用于将光耦合到光波导中的光学组件制造技术

本发明专利技术描述了一种用于从光源到光波导的光，例如光纤中的光的低反馈耦合的光学组件。该光学组件包括具有表面的非球面透镜，该表面具有没有锥面垂度分量的旋转对称垂度分量，以及用于通过使相当大部分的被反射的光围绕激光器孔而减少从光纤顶端反射的光回到激光器孔中的耦合的旋转非对称垂度分量。透镜形状和螺旋面的高度被选择成使得聚焦到光纤顶端上的光被保持，光反馈减少。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及用于光耦合的光学组件，尤其是涉及用于将光从背向反射敏感的 光源耦合到光波导中的光学组件。
技术介绍
在光纤通信中，来自光源的光，例如来自激光器或发光二极管(LED)的光以高速 率使用数据流而被调制，并通过在两个或多个地理位置之间的一段光纤而被传输。激光器 通常使用透镜被耦合到光纤。光纤通信中的一个问题是从光纤到激光器光源的光反馈或背向反射会影响激光 器操作并在经调制的光信号的上升和下降边缘的计时中引起抖动。光反馈的影响对单模激 光器，例如1310nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)或分布式反馈(DFB)激光器，是最严重的， 但对多模激光器例如850nm VCSEL或法布里-珀罗(FP)激光器也是明显的。因此，存在着 对减少由于来自光纤顶端的反射而产生的进入单模激光器和多模激光器的光反馈的需要。在通过引用并入本文的美国专利6，822，794或6，856，460中，Coleman等人公开 了一种衍射光学元件，其用于将激光器所发出的光发射到光纤中，同时减少进入激光器的 光反馈。参考图1A，示出了 Coleman等人的光耦合系统10。系统10具有激光器光源11、具 有衍射面15和折射面16的双凸传递透镜14、以及多模光纤12。衍射面15具有由图B所 示的旋涡图案所表示的空间非均勻光学相位延迟函数。旋涡图案是径向和轴向对称图案的 组合，并被构造成在多模光纤12处产生特定的光束发射条件，在此处多模光纤12的中心被 避免。当多模光纤12的中心被避免时，光耦合系统10的模式色散性能提高了。此外，进入 激光器11的背向反射由于衍射面15的存在而减少了，这使远离光源11的孔17反射的光 重定向。在通过引用并入本文的美国专利6，807, 336中，van Haasteren公开了具有在数 学上由圆锥、锥面和螺旋面分量的和描述的表面的光学透镜。该透镜适合于将光发射到多 模光纤中，因为特定的表面轮廓导致在光纤顶端处产生环形光分布图案，以便避免光纤的 中心。当光纤中心被避免时，模式色散减少了。到激光器光源的光反馈也减少了。这些现有技术方法的一个缺点是对光学失调所增加的敏感度。现有技术的复杂透 镜在光纤顶端处产生相对大的斑点。由于大的斑点尺寸，聚焦的激光束可能在光纤处被截 短，导致功率损耗和可靠性问题。现有技术的激光器到光纤耦合器的组件所需要的紧密公 差导致高制造成本。因此就存在着对用于将光耦合到光纤中的失调容忍光学组件的需要，该组件具有 进入光源的低水平的光反馈。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了 一种光学组件，其包括具有用于发射光的孔的光源、具有用于 接收光的孔的光波导、以及用于将从光源孔发射的光耦合到光波导孔中的透镜，其中透镜 具有由旋转对称垂度(sag)分量和旋转非对称垂度分量叠加而组成的垂度，其中由于从波4导反射的光在光源处形成环形斑点，旋转非对称垂度分量用于减少从波导反射的光回到光 源孔中的耦合，由此被反射的光的至少一部分围绕光源孔，且其中旋转对称的垂度分量是 没有锥面垂度分量的球面垂度分量或非球面垂度分量之一。根据本专利技术的另一方面，光学组件的壳体与透镜单片地集成，使得光源和光波导 被壳体支持。根据本专利技术的另一方面，进一步提供了用于当来自光源的光被耦合到光波导中时 减少背向反射的方法，其包括提供用于将从光源的孔发射的光耦合到光波导的孔中的透 镜，其中透镜具有表面，该表面具有由旋转对称垂度分量和旋转非对称垂度分量的叠加组 成的垂度，其中由于从波导反射的光的至少一部分围绕光源孔，旋转非对称垂度分量用于 减少从波导反射的光回到光源孔中的耦合，且其中旋转对称垂度分量是没有锥面垂度分量 的球面垂度分量或非球面垂度分量之一。