專利名稱：雙向光通信設(shè)備器件和雙向光通信裝置的制作方法
發(fā)明的背景本發(fā)明涉及一種用于進(jìn)行光信號的發(fā)射和接收的雙向光通信設(shè)備和雙向光通信裝置，特別是涉及一種用在民用通信、電子設(shè)備間的通信及帶有如塑料光纖的多模光纖作為傳輸介質(zhì)的LAN(局域網(wǎng))中的雙向光通信設(shè)備和雙向光通信裝置。
隨著信息化社會的發(fā)展，使用光纖的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也日益受到人們的注意。特別是隨著最近低損耗寬帶POF(塑料光纖)技術(shù)的發(fā)展，將光纖應(yīng)用于民用通信和LAN中的技術(shù)也正在進(jìn)行。在用光纖作為傳輸介質(zhì)而發(fā)射和接收具有相同波長信號光的光通信設(shè)備中，引導(dǎo)系統(tǒng)(the leading system)已成為一個使用雙光纖的全雙工系統(tǒng)。但是，使用兩根光纖帶來了難于縮小光學(xué)裝置的問題并使光纖的成本隨傳輸距離的增加而增大。因此，曾提出過一種進(jìn)行全雙工光通信的雙向光通信裝置。
在這種使用一條光纖的雙向光通信裝置中，發(fā)射和接收是在同一條光纖中進(jìn)行的，重要的是要避免發(fā)射信號和接收信號的干擾。發(fā)射信號干擾接收信號的主要原因包括(1)當(dāng)發(fā)射信號進(jìn)入光纖時在該光纖的端面上進(jìn)行了反射(以下稱作“近端反射”)，(2)當(dāng)經(jīng)光纖傳輸過的發(fā)射信號從光纖出來時在該光纖的端面上進(jìn)行了反射(以下稱作“遠(yuǎn)端反射”)，(3)來自遠(yuǎn)程雙向光通信裝置的反射(以下稱作“遠(yuǎn)程模塊反射”)，及(4)在雙向光通信裝置內(nèi)的內(nèi)部雜散光(以下稱作“雜散光”)。
在(1)到(4)的四種原因中，(2)的遠(yuǎn)端反射由光纖的端面形狀來確定，故而難以用雙向光通信裝置的結(jié)構(gòu)來控制遠(yuǎn)端反射。例如，在塑料光纖中，如果具有一垂直于光軸的平坦的端面，從光纖出來的光因纖芯和空氣之間的折射率的差異而使得遠(yuǎn)端反射增加了約4％。因此，眾所周知的一種方法是通過處理光纖的端面來減少遠(yuǎn)端反射。根據(jù)光纖端面的形狀減少遠(yuǎn)端反射，公知有效的是使用如在日本專利公開說明書平成11-72622中披露的如球面和橢球面的曲面。
傳統(tǒng)的能用一條光纖進(jìn)行全雙工通信的雙向光通信裝置采用了從光纖端面中心沿徑向方向移動發(fā)射光的入射位置和在沒有光從光纖反射回來的(近端反射)入射位置處設(shè)置光接收元件的方法，如日本專利公開說明書平成11-27217、平成11-237535和平成11-352364中所披露的那樣。該方法將參照

圖14所示的雙向光通信裝置進(jìn)行說明。
在圖14中，從光發(fā)射元件304發(fā)出的發(fā)射光313由一透鏡306會聚，同時其光路由一豎板式反射鏡308改變，以便在偏離開光纖302的端面中心位置處入射。從光纖302射出的接收光309耦合到一設(shè)置在光纖302相對端的光接收元件305上。其光路由豎板式反射鏡308改變的發(fā)射光31在進(jìn)入光纖302時具有一個從周邊部分傾向光纖302中心的斜度。因此，被光纖302反射的反射光317指向光纖302的周邊部分，且照射在除了光接收元件305以外的區(qū)域，由此可避免因近端反射而產(chǎn)生的干擾。而且，減小發(fā)射光313的數(shù)值孔徑(NA)可以減少反射光317的傳播，從而確保不發(fā)生近端反射。
但是，將圖14所示的雙向光通信設(shè)備應(yīng)用于使用一根其端面為如球狀的曲面光纖的情況會出現(xiàn)以下的問題。
入射到光纖的發(fā)射光因光纖的纖芯與外界(空氣)之間的折射率不同而發(fā)生折射。例如，在具有球形端面的光纖中，其入射位置沿徑向方向移離光纖端面中心的發(fā)射光朝光纖的中心方向折射，且其折射角隨入射到光纖的發(fā)射光的位置越接近光纖的周邊部分而變得越大。在這種情況下，如圖15所示，光纖2內(nèi)的發(fā)射光8包括一個具有相對于光纖2光軸為一大角度的主(dominant)分量(高次模)和一個具有相對于光纖2的光軸為一小角度的小(fractional)分量(低次模)。通常，發(fā)射光8的模式在經(jīng)光纖2傳輸時被轉(zhuǎn)換，使得從光纖2而輸出的光的分布只取決于光纖2的特性而不會受入射光的狀態(tài)影響。因此，只需考慮將發(fā)射光8耦合到光纖2的條件就可以使發(fā)射光8進(jìn)入光纖2(根據(jù)光纖2的數(shù)值孔徑NA而減小發(fā)射光8的數(shù)值孔徑(NA))。但是，近年來，設(shè)備內(nèi)部傳輸中的所需傳輸容量增加了，且采用光纖的通信已開始應(yīng)用于傳輸距離為1米(m)的情況，從而帶來了新的問題。即，短的傳輸距離妨礙了模式的充分轉(zhuǎn)換，且其出射光受到了入射光狀態(tài)的影響極大。例如，如圖15所示，當(dāng)發(fā)射光8的入射位置沿徑向方向移離光纖2的球形端面的中心時，出射光的輻射強(qiáng)度如圖16的實(shí)線所示地為一環(huán)形分布，從光纖的中心部分輻射的光量小、而從光纖的周邊部分輻射的光量大。在具有多個如POF模式的大直徑光纖的情況下，該影響尤為明顯。
