CN103608706B - 光传输系统 - Google Patents

Abstract

一种光传输系统包括用于将光耦合到光传输介质中的透镜基片。透镜基片包括在透镜基片的第一面上的一组准直透镜，这些准直透镜用于对来自多个光源的光束进行准直。透镜基片还包括在基片的与第一面相对的第二面上的聚焦元件。该聚焦元件用于将经准直的光束聚焦到光传输介质中。

Description

光传输系统

背景技术

光通信系统常用于在诸如远程通信系统和数据通信系统的各种系统中传输数据。远程通信系统常包含从几英里到数千英里范围的地理距离上的数据传输。数据通信常包含贯穿数据中心的数据传输。这种系统包含从几英尺到几百英尺范围的距离上的数据传输。用于将电信号转到光信号并使该光信号进入诸如光缆的光传输介质的耦合组件相当昂贵。由于该开销，光传输系统通常用作网络的主干网，以在更远距离上传送大量数据。

光传输系统在计算机通信系统中的使用将从由这种光学系统提供的高带宽中受益。带宽指的是能够在特定单位时间内传输的数据量。然而，计算机通信系统通常包含从几英寸到几英尺的范围的较小距离上的数据传输。因此，使用较贵的光耦合组件来在这种短距离上光学地传输数据常常在经济上是不现实的。

附图说明

附图例示本文中所描述的原理的各种示例并且是说明书的一部分。所例示的示例仅仅是示例，并不限定权利要求的范围。

图1是示出根据本文中所描述的原理的一个示例的、例示性光通信系统的图。

图2是示出根据本文中所描述的原理的一个示例的、在透镜基片上的例示性光耦合元件的图。

图3是示出根据本文中所描述的原理的一个示例的、耦合元件的例示性直视的图。

图4A是示出根据本文中所描述的原理的一个示例的、包括4个准直透镜的耦合元件的例示性直视的图。

图4B是示出根据本文中所描述的原理的一个示例的、包括4个重叠准直透镜的耦合元件的例示性直视的图。

图5是示出根据本文中所描述的原理的一个示例的、具有波长选择镜的例示性解复用器的图。

图6是示出根据本文中所描述的原理的一个示例的、具有一系列散播元件的例示性解复用器的图。

图7是示出根据本文中所描述的原理的一个示例的、光复用的例示性方法的图。

整个附图中，相同的附图标记标示相似但不一定相同的元件。

具体实施方式

如上所述，光通信在计算机系统中的使用将提供由这种光学数据传输提供的高带宽。然而，计算机通信系统通常包含在小于从几英寸到几英尺的范围的距离上的数据传输。因此，使用较贵的光耦合组件来在这种短距离上光学地传输数据常常在经济上是不现实的。

鉴于此和其它问题，本说明书公开一种以具成本效益的方式将光耦合到诸如光纤的光传输介质中的方法和系统。通过减少这些耦合组件的成本，包含更短距离上的数据传输的计算机通信系统将能够更具成本效益地利用由光学系统提供的高带宽。

根据某些例示性示例，耦合组件包括形成在透镜基片上的耦合元件。透镜基片是在批处理中透镜阵列可以形成在其上的透明衬底。批处理指的是在常被称为基片（wafer）的单个衬底上形成多个相似的组件的处理。然后，基片可以进一步被切成更小的单元，每个单元包括形成在基片上的一个或多个相似的组件。这种处理比单独地生产每个组件更具有成本效益。

形成在透镜基片上的耦合元件在透镜基片的一面上包括一组准直透镜，并且在透镜基片的相对面上包括聚焦元件。准直透镜被形成为使得对接收自光源阵列的光束进行准直。光源阵列可以是垂直腔表面发射激光器（VCSEL）的阵列。VCSEL是垂直于半导体衬底投射光的激光器。在其上形成有VCSEL的半导体衬底也可以以批处理生产。耦合元件的每个准直透镜可以接收来自不同的VCSEL的光束。每个VCSEL将光投射到单个耦合元件上可以产生不同波长的光。每个不同波长的光可以用作数据的分离信道。

在透镜基片的相对面上的聚焦元件形成为使得其将来自每个准直透镜的经准直的光束聚焦到光纤中。来自每个准直透镜的经准直的光束可以是不同波长。因此，耦合元件充当复用器。复用器是将若干信道的数据放在单个传输线上的装置。这里，耦合元件将若干波长的光放进相同的光传输介质中。然后，在传输线的另一端使用解复用器来分离数据的信道，从而数据能够被单独地处理。

