CN110716268A - 基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，该组件中：多个VCSEL被配置用于产生多个不同波长的光信号；多个光电二极管（PD）被配置用于接收VCSEL发射的光信号；两个聚焦透镜阵列或透镜阵列组元件被配置用于发射端（Tx端）和接收端（Rx端）的光信号准直和聚焦；两个Z‑block型棱镜被配置用于光学组件Tx端的合光（MUX）功能和Rx端的分光（DEMUX）功能；一根MMF被配置用于传输VCSEL产生的光信号；两个聚焦透镜被配置用于MMF两端光信号的准直和聚焦,本发明方案的实施结构具有尺寸小，传输速率高，成本低，传输距离长，长度可调等优点，商用前景广阔。

Description

基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件
技术领域
本发明涉及通讯光学及数据传输领域，尤其是涉及基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其可用于近中程高清晰度多媒体接口（HDMI）器件中实现短波波分复用（SWDM）功能。
背景技术
高清晰度多媒体接口（HDMI）技术是光通信中广泛运用的数据快速传输技术。目前HDMI器件的传输距离较短，传输速率较小，且不能根据实际安装需求任意调节HDMI器件的长度，已逐渐不能满足现现在大数据（≥ 4 K）传输的要求。
本专利基于短波长VCSEL激光信号光源和光纤传输技术，衍生出一种新型有源光学组件，该组件可以实现长距离的数据信号高速传输且能够根据实际安装需求任意调节数据线长度。
发明内容
针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种成本低、尺寸小、传输速率搞且可实现近中程HDMI器件中的SWDM功能的基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件。
为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其包括发射端、接收端和一根多模光纤；
所述的发射端包括依序设置的多个VCSEL、第一聚焦透镜阵列、第一Z-block型棱镜和第一聚焦透镜，所述第一Z-block型棱镜具有多个入射面和一出射端，所述的第一聚焦透镜与第一Z-block型棱镜的出射端相对；
所述的接收端包括依序设置的多个光电二极管、第二聚焦透镜阵列、第二Z-block型棱镜和第二聚焦透镜，所述的第二Z-block型棱镜具有多个出射面和一入射端，所述的第二聚焦透镜与第二Z-block型棱镜的入射端相对；
所述一根多模光纤的其中一端与第一聚焦透镜相对，其另一端与第二聚焦透镜相对；
其中，
所述多个VCSEL被配置用于产生多个不同波长的光信号；
所述多个光电二极管（PD）被配置用于接收VCSEL发射的光信号；
所述第一聚焦透镜阵列和第二聚焦透镜阵列被配置用于发射端（Tx端）和接收端（Rx端）的光信号准直和聚焦；
所述的第一Z-block型棱镜和第二Z-block型棱镜被配置用于光学组件发射端（Tx端）的合光（MUX）功能和接收端（Rx端）的分光（DEMUX）功能；
所述的多模光纤（MMF）被配置用于传输VCSEL产生的光信号。
另外，输出端和输入端还可以各通过一壳体进行封装。
当发射端的多个VCSEL将激光信号射入第一聚焦透镜阵列后，由第一聚焦透镜阵列将光信号聚焦并对应射入第一Z-block型棱镜的多个入射面，然后由第一Z-block型棱镜的出射端将接受到的光信号射出至第一聚焦透镜，使第一聚焦透镜将光信号输入多模光纤的一端，由多模光纤将光信号输送至其另一端且射出至第二聚焦透镜，第二聚焦透镜再将光信号射入第二Z-block型棱镜的入射端，再由第二Z-block型棱镜将信号光从其多个出射面对应射入到第二聚焦透镜阵列中，令第二聚焦透镜阵列将光信号聚焦到与其相对的多个光电二极管上。
进一步，所述接收端的多个光电二极管为并列设置且其一端还设有用于发送反馈信号的VCSEL，所述第二聚焦透镜阵列的聚焦透镜与接收端的光电二极管和VCSEL一一对应，所述第二Z-block型棱镜具有的多个出射面与接收端的光电二极管和VCSEL一一对应；所述发射端的多个VCSEL为并列设置且其一端还设有用于接收反馈信号的光电二极管，所述第一聚焦透镜阵列的聚焦透镜与发射端端的VCSEL和光电二极管一一对应，所述第一Z-block型棱镜具有的多个入射面与发射端的VCSEL和光电二极管一一对应。
优选的，所述的发射端具有3～14个VCSEL和至少一个光电二极管；所述的接收端具有3～14个发光二极管和至少一个VCSEL。
优选的，所述接收端或发射端的相邻VCSEL之间或相邻光电二极管之间或VCSEL与光电二极管之间的排布间距为0.25～1 mm。