在傳輸距離長或發(fā)射光進(jìn)入光纖中部的情況下，如圖16的虛線所示，可得到一個從光纖中心的輻射強(qiáng)度大的分布。這樣，無論接收光如何，因發(fā)射光的傳輸距離或入射條件引起的光纖輸出光的輻射強(qiáng)度分布的顯著的改變都使得接收效率受到了巨大的損失，導(dǎo)致其超出了動態(tài)范圍。特別是在用一根光纖進(jìn)行全雙工通信的雙向光通信設(shè)備中，發(fā)射光的入射位置沿徑向方向移離光纖端面的中心，加大了接收效率的波動并限制了傳輸距離。
而且，由于減少遠(yuǎn)端模塊反射的方法還沒被公開，所以傳統(tǒng)的雙向光通信設(shè)備遭受了因遠(yuǎn)端模塊反射帶來的不利影響。
本發(fā)明的概述本發(fā)明的目的是提供一種能用一根光纖進(jìn)行全雙工雙向通信，且價格低廉的小尺寸雙向光通信設(shè)備和雙向光通信裝置，它通過減小因傳輸距離改變帶來的接收效率的波動和減少發(fā)射光與接收光之間的干擾來降低對傳輸距離的限制。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用一根具有彎曲端面的光纖作為傳輸介質(zhì)來進(jìn)行光信號的發(fā)送和接收的雙向光通信設(shè)備，包括一產(chǎn)生發(fā)射光的光發(fā)射元件；一會聚從該光發(fā)射元件發(fā)射的發(fā)射光并將該發(fā)射光耦合到光纖的會聚元件；一接收從光纖發(fā)出的接收光的光接收元件，其中滿足θfb≤0≤θfa或 θfa≤0≤θfb在光纖的光軸與進(jìn)入具有數(shù)值孔徑NA的光纖之后的最外層處的發(fā)射光之間的傾斜角θfa和θfb如下表示時θfa＝sin-1[{n0sin(θL+sin-1(NA)/n0+θT)}/nf]-θTθfb＝sin-1[{n0sin(θL-sin-1(NA)/n0+θT)}/nf]-θT其中，θL為進(jìn)入光纖之前的發(fā)射光的光軸和光纖光軸之間的夾角，θT為在發(fā)射光耦合到光纖的位置處的垂直于光纖端面的直線與光纖光軸之間的夾角，NA表示在進(jìn)入光纖之前由會聚元件所會聚的發(fā)射光的數(shù)值孔徑，nf表示光纖纖芯的折射率，n0表示在進(jìn)入光纖之前發(fā)射光所經(jīng)過的空間的折射率。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的雙向光通信設(shè)備，發(fā)射光進(jìn)入光纖使得在光纖的光軸與進(jìn)入具有數(shù)值孔徑NA的光纖之后的最外層處的發(fā)射光之間的傾斜角θfa和θfb滿足上述條件。因此，入射進(jìn)光纖的發(fā)射光包括低次模式，使得從光纖另一端輸出的輻射光不顯示為光纖的周邊部分大于中心部分的環(huán)形分布，從而可提供一實(shí)現(xiàn)即使采用具有短傳輸距離的光纖在0°輻射角的最大的輻射強(qiáng)度的出射光的分布。這樣便可降低來自光纖的出射光的輻射強(qiáng)度分布的波動，并通過控制因傳輸距離產(chǎn)生的接收效率的波動來減少對傳輸距離的限制。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，發(fā)射光進(jìn)入光纖端面時具有從中心軸線側(cè)向光纖的周邊部分一側(cè)傾斜的發(fā)射光的光軸。
根據(jù)上述實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備，使發(fā)射光進(jìn)入光纖端面時具有從中心軸線側(cè)向光纖的周邊部分一側(cè)傾斜的發(fā)射光的光軸，該設(shè)備使得發(fā)射光入射到光纖端面的更外側(cè)，它可減小發(fā)送區(qū)域并擴(kuò)大接收區(qū)域，從而改善接收效率。而且，發(fā)射光可使從光纖端面進(jìn)入的反射光指向光纖的外部，由此來實(shí)施對近端反射的控制。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，雙向光通信設(shè)備還包括一設(shè)置在會聚元件和光纖之間用于改變發(fā)射光光路的光路改變元件，以在光纖端面上將發(fā)射光引向沿徑向方向離開中心位置。
根據(jù)上述實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備，設(shè)置在會聚元件和光纖之間的光路改變元件改變發(fā)射光的光路，使得發(fā)射光在光纖端面上被引向沿徑向方向而離開光纖端面中心位置，便于入射到光纖的發(fā)射光的入射角的最佳化，及縮小該雙向光通信設(shè)備的尺寸和放大接收區(qū)域，從而改善接收效率。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，光路改變元件為一棱鏡，以通過折射發(fā)射光來改變發(fā)射光的光路。
根據(jù)上述實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備，經(jīng)發(fā)射光的折射改變發(fā)射光的光路的棱鏡設(shè)置在光纖附近，它可增加發(fā)送部分和接收部分的設(shè)置自由度，以使光路正好在光纖之前改變。同樣，棱鏡的傾斜角的合理設(shè)置可減少遠(yuǎn)程模塊反射。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，會聚元件具有改變發(fā)射光的光路的光路改變功能，以便在光纖端面上將發(fā)射光引向沿徑向方向離開中心的位置。
