專利名稱：光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，特別是涉及一種能夠進(jìn)行1Gbps(每秒比特)以上的高速光數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓庑盘?hào)傳輸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，為了延長(zhǎng)垂直空腔表面發(fā)射激光二極管(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode，下文稱為VCSEL)光源的壽命和為了即使在低電流時(shí)也能覆蓋VCSEL的輸出，一個(gè)例子是日本專利申請(qǐng)公開(kāi)2003-152284。該專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種系統(tǒng)，其中使用多個(gè)光源，并且這些光源安排在小于光導(dǎo)路徑端面的范圍內(nèi)。
在該技術(shù)中，為了能夠以多模傳輸方式進(jìn)行不低于1Gbps的高速傳輸，不能夠使用階越折射率型(SI型)塑料光纖(下文稱作POF)作光導(dǎo)路徑。用在漸變折射率型塑料光纖(GI-POF)中的全氟化光纖，因?yàn)樵谥睆较鄬?duì)較小的光纖中產(chǎn)生模噪音而產(chǎn)生傳輸損耗。還有，因?yàn)楣饫w有這樣小的直徑，從多個(gè)VCSEL光源到光導(dǎo)路徑端面的有效耦連是困難的，并且成本變高。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，需要一種新的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其中，光導(dǎo)路徑有效地耦連到長(zhǎng)壽命的VCSEL光源，并且可以進(jìn)行不低于1Gbps的高速傳輸，同時(shí)模噪音的產(chǎn)生得到抑制。
本發(fā)明的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)含有一種折射率分布光纖，其中把一端入射的光信號(hào)從另一端輸出的纖芯直徑不低于200μm；一種安排在所述光纖一端的垂直空腔表面發(fā)射激光二極管，所述的垂直空腔表面發(fā)射激光二極管具有多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)向光纖的端面輸出光束，所述垂直空腔表面發(fā)射激光二極管從光發(fā)射點(diǎn)輸出的光束的波長(zhǎng)與其中光纖的傳輸損耗變小的波長(zhǎng)基本相同；還有一安排在光纖另一端的光接收元件，所述的光接收元件接收從所述光纖端面輸出的光信號(hào)。
下面說(shuō)明本發(fā)明的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的工作。
在光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，光信號(hào)(光束)從VCSEL的多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)發(fā)出，入射到作為光導(dǎo)路徑的折射率分布光纖的一端。
入射的光信號(hào)經(jīng)過(guò)所述折射率分布光纖從另一端輸出，而光接收元件接收從所述折射率分布光纖輸出的光信號(hào)。
因?yàn)樵诠庑盘?hào)傳輸系統(tǒng)中使用具有多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)的VCSEL，假定每個(gè)光發(fā)射點(diǎn)的光輸出相同，當(dāng)具有多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)的VCESL與具有一個(gè)光發(fā)射點(diǎn)的VCESL比較時(shí)，在具有多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)的VCESL中每個(gè)光發(fā)射點(diǎn)產(chǎn)生的熱量降低，所以可實(shí)現(xiàn)VCESL的較長(zhǎng)壽命。
因?yàn)樵谠摴庑盘?hào)傳輸系統(tǒng)中，折射率分布光纖的纖芯直徑設(shè)定為不低于200μm，可以防止在耦連過(guò)程中軸向漂移的耦連損耗加大，并且折射率分布光纖與VCESL之間的對(duì)齊以及折射率分布光纖與光接收元件之間的對(duì)齊也更加容易。
為了對(duì)抗軸向漂移，常常增加光纖的纖芯直徑。然而，當(dāng)纖芯直徑超過(guò)1000μm時(shí)，光纖所需要的材料量變得過(guò)大并且成本增加。因此對(duì)于軸向漂移的益處會(huì)達(dá)到飽和。
在所述的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，VCSEL從光發(fā)射點(diǎn)發(fā)射光束，發(fā)射的光束波長(zhǎng)大體上與其中折射率分布光纖的傳輸損耗變小的波長(zhǎng)相同。用這樣的發(fā)射，可以可靠地進(jìn)行不低于1Gbps的高速光傳輸。
