CN108387978B - 光耦合***及光耦合方法 - Google Patents

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Abstract

一种光耦合***及光耦合方法，其用以将从光源发出的光束耦合进入光纤，并可减少所述光束背向反射进入所述光源，也提供控制的发射条件以改善前向光耦合。所述光耦合***包括至少一个平坦的表面，所述平坦的表面与光路相交叉的部分的至少一部分上设有若干扰动部。所述扰动部具有预选的横向的宽度及高度以增加前向光耦合效率及减少光束从光纤的端面进入光源的背向反射。所述扰动部通过产生复合的光束形状来改善前向光耦合，所述复合的光束形状被预选成更好地匹配光纤多个光模式的空间和角度分布。

Description

光耦合***及光耦合方法
【技术领域】
本发明是关于一种光通信模组，尤其涉及一种用于光通信模组的光耦合***，所述光耦合***可以减少发射到光波导的端面的光束的背向反射，同时改善光波导的模式与光束的模式的匹配。
【背景技术】
在光通信网络中，光通信模组(如光收发器、光发射器及光接收器)被用于在光波导上发射及接受光信号，所述光波导通常是光纤。光收发模组包括发射侧及接收侧。在发射侧，激光源产生光束，光耦合***接收该光束并将该光束与光纤的端面耦合。所述激光源一般包括一个或多个激光二极管以产生特定波长或特定范围波长的光束。发射侧的激光二极管驱动电路输出电驱动信号驱动激光二极管。光耦合***一般包括一个或多个反射、折射和/或衍射组件，其将调制的光束耦合到光纤的端面。在接受侧，从光纤的端面出射的光信号被光耦合***光耦合到光电二极管，如正-本-负二极管。所述光电二极管将光信号转换成电信号。接收侧的接收电路处理电信号以恢复数据。所述发射侧及接收侧可使用相同的光耦合***，也可使用独立的光耦合***。
在高速数据传输网络(如10Gbps或者更高)中，某些链路性能特性，如相对强度噪声(relative intensity noise，RIN)取决于激光源的特性以及光耦合***的设计。在大多数光纤应用中，存在着激光源发出的激光进入光纤端面的前向耦合效率，与激光从光纤的端面进入激光源的背向反射之间的折衷。背向反射增加了相对强度噪声并降低了激光光源的性能。随着光通信链路使用越来越快的数据速率，减少相对强度噪声变得越来越重要。在使用多模激光源和多模光纤的光学链路中，在前向耦合中，期望改善激光模式与光纤模式之间的模式匹配，从而增加链路距离以及降低链路对模式分区噪声的敏感性。
传统的用于管理背向反射的方法包括使用具有固定偏振输出光束的边缘发射激光二极管配合光隔离器一起使用，或者使用角度偏移发射，如在带尾纤的收发器封装中的成角度的光纤，或在与光纤链路的光轴成非零度角处使用光纤插芯直接将光源发出的光直接导引到光纤链路的端面。这些方法有利也有弊。如果与具有可变偏振输出光束的激光光源如垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)配合使用时，所述光隔离器可能不具有期望的效果。使用成角度的光纤尾纤或光纤插芯会增加收发器封装的复杂性和成本。而且，这些方法可能不适用于需要使用标准光纤的应用。
因此，需要一种光耦合***用以耦合激光光束与光纤的端面，其可以有效地耦合多种光纤模式，同时可以减少背向反射，从而减少相对强度噪声。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种光耦合***，其可以有效地耦合多种光纤模式，同时可以减少背向反射。
为解决上述技术问题，本发明可以采用如下技术方案：一种光耦合***，其用于在光通信模组中耦合光源与光波导的端面之间的光，所述光耦合***包括沿光耦合***的光路设置的平坦的表面及若干扰动部，所述平坦的表面包括内侧及外侧，光源发出的光束在所述光路以第一方向传输并入射到所述平坦的表面的所述内侧，所述扰动部设置在所述平坦的表面的所述外侧，所述各扰动部具有局部矢状轮廓，可对入射到所述平坦的表面上的所述光束的一部分起到局部折射效应，以在预选的平面上形成相应的光束部分，所述扰动部的形状、尺寸及位置的设置形成一个预定的聚集折射效应，使得所有的所述光束部分在所述预选的平面上部分或全部重叠而形成一个复合的光束形状，所述复合的光束形状不同于各相应的光束部分的形状，所述复合的光束形状被预选成将所述光源发出的所述光束的一个或多个光模式与所述光波导的一个或多个光模式匹配。
本发明的另一主要目的在于提供一种光耦合方法，其可以有效地耦合多种光纤模式，同时可以减少背向反射。
为解决上述技术问题，本发明可以采用如下技术方案：一种光耦合方法，其用于将光源产生的光束发射到光波导的端面，所述光耦合方法包括光源，所述光源用以产生光束及光耦合***，所述光耦合***接收所述光束并导引所述光束在所述光耦合***的光路中沿第一方向传输，并使所述光束入射在光耦合***的平坦的表面上，所述平坦的表面的外侧上设有若干扰动部，各所述扰动部具有局部矢状轮廓，可对入射到平坦的表面上的光束的一部分起到局部折射效应以在一预选的平面上形成相应的光束部分，所述扰动部的形状、尺寸及位置的设置形成一个预定的聚集折射效应，使得所有的所述光束部分在所述预选的平面上部分或全部重叠而形成一个复合的光束形状，所述复合的光束形状不同于各相应的光束部分的形状，所述复合的光束形状被预选成将所述光源发出的所述光束的一个或多个光模式与所述光波导的一个或多个光模式匹配。
