专利名称：用于双路光通信的光学元件和光发射接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于双路光通信的光学元件，其中通过单根光纤实现光的传送和接收，本发明还涉及利用该光学元件构成的光发射接收机。
背景技术：
图6A和6B示出相关类型的光学元件(下文中称作在先器件)，尽管不为公众所知，但它已经在本发明申请受让人的加工设备上被设计出来，而且本专利发明在其基础上产生，图6A和6B还示出了其中通过将光学元件和光纤及光接收、光发射元件合并到一起而构成的光发射接收机。在先器件将作为一比较例在下文描述，仅仅为了方便理解本发明。
在举例说明的在先器件中，光学元件10利用横截面为五边形的棱镜11(五面体)形成，该棱镜具有参与光发射和接收的第一至第五工作面11a-11e。这些第一至第五工作面11a-11e都与图6A图面所在的平面相垂直，并且它们具有垂直于图面所在的平面的相应的相对端。应当指出，当然，棱镜具有平行于图面所在平面的端面11g和11h(见图6B)。
棱镜11第一表面11a的一端和第二表面11b的一端在角部Pab彼此邻接，使得这些表面11a和11b形成直角，类似地，第一表面11a的另一端与第三表面11c一端在角部Pac彼此邻接，使得这些表面11a和11c形成直角。由此可以理解第二表面11b和第三表面11c彼此平行相对。
棱镜11第二表面11b的另一端和第四表面11d的一端在角部Pbd彼此邻接，第三表面11c的另一端和第五表面11e的一端在角部Pce彼此邻接。
此外，第四表面11d的另一端和第五表面11e的另一端在角部P彼此邻接，第四表面11d和第五表面11e从角部Pbd和Pce朝向第一表面11a向内凹进，并且形成V形，如图6A所示。也就是说，第四表面11d和第五表面11e彼此邻接处的角部P比角部Pbd和Pce更靠近第一表面11a。
棱镜11的第一表面11a和第二表面11b与第一、第二聚光透镜12、13形成一体，分别用于接收光(light-to-be-received)，另外，第一表面11a和第三表面11c与第一、第三聚光透镜14、15形成一体，分别用于发射光(light-to-be-transmitted)。另外，还应提到，设置在第一表面11a上的第一接收光的聚光透镜12和第一发射光的聚光透镜14在垂直于图面所在的平面上局部切除，以使这些透镜的切割表面邻接在一起。
光纤21在其靠近表面11a上形成的透镜12和14形成并与之相对的一端具有端面21b，并具有在第一平面X(图6B中的点划线所示)和第二平面Y(图6B中的点划线所示)的交点处重合的轴，其中，第一平面X穿过第一接收光的聚光透镜12和第一发射光的聚光透镜14之间的耦合端面(交界面)和角部P，并垂直于图6A图面所在的平面，而第二平面Y穿过透镜12、13、14和15的中心，并平行于图6A图面所在平面，而且与第一平面X正交。
通过这种设置，棱镜11位于第一平面X以上的上半部分构成接收路径，同时，棱镜11位于第一平面X以下的下半部分形成发射路径。
光接收元件22与面11b上的透镜13相对地设置，且它的中心A22与透镜13的中心轴A13对齐；同时，光发射元件23与面11c上的透镜15相对地设置，且它的中心A23与透镜15的中心轴A15一致。还应提到，光接收元件22和光发射元件23平行地相对定位。
在这个示例中，光接收元件22和光发射元件23都固定在衔铁框架24上，并且树脂封装于透明树脂中。在图中，24为衔铁框架，25表示封装树脂。这个封装树脂具有透镜部分25a。光发射元件23可以例如是激光二极管(LD)或是发光二极管(LED)，而光接收元件22可以例如是光电二极管(PD)。
如图6A所示，从光纤21端面21b发射出的将被接收的光线31在通过表面11a进入棱镜11之前通过接收光聚光透镜12会聚，然后由面11d反射而指向面11b，接下来，光线在进入光接收元件22之前通过接收光聚光透镜13会聚。在这方面，封装树脂的透镜部分25a有助于光接收元件会聚光。
另一方面，从光发射元件23发射的将被传输的光线32在通过面11c进入棱镜11之前通过发射光聚光透镜15会聚，然后由面11e反射而指向面11a，接下来，光线在进入光纤21的端面21b之前通过发射光聚光透镜14会聚。
由此可知，在所示的示例中，如此配置以使得通过单根光纤元件10实现光的发射和接收。
