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1、(10)申请公布号 CN 103744147 A (43)申请公布日 2014.04.23 CN 103744147 A (21)申请号 201410005041.X (22)申请日 2014.01.07 G02B 6/42(2006.01) G02B 6/43(2006.01) (71)申请人 西南科技大学 地址 621010 四川省绵阳市涪城区青龙大道 中段 59 号 (72)发明人 张克非 刘志勤 钱天闻 滕忠辉 周磊 方再平 李颖 庞利 (54) 发明名称 高耦合效率的有源光缆光耦合装置 (57) 摘要 本发明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。
2、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。本发明使用斜平 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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5。
3、 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103744147 A CN 103744147 A 1/1 页 2 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。
4、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 述微透镜为 P 平凸透镜。 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。 6. 根据权利要求 1、 2 或 3 所述的高耦合效率的有源。
5、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 60m， 球体半径为 948.7m， 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， 所述微透镜的出光测正表面与所述光纤的入 光侧正表面之间的距离为 11511um。 权 利 要 求 书 CN 103744147 A 2 1/5 页 3 高耦合效率的有源光缆光耦合装置 技术领域 0001 本发明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。
6、效率光耦合装置。 背景技术 0002 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。 0003 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。
7、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。 0004 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， 本发明正是基于这种理论而提出。 发明内容 0005 本发明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。 0006 本发明通过以下技术方案来实现上述目的 ： 0007 一种高耦合效率的有源光缆光耦合装置， 包括激光器和。
8、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。 0008 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。 000。
9、9 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。 0010 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。 0011 作为优选， 所述微透镜为 P 平凸透镜 ； 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。 说 明 书 CN 103744147 A 3 2/5 页 4 0012 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 60m， 球体半径为 948.7m， 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。
10、 1440um， 焦点半径为 32um， 透过率为 89.7， 所述微透镜的出光 测正表面与所述光纤的入光侧正表面之间的距离为 115.11um。 0013 本发明的有益效果在于 ： 0014 本发明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。
11、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 0015 图 1 是传统有源光缆光耦合装置的结构示意图 ； 0016 图 2 是本发明所述高耦合效率的有源光缆光耦合装置的结构示意图 ； 0017 图 3 是图 2 中的 A-A 剖视图 ； 0018 图 4 是本发明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 ； 0019 图 5 是本发明所述光纤的耦合端端面的光反射和光折射传输示意图 ； 0020 图 6 是本发明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 ； 0021 图 7 是本发明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。
12、实施方式 0022 下面结合附图对本发明作进一步说明 ： 0023 如图 2 所示， 本发明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。
13、用于安装的 V 型槽板 3。 0024 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。 0025 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 60m， 球体半径为 948.7m， 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.。
14、7， 微透镜 6 的出光测正表面与光纤 5 的入光侧正表面之间的距离为 115.11um。 0026 下面结合附图对本发明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 ： 0027 1、 微透镜 6 的出光测正表面与光纤 5 的入光侧正表面之间距离的确定 ： 说 明 书 CN 103744147 A 4 3/5 页 5 0028 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， 0029 与光纤 5 的外包层和纤芯 51 表面的折射角分别表示为 12， 22， 13， 23， 入射 角分别表示为 11， 21， 光。
15、线 1 和光线 2 到达端面 52 时， 其反射角分别表示为 1， 2； 光 线3为激光器7的光源9的中心光线， 其入射角表示为31， 与光纤5的外包层和纤芯51表 面的折射角分别表示为 32， 33， 光线 3 到达端面 52 时， 其反射角表示为 3。 0030 根据图 3 有以下公式 ： 0031 n0sin11=n2sin12=n1sin13 0032 n0sin21=n1sin23=n2sin22 0033 n0sin31=n1sin33=n2sin32 0034 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。 0035 计。
16、算结果为 ： 0036 11=21=10 ； 12=22 6.69 ； 13=23=6.65 0037 0038 其中， lmax表示微透镜 6 的出光测正表面与光纤 5 的入光侧正表面之间的距离。 0039 代入参数计算得到 lmax 115.11um。 0040 2、 微透镜 6 的固定方式设计 ： 0041 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。 0042 该设计方案保证了光纤 5 表面。
17、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。 0043 3、 耦合效率分析 ： 0044 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 ： 0045 1=45 +13 0046 2=45 -23 0047 3=45 -33 0048 其中 3为全反射角 ： 0049 0050 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 ： 0051 说 明 书 CN 103744147 A。
18、 5 4/5 页 6 0052 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 ： 0053 如图 4 和图 5 所示 ： 0054 在介质中满足反射率计算公式 ： 0055 0056 0057 由上式得该反射面的反射率为 ： 0058 0059 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 ： 0060 0061 则为发生全反面的区域光束占总光束的比例为 ： 0062 0063 则总的耦合效率为 ： 0064 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 ： 0065 如图 6 所示， 光束经过微透。
19、镜 6 后与光纤 5 的耦合效率 的关系式为 ： 0066 0067 由图 6 可知，随着 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的入光测正表面的平行度误 差很小。 0068 图 7 是本发明所述示意图。 0069 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 ： 0070 如图 7 所示， 会影响与 关系式的计算结果， 对其它参数是没有影响的。 0071 可以得到反射面角度误差与 与微透镜 6 和光纤耦合效率 的关系式 ： 说 明 书 CN 103744147 A 6 5/5 页 7 0072 0073 分。
20、析可知， 在反向增大时， 耦合效率在减小， 正向时随着 增 大。在作图过程中， 发现当 在 3.2时， 即 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。 0074 上述实施例只是本发明的较佳实施例， 并不是对本发明技术方案的限制， 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， 均应视为落入本发明专利 的权利保护范围内。 说 明 书 CN 103744147 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103744147 A 8 2/4 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103744147 A 9 3/4 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 103744147 A 10 4/4 页 11 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103744147 A 11 。