根據(jù)上述實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備，使用了具有改變發(fā)射光的光路的會聚元件，改變發(fā)射光的光路使得在光纖端面上發(fā)射光被引向沿徑向方向離開中心的位置。因此，發(fā)射光的會聚和光路改變可以用一個元件來完成，實(shí)現(xiàn)了低成本和小尺寸。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，會聚元件為一凹面反射鏡，它通過使用發(fā)射光的反射來改變發(fā)射光的光路以會聚發(fā)射光。
根據(jù)上述實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備，通過使用發(fā)射光的反射來改變發(fā)射光的光路以會聚發(fā)射光的凹面反射鏡設(shè)置在光纖附近。因此，該反射鏡使光路正好在光纖之前改變，可增加發(fā)送部分和接收部分的設(shè)置自由度。
本發(fā)明還提供一種具有多個光學(xué)耦合到光纖的每一端的雙向光通信設(shè)備的雙向光通信裝置，用以完成用光纖作為傳輸介質(zhì)的多個雙向光通信設(shè)備之間的光信號的發(fā)送和接收，其中，多個雙向光通信設(shè)備中的至少一個為上面所定義的雙向光通信設(shè)備。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的雙向光通信裝置，上述定義的雙向光通信設(shè)備用作多個光學(xué)耦合到光纖的每一端的雙向光通信設(shè)備中的至少一個。它可用一根光纖進(jìn)行全雙工通信，并減少因傳輸距離而引起的接收效率的波動，以減小對傳輸距離的限制，提供廉價小尺寸的雙向光通信裝置。
圖的簡述通過以下的詳細(xì)描述并參考僅以圖示給出的附圖，可以更加全面地理解本發(fā)明，其不作為對本發(fā)明的限定，其中圖1是使用根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備的雙向光通信裝置的基本結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是雙向光通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是光纖的發(fā)送區(qū)域和接收區(qū)域的示意圖；圖4示出了雙向光通信設(shè)備的避免干擾的原理圖；圖5示出了雙向光通信設(shè)備的避免遠(yuǎn)程模塊反射的原理圖；圖6是光纖端面形狀的示意圖；圖7是入射到光纖的發(fā)射光的入射狀態(tài)示意圖；圖8是入射到光纖的發(fā)射光的入射狀態(tài)的示意圖；圖9是雙向光通信設(shè)備的棱鏡角度的最佳值的示意圖10是雙向光通信設(shè)備的棱鏡角度的最佳值的示意圖；圖11是通過棱鏡角從光纖出射的光的輻射強(qiáng)度分布圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖14是傳統(tǒng)的雙向光通信設(shè)備的示意圖；圖15是入射到具有球形端面的光纖的發(fā)射光的入射狀態(tài)的示意圖；和圖16示出了從光纖出射的光的輻射強(qiáng)度分布圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明參考附圖，以下描述本發(fā)明的雙向光通信設(shè)備和雙向光通信裝置。
圖1是使用根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備的雙向光通信裝置的基本結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖1所示，雙向光通信裝置3具有一用于傳輸受待傳輸數(shù)據(jù)信號調(diào)制的光的光纖2，并具有雙向光通信設(shè)備1，其每個都連接到光纖2的兩端以便進(jìn)行光學(xué)耦合。
圖2是雙向光通信設(shè)備1的示意性結(jié)構(gòu)的剖視圖。該雙向光通信設(shè)備1包括一個用于產(chǎn)生受數(shù)據(jù)信號調(diào)制的發(fā)射光8的光發(fā)射元件4、一個用于接收來自光纖2的接收光9并產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號的光接收元件5、一個起會聚由光發(fā)射元件4發(fā)射的發(fā)射光8并將其耦合到光纖2的會聚元件作用的傳輸透鏡6、和一個用于反射光纖2輸出的接收光9并將其耦合到光接收元件5的反射鏡7。傳輸透鏡6和反射鏡7都形成在光學(xué)元件10中。光發(fā)射元件4安裝在如SiC的副支架12上。這些組成元件(光發(fā)射元件4、光接收元件5、光學(xué)元件10和副支架12)都成一直線地設(shè)置在管座13上。管座13電連接到一個未示出的控制回路。
由光發(fā)射元件4產(chǎn)生的發(fā)射光8按照光發(fā)射元件4的輻射角徑向發(fā)散。接著在傳輸透鏡6中，發(fā)射光8被會聚到一個任意可變的的數(shù)值孔徑中，在穿過光學(xué)元件10之后，發(fā)射光8耦合到具有球形端面的光纖2。由光纖2發(fā)射的接收光9被反射鏡7朝光接收元件5的方向反射，同時被具有曲率的反射鏡7會聚，以便耦合到光接收元件5。在如上所示的光纖2的孔徑內(nèi)，將發(fā)射光8與接收光9空間地隔開的情況下，在光纖2中發(fā)射光8入射位置處沒有輸出的接收光9被耦合到光接收元件5。因此，光纖2中的發(fā)射光8的入射位置設(shè)在光纖2端面的周邊側(cè)。且傳輸區(qū)設(shè)定得小，以使接收光9有效地耦合到光接收元件5。
同樣，光學(xué)元件10有一棱鏡11作為光路改變元件，它在發(fā)射光8的入射面上朝向光纖2的光軸傾斜，由此發(fā)射光8被折射使得其光路被改變，將發(fā)射光8入射到光纖2的端面。部分反射鏡7(遮擋部分16)設(shè)置成與光纖2接觸或相靠近。