还应认识到，这种类型的光学元件负责光的发射和接收，对于它的性能，串扰是很值得关注的，并且抑制其串扰是非常重要的。
相关类型装置的光学元件的串扰就是指被发射的光线泄露到这一侧站(station)的接收侧并进入这一侧站中的光接收元件。具体地，由位于这一侧站的接收路径和发射路径之间分界区的光学交界面的反射产生的串扰，或是在光纤近端面处产生的串扰称为近端串扰(near-end crosstalk)。
相反，由在另一侧站(对面)中的接收路径和发射路径之间分界区的光学交界面处的反射而产生的串扰，或是在光纤的远端面产生的串扰，或是在另一侧站的光接收元件和光发射元件的表面产生的串扰称为远端串扰(far-end crosstalk)。图6A和图6B所示的光学元件10，以及按照如图所示结构将光学元件10与光接收元件22和光发射元件23相结合而构造的光发射机-接收机已经被发现特别易于产生远端串扰。也就是说，上述的在先装置不能避免产生串扰。更明确地是，由于对如图7所示串扰的成因的研究已经发现，由于面(反射面)11d和11e各自相对于穿过角部P和光纤21的轴线21a并垂直于图形所在平面的平面X的倾角α1和α2，都设置得相对大，即45°，要被接收的光线31可进入光接收元件22和光发射元件23的相应表面22a和23a，并且被这些元件表面反射的光线在回到光纤21之前可以再次遵循它已经沿着其进入的路径，从而在另一侧站易于引起远端串扰。
另外，由于光接收元件22和光发射元件23分别定位成与透镜13和15正相对，而这些元件的中心A22和A23分别与透镜13和15的中心轴13a和15a对准，如此构造的在先装置也导致由这些元件表面反射的光在返回到光纤21之前可以再次遵循它已经沿着其进入的路径，从而在另一侧站易于引起远端串扰。
发明内容
考虑到前述情况，本发明的一个目的是提供一种用于双路光通信的光学元件，它的构造显著减少远端串扰，并且提供一种其中结合有该光学元件的光发射接收机。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于双路光通信的光学元件，其中光的发射和接收是通过单根光纤来实现，光学元件包括一光学棱镜第一和第二接收光的聚光透镜；和第一和第二发射光的聚光透镜；光学棱镜具有与光纤的端面相对的第一表面；第二和第三表面，它们分别以基本上的直角邻接第一表面，并彼此平行相对；第四表面，其与第二表面邻接，并适于反射将要接收的光线并将其导向第二表面，该光线通过第一表面进入；以及第五表面，其与第三表面邻接并适于反射通过第三表面进入的将要发射的光线并被其导向第一表面；第五表面和第四表面彼此邻接，并且它们接合处定位成比第四表面与第二表面邻接的接合处和第五表面与第三表面邻接的接合处更靠近第一表面。第一和第二接收光聚光透镜分别与第一和第二表面形成一体，而第一和第二发射光聚光透镜分别与第一和第三表面形成一体。另外，第四和第五表面相对光纤轴向的倾角被选择为小于45°。
根据本发明的另一方面，倾角在30°到40°的范围内选择。
根据本发明的另一方面，第四表面与第一表面接合处和第五表面与第一表面的接合处在轴向上彼此水平偏离，并且两个接合处通过沿光轴方向平行延伸的第六表面互连。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于双路光通信的光发射接收机，所述光发射接收机包括前述用于双路光通信的光学元件；光接收元件定位在从第二表面上的第二接收光聚光透镜的前表面的中心沿轴向远离第一表面而偏离的位置处，且光接收元件具有平行于轴向定向的接收表面，以便接收从第二表面上透镜发射出的将被接收的光；并且光发射元件定位在从第三表面上的第二发射光聚光透镜的前表面中心沿轴向远离第一表面而偏移的位置处，且光发射元件具有平行于轴向定向的接收表面，以便使光线传输进入第三表面。
