專利名稱：一種可見光光纖傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可見光光纖傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)裝置，包括光發(fā)送機和光接收機。
背景技術(shù)：
隨著高清視頻和視頻會議等高帶寬應(yīng)用的普及，人們對于網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求越來越高。在目前光纖入戶(FTTH)的布線中，一般使用石英單模光纖連接至樓道或每層樓的布線箱，而在樓層的水平方向上，一般使用銅纜進行“最后一百米”的介入。但銅纜由于不能支持高速率的傳輸，成本高，以及抗電磁干擾能力差等缺點，正逐步被光纖所取代。塑料光纖又稱聚合物光纖，是采用聚合物材料或有機材料制備而成，用于傳輸光 信號的傳輸線。與石英單模光纖相比，塑料芯徑的大小在250μπι到3000μπι之間。因此在進行塑料光纖的連接時，即使光纖中心產(chǎn)生了偏差也不會產(chǎn)生過大的耦合損耗。此外，塑料光纖(POF)具有抗干擾能力強，數(shù)值孔徑大，抗彎曲及不易折斷等特點。POF具有非常高的傳輸損耗，但是在可見光波段650nm處存在著一個低損耗窗口，可米用廉價的大功率，共振腔發(fā)光二極管(RCLED)作為光源，RCLEDs具有調(diào)制帶寬高，耐高溫，出光效率高，耦合效率高，緊湊封裝等優(yōu)點。因此目前的POF通信通常選在此波段。并且650nm光源為可見光的紅光波段，易于安裝，對人體無害，非常方便用戶自己動手進行獨立安裝。通過結(jié)合了 PON技術(shù)與塑料光纖接入網(wǎng)的優(yōu)點，利用塑料光纖的優(yōu)勢解決了 PON技術(shù)沒有解決的“最后100米”光纖接入問題，可實現(xiàn)光纖到桌面(FTTD)全光接入。目前的POF通信系統(tǒng)傳輸速率可達100Mbps，進行IOOm的傳輸。但隨著高帶寬應(yīng)用的不斷增加，局域網(wǎng)的速率由IOOMbps向IOOOMbps發(fā)展。下一代POF通信系統(tǒng)的目標(biāo)是傳輸速率達1000Mbps、可進行50m的系統(tǒng)傳輸。主要是因為以塑料光纖為傳輸媒質(zhì)時，存在著傳輸損耗大，多模色散嚴(yán)重，傳輸帶寬小的缺點。2010年，歐洲研究項目POF-PLUS報道其成功實現(xiàn)了在長度50m的PMMA POF (芯徑Imm)上的IG速率傳輸。該系統(tǒng)采用650nm的RCLED光源，接收端采用基于自適應(yīng)和盲均衡的判決反饋均衡器(DFE)，調(diào)制方式為二進制脈沖幅度調(diào)制。該系統(tǒng)的成功傳輸主要得益于優(yōu)良的并行化盲均衡算法和硬件實現(xiàn)。但是該系統(tǒng)需要用到復(fù)雜的電處理算法和昂貴的高速AD器件，而在接入網(wǎng)的應(yīng)用中，對于價格十分敏感，因此對POF通信形成了很大的挑戰(zhàn)。同時現(xiàn)有的塑料光纖通信傳輸系統(tǒng)中光發(fā)送器端的光耦合方法，一般采用普通的半球形透鏡結(jié)構(gòu)，利用幾何光學(xué)的聚光原理，提高入纖的光功率。但是采用普通透鏡的光耦合方法效率有限，RCLED發(fā)出的可見光光信號在光耦合過程中被損耗，從而導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端的光功率減少，減少了光信號的可傳輸距離。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可見光光纖傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)裝置，包括光發(fā)送機和光接收機。該可見光光纖傳輸系統(tǒng)可以減少模式色散影響，提高光源進入石英光纖的耦合效率，提高系統(tǒng)的傳輸帶寬，增加傳輸距離。
本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案—種可見光光纖傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)裝置，包括光發(fā)送機和光接收機，光收發(fā)裝置中的光發(fā)送機由共振腔發(fā)光二極管、光發(fā)送器驅(qū)動電路、具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡、平面光波導(dǎo)光耦合器和光隔離器組成，共振腔發(fā)光二極管與光發(fā)送器驅(qū)動電路相連接，半球形透鏡處于共振腔發(fā)光二極管的上方，光隔離器處于半球形透鏡的上方，光隔離器在平面光波導(dǎo)光率禹合器的a端口處。所述光收發(fā)裝置中的光接收機包括對光信號進行光電轉(zhuǎn)換的光接收組件和對光接收組件輸出的電流進行放大處理的限幅放大器，光接收組件與平面光波導(dǎo)光耦合器的b端口相連接，限幅放大器在光接收組件的下方；在平面光波導(dǎo)PLC光稱合器的c端口處與傳輸介質(zhì)相連接。 本發(fā)明可以進一步采用以下優(yōu)化技術(shù)措施所述具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡包括半球形透鏡本體，在半球形透鏡本體上設(shè)有按陣列分布的圓形空氣孔。