通过以下的描述、附图和权利要求，本发明的这些和其他特征和优点将变得显而易见。
【附图说明】
图1显示的是具有代表性的实施例的光耦合***的一部分的侧视图，所述光耦合***包括平坦的全反射面，所述平坦的全反射面上设有若干扰动部。
图2显示的是图1中所示的设有扰动部的平坦的全反射面的标号为111的虚线圆圈部分的横截面侧视图。
图3显示的是一个光束形状的前视图，所述光束形状是经过现有光耦合***的现有聚焦透镜，在一个不同于但平行于光纤端面所在平面的平面上形成的。
图4显示的是图3所示的光束形状在所述光纤的端面所在平面上接近聚焦时形成的形状的前视图。
图5显示的是一个扰动的平坦的全反射面的平面图，所述扰动的平坦的全反射面包括一个2x2阵列的图1和图2中具有代表性的实施例显示的扰动部，所述各扰动部是小双锥透镜。
图6显示的是一个复合的光束形状的前视图，所述复合的光束形状是图5中显示的虚线框143-146中的双锥透镜形成的四个光束部分在一个平面上聚焦形成的。
图7显示的是一个复合的光束形状的前视图，所述复合的光束形状是经过图5中虚线框143-146中的双锥透镜形成的四个光束部分在一个平面上接近聚焦形成的，所述平面相比于图6中所显示的平面在Z方向上更加靠近或者更加远离图5中显示的所述扰动的全反射面。
图8显示的是一个具有代表性的实施例的光耦合***的一部分的侧视图，所述光耦合***包括平坦的表面，所述平坦的表面在所述光耦合***的空气到材料界面上设有若干扰动部。
图9显示的是一个具有代表性的实施例的光耦合***的一部分的侧视图，所述光耦合***包括平坦的表面，所述平坦的表面在光耦合***的材料到空气界面上设有若干扰动部。
图10显示的是一个复合的光束形状的前视图，所述复合的光束形状是经过图9中显示的所述扰动部形成的四个光束部分形成的，所述扰动部是形成在图9中具有代表性的实施例的材料到空气界面上的平坦的表面的外侧形。
图11显示的是一个复合的光束形状的前视图，所述复合的光束形状是通过图10中所示的四个光束部分在一个预选的平面上接近聚焦形成的。
【具体实施方式】
根据本文描述的说明或示例性实施例，提供一种用于光通信模组的光耦合***及光耦合方法，其通过在激光模式和光纤模式之间的更好的模式匹配来改善前向光耦合，并减少进入激光的背向反射。所述光耦合***包括至少一个平坦的表面，所述平坦的表面在与光耦合***的光路相交的区域的至少一部分上设有若干扰动部。所述扰动部包括预选的侧向的宽度及高度，以通过在激光模式与光纤模式之间更好的模式匹配来增加前向光耦合效率，以及较少进入激光的背向反射。所述平坦的表面设有若干所述扰动部以预定的方式对激光光束进行操作，以便激光光束以提高模式匹配及减少背向反射进入激光的预定方式进入广波导的端面。
在一些代表性的实施例中，所述形成有扰动部的平坦的表面包括光耦合***的空气到材料界面，所述激光光束从空气进入到光耦合***的材料时与扰动部相互作用。在一些代表性的实施例中，所述形成有扰动部的平坦的表面包括光耦合***的材料到空气界面，所述激光光束从光耦合***的材料进入到空气时与扰动部相互作用。在一些代表性的实施例中，所述形成有扰动部的平坦的表面包括光耦合***的平坦的全反射表面，所述激光光束入射到所述平坦的全反射表面上被平坦的全反射表面反射时与所述扰动部相互作用。说明及代表性的实施例将结合图1-11进行描述，类似的参考标号将代表类似的特征、组件及元件。
在接下来详细的描述中，为了解释而非限制的目的，阐述了公开具体细节的示例性或代表性实施例，以便提供对发明原理和概念的透彻理解。但是，受益于本公开的本领域普通技术人员将显而易见的是，未在本文中明确描述或示出的根据本教导的其他实施例也在所附权利要求的范围内。此外，省略对公知装置和方法的描述，而不是模糊示例性实施例的描述。这些方法及装置显然是在本教导的范围之内，本领域的普通技术人员能够理解这些方法及装置。还应该理解的是，这里使用的词语“例”，旨在本质上是非排他性的和非限制性的。更具体地说，这里使用的“代表性”这个词表示几个示例中的一个，并且必须理解，没有过度强调或偏好针对正在描述的特定示例。还应该理解的是，这里使用的词语“代表性”在本质上是非排他性的和非限制性的。
这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不是在限制。所定义的术语是在相关背景下通常理解和接受的定义术语的技术，科学或普通含义之外。