進(jìn)入光纖2的部分發(fā)射光8由光纖2的端面反射。光纖2中的發(fā)射光8的反射光被反射鏡7的遮擋部分16遮擋住，故而沒有耦合到光接收元件5，從而避免了因近端反射帶來的干擾。
而且，在發(fā)射光與接收光僅在一個光纖2中空間隔開的情況下，如圖3所示通過減小耦合到光纖2的發(fā)射光8所占用的傳輸區(qū)域，可以擴(kuò)大接收區(qū)域并增加可用的接收光9，從而為雙向光通信設(shè)備提供了好的接收效率。重要的是以盡可能小的光損耗來完成發(fā)射光8和接收光9的隔離。在第一實(shí)施例所公開的方法中，發(fā)射光和接收光的隔離是通過一薄膜反射鏡7來進(jìn)行的，遮擋部分的損耗基本上等于零。另外，發(fā)射光8可在反射鏡7的最近處穿過，它幾乎消除了傳輸區(qū)域和接收區(qū)域之間的邊界，從而放大了接收區(qū)域。
下面參照圖4說明防止近端反射和雜散光的原理。
如圖4所示，發(fā)射光8由光學(xué)元件10的棱鏡11折射，使得發(fā)射光8進(jìn)入光纖2端面時具有從中心軸側(cè)朝向光纖2的周邊側(cè)傾斜的折射發(fā)射光8的光軸。來自光纖2端面的大部分反射光17與朝向光纖2周邊側(cè)的光接收元件的相反方向被反射，它減少了因近端反射帶來的干擾的發(fā)生。特別是，近端反射的避免最好通過將發(fā)射光8的光軸從中心軸側(cè)朝向光纖2的周邊側(cè)傾斜來實(shí)現(xiàn)，以便發(fā)射光8可進(jìn)入光纖2的端面，但是，由于數(shù)值孔徑或灰塵引起發(fā)射光散射而產(chǎn)生的散射光，它朝向光接收元件5一側(cè)反射，從而產(chǎn)生干擾。在該第一實(shí)施例中，構(gòu)成光學(xué)元件10的棱鏡11頂部和部分反射鏡7的遮擋部分16，被設(shè)置成與光纖2接觸，或?qū)⑵渲糜陔x開光纖幾十或幾百微米的位置處，使得包含散射光22的反射光17被反射鏡7的與接收光9進(jìn)入面相反的表面所反射(遮擋)，從而防止其入射到光接收元件5一側(cè)。
同樣，由光發(fā)射元件4所發(fā)射的部分發(fā)射光8沒有進(jìn)入傳輸透鏡6而是變成了在雙向光通信設(shè)備1中散射的雜散光18。但是，光接收元件5由反射鏡7與光發(fā)射元件4一側(cè)上的光學(xué)元件10光學(xué)地隔開，它可以防止雜散光18耦合到光接收元件5。而且，即使可能因光發(fā)射元件4的安裝誤差引起光發(fā)射元件4的位移，意外的雜散光18也不會進(jìn)入光接收元件5。它允許光發(fā)射元件4的安裝誤差增加，從而減少了安裝成本。盡管反射光17也在雙向光通信設(shè)備1中散射，但它出于同樣的理由也不會耦合到光接收元件5。特別是，反射鏡7具有反射并會聚接收光9和將其耦合到光接收元件5的作用，并具有將反射光17、散射光22和雜散光18與光接收元件5隔開的作用。所用的反射鏡7通過蒸發(fā)法將鋁等薄膜沉積在光學(xué)元件10上形成。另外，由于光接收元件5由反射鏡7隔開，所以不必考慮雜散光的影響就可確定發(fā)射元件4的布置，它增加了雙向光通信設(shè)備1的自由度并實(shí)現(xiàn)了簡化安裝調(diào)整結(jié)構(gòu)。
下面結(jié)合圖5來說明防止遠(yuǎn)程模塊反射的原理。
第一實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備1內(nèi)的遠(yuǎn)程模塊反射的發(fā)生歸因于兩個因素一個是將光接收元件5表面上所反射的元件反射光19再次耦合到光纖2，另一個是棱鏡反射光20再次耦合到光纖2中，該反射光20是光學(xué)元件10(主要是棱鏡11)照射面所反射的且從光纖2中輸出的一部分接收光9。
如圖5所示，光接收元件5的光接收表面通常為一減反射涂層，如由氮化硅等薄膜制成，用于防止接收光9的反射和改善接收效率。但是，不是所有的接收光9都進(jìn)入光接收表面，而是有一部分進(jìn)入除光接收表面之外的區(qū)域并在那兒反射，從而產(chǎn)生遠(yuǎn)程模塊反射。因此，將除光接收表面之外的區(qū)域設(shè)計成一減反射涂層，如用在使用的波長范圍內(nèi)的具有高的光吸收系數(shù)和低反射系數(shù)的材料制成的黑色保護(hù)層，以確保對遠(yuǎn)程模塊反射的限制。
同樣，即使棱鏡反射光20進(jìn)入光纖2，通過優(yōu)化棱鏡11的傾斜角θp也可防止棱鏡反射光20的再次耦合。特別是，棱鏡反射光20會以一個大于光纖2的數(shù)值孔徑的角度(入射光瞳的半徑對物點(diǎn)的角度)進(jìn)入光纖2。通過設(shè)定棱鏡11對光纖2的光軸的傾斜角等于或大于光纖2的數(shù)值孔徑NA來實(shí)現(xiàn)。例如，對于數(shù)值孔徑NA為0.3的光纖2，傾斜角θp應(yīng)等于或大于10°，最好是等于或大于17°。也可在用接收光9輻射的光學(xué)元件10的表面(棱鏡11形成在其上)上提供一AR涂層，用以減少反射系數(shù)。但是，如果棱鏡11的傾斜角θp改變，則發(fā)射光8入射到光纖2的角度也改變，必需考慮在使用后面描述的短光纖2時防止出射光的環(huán)形輻射強(qiáng)度分布的情況來設(shè)定棱鏡11的傾斜角θp。
現(xiàn)在說明光纖的遠(yuǎn)端反射。