所述共振腔發(fā)光二極管的工作波長為650nm,傳輸介質(zhì)為石英單模光纖。所述半球形透鏡的直徑為8 μ m，透鏡材料的折射率為1. 44，周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡的圓形空氣孔的孔直徑為300nm，圓形空氣孔的孔間中心距為650nm。在共振腔發(fā)光二極管的表層具有周期性結(jié)構(gòu)，介電系數(shù)呈現(xiàn)周期性分布。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果1、具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡，圓形空氣孔按陣列分布排列于半球形透鏡本體中，從而形成高低折射率材料交替排列，形成周期結(jié)構(gòu)。具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡可形成光子帶隙結(jié)構(gòu)，限制LED發(fā)出的光在平行于LED發(fā)光面方向上的散射。而周期間隔排列著的圓形空氣孔，空氣孔的圓形對稱結(jié)構(gòu)，可以減少光在其中的傳輸損耗，類似于單模光纖的纖芯的圓形結(jié)構(gòu)，從而提高LED發(fā)出的光進入石英光纖的耦合效率。由于半球形透鏡在獲得所述周期結(jié)構(gòu)效果的同時，增加了光匯聚的能力，從而取得最好的光耦合效果。通過對具有周期結(jié)構(gòu)的圓柱形，圓錐形，半球形的透鏡進行數(shù)值分析模擬，結(jié)果表明，具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡相比周期結(jié)構(gòu)的圓柱形和圓錐形透鏡以及普通結(jié)構(gòu)的半球形透鏡，可以更好的提高入纖光功率耦合效果。2、在共振腔發(fā)光二極管的表層具有周期性結(jié)構(gòu)，介電系數(shù)呈現(xiàn)周期性分布，表面的周期性結(jié)構(gòu)造成光的散射，破壞了原本應(yīng)該被全內(nèi)反射的光，而允許更多的光子逃逸出LED。此外，該周期結(jié)構(gòu)可以形成特殊的能帶，可使得LED發(fā)光主波長落在該能帶內(nèi)，從而抑制向側(cè)向的光，而將LED內(nèi)的傳播模態(tài)的光提取出來，從而提高LED的出光效率，提高LED的低外量子效率。3、在共振腔發(fā)光二極管的表層采用周期性結(jié)構(gòu)，通過提高LED的低外量子效率，增加LED的出光效率，在光源耦合入光纖中的過程中，通過使用具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡，可以更好的提高入纖光功率耦合效果，因此在可見光光纖傳輸中，可以提供更高的光發(fā)送功率，從而增加可見光光纖傳輸?shù)膫鬏斁嚯x。4、采用廉價的可見光RCLED作為光源，使用石英光纖作為傳輸介質(zhì)，相對于塑料光纖，具有更小的傳輸損耗，從而能夠極大的增加傳輸距離。5、對于大芯徑的塑料光纖,可見光在塑料光纖中傳輸時,存在著大量的傳輸模式，從而帶來嚴(yán)重的多模色散干擾。而可見光在石英光纖中傳輸時，只有較少數(shù)量的傳輸模式被激勵并傳輸，因此本發(fā)明能夠抑制多模色散干擾，可見光在石英光纖中傳輸具有比可見光在塑料光纖中傳輸更大的傳輸距離帶寬積，從而能夠使系統(tǒng)獲得更高的傳輸帶寬。


圖1為本發(fā)明光收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡的俯視圖；圖3具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡的30°水平角斜視圖；圖4具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡的側(cè)面平視圖；圖5為采用半球形透鏡的入纖耦合效果仿真圖； 圖6為采用圓錐形透鏡的入纖耦合效果仿真圖；圖7為采用具有周期結(jié)構(gòu)的圓錐形透鏡的入纖耦合效果仿真圖；圖8為采用具有周期結(jié)構(gòu)的圓柱形透鏡的入纖耦合效果仿真圖；圖9為采用具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡的入纖耦合效果仿真圖；圖10為歸一化頻率與歸一化傳播常數(shù)的關(guān)系圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細(xì)說明本發(fā)明的思路為由于用石英光纖具有較小的芯徑，通過設(shè)計和采用具有周期結(jié)構(gòu)的透鏡代替普通結(jié)構(gòu)的透鏡，可以提高光源進入石英光纖的耦合效率。采用廉價的可見光RCLED作為光源，使用石英光纖作為傳輸媒質(zhì)，具有更低的傳輸損耗和更小的多模色散，獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率?！