CN110471143A - 一种基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器，将一种全新的多波长光子筛阵列应用于光纤耦合器中，由于光子筛器件本身对波长十分敏感，只有设计中心波长的入射光才能通过光子筛聚焦成像，其余波长的入射光都无法通过光子筛聚焦，更不会产生反射现象，故不会存在反射和串扰等问题，有效解决了现有光纤耦合器不同传输通道之间存在反射和串扰的问题。与烧结制作工艺相比，本发明中光子筛器件的制作工艺已比较成熟，在精度要求不高的情况下，量产成本低，而且不存在人工检测和封装导致的工艺不一致问题，故附加插入损耗小。此外，本发明中的光子筛器件可以制作成膜层结构，焦距可以设计成微米数量级，因此结构紧凑，易于集成。

Description

一种基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器
技术领域
本发明属于光被动元件技术领域，具体涉及一种基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器的设计。
背景技术
光纤耦合器是光纤与光纤之间进行可拆卸连接的器件，也可用于延长光纤链路，它是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量可以最大限度地耦合到接收光纤中，并使其介入光链路从而将其对系统造成的影响降到最小。光纤耦合器是光被动元件领域应用最广泛的元件之一，在诸多领域有广泛的应用，如：电信网络、有线电视网络、用户回路系统、区域网络等。
通常，按结构分类，光纤耦合器可分为标准耦合器、星状/树状耦合器、定向耦合器以及波分复用器/解复用器等。按制作方式分类，光纤耦合器又可分为烧结式、光波导式、微光学器件式等。上述制作方式中，烧结方式占比超过90％，它是将两根或多根光纤并在一起烧熔拉伸，使核芯聚合在一起，从而达到光耦合的目的，虽然烧结过程本身可由熔烧机完成，但烧结后仍须人工进行检测和封装，这样会导致两个问题，一是人工成本高，约占10～15％左右；二是很难保证品质的一致性，从而给量产带来一定的困难。对于波导式光纤耦合器，一般采用Y型分支或其演变结构，当耦合器分支路的开角增大时，向包层中泄漏的光能量将增多，从而导致损耗增加。为解决这个问题，开角一般控制在30°以内，因此波导式光纤耦合器的长度不可能太短。此外，对于微光学器件式光纤耦合器，一般由自聚焦透镜、分光片、滤光片、光栅等组成，结构复杂，也不利于集成，而且会存在反射和串扰等问题。综上所述，现有光纤耦合器普遍存在不同传输通道之间的反射和串扰等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有光纤耦合器不同传输通道之间存在反射和串扰的问题，提出了一种基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器。
本发明的技术方案为：一种基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器，包括输入端、多波长光子筛阵列和输出端，多波长光子筛阵列通过输入端与多条输入光纤连接，多波长光子筛阵列通过输出端与一条输出光纤连接。
优选地，多波长光子筛阵列为圆形阵列，其包括n×m个扇形区域，每个扇形区域的角度相同，均为其中n为输入端连接的输入光纤数量，m为大于或等于2的整数，每个扇形区域内均包括多个光子筛。
优选地，每个扇形区域内的每个光子筛的焦距均相同。
优选地，多波长光子筛阵列中的光子筛共有n种不同的类型，同一扇形区域内的光子筛类型均相同，相邻扇形区域内的光子筛类型不同。
优选地，多波长光子筛阵列中扇形区域的排布顺序为：扇形区域11，扇形区域21，扇形区域31，...，扇形区域n1，扇形区域12，扇形区域22，扇形区域32，...，扇形区域n2，...，扇形区域1m，扇形区域2m，扇形区域3m，...，扇形区域nm；其中扇形区域i1，扇形区域i2，扇形区域i3，...，扇形区域im内的所有光子筛类型均相同，其入射波长设计值均为λi，对应于输入端连接的第i条输入光纤，i＝1,2,3,...,n。
优选地，多波长光子筛阵列中的光子筛为振幅型光子筛、位相型光子筛、分形光子筛或变趾光子筛。
优选地，多波长光子筛阵列中的光子筛为振幅型光子筛，其包括多个环带，环带包括亮环环带和暗环环带，亮环环带和暗环环带的分布符合菲涅耳波带片的分布规律，即从中心向外依次间隔分布，每个亮环环带上均设置有通光小孔。
优选地，振幅型光子筛的环带数量的计算公式为：
其中Ni表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的环带数量，Di表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的入瞳口径，λi表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的入射波长设计值，fi表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的焦距设计值，[·]表示取整函数。
本发明的有益效果是：
(1)本发明设计了一个全新的多波长光子筛阵列，并将其应用于光纤耦合器中，由于光子筛器件本身对波长十分敏感，只有设计中心波长的入射光才能通过光子筛聚焦成像，其余波长的入射光都无法通过光子筛聚焦，更不会产生反射现象，故不会存在反射和串扰等问题，有效解决了现有光纤耦合器不同传输通道之间存在反射和串扰的问题。