“其中光纖的傳輸損耗變小的波長(zhǎng)”指的是其中光纖的傳輸損耗變得不超過(guò)500dB/Km。光纖的傳輸損耗優(yōu)選為不超過(guò)300dB/Km，更優(yōu)選為不超過(guò)200dB/Km的波長(zhǎng)。
在本發(fā)明的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，從垂直空腔表面發(fā)射激光二極管發(fā)射的光束的波長(zhǎng)范圍可以是770nm至810nm。
下面，在上述設(shè)定的情況下，說(shuō)明本發(fā)明的光傳輸系統(tǒng)的效應(yīng)。
例如，在構(gòu)成纖芯的聚合物復(fù)合材料采用包含氘化甲基丙烯酸酯的化合物制造的折射率分布光纖中，在約770nm至約810nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)可以降低傳輸損耗。因此，通過(guò)把從VCSEL發(fā)射出的光束的波長(zhǎng)設(shè)定在770nm至810nm的范圍內(nèi)可以降低傳輸損耗。
在本發(fā)明的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，所述多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)可以在光纖的端面安排在纖芯的外圓周內(nèi)。
下面，說(shuō)明在此情況下光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的效應(yīng)。
光束從光發(fā)射點(diǎn)發(fā)射出，同時(shí)輕微散射。因此，通過(guò)把多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)安排在光纖的端面處纖芯的外圓周內(nèi)，可以在所述光纖的端面有效地接收從光發(fā)射點(diǎn)發(fā)射的光束。
在本發(fā)明的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，所述光纖可以是折射率分布塑料纖維，并且纖芯聚合物中C-H鍵的輕氫含量可不超過(guò)60mg/克聚合物。
下面，說(shuō)明在此情況下的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的效應(yīng)。
由于合成樹(shù)脂制造的折射率分布光纖用作光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的光纖，所述合成樹(shù)脂制造的光纖具有抗振動(dòng)性和耐彎曲性，并且與玻璃纖維相比，更易于鋪設(shè)。
所述光纖由折射率分布光纖形成，并且纖芯聚合物中C-H鍵的輕氫含量設(shè)定為不超過(guò)60mg/克聚合物。因此當(dāng)使用波長(zhǎng)不小于770nm的近紅外光源時(shí)，產(chǎn)生傳輸損耗的波長(zhǎng)范圍可以移動(dòng)到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)范圍，以降低傳輸信號(hào)光束的損耗。
在本發(fā)明的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，纖芯聚合物中C-H鍵的輕氫可以用氘化聚合物或者鹵化聚合物制造。
下面，說(shuō)明在此情況下的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的效應(yīng)。
纖芯聚合物中C-H鍵的輕氫用氘化聚合物或者鹵化聚合物制造，可以低成本地實(shí)現(xiàn)本案中的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的效應(yīng)。
在本發(fā)明的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，所述聚合物可以是氘化聚(甲基)丙烯酸酯化合物。
下面，說(shuō)明本案中的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的效應(yīng)。
用氘化聚(甲基)丙烯酸酯制造聚合物的方式可以把生產(chǎn)成本和材料成本降低。特別是，通過(guò)采用氘化聚(甲基)丙烯酸酯制造纖芯和VCSEL具有770nm至810nm范圍的光束波長(zhǎng)兩者結(jié)合起來(lái)可以降低傳輸損耗。
在本發(fā)明的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，所述光接收元件可以為MSM型光電二極管。
下面，說(shuō)明本案中的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的效應(yīng)。
通過(guò)所述光接收元件由MSM型光電二極管形成，可以高速接收光信號(hào)。
在本發(fā)明的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)中，所述光纖的纖芯直徑可以在250μm至900μm的范圍內(nèi)。