N可見光光纖傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)裝置，包括光發(fā)送機和光接收機，其特征在于，所述光收發(fā)裝置中的光發(fā)送機由共振腔發(fā)光二極管1、光發(fā)送器驅(qū)動電路2、具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡5、平面光波導(dǎo)光耦合器6和光隔離器7組成，共振腔發(fā)光二極管I與光發(fā)送器驅(qū)動電路2相連接，半球形透鏡5處于共振腔發(fā)光二極管I的上方，光隔離器7處于半球形透鏡5的上方,光隔離器7在平面光波導(dǎo)光稱合器6的a端口處；所述光收發(fā)裝置中的光接收機包括對光信號進行光電轉(zhuǎn)換的光接收組件3和對光接收組件3輸出的電流進行放大處理的限幅放大器4，光接收組件3與平面光波導(dǎo)光耦合器6的b端口相連接，限幅放大器4在光接收組件3的下方；在平面光波導(dǎo)PLC光稱合器6的c端口處與傳輸介質(zhì)8相連接。在本實施例中，具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡包括半球形透鏡本體，在半球形透鏡本體上設(shè)有按陣列分布的圓形空氣孔。所述共振腔發(fā)光二極管I的工作波長為650nm，傳輸介質(zhì)8為石英單模光纖。半球形透鏡的直徑為8 μ m，透鏡材料的折射率為1. 44，周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡的圓形空氣孔的孔直徑為300nm，圓形空氣孔的孔間中心距為650nm。在共振腔發(fā)光二極管I的表層具有周期性結(jié)構(gòu)，介電系數(shù)呈現(xiàn)周期性分布。具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡，在半球形透鏡上周期間隔排列著圓形空氣孔，圓形空氣孔呈現(xiàn)蜂窩狀，由于圓形空氣孔的存在，整個半球形透鏡的折射率形成周期性的高低變化，該周期結(jié)構(gòu)導(dǎo)致光子帶隙的結(jié)構(gòu)，提高了光源的耦合效率。具有類似光子晶體結(jié)構(gòu)的半球形透鏡可形成光子帶隙，限制RCLED發(fā)出的光在平行于RCLED發(fā)光面的方向上的傳播，增加垂直于RCLED發(fā)光面的方向上的傳播，從而提高RCLED進入石英光纖的耦合效率。對應(yīng)于波長為650nm的可見光光纖傳輸,半球形透鏡的直徑為8 μ m,透鏡材料的折射率為1. 44,周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡的圓形空氣孔的孔直徑為300nm,圓形空氣孔孔間的距離為650nm。圖2，圖3和圖4分別為具有光子晶體結(jié)構(gòu)的半球形透鏡的俯視圖，30°水平角斜視圖和側(cè)面平視圖。半球形透鏡的直徑為8 μ m，透鏡材料的折射率為1. 44，光子晶體結(jié)構(gòu)的半球形透鏡的圓形空氣孔的孔徑為300nm，圓形空氣孔的孔間中心距為650nm。通過數(shù)值模擬方法，對各種結(jié)構(gòu)透鏡的入纖耦合效率進行分析和比較。數(shù)值分析中采用相同的器件參數(shù)。采用650nm的可見光光源，發(fā)光區(qū)域為透鏡底端的直徑為8 μ m。普通結(jié)構(gòu)透鏡的直徑為8 μ m，折射率為1.44。具有周期結(jié)構(gòu)的透鏡直徑為8 μ m，透鏡材料 的折射率為1. 44，在周期結(jié)構(gòu)中的圓形空氣孔的孔直徑為300nm，內(nèi)部孔的間距為650nm。單模光纖的芯徑為8 μ m，折射率為1. 447，包層折射率為1. 557。在圖1中單模光纖的上端面進行功率積分(即表征出光源進入光纖的光功率強度)。圖5和圖6分別為采用普通結(jié)構(gòu)的半球形透鏡和圓錐形透鏡的入纖耦合效果仿真圖，單模光纖上端面的功率分別為4. 5e_7W和1. 2e_7W。圖7，圖8和圖9分別為具有周期結(jié)構(gòu)的圓錐形透鏡，圓柱形透鏡和半球形透鏡的入纖耦合效果仿真圖，單模光纖上端面的功率分別為6. le_7W，6.6e_7W和8. le_7W。從以上數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，相比普通結(jié)構(gòu)的透鏡，具有周期結(jié)構(gòu)的透鏡入纖的光功率更高。而在具有周期結(jié)構(gòu)的透鏡中，半球形透鏡相比圓柱形和圓錐形的透鏡，具有更好的光功率耦合效率。由圖5和圖9比較可知，相比較于目前的普通結(jié)構(gòu)的半球形透鏡，使用具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡后，RCLED光源進入石英光纖的光功率提高了 80%。與石英單模光纖相比，塑料光纖的芯徑的大小在250μπι到3000 μ m之間，因此可見光在塑料光纖中傳輸時會激勵起大量的傳輸模式，從而導(dǎo)致很大的模式色散。在局域網(wǎng)的應(yīng)用中，系統(tǒng)對價格十分敏感，加入額外的色散補償器件，會提高系統(tǒng)成本，降低系統(tǒng)的可行性。因此，可見光在塑料光纖中傳輸時，模式色散嚴(yán)重制約了傳輸帶寬，尤其是在局域網(wǎng)的速率由IOOMbps向IGbps, IOGbps發(fā)展時,模式色散對傳輸?shù)膿p害更為明顯。而可見光在石英光纖中傳輸時，只有較少數(shù)量的傳輸模式被激勵并傳輸，能夠很好的抑制多模色散的干擾。圖7為歸一化頻率與歸一化傳播常數(shù)的關(guān)系圖。根據(jù)光纖光學(xué)的知識，我們知道光信號在光纖中進行傳播時，傳輸模式數(shù)目隨歸一化頻率(V)的增加而增多。當(dāng)V值減小時，高階的傳輸模式截止，光纖中的傳輸模式減少。特別值得注意的是當(dāng)V < 2. 405時，只有LPtll —個傳輸模式存在，其余傳輸模式全部截止。其中LPtll稱為基模，由兩個偏振態(tài)簡并而成。在弱導(dǎo)條件下，Λ ^ (H1-H2) Al1，數(shù)值孔徑抱所以歸一化頻率可表示為V = 1觀 ^jnf - η\ · a · NA