(2)与烧结制作工艺相比，本发明中光子筛器件的制作工艺已比较成熟，在精度要求不高的情况下，量产成本低，而且不存在人工检测和封装导致的工艺不一致问题，故附加插入损耗小。
(3)本发明中的光子筛器件可以制作成膜层结构，焦距可以设计成微米数量级，因此结构紧凑，易于集成。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器结构示意图。
图2所示为本发明实施例提供的多波长光子筛阵列结构示意图。
图3所示为本发明实施例提供的振幅型光子筛结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器，如图1所示，包括输入端、多波长光子筛阵列和输出端，多波长光子筛阵列通过输入端与多条输入光纤连接，多波长光子筛阵列通过输出端与一条输出光纤连接。
如图2所示，本发明实施例中，多波长光子筛阵列为圆形阵列，其包括n×m个扇形区域，每个扇形区域的角度相同，均为其中n为输入端连接的输入光纤数量，m为大于或等于2的整数，为了尽可能地提高耦合效率，m的取值应取大一些，通常在3～5为宜。每个扇形区域内均包括多个光子筛，且各扇形区域内光子筛的设计波长应与输入端连接的输入光纤的入射波长有严格的对应关系。
实际应用过程中，多波长光子筛阵列也可设计为正方形阵列，区域划分方式可做简单的替换或改变。
本发明实施例中，每个扇形区域内的每个光子筛的焦距均相同，否则会引起额外的时间延迟，导致脉冲展宽或传输信号畸变。
本发明实施例中，每个扇形区域内部，光子筛器件的数量根据实际情况确定，在保证不相互重叠的情况下，数量越多越好。
本发明实施例中，多波长光子筛阵列中的光子筛共有n种不同的类型，同一扇形区域内的光子筛类型均相同，相邻扇形区域内的光子筛类型不同。
具体而言，如图2所示，多波长光子筛阵列中扇形区域的排布顺序为：扇形区域11，扇形区域21，扇形区域31，...，扇形区域n1，扇形区域12，扇形区域22，扇形区域32，...，扇形区域n2，...，扇形区域1m，扇形区域2m，扇形区域3m，...，扇形区域nm。其中扇形区域i1，扇形区域i2，扇形区域i3，...，扇形区域im内的所有光子筛类型均相同，其入射波长设计值均为λi，对应于输入端连接的第i条输入光纤，i＝1,2,3,...,n。
例如，图2中扇形区域11，扇形区域12，扇形区域13，...，扇形区域1m内的所有光子筛记为光子筛1，其入射波长设计值为波长λ1，对应于光纤耦合器第1个输入端连接的输入光纤；扇形区域21，扇形区域22，扇形区域23，...，扇形区域2m内的所有光子筛记为光子筛2，其入射波长设计值为波长λ2，对应于光纤耦合器第2个输入端连接的输入光纤；以此类推，扇形区域n1，扇形区域n2，扇形区域n3，...，扇形区域nm内的所有光子筛记为光子筛n，其入射波长设计值为波长λn，对应于光纤耦合器第n个输入端连接的输入光纤。
多波长光子筛阵列中的光子筛为振幅型光子筛、位相型光子筛、分形光子筛或变趾光子筛。本发明实施例中采用振幅型光子筛，如图3所示，其包括多个环带，环带包括亮环环带和暗环环带，亮环环带和暗环环带的分布符合菲涅耳波带片的分布规律，即从中心向外依次间隔分布，即最中心为暗环环带，其外圈为亮环环带，再外圈又为暗环环带，以此类推。每个亮环环带上均设置有通光小孔。
本发明实施例中，振幅型光子筛的环带数量的计算公式为：
其中Ni表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的环带数量，Di表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的入瞳口径，λi表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的入射波长设计值，fi表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的焦距设计值，[·]表示取整函数。
本发明实施例还提供了振幅型光子筛的设计及优化方法：
S1、根据光纤耦合器输入端的数量，确定多波长光子筛阵列的直径和扇形区域划分数量；
S2、根据实际需求，确定多波长光子筛阵列的焦距，即多波长光子筛阵列内所有区域内的所有光子筛的焦距设计值fi；
S3、在保证各个扇形区域内光子筛相互之间不重叠的情况下，确定每个扇形区域内光子筛的数量Ki及入瞳口径Di；
S4、根据光子筛设计原理，由设计中心波长λi、入瞳口径Di和焦距fi确定光子筛的结构参数。
其中，步骤S4包括以下分步骤：
S41、计算每个扇形区域内光子筛的环带数Ni：
S42、选择适当的窗函数，优化确定每个透光环带(亮环环带)上通光小孔的数量、孔径大小及分布状态。
其中，通光小孔的孔径大小dp略大于通光小孔对应的亮环环带的宽度wp，即dp＝s·wp(s>1，一般取1.25；p<Ni；wp的计算符合菲涅耳波带片结构参数的计算原则)；通光小孔的分布状态是随机分布，但必须保证所有通光小孔之间不能相互重叠，且尽可能多地占有透光环带的面积；通光小孔的数量由窗函数优化确定，常见的窗函数有高斯窗、余弦窗等，即把每一个透光环带上全部小孔的面积之和作为一个参数，这样就会有p个参数，这些参数满足高斯分布、余弦分布等，此外还可以设计一个随着孔径大小dp变化的密度函数，来优化确定通光小孔的数量。
