用于将至少一个光学数据通道的光信号耦入或耦出光波导的布置

摘要

本发明涉及一种布置，这种布置用于将至少一个光数据通道耦入或耦出至少载有两个光学数据通道的光波导，其中，光波导至少包含两个光波导段(2、3)；光波导段(2、3)是在轴向一一相接排布的；至少一一相接排布的两个光波导段(2、3)的纤芯区系由自由传播区(14)相互分离的；至少一个光波导段的端面(10)与光波导的光轴(7)成非垂直关系；至少一个光波导段的端面(10)与涂有具有波长选择性的滤光材料(13)；以及，对于特定光学数据通道(λ1、λ2、λ3)，光是在透过自由传播区(14)之前或之后用反射的光学数据通道(λ1、λ2、λ3)的光，在与光波导光轴(7)成非垂直关系的光波导段(2、3)端面(10)进行耦入或耦出的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种布置，该布置用于将至少一个光数据通道的光信号耦入或耦出至少载有两个光学数据通道的光波导，并耦合至一个有这种配置的电光模块。

背景技术

已知的波长分割多路传输方法中，多种波长的光信号是在一根光纤上同时传输的。耦入或耦出一根光纤的多种波长的信号作用于一个有多个传输及(或)接收组件的电光模块中，特定波长的信号在模块中被合并或分离。

EP-A-238 977公开了一种用于双向通信网络的电光传输和接收模块，其中球形透镜在激光二极管和光纤端头之间以相互之间一定的距离布置，透镜将激光聚焦在光纤端头上。在球形透镜之间布置一个有波长选择性的分束器用于分离波长，该分束器将光纤端头射出的光线分离，并具有与来自射束路径的激光不同的波长，将之传至检测器或接收元件。

已知的模块需采用模块密闭封装以防球形透镜表面和有波长选择性的滤光材料上凝露。另外，已知的模块必须具有高度的机械稳定性及对温度波动的不敏感性，以确保激光可靠地耦入光纤。最后，被视为已知模块缺点之一是，电气触点接头必须制作于模块的两侧。这样会造成用户的安装费用增加。

发明内容

本发明的目的是以全新的概念，提供一种用于将至少一个光学数据通道的光信号耦入或耦出载有多个数据通道光信号的光波导的布置，这种布置简单、紧凑并采用模块化结构，使光信号能够以较小的通道间距耦入或耦出，同时又尽可能独立地运算光的偏振。

依据本发明，此目的是通过具有权利要求1所述特点的布置和具有权利要求22所述特点的电光模块实现的。本发明的较佳和方便的改进将在权利要求条款中予以规定。

因此，依据本发明所述的布置突出之处在于

-光波导至少包含两个光波导段；

-光波导段是在轴向一一相接排布的；

-这种情况下，至少一一相接排布的两个光波导段的纤芯区域系由自由传播区相互分离的；

-至少一个光波导段的端面与光波导的光轴成非垂直关系；

-至少一个光波导段的端面涂有具有波长选择性的滤光材料；

-对于特定的光数据通道，光系由透过自由传播区之前或之反射的光数据通道的光，在与光波导的光轴成非垂直关系的光波导段的端面耦入或耦出光波导的。

依据本发明所述的解决方法提供了一种基于光学“T型件”的构造概念，其中水平的“T型棒”是用一一相连的光波导段实现的。将光横向耦出或耦入波导系通过光波导段的斜端面实现的，其中光是横向传播或耦入的。所有情况下的这种端面均可分配一个布置得与光波导的光轴基本垂直的传输或接收组件。光耦合的作用方式为在斜端面反射的光，如果在更多的面积上适当反射，则通过光波导段的镀层(也包括接合材料)，然后以基本自由传播的方式耦合到传输或接收部分的光作用区，反之亦然。

本发明实现了透明介质中的闭合波导(两个波导段之间的自由传播区除外)，由于波导基本闭合且没有误差放大光学器件，上述波导对于温度和机械荷载具有极高的稳定性。另一优点为：由于光波导段的端面起着那些具有波长选择性的元件载体的作用，故不需要单独安装具有波长选择性的元件。