除非上下文另有明确规定，否则术语“一”，“一个”和“该”包括单数和复数指示物。因此，例如，“一个组件”包括一个组件和多个组件。术语“实质”或“实质上”是指在本领域技术人员可接受的可接受的限度或程度内。例如，术语“基本上平行于”意味着由于制造结构或装置的过程中的公差或缺陷，结构或装置可能不能完美地平行于某一其它结构或装置。术语“大约”或“约”是指在本领域普通技术人员可接受的限度或量内。诸如“在...之上”，“在...下面”，“顶部”，“底部”，“上部”和“下部”的相对术语可以用于描述各个元件在相应附图中的彼此的关系。除了附图中描述的方位之外，这些相对术语旨在包含装置和/或元件的不同方位。例如，如果装置相对于附图中的视图是倒置的，则例如被描述为在另一元件“之上”的元件在这种情况下将低于该元件。在第一设备被描述成连接或耦合到第二设备的情况下，这包括可以采用一个或多个中间设备来将两个设备彼此连接的示例。相反，在第一装置被描述为直接连接或直接耦合到第二装置的情况下，该示例的两个装置连接在一起而没有除连接器之外的任何中间装置(例如，粘合材料，机械紧固件等)。
图1显示的是具有代表性的实施例的光耦合***100的一部分的侧视图，所述光耦合***100包括平坦的全反射面101，所述平坦的全反射面101上设有若干扰动部102。这里使用的术语“全反射”表示当在光耦合***中传播的光束相对于光耦合***的表面的法线以大于特定临界角的角度入射在所述表面上时发生的现象，其中表面的另一侧的介质具有比制造表面的材料更低的折射率，从而使得基本上所有的光束从所述表面反射。这里使用的术语“全反射面”表示充当全反射反射器或透镜的表面，使得基本上全部以大于临界角的角度入射到全反射面上的光束经过全反射面并反射离开全反射面。这里使用的术语“平坦的全反射面”表示没有曲率或者基本没有曲率的全反射面。
所述光耦合***100将激光光源104发射出来的激光光束光耦合到光纤106的端面105。下面将结合图2进行更详细的描述，各扰动部102包括预先选择的预选的宽度及预选的高度，以对入射到平坦的全反射面101上的激光光束起到局部折射效应。
所述激光光源104可以是例如垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)或边缘发射激光二极管，但是本发明的原理和构思不限于使用任何特定类型的光源。为了示例的目的，将假设光源是激光光源。
激光光源驱动电路110在其输入端接收数据信号并将输入信号转换成驱动激光光源104的调制的电流或电压信号，使得激光光源104发出调制的光信号107。本发明的原理和概念也不限于用于此目的的激光光源驱动电路110或者关于用于调制激光束以产生调制的光信号107的调制方法。根据该代表性的实施例，调制的光信号107是被光耦合***100的准直透镜108准直为准直的激光光束103的发散光信号。所述设有若干扰动部102的平坦的全反射面101在下文中被称为“扰动的平坦的全反射面101”，接收准直的或几乎准直的激光光束103，并通过预选的非零度转向或反射，在本示例中，所述角度为90度。
如图1所示，所述光耦合***100通过X，Y，Z笛卡尔坐标系展示。所述准直的激光光束103在入射到扰动的平坦全反射面101之前，所述准直的激光光束103在离开激光光源104朝向扰动的平坦的全反射面101的X方向上传播。在该代表性实施例中，扰动的平坦的全反射面101将所述准直的激光光束103转向90度，并且导向所述准直的激光光束103在Z方向上朝向光纤106的端面105。应该注意的是，本发明的原理和概念不受扰动的平坦的全反射面101变光的角度的限制。所述光耦合***100包括聚焦透镜109用以接收沿Z方向传播的所述准直的激光光束103，并将准直的激光光束103耦合到所属光纤106的端面105上。
所述扰动的平坦的全反射面101上的各扰动部102接受一部分所述准直的激光光束103，并对其进行局部操作以改变所述准直的激光光束103的相应部分在光纤106的端面105上的耦合位置。下面将会进一步详细描述，所述扰动的平坦的全反射面101在各扰动部102的两侧均设有平坦的表面部。由每个扰动部102反射的准直的激光光束103的部分与所述端面105耦合是不同于由设置在相应各扰动部102两侧的平坦的表面部反射的准直的激光光束103的部分与所述端面105耦合。所述平坦的表面部与所述扰动部102将所述准直的激光光束103相应的部分耦合到所述端面105的差异的综合效应，导致在所述光纤106的端面105上的聚焦的激光束的形状不同于所述平坦的全反射面101没有所述扰动部102时在该位置形成的激光束的形状。
例如，不同于将所述准直的激光光束103以小圆盘耦合到所述端面105，所述准直的激光光束103在所述端面105上像彼此相邻或彼此部分重叠的多个光束形状的复合的光束形状耦合到所述端面105。所述复合的光束形状导致较少的光从所述端面105返回到所述激光光源104，并可通过提升激光光束103的模式与光纤106的模式模式匹配改善前向光耦合。下面将会进一步进行描述，所述复合的光束形状导致被调整成可以保证激光光束的模式匹配光纤106的模式以改善前向光耦合。
