用于双向光通信的光耦合器

摘要

一种用于在单光纤上双向光通信的光耦合器，其在矩形截面的棱镜11中嵌入一个柱状元件32，其中棱镜11有一个一光纤12的端面相对的第一平面11a，一个与光接收元件13相对的第二平面11b和一个把从光纤12入射的接收光21反射向第二平面11b、并且把从光发射元件发射的传输光22透射到第一平面11a的第三平面11c，柱状元件32的折射率大于棱镜11的折射率，棱镜11中被嵌入柱状元件的区域与光纤12的端面相对。柱状元件32有效地抑制光泄漏，与只使用棱镜结构可实现的效果相比，具有增大的光耦合率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在单光纤上进行双向光通信的光耦合器，并尤其涉及一种设置成与光纤端面相对的光耦合器，通过该耦合器把从光纤输出的接收到的光导向光接收装置，并把从光发射装置发出的传输光发射到光纤端面中。

背景技术

对于单光纤上的双向光通信，需要把从光发射元件发出的传输光在光纤的任一端导入到光纤中，并把从该光纤输出的光导入到光接收元件中。这种光耦合器的一般结构是通过利用半反射镜或棱镜对光的透射和反射把光发射元件和光接收元件光耦合到光纤的任一端。图1是利用棱镜作为光耦合元件与光纤12、光发射元件14和光接收元件13相结合的一个实例。在此实例中，由棱镜11形成光耦合器，通过该耦合器传递并接收光。

此实例中的棱镜11其截面为直角等腰三角形。光纤12设置成一个端面与棱镜11的两个平面中的第一个(11a)相邻，其中两个平面之间形成直角，光接收元件13设置有一个会聚透镜17a与棱镜11的第二平面11b相邻。设置在棱镜11的第三平面11c外部的是光发射元件14，其中该第三平面形成倾斜面。

利用这种配置，从光纤12的一个端面输出的接收到的光21经平面11a发射到棱镜11中，然后被平面11c反射到平面11b，并再从那儿发射到光接收元件13。另一方面，从光发射元件14发出的传输光22经平面11c进入棱镜11，即通过平面11c到达平面11a，之后被发射到光纤12的端面。

上述棱镜11的使用允许光发射装置(光发射元件14)有一个有利的位置把传输光22发射到光纤12中，并允许光接收元件(光接收元件13)也有一个有利的位置以接收从光纤12输出的接收光。

对于图1的结构，令光纤12的直径由A₀表示，传输光22在光纤12端面的扩展直径由A₁表示，则传输光22发射到光纤12中的量与经平面11c进入棱镜11并经棱镜11透过的传输光22的量之比具有A₀²/A₁²这样的关系-这表明耦合率相当低。

另一方面，令会聚透镜17a的直径由B₀表示，在会聚透镜17a的位置处接收到的光21的扩展直径由B₁表示，则入射到会聚透镜17a的接收到的光21的量与被棱镜11的平面11c反射的接收到的光21的量之比具有B₀²/B₁²这样的关系-这表明在接收侧的耦合率也很低，与透射侧的情形一样。在使用用偏振反射膜涂覆棱镜11倾斜平面11c整个面积的棱镜11以形成偏振分束器的情形中仍有耦合率低下的问题未解决。

例如可以通过在光纤的端面和棱镜11之间放置会聚透镜来提高耦合率，但与棱镜11分开的这种光学系统的引入不可避免地导致器件变庞大并且因此昂贵的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种小巧且价廉的双向光通信的光耦合器。