通过在邻接光波导段的端面之间构成一个(即使很小的)自由传播区，至少其中一个具有斜端面，甚至比较接近的波长都可相互分离，且对具有波长选择性的滤光材料的偏振方向有较小的依赖性。这与相接介质的折射率越接近，则相互的波长选择性越低、偏振依赖性越大的现象有关。自由传播区，即光通过气隙传播的区域，产生邻接介质(空气/玻璃或玻璃/空气)折射率的最大分离。

在本发明的一项较佳改进中，自由传播区系由邻接光波导段端面之间的楔形气隙提供的。为产生楔形气隙，最好假设射出待耦出光的光波导段的端面至少部分被垂直导向光波导的光轴方向上。相反，反射待耦出光的光波导段端面与光波导的光轴成非垂直关系，具体地说成60°至67.5°的角度。因此，当然产生了一个楔形气隙作为两个端面间的自由传播区。

布置射出待耦出光的光波导段端面，使光沿着光波导光轴方向射出，有利地保证了光能从与光轴同轴的方向上射出，因而，在传播时不会发生全反射。这种情况下，一般来说，如果光射出面未布置滤光材料，从50°(相对于垂线测量)入射角开始在玻璃到空气的界面上即发生全反射。这一点对应于界面与光波导光轴的夹角为40°。因此，光必须以小于全反射临界角的角度入射到端面上，此角度以本发明的另一种改进来实现。

布置光波导段的端面，使穿过自由辐射区的光与光波导光轴成60°至67.5°的角度从端面上非垂直地反射或透射，另一方面有利地保证了以与光波导光轴同轴的方向射出的光可以与光纤轴夹角小于10°的角度从一个端面折射入邻接光波导段，并可以大于0.275英寸的缝隙导入后续光波导段。

另一方面，必须考虑到端面(光入射面)的角度对偏振部分的分离影响很大。入射角越小，则不同偏振部分的分离越差。相反，随着光入射角增大到布鲁斯特角(偏振角)，则偏振分离效果增强。最好选择60°到67.5°之间的角度，充分远离布鲁斯特角：中心束以22.5°到30°的角度射入具有波长选择性的滤过材料。从而最大程度地减小了偏振分离。

在本发明的一项改进中，限制条件为：射出待耦出光的光波导段的端面，半径方向上在垂直于光波导光轴的区域之后至少部分为外圆角。这种情况下，该圆角最好至少有一部分与光波导光轴及邻接光波导段端面的角度相同。这样，邻接波导段的端面可在边缘构成精确相互支撑的斜面并可直接相互配接，而在光波导段的光导区内仍有楔形气隙。

此外限制条件可能还有：射出待耦出光的光波导段端面具有一个斜角作为圆角的替代或补充。在这种情况下，斜角在径向以及从另一个光波导段反射的光射入的光波导段的一个区域延伸到垂直于光波导光轴的区域之后。

在一个具体实施例变型中，上述斜面具体形式为：从另一个光波导段反射的光毫无障碍地通过斜角传播。因而可以用与光波导成横向关系的检测装置，例如光电二极管，以一种毫无阻碍的方式检测和计算光。

在另一种具体实施例变型中，该斜角有一层镜面涂层，其定位方式为：从其它光波导段反射的光射入镜面涂层并被再次反射回后者。在这种情况下，该斜角的定位方式为：从镜面涂层反射的光射出，或者，提供一个相反的射束路径，以与光波导的光轴约成90°的角度射入该布置。这一点是依靠该斜面以与第一次反射光线的光波导段斜端面成镜面倒置关系的方式定位的优点来实现的。光线这样被垂直地耦入或耦出，因而一个传输或接收设备可布置为与光波导的轴垂直。

同时，由于在两个相互作用的区域的镜面反射作用，不是一个光波导段(由于波长不同)斜端面上反射光，而是耦入该光波导段的光，以小于接受角的角度入射到斜端面上，从而保证了这一点。这样保证此光线被以较大的耦入率进一步导入光波导段。

在一个更佳的方案中，与光波导的光轴成斜角的一个光波导段端面被涂以具有波长选择性的滤光材料。相反，与光波导的光轴成直角的另一个光波导段端面则不涂具有波长选择性的滤光材料。因此光束从一个光波导段的端面射出，越过自由传播区并在邻接光波导段的端面上入射到具有波长选择性均滤光材料上。

