CN109031530A - 一种基于圆偏振的光纤耦合器及其制造与使用方法 - Google Patents

一种基于圆偏振的光纤耦合器及其制造与使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于圆偏振的光纤耦合器及其制造与使用方法，涉及微纳光学及偏振光学领域，该光纤耦合器包括基底和硅纳米棒阵列，硅纳米棒阵列由刻蚀在基底上的多个硅纳米棒单元排列而成，同一硅纳米棒单元中的硅纳米棒的结构参数相同，不同的硅纳米棒单元中的硅纳米棒的结构参数不同；不同的硅纳米棒单元以不同的转角α设于对应的基底上，转角为硅纳米棒长轴与工作面坐标系xoy中x轴的夹角。本发明的光纤耦合器具有较小的尺寸结构，插入损耗小，相位调节精确，可实现将入射光中的两种不同的圆偏振光转化为两个不同的光纤模式，减少了光学装置的复杂度。

Description

一种基于圆偏振的光纤耦合器及其制造与使用方法
技术领域
本发明涉及微纳光学及偏振光学领域，具体涉及一种基于圆偏振的光纤耦合器及其制造与使用方法。
背景技术
随着单模光纤的传输容量已接近极限，采用少模光纤或多模光纤的模分复用光纤传输系统得到越来越多的应用。其中，光纤耦合器是该系统中重要的光学器件，其作用是将单模光纤中的基模光信号转化成高阶模，并耦合到少模光纤或多模光纤中传输。
常用的光纤模式转化多是通过相位片、光子集成波导、光纤束和三维光波导等实现的。现有的光纤模式耦合器均存在着功能单一的缺陷，运用这些技术的光纤耦合器都只能将单模光纤中的光信号转化为一个多模光纤中的模式。假如模分复用系统中采用了三个高阶模，则需要使用到三个不同的光纤耦合器，多个耦合器的使用增加了光学系统的复杂度。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于圆偏振的光纤耦合器及其制造与使用方法，可实现将入射光中的两种不同的圆偏振光转化为两个不同的光纤模式。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于圆偏振的光纤耦合器，其包括：
基底；
硅纳米棒阵列，其由刻蚀在上述基底上的多个硅纳米棒单元排列而成，同一上述硅纳米棒单元中的硅纳米棒的结构参数相同，不同的上述硅纳米棒单元中的硅纳米棒的结构参数不同；
不同的上述硅纳米棒单元以不同的转角α(i，j)设于对应的基底上，上述转角为硅纳米棒长轴与工作面坐标系xoy中x轴的夹角，并满足硅纳米棒单元内，入射左旋圆偏振光时，α(i，j)＝(Φ1(i，j)-Φ2(i，j))/2；入射右旋圆偏振光时，α(i，j)＝(Φ2(i，j)-Φ1(i，j))/2；其中，i，j表示x和y轴方向上第(i，j)个硅纳米棒单元，Φ1(i，j)为该硅纳米棒单元旋转后相位延迟，Φ2(i，j)为该硅纳米棒单元未旋转前相位延迟。
基于第一方面，在可能的实施例中，上述基底为二氧化硅基底。
基于第一方面，在可能的实施例中，上述硅纳米棒的长度、宽度与高度均为亚波长尺寸。
基于第一方面，在可能的实施例中，所有的上述硅纳米棒的高度相同。
基于第一方面，在可能的实施例中，各上述硅纳米棒单元中的硅纳米棒数量均相同。
第二方面，本发明实施例提供了一种上述的基于圆偏振的光纤耦合器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定工作波长，根据所需的光纤模式确定所需要的硅纳米棒单元个数以及每个硅纳米棒单元的相位延迟；
硅纳米棒的结构参数优化：采用电磁仿真法，在工作波长下，以水平线偏振光和垂直线偏振光同时垂直入射硅纳米棒阵列工作面，以透射率及硅纳米棒的相位延迟为优化指标，扫描硅纳米棒的结构参数，以获得最优结构参数；
采用反应离子刻蚀工艺制造所设计的光纤耦合器。
基于第二方面，在可能的实施例中，上述工作波长的范围为1500nm-1600nm。
第三方面，本发明实施例提供了一种上述的基于圆偏振的光纤耦合器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
将经过调制后的左旋偏振光和右旋偏振光经过合束器合束，合束后的光垂直入射硅纳米棒阵列后分别形成两种不同的高阶模；
不同的高阶模经由准直透镜和聚焦透镜组成的4f系统耦合到少模光纤或多模光纤中。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供的光纤耦合器具有较小的尺寸结构，插入损耗小。