图1A-1B说明根据本发明的光学元件的一个实施例，以及利用该元件的光发射接收机，其中图1A是沿图1B中A方向看的侧视图；而图1B是沿图1A中B方向看的正视图；图2A-2E表示图1A-1B所示光学元件及使用它的光发射接收机的改进，其中图2A示出光通过光学元件的这种改进形式被接收的方式；图2B为这种光学元件改进形式的侧视图；图2C为其正视图；图2D为底视图；而图2E示出光线通过光学元件的这种改进形式发射的方式；图3A示出如图2A-2E所示结构中被接收的光线在光接收元件和光发射元件的工作表面被反射的方式；图3B示出被发射的光线到达如图2A-2E所示结构中的光接收元件表面由此引起近端串扰的方式；图4A和图4B为根据本发明的光学元件的另一实施例的侧视图；图5是示出图2A-2D所示光学元件结合到光连接器中的底视图；图6A和图6B示出根据与本发明最接近的技术的在先光学元件，以及光线如何通过元件发送和接收，其中图6A为侧视图，图6B为正视图；和图7说明如图6A和6B所示结构中被接收光线在光接收元件和光发射元件的元件表面被反射，从而引起远端串扰的方式。
具体实施例方式
本发明的实施例将参照附图通过示例进行详细论述，其中与图6A-6B相对应的部分通过相同的附图标记标出，并不再详细描述。
图1A-1B说明根据本发明的用于双路光通信的光学元件40一个实施方式，以及通过将光学元件40与光接收元件22、光发射元件23相结合而构成的光发射接收机。在这个例子中，光学元件40包括棱镜11，棱镜11的横截面具有与图6A-6B所示光学元件10中的棱镜11类似的五边形形状，并且具有集成在表面上的透镜12-15。在图1A中，单点划线表示与光学元件40一同定位的光纤21的光轴21a。
这个实施例的棱镜11与在先装置的区别在于在接收侧上构成反射面的表面11d和在发射侧上构成反射面的表面11e相对于平面X形成倾角β1和β2，平面X包含光纤轴21a并分别穿过在透镜12和14的切除表面12a和14a之间的接合面以及角部P，且垂直于图面所在的平面，β1和β2都小于在先装置的角度(α1和α2)，也就是说，角度设置成小于45°，优选在30°到40°的范围内选择。
在图1的实施例中，光纤21邻近棱镜11表面11a上的透镜12和14并与之相对的轴21a与平面X(图1B中的单点划线)和平面Y(图1B中的单点划线)的交点对准，其中平面X穿过透镜12和透镜14之间的接合处(交界面)和角部P，并垂直于图1A图面所在平面，平面Y穿过透镜12、13、14和15的中心，并平行于图1A图面所在平面，如图1A所示，并如图6B所示的在先装置。
图1A-1B说明通过将光学元件40与光接收元件22和发射元件23结合而构成的光发射接收机，以及光发射接收机进行光发射和接收的方式。
图2A-2E说明光学元件40的改进形式40′及通过将光学元件40′与光接收元件22和光发射元件23结合而构造的光发射接收机，及它用于进行光发射和接收的方式。
在这个改进的实施例中，光纤21的邻近棱镜11表面11a上的透镜12和14并与之相对定位的轴21a与从平面X(图2B中点划线所示)朝向透镜12偏移距离d的一点对准，而不是与平面X对准，其中平面X穿过透镜12和透镜14的切除表面之间的接合处(交界面)和角部P，并垂直于图2A图面所在平面，如图2B所示。
而在先装置中，光接收元件22的中心垂直轴A22定位成与透镜13的中心轴A13相对齐，要指出的是，在图1的实施例和图2的改进实施例中，光接收元件22定位成使得光接收元件22的中心A22相对透镜13的正面中心偏离，也就是说，透镜13的轴A13在Y平面内沿着轴21a方向远离棱镜11的表面11a距离d1，而不是与透镜13的正面中心相对齐。
类似地，光发射元件23也定位成使得光发射元件23的中心A23相对于透镜15的轴A15在平面Y中沿轴21a的方向远离棱镜11的表面11a距离d2，而不是与透镜15的正面中心相对齐。
此外，应注意，光接收元件22和光发射元件23具有元件表面22a和23a，它们分别平行于轴21a取向。
在实施例中，如图1A和2A所示，从光纤21的端面21b发射的将被接收的光线31，在进入棱镜11之前通过透镜12聚集，然后在表面11d处反射而指向表面11b，接下来，光线在进入光接收元件22之前经透镜13会聚。在这方面，由于本发明中，棱镜11的反射面11d和11e分别相对于包含光纤21的中心轴21a的平面X形成倾角β1和β2选择小于45°，使得平行于光纤中心轴21a引入的被接收的光线31倾斜地进入光接收元件22的元件表面22a，如图2A所示。
类似地，从发射元件23发射出的将被发射的光线32倾斜地进入透镜15，并在进入棱镜11之前被透镜15会聚，然后在表面11e反射而引向表面11a，接下来，光线被透镜14会聚，最后进入光纤21的端面21b。
还应注意到，上述构造的光学元件40或40′，和其中结合有所述光学元件并如上所述与光接收元件22和光发射元件23相关联布置的光发射接收机使得在先技术中成问题的远端串扰显著减小。