下面，說(shuō)明在此情況下的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的效應(yīng)。
成本和軸向漂移對(duì)策之間的平衡，通過(guò)把所述折射率分布光纖的纖芯直徑設(shè)置在250μm至900μm的范圍內(nèi)而實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的第二方面是一種光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，所述的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)含有傳輸光信號(hào)的光纖，設(shè)置在所述光纖的一端、用于向光纖的端面發(fā)射光束的垂直空腔表面發(fā)射激光(VCSEL)二極管，和設(shè)在光纖的另一端用于接收從光纖的端面發(fā)射的光束的光接收元件。在該系統(tǒng)中，所述的垂直空腔表面發(fā)射激光二極管包括多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)，其中光束是同時(shí)發(fā)射的，并且射出光束的發(fā)散角等于或者小于23度。
該系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)如下。
在本發(fā)明的第二方面的該系統(tǒng)中，VCSEL二極管的每個(gè)光發(fā)射點(diǎn)射出一個(gè)光束。所述射出的光束入射到光纖的一個(gè)端面上。從所述光纖的另一端面射來(lái)的光束由所述光接收元件接收。因?yàn)樾〉墓馐l(fā)散角促進(jìn)光纖入射，所以所發(fā)射的光束的發(fā)散角等于或小于23度。
在某些情況下，所述的發(fā)散角可以等于或小于21度。
在該系統(tǒng)中，所述光纖可以是漸變折射率型塑料光纖(GI-POF)。
在該系統(tǒng)中，所述垂直空腔表面發(fā)射激光可以包括電流限制層，所述的限制層可以被選擇性地氧化，并且可以在所述的限制層中形成一個(gè)直徑等于或小于11μm的被氧化孔。
通過(guò)把所述被氧化孔的直徑設(shè)置為不大于11μm，發(fā)散角可以變?yōu)榈扔诨蛐∮?3度。
如上所述，本發(fā)明的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)具有上述的配置，從而至少可以得到以下的效果。
(1)由于使用具有多個(gè)發(fā)射點(diǎn)的VCSEL作光源，假定每個(gè)光發(fā)射點(diǎn)的光輸出是相同的，具有多個(gè)發(fā)射點(diǎn)的VCSEL與具有一個(gè)發(fā)射點(diǎn)的VCSEL相比，具有多個(gè)發(fā)射點(diǎn)的VCSEL中每個(gè)光發(fā)射點(diǎn)產(chǎn)生的熱量可以降低，并且可以實(shí)現(xiàn)VCSEL的較長(zhǎng)壽命。
(2)由于折射率分布光纖的纖芯直徑設(shè)定得不小于200μm，可以防止耦連過(guò)程中軸向漂移的耦連損耗增加，折射率分布光纖與VCSEL之間的對(duì)齊和折射率分布光纖與光接收元件之間的對(duì)齊也更加容易，并且可以防止產(chǎn)生模噪音。當(dāng)纖芯直徑小而在耦連過(guò)程中的軸向漂移大時(shí)，易于產(chǎn)生模噪音。因此，可以通過(guò)增加纖芯直徑而抑制軸向漂移的影響?？赏ㄟ^(guò)觀察S/N比或者眼孔圖樣中眼孔的伸展而觀察模噪音。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的示意圖。
圖2是VCSEL的前視圖。
圖3是雙纖芯帶涂層光纖纜的截面圖。
圖4是VCSEL的光發(fā)射點(diǎn)的平面圖。
圖5是圖4所示的光發(fā)射點(diǎn)的截面圖。
圖6是圖4中所示的VCSEL的電路圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。
如圖1所示，該實(shí)施方案的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)10包括發(fā)送單元12、接收單元14、和與所述發(fā)送單元12和所述接收單元14耦連的光纖纜16。光纖纜詳述在該實(shí)施方案的光纖纜16中，用GI-POF 18作光纖。
本實(shí)施方案的GI-POF 18是具有折射率分布的光纖。只要GI-POF具有折射率分布并且纖芯直徑不小于200μm，任何GI-POF都可以用于所述光纖。從抗振動(dòng)、不易彎曲、便于鋪設(shè)、端面加工特性，以及內(nèi)部走線安全性考慮，優(yōu)選是使用所述具有折射率分布的塑料光纖(GI-POF)。當(dāng)所述塑料纖維用于波長(zhǎng)不低于770nm的近紅外光源時(shí)，由于構(gòu)成光纖的C-H鍵的伸展振動(dòng)的低次諧波吸收而引起吸收損耗。因此，當(dāng)在構(gòu)成纖芯部分的聚合物中以重氫原子或者氟原子之類的鹵素原子取代C-H鍵中的輕氫原子時(shí)(如在WO 93/08488、JP-A 58-149003和JP-A 10-293125中所說(shuō)明的，諸如氘化聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA-d8.d5.d3)、叔丁基-d14聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸氟乙酯(P3FMA)，和聚六氟異丙基-氟代丙烯酸酯(HFIP2-FA))，可以使產(chǎn)生傳輸損耗范圍的波長(zhǎng)范圍變長(zhǎng)以降低傳輸信號(hào)光的傳輸損耗。