在光纖的端面垂直于光軸的情況下，空氣與光纖間的折射率不同導(dǎo)致了約4％的遠(yuǎn)端反射。該遠(yuǎn)端反射可通過設(shè)計光纖端面的形狀來減少。例如，采用將光纖2A的端面如圖6A所示地朝光軸傾斜的方法，和采用使光纖2B的端面如圖6B所示地彎曲的方法。在該兩種方法中，通過改變光纖2A和2B的端面上的遠(yuǎn)端反射的方向使反射光的角度大于光纖2A和2B的數(shù)值孔徑，從而使得遠(yuǎn)端反射不會在光纖2A和2B內(nèi)發(fā)生。但是，在端面如圖6A所示地傾斜的情況下，光纖2A繞其軸的轉(zhuǎn)動改變了傾斜方向，難以防止近端反射。光纖2B具有固定的端面傾斜方向，它使光纖2B要有固定的插入方向，從而損失了其便捷性。因此，光纖2B的端面最好是一具有關(guān)于光纖2B的中心軸對稱的曲面。鑒于其處理工藝，更優(yōu)選地是將端面的形狀設(shè)定為球面。特別是在POF中，將任意形狀的熔融熱板壓制成端面可簡化傾斜處理過程和球面處理過程。同樣，將光纖的端面成型為球面可會聚和入射接收光，產(chǎn)生了改善接收效率的效果。
下面將說明發(fā)射光入射到光纖的角度。
在發(fā)射光8進(jìn)入具有如圖15所示的曲面端面的光纖2的情況下，在發(fā)射光8進(jìn)入光纖2之后，發(fā)射光8的光軸因折射而改變。例如，在約為1米短的光纖2中，在進(jìn)入光纖2之后發(fā)射光8的光軸方向改變了從光纖2的另一端輸出光的輻射強(qiáng)度分布。在約為50米長的光纖2中，發(fā)射光9的模式在傳播期間改變，使得從另一端輸出的輻射光呈現(xiàn)為由光纖2結(jié)構(gòu)(數(shù)值孔徑NA)確定的分布，而不取決于入射條件。尤其是在進(jìn)入光纖2的大部分發(fā)射光8為高次模式的情況下，從光纖2出射的光可呈現(xiàn)為環(huán)形分布，其中輻射強(qiáng)度的峰值不在0°輻射角處，如圖16的實(shí)線所示。在光纖2中發(fā)射光8光軸朝向光纖2的傾斜小的情況下(低次模式是占主要)，呈現(xiàn)為如圖16虛線所示的輻射強(qiáng)度峰值在0°輻射角處的分布。在長傳輸距離的情況下，呈現(xiàn)為如圖16虛線所示的輻射強(qiáng)度峰值在0°輻射角處的分布。大的輸出光輻射強(qiáng)度分布變化引起了接收效率的波動，且超出接收系統(tǒng)動態(tài)范圍的輻射強(qiáng)度會阻礙接收，從而限制了傳輸距離。因此，優(yōu)選的是，給來自光纖2的出射光提供一不依賴于傳輸距離的如圖16虛線所示的輻射強(qiáng)度峰值在0°輻射角處的分布。
為此，入射到光纖2的發(fā)射光8的入射角應(yīng)使發(fā)射光8入射到光纖2后為低次模式。特別是，在進(jìn)入光纖2之后，部分發(fā)射光8平行于光纖2的光軸。
現(xiàn)在來說明發(fā)射光8的入射角，它是入射到光纖2后的允許低次模存在的條件。
圖7是入射到光纖的發(fā)射光的入射狀態(tài)的示意圖，其中，θL表示光纖2的光軸與發(fā)射光8的光軸間的角度，R為光線的端面的曲率半徑，而S為入射到光纖2的發(fā)射光8的入射位置，它沿徑向方向移離光纖2的中心軸用r表示。在位置S，垂直線與光纖2的光軸間的角度θT由下式表示θT＝Sin-1(r/R)因此，當(dāng)nf為光纖2的纖芯的折射率、no為外界(空氣)的折射率、而θf為進(jìn)入光纖2之后的發(fā)射光8的光軸與光纖2的光軸間的角度時，形成為以下表達(dá)式θf＝Sin-1{no/nfSin(θL+θT)}-θT(1)同樣，如圖8所示，考慮因發(fā)射光8的數(shù)值孔徑引起的散射，光纖2的光軸與進(jìn)入具有數(shù)值孔徑NA的光纖2之后的在最外層處的發(fā)射光8之間的角度θfa、θfb如下表示時θfa＝sin-1[{n0sin(θL+sin-1(NA)/n0+θT)}/nf]-θT(2)θfb＝sin-1[{n0sin(θL-sin-1(NA)/n0+θT)}/nf]-θT(3)在發(fā)射光8進(jìn)入光纖2之后，如果至少滿足下列條件則可存在平行于光纖2的光軸的分量(低次模)θfb≤0≤θfa或 θfa≤0≤θfb(4)滿足上述條件入射到光纖2的發(fā)射光8，即使在短光纖2的情況下也可獲得輻射強(qiáng)度峰值在0°輻射角處的分布。
現(xiàn)在詳細(xì)說明圖2所示第一實(shí)施例中的雙向光通信設(shè)備1的情況。
如圖2所示，發(fā)射光8平行于光纖2光軸地從光發(fā)射元件4發(fā)出，并在傳輸透鏡6中被轉(zhuǎn)換成具有任意的數(shù)值孔徑NA打的光束。在傳輸透鏡6中被轉(zhuǎn)換的發(fā)射光8被棱鏡11折射以便改變其入射到光纖2的角度。例如，在使用具有1mm的孔徑的POF(折射率nf＝1.5)作為光纖2的情況下，光纖端面的曲率半徑R＝1.6mm、確定入射位置的距離r＝0.48mm、發(fā)射光8的數(shù)值孔徑NA＝0.1、外界(空氣)的折射率n0＝1、且光學(xué)元件10的折射率nB＝1.5，則棱鏡11的傾斜角θp與θfa、θfb之間的關(guān)系如圖9所示地表示。在僅有發(fā)射光8入射到光纖2的入射位置改變成r＝0.28mm的情況下，該關(guān)系為如圖10所示的情形。
特別是，在入射位置r＝0.48mm的情況下，棱鏡11的傾斜角θp滿足表達(dá)在式(1)為0.4°到31.6°，而入射位置r＝0.28mm的情況下，該角度為-6.8°到25.6°。在這些情況下，可提供從光纖2出射光的分布，其中在不考慮光纖2長度時，輻射強(qiáng)度在0°輻射角處總是為峰值。
圖11示出了在入射位置r＝0.28mm的情況下的從1m長的光纖2發(fā)射的出射光的輻射強(qiáng)度分布的測量結(jié)果。在棱鏡11的傾斜角θp為10°的情況下，提供了在0°輻射角處輻射強(qiáng)度為峰值的分布，而在傾斜角θp為26°的情況下，在0°輻射角處輻射強(qiáng)度稍有減少，在傾斜角θp為30°的情況下，則為完全的環(huán)形分布。在棱鏡11的傾斜角θp小的情況下，當(dāng)角度為-7°時提供了與26°相同的分布，因此將棱鏡11的傾斜角設(shè)定在-6°到25°的范圍內(nèi)可提供在0°輻射角處輻射強(qiáng)度為峰值的分布。