这种滤光材料布置非常有利，因为在一个光束从玻璃中射出的情况下，出射表面上具有波长选择性的滤光材料会比在从空气到玻璃的反向跃迁情况下，分离垂直和平行偏振部分的效果更好。因此，滤光材料最好布置在来自自由传播区的光线入射的端面。

相对于后续波导段，由自由传播区产生的波导中断致使射束展宽，从而得到的耦合效率会降低。无论如何，应尽量减少这种情况。另一方面，对于传播所通过的气隙最好采用尽可能小的尺寸。为此，该区域存在的气隙宽度最好约为100μm。气隙宽度小可使耦出光束的波束展宽程度保持较小。

另一方面，为尽量减小波束展宽程度，最好满足射出待耦出光的光波导段的数值孔径最好为0.1的限制条件。如果耦出的光线是单模态的，便可实现这一点。为获得这种特性，射出待耦出光的光波导段最好为单模态光纤或有渐变折射率分布图的多模态光纤。特别在一一相接布置多个波导段时，后者便是这种情况。当光从一个单模态光纤耦入一个有渐变折射率分布图的多模态光纤时，或光从一个有渐变折射率分布图的多模态光纤耦入另一个有渐变折射率分布图的多模态光纤时，由于光是如单模态光纤一样导入有渐变折射率分布图的多模态光纤的，单模态特性即被保留下来。

因此，限制条件可以是从第一个光波导段到相邻的光波导段的光波导纤芯尺寸增大。

在穿过自由传播区之后，光线以小于该光波导段接受角的角度入射到邻接有斜面的光波导段中。由于光波导的折射率突然变化，只有与光波导光轴的夹角达到特定接受角的光束才能导入该光波导段。因此，通过具有波长选择性的滤光材料的光束必须以小于光波导段接受角的角度射到有斜面的光波导段上。为此，在一项改进中，前提条件是通过滤光材料的光线所进入的波导段为有渐变折射率分布图的光纤，其纤芯直径大于50μm，具体来说即62.5μm。在另一项改进中，通过自由传播区(和滤光材料)的光线所进入的波导段为有阶跃折射率分布图的光纤，其数值孔径大于0.275。这种情况下重要的一点是，一方面，纤芯直径要足够大，以能够完全捕获被展宽的光束，另一方面，孔径要足够大，使光线也能够耦入。

在本发明的一项较佳改进中，光波导段在所有情况下均布置在一个诸如由玻璃或陶瓷制造的套管中。这种情况下，如果待耦入或耦出的光通过各自的套管传播，则采用对光线透明的玻璃制套管。但通过利用邻接光波导段之间的气隙，则一般不会是这种情况。玻璃套管对光波导段具有可靠的保持和导向作用。

一项较佳的具体实施例采用了小型安装管，起着容纳各个玻璃套管及其中排布的光波导段并将它们相互沿轴向定位的作用。小型安装管最好具有纵向的槽，有弹性地夹持住玻璃套管。这样，小型安装管的内径公差可用弹簧作用予以补偿，因而只有玻璃套管的外径有影响。

在一项较佳的改进中，各有一个斜端面的多个光波导段，是在光波导或光波导段的光轴方向上一一相接布置的。在这种情况下，依据本发明所述的布置具有模块的特性，因为耦合到该布置中的不同传输或接收元件可任意一一相接布置，特别是可这样加长而构成多路传输/多路分解布置，其中多个传输及(或)接收构件一一相接布置。在这种情况下，具体光波导段的斜端面涂以具有波长选择性的滤光材料，使所有情况下的数据通道在两个邻接光波导段之间的每个边界区域耦入或耦出。

本发明也涉及一种电光模块，该模块用于传输和(或)接收一个光波导所载至少两个光学数据通道的光信号，其中至少含有一个传输组件，其光线被耦入光波导，并且(或)至少有一个接收组件，接收光波导耦出的光线。在这种情况下，光信号是采用权利要求1所述布置耦入或耦出光波导的。

使用的传输和接收组件原理上可以是此类任意组件。按实例的方法，传输或接收组件在所有情况下均布置在一个TO壳体内。其限制条件等同于这些组件要布置在一个壳体内，可安装在一块印刷电路板上。

