CN110989088B - 一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信技术领域，公开了一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置及方法，实现空分解复用功能时，通过第一透镜将多芯光纤的不同纤芯的出射光准直为不同出射角的平行光束，多个平行光束在空间传播一段距离后相互分离，经过第二透镜分别聚焦耦合至单芯光纤阵列中不同的单芯光纤；实现空分复用功能时，通过第二透镜中不同的超表面透镜分别接收来自单芯光纤阵列中不同的单芯光纤的出射光束，并对光束进行扩束准直；各光束独立传播至第一透镜后，经第一透镜分别聚焦耦合至多芯光纤的不同纤芯。本发明解决了现有技术中空分复用/解复用的体积较大的问题，具有成本低、结构紧凑等优点。

Description

一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置及方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置及方法。

背景技术

面对即将到来的光纤传输容量危机，采用多芯光纤进行信号传输的空分复用技术成为研究的热点。空分复用/解复用器是多芯光纤空分复用技术中关键的光学器件，其作用是将单芯光纤中的光信号耦合到多芯光纤的各个纤芯中，以及经过传输之后将多芯光纤中的信号空分解复用至相应的单芯光纤中。

目前常用的空分复用/解复用方法是透镜耦合方法，这种传统方法需要用到多个光纤准直器，其不易对准且体积庞大，不适应于光电子器件的集成化趋势。

发明内容

本申请实施例通过提供一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置及方法，解决了现有技术中空分复用/解复用的体积较大的问题。

本申请实施例提供一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置，包括：第一透镜、第二透镜；

所述第一透镜的焦平面与多芯光纤的一端面重合；

所述第二透镜包括基底、超表面透镜阵列；所述超表面透镜阵列位于所述基底的一侧面上，所述超表面透镜阵列包括第一数量的超表面透镜，所述超表面透镜的焦平面与单芯光纤阵列的一端面重合；

所述单芯光纤阵列包括第二数量的单芯光纤；所述第一数量、所述第二数量均与所述多芯光纤的纤芯数目相同；

所述第一透镜用于将所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束准直为具有不同出射角的平行光束，所述第二透镜用于将多个平行光束分别聚焦耦合至不同的单芯光纤，实现空分解复用功能；

所述第二透镜用于对来自不同的单芯光纤的出射光束进行扩束准直，所述第一透镜用于将多个光束分别聚焦耦合至多芯光纤的不同纤芯，实现空分复用功能。

优选的，所述超表面透镜由纳米砖阵列构成，所述纳米砖阵列中的纳米砖的高度相同，相邻纳米砖的中心间隔相同，所述纳米砖为亚波长尺寸。

优选的，所述基底为熔融石英基底，所述超表面透镜阵列沉积在所述熔融石英基底表面。

优选的，所述纳米砖采用硅薄膜材料制成，所述纳米砖为长方体，所述纳米砖的截面为正方形，通过改变所述纳米砖的宽度调节透射光相对相位。

优选的，以平行于所述基底且向上为X轴建立空间直角坐标系，对于任一超表面透镜，设其中心坐标为(x₀,y₀,z₀)，纳米砖所在位置坐标为(x,y,z)，则纳米砖的相位Φ满足如下公式：

式中，λ为光波长，f₂为超表面透镜的焦距，θ为超表面透镜所对应平行光束主光线与Z轴夹角，α为超表面透镜所对应平行光束主光线在XOY面的投影与Y轴正方向的夹角。

优选的，满足如下公式：

式中，(x₁,y₁,z₁)为多芯光纤的纤芯坐标，f₁为第一透镜的焦距。

优选的，各单芯光纤的纤芯在XY平面投影与所对应的超表面透镜的中心重合。

本申请实施例提供一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用方法，采用上述基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置，将多芯光纤置于靠近第一透镜的一侧，将单芯光纤阵列置于靠近第二透镜的一侧；

实现空分解复用功能时，通过所述第一透镜将所述多芯光纤的不同纤芯的出射光准直为不同出射角的平行光束，多个平行光束在空间传播一段距离后相互分离，经过所述第二透镜分别聚焦耦合至所述单芯光纤阵列中不同的单芯光纤；