如在JP-A 8-5848中所述，可以使用全氟化樹(shù)脂制造的GI-POF。然而，在用全氟化樹(shù)脂制造的GI-POF中，材料生產(chǎn)特性沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，與減少了C-H鍵中的輕氫含量的丙烯酸酯單體或者甲基丙烯酸酯單體比較時(shí)，生產(chǎn)成本較高，并且在制造預(yù)制坯時(shí)精細(xì)調(diào)節(jié)，例如融合擴(kuò)散法和多層浸染涂層法。因此通常使用丙烯酸酯單體或者甲基丙烯酸酯單體的聚合物，而不是全氟化樹(shù)脂。(甲基)丙烯酸酯，譬如無(wú)氟(甲基)丙烯酸酯和含氟(甲基)丙烯酸酯、苯乙烯化合物和乙烯酯之類，可以例舉為常用的聚合單體。纖芯部分可以用含有至少兩個(gè)上述材料的均質(zhì)聚合物的共聚體或者上述材料的單體和均質(zhì)聚合物和/或共聚物的混合物制造?？梢允褂眠@些含有(甲基)丙烯酸酯的組合物作為聚合單體的材料。
本發(fā)明的纖芯組合物材料通常通過(guò)聚合包括至少上述的單體、聚合引發(fā)劑、以及其折射率與所述聚合化單體不同的化合物的聚合組成物而制造。
下面說(shuō)明作為本發(fā)明優(yōu)選的方式使用的折射率分布塑料纖維的實(shí)施方案，所述折射率分布塑料纖維具有纖芯部分和覆層部分。
所述的實(shí)施方案主要包括兩個(gè)類型。然而，本發(fā)明不限于以下的實(shí)施方案。
第一實(shí)施方案是制造塑料光構(gòu)件的方法。所述的方法包括第一工藝過(guò)程，該工藝過(guò)程聚合覆層部分的聚合組合物材料，用于產(chǎn)生作為覆層部分的圓管；第二工藝過(guò)程，在第二工藝過(guò)程中形成作為內(nèi)纖芯部分的區(qū)域，所述作為纖芯部分的區(qū)域通過(guò)在圓管的中空部分中界面凝膠聚合纖芯部分的聚合組合物材料而形成，以產(chǎn)生分別具有分別對(duì)應(yīng)于所述纖芯部分和所述覆層部分區(qū)域的預(yù)制坯；以及將所得到的預(yù)制坯加工成所需樣式的第三工藝過(guò)程。例如，WO 93/08488可以引作參考。
第二實(shí)施方案是制造塑料光元件的方法。該方法包括第一工藝過(guò)程，在所述第一工藝過(guò)程中所述圓管包括兩個(gè)層，這兩個(gè)層通過(guò)旋轉(zhuǎn)聚合法聚合用作外覆層的聚合組合物材料，在諸如聚偏二氟乙烯之類的含氟樹(shù)脂制造的圓管的內(nèi)壁表面上產(chǎn)生一個(gè)外纖芯層而產(chǎn)生；第二工藝過(guò)程，在第二工藝過(guò)程中形成作為纖芯部分的區(qū)域，所述作為纖芯部分的區(qū)域通過(guò)在圓管的中空部分中界面凝膠聚合纖芯部分的聚合組合物材料而形成，以產(chǎn)生分別具有對(duì)應(yīng)于覆層部分、外纖芯部分和內(nèi)纖芯部分區(qū)域的性能；和以所需形式形成所得到的性能的第三工藝過(guò)程。例如，JP-A10-293125可以引作參考。
在第二實(shí)施方案中，當(dāng)生產(chǎn)同心的雙層圓管時(shí)，所述管可以用融合共擠出氟樹(shù)脂和外纖芯部分的聚合組合物材料的聚合物的單步方法產(chǎn)生，而不用上述的逐步方法。
形成所述覆層部分或所述外纖芯部分的聚合組合物材料，除常用作聚合單體的氘化聚甲基丙烯酸酯和引發(fā)聚合單體聚合的引發(fā)劑之外，可以含有鏈轉(zhuǎn)移劑等。
形成纖芯部分或者內(nèi)纖芯部分的聚合組合物材料包含通常用作聚合單體的氘化聚甲基丙烯酸酯、引起聚合單體聚合的引發(fā)劑、鏈轉(zhuǎn)移劑、和(如果需要時(shí))折射率不同于所述單體的化合物(折射率控制成分摻雜劑)。
在第二實(shí)施方案中，通過(guò)在覆層部分與纖芯部分之間形成外纖芯部分，由于覆層部分和纖芯部分的材料不同引起的粘附性能降低與生產(chǎn)率下降都得以減輕。
在含氟樹(shù)脂中，疏水性高，并且覆層部分和纖芯部分的折射率差可以增大，含氟樹(shù)脂通常在第二實(shí)施方案中用作覆層部分。特別是，常常使用聚偏二氟乙烯樹(shù)脂或相類似的材料。
對(duì)應(yīng)于覆層部分的圓管，可以通過(guò)融合擠出市售氟樹(shù)脂形成具有所需直徑和厚度的管。
可以通過(guò)在管的中空部分中旋轉(zhuǎn)聚合聚合組合物材料，而在得到的管的中空部分的內(nèi)壁上形成所述外纖芯層。類似的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)共同擠出含有氟樹(shù)脂的聚合物和聚合組合物材料產(chǎn)生。
在使用該實(shí)施方案的聚合組合物材料產(chǎn)生光構(gòu)件時(shí)，可以通過(guò)使用所述折射率控制成分在所述折射率控制成分濃度方面形成斜率而生成所述折射率分布的光構(gòu)件。