同樣，光纖2相對雙向光通信設(shè)備1的位置，因光纖2自身纖芯直徑的誤差或雙向光通信設(shè)備1安裝誤差而波動。例如，在使用具有1mm孔徑的POF作為光纖2的情況下，其纖芯直徑誤差大約為±60μm(JIS C6837)，考慮到安裝誤差，會產(chǎn)生大約±100μm的軸位移。因此，必須設(shè)定棱鏡11的傾斜角θp以允許該軸位移。如果將入射到光纖2的發(fā)射光8的入射位置設(shè)為r＝0.38mm，則角度隨因誤差引起的具有±100μm的軸位移在r＝0.28到r＝0.48mm的范圍內(nèi)波動。因此，根據(jù)圖9和圖10，必須將棱鏡11的傾斜角θp設(shè)定在1.4°到25.6°的范圍內(nèi)，使得r＝0.48mm和r＝0.28mm時都能滿足表達(dá)式(4)。
棱鏡11具有減少遠(yuǎn)程模塊反射的作用。由于該影響隨棱鏡11的傾斜角θp變大而擴(kuò)大，所以優(yōu)選為使棱鏡11的傾斜角θp設(shè)定為一個接近上限的值(圍繞20°到25°)。在這種情況下，發(fā)射光8進(jìn)入光纖2的端面時具有從光纖2中心軸側(cè)朝著周邊側(cè)傾斜的發(fā)射光8光軸，進(jìn)而限制了如前所述的近端反射。
如上所述，通過按表達(dá)式(2)、(3)、(4)設(shè)定入射到光纖2的發(fā)射光8的角度，可減小因傳輸距離帶來的光纖2出射光輻射強(qiáng)度分布的波動，為雙向光通信設(shè)備1提供小的接收效率波動，并能進(jìn)行從短距離到長距離的各種通信。
另外，使用棱鏡11改變靠近光纖2的發(fā)射光8光路，可增加傳輸系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的設(shè)置自由度，從而提供小尺寸高效率的雙向光通信設(shè)備1。
現(xiàn)在描述防止電和電磁干擾的方法。
在圖2中，管座13與光接收元件5的接地端相連。副支架12由如SiC的絕緣材料組成，它電隔離開光發(fā)射元件4和光接收元件5。反射鏡7也在光學(xué)元件10下面形成一電極21，電極21將反射鏡電連接到管座13。尤其是，考慮到光發(fā)射元件4，使光接收元件5被反射鏡7和管座遮擋，以控制電磁干擾。反射鏡7用具有高反射和導(dǎo)電性的材料如鋁合金從圖2中的光學(xué)元件10的左下側(cè)沉積而成。與此同時，形成電極21。反射鏡7和電極21組成了光學(xué)元件10下側(cè)的整個表面，使得它們不用掩膜等構(gòu)形便可容易地形成。光發(fā)射元件4和監(jiān)測光電二極管14用透明罩15蓋住。透明罩15連接到光學(xué)元件10和管座13，并從將光發(fā)射元件4與外界空氣隔開。透明罩15還電連接到管座13，用于將光發(fā)射元件4與外界空氣電磁密封。部分光學(xué)元件10用作光發(fā)射元件4的一部分密封元件(等效于專用的覆蓋玻璃)，可減少組件數(shù)目、降低組件的成本并簡化制造工藝。
最好是使用多模光纖如POF作為光纖2。POF有一個用具有好的透光性如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)和聚碳酸酯的塑性材料制成的纖芯和一個用折射率低于纖芯的塑性材料制成的包層。這樣的光纖2比石英光纖易于增加纖芯的直徑，從約200μm增加到1mm，易于進(jìn)行耦合到雙向光通信設(shè)備1的調(diào)節(jié)，從而提供廉價的雙向光通信裝置3。如第一實(shí)施例所示，為了發(fā)射光8和接收光9之間的空間間隔，最好使纖芯直徑約為1mm。
其它可使用的光纖包括具有用石英玻璃制成纖芯和用聚合物制成的包層的PCF(塑料包層光纖)。盡管PCF比POF貴，但它具有小的傳輸損耗和寬的傳輸頻帶。由于這一特點(diǎn)，用作傳輸介質(zhì)的PCF實(shí)現(xiàn)了雙向光通信裝置3的長距離傳輸和高速傳輸。
使用半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管(LED)作為光發(fā)射元件4。優(yōu)選的光發(fā)射元件4具有在使用的光纖2的傳輸損耗小的波長且價格便宜。例如在使用POF作為光纖2時，可使用具有波長為650nm半導(dǎo)體激光器等，可進(jìn)行在DVD(數(shù)字多功能光盤)等中的批量生產(chǎn)。監(jiān)測光電二極管14設(shè)置在光發(fā)射元件4的后側(cè)用于保持光發(fā)射元件4的光量恒定。
用光電二極管作為光接收元件5，它把所接收的調(diào)制光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變成電信號，并在光發(fā)射元件4的波長區(qū)域內(nèi)具有高敏感性，如PIN光電二極管和由二氧化硅制成的雪崩光電二極管。