(2)本发明提供的光纤耦合器，相位调节精确，可实现将入射光中的两种不同的圆偏振光转化为两个不同的光纤模式，减少了光学装置的复杂度。
(3)本发明提供的光纤耦合器，仅需要单步刻蚀技术，制备简单。
附图说明
图1是本发明实施例中的光纤模式耦合器的结构示意图；
图2是本发明实施例中一个硅纳米棒结构的结构示意图；
图3是本发明实施例中的光纤模式耦合器的正视图；
图4是本发明实施例中的光纤模式耦合器将右旋圆偏振光转化为的LP11b模式的光强分布(左)，以及将左旋圆偏振光转化为的LP11a模式的光强分布(右)；
图5是本发明中的光纤模式耦合器在模式复用系统中的光路信号示意图。
图中：1、基底；2、硅纳米棒单元；3、硅纳米棒；4-合束器；5-第一光纤耦合器；6-准直透镜；7-聚焦透镜；L、硅纳米砖的长度；W、硅纳米砖的宽度；H、硅纳米砖的高度；P、硅纳米砖周期尺寸。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参见图1所示，本发明实施例提供一种基于圆偏振的光纤耦合器，该光纤耦合器由超表面材料制成，包括基底1和硅纳米棒阵列。硅纳米棒阵列由刻蚀在基底1上的多个硅纳米棒单元2排列而成，同一硅纳米棒单元2中的硅纳米棒3的结构参数相同，不同的硅纳米棒单元2中的硅纳米棒3的结构参数不同，即根据硅纳米棒3的结构参数划分硅纳米棒单元2。
不同的硅纳米棒单元2以不同的转角α(i，j)设于对应的基底1上，转角为硅纳米棒3长轴与工作面坐标系xoy中x轴的夹角，并满足硅纳米棒单元2内，入射左旋圆偏振光时，α(i，j)＝(Φ1(i，j)-Φ2(i，j))/2；入射右旋圆偏振光时，α(i，j)＝(Φ2(i，j)-Φ1(i，j))/2；其中，i，j表示x和y轴方向上第(i，j)个硅纳米棒单元，Φ1(i，j)为该硅纳米棒单元旋转后相位延迟，Φ2(i，j)为该硅纳米棒单元未旋转前相位延迟。
本发明实施例提供的光纤耦合器，相位调节精确，可实现将入射光中的两种不同的圆偏振光转化为两个不同的光纤模式。
参见图2所示，结构参数包括硅纳米棒3的长、宽、高和周期尺寸，一个硅纳米棒3和其对应的基底部分为一个硅纳米棒结构，周期尺寸即为该对应的基底的长和宽。
基底1为二氧化硅基底。
硅纳米棒3的长度、宽度与高度均为亚波长尺寸。
所有的硅纳米棒3的高度相同。
各硅纳米棒单元2中的硅纳米棒3数量均相同。
本发明实施例还提供该光纤耦合器的制造方法，包括如下步骤：
确定工作波长，根据所需的光纤模式确定所需要的硅纳米棒单元2个数以及每个硅纳米棒单元2的相位延迟；
硅纳米棒3的结构参数优化：采用电磁仿真法，在工作波长下，以水平线偏振光和垂直线偏振光同时垂直入射硅纳米棒阵列工作面，以透射率及硅纳米棒3的相位延迟为优化指标，扫描硅纳米棒3的结构参数，以获得最优结构参数；
采用反应离子刻蚀工艺制造所设计的光纤耦合器。
工作波长的范围为1500nm-1600nm。
本发明实施例还提供该光纤耦合器的使用方法，包括如下步骤：
将经过调制后的左旋偏振光和右旋偏振光经过合束器合束，合束后的光垂直入射光纤耦合器的硅纳米棒阵列后分别形成两种不同的高阶模；
不同的高阶模经由准直透镜和聚焦透镜组成的4f系统耦合到少模光纤或多模光纤中，实现光纤模式复用；
在少模光纤或多模光纤中传播一段距离的两种高阶模入射到另一光纤耦合器的硅纳米棒阵列后分别形成左旋偏振光和右旋偏振光，经过分束器分束后分别耦合到两个单模光纤中，实现光纤模式解复用。
实施例2
参见图1-2所示，本发明实施例提供一种基于圆偏振的光纤耦合器的制造方法，包括如下步骤：
S1：确定工作波长为1550nm，为了将入射的左旋圆偏振光转化为LP11a模式，入射的右旋圆偏振光转化为LP11b模式，确定需要四种不同的硅纳米棒单元，参见图3所示，将硅纳米棒阵列分为四个硅纳米棒单元，分别在图中标记为A、B、C和D单元，针对于左旋圆偏振入射光，A、B、C和D区域所产生的相位延迟分别为0，π，π，0；针对于右旋圆偏振入射光，A、B、C和D区域所产生的相位延迟分别为0，0，π，π。
不同硅纳米棒单元2的转角α(i，j)不同，转角为硅纳米棒3长轴与工作面坐标系xoy中x轴的夹角。硅纳米棒单元2的转角α所引起的相位延迟为2α，其中，转化为LP11a模式时，硅纳米棒单元的转角α所引起的相位延迟为+2α，硅纳米棒单元旋转后相位延迟Φ1(i，j)＝Φ2(i，j)+2α(i，j)；转化为LP11b模式时，硅纳米棒单元的转角α所引起的相位延迟为-2α，硅纳米棒单元旋转后相位延迟Φ1(i，j)＝Φ2(i，j)-2α(i，j)；其中，i，j表示x和y轴方向上第(i，j)个硅纳米棒单元，Φ2(i，j)为该硅纳米棒单元未旋转前相位延迟。