图2显示的是图1中所示的设有扰动部的平坦的全反射面101的标号为111的虚线圆圈部分的横截面侧视图。所述扰动的平坦的全反射面101上的扰动部102通过平坦的全反射面101的平坦部112彼此分开。所述扰动部的平坦的全反射面101包括内侧113及外侧114。所述扰动的平坦的全反射面101的材料优选地是塑料光学材料，例如ULTEMTM聚醚酰亚胺，其对于使用它的光通信设备(未示出)的光的工作波长是透明的。ULTEMTM聚醚酰亚胺是沙特***的沙特***基础工业公司(SABIC)的产品。下面将会进一步进行描述，所述扰动部的平坦的全反射面101一般是通过塑料模制工艺形成。通常，扰动部的平坦的全反射面101是光耦合***100的一体的部分，所述光耦合***100是整体地形成为一体式部件，例如所述扰动部的平坦的全反射面101或其他光学组件或特征是一体形成在所述光耦合***100里面。
根根据这个代表性实施例，所述扰动部的平坦的全反射面101是周期性结构，所述所有的扰动部102具有相同的高度H1，相同的宽度W1，所述所有的平坦部112具有相同的宽度W2。但在其他实施例中，所述扰动部102可以具有不同的宽度及高度，用以将所述扰动部102彼此间隔开的所述平坦部112可以具有不同的宽度。所述各扰动部102的宽度W1是相对于在所述扰动的平坦的全反射面101上操作的激光光束朝侧向或横向延伸。所述扰动部102可以以1乘N阵列，2乘N阵列或M乘N阵列排列，其中M和N是大于或等于2的正整数，并且其中M和N可以相等或不相等。
所述扰动部102的高度H1是相对于平坦部112沿垂直于外侧114的方向，所述高度H1的范围是从0到10λ，所述λ是使用所述光耦合***100的光通信设备(未示出)的光在空气中的工作波长。所述扰动部102在平行于所述外侧114的方向上的宽度W1的范围是60λ到400λ。所述扰动部102的这个尺寸范围可以确保它们可以提供折射效应，并且确保它们足够大而不会提供任何衍射效应。所述扰动部102的宽度需要与λ相当(即从λ的几分之几到约10λ)才能够提供衍射效应。因为所述扰动部102的宽度W1范围在大约60λ到400λ的范围内，所以所述扰动部102被设计成提供折射效应而不是衍射效应，即衍射效应不存在或可忽略。
下面将会参照图5-7更详细地描述，所述各扰动部102将作为全反射透镜来改被反射光束相应部分的聚焦位置，所述焦点位置的改变是相比于如果所述扰动部102被所述平坦部112代替。因此，平坦部112反射光束的聚焦位置在与扰动部102反射光束的聚焦位置不同。与没有扰动部102的情况下形成的轮廓相比，具有扰动部102的结果是将会形成复合的光束形状或轮廓。所述复合的光束形状将会减少背向反射回光源，并且还实现了所述激光光源104产生的激光的模式与所述激光耦合的光纤106的模式之间一定水平的模式匹配，由此提高了前向耦合效率并降低了相对强度噪声。
所述扰动部102如下减少背向反射。背向反射的光再次通过所述扰动的平坦的全反射面101,这将使得到达所述激光光源104的改变后的复合的光束最小化。如果有的话，光将耦合到激光光源104的主动区域中，从而减小了相对强度噪声。通常背向反射的光通过所述扰动部102是不同于相同的光前向传输时通过相同的扰动部102。这将会增加到达所述激光光源104的复合的光束形状的复杂性，从而进一步减少了耦合到所述激光光源104的背向反射光的量。
通常，所述扰动部102使得在靠近反射光聚焦的平面的平面上形成复合的光束形状。所述复合的光束形状形成的平面时所述光纤106的端面105所在的相同的平面。换句话说，所述复合的光束形状入射在所述光纤106的端面105上。所述扰动的平坦的全反射面101具有预定的结构，其被设计成可在所述光纤106的端面105处形成所述复合的光束形状。为了说明所述复合的光束形状，可参考图3-7所示比较典型的光束形状和示例的复合的光束形状。
这里使用的术语“复合的光束形状”表示其至少是由两个光束部分在预定的平面上全部或者部分相互靠近或者相互重叠形成的光束形状，所述复合的光束形状不同于各自光束部分的形状。每个所述扰动部102对入射在所述扰动的平坦的全反射面101上的光束的一部分具有局部折射效应，以形成相应的光束部分。所述扰动部102的形状，尺寸和位置使得所有局部折射效应形成一个预定的聚集折射效应，从而在预定平面处形成复合光束形状。
图3显示的是经过现有光耦合***(未显示)的现有聚焦透镜(未显示)，在一个平面132上形成的一个光束形状131的前视图。图4显示的是图3所示的光束形状131在所述光纤(未显示)的端面所在平面上接近聚焦时形成的形状的前视图。在图3及图4中所显示的光束形状131是原盘形，这是在典型的光发射设备(未示出)中发射到光纤的端面上的光束的典型光束形状。
在典型的现有光通信***中，所述光纤的端面所在的平面通常是平行于所述光束聚焦的平面，但不与该聚焦的平面共面。所述光纤的端面所在的平面通常比光束聚焦的平面更远离所述光耦合***。由于图3中所示的光束形状131处于焦点而图4中所示的光束形状131已经通过了其焦点，因此，图3中所示的光束形状131的直径D1小于图4中所示的光束形状131的直径D2。所述光纤的端面一般但不是必须与图4中的平面133共面，因为具有直径D2的光束形状131相比于图3所示的具有直径D1的光束形状131将光耦合到光纤的更多光模式。
