双透镜型管帽制造技术

本发明专利技术涉及一种双透镜型管帽，属于光纤通信领域。该管帽包括内侧透镜、外侧透镜、内侧管壳和外侧管壳；内侧透镜位于管帽内侧，离光源较近，外侧透镜位于管帽外侧，离光源较远；内侧透镜的折射率大于外侧透镜的折射率，内侧透镜的直径小于外侧透镜的直径；内侧透镜和外侧透镜沿中心线对齐，分别与内侧管壳和外侧管壳焊接；内侧管壳和外侧管壳能相互嵌套。本发明专利技术实现了激光芯片与光纤之间的耦合，其成本比非球透镜管帽大大降低，而耦合效率大大高于单球纯球透镜管帽，接近非球透镜管帽。以较低的成本，实现高的耦合效率。

Double lens cap

The invention relates to a double lens type pipe cap, which belongs to the field of optical fiber communication. The tube cap comprises an inner lens, an outer lens, an inner shell and an outer shell; the inner lens is located inside the tube cap, close to the light source; the outer lens is located outside the tube cap, far from the light source; the refractive index of the inner lens is greater than that of the outer lens; and the diameter of the inner lens is smaller than that of the outer lens; The outer lens is aligned with the center line and welded with the inner shell and the outer shell respectively; the inner shell and the outer shell can be nested with each other. The invention realizes the coupling between the laser chip and the fiber, and the cost is greatly reduced compared with the aspheric lens tube cap, and the coupling efficiency is greatly higher than the single spherical pure spherical lens tube cap, and is close to the aspheric lens tube cap. At a lower cost, a high coupling efficiency is achieved.

