[发明专利]一种高耦合效率的TO非球面透镜

说明书

本发明公开了光纤通信领域中用于将LD发出的光耦合进单模光纤的高效耦合的单个TO非球面透镜，该TO非球面透镜从光发射端至光接收端依次为前凸非球面和后凸非球面，透镜材料为K‑VC89玻璃。该TO非球面透镜将LD发射波长1.310μm、发光面积4μm×3μm、出射光束发散角Y方向为±35°、Z方向为±23.58°的激光，在距离发射端6.23mm的接收端面会聚成为9.0μm×6.75μm的光斑，与数值孔径NA=0.16的单模光纤耦合效率理论计算为89.8%，实验最大耦合效率88.63%。

技术领域

本发明属于光纤通信领域，特别涉及到一种半导体激光器芯片发出的光经管帽非球面透镜耦合进单模光纤的技术。

背景技术

晶体管外壳 (TO，Transistor Outline) 是某种特殊导电电子外壳的国际行业标准名称。TO 封装包含两个元件：管座和管帽。在光电子领域中，管帽具有两大作用，一是形成密闭的空间保护芯片不被氧化，二是将半导体激光器芯片发出的光聚焦耦合到光纤中，确保光学信号的顺利传输。因此，安装在管帽中的窗口或透镜的光学性质必须达到相当高的要求。

在光纤通信领域，一般采用半导体激光器LD作为光源。用于光通信的LD，发光芯片的发光面一般为4μm×3μm，其出射光束发散角Y方向为±35°，Z方向为±23.58°，发光光斑为椭圆形。使用的光纤为单模光纤，单模光纤的模场直径MFD一般为9um左右(普通通信用光纤模场直径为 8. 2 μm)，数值孔径NA大约为0.16，也就是说入射到光纤端面的光，必须汇聚成直径9um左右或者更小的光斑，并且入射角度小于9.2°，才能进入光纤，形成稳定的传播。

随着对光通信速率的要求不断提高，特别是5G通信技术的发展，对TO封装光模块中耦合透镜的耦合效率提出了更高要求。TO管帽中的耦合透镜从球透镜发展到了非球透镜。用于光纤通信中的TO管帽透镜通常有3种类型，直径1.5mm和2.0mm的球面透镜，直径2.0mm的非球透镜。直径1.5mm球面透镜俗称小球透镜，有效数值孔径约为0.125；直径2.0mm球面透镜俗称大球透镜，有效数值孔径约为0.16，这两种管帽球透镜的耦合效率为5%~15%。管帽非球透镜的有效数值孔径约为0.16，耦合效率为40%~50%。

影响管帽球面透镜耦合效率的因素大致有，（1）机械结构的精准度误差，包括横向偏移误差、纵向偏移误差及角度；（2）加工精度的限制；（3）材料的吸收和菲涅耳损耗；（4）透镜像差，主要是球差。前两个因素是加工及装配过程中出现的问题，第三个因素由材料的性质决定，而第四个因素是透镜设计过程中出现的问题。在此，本发明只考虑第四个因素。由于单个球面透镜不能校正球差，所以聚焦在光纤端面的光斑直径大于光纤模场直径，光信号大部分不能进入光纤，造成了光能的损失。单个非球面透镜可以校正球差，可以通过优化非球面参数把球差校正为到最小甚至零，这大大扩展了耦合透镜的数值孔径，使LD发出的光经透镜聚焦在光纤端面上的光斑直径大大缩小，耦合效率大大增加。

本发明设计了一高次非球面透镜，给出了高次非球面系数，光线追迹模拟了耦合过程，在zemax软件上验证了设计结果，并把设计结果进行实验验证，计算耦合效率为89.8%，实验最大耦合效率88.63%，实验平均耦合效率为79.39%。

发明内容

本发明目的在于提供一种专用TO非球面透镜，将激光二极管出射波长为1.310μm、出射光束发散角Y方向为±35°、Z方向为±23.58°的激光，经TO非球面透镜，在距离出射端6.23mm的光纤接收端耦合进数值孔径NA=0.16的单模光纤中，形成稳定的光纤传输。

根据一些可行的实施方式, 单个TO非球面透镜，其从光束入射方到光束出射方依次为前表面和后表面，前表面和后表面都为凸非球面，即为双凸非球面透镜，透镜材料为K-VC89玻璃，对于波长1.310μm的光波，其折射率为1.78331。非球面面型用最高次为8次的偶次非球面方程表征，非球面系数为优选的。