通过使用体现本文中所描述的原理的方法和系统，耦合组件能够以较低的成本被生产。该较低的成本部分是由于在单个透镜基片上多个耦合元件的批处理。较低成本的耦合组件使得光通信方法更适合于光信号传播相对短距离的计算机通信应用。

在下面的描述中，为了说明的目的，陈述了很多特定细节，以提供对本系统和方法的全面理解。然而，显然，对于本领域的技术人员，没有这些特定细节也可以实施本设备、系统和方法。在说明书中涉及“示例”或相似语言意味着结合该示例所描述的特定的特征、结构或特性至少被包括在那一个示例中，但不一定在其它示例中。

现在参考附图，图1是示出例示性光通信系统的图。根据某些例示性示例，光通信系统包括源装置（102）、耦合机构（104）、光纤（106）和接收装置（108）。

源装置（102）是投射能够被调制的光束以传输数据的光发射机。通过利用电信号来调制光源，源装置（102）可以将电信号转换成光信号。在光通信技术中使用的常见光源是激光器。能够使用的激光器的一个类型是VCSEL。

VCSEL是垂直于半导体衬底的平面投射光的激光器。半导体衬底可以包括VCSEL的二维阵列。每个VCSEL可以由不同的电信号调制，因此阵列中的每个VCSEL能够传输携带不同信道的数据的光信号。为了通过由VCSEL产生的光传输光信号，光被耦合机构（104-1）聚焦到光纤（106）中。

光纤（106）是被设计成提供光的传播的介质。光纤（106）可以弯曲，并且光仍将从光纤的一端传播到另一端。光纤（106）通常包括两种不同类型的材料。光纤的芯通常是透明材料。透明包层材料围绕光纤的芯形成。包层材料具有比芯材料的折射率稍小的折射率。这导致投射到芯中的光从芯的边朝向芯的中心反射。因此，光将在光纤（106）的整个长度上传播，并且从另一端射出。

为了使光适当地传播通过光纤，根据光纤（106）的特性，特别地设计光的特性和光由耦合机构（104-1）聚焦的方式。光纤可以是单模光纤或多模光纤。单模光纤允许一个模式的传播，而多模光纤允许多个传播模式。传播模式指的是沿着波导未扰动地传播的光的空间形状。

可以使用若干模型来描述光传播通过光波导的行为。根据光线光学模型，模式对应于光线沿波导传播的角度。因此，存在角度的离散集，光以该角度进入到多模光纤中，以使光传播通过波导并保持其空间形状。如以下更详细地描述的，耦合机构能够将来自不同光源的若干光束复用到多模光纤中，使得不同光束能够有效地耦合并将同时传播通过光纤。

当传播通过光纤（106）的光到达对端时，耦合机构（104-2）将光聚焦在诸如检测器的接收装置（108）上。通过根据所接收的光信号生成电信号，检测器可以将所接收的光信号转换成电信号。如以下更详细地描述的，耦合机构（104-2）能够充当解复用器并分离多个波长的光，使得它们由不同检测器接收。

图2是示出将来自多个VCSEL的光聚焦到光纤（210）中的例示性耦合机构（200）的图。根据某些例示性示例，耦合机构（200）包括多个耦合元件（212）。为了例示目的，示出了一个耦合元件（212）。耦合元件（212）包括形成在透镜基片（206）的一面上的一组准直透镜（204）和形成在透镜基片（206）的另一面上的聚焦元件（208）。耦合元件（212）充当复用器，以使不同波长的光进入相同的光纤（210）中。

透镜基片（206）是能够具有形成在其上的多个耦合元件（212）的透明材料。每个耦合元件（212）将光聚焦到不同光纤（210）中。耦合元件（200）将获取来自不同波长的多个源的光并将该光聚焦到与其关联的光纤（210）中。通过以批处理将这些耦合元件的阵列形成在基片上，耦合机构能够以较低的成本生产。

耦合元件（212）在透镜基片（206）上的放置对应于VCSEL在VCSEL阵列（202）上的放置。VCSEL阵列可以被动地对准到透镜基片，使得VCSEL在VCSEL阵列中的放置将直接将光投射到适合的耦合元件中。可以使用各种技术来完成该精确的被动的自对准处理。