优选的，所述发射端的第一聚焦透镜阵列和接收端的第二聚焦透镜阵列均为球面透镜或非球面透镜。
优选的，所述发射端的第一Z-block型棱镜和接收端的第二Z-block型棱镜的厚度均为0.2～3 mm，其与多模光纤的端部、VCSEL的发射端或PD的接收端呈6°～45°的角度倾斜设置。
优选的，所述的多模光纤为透明光纤，且其纤芯的芯径尺寸不小于0.03 mm。
优选的，所述的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜均为注塑、模压或光刻一体成型的球面透镜或非球面透镜。
如上的一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件的应用，将其用于高清晰度多媒体接口器件中。
一种短波波段有源光学组件，其包括上述的基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其工作波长为600～1000 nm,波长通道间隔为20～100 nm。
采用上述的技术方案，本发明具有的有益效果为：本发明采用多通道短波波段激光和单根多模光纤进行数据传输，具有尺寸小，传输速率高，成本低，传输距离长，长度可调等优点，商用前景广阔。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述：
图1为本发明实施例1的简要实施结构示意图；
图2为本发明实施例1的发射端的简要结构示意图；
图3为本发明实施例1的接收端的简要结构示意图；
图4为本发明实施例1的发射端和接收端的Z-block型棱镜胶合件的简要示意。
具体实施方式
一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其包括发射端、接收端和一根多模光纤；
所述的发射端包括依序设置的多个VCSEL、第一聚焦透镜阵列、第一Z-block型棱镜和第一聚焦透镜，所述第一Z-block型棱镜具有多个入射面和一出射端，所述的第一聚焦透镜与第一Z-block型棱镜的出射端相对；
所述的接收端包括依序设置的多个光电二极管、第二聚焦透镜阵列、第二Z-block型棱镜和第二聚焦透镜，所述的第二Z-block型棱镜具有多个出射面和一入射端，所述的第二聚焦透镜与第二Z-block型棱镜的入射端相对；
所述一根多模光纤的其中一端与第一聚焦透镜相对，其另一端与第二聚焦透镜相对；
其中，
所述多个VCSEL被配置用于产生多个不同波长的光信号；
所述多个光电二极管（PD）被配置用于接收VCSEL发射的光信号；
所述第一聚焦透镜阵列和第二聚焦透镜阵列被配置用于发射端（Tx端）和接收端（Rx端）的光信号准直和聚焦；
所述的第一Z-block型棱镜和第二Z-block型棱镜被配置用于光学组件发射端（Tx端）的合光（MUX）功能和接收端（Rx端）的分光（DEMUX）功能；
所述的多模光纤（MMF）被配置用于传输VCSEL产生的光信号。
另外，输出端和输入端还可以各通过一壳体进行封装。
当发射端的多个VCSEL将激光信号射入第一聚焦透镜阵列后，由第一聚焦透镜阵列将光信号聚焦并对应射入第一Z-block型棱镜的多个入射面，然后由第一Z-block型棱镜的出射端将接受到的光信号射出至第一聚焦透镜，使第一聚焦透镜将光信号输入多模光纤的一端，由多模光纤将光信号输送至其另一端且射出至第二聚焦透镜，第二聚焦透镜再将光信号射入第二Z-block型棱镜的入射端，再由第二Z-block型棱镜将信号光从其多个出射面对应射入到第二聚焦透镜阵列中，令第二聚焦透镜阵列将光信号聚焦到与其相对的多个光电二极管上。
进一步，所述接收端的多个光电二极管为并列设置且其一端还设有用于发送反馈信号的VCSEL，所述第二聚焦透镜阵列的聚焦透镜与接收端的光电二极管和VCSEL一一对应，所述第二Z-block型棱镜具有的多个出射面与接收端的光电二极管和VCSEL一一对应；所述发射端的多个VCSEL为并列设置且其一端还设有用于接收反馈信号的光电二极管，所述第一聚焦透镜阵列的聚焦透镜与发射端端的VCSEL和光电二极管一一对应，所述第一Z-block型棱镜具有的多个入射面与发射端的VCSEL和光电二极管一一对应。
优选的，所述的发射端具有3～14个VCSEL和至少一个光电二极管；所述的接收端具有3～14个发光二极管和至少一个VCSEL。
优选的，所述接收端或发射端的相邻VCSEL之间或相邻光电二极管之间或VCSEL与光电二极管之间的排布间距为0.25～1 mm。
优选的，所述发射端的第一聚焦透镜阵列和接收端的第二聚焦透镜阵列均为球面透镜或非球面透镜。
优选的，所述发射端的第一Z-block型棱镜和接收端的第二Z-block型棱镜的厚度均为0.2～3 mm，其与多模光纤的端部、VCSEL的发射端或PD的接收端呈6°～45°的角度倾斜设置。
