双面微球透镜楔形光纤一体化组件及其制作方法.pdf

本发明公开了一种双面微球透镜—楔形光纤一体化组件及其制作方法。涉及一种光通信中与超高速光探测器高效耦合的组件；本组件由双面微球透镜4、楔形光纤3、玻璃导管2、结构性镍管1构成；结构性镍管1，管内设置有楔形光纤3，其右端细头插入玻璃导管2中，玻璃导管2的右端连接有微透镜4。本方法通过玻璃导管2把双面微球透镜4和结构性镍管1粘结成一体；最后通过耦合、定位和焊接方法，把组件精确地固定在管壳底座上。该一体化组件具有结构紧凑、组装较简便、光耦合效率较高等特点，适于超高速侧面进光探测器的耦合。

1、  一种与侧面进光探测器耦合的双面微球透镜-楔形光纤一体化组件，其特征在于：
由双面微球透镜(4)、楔形光纤(3)、玻璃导管(2)、结构性镍管(1)构成；结构性镍管(1)，其管内设置有楔形光纤(3)，其右端细头插入玻璃导管(2)中，玻璃导管(2)的右端连接有微透镜(4)；
所述的双面微球透镜(4)为聚光元件，直径为1.0-1.8mm，两表面镀有高增透膜；
所述的楔形光纤(3)为光斑变换和传光元件，其一头为标准光纤，另一头为两组楔形：一组为50°-70°，另一组为80°-120°；端面为矩形镜面平面，长为1.6-2.4微米，宽为5.0-9.0微米；光纤总长度为1.0-1.2m；
所述的玻璃导管(2)为连接元件，材料为玻璃，直筒状，长8-12mm，内径与结构性镍管(1)和双面微球透镜(4)相适配；其左端和镍管(2)粘接，其右端和双面微球透镜(4)粘接；
所述的结构性镍管(1)为中空结构，一边粗，与带有包皮的光纤密配合；一边细，与裸光纤适配；结构性镍管(1)表面镀有0.2-0.5微米的金。

2、  制作权利要求1所述组件的方法，其特征在于通过玻璃导管(2)把双面微球透镜(4)和结构性镍管(1)粘结成一体；最后通过耦合、定位和焊接方法，把组件精确地固定在管壳底座上；具体步骤如下：
①按各组件的结构要求，分别制作双面微球透镜(4)、玻璃导管(2)、结构性镍管(1)；
②使一端包皮剥离6-7mm的标准光纤穿过结构性镍管(1)，且使其伸出结构性镍管(1)细部0.5-1mm；包皮未剥离的标准光纤嵌入结构性镍管(1)的粗部4-5mm；采用机械压紧和胶粘方法使标准光纤和结构性镍管(1)固定在一起；然后，在专用研磨机上把伸出0.5-1mm的光纤端部研磨成所要求的楔形形状，即得到一种包裹有结构性镍管(1)的楔形光纤(3)；
③让外部包裹有结构性镍管(1)的楔形光纤(3)穿入玻璃导管(2)中，使其前端离玻璃导管(2)端口差4-6mm；玻璃导管2另一端和结构性镍管(1)的细部外径配合，配合长度为3-5mm，然后用胶粘方法固定；
④把尾纤长度为1.0-1.2米的玻璃导管-楔形光纤-结构性镍管整体件穿过管壳尾孔，并使其伸出尾孔外15-20cm；通过胶粘方法，在玻璃导管(2)的一端粘接微透镜(4)；就制成了一种与侧面进光探测器耦合的微透镜-楔形光纤一体化组件。

