦合系統，其中，至少一些所述擾動部之預定寬度是不相等的。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之光耦合系統，其中，至少一些所述擾動部之預定最大高度是不相等的
  13. 如申請專利範圍第3項所述之光耦合系統，其中，各所述擾動部係雙錐透鏡。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合系統，其中，所述彎曲光學表面包括光耦合系統之空氣材料介面，所述彎曲光學表面之外側與 空氣接觸，並且於材料內部之所述彎曲光學表面之基體包括光耦合系統，其中於所述第一方向沿光路徑傳播之所述光束於空氣材料介面處從空氣中穿進材料內。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合系統，其中，所述彎曲光學表面包括光耦合系統之材料空氣介面，所述彎曲光學表面之外側與空氣接觸，並且於材料內部之所述彎曲光學表面之基體包括光耦合系統，其中於所述第一方向沿光路徑傳播之所述光束於材料空氣介面處從材料中穿進空氣中。
  16. 一種光耦合方法，其用於將光源產生之光束發射到光波導之端面上，所述光耦合方法包括：光源，所述光源用以產生光束；光耦合系統，所述光耦合系統接收所述光束並於所述光耦合系統之光路徑中沿第一方向導引所述光束，導致光束入射到光耦合系統之彎曲光學表面；其中，所述彎曲光學表面之外側設有複數所述擾動部，各所述擾動部對於入射於彎曲光學表面之光束之部分具有局部折射效應，並於預定平面形成相應之光束部分，各所述擾動部之形狀、尺寸和位置使得於預定平面上所有相應之光束部分受到預定聚集折射效應而部分或全部重疊，於所述預定平面上形成複合光束形狀，所述複合光束形狀不同於各所述相應之光束部分，各所述擾動部於橫向於所述第一方向之第二方向具有預定寬度，所述使用光耦合系統之光通信模組之工作波長為λ，所述預定寬度範圍從60λ至400λ。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之光耦合方法，其中，各所述擾動部具有預定最大高度，所述預定最大高度等於從所述彎曲光學表面 之外側沿垂直於所述彎曲光學表面之基體之第三方向之距離，所述預定最大高度之範圍從0到5λ。
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