优选的，所述的多模光纤为透明光纤，且其纤芯的芯径尺寸不小于0.03 mm。
优选的，所述的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜均为注塑、模压或光刻一体成型的球面透镜或非球面透镜。
如上的一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件的应用，将其用于高清晰度多媒体接口器件中。
一种短波波段有源光学组件，其包括上述的基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其工作波长为600～1000 nm,波长通道间隔为20～100 nm。
实施例1
如图1所示，本发明包括发射端1、接收端2和一根多模光纤3；
如图2所示，其示出了本发明实施例1结构的发射端（TX端模块）的简要实施结构，其为6通道Tx端模块，其包括依序设置的5个VCSEL 11、1个光电二极管15、第一聚焦透镜阵列12、第一Z-block型棱镜13和第一聚焦透镜14，所述第一Z-block型棱镜13具有6个入射面和一出射端，所述的第一聚焦透镜14与第一Z-block型棱镜13的出射端相对，多模光纤3的其中一端与第一聚焦透镜14相对；所述的1个光电二极管15和5个VSCSLE 11并列设置，第一Z-block型棱镜13由其出射端至其另一端的入射面对应部分依序为block1、block2、block3、block4、block5和block6，所述的block6依序与第一聚焦透镜14和光电二极管15相对。
其具体工作流程为：5个通道的VCSEL 11发出的激光（730 ±10 nm，760 ±10 nm，790 ±10 nm，825 ±10 nm，850 ±10 nm）经过第一聚焦透镜阵列12准直后从左侧宽带增透膜进入到第一Z-block型棱镜13，其中，激光最先打到block5，然后经过block4至block1多级反射，最后从block1的增透膜面出射，经第一聚焦透镜14耦合进入多模光纤3。以此类推，经过block4～block1的激光，被第一聚焦透镜14逐一耦合进入多模光纤3，实现MUX功能。从多模光纤3（MMF）（即出射端）出射的反馈激光信号（730 ±10 nm）经过第一聚焦透镜准直后打到block1，反射后进入block2，然后经过block2-block5多级反射后进入block6，最后由block6出射后进入第一聚焦透镜阵列12，最终聚焦到PD6，使反馈信号被收集。
如图3所示，其示出了本发明实施例1结构的接受端（RX端模块）的简要实施结构，其对应图2实施结构为6通道Rx端模块，其包括依序设置的1个VCSEL 25、5个光电二极管21（即PD）、第二聚焦透镜阵列22、第二Z-block型棱镜23和第二聚焦透镜24，所述的第二Z-block型棱镜23具有6个出射面和一入射端，所述的第二聚焦透镜24与第二Z-block型棱镜23的入射端相对；多模光纤3的另一端与第二聚焦透镜24相对；所述的光电二级光21和1个VSCSLE 25并列设置，第二Z-block型棱镜23由其入射端至其另一端的出射面对应部分依序为block1’、block2’、block3’、block4’、block5’和block6’，所述的block6’依序与第二聚焦透镜14和VCSEL 25相对。
其具体工作流程为：多模光纤3（即MMF）出射的5个波段的激光信号（730 ±10 nm，750 ±10 nm，770 ±10 nm，790 ±10 nm，810 ±10 nm）经过第二聚焦透镜24准直后打到block1’，反射后进入block2’，然后经过block2’～block5’出射后进入第二聚焦透镜阵列22，最终聚焦到PD1～PD5（即对应的5个光电二极管21）上，VCSEL 25发出的反馈激光信号（730 ±10 nm），经过第一聚焦透镜阵列22准直后从宽带增透膜进入到Z-block型棱镜23，激光先打到block5’，再经过block4’～block1’多级反射，最后从block1’的增透膜面（即入射端）出射，经第二聚焦透镜24聚焦耦合进入多模光纤3。
本实施例中，第一Z-block棱镜或第二Z-block棱镜的制作方法简要包括如下步骤：
1、设计&加工棱镜：依据不同通道的需求（包括通道数量，通道间距）设计棱镜的尺寸，厚度，利用光学冷加工靠体的方式，严格控制棱镜的平行度，厚度，角度。最后进行分区域镀膜（宽带增透膜+宽带高反射膜）。
2、设计&加工滤光片：滤光片是进行分光的核心部件，利用镀膜设计软件，按照不同通道的需求设计滤光片，设计要点在于镀膜曲线的平坦，中心波长的漂移。加工上，滤光片通常用一个平行度和面形良好的基片（Wafer）进行镀膜，然后切割，检测挑选，备用。