光學(xué)元件10通過注塑模由例如PMMA和聚碳酸酯的塑性材料制成，且可以通過蒸發(fā)法等在反射鏡7的側(cè)面上形成用具有高反射性的鋁合金等金屬薄膜。從如圖2所示的光學(xué)元件10的左下側(cè)沉積反射鏡7使其不必構(gòu)形掩膜而簡單地成形。反射鏡7具有凹的表面并用于會聚接收光9。在同光學(xué)元件10的下面的管座13接觸的表面上，形成有電極21。該電極21通過蒸發(fā)法同反射鏡7一起形成，其至少一部分與反射鏡7結(jié)合。在光學(xué)元件10中，形成有一個定位槽口(未示出)，它用于將光發(fā)射元件4和用于會聚發(fā)射光8并將其耦合到光纖2上的傳輸透鏡6、用于折射發(fā)射光8以保證發(fā)射光8進(jìn)入光纖2的棱鏡11進(jìn)行定位。光學(xué)元件10同樣用作光發(fā)射元件4的密封元件。為光學(xué)元件10提供上述多種功能，可以極大地減少組成的元件數(shù)量并減小安裝誤差，由此可以提供一種低成本的小型雙向光通信設(shè)備1。另外，光發(fā)射元件4、光接收元件5和光學(xué)元件10可以平行于光纖2光軸地設(shè)置在一個管座13上，這樣可以省去復(fù)雜的安裝過程，從而極大地減化安裝過程。
如第一實(shí)施例中所述，利用雙向光通信設(shè)備1作為構(gòu)成雙向光通信裝置3的雙向光通信設(shè)備中的至少一個可以阻止由于近端反射、遠(yuǎn)端反射、遠(yuǎn)程模塊反射和雜散光的干擾，并且可以減小光和電磁的干擾，僅用一條光纖2執(zhí)行全雙工雙向光通信。
另外，根據(jù)表達(dá)式(4)設(shè)定發(fā)射光8入射到光纖2中的入射角可以減小光纖2輸出光的輻射強(qiáng)度分布的波動，且可以擴(kuò)大傳輸距離的范圍，從而擴(kuò)大接收部分的動態(tài)范圍。而且，在發(fā)射光8進(jìn)入光纖2以前改變發(fā)射光8光路的棱鏡11和具有多功能的光學(xué)元件10可以使雙向光通信設(shè)備1價格便宜，尺寸小且易于制造。
第二實(shí)施例圖12圖示了本發(fā)明的第二實(shí)施例中的雙向光通信設(shè)備的構(gòu)造。該雙向光通信設(shè)備由一用于產(chǎn)生受數(shù)據(jù)信號調(diào)制的發(fā)射光108的光發(fā)射元件104、一用于接收光纖102輸出的接收光109且產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號的光接收元件105、一用于反射從光發(fā)射元件104發(fā)出的發(fā)射光108且將其耦合到光纖102的反射鏡107、和一用作會聚從光纖102發(fā)出的接收光109且將其耦合到光接收元件105的會聚元件的接收透鏡124構(gòu)成。該反射鏡107和接收透鏡124均形成在光學(xué)元件110中。
在第二實(shí)施例中，示出了一種將光發(fā)射元件和光接收元件同第一實(shí)施例相反布置的情況。特別地，從例如發(fā)光二極管等光發(fā)射元件104發(fā)出的發(fā)射光108，由形成在光學(xué)元件110上的凹面反射鏡107反射，并會聚耦合到在凸表面端面的光纖102中。形成在光學(xué)元件110中的接收透鏡124會聚接收光109，并將其耦合到到接收元件105中。發(fā)射光108在光纖102端面上的近端反射所產(chǎn)生的反射光，被反射鏡107遮擋而沒有耦合到光接收元件105中。同樣，雜散光也沒有耦合到光接收元件105中。由于接收光109的反射被接收透鏡124的凸表面掉散射，所以可以減少遠(yuǎn)程模塊反射。
反射鏡107具有NA轉(zhuǎn)換功能和發(fā)射光108的光路改變功能，其相當(dāng)于第一實(shí)施例中的傳輸透鏡106和棱鏡111的兩個功能。優(yōu)化反射鏡107的形狀使發(fā)射光108入射到光纖102的入射角符合表達(dá)式(4)。
如上所述，在第二實(shí)施例中的雙向光通信設(shè)備101同第一實(shí)施例中的雙向光通信設(shè)備一樣可以限制遠(yuǎn)端反射、近端反射和遠(yuǎn)程模塊反射，并減小從光纖102出射的光的輻射強(qiáng)度分布的波動。另外，反射鏡107具有NA轉(zhuǎn)換功能和發(fā)射光108的光路改變功能，因此，可以提供價格便宜、尺寸小的雙向光通信設(shè)備101。
第三實(shí)施例圖13示出了本發(fā)明的第三實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備的構(gòu)造。該雙向光通信設(shè)備由一用于產(chǎn)生受數(shù)據(jù)信號調(diào)制的發(fā)射光223的光發(fā)射元件204、一用于接收光纖202輸出的接收光209且產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號的光接收元件205、一用于會聚從光發(fā)射元件204發(fā)出的發(fā)射光208并將其耦合到光纖202的傳輸透鏡206、和一用作反射從光纖202發(fā)出的接收光209且將其耦合到光接收元件205的反射鏡207構(gòu)成。該反射鏡207形成在光學(xué)元件210中。
如圖13所示，光發(fā)射元件204發(fā)出的發(fā)射光208在球透鏡的傳輸透鏡206中進(jìn)行數(shù)值孔徑NA的轉(zhuǎn)換，并進(jìn)入到光纖202球形端面的周邊。從光纖202輸出的接收光209由形成在光學(xué)元件210中的凹面反射鏡207會聚，并耦合到接收元件205中。盡管由光纖202端面反射的反射光217自光纖202端面凸表面向圖13的左側(cè)方向反射，但反射光217由布置有光接收元件205的管座213部分(遮擋部分216)遮擋，但沒有耦合到光接收元件205中，因此，阻止了近端反射。發(fā)射光208經(jīng)由光學(xué)元件210部分區(qū)域中的空隙部分223耦合到光纖202中。反射鏡207的一部分也構(gòu)成了空隙部分223。特別是，空隙部分223作為如圖3所示的傳輸區(qū)域，剩余部分的功能是作為接收區(qū)域。通過減小空隙部分223，可以擴(kuò)大接收區(qū)域，因此提高接收效率。因此，優(yōu)選地減小傳輸透鏡206的孔徑并減小傳輸透鏡208的數(shù)值孔徑NA。反射鏡207的空隙部分223離光纖202的端面越遠(yuǎn)，則接收光209輻射和散射越多，從而減小了空隙部分223的相對區(qū)域。