实现空分复用功能时，通过所述第二透镜中不同的超表面透镜分别接收来自所述单芯光纤阵列中不同的单芯光纤的出射光束，并对光束进行扩束准直；各光束独立传播至所述第一透镜后，经所述第一透镜分别聚焦耦合至所述多芯光纤的不同纤芯。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，通过第一透镜将多芯光纤不同纤芯的出射光准直为不同出射角的平行光束，平行光束在空间传播一段距离后相互分离，再经过第二透镜分别聚焦耦合至不同的单芯光纤，实现多芯光纤的解复用功能。上述过程完全可逆，因此本发明提供的技术方法可完成多芯光纤的复用/解复用功能。本发明舍弃了传统透镜耦合法中的光纤准直器阵列，采用的第二透镜包括超表面透镜阵列，因此本发明具有成本低、结构紧凑等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用方法的原理图；

图2为本发明实施例提供的一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置中多芯光纤的横截面纤芯排布图；

图4为本发明实施例提供的一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置中单芯光纤阵列的端面分布图；

图5为本发明实施例提供的一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置中超表面透镜的排布图；

图6为本发明实施例提供的一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置中超表面单元结构的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置中纳米砖宽度与相位调制量关系图；

图8为本发明实施例提供的一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置纳米砖宽度与透射效率关系图。

其中，1-多芯光纤、2-多芯光纤纤芯、3-第一透镜、4-基底、5-超表面透镜、6-单芯光纤、7-单芯光纤纤芯、8-多芯光纤包层、9-多芯光纤涂覆层、10-单芯光纤包层、11-单芯光纤涂覆层、12-纳米砖。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置，如图1、图2所示，包括：第一透镜3、第二透镜；所述第一透镜3的焦平面与多芯光纤1的一端面重合；所述第二透镜包括基底4、超表面透镜阵列；所述超表面透镜阵列位于所述基底4的一侧面上，所述超表面透镜阵列包括第一数量的超表面透镜5，所述超表面透镜5的焦平面与单芯光纤阵列的一端面重合；所述单芯光纤阵列包括第二数量的单芯光纤6；所述第一数量、所述第二数量均与所述多芯光纤1的纤芯数目相同。为了更好的理解本发明，图1中还标示了多芯光纤纤芯2、单芯光纤纤芯7，图4中还标示了单芯光纤包层10、单芯光纤涂覆层11。所述复用/解复用器用于多芯光纤1与单芯光纤6的耦合。

所述第一透镜3用于将所述多芯光纤1的不同纤芯的出射光束准直为具有不同出射角的平行光束，所述第二透镜用于将多个平行光束分别聚焦耦合至不同的单芯光纤6，实现空分解复用功能。

所述第二透镜用于对来自不同的单芯光纤6的出射光束进行扩束准直，所述第一透镜3用于将多个光束分别聚焦耦合至多芯光纤1的不同纤芯，实现空分复用功能。

如图1、图2、图5所示，所述基底4可为熔融石英基底，所述超表面透镜阵列沉积在所述熔融石英基底表面。所述超表面透镜5由纳米砖阵列构成，其功能构成离轴透镜。具体的，所述纳米砖12可采用硅薄膜材料制成，并且沉积在熔融石英基底的表面。

参看图5、图6，所述纳米砖12为长方体，长宽高均为亚波长尺寸，所述纳米砖12的截面为正方形，即单个纳米砖12的长度和宽度相同；所述纳米砖阵列中各纳米砖的宽度不同，高度相同，相邻纳米砖的中心间隔相同。所述纳米砖12用于调节该点的位相。

实现多芯光纤与单芯光纤解复用功能时，所述多芯光纤1的端面置于所述第一透镜3的焦平面，所述多芯光纤1的不同纤芯所出射光束经所述第一透镜3准直为不同出射角度的平行光束；平行光束在空间传播一段距离后相互分离，分别经所述超表面透镜5聚焦耦合至不同的所述单芯光纤6，实现多芯光纤与单芯光纤解复用。上述光路完全可逆，因此可以实现多芯光纤与单芯光纤复用/解复用功能。