图5显示的是一个扰动的平坦的全反射面141的平面图，所述扰动的平坦的全反射面141包括一个2x2阵列的图1和图2中具有代表性的实施例显示的扰动部102，所述各扰动部102是小双锥透镜。所述阵列中的每个虚线框143-146在其中心具有相应的一个双锥透镜。在这个示例中，各虚线框143-146中的较长的箭头152-155表示相应的双锥透镜的第一曲率，所述较短的箭头156-159表示相应的双锥透镜的第二曲率，所述第二曲率小于所述第一曲率。所述扰动的平坦的全反射面141在焦点及靠近焦点处形成的复合光束形状将结合图6及7进行描述。
图6显示的是一个复合的光束形状161的前视图，所述复合的光束形状161是图5中显示的虚线框143-146中的双锥透镜聚形成的四个光束部分163-166在一个平面162上聚焦形成的。为简单起见，图6仅示出了每个光束部分163-166的边界，并没有示出在各个光束部分163-166上的光的实际强度变化。而且，简化了光束部分163-166的边缘，所述边缘可能由于所述光束沿着稍微不同的光路传播的相干性质以及在平面162处干涉。在实际应用中，由于这些干扰，聚集的光束轮廓将更加复杂。所述复合光束形状161的光束部分163，165分别对应于由虚线框144，145d的中心的双锥透镜在焦点处形成的各个光束部分的完全重叠。所述复合光束形状161的光束部分164，166分别对应于由虚线框143，146的中心的双锥透镜在焦点处形成的各个光束部分的完全重叠。
图7显示的是一个复合的光束形状171的前视图，所述复合的光束形状171是经过图5中虚线框143-146中的双锥透镜形成的四个光束部分在在一个平面172上接近聚焦形成的。所述平面172相比于图6中所显示的的平面162在Z方向(垂直于包含图6及7的绘图页面)上更加靠近或更加远离图5中显示的所述扰动的平坦的全反射面141。在这种情况下，例如，各所述扰动部都是一个凹面双锥透镜，所述平面172相比于图6中显示的沿Z方向的平面162更加远离图5中显示的所述扰动的平坦的全反射面141。所述光束部分163，164，165，166包括所述复合光束形状171对应于由虚线框143-146的中心的双锥透镜在靠近焦点处形成的光束部分163-166的部分重叠。因为所述双锥透镜在所述扰动的平坦的全反射面141中处于不同的位置，所述相应的光束部分163-166形成在靠近焦点的平面172的不同位置。
理想情况下，入射到光纤的端面上的光束形状具有光纤的所有光模式的空间和角度分布，以实现最佳的前向光耦合。但是，在典型的光耦合***中是很难实现的。图6及7中分别示出的复合光束形状161，171被预设成在光纤端面处具有空间和角度分布以足够匹配所述光线的光模式，从而实现对模式分区噪声不太敏感的良好的前向光耦合。因此，扰动的平坦的全反射面101上的扰动部102(图1及2)的尺寸，形状和空间分布被预选成在可在预选平面处获得复合的光束形状，所述预选平面是与所述光纤的端面共面或基本上共面，并且所述预选平面是处于或靠近焦点以匹配光纤光模式的空间分布和角度分布，从而实现良好的前向光耦合。
此外，从所述光纤的端面背向反射的任何光束包括所述复合的光束形状171穿过所述扰动的平坦的全反射面101上的特征包括所述扰动部102。背向反射的光束的每个部分在穿过所述扰动的平坦的全反射面101时将经历不同的折射效应，导致到达所述激光光源104的最后光束将具有更复杂的图案。此外，由于光纤的端面不在前向光束的焦点处，所以这种复合光束的尺寸将会很大。所以，背向反射的光束将不会在所述激光光源104的孔处聚焦。这些折射效应的组合将显著减少背向耦合到激光光源104的孔或主动区域中的光量。背向反射到孔的光量的显着减少使得相对强度噪声的显着降低。从而，根据本发明的原理和概念，所述扰动的平坦的全反射面101可以设计成使前向耦合的光束对光纤模式的模式匹配最大化同时使背向反射到激光光源104的最小化。
在大多数实施例中，所述扰动的平坦的全反射面101(图1及2)上的所述扰动部102(图1及2)的尺寸、形状及空间分布被预选成可以在靠近但不在焦点且与光纤的端面共面的预选平面上获得复合的光束形状以匹配光纤光模式的空间和角度分布，从而实现好的前向光耦合并减少背向反射和相对强度噪声。例如，图7所示的靠近焦点的复合光束形状171相比于图6所示的复合光束形状具有更复杂的空间分布。在靠近焦点的更复杂的复合光束形状171比在焦点处不太复杂的复合光束形状161可以激发更多的光纤光模式。但是，需要指出的是，本发明的原理和概念并不限于预选平面的位置是否处于焦点，靠近焦点或其它位置。
在一些实施例中，除了在焦点或靠近焦点的位置处产生复合的光束形状之外，所述扰动部102被设计在光学路径延伸穿过所述扰动的平坦的全反射面101的部分局部破坏所述扰动的平坦的全反射面101的全反射效应，以允许入射到所述扰动的平坦的全反射面101上的一部分激光泄漏通过它，从而使所述准直的激光光束103衰减。衰减所述准直的激光光束103实现沿前向光学路径的L分贝(dB)的光学损耗，使得从光纤的端面105反射回到激光光源104的光中产生2L分贝的光学损耗。因此，虽然光纤的端面105处的复合光束形状在一定程度上减少了到达激光光源104上的背向反射，但设计所述扰动部102以局部地破坏所述光路穿过所述扰动的平坦的全反射面101的一部分区域的全反射效应，将进一步减少到达激光光源104上的背向反射。