根据本发明，用于在单光纤上双向光通信的光耦合器包括：

一个棱镜，具有包含与光纤端面相对的区域的第一平面，包含与光接收装置相对的区域的第二平面，和包含与光发射装置相对的区域的第三平面；和

一个嵌入在棱镜中的柱状元件，棱镜中嵌入柱状元件的第一平面的该区域与所述光纤的端面相对，该柱状元件具有高于棱镜的折射率；

其特征在于从光纤发射到棱镜的接收到的光经柱状元件输出给光接收元件，并且从光发射元件发射到棱镜的传输光经柱状元件输出到光纤。

附图说明

图1是使用典型棱镜传输和接收光的示图；

图2A是根据本发明光耦合器的实施例透视图；

图2B是图2A所示的光耦合器与光接收元件和光发射元件的位置关系；

图3A是图2B所示传输光的光路详解图；

图3B是图2B所示接收光的光路详解图；

图4A是根据本发明光耦合器的另一实施例透视图；

图4B是通过使用图4A所示光耦合器进行光传输和接收的示意图；

图5A是根据本发明光耦合器的另一实施例透视图；

图5B通过使用图5A所示光耦合器进行光传输和接收的示意图；

图6是根据本发明的光耦合器另一实施例视图以及使用图示的实施例进行光传输和接收的示意图；

图7是与会聚透镜形成一体的光耦合器31(图6)的示意图以及使用光耦合器31进行光传输和接收的示意图；

图8是图2A所示光耦合器31组合其中的光纤连接器的仰视图；和

图9是图2B所示实施例的改形，其中光接收元件和光发射元件互换。

具体实施方式

图2A表示本发明光耦合器的一个实施例，图2B表示光耦合器以及光纤、光发射元件和光接收元件。与图1对应的部件采用与图1相同的标号表示，不重复对它们进行描述。

在此例中，一般用31表示的光耦合器31在其中的一个区域嵌入柱状元件32，该区域是等腰直角三角形截面的棱镜11的第一平面11a中的一个区域，与光纤12的端面相对(图2B)。柱状元件32设置的其轴线与第一平面11a垂直，折射率稍高于棱镜11的折射率。柱状元件32的直径近似等于光纤12的直径A₀。柱状元件32的一个端面与棱镜11的第一平面11a齐平，另一端接近棱镜11的倾斜平面11c。

此例中的光接收元件13和光发射元件14均分别安置在引线框架15和16上，并由透明密封树脂17和18密封。标号17a和18a表示凸伸地设置在密封树脂17和18上的透镜部分，17b和18b表示形成在透镜部分17a和18a的周围以保护它们的凸缘。

光发射元件14例如是一个激光二极管(LD)或发光二极管(LED)，并且光接收元件13例如是一个光电二极管(PD)。

图3A表示从光发射元件14发出的传输光22如何经图2B所示的光耦合器件31发射到光纤12的端面的示意图。根据与光纤情形相同的原理，入射到棱镜11第一平面11a上并再进入柱状元件32的传输光22不容易从中泄漏。即，大折射率的柱状元件32有效地抑制传输光22泄漏到小折射率的棱镜11中。

因此，令光纤的直径(近似地等于柱状元件32的直径)由A₀表示，传输光22在柱状元件32内端面的扩展直径由A₂表示，则传输光22发射到光纤12中的量与经棱镜11的第三平面11c进入柱状元件32的传输光22的量之比具有A₀²/A₂²这样的关系。在此例中，因为扩展直径A₂小于图1实例中的A₁，所以能够发射到光纤上的传输光22量大于图1中实例的情形。

图3B是表示从光纤12的端面输出的接收光21如何经光耦合器件31发射到光接收元件13的示意图。在此情况下，进入到柱状元件32的接收光2 1也从中输出，出于与上述相同的原因，泄漏很少，然后被平面11c反射并从平面11b输出。即，柱状元件32产生与光纤32的端面和光接收元件13之间的距离减少柱状元件32的长度时相同的效果。

因此，令透镜部分17a的直径由B₀表示，在透镜部分17a的位置处接收到的光21的扩展直径由B₂表示，则入射到透镜部分17a的接收到的光21的量与被棱镜11的平面11c反射的接收到的光21的量之比具有B₀²/B₂²这样的关系。因为扩展直径B₂小于图1中的B₁，所以可以把较大的接收光21量馈送给光接收元件13。因此，这种光耦合器31的使用提供了在接收和传输方面光耦合率的增大。

上述这种结构的光耦合器31例如通过在棱镜11中钻孔并把柱状元件32嵌入到孔中而制备。棱镜11和柱状元件32的材料不限于玻璃，但也可以是高透明度的树脂，其中光耦合器件31可以两色模制。

取代制备和嵌入大于棱镜11的折射率的柱状元件32，也可以例如把市场上可以得到的塑料纤维切割成所需的大小并嵌入到棱镜11中。

图4A表示与图2A所示的光耦合器31相比，提供高耦合率的器件结构。在图4B所示的耦合器件31的实际应用中，会聚透镜34与棱镜11形成一体，透镜形成在第二平面11b上与光接收元件13相对。

通过提供这种会聚透镜34，输入到光接收元件13的接收光21的量变得大于图2A所示的光耦合器31的情形。

图5A表示当光接收元件13和光发射元件14放置在如图5B所示的平面上时使用光耦合器31的结构。此例的光耦合器31中柱状元件32嵌入到平行四边形截面的棱镜11中，该平行四边形的锐角为45°。在此情况下，柱状元件32的折射率是稍大于棱镜11的折射率，与图2A中的光耦合器情形相同。

