CN102183822A

CN102183822A - 一种椭圆光斑光纤准直器

Info

Publication number: CN102183822A
Application number: CN2011101000537A
Authority: CN
Inventors: 吴亚明; 徐静; 黄占喜
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明涉及一种椭圆光斑光纤准直器，其特征在于所述的椭圆光斑光纤准直器由光纤头11、平面光波导转换器12、准直微透镜13三部分依次耦合构成；其中，平面光波导转换器12通过过渡波导实现波导在宽度或厚度方向上的展宽或压缩，从单模光纤输出的圆形模场光斑，耦合进入平面光波导转换器，经过过渡波导传输后转换为椭圆模场光斑，然后再经过准直微透镜形成椭圆光斑准直光束。本发明的椭圆光斑光纤准直器的关键部件是平面光波导转换器，可采用成熟的平面波导工艺批量制作，成本低，易于实现。利用本发明的椭圆光斑光纤准直器和微镜制作光开关或衰减器，使平移微镜的移动方向与椭圆光斑的短轴方向一致，可以大大减小对于微镜行程的要求。

Description

一种椭圆光斑光纤准直器

技术领域

本发明涉及一种椭圆光斑光纤准直器，更确切地说提供一种采用平面光波导转换器的椭圆光斑光纤准直器，属于光通信器件和光纤传感领域。

背景技术

随着微光机电系统(MOEMS)技术的发展，微机电系统(MEMS)光器件正逐渐应用到光通信和光纤传感领域。MEMS光器件以其批量化生产、低成本、小体积、低功耗、高速度等优点受到越来越多的关注。MEMS光器件与光纤之间的耦合多采用准直器耦合方式，这是因为与直接耦合方式相比较，准直器耦合可以达到较小的插入损耗和较大的工作距离。目前的光纤准直器多数采用光纤和准直微透镜直接耦合构成，出射高斯光束的光斑为圆形，尺寸较大，光斑束腰半径通常在75μm～300μm，因此所需的MEMS驱动元件的尺寸和行程需要在300μm～1200μm之间，然而MEMS驱动器的移动行程有限，通常为几微米到几十微米，大行程的驱动元件对于MEMS技术是相当困难的。

采用椭圆光斑光纤准直器与MEMS驱动元件耦合构成阻挡型的衰减器或光开关或其他光通信器件和光纤传感器，令MEMS驱动元件的移动方向为椭圆光斑的短轴方向，可以使微镜的移动行程大大缩短，适应MEMS光器件的要求。发明专利“椭圆光斑光纤准直器及应用”(公开号CN101408645A)提出了一种椭圆光斑光纤准直器并用于光衰减器，2×2光开关和位移传感器，该椭圆光斑光纤准直器的结构如图1和图2所示，通过光纤与带有柱面的G-lens或C-lens耦合而构成，其中在G-lens或C-lens的入射或出射端面上加工柱面是实现光斑形状转换的关键。然而，应用于光通信和光纤传感领域中的G-lens或C-lens的直径通常在1.0mm～2.2mm之间，要在这些透镜的微小端面上加工曲率精确可控且中心轴与微透镜光轴垂直相交的柱面，目前在微透镜加工工艺上还存在着较大难度。因此需要发展基于新的光斑转换原理的椭圆光斑准直器技术，使其实现不依赖于微透镜端面上的柱面加工，从而降低制作工艺难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种椭圆光斑光纤准直器，所述的椭圆光斑光纤准直器是基于平面光波导转换器，通过过渡波导的模场渐变过程，使光纤输入的圆形光斑在波导内传输过程中逐渐耦合演变为椭圆形光斑，然后经过微透镜后形成椭圆光斑准直光束，如图3所示。该椭圆光斑光纤准直器避免了在微透镜的端面上进行柱面加工，易于实现。

