CN1409141A - 波分复用耦合器 - Google Patents

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李慧诗
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Abstract

本发明提供了一种光学耦合***，该***包括各带有一个输入和输出端面的背靠背的第一和第二自聚焦透镜，一个置于背靠背的第一和第二自聚焦透镜之间的滤波元件，一个与背靠背的自聚焦透镜的第一个相邻并光耦合的带有两根光纤的输入光纤套管，一个与背靠背的自聚焦透镜的第二个相邻并光耦合的带有一根光纤的输出光纤套管，其中输出光纤套管的一个向内端面与与背靠背的自聚焦透镜的第二透镜的输出端面互相不平行以减少耦合损耗。该光学耦合***被固定在玻璃套管内。

Description

波分复用耦合器
相关专利
本专利要求于2001年9月17日申请的美国第60/322,446号题为“全玻璃波分复用耦合器”的临时申请专利的优先权，该专利在此作为参考。
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及到波分复用耦合器。
背景技术
在光纤技术中，波分复用耦合器被用来结合或分离不同波长的光信号。随着波分复用耦合器在电信、数据通信及CATV产业的越来越广泛的应用，光纤元件产业对有更高性能和可靠性的波分复用耦合器的需求在不断地增长。
波分复用耦合器的性能和可靠性很大程度上取决于它们的设计和封装技术。目前，主要有两种设计和封装技术被广泛的应用于波分复用耦合器的生产，并且各有其优缺点。在第一种波分复用耦合器的设计和封装技术中，所有的光学元件都通过环氧胶粘接在一起。这种波分复用耦合器的应用在长期工作中有环氧胶粘接的潜在的不稳定性。第二种技术，通过使用玻璃套管和薄环氧胶，在保证简单化和低成本的同时，实现了无源光纤元件中的光路上无胶。这一方法已实现了在有多光纤端口的器件中用玻璃套管固定透镜、滤波片和隔离器芯。
图1所示的是基于用环氧胶粘接的第一类设计和包括技术的现有技术波分复用耦合器的结构。该波分复用耦合器包括双光纤头25，自聚焦透镜35，波分复用滤波片40，自聚焦透镜50和单光纤头60。在典型的制造过程中，自聚焦透镜35，波分复用滤波片40和自聚焦透镜50通过加热固化环氧胶45被首先粘接在一起。通过调节自聚焦透镜35与光纤头25的相对位置，使具有反射波长的光信号从输入光纤15到输出光纤20间获得最低的传输损耗。然后，通过热固化环氧胶30将双光纤头25固定到自聚焦透镜35上。随后通过调节自聚焦透镜50与光纤头60的相对位置，使具有透射波长的光信号从输入光纤15到输出光纤65间获得最低的传输损耗。接着，通过热固化环氧胶55将单光纤头60固定到自聚焦透镜50上。传统的方法和***给波分复用耦合器在很多不同的应用提供了良好的性能和可靠性。不过，根据传统方法和***制造的波分复用耦合器在高功率光传输***的应用中存在故障隐患。通常，热固化环氧胶不可避免地会溢到波分复用耦合器的所有光路内。更为确切地说，热固化环氧胶30、45和55会分别溢到双关纤头25和自聚焦透镜35之间的光路，自聚焦透镜35、50与波分复用滤波片40之间的光路，及自聚焦透镜50和单光纤头60之间的光路。在长时间操作下，长期暴露于传输光信号的环氧胶30，45和55会逐渐老化并易于受损，在长时间连续吸收光信号能量后会导致性能的不可靠。在典型的波分复用耦合器中，光信号的直径会从在环氧胶30中的约10微米，到环氧胶45中的约450微米再到环氧胶55中的约10微米之间。