附图说明

本发明在下文中用多个具体实施例，参照图纸中的图形进行详细说明，其中：

图1a所示为一种将光信号耦入或耦出含有两个光波导段的光波导之布置，其中光波导段由气隙将其相互分离。

图1b所示为沿A-A线、通过图3a所示布置、平行于光波导光轴剖面图；

图1c所示为通过图3a所示布置、垂直于光波导光轴的剖面图；

图2所示为图3a~3c的一个光波导段中透视图；

图3a所示为图3a~3c布置中的耦合区放大图；

图3b所示为含有射束路径示意图的图5a所示模块耦合区进一步放大图；

图4所示为含有二次反射区的布置之耦合区放大图，该布置相对于图3a-3c布置进行了修改；

图5所示为图1至图4所示布置第一次应用连同TO模块的分解图；

图6a所示为图5的组装布置透视图；

图6b所示为图6a所示布置中相对于光波导的光轴横向剖面图；

图7所示为图1至图4所示布置第二次应用连同三个所有情况下均布置在一个TO壳体中一一相接布置的传输或接收组件的分解图；

图8所示为图1至图4所示布置第三次应用连同三个可直接一一相接布置在一个印刷电路板上的传输或接收组件的平面图；

图1a至1c、图2及图3a至3b所示为光数据通道的光信号耦入或耦出光波导的布置之第一个具体实施例，该光波导载有至少两个光数据通道的信号。

具体实施方式

该布置中有一个小型波导管1，其中布置了两个邻接的光波导段2、3。这种情况下，两个光波导段2、3构成了光波导。上述光波导段2、3各含有一个可透射光的玻璃或陶瓷制精密插脚(套管)4、5，上有中心孔分别用于布置光波导6、8。光波导6、8最好为光纤。两根光纤6、8有一个共同的轴7，并相对于该轴同轴布置于小型波导管1中。

严格地说，只有布置在套管4、5中的部分构成光波导段。但为避免段落冗长，下文中光波导段这个术语还表示实际光波导6、8连同包围后者的套管2、3。

依据图1c，小型波导管1的结构不是封闭的，而是有一个纵向间隙101，其排布方式为待耦入或耦出光波导的光可通过间隙101。

左侧波导段2的两端均有一个端面9、10与光轴7成非垂直关系。因下文将说明的原因，这种情况下远离右侧波导段3的左端面9与光轴7约成45°角。朝向右侧波导段3的右端面10与光轴7的夹角为60°至67°之间。

要指出端面9、10的角度设计，特别是朝向另一个光波导段3的端面10的角度设计，绝不限于套管4的区域，相反在光纤6的区域内精确地有一个端面10的一个斜角。实际上，套管4和光纤6是一起为此抛光出一个斜角的。

同样，右侧光波导段3两端也各有一个端面10、12。此种端面11、12的精确设计在图2中用放大的详略进行了说明。

根据图2，波导段3在上述波导段的一个端面11共构成了三个区域。第一个区域是中心区域111，其中包括相应光波导段8的端面81，与光波导的光轴7垂直。与纵轴8垂直的中心区域111紧接着是径向分布的部分外圆角112。这种情况下，依据图1b和3c，圆角112相对于该布置的光轴7在另一个光波导段2的端面10上的方向相同，所以各端面在圆角112的区域内直接相互搭接。

最后，右侧光波导段3的端面11在下部区域有一个附加的斜角113，该斜角用于接近光波导8并连接部分外部圆角112。从图1b中可以看出，例如，斜角113在这种情况下位于光波导段3的端面11的这样一个区域中，从邻接光波导段2射出的光被反射入其中。这一点将参照图3b予以更为详细的说明。

光波导段3的另一个端面12同样有一个区域121(但较大)，与光轴7垂直并有外部圆角122径向与之相接。

图3a所示为邻接光波导段2、3的耦合区放大图。

它指出光波导段6、8均有一个光导纤芯区61、68与光纤包层相连。右侧光波导8是一个单模态光纤，有非常小的光导纤芯81。另一个光波导段2的光波导6最好为有渐变折射率分布图的多模态光纤。如果多个光纤段串在一起，则一个(右侧)光纤段也可设计为有渐变折射率分布图的多模态光纤。这种情况下，重要的一点是，在传送待耦出光纤中光的光纤段里，光尽可能保持其单模态性质，从而使只有一小束在从光波导段3射出后展宽。