参看图1-图5，以所述多芯光纤1为七芯光纤为例，为了方便理解，图3中还标示出多芯光纤包层8、多芯光纤涂覆层9，相邻纤芯等间距排列，记多芯光纤纤芯2的直径为R₁，相邻纤芯的间距为d₁，纤芯出射光束发散角为θ₁，所述第一透镜3的焦距为f₁，则所述多芯光纤1的不同纤芯所出射光束经所述第一透镜3准直后的平行光束直径

相邻平行光束夹角

以所述第一透镜3光轴为Z轴，以光轴与超表面透镜阵列的交点为原点，以平行于所述基底4且向上为X轴建立空间直角坐标系；对于任一超表面透镜5，设其中心坐标为(x₀,y₀,z₀)，所述纳米砖12所在位置坐标为(x,y,z)，则所述纳米砖12的相位Φ满足如下公式：

式中，λ为光波长，f₂为所述超表面透镜5的焦距，f₂等于所述超表面透镜5到所述单芯光纤6的端面的距离，θ为所述超表面透镜5所对应平行光束主光线与Z轴夹角，α为所述超表面透镜5所对应平行光束主光线在XOY面的投影与Y轴正方向的夹角。

记所述第一透镜3与所述超表面透镜5的距离为L，所述多芯光纤1的纤芯坐标为(x₁,y₁,z₁)，则θ与α满足如下公式：

单芯光纤涂覆层11的直径为R_t，相邻单芯光纤紧密接触排布，各单芯光纤的纤芯在XY平面投影与对应的各超表面透镜的中心重合。

令设计波长λ＝1550nm，所述多芯光纤1的纤芯直径R₁＝8um，相邻纤芯的间距为d₁＝45um，纤芯出射光束发散角为θ₁＝0.28rad，所述第一透镜3的焦距为f₁＝2mm，单芯光纤涂覆层11的直径R_t＝2mm，单芯光纤纤芯7的直径R_x＝9um；单芯光纤包层10的直径R_b＝250um；代入各设计参数得：L＝133.33mm，R₂＝571.6876mm，θ₂＝0.045rad。如图6所示，单个所述超表面透镜5的直径R_m＝1mm。

针对设计主波长，采用电磁仿真软件Comsol对单元结构参数进行仿真，仿真以圆偏光垂直入射、以透射的圆偏光的相位及效率作为优化对象。扫描超表面单元结构，包括基底单元(即一个纳米砖对应的基底部分)的长宽尺寸CS、所述纳米砖12的高度H、所述纳米砖12的宽度W，如图6所示，以期获得最佳参数。要求在同一个CS和H参数下，变化所述纳米砖12的宽度W能使得透射光相对相位差在0到2π之间连续变化，且保持透射效率较高、保持一致。经优化计算，得到优化参数为：CS＝650nm,H＝750nm，W在50nm到450nm之间变化，相对相位差变化范围0到2π，透射效率均保持在90％以上。本实施例中纳米砖宽度与相位调制量关系图如图7所示，本实施例中纳米砖宽度与透射效率关系图如图8所示。

本发明还提供一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用方法，采用上述基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置，将多芯光纤置于靠近第一透镜的一侧，将单芯光纤阵列置于靠近第二透镜的一侧。

实现空分解复用功能时，通过所述第一透镜将所述多芯光纤的不同纤芯的出射光准直为不同出射角的平行光束，多个平行光束在空间传播一段距离后相互分离，经过所述第二透镜分别聚焦耦合至所述单芯光纤阵列中不同的单芯光纤。

实现空分复用功能时，通过所述第二透镜中不同的超表面透镜分别接收来自所述单芯光纤阵列中不同的单芯光纤的出射光束，并对光束进行扩束准直；各光束独立传播至所述第一透镜后，经所述第一透镜分别聚焦耦合至所述多芯光纤的不同纤芯。

综上，本发明利用一个准直透镜将多芯光纤不同纤芯的出射光准直为不同出射角的平行光束，平行光束在空间传播一段距离后相互分离，再经过超表面透镜分别聚焦耦合至不同的单芯光纤，实现多芯光纤的解复用功能。上述过程完全可逆，因此本发明提供的技术方法可完成多芯光纤的复用/解复用功能，且具有成本低、结构紧凑等优点。