这样，光信号功率的密度在环氧胶30和55中比在环氧胶45中高约2500倍。因此，高光信号功率受损的隐患在环氧胶30和55中大大高于在环氧胶45中。传输高功率光信号的困难就尤为明显。由于热吸收的问题，许多光学***的设计者和操作者更喜欢或甚至要求所有波分复用耦合器的光路中都无胶。由于高功率密度及不可靠性的隐患，目前，作为所有光路中无胶的第一步，光学***的设计者和操作者要求不在自聚焦透镜和光纤头之间的光路上使用任何的胶。
发明内容
波分复用耦合器通过光路无胶，得到了一定的改进。不过，仍然存在需要降低当光束传输经过波分复用耦合器中的各种光学元件时，由于光束轴离引起的插损问题。
本发明的一个目的是提供一种改进的光路中无胶的波分复用耦合器。
本发明的另一个目的是提供一种具有更简单设计，更好性能，和/或改良了可靠性和环境稳定性的波分复用耦合器。
本发明的另一目的是提供低成本的波分复用耦合器。
根据本发明所提供的一种波分复用耦合器包括以预定位置关系固定的两根光纤的第一光纤套管，与第一光纤套管相邻并与其光耦合的基本上聚焦/准直的第一柱透镜，该基本上聚焦/准直的第一柱透镜有一个用来接收来自第一光纤套管的光的输入端面和一个输出端面，与基本上聚焦/准直的第一柱透镜相邻并与其光耦合的滤波元件，用来接收来自上述基本上聚焦/准直的第一柱透镜的光束，与光学元件相邻并与其光耦合的基本上聚焦/准直的第二柱透镜，该基本上聚焦/准直的第二柱透镜有一个用来接收来自光学元件的光的输入端面和一个输出端面，与基本上聚焦/准直的第二柱透镜相邻并与其光耦合的第二光纤套管，该第二光纤套管内有至少一根光纤，该第二光纤套管与装入第一光纤套管内的两根光纤之一光连接在一起，第二光纤套管的一个向内端面与基本上聚焦/准直的第二柱透镜的一个输出端面不平行，从而在它们之间形成一个非零角。
根据本发明的一个实施例，滤波元件是一个至少部分反射的滤波片。尤其是，滤波元件是一个波分复用滤波片。
根据本发明的另一个实施例，基本上聚焦/准直的第一和第二柱透镜的每一个都是自聚焦透镜。
在另一个实施例当中，第一自聚焦透镜的节距(pitch)为0.245，第二自聚焦透镜的节距为0.23。
根据另一个实施例，波分复用耦合器包括第一、第二及第三套管，该第一套管用来夹持第一光纤套管，第二套管用来夹持滤波元件和基本上聚焦/准直的第一及第二柱透镜，第三套管用来夹持第二光纤套管。
第一、第二及第三套管被相互连接在一起以在这三个之间形成第一和第二连接头。
在本发明的一个实施例中，第一、第二及第三套管的端面有一种催化剂以防止波分复用耦合器暴露于潮湿的环境下。
在本发明的另一个实施例中，第一、第二及第三套管都是由具有基本上相同的热膨胀系数的玻璃材料做成的玻璃套管。
在本发明的另一个实施例中，滤波元件和基本上聚焦/准直的第一及第二柱透镜基本上放置在同一光轴上。
在本发明的另一个实施例中，第二光纤套管被从光轴平行位移，以对第二光纤套管进行xyz三方向的调节。
如果需要，波分复用耦合器还包括一个位于基本上聚焦/准直的第一和第二柱透镜之间的光分路器。
根据本发明的一个实施例，第一光纤套管的向内端面与基本上聚焦/准直的第一柱透镜的输入端面互相平行并带有倾角以减少回反。例如，两个端面有一个8度的抛光角以减少背向反射引起的影响。
根据本发明，还提供了一种光学耦合***，包括背靠背的第一和第二自聚焦透镜，每个透镜都有一个输入和输出端面，一个置于背靠背的第一和第二自聚焦透镜之间的滤波元件，一个与背靠背的自聚焦透镜的第一透镜相邻并光耦合的带有两根光纤的输入光纤套管，一个与背靠背的自聚焦透镜的第二透镜相邻并光耦合的带有一根光纤的输出光纤套管，其中输出光纤套管的一个向内端面与背靠背的自聚焦透镜的第二透镜的输出端面互相不平行以减少耦合损耗。