下面以一个具体实施例对本发明提供的一种基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器作进一步描述：
假设n＝3，m＝2，则多波长光子筛阵列被划分为6个区域，每个区域的角度为60°。
以石英光纤为例，它有三个损耗很小的波长窗口，即0.85μm、1.31μm和1.55μm，故输入端波长分别被设置为λ1＝0.85μm，λ2＝1.31μm，λ3＝1.55μm。与此同时，扇形区域11，扇形区域12，扇形区域13内的所有光子筛的设计中心波长(入射波长设计值)为0.85μm；扇形区域21，扇形区域22，扇形区域23内的所有光子筛的设计中心波长为1.31μm；扇形区域31，扇形区域32，扇形区域33内的所有光子筛的设计中心波长为1.55μm。
以扇形区域11，扇形区域12，扇形区域13内的光子筛1为例，设：f1＝5μm，D1＝8μm，则可以计算出N1＝4个环带。在此基础上，用高斯窗函数优化各个透光环带上通光小孔的数量、孔径大小及分布状态。这样就可以确定扇形区域11，扇形区域12，扇形区域13内光子筛1的所有结构参数，如图3所示。
同理，可以确定扇形区域21，扇形区域22，扇形区域23内光子筛2的所有结构参数以及扇形区域31，扇形区域32，扇形区域33内光子筛3的所有结构参数。
与现有技术中的光纤耦合器相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明设计了一个全新的多波长光子筛阵列，并将其应用于光纤耦合器中，由于光子筛器件本身对波长十分敏感，只有设计中心波长的入射光才能通过光子筛聚焦成像，其余波长的入射光都无法通过光子筛聚焦，更不会产生反射现象，故不会存在反射和串扰等问题，有效解决了现有光纤耦合器不同传输通道之间存在反射和串扰的问题。
(2)与烧结制作工艺相比，本发明中光子筛器件的制作工艺已比较成熟，在精度要求不高的情况下，量产成本低，而且不存在人工检测和封装导致的工艺不一致问题，故附加插入损耗小。
(3)本发明中的光子筛器件可以制作成膜层结构，焦距可以设计成微米数量级，因此结构紧凑，易于集成。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器，其特征在于，包括输入端、多波长光子筛阵列和输出端，所述多波长光子筛阵列通过输入端与多条输入光纤连接，所述多波长光子筛阵列通过输出端与一条输出光纤连接。
2.根据权利要求1所述的基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器，其特征在于，所述多波长光子筛阵列为圆形阵列，其包括n×m个扇形区域，每个扇形区域的角度相同，均为其中n为输入端连接的输入光纤数量，m为大于或等于2的整数，每个扇形区域内均包括多个光子筛。
3.根据权利要求2所述的基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器，其特征在于，每个所述扇形区域内的每个光子筛的焦距均相同。
4.根据权利要求2所述的基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器，其特征在于，所述多波长光子筛阵列中的光子筛共有n种不同的类型，同一扇形区域内的光子筛类型均相同，相邻扇形区域内的光子筛类型不同。
5.根据权利要求4所述的基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器，其特征在于，所述多波长光子筛阵列中扇形区域的排布顺序为：扇形区域11，扇形区域21，扇形区域31，...，扇形区域n1，扇形区域12，扇形区域22，扇形区域32，...，扇形区域n2，...，扇形区域1m，扇形区域2m，扇形区域3m，...，扇形区域nm；其中扇形区域i1，扇形区域i2，扇形区域i3，...，扇形区域im内的所有光子筛类型均相同，其入射波长设计值均为λi，对应于输入端连接的第i条输入光纤，i＝1,2,3,...,n。
6.根据权利要求2所述的基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器，其特征在于，所述多波长光子筛阵列中的光子筛为振幅型光子筛、位相型光子筛、分形光子筛或变趾光子筛。
7.根据权利要求5所述的基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器，其特征在于，所述多波长光子筛阵列中的光子筛为振幅型光子筛，其包括多个环带，所述环带包括亮环环带和暗环环带，所述亮环环带和暗环环带的分布符合菲涅耳波带片的分布规律，即从中心向外依次间隔分布，每个所述亮环环带上均设置有通光小孔。
8.根据权利要求7所述的基于多波长光子筛阵列的光纤耦合器，其特征在于，所述振幅型光子筛的环带数量的计算公式为：
其中Ni表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的环带数量，Di表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的入瞳口径，λi表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的入射波长设计值，fi表示第i条输入光纤对应扇形区域内光子筛的焦距设计值，[·]表示取整函数。
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