虽然所述光耦合***100是包含扰动的平坦的全反射面101的示例结构，但所述并不限制于包含他的光耦合***的结构和配置。例如，虽然图1显示的所述光耦合***100配置有准直透镜108以将发散的激光光束107转换成准直的激光光束103，以耦合到所述扰动的平坦的全反射面101，但所述扰动的平坦的全反射面101可以处理未准直的光束，如发散的或汇聚的光束，只要该等光束入射在所述扰动的平坦的全反射面101的角度范围符合前面提到的满足全反射的条件。
再次参考图1及图2所示，制造所述扰动的平坦的全反射面101一般采用与制造现有的塑料透镜相同的已知的塑料模制工艺。所述扰动部102的尺寸足够大，使得它们可以通过已知的塑料模制工艺精确地形成。具有衍射或全息元件的衍射或全息表面经常被使用来以某种方式将激光光源发出的光耦合到光纤的端面上，该种方式试图将耦合光束的空间及角度分布匹配到光纤的多种光模式。然而，因为衍射或全息元件的宽度必须与工作波长相当，所以这些元件通常太小而不能用已知的塑料成型工艺形成。这种衍射或全息表面通常使用玻璃蚀刻技术或光刻技术作为替代来形成，但这些技术比较昂贵。
相反，因为所述扰动部102比衍射或全息元件大，所以所述扰动的平坦的全反射面101可以在制造整个光耦合***100时使用已知的塑料模制成型工艺形成。这种已知的模制工艺比较便宜。如上所述，所述模制工艺可以使得所述扰动部102具有相对于所述扰动的平坦的全反射面101的平坦部112的高度H1的范围在0到大约10λ，所述扰动部102具有的宽度W1的范围在60λ到400λ。因此，所述扰动部102由于尺寸足够大而不会对入射光束产生衍射效应，而是会对所述入射光束产生折射效应。换句话说，所述各扰动部102对入射光束的相应部分产生局部折射效应，所有所述扰动部102对入射光束产生的折射效应的聚集将形成前面提到的在所述光纤106的端面105上形成的预定的复合光束形状，所述预定的复合光束形状可以减少进入所述激光光源104的背向反射以及可以通过高效的模式匹配来改善前向光耦合。
前面所述的通过扰动的平坦的全反射面上的扰动部形成聚集折射效应，可以在光耦合***中的任意的遇到光耦合***的光路的平坦的表面上形成他们来实现，下面将会结合图8及9进行描述。
图8显示的是一个具有代表性的实施例的光耦合***200的一部分的侧视图，所述光耦合***200包括平坦的表面201，所述平坦的表面201在所述光耦合***200的空气到材料界面203上，所述平坦的表面201的外侧设有若干扰动部202。这里的所述外侧201a设有所述扰动部202的平坦的表面201在下文中将称“扰动的平坦的表面201”。根据这个代表性的实施例，所述光耦合***200包括第一、第二及第三光耦合***部分204，205，206。所述光耦合***200将激光光源208发射出的激光光束207耦合到光纤211的端面209。
所述第一光耦合***部分204包括一体成型在其一端的准直透镜212，所述准直透镜212准直所述激光光束207，并将准直后的激光光束207导向平坦的全反射面214。在所述空气到材料界面203上，所述扰动部202像前面参考图1-7所描述折射方式操作所述准直后的激光光束207，以形成前面定义过的具有复合光束形状的激光光束216。所述具有复合光束形状的激光光束216将入射到所述平坦的全反射面214上，所述平坦的全反射面214以非零度(本实施例中是90度)改变所述激光光束216的传输方向，并将所述激光光束216导向所述光纤211的端面209。应当指出的是，根据这个代表性的实施例，所述平坦的全反射面214可以替换成可以反射所述激光光束216的工作波长的反射器(例如，反射涂层)。根据这个代表性实施例，所述第三光耦合***部分206包括一个聚焦透镜217，所述聚焦透镜217可以将所述激光光束216汇聚到焦点，所述焦点位于所述所述端面209或在所述端面209的前面(即在所述光纤211的外面)。
所述扰动部202可以但不一定与图1及2中所示的扰动部102的形状和尺寸相似。与图1及2中显示的扰动部102相同，图8中所示的扰动部202可以以1乘N阵列，2乘N阵列或M乘N阵列排列，所述M和N是大于或等于2的正整数，并且其中M和N可以彼此相等也可以不相等。在所述空气到材料界面203上，所述各扰动部202接收所述准直的激光光束207的一部分，并且对其进行局部操作以改变所述准直的激光束207的相应部分在光纤211的端面209上的耦合位置。如以上参照图1及2所述，在每个所述扰动部202的两侧上都设有平坦的表面部。被各所述扰动部202折射的所述准直的激光光束207的相应部分在所述端面209上的耦合不同于被相应的所述扰动部202的两侧的平坦的表面部折射的准直的激光光束207的相应的部分。所述平坦的表面部与所述扰动部202耦合所述准直的激光光束216的相应部分到所述端面的差异的聚集效应，使得所述激光光束在所述端面209或在所述端面209的前面的形状不同于仅有所述平坦的表面201而不具有所述扰动部202时形成的形状。