附图说明
本发明的实施例将结合下列的图示进行描述，图中相应的数字表示相应的元件，其中：
图1为基于环氧胶粘接的现有技术波分复用耦合器的一个断面图；
图2为带有一个滤波片的两个背靠背的自聚焦透镜间的一束轴离光的侧视图；
图3是自聚焦透镜和光纤头的侧视图，其中通过在自聚焦透镜的输出端面和光纤头的向内端面的抛光角使光的轴离得到补偿；
图4为根据本发明的耦合器件的侧视图，图示的为一束光束经过耦合器件的光路；
图5为光学元件排列于套管中的根据本发明的另一个实施例的耦合器件的侧视图；
图6为表示光束在耦合器内部传输途径的波分复用耦合器的侧视图；
图7为透镜中高斯光束边缘的图示；
图8为根据本发明的耦合器件的调节自由度的示意图；及
图9表示当对经过耦合器件的光束的轴离进行补偿时，预估第二自聚焦透镜的预定抛光角与单光纤头的抛光角之间的耦合损耗的图示。
具体实施方式
本专利提出了一种波分复用耦合器，该耦合器包括光纤头，自聚焦透镜和一个波分复用滤波片。此发明是基于一种提供无胶光路的技术和封装方法。这就要求使用套管或玻璃套来粘接波分复用耦合器的光学元件而不是在这些元件间涂上胶。
在光耦合***中使用自聚焦透镜已是众所周知。自聚焦透镜以在日本注册并为日本板旭子有限公司所有的注册商标为“SELFOC”的名义下生产。虽然以下用自聚焦透镜进行详细描述，本发明的概念也可用于其它类型的准直透镜，并不只限于自聚焦透镜。
现用图2和图3来说明本发明的原理。图中第一自聚焦透镜202有一束以一个带方向箭头的直线表示的输入光束203。该输入光束在自聚焦透镜202的一个输出端面202b处被准直。另一个自聚焦透镜204与第一自聚焦透镜202相邻并以背靠背的方式与其光耦合。每个自聚焦透镜都有一个端口，该端口可以是一个点或沿着透镜202及204的输入端面202a(未有图示)，204a，或者输出端面202b，204b的一个用来接收或发射光束的区域。一个至少部分反射的滤波片206被放于第一和第二自聚焦透镜202和204之间，用来通过将光束205反射回自聚焦透镜202的输入端面上的另一个端口的方式过滤入射光203。一部分的光经过滤波片206并通过自聚焦透镜204的一个输入端面204a透射到一个输出端面204b，由此产生一束输出光束210。正如从图2可以看出，由于光束被传输经过波分复用滤波片206及自聚焦透镜202和204之间的距离而产生了光轴离208。不过，根据本发明，如图3所示，这一光轴离通过自聚焦透镜204的输出端面204b的一个抛光角216以及单光纤头212的一个内向端面212a的一个抛光角214得到了补偿。抛光角214和216的角度经过选择，使得透镜204的输出端面204b及单光纤头212的内向端面212a相互不平行以在其间形成一个非零夹角。
下表所示的是采用不同抛光角的一些例子，由于不同的滤波片有不同的轴离，因此，透镜204和光纤头212就有不同的抛光角：
滤波片类型  宽带带通和边缘滤波片 200G窄带滤波片  100G窄带滤波片  500G窄带滤波片
 透镜2的抛光角     8     6     6     6
 单光纤头抛光角 10 9 10 13