【技术实现步骤摘要】
双透镜型管帽
本专利技术属于光纤通信领域，涉及双透镜型管帽。
技术介绍
目前，在光纤通信领域，光源发出的光，耦合到光纤，一般采用带透镜的管帽，这种管帽的功能为：(1)具有气密性，保护发光芯片不被氧化；(2)将半导体激光器芯片发出的光聚焦耦合到光纤中。光源简介：在光纤通信领域，一般采用半导体激光器LD作为光源。用于光通信的LD，有源层一般很薄，厚度小于1um，发光区域的宽度一般在1um左右。在垂直和水平方向上光束的发散程度不同，光束远场的横截面呈椭圆形，平行于p-n结方向的水平发散角θ∥为一般为20°～30°，而垂直于p-n结方向的发散角θ⊥为30°～45°，如图1所示。光纤简介：光纤是光导纤维的简称，通常是一种圆柱形的介质波导，是一种利用光在玻璃纤维中的全反射原理的光传导工具，它引导光波沿着其轴线的方向传播。典型的光纤由纤芯、包层和涂覆层三部分组成。纤芯的折射率必须大于包层的折射率，以构成传输光波导。图2是均匀折射率光纤中子午光线传播的示意图。入射到光纤端面的光，并不能全部入射到光纤，并形成稳定的传播，只有入射到模场直径MFD范围以内，并且入射角度的正弦值小于数值孔径N.A.的光才能够在光纤中稳定传播。在光纤通信领域使用的光纤为单模光纤，单模光纤的模场直径MFD一般为9um左右，数值孔径N.A.大约为0.12，也就是说入射到光纤端面的光，必须汇聚成直径9um左右或者更小的光斑，并且入射角度小于6.9°，才能进入光纤，形成稳定的传播。光的耦合简介：图3是一只典型的带玻璃透镜的光窗管帽图，金属外壳实现气密性功能，玻璃透镜实现耦合功能。光源芯片安装在管座上，与管帽相连。光源发出的光，经过玻璃透镜的折射，汇聚成一个较小的光斑，将光纤的端面置于该光斑位置附近，并仔细调节光纤位置，使得光尽可能多的进入光纤。目前光源与光纤之间的耦合，一般采用单只玻璃透镜进行耦合，市面上主要产品采用的方案有：熔融玻璃球方案、纯球透镜方案和非球透镜方案。(1)熔融玻璃球：采用熔融玻璃球对光进行折射，实现光的耦合功能。将玻璃块放置在金属管壳上，加热至玻璃呈熔融状态，利用高温状态下玻璃的表面张力收缩、重力因素以及与金属氧化层的浸润作用实现成形。优点：成本低。缺点：不规则，产品一致性差，耦合效率低。(2)纯球透镜：采用预先磨制、抛光的玻璃球对光进行折射，实现光的耦合功能。玻璃球采用折射率1.5～2.0的玻璃材料，球直径一般为1～2mm。采用低温焊料将这种加工好的玻璃球直接焊接在金属外壳上。纯球透镜方案的成本比熔融玻璃球略高。优点：透镜形状规则，一致性好，耦合效率比熔融玻璃球要高。缺点：纯球透镜的缺点在于有球差。如图4所示，在光轴上的某一点发出的光，经过纯球透镜后，发生折射。折射后的光，并不能汇聚于一点，角度较小的近轴光线聚焦于较远处，随着发出光的角度的增大，远轴光线聚焦于较近的位置，这样就造成了发射角度不同的光，不能完美的聚焦成一点，只能形成一个较大的光斑，光纤的模场直径一般为9um左右，采用纯球透镜聚焦的光斑直径远大于9um，只有少部分的光能够进入光纤，造成了耦合效率低下。纯球透镜只能汇聚近轴光线，角度大的远轴光线，由于球差的原因，不能被耦合入光纤。(3)非球面透镜：采用低温模压玻璃压制成型，模具采用高精密加工成型，能够耐高温，表面一般为高阶曲面。一般分为两种，一种是先将玻璃透镜模压成型，然后采用低温焊工艺，焊接到金属外壳上，另一种是直接将玻璃透镜模压到金属外壳上。优点：由于采用合理设计的非球面透镜，消除球差、慧差等像差，光源芯片发出的光，即使角度较大的远轴光线也可以汇聚入光纤，使得耦合效率显著提高。缺点：模具加工精度高，模压成型技术难度大，设备投入大，价格昂贵。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种双透镜型管帽，以较低的成本，实现激光芯片与光纤之间的耦合，并且得到较高的耦合效率，从而实现较高的性价比。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：双透镜型管帽，包括内侧透镜、外侧透镜、内侧管壳和外侧管壳；所述内侧透镜位于管帽内侧，离光源较近，外侧透镜位于管帽外侧，离光源较远；内侧透镜的折射率大于外侧透镜的折射率，内侧透镜的直径小于外侧透镜的直径；内侧透镜和外侧透镜沿中心线对齐，分别与内侧管壳和外侧管壳焊接；内侧管壳和外侧管壳能相互嵌套；所述双透镜型管帽用于实现光源与光纤之间的耦合，内侧透镜用于实现光源到准直平行光的转换，外侧透镜用于实现准直平行光到光纤的耦合。进一步，所述内侧透镜的折射率n＝1.8，直径Φ＝1.0mm，外侧透镜的折射率n＝1.5，直径Φ＝2.0mm。进一步，所述内侧透镜和外侧透镜上镀有减反射膜。进一步，所述内侧透镜和外侧透镜为熔融玻璃球透镜、纯球透镜、半球透镜、非球透镜或各透镜相互组合形式。进一步，所述内侧管壳和外侧管壳均为金属材质。本专利技术的有益效果在于：本专利技术实现了激光芯片与光纤之间的耦合，其成本比非球透镜管帽大大降低，而耦合效率大大高于单球纯球透镜管帽，接近非球透镜管帽。以较低的成本，实现高的耦合效率。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为半导体激光器；图2为光纤示意图；图3为玻璃透镜光窗管帽实现光源芯片与光纤之间的耦合；图4为纯球透镜的球差；图5为双球透镜管帽光学设计；图6为双球设计和单球设计能够接收的光的角度；图7为双球透镜管帽结构示意图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。采用2个纯球透镜，内侧的球半径较小，折射率较大，离光源芯片较近，最大限度的将光源芯片发出的发散光收集变成准平行光。外侧的第二个球半径较大，折射率较小，将准平行光变为会聚光，以较小的角度，会聚成较小的光斑，并耦合入光纤纤芯。图5为采用双球透镜的光学设计，在该设计中，内侧小球采用折射率1.8的玻璃，球直径1mm，半导体光源芯片的发光点位置与小球之间的间距为0.05mm，这样可以将光源发出的光变为准平行光。外侧的大球采用折射率1.5的玻璃，球直径2mm，光纤端头与大球之间的间距为0.55mm，这样可以将准直平行光汇聚到光纤纤芯。由于两球透镜之间的光为准平行光，所以对两球之间的距离不敏感，可以较为自由的调节，本设计中将两球之间的距离设为1.44mm。图6为双球设计和单球设计能够接收的光的角度，双球方案能接收的光的角度为2α＝2×16.86°，单球方案能接收的光的角度2β＝2×11.54°。半导体光源发出的光，具有一定的发散角，能够收集更大发散角的光，意味着系统具有更高的耦合效率。根据ZEMAX软件仿真可知，采用双球设计，可以接收到的光源发散光数值孔径N.A.为0.29，即可以接收2α≈33.7°的光。在光纤侧，数值孔径N.A.为0.12，即汇聚角度为6.9°光斑直径为7um，能够耦合到光纤中去。相比之下，采用单球透镜的耦合系统，最多只能接收数值孔径N.A.为0.2，即只能接收2β≈23°的光，显然双球设计能够接收比单球透镜更多的光，具有更大的耦合效率。将两个纯球玻璃透镜分别焊接到相应的管壳上，然后将两个玻璃球透镜分别镀膜。再将两个管壳焊接在一起，形成双球透镜管帽。我们采用双球透镜设计，用2个纯球透镜实现光源与光纤之间的耦合。内侧采用半径较小，折射率较大的玻璃球，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双透镜型管帽，其特征在于：包括内侧透镜、外侧透镜、内侧管壳和外侧管壳；所述内侧透镜位于管帽内侧，离光源较近，外侧透镜位于管帽外侧，离光源较远；内侧透镜的折射率大于外侧透镜的折射率，内侧透镜的直径小于外侧透镜的直径；内侧透镜和外侧透镜沿中心线对齐，分别与内侧管壳和外侧管壳焊接；内侧管壳和外侧管壳能相互嵌套；所述双透镜型管帽用于实现光源与光纤之间的耦合，内侧透镜用于实现光源到准直平行光的转换，外侧透镜用于实现准直平行光到光纤的耦合。

【技术特征摘要】
1.双透镜型管帽，其特征在于：包括内侧透镜、外侧透镜、内侧管壳和外侧管壳；所述内侧透镜位于管帽内侧，离光源较近，外侧透镜位于管帽外侧，离光源较远；内侧透镜的折射率大于外侧透镜的折射率，内侧透镜的直径小于外侧透镜的直径；内侧透镜和外侧透镜沿中心线对齐，分别与内侧管壳和外侧管壳焊接；内侧管壳和外侧管壳能相互嵌套；所述双透镜型管帽用于实现光源与光纤之间的耦合，内侧透镜用于实现光源到准直平行光的转换，外侧透镜用于实现准直平行光到光纤的耦合。2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈渝，周晓波，黎小刚，袁中朝，杨拓，夏阳，
申请(专利权)人：中电科技集团重庆声光电有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50