详细地说，因为表面(反射面)11d和11e的倾角β1和β2设定成小于45°，并且比在先装置的角度(α1＝45°，α2＝45°)更平缓，由这些反射面11d和11e反射的待接收光线31将向透镜13和15的后部行进(在远离表面11a的方向上)，从而斜向地进入光接收元件22和光发射元件23的位于透镜13和15的后部的相应表面22a和23a，如图3A所示，以便被这些元件表面22a和23a反射的光线将进一步向后行进，如图3A所示。
因此，光线在元件表面22a和23a反射后沿着其行进的路径与光线最初进入棱镜所沿的路径相分离，而不是相靠近。也就是说，根据本发明的结构防止反射光在回到光纤之前21如在先装置中一样再次遵循它进入光纤21所沿的路径，否则会导致发生远端串扰。从而可以理解到本发明显著地减少了远端串扰。
另外还应提到，在上述图2A-2E所示的实施例中，这样的结构使得光纤21的轴21a定位在透镜12的一侧，并且接收光路径的孔径区域大于发射光路径的孔径区域，从而使更多量的待接收光线31可以进入光接收元件22。对于光的接收来说这种光学设置是令人满意的。
关于这一点，在图2A-2E中，如果光接收元件22和光发射元件23彼此交换位置，就可以提供一个令人满意的光发射系统。例如，考虑到光接收元件22和光发射元件23的性能，可以决定适当地选择两种设置中的哪一种。
虽然上述实施例和它的改进例与在先装置相比归因于表面11d和11e的倾角β1和β2的设置小于45°而可以抑制远端串扰，将参考附图4A和4B描述光学元件的另一实施例，它构造成可以减少远端串扰以及近端串扰。
在对另一个实施例进行描述之前，将参考图3B解释在上述改进例中的棱镜40′中如何可能产生近端串扰。
图3B包括两个图2E结构。如果我们限定一有效发射路径，通过该路径从光发射元件23发出的待发射光的一部分在反射表面11a处反射并此后通过表面11a进入光纤21，则在图2E中被示作待发射光32的与穿过那个被限定的有效发射路径的光完全对应。然而，存在另一部分从光发射元件23中发射的待发射光，它们错过被第二光发射聚光透镜15会聚，而偏离了有效路径，传播到角部P之外，直接干涉到接收路径中，并作为泄露光33由表面11a和第一接收光聚光透镜12前侧的交界处反射回来(如点划线所示)，它有可能被光接收元件22直接接收，而不会与反射面11d接合或是通过接收侧的第一接收光聚光透镜13，这就是近端串扰的一个原因。
关于这一点，图4A所示的光学元件50仍是根据本发明进一步改进的另一个实施例。光学元件50如此构造，以使得作为接收侧的反射面的表面11d和作为发射侧的反射面的表面11e之间不限定一个V形，也就是说，它们彼此不在角部P邻接，而代之为光纤轴21a方向上的偏离。在这个例子中，详细地说，表面11e与表面11a的接合处P2定位在与表面11d和表面11a的接合处沿光纤轴21a远离表面11a的方向上间隔开，且两个接合处P1和P2通过平行于光纤轴21a方向延伸的第六表面11f互连。
关于元件50，如果考虑到其中结合光学元件50来代替图3B中的光学元件40′的装置的操作，将理解到，接收路径中从位于透镜15一侧的光发射元件23的所见被遮挡的部分由于设置了表面11f而增大。于是，防止了一部分泄露光33通过角部P1干涉到接收路径中，由此近端串扰和杂光的产生相对光学元件40和40′可以被显著地抑制。
与图4A所示结构相反，图4B示出光学元件60，该光学元件构造成表面11e和表面11a的接合处P2位于比表面11d和表面11a的接合处P1在光纤轴21a的方向上更靠近表面11a的位置处，P1和P2通过平行于光纤轴21a方向延伸的第六面11f互连。
关于光学元件60，由于光发射元件远离泄露光33定位，泄露光33传播到角部P之外，并且直接干涉进有效传输路径中，因此近端串扰和杂光的吸收可以被相对地抑制，如同图4A所示带有光学元件50的情形。
图5示出单芯光连接器70的例子，具中结合有包括光学元件40′的光发射-接收机，光接收元件22和光发射元件23。在图5中，附图标记71表示其中插入光纤插头的套管。
如从上面描述中可以理解到的，根据本发明用于双路光通信的光学元件可以显著降低远端串扰，由此增加可靠性。
另外，本发明除减少远端串扰之外，还减少了近端串扰，因此提供了具有更高可靠性的双路光通信的光学元件。
权利要求