S2：硅纳米棒3的结构参数优化：采用电磁仿真法，在工作波长下，以水平线偏振光和垂直线偏振光同时垂直入射硅纳米棒阵列工作面，以透射率高于80％及硅纳米棒3的未旋转前相位延迟为优化指标，扫描硅纳米棒3的结构参数，以获得最优结构参数。
各硅纳米棒单元的硅纳米棒的最优结构参数为：A单元：长250nm，宽370nm，高850nm，周期750nm，旋转角度0°；B单元：长380nm，宽180nm，高850nm，周期750nm，旋转角度45°；C单元：长370nm，宽250nm，高850nm，周期750nm，旋转角度0°；D单元：长380nm，宽180nm，高850nm，周期750nm，旋转角度-45°。
S3：采用反应离子刻蚀工艺制造所设计的光纤耦合器。具体为在二氧化硅基底上镀上一层一定厚度的硅薄膜，然后在硅薄膜上涂镀光刻胶，采用标准电子束光刻曝光光刻胶，最后采用反应离子刻蚀技术得到硅纳米棒阵列。
实施例3
本发明实施例还提供一种上述光纤耦合器的使用方法，包括以下步骤：
S1：将经过调制后的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光经过合束器4合束，合束后的光垂直入射一光纤耦合器5后分别形成LP11a模式和LP11b模式的高阶模，所产生的LP11a和LP11b模式的归一化电场强度分布如图4所示；
S2：不同的高阶模经由准直透镜6和聚焦透镜7组成的4f系统耦合到少模光纤或多模光纤中，实现光纤模式复用，参见图5所示。
S3：在少模光纤或多模光纤中传播一段距离的两种高阶模入射到另一光纤耦合器的硅纳米棒阵列后分别形成左旋偏振光和右旋偏振光，经过分束器分束后分别耦合到两个单模光纤中，实现光纤模式解复用。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于圆偏振的光纤耦合器，其特征在于，其包括
基底(1)；
硅纳米棒阵列，其由刻蚀在所述基底(1)上的多个硅纳米棒单元(2)排列而成，同一所述硅纳米棒单元(2)中的硅纳米棒(3)的结构参数相同，不同的所述硅纳米棒单元(2)中的硅纳米棒(3)的结构参数不同；
不同的所述硅纳米棒单元(2)以不同的转角α(i，j)设于对应的基底(1)上，所述转角为硅纳米棒(3)长轴与工作面坐标系xoy中x轴的夹角，并满足硅纳米棒单元(2)内，入射左旋圆偏振光时，α(i，j)＝(Φ1(i，j)-Φ2(i，j))/2；入射右旋圆偏振光时，α(i，j)＝(Φ2(i，j)-Φ1(i，j))/2；其中，i，j表示x和y轴方向上第(i，j)个硅纳米棒单元，Φ1(i，j)为该硅纳米棒单元旋转后相位延迟，Φ2(i，j)为该硅纳米棒单元未旋转前相位延迟。
2.如权利要求1所述的基于圆偏振的光纤耦合器，其特征在于：所述基底(1)为二氧化硅基底。
3.如权利要求1所述的基于圆偏振的光纤耦合器，其特征在于：所述硅纳米棒(3)的长度、宽度与高度均为亚波长尺寸。
4.如权利要求3所述的基于圆偏振的光纤耦合器，其特征在于：所有的所述硅纳米棒(3)的高度相同。
5.如权利要求1所述的基于圆偏振的光纤耦合器，其特征在于：各所述硅纳米棒单元(2)中的硅纳米棒(3)数量均相同。
6.权利要求1所述的基于圆偏振的光纤耦合器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定工作波长，根据所需的光纤模式确定所需要的硅纳米棒单元(2)个数以及每个硅纳米棒单元(2)的相位延迟；
硅纳米棒(3)的结构参数优化：采用电磁仿真法，在工作波长下，以水平线偏振光和垂直线偏振光同时垂直入射硅纳米棒阵列工作面，以透射率及硅纳米棒(3)的相位延迟为优化指标，扫描硅纳米棒(3)的结构参数，以获得最优结构参数；
采用反应离子刻蚀工艺制造光纤耦合器。
7.如权利要求6所述的基于圆偏振的光纤耦合器的制造方法，其特征在于：所述工作波长的范围为1500nm-1600nm。
8.权利要求1所述的基于圆偏振的光纤耦合器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
将经过调制后的左旋偏振光和右旋偏振光经过合束器合束，合束后的光垂直入射硅纳米棒阵列后分别形成两种不同的高阶模；
不同的高阶模经由准直透镜和聚焦透镜组成的4f系统耦合到少模光纤或多模光纤中。
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