在折射率控制成分濃度上造成斜率的方法，例如在WO 93/08488、WO 03/019252、JP-A 2003-75656和2003-149463中說(shuō)明的界面凝膠聚合的方法。
形成覆層部分和外纖芯部分和纖芯部分的聚合組合物材料可以含有聚合引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑，聚合引發(fā)劑和鏈轉(zhuǎn)移劑在WO 93/08488、WO 03/019252、JP-A 10-293215、2003-75656和2003-149463中說(shuō)明。形成纖芯部分的聚合組合物材料可以含有聚合引發(fā)劑、鏈轉(zhuǎn)移劑和折射率控制成分，所述聚合引發(fā)劑、鏈轉(zhuǎn)移劑和折射率控制成分在上述參考文件中說(shuō)明。
除了在WO 93/08488、WO 03/019252、JP-A 2003-75656和2003-149463中說(shuō)明的方法以外，還可以將公知的技術(shù)和日本專利申請(qǐng)2002-346250和2002-188181中說(shuō)明的技術(shù)用于每個(gè)工藝過(guò)程中的制造方法。
GI-POF 18的纖芯直徑范圍是200μm至1000μm。GI-POF 18的纖芯直徑范圍優(yōu)選為250μm至900μm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為在300μm至800μm的范圍內(nèi)。
傳輸單元的細(xì)節(jié)傳輸單元12包括外殼20和傳輸基片22。
傳輸單元22包括VCSEL 24、電信號(hào)輸入單元26、把所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)以驅(qū)動(dòng)VCSEL 24的電路(未示出)。
在JP-A 2003-152284、JP-A 11-121867中說(shuō)明的技術(shù)或者類似技術(shù)可以用作VCSEL 24。
本實(shí)施方案的VCSEL 24發(fā)射中心波長(zhǎng)約780nm并且功率約3mW的激光束。如圖2中所示，本實(shí)施方案的VCSEL 24具有四個(gè)光發(fā)射點(diǎn)28(2x2點(diǎn)陣形排列)，并且所述光發(fā)射點(diǎn)以50μm的間距(P)排列。圖4和5各示出本實(shí)施方案的VCSEL 24的總體結(jié)構(gòu)。光發(fā)射點(diǎn)之一具有直徑為27μm的圓柱形臺(tái)面的結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)用于提供驅(qū)動(dòng)電流的上金屬電極62、一個(gè)來(lái)自上金屬電極62的電流經(jīng)發(fā)射的光束傳送和引導(dǎo)到其中的上接觸層64、一個(gè)上DRB鏡層66、一個(gè)電流限制部分68和活化層72，所述電流限制部分68在從臺(tái)面?zhèn)缺砻娴絻?nèi)部在直徑約9μm的部分有選擇地氧化。在限制器68內(nèi)部的臺(tái)面結(jié)構(gòu)的中心部分稱為被氧化孔70。圖6是圖4所示的VCSEL 24的電路圖。四個(gè)發(fā)射點(diǎn)由相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)。在圖6中附圖標(biāo)記74代表微計(jì)算機(jī)，附圖標(biāo)記76代表產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)控制電路，而附圖標(biāo)記78代表發(fā)射點(diǎn)。
電流限制器68的核心的非氧化部分或者被氧化孔70的直徑等于或小于11μm。優(yōu)選地，該被氧化孔70的直徑在8μm至11μm的范圍內(nèi)。在所述的非氧化部分中，光束以約21度的發(fā)散角或者說(shuō)張開(kāi)角發(fā)射。所述的發(fā)散角定義為其功率為峰值的1/e2處的角度。一般地，發(fā)散角越小，對(duì)光纖的入射就越容易。另一方面，當(dāng)根據(jù)這一點(diǎn)，被氧化孔越小，纖維的壽命也就越短。對(duì)此矛盾的合理的解答是，發(fā)散角設(shè)定得不大于23度，不大于21度較好，或者不大于19度更好。
在此，當(dāng)使用不同的光纖時(shí)，例如帶有大得多的直徑的光纖，光發(fā)射點(diǎn)可以按四乘四點(diǎn)陣形狀排列，如JP-A 2003-152284所公開(kāi)的。作為可取代的方案，光發(fā)射點(diǎn)可以同心排列或者以其它陣列排列。不論排列怎樣，兩個(gè)相鄰的發(fā)射點(diǎn)之間的間距應(yīng)當(dāng)設(shè)定在40μm至50μm范圍內(nèi)，以得到在質(zhì)量上大體上與VCSEL 24的單個(gè)發(fā)射點(diǎn)發(fā)出的光束相同的光束。
盡管在圖1中示出金屬罐封裝的VCSEL，本發(fā)明不限于圖1所示的VCSEL。
如圖1所示，光纖16用連接器(未示出)耦連至外殼20。
在此，在GI-POF18與VCSEL 24之間的耦連中，可以使用對(duì)接耦連，其中VCSEL 24的輸出面直接連接到GI-POF18上。作為可替代的方案，可以通過(guò)使用非球面透鏡或球透鏡把光線引導(dǎo)成平行的，引導(dǎo)到光導(dǎo)路徑中，或者所述光路會(huì)聚以耦連GI-POF18和VCSEL 24。