附图说明现在将结合附图描述示例性的实施方式，其中图IA是包括具有衍射面的透镜的传统光耦合系统的图示；图IB是图IA的光耦合系统的衍射面的平面2是根据本专利技术的用于耦合光的光学组件的等距视图；图3A示出图2的透镜表面的非球面垂度分量和圆锥形透镜的锥面垂度分量的垂 度曲线；图3B示出图2的光学组件的透镜表面的螺旋面垂度分量和分段螺旋面垂度分量 的垂度曲线；图4示出根据本专利技术的在光线顶端处聚焦的并从其反射回光源上的光的点列图；图5A和5B分别是根据本专利技术的以第一对焦距离聚焦到光纤顶端上的光和反射回 光源上的光的点列图；图5C和5D分别是根据本专利技术的以第二对焦距离聚焦到光纤顶端上的光和反射回 光源上的光的点列图；图6是作为图2的光学组件的光纤的横向位移的函数的光纤耦合效率的曲线；图7是作为沿着图2的光学组件的光轴(散焦)的位移的函数的光纤耦合效率和 背向反射的曲线；图8是包括整体集成的壳体的本专利技术的光学组件的横截面视图；以及图9A和9B是图8的光学组件的壳体的等距视图。具体实施例方式虽然结合不同的实施方式和实例描述了本教导，但其意图并不是教导被限制到这 样的实施方式。相反，本教导包括各种替换、更改和等效形式，正如本领域技术人员将认识 到的。参考图2，本专利技术的光学组件20包括光源，例如具有孔22的垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 21和具有孔25的多模光纤24，而透镜23被布置在其间。VCSEL 21、透镜23和多 模光纤24被同轴地布置。透镜23具有表面26A和26B。表面26A具有表面轮廓或由两个垂度分量描述的所谓的表面垂度非球面分量和螺旋面分量。在操作中，由VCSEL 21的孔 22发出的光聚焦到光纤24的孔25中，如右指向箭头27所示意性的示出的。从光纤24反 射的光通过透镜23传播回到VCSEL 21，如左指向箭头28所示的。表面26A的垂度中螺旋 面垂度分量的存在导致了被反射的光形成围绕VCSEL 21的孔22的环形斑点29。作为结 果，被反射的光进入VCSEL 21的孔22的耦合降低了，且进入VCSEL 21的孔22的光反馈减 少了。光波导可代替光纤24来使用，且任何适当的光源可代替VCSEL 21来使用。转到图3A和3B，以作为极坐标系的径向坐标r和方位角Φ的函数的表面垂度值 的曲线示出来自图2的透镜23的表面26Α的非球面和螺旋面垂度分量，该极坐标具有在透 镜23的表面26Α的中心处的原点。在图3Α中，线31和32分别将非球面垂度分量表示为 r和Φ的函数。垂度分量32并不随着方位角Φ改变，因为非球面分量是旋转对称的。非 球面垂度分量Sa由下面的方程定义 其中c是曲率(曲率半径的倒数)，而k是二次曲线常数。必须注意，方程(1)的 函数Sa不包含与r成比例的项。仅为了说明的目的在图3A中在35示出与r成比例的项。 它定义了锥面垂度分量并通常包括在透镜垂度函数中，以在焦平面处产生环形斑点。然而 在本专利技术中，为了下面讨论的原因而并不使用它。在图3B中，线33和34分别表示作为r和Φ的函数的螺旋面分量。垂度分量不 随着半径r改变，并且是方位角Φ的线性函数。螺旋面垂度分量Sb由下面的方程定义 其中b是螺旋步长。在一个实施方式中，螺旋面具有两个或多个半径段，垂度分量由在36示出的齿状函数表示。该分段的螺旋面垂度分量Sb2由下面的方程定义 / 1 \ 其中F是返回自变量的分数，即，小数点右边的部分的函数，而M是表面26A上的 螺旋段的数量。表面26A的完整的垂度S由下面的方程描述S = SA+本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学组件，其包括具有用于发射光的孔的光源、具有用于接收光的孔的光波导、以及用于将从光源孔发射的光耦合到光波导孔中的透镜，其中所述透镜具有表面，所述表面具有由旋转对称垂度分量和旋转非对称垂度分量叠加组成的垂度，其中由于从所述光波导反射的光在所述光源处形成环形斑点，所述旋转非对称垂度分量用于减少从所述光波导反射的光回到所述光源孔中的耦合，由此被反射的光的至少一部分围绕所述光源孔，以及其中所述旋转对称垂度分量是没有锥面垂度分量的球面垂度分量或非球面垂度分量之一。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：卢克格雷汉姆，
申请(专利权)人：JDS尤尼弗思公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]