1.一种用于双路光通信的光学元件，其中光的发射和接收通过单根光纤实现，所述光学元件包括光学棱镜；第一和第二接收光的聚光透镜；以及第一和第二发射光的聚光透镜；所述光学棱镜具有与所述光纤的端面相对定位的第一表面；各自以基本直角邻接第一表面并彼此平行相对的第二和第三表面；第四表面，其与所述第二表面邻接，并适于将已经从所述光纤通过所述第一表面进入的待接收光线反射向第二表面；以及第五表面，其与第三表面邻接，并适于将已经从光源通过第三表面进入的待发射光线反射向第一表面；所述第四和第五表面彼此邻接，并且它们接合处的位置比所述第四表面与所述第二表面之间的接合处和所述第五表面与所述第三表面之间的接合处更靠近所述第一表面；所述第一和第二接收光的聚光透镜分别与所述第一和第二表面形成一体；所述第一和第二发射光聚光透镜分别与第一和第三表面形成一体；且所述第四和第五表面相对于光纤的轴向形成的倾角选择为小于45°。
2.如权利要求1所述的光学元件，其中，所述棱镜还具有平行于所述第二和第三表面延伸的第六表面，该表面互连所述第四表面和第五表面。
3.如权利要求1或2所述的光学元件，其中，所述倾角在30°到40°的范围内选择。
4.如权利要求2所述的光学元件，其中，所述第四表面与所述第六表面之间的接合处形成在比所述第五表面与第六表面之间的接合处更靠近所述第一表面的位置处。
5.如权利要求2所述的光学元件，其中，所述第五表面与所述第六表面之间的接合处形成在比所述第四表面与第六表面之间的接合处更靠近所述第一表面的位置处。
6.一种用于双路光通信的光发射接收机，包括如权利要求1～5中任一项所述的光学元件；光纤；用于接收来自所述光纤的接收光的光接收元件；以及用于发射发射光的光发射元件；所有所述透镜的轴和所述光纤的轴定位成包含于第一平面中；所述光接收元件定位成所述光接收元件的中心轴从一位置沿所述光纤轴向远离第一表面偏移预定距离，其中在所述位置处所述中心轴在所述第一平面内与所述第二表面上的所述第二接收光的聚光透镜的轴线对准；并且所述光接收元件的元件表面平行于所述光纤的轴向，以便倾斜地接收从所述第二接收光的聚光透镜发射出的接收光；且所述光发射元件定位成使得所述光发射元件的中心轴从一位置沿所述光纤的轴向远离第一表面偏移预定距离，其中在所述位置处，所述中心轴在所述第一平面内与所述第三表面上的所述第二发射光的聚光透镜的轴线对准，并且所述光发射元件的元件表面平行于所述光纤的轴向，以便使待发射的光倾斜地进入所述第二发射光聚光透镜。
7.如权利要求6所述的光发射接收机，其中，形成于所述第一表面的所述第一接收光聚光透镜和所述第一发射光聚光透镜具有切除端面，它们连接到一起而形成一接合表面；所述光纤定位成它的轴在第二平面与第一平面正交的交点处重合，所述第二平面包括所述接合表面并穿过所述邻接的第四表面和第五表面之间的接合处。
8.如权利要求6的光发射接收机，其中，形成于所述第一表面的所述第一接收光的聚光透镜和所述第一发射光的聚光透镜具有切除端面，它们连接到一起而形成一接合表面；所述光纤定位成它的轴在一位置处重合，该位置是在所述第一平面内从包含所述接合表面并穿过所述相邻的第四和第五表面的第二平面与所述第一平面正交的交点处向所述第一接收光的聚光透镜偏移预定距离的位置。
全文摘要
本发明公开了一种用于双路光通信的光学元件，其中，棱镜(11)的第一表面(11a)与光纤(21)的端面相对，并接收来自光纤的将被接收的光，第二表面(11b)和第三表面(11c)与第一表面的端部成直角邻接，并且它们彼此相对，第四表面(11d)反射来自第一表面的将要接收的光到面(11b)，第五表面(11e)反射来自光源、并通过面(11c)的发射光到面(11a)。第一和第二接收光聚光透镜(12和13)设置在棱镜(11)的表面(11a和11b)上，第一和第二发射光聚光透镜(14和15)设置在表面(11a和11c)上。表面(11d和11e)对于光纤轴(21a)的倾角(β1和β2)都小于45°。基于这种结构，如果接收光进入光接收元件(22)和光发射元件(23)，并且被这些元件反射，这样，反射光就被阻止返回进入光纤，由此能够抑制远端串扰的产生。
文档编号G02B5/04GK1470894SQ0314720
公开日2004年1月28日 申请日期2003年5月20日 优先权日2002年5月20日
发明者峰启治, 中川浩志, 礒田丈司, 司, 志 申请人:星电株式会社