图4为根据本发明的一种波分复用耦合器400的一个更为详细的示意图。图中左边的一个双光纤头402内有两根紧固的光纤R和C。光纤R和C以一种预定的关系装入双光纤头内。光纤R被置于离波分复用耦合器400的光轴OA的距离为d2处。光纤被C置于离光轴OA的距离为d1处。光纤R和C间的距离D等于d1和d2之和。图4中如方向箭头所示，一光束通过耦合器400的光纤C被入射到自聚焦透镜406的一个输入端面404。如方向箭头所示，在透镜406的一个输出端面408处，光束的一部分被反射回到光纤R。光束的另一部分传输经过置于透镜406的输出端面408处的滤波片410。滤波后的光通过输入端面414进入自聚焦透镜412，然后从透镜412的输出端面416出射。滤波后的光再通过光纤头418的向内端面420进入单光纤头P。由于经过滤波片410和透镜406及412之间的距离而产生的滤波后的光束的轴离，通过对透镜412的输出端面416和光纤头418的向内端面420的抛光得以补偿。端面416和420被抛光成非平行状态，以形成一个非零夹角。在图4中所示的例子(100G)中，端面416有一个6度的抛光角，端面420有一个10度的抛光角。一个近视图A更详细地说明了光束在两端面间的传播。根据本发明，第一自聚焦透镜406的节距(pitch)为0.245，第二自聚焦透镜412的节距为0.23。第二自聚焦透镜的输出端面和光纤头的向内端面的抛角经过设计使得β＝0°，并且将从光纤C到光纤P的插损减到最小。因为滤波片410的反射面几乎在自聚焦透镜406的焦平面中，采用0.245节距的自聚焦透镜406可以在共用端与返回端R间提供低插损。
再者，图4中，双光纤头402的向内端面422和透镜406的输入端面404都抛成8度角，以减少不必要的回射的影响。
图5所示的是本发明另一个特征，其中采用玻璃套管对准和粘接其中的耦合器元件，以产生一条无胶光路。耦合器500包括一个装入两根光纤R和C的双光纤头502，第一自聚焦透镜504，一个波分复用滤波片506，第二自聚焦透镜508，一个装有一根光纤P的单光纤头510，用来夹持滤波片506、第一和第二自聚焦透镜504和508的第一套管512，用来夹持双光纤头502的第二套管514，和用来夹持单光纤头510的第三套管516。环氧胶518用来将各元件粘接到套管中，并将套管相互粘接在一起，这样，就分别在第一和第二套管间及第一和第三夹持套管间形成两个连接头520和522。通过给套管的端面间和夹持套管的端面与光纤头之间注入环氧胶在温度为105度条件下加热5分钟后固化形成这两个连接头。
如图5所示，第一和第二自聚焦透镜504和508放入套管512内，并具有相同的光轴OA。为了使光束进入单光纤头510时对中，并沿着光纤轴传输时获得低耦合损耗，通过对第二自聚焦透镜508的端面524和光纤头510的向内端面526抛光出角度来补偿光束的轴离。根据本发明的一个实施例，从图5可以看出，只对光纤头进行xyz三方向的调节，其中单光纤头从光轴OA向上方稍微调节了一些。
根据本发明的另一个实施例，包括套管的耦合器件500的所有元件，都由具有基本上相同的热膨胀系数的玻璃材料做成。这样会得到较为理想的温度依存插损值，而且，由于光路中无胶，这种耦合器件有利于提高高功率条件下的可靠性。
因为滤波片的反射面几乎在第一透镜的焦平面上，采用0.245节距的自聚焦透镜作为第一透镜可以获得从公共端C到返回端R的低插损，同时防止胶进入双光纤头与第一透镜间的间隔。
如果第一自聚焦透镜的节距小于0.245，则R端口的插损就会增加。如果第一自聚焦透镜的节距大于0.245，胶则会进入双光纤头和第一透镜间的间隔。第二自聚焦透镜或透射端透镜采用的节距为0.23，在低耦合损耗的同时，间隔较大也易于操作。