如圖2所示，在GI-POF18的端面的外圓周(通過(guò)點(diǎn)劃線示出)內(nèi)排列多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)28。
如圖1所示，在該實(shí)施方案中，在VCSEL 24與GI-POF18的端面之間設(shè)有球透鏡30。
從VCSEL 24發(fā)射的光通過(guò)使用球透鏡30以相同的放大倍數(shù)聚焦在GI-POF18的入射端面上。
接收單元詳述接收單元14包括外殼32和接收基片34。
接收基片34包括光接收元件36、電信號(hào)輸出單元38，和把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的電路(未示出)。
高速硅PIN光電二極管或者砷化鎵PIN光電二極管和MSM(金屬-半導(dǎo)體-金屬)光電二極管之類的光電二極管(PD)可以用作光接收元件36。也可以使用其它光接收元件。
在該實(shí)施方案中，光接收表面直徑為100μm的砷化鎵PIN光電二極管用作光接收元件36。
光纖16用連接器(未示出)連接至外殼32。
在此，在GI-POF18與光接收元件26之間的耦連中，可以使用對(duì)接耦連，其中GI-POF18輸出的光直接耦連到光接收元件36上。作為可替代的方案，可以通過(guò)使用非球面透鏡或球透鏡把光線引導(dǎo)成平行的，以引導(dǎo)到光導(dǎo)路徑中，或者所述光路會(huì)聚以耦連GI-POF18和光接收元件36。
在該實(shí)施方案中，非球面透鏡(凸透鏡)40安排在GI-POF18的端面與接收元件36之間，以形成縮小比例為3∶1的耦連方式，并且從GI-POF18發(fā)射出的光束通過(guò)非球透鏡(凸透鏡)40聚焦入射在光接收元件36的光接收表面上。
可以進(jìn)行高速運(yùn)行并且具有較大直徑光接收表面的光電二極管，例如具有250μm的光接收表面直徑的MSM光電二極管，也可以用在本實(shí)施方案中。在此情況下，可以降低非球面透鏡40的縮小比例。取決于GI-POF的纖芯直徑，具有可以使用相同放大倍數(shù)的低成本透鏡或者可以不用透鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)接耦合的優(yōu)點(diǎn)。
操作下面，說(shuō)明該實(shí)施方案的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)10的操作。
例如本實(shí)施方案的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)10在具有大量信息的視頻信號(hào)的情況下是優(yōu)選的，所述的視頻信號(hào)來(lái)自計(jì)算機(jī)，被傳輸?shù)斤@示器。
如圖1所示，計(jì)算機(jī)的視頻信號(hào)輸出單元(未示出)經(jīng)一條電纜連接到傳輸單元12的電信號(hào)輸入單元26，并且顯示器的視頻信號(hào)輸入單元(未示出)經(jīng)電纜連接到接收單元14的電信號(hào)輸出單元38。
在傳輸單元12中，電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，以從VCSE L24的每個(gè)光發(fā)射點(diǎn)28輸出光信號(hào)(光束)，并且光信號(hào)經(jīng)球透鏡30和光纖纜16(GI-POF18)傳輸?shù)剿鼋邮諉卧?4。
在接收單元14中，光信號(hào)經(jīng)非球面透鏡(凸透鏡)40輸入到光接收元件36，并且光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)以輸出到所述顯示器。
在本實(shí)施方案的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)10中，因?yàn)閂CSEL 24包括多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)28，與有一個(gè)光發(fā)射點(diǎn)28的VCSEL的情況相比，每個(gè)光發(fā)射點(diǎn)產(chǎn)生的熱量可以減少，可以延長(zhǎng)VCSE L24的壽命。
GI-POF18的纖芯直徑設(shè)定為不小于200μm，并且VCSEL 24的光發(fā)射點(diǎn)28安排在GI-POF18的端面的外圓周內(nèi)，從而可以防止在耦連過(guò)程中軸向漂移的耦連損耗變大。此外，GI-POF18與VCSEL 24之間的對(duì)齊和GI-POF18與光接收元件36之間的對(duì)齊還可以變?nèi)菀住?br> 在光纖纜16中，因?yàn)橐院铣蓸?shù)脂制造的GI-POF18作為光纖，合成樹(shù)脂制造的光纖具有抗振動(dòng)性和耐彎曲性，從而與玻璃纖維相比，光纖的鋪設(shè)便于進(jìn)行。
GI-POF18用作光纖，構(gòu)成GI-POF18纖芯的聚合組合物材料用含氘化聚甲基丙烯酸酯的化合物制造，并且VCSEL 24的光束的波長(zhǎng)設(shè)定在770nm至810nm的范圍內(nèi)。因此降低了傳輸損耗并且能可靠地進(jìn)行不低于1Gpbs的高速光傳輸。