特别是在图3a、3b中可以看出，在一个光波导段2的斜端面10上涂了一层具有波长选择性的滤光材料13。上述滤光材料的作用是特定波长的光在端面10上被反射，而其它波长的光可透过滤光材料13。这种具有波长选择性的滤光材料为已知的现有技术。

为能够分离波长或只有诸如50nm以下小间距的数据通道，图1至图4所示布置在邻接光波导段3、2的两个光导区81、61之间有一个间隙14，上述间隙在各光波导之间构成了一个自由传播区。右侧带部分外圆角112的光波导段3自然而然地形成该间隙。这种情况下，两个光波导6、8之间的自由传播区14的距离X可简单地用改变圆角112半径范围的方法进行调整。

光波导段2的端面10与光轴7之间的夹角最好60至67°之间，如上所述。

该布置的运算方法将参照图1b和3b进行具体说明。两种波长为λ1、λ2的光被耦入右侧光波导段3并沿光波导段3的左侧端面11的方向传播。在光波导段3的垂直端面111上，光从光纤8的纤芯射出并射入邻接光波导段2的端面111和端面10之间的自由传播区。这种情况下会发生射束展宽现象。为使后者尽可能小，右侧光波导段3的光波导8的数值孔径最好为0.1。采用具有单模态特性的光使之成为可能。

在有射束展宽的情况下，波导段3上经抛光所得的外圆角112半径尺寸具有相当的重要性，因为上述圆角的尺寸直接控制间隙宽度X从而控制射束展宽和邻接波导段2的光纤6上的光点尺寸。

从端面111射出的光，在通过自由传播区14射出后，射入带具有波长选择性的滤光材料的邻接波导段2的斜端面10上。具有波长选择性的滤光材料13将分离两种波长为λ1、λ2或通道，一个波长λ1透射过滤光材料，被折射向垂线方向且被耦入邻接光纤6。这种情况下，波导段2光纤6的纤芯61采用大于0.275的数值孔径，使光能够在最大程度上耦入。

耦入的光被导入光波导段2并馈入接收装置。为此，它被向下反射到例如根据图1b所示的右侧采用了镜面涂层设计的端面7上，并从玻璃套管4中垂直耦出。但波长为λ1的光也可用另一种方法检测。

至关重要的是，被具有波长选择性的滤光材料反射且波长为λ2的光，以与相应入射角对应的角度向下反射。这种情况下，反射角取决于端面10的抛光角度α。角度α为60°至67°保证了反射光以及透射光仅有较小的偏振依赖性。这一点很重要，因为导入光波导和接收的光并不是根据其偏振的方向而几何分布的或者随机波动的。反射角越大，则偏振依赖性越高。

斜角13的作用是保证波长为λ2的反射光可毫无阻碍地射过波导段3。然后用相对于光波导的纵轴7横向布置的检测器，如光电二极管检测光并进行计算。

图4所示为将耦入或耦出光波导布置的另一种配置，与图1到图3b所示具体实施例唯一不同之处是在一号光波导段3端面11上配置了斜角113。

在此具体实施例中，斜角113′斜度稍小，因而滤光材料13所反射的光并不射过波导段3，而是入射到斜角113′上。后者具有反射层18，因而入射的波长为λ2的光被再次反射。

现在的限制条件为两个端面或端面区10、113′的排布方式为相互镜面倒置。图4中所示角β等于180°-α。这样所得到的结果是，由于滤光材料13和反射层18的双重反射，波长为λ2的光被反射，再耦出，精密地垂直于光波导布置的纵轴7。探测器从而可以一种便于调节的方式布置得垂直于该布置的纵轴7，例如在安装板的平面上。

由于传播路径是双向的，上述布置也可用于将从传输组件耦入光波导，实现光耦入和耦出相结合，例如在双向数据业务中。在光耦入的情况下，来传输射组件的待耦入光通过具有波长选择性滤光材料13或有圆角的斜角113’聚集在光波导段8的纤芯上。