本发明提供的椭圆光斑光纤准直器由光纤头、平面光波导转换器和准直微透镜三部分依次耦合封装构成。所述的平面光波导转换器为一段过渡波导，通过过渡波导实现波导在宽度或厚度方向上的展宽或压缩，从单模光纤输出的圆形模场光斑，耦合进入平面光波导转换器，经过过渡波导传输后转换为椭圆模场光斑，然后再经过准直微透镜形成椭圆光斑准直光束。光纤数N的取值范围为1～500，当光纤头为单芯或双芯光纤，或直线排列多芯光纤，或一维光纤阵列时，平面光波导转换器中至少具有相应数量的光波导数。平面光波导转换器为一段过渡波导，过渡波导的入口处模场光斑形状为近似圆形，光斑大小与光纤输入光场匹配，以减小端面耦合损耗，过渡波导的出口处模场光斑形状为椭圆形，光斑形状和大小根据椭圆光斑光纤准直器的输出要求调整，过渡波导的截面尺寸的渐变方式为线性或抛物线形或指数形式，变化方向位于宽度方向或厚度方向或同时两个方向。平面光波导转换器在过渡波导之前可增加一段直波导，用于稳定光场传输，减小传输损耗，直波导的长度根据需要优化。平面光波导转换器的光波导制作材料为硅基二氧化硅光波导，或玻璃基离子扩散光波导，或聚酰亚胺光波导，或SOI光波导，光波导截面形状为矩形或脊形或掩埋条带形。准直微透镜为C-lens或G-lens，微透镜的焦距根据椭圆光斑光纤准直器的输出光斑尺寸要求调整，微透镜的几何口径根据椭圆光斑光纤准直器的光路要求调整。

所述的椭圆光斑光纤准直器特征在于所述的平面光波导转换器位于光纤头和准直微透镜的中间，起到转换光斑形状的作用。光纤头与光波导转换器输入端相对耦合，使每根光纤和与之相对耦合的光波导之间实现最小端面耦合损耗。平面光波导转换器输出端与准直微透镜之间相距一段距离，根据椭圆光斑光纤准直器的透射或反射损耗调整。光纤头和平面光波导转换器的两相对端面，平面光波导转换器和准直微透镜的两相对端面，为经过磨抛、制作有增透膜的平面或斜面，斜面角度根据回波损耗要求和波长相关损耗要求调整。

本发明的椭圆光斑光纤准直器，其主要组成——平面光波导转换器结构简单，制作工艺成熟，具有批量生产的优势，而且光纤数目易于扩展，与光纤阵列耦合形成多光纤椭圆光斑准直器，这对于椭圆光斑光纤准直器在MEMS光器件中的广泛应用具有重要意义。由于所述椭圆光斑光纤准直器是由三部分耦合构成，因此光路耦合过程比较复杂。

附图说明

图1是文献报道的采用带柱面的C-lens单光纤准直器的结构示意图。(a)主视图(b)左视图。

图2是文献报道的采用带柱面的G-lens单光纤准直器的结构示意图。(a)主视图(b)左视图。

图1和图2中，1-光纤；2-毛细管；3-减反射镜面；4-套筒；5-渐变折射率材料；6-均匀折射率材料；7-球面；8-柱面。

图3(a)是本发明提供的采用平面光波导转换器的单光纤椭圆光斑光纤准直器结构示意图，图中11为单芯光纤；12为具有单条波导的平面光波导转换器；13为准直微透镜；图3(b)为图(a)光路对应位置上的光斑形状。

图4是采用平面光波导转换器的多光纤椭圆光斑光纤准直器结构示意图，图中21为光纤阵列；22为具有波导阵列的平面光波导转换器；23为准直微透镜，该透镜的几何口经满足N条平行光路像差要求。

具体实施方式

实施例1

单光纤椭圆光斑光纤准直器：参阅图3(a)，采用平面光波导工艺制作并划片、端面抛光得到平面光波导转换器，其中至少有一条过渡波导，选取单芯光纤与平面光波导转换器的过渡波导进行光路耦合，调节两者端面的相对距离和角度，直至由光纤到波导的传输光损耗最低，并将两者用胶固定为一个整体端头，然后进行该端头与准直微透镜之间的光路调整和固定，调节方法按照常规的圆光斑单光纤准直器的透射应用耦合方法。光纤头和平面光波导转换器的两相对端面，以及平面光波导转换器和准直微透镜的两相对端面，是经过磨抛的平面或斜面，斜面角度一般小于等于12°，根据回波损耗要求和波长相关损耗要求调整。