實(shí)施例為了確認(rèn)本發(fā)明的效果，以試驗(yàn)的方式建立了應(yīng)用了本發(fā)明的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)的實(shí)施例，和對(duì)照的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)實(shí)施例，并且對(duì)所述實(shí)施例與對(duì)照例在傳輸損耗、帶寬、耦連效率和光源壽命方面進(jìn)行了相互比較。
測(cè)試系統(tǒng)說(shuō)明實(shí)施例1VCSEL使用的中心波長(zhǎng)為780nm的光纖。
光發(fā)射點(diǎn)的數(shù)量是四(2x2點(diǎn)陣排列)并且光發(fā)射點(diǎn)以50μm的間距排列。
用以下組合物材料制造GI-POF。
下面對(duì)用MMA-d8作原材料制造GI-POF進(jìn)行說(shuō)明。
采用KF-850(Kureha Chemical Industry Co.，Ltd.的產(chǎn)品)擠壓制造二氟乙烯樹(shù)脂管，該管的內(nèi)徑是22mm，長(zhǎng)度是600mm，并且管線的底部也用KF-850制造。預(yù)定量氘化甲基丙烯酸甲酯(MMA-d8)被注入到所述二氟乙烯樹(shù)脂管中。在所述氘化甲基丙烯酸甲酯中去掉作為聚合抑制劑的氫醌單甲酯，并且把水份去除到不超過(guò)80ppm。
其中在單體溶液中按0.5質(zhì)量％的比例加入偶氮雙異丁酸酯(MAIB)用作聚合誘發(fā)劑，并且在單體溶液中按0.4質(zhì)量％的比例加入n-月桂基硫醇用作鏈轉(zhuǎn)移劑，把這樣的混合溶液注進(jìn)二氟乙烯樹(shù)脂管中。
把注入了單體混合溶液的聚合管放在溫度為70℃的熱水浴中，在振動(dòng)聚合管的同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)小時(shí)的預(yù)聚合。
在65℃下把聚合管保持在水平狀態(tài)(圓柱的高度方向變成水平的)一個(gè)小時(shí)，然后在70℃下把聚合管保持在水平狀態(tài)三個(gè)小時(shí)。然后在以3000rmp的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)加熱和聚合所述的聚合管。在90攝氏度進(jìn)行24小時(shí)熱處理以得到上述聚合物制造的圓管。
作為纖芯部分的原料的單體(MMA-d8)和作為摻雜劑的與單體溶液的比例為7質(zhì)量％的二苯硫醚混合。類似地，在氘化甲基丙烯酸甲酯中去掉作為聚合抑制劑的氫醌單甲酯，并且把水份去除到不超過(guò)80ppm。
在用精度為0.2μm的四氟乙烯膜過(guò)濾器過(guò)濾所述混合溶液的同時(shí)，把濾液直接注入所制成的圓管的中空部分中。
在單體混合溶液中按0.016質(zhì)量％的比例加入1，1-二叔丁基過(guò)氧化物(PBD)作為聚合引發(fā)劑，并且在單體溶液中按0.27質(zhì)量％的比例加入n-月桂硫醇用作鏈轉(zhuǎn)移劑(該系統(tǒng)中的鏈轉(zhuǎn)移系數(shù)是0.8)。
注入了混合溶液的圓管插入內(nèi)徑大于所述圓管外徑9％的玻璃管中，并直立在加壓的聚合管中。
然后，在加壓的聚合管中用氮?dú)馊〈?，加壓的聚合管?nèi)加壓到最高0.005MPa，并且加熱所述加壓的聚合管以在100℃溫度進(jìn)行聚合48小時(shí)。
在保持加壓狀態(tài)的同時(shí)，在120℃進(jìn)行24小時(shí)的加熱聚合和熱處理。然后通過(guò)緩慢冷卻得到預(yù)制坯。
在完成聚合而沒(méi)有由于體積壓縮造成的氣泡混入所得到的預(yù)制坯中。
通過(guò)在230℃熱延伸進(jìn)行預(yù)制坯的拉絲而制造纖芯直徑約300μm的塑料光纖元件線。在此拉伸過(guò)程中，成品中沒(méi)有觀察到氣泡產(chǎn)生。
如圖3所示，元件線48通過(guò)使用涂覆機(jī)在120℃用低密度聚乙烯(LDPE)涂覆，所述的涂覆機(jī)包括正交十字頭模具以得到外徑為1.2mm的帶涂層光纖繩，其中第一涂層50與芯線直接接觸。
兩根帶涂層光纖繩通過(guò)使用涂覆機(jī)在130℃用聚氯乙烯(PVC)涂覆得到雙芯光纖纜，所述涂覆機(jī)包括與用在第一涂層50中的模具不同的模具，其中鞘層52的短直徑為3.2mm，而鞘層52的長(zhǎng)直徑為6.2mm。從而得到雙纖芯光纖纜，其中對(duì)中空的部分縱向加入芳綸纖維作為張力件。
對(duì)照例1與第一實(shí)施方案一樣地產(chǎn)生GI-POF，例外的是用于纖芯組合物材料的是非氘化的普通聚甲基丙烯酸甲酯。
對(duì)照例2使用GI-POF(商品名“Lucina”，Asahi Glass Co.，Ltd.制造)。纖芯直徑是120μm，并且纖芯組合物材料使用全氟化樹(shù)脂。此外使用適用于全氟化樹(shù)脂的850nm波長(zhǎng)、并且有一個(gè)光發(fā)射點(diǎn)的光源。其它的條件與第一實(shí)施方案相同。
對(duì)照例3使用纖芯直徑250μm的SI-POF(商品名SK-10，Mitsubishi Rayon株式會(huì)社制造)代替GI-POF。其它條件與第一實(shí)施方案相同。