前述图中所述布置因而代表一种模块的基本构件，可以实现一个光波导中多种波长的光信号的耦入、耦出和传输等更广泛的组合。通过实例的方法，限制条件可为多个光波导段在光波导光轴的方向上一一相接布置，通过光波导段的斜端面耦入或耦出光，使多种波长可一一相接耦入和(或)耦出光波导。可根据需要实现不同波长光信号的多路传输/多路分解的各种组合。

图5和图6a、6b用图示的方法表示图1至图4所示布置的第一次应用，其中传输和接收组件以及光波导的耦合对特定波长起作用。

该布置有一个传输或接收组件15，例如激光二极管或光电二极管，布置在一个TO壳体20中。TO壳体20保持在一个接头或安装壳体30中，有一个带固定元件32的固定板31用于固定图1a至1c所示小型安装管的小型安装管1。如上所述，小型安装管1接收两个分别安装在玻璃套管4、5中的光波导段6、8。在这种情况下，各个端面仅在图5中用图形方式加以说明，且实际上采用了上文参照图1所述的配置。

在图示具体实施例中，传输或接收组件是激光二极管10，采用本来已知的方式布置在一个最好由硅构成的载体上。由激光二极管10发出的光通过一个反射棱镜反射到耦合透镜上，并通过上述透镜向上传播。

TO壳体20有一个底板21，带有四个电气套管，起着激光芯片10和监视二极管电气触点接头的作用。此外，TO壳体有一个壳体零件22，其顶面有一个窗口23，使激光二极管10发出的光向上传播，或者，如果在结构上该布置基本同一地设计为接收装置，检测的光可入射到接收组件中。TO壳体是已知

现有技术。

连接壳体30有一个圆柱形接受零件33以及前述的固定或安装板31。在这种情况下，接受零件33起着接收TO壳体20的作用。如图6b所示同样有一个窗口31a的固定板31，有两个纵向伸出的固定件件32，两个固定件间隔分布，相对布置，其上端折弯并形成一个导向区32a。固定元件32的作用是接收小型固定管1(或称为“分离套”)，有两个在直径方向相对的纵向凹槽41对应于接受区32a。小型安装管40可以无间隙的方式按压到固定元件上。

小型安装管1有一个连续的纵向槽101，其相对固定板布置的方式为它垂直指向下方，使发射二极管发出的光可从中透射。

带有纵向槽101的小型安装管1对玻璃套管4、5上施加一个轻微的弹簧力，用于补偿小型安装管内径公差。

光波导的光轴7与TO壳体的对称轴17基本垂直。

图7所示为另一种具体实施例，其中以上述形式采用了多个波导段，用于耦入一个波长及耦出两个其它波长(即所谓三端口双向组件)。在这种情况下，有连续布置在小型安装管1’中的三个带有对应于图1至4的端面的光波导段，不同波长λ1、λ2、λ3的光均在该端面被耦入或耦出。光波导段安装在指定的TO模块120a、120b、120c上。以实例的方式，右侧TO模块120c将波长为λ3的光耦入光波导，而其它两个TO模块120a、120b则将另外两个波长为λ1、λ2的光耦出光波导，如图所示。

波长λ1的范围为1550至1560nm，波长λ2的范围为1480至1500nm，而波长λ3则约为1300nm。

布置在小型安装管1′中的三个光波导段，例如，一一相接布置的一根单模态光纤、一根有渐变折射率分布图而纤芯直径为50μm的光纤以及一根有渐变折射率分布图而纤芯直径为62.5λm的光纤。这样确保耦入新光波导段的光也尽可能用有单模态性质导引。

图8所示为一个具体实施例，其中传输嵌接收组件(未单独图示)不是布置在TO壳体，而是布置在一个如图所示的半导体壳体120内。半导体壳体120为传输或接收组件和触点接头提供了一个载体(图中未表示)，传输和接收组件可借此连接到印刷电路板上。

如图1至5所示的多个光波导段最好也构造在连续的小型安装管1″中。小型安装管1″以类似于图5的方式固定在半导体壳体120上(图中未表示)。为了让光线通过，半导体壳体在面向小型安装管1″的一侧均有一个出光口。

该布置的运算方法与上述布置一样，所以可参考有关此方面的说明。