实施例2

根据本发明的单光纤椭圆光斑光纤准直器结构，易于联想到采用双芯或直线排列的多芯光纤头或一维光纤阵列实现双光纤椭圆光斑准直器和多光纤椭圆光斑准直器。参阅图4，光纤头采用双芯或直线排列的多芯光纤头或一维光纤阵列，光纤数N≥2，平面光波导转换器采用平面光波导工艺制作，经过划片、端面抛光得到，过渡波导数≥N，过渡波导之间的最小间距满足片内串扰指标的要求，准直微透镜的几何口径满足N条并行光路的像差要求。封装过程为：首先完成光纤头与平面光波导转换器之间的光路耦合，调节两者相对距离和角度，直至由每根光纤输入到相应波导输出的传输损耗最低，并将两者装配固定为一个整体端头，然后完成该端头与准直微透镜之间的光路调整和固定，调节方法根据应用场合选择：对于2×2光开关应用(发明专利公开号：CN101408647A)，按照常规圆光斑双光纤准直器的透射应用耦合方法；对于1×N(N≥2)光开关或其他应用，按照常规圆光斑双光纤准直器的反射应用耦合方法。光纤头和平面光波导转换器的两相对端面，以及平面光波导转换器和准直微透镜的两相对端面，是经过磨抛的平面或斜面，斜面角度根据回波损耗要求和波长相关损耗要求调整。

Claims

1.一种椭圆光斑光纤准直器，其特征在于所述的椭圆光斑准直器采用平面光波导转换器，是由光纤头(11)、平面光波导转换器(12)、准直微透镜(13)三部分依次耦合构成；其中，平面光波导转换器(12)为一段过渡波导，通过过渡波导实现波导在宽度或厚度方向上的展宽或压缩，从单模光纤输出的圆形模场光斑，耦合进入平面光波导转换器，经过过渡波导传输后转换为椭圆模场光斑，然后再经过准直微透镜形成椭圆光斑准直光束。

2.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于当光纤头为单芯光纤、双芯光纤、直线排列多芯光纤或一维光纤阵列时，平面光波导转换器中至少具有相应数量的光波导数。

3.按权利要求1或2所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于所述的光纤头的光纤数取值范围为1～500。

4.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于平面光波导转换器的过渡波导的入口处模场光斑形状为圆形，光斑大小与光纤输入光场匹配，以减小端面耦合损耗；过渡波导的出口处模场光斑形状为椭圆形，光斑形状和大小根据椭圆光斑光纤准直器的输出要求调整，过渡波导的截面尺寸的渐变方式为线性、抛物线形或指数形，变化方向位于宽度方向、厚度方向或同时两个方向。

5.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于平面光波导转换器在过渡波导之前可增加一段直波导，直波导的长度根据需要优化。

6.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于平面光波导转换器的光波导制作材料为硅基二氧化硅光波导、玻璃基离子扩散光波导、聚酰亚胺光波导和SOI光波导中的任一种。

7.按权利要求5所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于光波导截面形状为矩形、脊形或掩埋条带形。

8.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于准直微透镜为C-lens或G-lens，微透镜的焦距根据椭圆光斑光纤准直器的输出光斑尺寸要求调整，微透镜的几何口径根据椭圆光斑光纤准直器的光路要求调整。

9.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于光纤头与光波导转换器输入端相对耦合，使每根光纤和与之相对耦合的光波导之间实现最小端面耦合损耗。

10.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于平面光波导转换器输出端与准直微透镜之间相距一段距离，所述的相距一段距离可根据椭圆光斑光纤准直器的透射或反射损耗调整。

11.按权利要求1所述的椭圆光斑光纤准直器，其特征在于光纤头和平面光波导转换器的两相对端面，平面光波导转换器和准直微透镜的两相对端面，为经过磨抛、制作有增透膜的平面或斜面，斜面角度根据回波损耗要求和波长相关损耗要求调整。