對(duì)照例4使用波長(zhǎng)780nm并且具有一個(gè)光發(fā)射點(diǎn)的VCSEL光源。其它條件與第一實(shí)施方案相同。
試驗(yàn)方法通過(guò)以下方法對(duì)雙纖芯光纖纜的一根光纖進(jìn)行試驗(yàn)。
所述光纖的軸線與VCSEL對(duì)齊，以通過(guò)使用球透鏡用相同的放大倍數(shù)耦連到VCSEL的光發(fā)射面上。在此，耦合效率是0.8dB。
傳輸損耗測(cè)量通過(guò)對(duì)光源波長(zhǎng)進(jìn)行削減測(cè)量的方法進(jìn)行。
光纖帶寬通過(guò)采用時(shí)域方法測(cè)量50m的長(zhǎng)度進(jìn)行。
光源壽命測(cè)量條件在2mW輸出和60℃溫度條件下進(jìn)行加速試驗(yàn)。
耦連效率(在VCSEL發(fā)光側(cè))使用球透鏡相同放大倍數(shù)系統(tǒng)，以有目的地向XY方向(垂直于軸線的方向)移動(dòng)纖維軸線80μm，并且VCSEL和光纖相互耦連以進(jìn)行測(cè)量。
模噪音通過(guò)3Gbps處眼孔圖樣中眼孔附近的噪音水平估算。
表1



在實(shí)施例1、對(duì)照例1和對(duì)照例3中，因?yàn)槭褂镁哂卸鄠€(gè)光發(fā)射點(diǎn)的VCSEL光源，通過(guò)60℃的加速試驗(yàn)確認(rèn)了2mW輸出時(shí)不少于1×105小時(shí)的使用壽命。
在VCSEL光源具有一個(gè)光發(fā)射點(diǎn)的對(duì)照例4中，只得到不超過(guò)1×104小時(shí)的壽命。
氘化丙烯酸樹(shù)脂制造的光纖50米長(zhǎng)度的帶寬是5.6GHz。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用氘化丙烯酸樹(shù)脂制造的光纖足以用于高速傳輸。
權(quán)利要求
1.一種光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其含有傳輸光信號(hào)的光纖；設(shè)在所述光光纖的一端、用于向所述光纖的端面發(fā)射光束的垂直空腔表面發(fā)射激光二極管；以及設(shè)在所述光纖的所述端面?zhèn)鹊南鄬?duì)端側(cè)用于接收從所述光纖的一端發(fā)射的光束的光接收元件，其中，所述的垂直空腔表面發(fā)射激光二極管包括多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)，其中光束是同時(shí)發(fā)射的，并且射出光束的發(fā)散角等于或者小于23度。
2.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述射出光束的發(fā)散角等于或小于21度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述光纖是漸變折射率型塑料光纖。
4.如權(quán)利要求1或2所述的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述垂直空腔表面發(fā)射激光二極管包括一電流限制層，所述的限制層被選擇性地氧化，并且在所述的限制層中形成一個(gè)直徑等于或小于11μm的被氧化孔。
5.如權(quán)利要求4所述的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述被氧化孔的直徑在8μm至11μm的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述光纖的纖芯直徑在250μm至900μm的范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述光束的波長(zhǎng)在770nm至810nm的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其特征在于所述光發(fā)射點(diǎn)之間的間距在40μm至50μm的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，其含有傳輸光信號(hào)的光纖；設(shè)在所述光光纖的一端、用于向所述光纖的端面發(fā)射光束的垂直空腔表面發(fā)射激光二極管；以及設(shè)在所述光纖的所述端面?zhèn)鹊南鄬?duì)端側(cè)用于接收從所述光纖的一端發(fā)射的光束的光接收元件，其中，所述的垂直空腔表面發(fā)射激光二極管包括多個(gè)光發(fā)射點(diǎn)，其中光束是同時(shí)發(fā)射的，并且射出光束的發(fā)散角等于或者小于23度。
文檔編號(hào)G02B6/02GK1783756SQ200510115638
公開(kāi)日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2004年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月14日
發(fā)明者大橋雄一, 松本研司, 日色宏之, 中村善貞, 加藤三紀(jì)彥, 上野修, 浜田勉, 經(jīng)塚信也, 中山秀生, 馬場(chǎng)智夫 申請(qǐng)人:富士膠片株式會(huì)社, 富士施樂(lè)株式會(huì)社