3、装配组合件：将上述的棱镜与各滤光片（filter）进行贴合，得如图4所示结构，贴合过程中注意控制胶层一致性，同时避免气泡，错位等不良现象。
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其特征在于：其包括发射端、接收端和一根多模光纤；
所述的发射端包括依序设置的多个VCSEL、第一聚焦透镜阵列、第一Z-block型棱镜和第一聚焦透镜，所述第一Z-block型棱镜具有多个入射面和一出射端，所述的第一聚焦透镜与第一Z-block型棱镜的出射端相对；
所述的接收端包括依序设置的多个光电二极管、第二聚焦透镜阵列、第二Z-block型棱镜和第二聚焦透镜，所述的第二Z-block型棱镜具有多个出射面和一入射端，所述的第二聚焦透镜与第二Z-block型棱镜的入射端相对；
所述一根多模光纤的其中一端与第一聚焦透镜相对，其另一端与第二聚焦透镜相对；
当发射端的多个VCSEL将激光信号射入第一聚焦透镜阵列后，由第一聚焦透镜阵列将光信号聚焦并对应射入第一Z-block型棱镜的多个入射面，然后由第一Z-block型棱镜的出射端将接受到的光信号射出至第一聚焦透镜，使第一聚焦透镜将光信号输入多模光纤的一端，由多模光纤将光信号输送至其另一端且射出至第二聚焦透镜，第二聚焦透镜再将光信号射入第二Z-block型棱镜的入射端，再由第二Z-block将信号光从其多个出射面对应射入到第二聚焦透镜阵列中，令第二聚焦透镜阵列将光信号聚焦到与其相对的多个光电二极管上。
2.根据权利要求1所述的一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其特征在于：所述接收端的多个光电二极管为并列设置且其一端还设有用于发送反馈信号的VCSEL，所述第二聚焦透镜阵列的聚焦透镜与接收端的光电二极管和VCSEL一一对应，所述第二Z-block型棱镜具有的多个出射面与接收端的光电二极管和VCSEL一一对应；所述发射端的多个VCSEL为并列设置且其一端还设有用于接收反馈信号的光电二极管，所述第一聚焦透镜阵列的聚焦透镜与发射端端的VCSEL和光电二极管一一对应，所述第一Z-block型棱镜具有的多个入射面与发射端的VCSEL和光电二极管一一对应。
3.根据权利要求2所述的一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其特征在于：所述的发射端具有3～14个VCSEL和至少一个光电二极管；所述的接收端具有3～14个发光二极管和至少一个VCSEL。
4. 根据权利要求2所述的一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其特征在于：所述接收端或发射端的相邻VCSEL之间或相邻光电二极管之间或VCSEL与光电二极管之间的排布间距为0.25～1 mm。
5.根据权利要求2所述的一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其特征在于：所述发射端的第一聚焦透镜阵列和接收端的第二聚焦透镜阵列均为球面透镜或非球面透镜。
6. 根据权利要求2所述的一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其特征在于：所述发射端的第一Z-block型棱镜和接收端的第二Z-block型棱镜的厚度均为0.2～3 mm，其与多模光纤的端部、VCSEL的发射端或PD的接收端呈6°～45°的角度倾斜设置。
7. 根据权利要求2所述的一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其特征在于：所述的多模光纤为透明光纤，且其纤芯的芯径尺寸不小于0.03 mm。
8.根据权利要求2所述的一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其特征在于：所述的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜均为注塑、模压或光刻一体成型的球面透镜或非球面透镜。
9.如权利要求1至8之一所述的一种基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件的应用，其特征在于：将其用于高清晰度多媒体接口器件中。
10.一种短波波段有源光学组件，其包括权利要求1至9之一所述的基于垂直发射激光器和多模光纤的短波波段有源光学组件，其特征在于：其工作波长为600～1000 nm,波长通道间隔为20～100 nm。
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