图9显示的是一个具有代表性的实施例的光耦合***300的一部分的侧视图，所述光耦合***300包括平坦的表面301，所述平坦的表面301在光耦合***的材料到空气界面上，所述平坦的表面301的外侧301a上设有若干扰动部302。这里的所述外侧301a设有所述扰动部302的平坦的表面301在下文中将称“扰动的平坦的表面301”。根据这个代表性的实施例，所述光耦合***300包括第一、第二及第三光耦合***部分304，305，306。所述光耦合***300将激光光源308发射出的激光光束307耦合到光纤311的端面309。
所述第一光耦合***部分304包括一体成型在其一端的准直透镜312，所述准直透镜312准直所述激光光束307，并将准直后的激光光束307导向平坦的全反射面314。在所述材料到空气界面303上，所述扰动部302像前面参考图1-8所描述折射方式操作所述准直后的激光光束307，以形成前面定义过的具有复合光束形状的激光光束316。所述具有复合光束形状的激光光束316将入射到所述平坦的全反射面314上，所述平坦的全反射面314以非零度(本实施例中是90度)改变所述激光光束316的传输方向，并将所述激光光束316导向所述光纤311的端面309。应当指出的是，与图8中所示的实施例一样，图9中所述的所述平坦的全反射面314可以替换成可以反射所述激光光束316的工作波长的反射器(例如，反射涂层)。根据这个代表性实施例，所述第三光耦合***部分306包括一个聚焦透镜317，所述聚焦透镜317可以将所述激光光束316汇聚到焦点，所述焦点位于所述所述端面309或在所述端面309的前面(即在所述光纤311的外面)。
所述扰动部302可以但不一定与图1及2中所示的扰动部102的形状和尺寸相似。与图1及2中显示的扰动部102相同，图9中所示的扰动部302可以以1乘N阵列，2乘N阵列或M乘N阵列排列。在所述材料到空气界面303上，所述各扰动部302接收所述准直的激光光束307的一部分，并且对其进行局部操作以改变所述准直的激光束307的相应部分在光纤311的端面309上的耦合位置。如以上参照图1及2所述，在每个所述扰动部302的两侧上都设有平坦的表面部。被各所述扰动部302折射的所述准直的激光光束307的相应部分在所述端面309上的耦合不同于被相应的所述扰动部302的两侧的平坦的表面部折射的准直的激光光束307的相应的部分。所述平坦的表面部与所述扰动部302耦合所述准直的激光光束316的相应部分到所述端面的差异的聚集效应，使得所述激光光束在所述端面309或在所述端面309的前面的形状不同于仅有所述平坦的表面301而不具有所述扰动部302时形成的形状。
图10显示的是一个复合的光束形状401的前视图，所述复合的光束形状401是经过图9中显示的所述扰动部302形成的四个光束部分402-405形成的，所述扰动部形成在图9中具有代表性的实施例的材料到空气界面303上的平坦的表面301的外侧301a。在图10所示的代表性实施例中，所述扰动部是双锥透镜，使得所述光束部分402-405在一个平面407上聚焦或非常接近聚焦。所述光束部分402-405与图6中所示的光束部分163-166非常相似。
图11显示的是一个复合的光束形状411的前视图，所述复合的光束形状411是通过图10中所示的四个光束部分402-405在一个预选的平面412上接近聚焦形成的。在所述预选的平面412上，所述四个光束部分402-405相比于在平面407上更加远离焦点。在本实施例中，所述预选的平面412位于所述光纤311的端面309的前方，即位于所述端面309与所述聚焦透镜317之间。在所述预选的平面412中，所述光束部分402，404仅部分彼此重叠，所述光束部分403，405仅部分彼此重叠。这种部分重叠与图7中所示的类似。因为对应于所述扰动部302的双锥透镜在所述平坦的表面301中处于不同的空间位置，所以各个光束部分402-405形成在靠近焦点位置的平面412中的不同位置处。得到的复合光束形411被预选成在所述光纤的端面具有的空间及角度的分布可以足够匹配所述光纤311的光模式，以实现好的前向光耦合同时减少进入到所述激光光源308的背向反射，从而降低了相对强度噪声。因此，平坦的表面301上的扰动部302的尺寸，形状和空间布置被预选成可以在预选的平面上获得复合的光束形状，以匹配所述光纤光模式的空间和角度分布，从而减少背向反射进而减少相对强度噪声。
需要注意的是，已经参考几个代表性实施例描述了本发明的原理和概念。例如，虽然代表性实施例分别描述了在焦点处或焦点附近的预选平面处形成的特定的复合光束形状161，171，401，411，但是本发明的原理和构思不限于这些特定的复杂光束形状。本领域的普通技术人员根据在此提供的描述将理解该方法，该方法是通过设计和制造扰动的平坦的表面，几乎可以实现任何期望的复合光束形状以量身打造地匹配使用扰动的平坦的表面的光纤的光模式的角度和空间分布。因此，本发明的原理和概念不限于代表性实施例，还应包括本领域的普通技术人员根据本文提供的描述后所理解的。