柱状元件32嵌入到棱镜11的第一平面11a区域中，该区域与光纤12的端面相对，该第一平面11a在其与第三平面11c之间形成锐角。光接收元件13设置成与平行于第一平面11a的第二平面11b相对。放置在第三平面11c之外的光发射元件14布置在一个平行于光接收元件13的平面中，在此例中，与后一元件处于相同的平面。

从光纤12的端面输出的接收光21进入棱镜11并被平面11c反射，反射的接收光21再被与平面11c和平面11b相对的第四平面11d反射，并被馈送到光接收元件13。另一方面，从光发射元件14发出的传输光22经平面11c进入棱镜11，光经该平面发射到光纤12的端面。

在此实例中，因为把折射率大于棱镜11的柱状元件32嵌入成与光纤12的端面相对的关系，所以与只使用棱镜而不使用柱状元件32的器件结构可获得的耦合率相比，光耦合率在接收侧和传递侧均增大。

顺便说一下，本实例在图2A所示的光耦合器31的情形中提高了传输面的光耦合率，但在接收侧，从柱状元件32的内端面到光接收元件13之间的光程的增大允许接受光21发散或扩展，导致接收光量因此减少。这种不利可以通过图6所示的器件结构来克服。    

图6所示的光耦合器件31是图5A实例的一个改型，其中棱镜11的第四面11d做成球形，并且在球形表面上涂覆一个反射膜38，从而在棱镜11的内表面的整个区域上形成一个全反射凹面反射镜38M。对于棱镜11的这种球形结构的面11d，可以把接受光21集中到光接收元件13上，如图6所示，大大地提高了光耦合率。

反射膜38例如通过把铝(A1)蒸发到平面11d上而形成，并且也可以采用介电反射镜结构。

顺便说一下，平面11d的表面结构不必总是球形，也可以是非球形，并且可以采用一种不带全反射镜的结构。

在图6所示的光耦合器31中，因为很难减小凹面反射镜38M的焦距，所以光接收元件13在平面11d的接收光21会聚点处的放置导致光接收元件13与光耦合器31之间距离的增大。此问题可以通过图7所示的光耦合器31解决，其中会聚透镜40与棱镜11的平面11b形成一体，平面11b与光接收元件相对。

通过这种会聚透镜40的提供，可以把光接收元件13放置得接近光耦合器31，如图7所示。

作为本发明光耦合器31的一种用途实例，图8表示光耦合器安装在单光纤连接器41上用于光电转换的状态。在此实例中，图2A所示的光耦合器31建立在连接器41中。标号42表示光纤塞插入的套筒。

如图8所示，光耦合器31高效且小巧，因此适于用在光纤连接器41中。

虽然在图2A中把嵌入了光耦合器31的柱状元件32的棱镜11截面结构描述成一个直角三角形，并且在图5A中把棱镜11的截面结构描绘呈具有45度锐角的平行四边形，但棱镜11的截面结构不限于这样，可以根据需要适当地选择。    

另外，在上述实施例中，从光纤12入射到棱镜11的接收光21通过柱状元件32并被棱镜11的平面11c反射向光接收元件13，并且在没有被棱镜11的反射改变光程的情况下通过柱状元件之后，从光发射元件14发出的传输光22发射到光纤12中。但如对应于图2的图9所示，光接收元件13和光发射元件14也可以互换，使得接收光21通过柱状元件32并从平面11c输出到光接收元件13，并且从光发射元件14发出的传输光22被平面11c反射，通过柱状元件32并再发射到光纤12中。很明显，这种结构可用于图4、5A、5B、6和7所示的实施例中。

而且在上述实施例中，如图9所示，可以在棱镜11的平面11c上覆盖一个偏振反射膜39，形成一个分开p偏振光和s偏振光的偏振分束器。

发明效果

如上所述，根据本发明，在一个把光纤输出的接收光导向光接收元件并把光发射装置发出的传输光发射到光纤端面中的棱镜中嵌入一个柱状元件，其中棱镜中嵌入柱状元件的区域与光纤的端面相对，柱状元件具有大于棱镜的折射率。棱镜和柱状元件的折射率之差用于防止光从后者泄漏，并且因此抑制光的发散，对传输光和接收光都提高了耦合率。与只有一个棱镜的结构相比，本发明的这种复合棱镜结构提高了光的使用率，无需更大的结构，并且不需要给用于增大耦合率的光学系统单独提供棱镜。因此，本发明提供了一种高效、小巧和低成本的双向光通信耦合器。