在每个耦合元件（212）中，准直透镜被放置成匹配在VCSEL阵列（202）中一组VCSEL的放置。从VCSEL发出的光束将自然地向外扩散。准直透镜被设计成使在光束中的扩散光线基本上被准直，使得它们笔直传播通过透镜基片，而不是继续向外扩散。在图2中，准直透镜被示出为折射型透镜。然而，可以使用其它的准直方法，诸如衍射透镜。可以使用的一种类型的衍射透镜是菲涅尔透镜。

在经准直的光穿过透镜基片（206）之后，聚焦元件（208）将来自每个准直透镜的经准直的光聚焦到光纤中。光纤还能够利用被动的自对准技术被对准到聚焦元件。

对应于与单个耦合元件（212）关联的准直透镜（204）组的VCSEL组能够各自产生不同波长的光。在一个示例中，与单个耦合元件（212）关联的VCSEL组可以具有20纳米（nm）波长差。每个不同波长的光能够携带不同信道的数据。因此，如果耦合元件包括两个准直透镜，则该耦合元件将两个信号的数据耦合到关联的光纤（210）中。类似地，如果耦合元件包括四个准直透镜，则该耦合元件（212）将四个不同信道的数据耦合到关联的光纤（210）中。

典型的VCSEL通常发射光使得光沿一维方向包括约四个空间模式。这些模式常常能够用埃尔米特高斯函数来近似。当涉及发射光束时，术语模式指的是在该光束内沿一个横向的光强度的波瓣数量。例如，如果光束只包括一个模式，则该光束将具有光强度的单个波瓣，该单个波瓣将通常在光束的中心。该单个光束的光强度通常表示高斯分布，该高斯分布的最大值在光束的中心。包括多个模式的光束包括沿光强度分布的光强度的多个波瓣。典型的50微米芯缓变折射率多模光纤能够沿穿过其芯的一个维度支持约18个模式。在穿过芯区域的二个维度中，被支持的二维模式的数量大约是（18）2=324。如果每个VCSEL发射具有四个模式的光束，并且光纤支持18个模式，则多个VCSEL能够被耦合到多模光纤中，而不招致任何基本损失。

图3是示出包括两个准直透镜（302）的耦合元件（300）的例示性直视的图。在该示例中，每个准直透镜（302）的直径大约是100微米（μm）。投射在耦合元件（300）上的光束可以被设计成覆盖小于准直透镜（302）的总面积，以避免由光束削波引起的任何损失。因此，投射在准直透镜（302）上的光束直径大约是77μm。两个准直透镜（302）合起来的直径也可以小于在透镜基片的另一面上的聚焦元件（304）的直径。在该示例中，聚焦元件（304）具有250μm的直径。因此，准直透镜（302）的合起来的直径比聚焦元件（304）的直径小50μm。该示例例示了两个源是如何不招致任何基本损失地耦合到多模传输介质中。

图4A是示出耦合元件（400）的例示性直视的图。根据某些例示性示例，耦合元件（400）可以包括四个准直透镜（402）。每个准直透镜（412）将对不同波长的光进行准直，并且聚焦元件（404）将每个那些波长的光聚焦到单个光纤中。

图4B是示出耦合元件（410）的例示性直视的图。根据某些例示性示例，每个准直透镜可以是稍微重叠的。再次，每个准直透镜（412）将对不同波长的光进行准直，并且聚焦元件（414）将每个那些波长的光聚焦到单个光纤中。尽管由于准直透镜（412）的重叠会发生一些光束的削波，但是为了减少完全组装的光学系统的位置公差，该损失是可以接受的。

如上所述，在经复用的光束已传播通过光缆之后，光束被分离成它们各自的波长，并且然后供应给各自的检测器。可以使用分离经结合的不同波长的光束的各种方法。根据某些例示性示例，对光信号进行解复用的一个方法是使用采用波长选择镜的解复用器。

图5是示出具有波长选择镜（506）的例示性解复用器（500）的图。根据某些例示性示例，解复用器（500）包括一组波长选择镜（506）、一组重聚焦元件（508）、聚焦阵列（510）和检测器阵列（512）。

波长选择镜是允许某些波长范围的光通过而反射其它波长的材料。可以使用各种薄膜材料来形成波长选择镜。可替代地，可以使用利用亚波长横向特征的高对比度光栅来形成波长选择镜。这能够允许不同的波长选择镜（506）利用适当的掩膜设计被制造在单个基片上。解复用器（500）可以针对已复用到光缆（502）中的每个波长的光而包括波长选择镜。例如，如果复用器包括四个准直透镜，每个准直透镜接收不同波长的光，则解复用器能够包括四个波长选择镜。