根据本发明的另一个实施例，第一，第二及第三套管为玻璃套管，以防止两个连接点被潮湿所损坏，因此，大大地提高了这种器件的可靠性。
根据本发明的另一个实施例，第一，第二及第三套管的端面经过催化剂处理，因而形成一个坚固的连接点，这样可以防止两个连接点被潮湿所损坏，进一步提高器件的可靠性。
图6为显示光束在一个波分复用耦合器600内传输的一个侧视图。一光束被发射进入双光纤头602的两个端口之一，并通过第一自聚焦透镜604，波分复用滤波片606，第二自聚焦透镜608传输到装在单光纤头610内的一根输出光纤。器件600由装有双光纤头的玻璃套管612，装有第一和第二自聚焦透镜604和608及波分复用滤波片606的玻璃套管614，和装有单光纤头610的玻璃套管616支撑。第一透镜604的节距为0.245，并有一个8度的抛光角，第二透镜608的节距为0.23，也有一个8度的抛光角。本例中的双光纤头有一个8度的抛光角，单光纤头有一个10度的抛光角。滤波片的厚度为1.5毫米。这种100G装置的预计耦合损耗小于0.01dB。
图7为透镜内高斯光束边缘的图示。
图8为根据本发明的耦合器件的调节自由度的示意图。有6维的调节自由度。双光纤头和自聚焦透镜没有被旋转。抛光端面的法线面在同一个平面上。唯一需要的调节是单光纤头的xyz方向的调节以使单光纤头偏离光轴直到光斑在同一直线上。由于通过对自聚焦透镜的端面和单光纤头的向内端进行不同角度的抛光来调节，所以不需要进行角度匹配。
图9表示当对经过本发明的耦合器件的光束的轴离进行补偿时，预估第二自聚焦透镜与单光纤头的预定抛光角之间的耦合损耗的图示。
与现有技术的耦合器件相比，本发明的器件有许多优点，如它设计更简单，性能更好，可靠性及环境稳定性更高，制造过程短，易于自动化生产，以及成本更低。
与锡焊和激光焊接的波分复用耦合器相比，本发明的器件的结构更为简单，因为它所需的部件更少。
另外，光学元件的外形也更简单。如上所述，另一个优点是它的制造过程更简单，因为R端口和P端口只需xyz轴上的调节，而不需旋转或倾斜，因此微调过程更简单。锡焊台则要求进行难度较大的倾斜调节，而激光焊接台则需要旋转，难以自动化。而且，焊锡经常会引起较大的透射端插损，因此，需要有更为先进的技术来降低插损。
较有优势的是，根据本发明的耦合器件的环境操作性能比较好。根据本发明的器件与激光焊接的器件有相似的可靠性，比锡焊波分复用耦合器的可靠性更好。本发明的波分复用耦合器能够通过2000小时85℃/85％的高温高湿测试，而锡焊波分复用耦合器常常由于不能密封而通不过该测试。在这种情况下，蒸汽会进入金属壳内，而破坏双光纤头与R端口透镜间的连接点，也损坏滤波片的组装。这会导致更大的插损(IL)，而最终使得器件被报废。在本发明的波分复用耦合器中，玻璃套管端面有催化剂，这样蒸汽就不会损坏玻璃套管间的连接点。而且，因为胶程很长，蒸汽也很难穿过光纤头外径和玻璃套管内径之间的胶而进入光纤头和透镜间的间隔。另一方面，波分复用滤波片被放在中间的玻璃套管内并在两个透镜之间，因此，透镜外径和玻璃套管内径的胶路也很长。这样，波分复用滤波片就得到很好的保护，而蒸汽也更难进入波分复用滤波片。
本发明的波分复用耦合器的另一个优点是它的成本较低。设备简单，在器件中需要更少的部件并且易于操作，这样所耗费的人力也更少，因此降低了成本。
例如，根据本发明的波分复用耦合器具有以下优点，比锡焊器件有更好的插损，温度依存损耗和可靠性。例如，焊锡器件的温度依存损耗是0.30dB，本发明的波分复用耦合器的温度依存损耗是0.1dB。对于C到R，焊锡器件的插损是0.6dB，而本发明的波分复用耦合器的插损是0.4dB。对于C到P，焊锡器件的插损是1.2-1.5dB，而本发明的波分复用耦合器的插损是0.8dB。