双面微球透镜—楔形光纤一体化组件及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种光通信中与超高速光探测器高效耦合的组件；具体地说，涉及一种与侧面进光探测器耦合的双面微球透镜—楔形光纤一体化组件及其制作方法。
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(10Gb/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。超高速率光通信设备中关键部件为10Gb/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，其关键部件为超高速激光器和光探测器组件。
已有的光探测器和光纤耦合技术，为透镜光纤直接和光探测器对准和固定技术，这种耦合技术比较简单。因为光传输速率在10Gb/s以下时，光探测器通常采用正面进光的结构，其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。光探测器的有源层尺寸越小，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可达1.5mm，但装置金属外框支架后，外径将大于3mm。这比起光探测器芯尺寸(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。所以，带外框支架的聚光透镜的问题是：
1)聚光透镜体积比较大，在整个光组件安装中时受到一定限制；
2)由于聚光透镜、耦合光纤和光探测器为分离元件，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。尤其是对40Gb/s侧面进光的探测器耦合来说，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。
根据现有资料，为了提高耦合效率，一般在光纤和超高速光探测器之间，插入一个带金属支架的聚光透镜。这对于侧面进光的超高速光探测器的光耦合不太实用。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的问题和不足，提供一种与侧面进光探测器耦合的微透镜—楔形光纤一体化组件(简称微透镜—光纤一体化组件)及其制作方法，较好地解决了上述两个问题，即较好地解决了侧面进光的超高速(尤其是40Gb/s)光探测器耦合效率比较低、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：把分离的微透镜、耦合光纤通过一细小玻璃导管(毛细管)组装在一起，形成一个较简便组装的固体化组件。这样，不仅体积较小，节省了一次固定工艺，它把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。
1、组件的结构
由图1、2、3可知，本组件由双面微球透镜4、楔形光纤3、玻璃导管2、结构性镍管1构成；结构性镍管1，其管内设置有楔形光纤3，其右端细头插入玻璃导管2中，玻璃导管2的右端连接有微透镜4；
所述的双面微球透镜4为聚光元件，外径小于1.8mm，两表面镀有高增透膜，其光透过率达90％以上。
所述的楔形光纤3为光斑变换和传光元件，其一头为标准光纤(见ITU-TG.652)，另一头研磨成两组楔形：一组为50°-70°，另一组为80°-120°；端面为矩形镜面平面，长为1.6-2.4微米，宽为5.0-9.0微米；光纤总长度为1.0-1.2m。
所述的玻璃导管2为连接元件，材料为玻璃，直筒状，长8-12mm，内径与结构性镍管1和双面微球透镜4能够相适配。其左端和镍管2粘接，其右端和双面微球透镜4粘接。
所述的结构性镍管镍管1为中空结构，一边粗，用于和带有包皮的光纤穿接并实现密配合；一边细，用于和裸光纤穿接并适配；为便于固定焊接，结构性镍管1表面镀金。
由此可见，结构性镍管1、双面微球透镜4与玻璃导管2组装成一体。结构性镍管1内的楔形光纤3实现光斑变换并使传输光入射到双面微球透镜4表面上，双面微球透镜4用于对入射光6进行聚焦，并精确地入射到探测器5的光敏面上，从而实现高效光耦合。
2、组件的制作方法
通过玻璃导管2把双面微球透镜4和结构性镍管1粘结成一体；最后通过耦合、定位和焊接方法，把组件精确地固定在管壳底座上；具体步骤如下：
①按各组件的结构要求，分别制作双面微球透镜4、玻璃导管2、结构性镍管1；
②使一端包皮剥离6-7mm的标准光纤穿过结构性镍管1，且使其伸出结构性镍管1细部0.5-1mm；包皮未剥离的标准光纤嵌入结构性镍管1的粗部4-5mm；采用机械压紧和胶粘方法使标准光纤和结构性镍管1固定在一起；然后，在专用研磨机上把伸出0.5-1mm的光纤端部研磨成所要求的楔形形状，即得到一种包裹有结构性镍管1的楔形光纤3；
③让外部包裹有结构性镍管1的楔形光纤3穿入玻璃导管2中，使其前端离玻璃导管2端口差4-6mm；玻璃导管2另一端和镍管1的细部外径配合，配合长度为3-5mm，然后用胶粘方法固定；
④把尾纤长度为1.0-1.2米的玻璃导管—楔形光纤—结构性镍管整体件穿过管壳尾孔，并使其伸出尾孔外15-20cm；通过胶粘方法，在玻璃导管2的一端粘接微透镜4；就制成了一种与侧面进光探测器耦合的微透镜—楔形光纤一体化组件。
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、适于超高速侧面进光探测器的耦合。
附图说明
图1—本组件结构示意图。
图2—楔形光纤3形状示意图，包括：
     图2.1—楔形光纤侧面剖面示意图；
     图2.2—楔形光纤正面示意图。
图3—结构性镍管1剖面形状示意图。
其中：
1—结构性镍管，一种镀金结构性镍管；
2—玻璃导管；
3—楔形光纤；
4—双面微球透镜，简称微透镜；
5—光探测器；
6—入射光。
具体实施方式
1、设计考虑
1.1双面微球透镜4
如上所述，为了提高传输光的利用率，在空间传输光的路径上插入具有聚光作用的透镜。
插入的透镜应考虑形状、体积、透光率、焦距和固定方式。根据几何光学中的高斯定律，对焦距、放大率可进行计算。根据计算，对侧面进光的光探测器所应用的微透镜，我们的设计考虑是：
a、所用双面微球透镜4为玻璃材料制作的双面微球透镜，简称微透镜，直径为1.0-1.8mm；
b、为提高光透过率，两微球面上采用电子束镀膜技术制作2-4层介质膜，使其总透光率达到90％以上；
c、不用金属支架而采用裸微透镜。
1.2楔形光纤3
为使楔形光纤3的端面和侧面进光的探测器形状和尺寸匹配，楔形光纤3的设计考虑是：
a、楔形光纤通过研磨技术，研磨成两组楔形：-组为50°-70°，另一组为80°-120°，其端面为矩形。
b、楔形光纤端面尺寸为(1.6-2.4)微米×(5.0-9.0)微米；
c、楔形光纤端面平整如镜面；
楔形光纤形状和端面尺寸见图2。
1.3、玻璃导管2
玻璃导管2的作用是连接和固定光纤和微透镜，使其成为一个整体。玻璃导管2地设计考虑是：
a)为便于制作，玻璃导管2采用直筒形结构；
b)玻璃导管2外径应小于管壳尾管内径，其内径应大于镍管外径；
c)玻璃导管2壁厚应便于制作，一般应大于0.15mm.
1.4、结构性镍管1
结构性镍管1的作用是保护、固定楔形光纤3并和玻璃导管2配合、连接。其设计考虑是：
a、根据光纤标准截面，即纤芯和带包层的光纤截面，和成品管壳的尾管内径，精心设计镍管结构和内外尺寸；
b、我们设计的结构性镍管1的结构和尺寸见图3；
c为便于焊接，结构性镍管1的表面镀以0.2-0.5微米的金。
2、实际制作
见上述《发明内容2、组件的制作方法》。