XX由此得到單模傳輸條件為V =竿# < 2.405
X"對于石英光纖而言，使用不同的波長進行傳輸，會得到不同的歸一化頻率，因此
權(quán)利要求
1.一種可見光光纖傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)裝置，包括光發(fā)送機和光接收機，其特征在于，所述光收發(fā)裝置中的光發(fā)送機由共振腔發(fā)光二極管(I)、光發(fā)送器驅(qū)動電路(2)、具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡(5)、平面光波導(dǎo)光耦合器(6)和光隔離器(7)組成，共振腔發(fā)光二極管(I)與光發(fā)送器驅(qū)動電路(2)相連接，半球形透鏡(5)處于共振腔發(fā)光二極管(I)的上方，光隔離器(7)處于半球形透鏡(5)的上方，光隔離器(7)在平面光波導(dǎo)光耦合器(6)的a端口處；所述光收發(fā)裝置中的光接收機包括對光信號進行光電轉(zhuǎn)換的光接收組件(3 )和對光接收組件(3)輸出的電流進行放大處理的限幅放大器(4)，光接收組件(3)與平面光波導(dǎo)光耦合器(6)的b端口相連接，限幅放大器(4)在光接收組件(3)的下方；在平面光波導(dǎo)PLC光稱合器(6)的c端口處與傳輸介質(zhì)(8)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可見光光纖傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)裝置，其特征在于，具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡包括半球形透鏡本體，在半球形透鏡本體上設(shè)有按陣列分布的圓形空氣孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可見光光纖傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)裝置，其特征在于，所述共振腔發(fā)光二極管(I)的工作波長為650nm,傳輸介質(zhì)(8)為石英單模光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可見光光纖傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)裝置，其特征在于，半球形透鏡的直徑為8 μ m,透鏡材料的折射率為1. 44，周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡的圓形空氣孔的孔直徑為300nm，圓形空氣孔的孔間中心距為650nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可見光光纖傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)裝置,其特征在于,在共振腔發(fā)光二極管(I)的表層具有周期性結(jié)構(gòu)，介電系數(shù)呈現(xiàn)周期性分布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可見光光纖傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)裝置，包括光發(fā)送機和光接收機。光發(fā)送機由共振腔發(fā)光二極管、光發(fā)送器驅(qū)動電路、具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡、平面光波導(dǎo)光耦合器和光隔離器組成。光接收機包括光接收組件和限幅放大器。具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡包括半球形透鏡本體，在半球形透鏡本體上設(shè)有按陣列分布的圓形空氣孔?？梢姽夤饫w傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL為650nm，傳輸介質(zhì)為石英單模光纖。通過采用具有周期結(jié)構(gòu)的半球形透鏡可以更好的提高入纖光功率耦合效果。而可見光在石英光纖中傳輸時，只有較少數(shù)量的傳輸模式被激勵并傳輸，能抑制多模色散干擾。
文檔編號H04B10/40GK103018857SQ201210575080
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者孫小菡, 周谞, 柏寧豐, 陳翰, 鄒寧波, 朱鋮 申請人:東南大學(xué)