当光第一次出光纤（502）时，准直透镜可以用于在光进入镜腔（514）之前对该光进行准直。镜腔包括波长选择镜，该波长选择镜以这种方式放置以使一个波长的光通过并反射剩余的波长的光到重聚焦元件（508）。然后，重聚焦元件将反射剩余波长的光到随后的波长镜（506）。发生该处理直至每个期望波长的光穿过波长选择镜（506）。

在一个波长的光穿过波长选择镜之后，将穿过将该光聚焦到检测器阵列（512）的检测器上的聚焦阵列。检测器阵列（512）中的检测器能够检测冲击到其上的光，并且基于所接收的光信号产生电信号。然后，电信号可以由使用电信号的标准计算机处理电路来处理。

在图5中例示的示例中，四个波长：波长1、波长2、波长3和波长4的光进入镜腔。第一波长选择镜（506-1）使波长4通过并反射其余的波长。然后，重聚焦元件1（508-1）将剩余波长反射到第二波长选择镜（506-2）。第二波长选择镜使波长3通过并将剩余波长反射到重聚焦元件2（508-2）。然后，重聚焦元件2（508-2）将那些波长反射到第三波长选择镜（506-3）。然后，第三波长选择镜（506-3）使波长2通过并将波长1反射到重聚焦元件3（508-3）。然后，重聚焦元件3（508-3）将波长1反射到最后的波长选择镜（506-4）。最后的波长选择镜用于将任何不需要的波长移除，使得检测器接收波长1的光。在一些情况中，可以不使用最后的波长选择镜（506-4）。

在一些情况中，波长选择镜的间隔（spacing）被设置成使得检测器阵列的间距（pitch）小于光传输介质阵列的间距。检测器的间距被定义为一组检测器的第一检测器与相邻组检测器的第一检测器之间的距离，每组检测器与不同的耦合元件相关联。光传输介质阵列的间距能够被测量为从一个光传输介质的中心到相邻的光传输介质的中心的距离。通过使波长选择镜之间的间隔小于或等于光传输介质阵列的间距，解复用器（500）阵列可以更好地配合光传输介质阵列，从该光传输介质阵列接收经复用的光信号。

图6是示出具有一系列散播元件（606）的例示性解复用器（600）的图。根据某些例示性示例，一种对传播通过光纤的不同波长的光进行分离的方法是使用散播元件（504）。在整个该说明书和随附的权利要求中，术语“散播元件”被概括地解释为对不同波长的光以不同的角度进行反射的元件。因此，当不同波长的光冲击在散播元件上时，从该散播元件反射的光将开始根据波长散播。为了提高反射效率，散播元件可以通过使用标准衍射光栅或具有亚波长特征的高对比度光栅来形成。

根据某些例示性示例，解复用器（600）包括接收通过准直透镜（604）的来自光纤（602）的光的反射腔（620）。反射腔（620）包括多个散播元件（606），散播元件（606）被放置成光在散播元件606之间来回地反射直至最终反射在检测器阵列（608）上。在每个散播元件（606）处，不同波长的光分散开。这是因为每个散播元件以不同的角度反射不同波长的光。

在光从反射腔（620）反射出时，四个不同波长的光被散播地足够远，使得它们被投射在检测器阵列中不同检测器上。聚焦元件（610）可以用于将接收自反射腔（620）的光束聚焦到检测器阵列（608）中各个检测器上。特定检测器可以主要接收一个特定波长的光。特定检测器也能够接收其它波长的光。然而，散播元件使得一个特定波长的光更强于其它波长。因此，检测器能够容许来自其它波长的少量“噪声”光。

图7是示出用于光复用的例示性方法（700）的流程图。根据某些例示性示例，该方法包括：使用在透镜基片的第一面上的多个准直透镜，对从多个光源接收的光束进行准直（块702），以及使用基片的与第一面相对的第二面上的聚焦元件，将经准直的光束聚焦到光传输介质（块704）中。

总之，通过使用体现本文中所描述的原理的方法和系统，耦合组件能够以更低的成本被生产。该更低的成本部分是由于在单个透镜基片上多个耦合元件的批处理。更低成本的耦合组件使得光通信方法更适合于光信号传播相对短距离的计算机通信应用。