優(yōu)化發(fā)射光208入射到光纖202的入射角，使其符合表達(dá)式(4)。同第二實(shí)施例不同，第三實(shí)施例的雙向光通信設(shè)備201沒有光路改變元件，所以光學(xué)元件210和光發(fā)射元件4本身傾斜以優(yōu)化入射角。同時布置傳輸透鏡206和光發(fā)射元件204的相對位置以使發(fā)射光208由傳輸透鏡206折射，從而相對于光纖202的光軸傾斜發(fā)射光208的光軸。
如上所述，在第三實(shí)施例中，示出了沒有利用光路改變元件的雙向光通信設(shè)備201的構(gòu)造。同第一和第二實(shí)施例相似，這一構(gòu)造可以控制遠(yuǎn)端反射、近端反射、和遠(yuǎn)程模塊反射，同樣也減小了從光纖202出射的光的輻射強(qiáng)度分布的波動。
可以理解，具有如第一到第三實(shí)施例所示的構(gòu)造的雙向光通信設(shè)備只是發(fā)射光820入射到光纖202的入射情況符合表達(dá)式(4)的一些例子，且改變其中某些部分可以達(dá)到同樣的效果。同樣還可以理解為，如果光纖202的端面不是球面而是例如曲線和斜面的其它形狀的表面，利用相同的原理優(yōu)化入射情況，也可以獲得相同的效果。
另外，在本發(fā)明的雙向光通信設(shè)備中，利用具有由塑料形成的纖芯和包層的塑料光纖可以容易制造纖芯直徑大約為1mm的大直徑光纖，這種光纖便于調(diào)整光纖和雙向光通信設(shè)備的耦合，易于分隔傳輸區(qū)域和接收區(qū)域，可以制造價格便宜的雙向光通信設(shè)備，且便于進(jìn)行端面處理。
另外，由于光纖的端面是球形，所以接收光可以會聚地出射，可以高效地將接收光耦合到光接收元件。同樣，由于不必固定光纖和雙向光通信設(shè)備之間的連接方向，所以可以很容易地建立連接。另外，具有球形端面的光纖易于進(jìn)行端面加工。
很顯然可以多種方式對上面描述的本發(fā)明進(jìn)行各種變型。這些改變并不超出本發(fā)明的構(gòu)思和范圍，且對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的所有改變君包括在以下的權(quán)利要求中。
權(quán)利要求
1.一種雙向光通信設(shè)備，它采用一個具有彎曲端面的光纖作為傳輸介質(zhì)發(fā)送和接收光信號，它包括一用于產(chǎn)生發(fā)射光的光發(fā)射元件；一用于會聚該光發(fā)射元件發(fā)出的發(fā)射光，并將該發(fā)射光耦合到該光纖的會聚元件；和一接收該光纖輸出的接收光的光接收元件，其中當(dāng)光纖光軸與進(jìn)入具有數(shù)值孔徑NA的光纖之后的最外層處的發(fā)射光之間的傾斜角θfa和θfb由下式表示時，θfa＝sin-1[{nosin(θL+sin-1(NA)/no+θT)}/nf]-θTθfb＝sin-1[{nosin(θL-sin-1(NA)/no+θT)}/nf]-θT滿足θfb≤0≤θfa或θfa≤0≤θfb其中，θL為進(jìn)入光纖之前的發(fā)射光光軸和光纖光軸之間的夾角；θT為在發(fā)射光耦合到光纖的位置處，垂直于光纖端面的直線與光纖光軸之間的夾角；NA表示在進(jìn)入光纖之前由會聚元件所會聚的發(fā)射光的數(shù)值孔徑，nf表示光纖纖芯的折射率，no表示在進(jìn)入光纖之前發(fā)射光所經(jīng)過的空間的折射率。
2.一種如權(quán)利要求1所述的雙向光通信設(shè)備，其中發(fā)射光進(jìn)入該光纖端面時具有從中心軸側(cè)朝該光纖的周邊側(cè)傾斜的光軸。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的雙向光通信設(shè)備，還包括一設(shè)置在所述會聚元件和所述光纖之間的，改變所述發(fā)射光的光路的光路改變元件，它用于將所述發(fā)射光引導(dǎo)到一個沿徑向方向離開所述光纖端面中心的位置。
4.一種如權(quán)利要求3所述的雙向光通信設(shè)備，其中所述光路改變元件是一個通過折射所述發(fā)射光來改變所述發(fā)射光光路的棱鏡。
5.一種如權(quán)利要求1或2所述的雙向光通信設(shè)備，其中所述會聚元件具有改變所述發(fā)射光光路的光路改變功能，以把所述發(fā)射光引導(dǎo)到一個沿徑向方向離開所述光纖端面中心的位置。
6.一種如權(quán)利要求5所述的雙向光通信設(shè)備，其中所述會聚元件是一個通過利用所述發(fā)射光的反射，改變所述發(fā)射光的光路來會聚所述發(fā)射光的凹面反射鏡。
7.一種雙向光通信裝置，它具有光學(xué)耦合到一光纖每一端的多個雙向光通信設(shè)備，用于在用一個光纖作為傳輸介質(zhì)的多個雙向光通信設(shè)備之間進(jìn)行光信號的發(fā)送和接收，其特征在于多個雙向光通信設(shè)備中的至少一個為權(quán)利要求1至6中任一個所述的雙向光通信設(shè)備。
全文摘要
一種雙向光通信設(shè)備在θ
文檔編號H04B10/13GK1387330SQ0214011
公開日2002年12月25日 申請日期2002年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月24日
發(fā)明者藤田英明, 石井頼成, 田村壽宏 申請人:夏普株式會社