与激光焊接器件相比，另一个优点是自动化过程更简单，例如，只要进行XYZ的调节就可以了。如果自动化过程中在微调的同时需要旋转和倾斜，这将给自动化带来更大的困难。
上述本发明的实施例仅是用来说明本发明。对具体的本发明的实施例在不超出本发明的宗旨和范围内可以进行许多改良，修改及引用，本发明的宗旨和范围仅由权利要求书限定。

Claims (13)

1.一种波分复用耦合器包括：
以预定位置关系固定的两根光纤的第一光纤套管；
与第一光纤套管相邻并与其光耦合的基本上聚焦/准直的第一柱透镜，该基本上聚焦/准直的第一柱透镜有一个用来接收来自第一光纤套管的光的输入端面和一个输出端面；
与基本上聚焦/准直的第一柱透镜相邻并与其光耦合的一个滤波元件，用来接收来自上述基本上聚焦/准直的第一柱透镜的光束；
与光学元件相邻并与其光耦合的基本上聚焦/准直的第二柱透镜，该基本上聚焦/准直的第二柱透镜有一个用来接收来自光学元件的光的输入端面和一个输出端面；
与基本上聚焦/准直的第二柱透镜相邻并与其光耦合的第二光纤套管，该第二光纤套管内有至少一根光纤，该第二光纤套管与装入第一光纤套管内的两根光纤之一光连接在一起，第二光纤套管的一个向内端面与基本上聚焦/准直的第二柱透镜的一个输出端面不平行以在它们之间形成一个非零角。
2.根据权利要求1所述的波分复用耦合器，其中滤波元件是至少部分反射的滤波片。
3.根据权利要求2所述的波分复用耦合器，其中基本上聚焦/准直的第一和第二柱透镜都是自聚焦透镜。
4.根据权利要求3所述的波分复用耦合器，其中第一自聚焦透镜的节距为0.245，第二自聚焦透镜的节距为0.23。
5.根据权利要求书1所述的波分复用耦合器，还包括第一、第二及第三套管，该第一套管用来夹持第一光纤套管，第二套管用来夹持滤波元件及基本上聚焦/准直的第一和第二柱透镜，及第三套管用来夹持第二光纤套管。
6.根据权利要求书5所述的波分复用耦合器，其中第一、第二及第三套管被相互连接在一起以在这三个之间形成第一和第二接头。
7.根据权利要求书6所述的波分复用耦合器，其中第一、第二及第三套管的端面带有一种催化剂以防止波分复用耦合器暴露于潮湿的环境下。
8.根据权利要求书5所述的波分复用耦合器，其中第一、第二及第三套管都是由具有基本上相同的热膨胀系数的玻璃材料做成的玻璃套管。
9.根据权利要求书5所述的波分复用耦合器，其中滤波元件和基本上聚焦/准直的第一及第二柱透镜基本上放置在同一光轴上。
10.根据权利要求书9所述的波分复用耦合器，其中第二光纤套管被从光轴平行位移，以对第二光纤套管进行xyz三方向的调节。
11.根据权利要求书1所述的波分复用耦合器，还包括一个位于基本上聚焦/准直的第一和第二柱透镜之间的光分路器。
12.根据权利要求书1所述的波分复用耦合器，其中第一光纤套管的向内端面与基本上聚焦/准直的第一柱透镜的输入端面互相平行并带有倾角以减少回反。
13.一种光学耦合***包括：
背靠背的第一和第二自聚焦透镜，每个透镜都有一个输入和输出端面；
一个置于背靠背的第一和第二自聚焦透镜之间的滤波元件；
一个与背靠背的自聚焦透镜的第一透镜相邻并光耦合的带有两根光纤的输入光纤套管；
一个与背靠背的自聚焦透镜的第二透镜相邻并光耦合的带有一根光纤的输出光纤套管；
其中输出光纤套管的一个向内端面与背靠背的自聚焦透镜的第二透镜的输出端面互相不平行以减少耦合损耗。
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