已呈现的前述描述仅仅用于例示和描述所描述的原理的示例。该描述不旨在详尽的或将这些原理限制在任何所公开的明确的形式。鉴于上面的教导，许多修改和变化是可能的。

Claims (13)

1.一种光传输系统，包括：

透镜基片，用于将光耦合到光传输介质中，所述透镜基片包括：

在所述透镜基片的第一面上的一组准直透镜，所述准直透镜用于对来自多个光源的光束进行准直；以及

在所述基片的与所述第一面相对的第二面上的聚焦元件，所述聚焦元件用于将经准直的光束聚焦到光传输介质中，

其中所述光传输系统进一步包括在所述光传输介质的相对端的解复用器，所述解复用器包括：

一组波长选择镜，每个镜使一不同波长的光通过并反射其它波长的光；

一组重聚焦元件，用于将从所述波长选择镜之一反射的光反射回其它波长选择镜；以及

检测器阵列，用于检测通过所述波长选择镜的分离波长的光。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述透镜基片进一步包括附加组的准直透镜阵列，每个附加组的准直透镜对应于在所述透镜基片的所述第二面上的附加聚焦元件，每个聚焦元件将光聚焦到不同的光传输介质中。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述准直透镜隔开使得它们重叠。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个光源中的每个产生一不同波长的光。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述波长选择镜包括电介质薄膜和高对比度光栅之一。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述波长选择镜的间隔被设置成使通过的每个波长的光隔开，使得检测所述波长的检测器阵列的总空间小于或等于光传输介质阵列的间距。

7.一种光传输系统，包括：

透镜基片，用于将光耦合到光传输介质中，所述透镜基片包括：

在所述透镜基片的第一面上的一组准直透镜，所述准直透镜用于对来自多个光源的光束进行准直；以及

在所述基片的与所述第一面相对的第二面上的聚焦元件，所述聚焦元件用于将经准直的光束聚焦到光传输介质中，

其中所述光传输系统进一步包括在所述光传输介质的相对端的解复用器，所述解复用器包括：

从所述光传输介质接收光的多个散播元件中的第一个，所述散播元件将不同波长的光以不同的角度反射到随后的散播元件；以及

将光反射到检测器阵列上的最后的散播元件。

8.一种用于光复用的方法，所述方法包括：

使用透镜基片的第一面上的多个准直透镜，对从多个光源接收的光束进行准直；

使用所述透镜基片的与所述第一面相对的第二面上的聚焦元件，将经准直的光束聚焦到光传输介质中；

使来自所述光传输介质的光通过一组波长选择镜，每个镜使一不同波长的光通过并反射其它波长的光；并且

将由所述波长选择镜之一反射的所述光反射回其它波长选择镜；

其中通过所述波长选择镜的光被传到检测器阵列。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述多个光源中的每个产生一不同波长的光。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述波长选择镜包括电介质薄膜和高对比度光栅之一。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述波长选择镜的间隔被设置成使得通过的每个波长的光隔开，使得检测所述波长的所述检测器阵列的总空间小于或等于光传输介质阵列的间距。

12.一种用于光复用的方法，所述方法包括：

使用透镜基片的第一面上的多个准直透镜，对从多个光源接收的光束进行准直；

使用所述透镜基片的与所述第一面相对的第二面上的聚焦元件，将经准直的光束聚焦到光传输介质中；

通过使所述光通过一系列散播元件到达检测器阵列，在所述光传输介质的相对端上对不同波长的光进行解复用，每个散播元件以不同的角度反射不同波长的光，使得不同波长的光在不同的位置到达所述检测器阵列。

13.一种光学系统，包括：

光源组的阵列，一个组内的每个光源投射不同波长的光；

包括多个耦合元件的透镜基片，每个耦合元件包括：

在所述透镜基片的第一面上的一组准直透镜，所述准直透镜用于对来自所述光源的光束进行准直；以及

在所述基片的与所述第一面相对的第二面上的聚焦元件，所述聚焦元件用于将经准直的光束聚焦到光传输介质中；

在所述光传输介质的相对端的解复用器，所述解复用器包括：

一组波长选择镜，每个镜使一不同波长的光通过并反射其它波长的光；

一组重聚焦元件，用于将从所述波长选择镜之一反射的光反射回其它波长选择镜；以及

检测器阵列，用于检测通过所述波长选择镜的分离波长的光。