本发明实施例提供的一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置及方法至少包括如下技术效果：

(1)舍弃了传统透镜耦合法中的光纤准直器阵列，体积小、重量轻、结构紧凑，适应多芯光纤集成化趋势；

(2)对于不同纤芯数目的多芯光纤，均可轻松设计出合适的超表面透镜阵列，易于拓展，器件结构设计灵活；

(3)超表面透镜的加工仅需一次光刻工艺，工艺简单，制作成本低。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置，其特征在于，包括：第一透镜、第二透镜；

所述第一透镜的焦平面与多芯光纤的一端面重合；

所述第二透镜包括基底、超表面透镜阵列；所述超表面透镜阵列位于所述基底的一侧面上，所述超表面透镜阵列包括第一数量的超表面透镜，所述超表面透镜的焦平面与单芯光纤阵列的一端面重合；

所述单芯光纤阵列包括第二数量的单芯光纤；所述第一数量、所述第二数量均与所述多芯光纤的纤芯数目相同；

所述第一透镜用于将所述多芯光纤的不同纤芯的出射光束准直为具有不同出射角的平行光束，所述第二透镜用于将多个平行光束分别聚焦耦合至不同的单芯光纤，实现空分解复用功能；

所述第二透镜用于对来自不同的单芯光纤的出射光束进行扩束准直，所述第一透镜用于将多个光束分别聚焦耦合至多芯光纤的不同纤芯，实现空分复用功能；

其中，所述超表面透镜由纳米砖阵列构成，所述纳米砖阵列中的纳米砖的高度相同，相邻纳米砖的中心间隔相同，所述纳米砖为亚波长尺寸；

以所述第一透镜的主光轴为Z轴，以Z轴与所述超表面透镜阵列的交点为原点O，以超表面透镜阵列所在平面为XOY面，以过原点并平行于所述基底且向上的直线为X轴，以过原点且垂直于XOZ面的直线为Y轴，建立空间直角坐标系；

对于任一超表面透镜，设其中心坐标为(x₀,y₀,z₀)，纳米砖所在位置坐标为(x,y,z)，则纳米砖的相位Φ满足如下公式：

式中，λ为光波长，mod为取余数运算符，f₂为超表面透镜的焦距，θ为超表面透镜所对应平行光束主光线与Z轴夹角，α为超表面透镜所对应平行光束主光线在XOY面的投影与Y轴正方向的夹角。

2.根据权利要求1所述的基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置，其特征在于，所述基底为熔融石英基底，所述超表面透镜阵列沉积在所述熔融石英基底表面。

3.根据权利要求1所述的基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置，其特征在于，所述纳米砖采用硅薄膜材料制成，所述纳米砖为长方体，所述纳米砖的截面为正方形，通过改变所述纳米砖的宽度调节透射光相对相位。

4.根据权利要求1所述的基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置，其特征在于，满足如下公式：

式中，(x₁,y₁,z₁)为多芯光纤的纤芯坐标，f₁为第一透镜的焦距。

5.根据权利要求1所述的基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置，其特征在于，各单芯光纤的纤芯在XY平面投影与所对应的超表面透镜的中心重合。

6.一种基于透镜和超表面透镜的复用/解复用方法，其特征在于，采用如权利要求1-5中任一所述的基于透镜和超表面透镜的复用/解复用装置，将多芯光纤置于靠近第一透镜的一侧，将单芯光纤阵列置于靠近第二透镜的一侧；

实现空分解复用功能时，通过所述第一透镜将所述多芯光纤的不同纤芯的出射光准直为不同出射角的平行光束，多个平行光束在空间传播一段距离后相互分离，经过所述第二透镜分别聚焦耦合至所述单芯光纤阵列中不同的单芯光纤；

实现空分复用功能时，通过所述第二透镜中不同的超表面透镜分别接收来自所述单芯光纤阵列中不同的单芯光纤的出射光束，并对光束进行扩束准直；各光束独立传播至所述第一透镜后，经所述第一透镜分别聚焦耦合至所述多芯光纤的不同纤芯。

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