本领域的普通技术人员将会理解，可以对这里描述的实施例进行修改，并且所有这些修改都应在本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种光耦合***，其用于在光通信模组中耦合光源与光波导的端面之间的光，所述光耦合***包括沿光耦合***的光路设置的平坦的表面及若干扰动部，所述平坦的表面包括内侧及外侧，光源发出的光束在所述光路以第一方向传输并入射到所述平坦的表面的所述内侧，所述扰动部设置在所述平坦的表面的所述外侧，所述各扰动部具有局部矢状轮廓，可对入射到所述平坦的表面上的所述光束的一部分起到局部折射效应，以在预选的平面上形成相应的光束部分，其特征在于：所述扰动部的形状、尺寸及位置的设置形成一个预定的聚集折射效应，使得所有的所述光束部分在所述预选的平面上部分或全部重叠而形成一个复合的光束形状，所述复合的光束形状不同于各相应的光束部分的形状，所述复合的光束形状被预选成将所述光源发出的所述光束的一个或多个光模式与所述光波导的一个或多个光模式匹配,所述复合的光束形状还被预选成可以减少从所述光波导的端面进入所述光源的背向反射。
2.如权利要求1所述的光耦合***，其特征在于：所述扰动部在所述平面的所述外侧以M乘N的阵列排列，所述M和N是大于或等于2的正整数。
3.如权利要求1所述的光耦合***，其特征在于：各所述扰动部在横向于第一方向的第二方向上具有预选的宽度，所述预选的宽度足够大到而使得所述扰动部对入射到所述平坦的表面上的所述光束没有衍射效应。
4.如权利要求3所述的光耦合***，其特征在于：所述光耦合***所应用的光通信模组的工作波长是λ，所述预选的宽度的范围是60λ到400λ。
5.如权利要求4所述的光耦合***，其特征在于：各所述扰动部具有预选的最大高度，所述预选的最大高度等于从所述平坦的表面的所述外侧沿垂直于所述外侧的第三方向的距离，所述预选的最大高度的范围是0到10λ。
6.如权利要求5所述的光耦合***，其特征在于：所述光耦合***形成一个单一的模塑成型的零件，所述平坦的表面一体成型在该零件上。
7.如权利要求6所述的光耦合***，其特征在于：所有所述扰动部的预选的宽度相等，各相邻的所述扰动部之间均间隔有平面部，所有所述平面部在所述第二方向上的宽度相等。
8.如权利要求7所述的光耦合***，其特征在于：所有所述扰动部的预选的最大高度相等。
9.如权利要求8所述的光耦合***，其特征在于：所述扰动部仅在所述平坦的表面的所述外侧与所述光路交叉的位置处延伸。
10.如权利要求6所述的光耦合***，其特征在于：至少一部分所述扰动部的预选的宽度不相等，各相邻的扰动部之间均间隔有平面部，至少一部分所述平面部在所述第二方向上的宽度不相等。
11.如权利要求10所述的光耦合***，其特征在于：至少一部分所述扰动部的预选的最大高度不相等。
12.如权利要求1所述的光耦合***，其特征在于：所述各局部矢状轮廓在两个相互正交的方向上变化。
13.如权利要求1所述的光耦合***，其特征在于：所述平坦的表面包括光耦合***的空气到材料的界面，使得所述平坦的表面的所述外侧与空气接触，所述平坦的表面的所述内侧包括所述光耦合***在材料的里面，在所述光路中沿所述第一方向传输的所述光束从空气中在所述空气到材料的界面进入所述材料。
14.如权利要求1所述的光耦合***，其特征在于：所述平坦的表面包括光耦合***的材料到空气的界面，使得所述平坦的表面的所述外侧与空气接触，所述平坦的表面的所述内侧包括所述光耦合***在材料的里面，在所述光路中沿所述第一方向传输的所述光束在所述材料到空气的界面穿过所述材料进入空气。
15.如权利要求1所述的光耦合***，其特征在于：所述平坦的表面包括平坦的全反射面，在所述光路中沿所述第一方向传输的光束入射在所述平坦的全反射面的所述内侧后，被所述平坦的全反射面反射到与第一方向呈非零度角的第二方向。
16.一种光耦合方法，其用于将光源产生的光束发射到光波导的端面，所述光耦合方法包括：
光源，所述光源用以产生光束；及
光耦合***，所述光耦合***接收所述光束并导引所述光束在所述光耦合***的光路中沿第一方向传输，并使所述光束入射在光耦合***的平坦的表面上，所述平坦的表面的外侧上设有若干扰动部，各所述扰动部具有局部矢状轮廓，可对入射到平坦的表面上的光束的一部分起到局部折射效应以在一预选的平面上形成相应的光束部分，其特征在于：
所述扰动部的形状、尺寸及位置的设置形成一个预定的聚集折射效应，使得所有的所述光束部分在所述预选的平面上部分或全部重叠而形成一个复合的光束形状，所述复合的光束形状不同于各相应的光束部分的形状，所述复合的光束形状被预选成将所述光源发出的所述光束的一个或多个光模式与所述光波导的一个或多个光模式匹配,所述复合的光束形状还被预选成可以减少从所述光波导的端面进入所述光源的背向反射。
17.如权利要求16所述的光耦合方法，其特征在于：所述各扰动部在横向于第一方向的第二方向上具有预选的宽度，所述光耦合***所应用的光通信模组的工作波长是λ，所述预选的宽度的范围是60λ到400λ。
18.如权利要求17所述的光耦合方法，其特征在于：各所述扰动部具有预选的最大高度，所述预选的最大高度等于从所述平坦的表面的所述外侧沿垂直于所述外侧的方向的距离，所述预选的最大高度的范围是0到10λ。
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