CN112630888A - 模场转换系统 - Google Patents

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韦琪
张峰
陆海龙
苏习明
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Abstract

本发明实施例公开了一种模场转换系统，其包括：入射光纤，包括入射端，所述入射端耦合至大模场尺寸波导，所述大模场尺寸波导连接至外部光学器件；出射光纤，包括出射端，所述出射端耦合至小模场尺寸波导；以及过渡光纤，连接所述入射光纤和所述出射光纤，用于将来自所述入射端的光传输至所述出射端，所述过渡光纤包括若干段熔接的光纤段，所述过渡光纤分别熔接至所述入射光纤和所述出射光纤；其中光纤芯径自所述入射光纤至所述出射光纤递减。

Description

模场转换系统
技术领域
本发明涉及集成光学领域，尤其涉及一种模场转换系统。
背景技术
目前对于将大模场的光斑耦合到小模场中一直是通信及激光加工行业的重点和难点，对于光模场耦合而言低损耗高耦合效率一直是行业的追寻目标。而目前光纤在激光传输领域是损耗最小的一种方式，因此用光纤传输激光耦合到小模场波导中是一种十分合适的方式。例如应用到铌酸锂薄膜光耦合的场景中，铌酸锂薄膜是一种典型的小模场波导，铌酸锂晶体是一种多功能光电材料，具有很多优良的物理性质，如声光、电光、非线性光学、压电、热释电、铁电等，并且其稳定性好，波长透光范围宽，本征带宽大。
近年来，人们制备了单晶铌酸锂薄膜，这种薄膜材料具有可以与晶体材料接近的物理性质。并且，由于铌酸锂晶体和二氧化硅隔离层之间的高折射率比，使得以其为基底制作的各类薄膜光电器件具有更好的限光能力，更小的横截面尺寸，能够实现更高密度的集成。利用铌酸锂薄膜材料人们制作了一系列性能优异的光电器件，如频率转换器、电光调制器、二次谐波产生器等。
光纤与铌酸锂器件间的耦合是集成光学一个重要的研究方向，具有重要应用价值。而单模光纤和铌酸锂薄膜的模场不匹配导致光纤与小模场波导间的耦合变得比较困难，因此如何提高光纤与薄膜波导间的耦合效率成为重要且难以解决的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种模场转换系统，其包括：
入射光纤，包括入射端，所述入射端耦合至大模场尺寸波导，所述大模场尺寸波导连接至外部光学器件；
出射光纤，包括出射端，所述出射端耦合至小模场尺寸波导；
以及过渡光纤，连接所述入射光纤和所述出射光纤，用于将来自所述入射端的光传输至所述出射端，所述过渡光纤包括若干段熔接的光纤段，所述过渡光纤分别熔接至所述入射光纤和所述出射光纤；其中光纤芯径自所述入射光纤至所述出射光纤递减。
进一步地，所述大模场尺寸波导为单模光纤，所述外部光学器件为激光发射器。
进一步地，所述小模场波导为铌酸锂薄膜波导。
进一步地，所述光纤包括纤芯、包层和涂覆层，所述包层的折射率低于所述纤芯的折射率。
进一步地，所述纤芯为石英材料制成，所述包层为掺锗石英材料制成，所述涂覆层为树脂涂层。
进一步地，所述入射端包括第一耦合单元，所述第一耦合单元包括第一裸露部和第一微处理端，所述入射端除去外周所述涂覆层后形成所述第一裸露部，所述第一裸露部的轴向端部形成有第一微处理端。
进一步地，所述出射端包括第二耦合单元，所述第二耦合单元包括第二裸露部和第二微处理端，所述出射端除去外周所述涂覆层后形成所述第二裸露部，所述第二裸露部的轴向端部形成有第二微处理端。
进一步地，所述第一微处理端为锥形或四面型结构。
进一步地，所述第二微处理端为双曲率四面结构。
进一步地，所述入射端光纤的芯径范围是9-400μm，所述出射端光纤的芯径范围是3-5μm。
进一步地，所述过渡光纤的为级联光纤。
本发明实施方式中提供的模场转换系统体积小、结构简单，可靠性高，可根据应用场合改变光纤组合类型及端面微加工工艺来提高与相邻模场的耦合效率。
附图说明
图1为本发明实施例中模场转换系统的结构示意图；
图2为图1中模场转换系统的光纤结构示意图；
图3为图1中模场转换系统的入射端的主视图；
图4为图3中入射端的侧视图；
图5为图3中入射端的俯视图；
图6为图1中模场转换系统的出射端的主视图；
图7为图5中出射端的侧视图；
图8为图5中出射端的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中的一种模场转换系统，其包括入射光纤1、出射光纤2以及过度光纤3，其中入射光纤1包括入射端11，所述入射端11耦合至大模场尺寸波导，所述大模场尺寸波导连接至外部光学器件。
本实施方式中的所述大模场尺寸波导为单模光纤，所述外部光学器件为激光发射器或者芯片等。其中构成为大模场尺寸波导的单模光纤的纤芯直径为8-10μm。
其中出射光纤2包括出射端21，所述出射端21耦合至小模场尺寸波导。本实施方式中的所述小模场波导为铌酸锂薄膜波导，其中铌酸锂薄膜的厚度在0.5μm左右。
本实施方式中的过渡光纤3用于连接所述入射光纤1和所述出射光纤2，用于将来自所述入射端11的光传输至所述出射端21。
所述过渡光纤3为纤芯直径介于入射光纤1及出射光纤2的纤芯直径之间，所述过渡光纤3包括若干段熔接为一体的光纤段31，本发明实施方式的所述过渡光纤3包括多个光纤段，其中过渡光纤3可以是任意型号和长度的光纤段的组合。
通过设置若干或者多个组合的光纤段31，可确保光线在过渡光纤3中以基膜或少量高阶模的形式传播时，经过不同的芯径直径的光纤段31来缓慢过渡。
进一步地，所述过渡光纤3的大芯径端熔接至所述入射光纤1，过度光纤3的小芯径端熔接至所述出射光纤2；其中光纤芯径自所述入射光纤1至所述出射光纤2递减。
参见附图2，本实施方式中的所有入射光纤1、出射光纤2以及过度光纤3中的光纤均包括由内向外依次设置的纤芯4、包层5和涂覆层6，其中所述包层5的折射率低于所述纤芯4的折射率。
具体地，所述纤芯4为折射率较高的石英材料制成，所述包层5为折射率较低的掺锗石英材料制成，所述涂覆层6为树脂涂层。其中光线7仅在纤芯4中可长距离传播。
如图3-图5所示，本发明实施方式的所述入射端11包括与单模光纤耦合的第一耦合单元，所述第一耦合单元包括第一裸露部12和第一微处理端13，其中所述入射端11除去外周所述涂覆层6后形成暴露包层5的所述第一裸露部12，所述第一裸露部12的轴向端部经加工形成有第一微处理端13。
具体地，如图3所示，本发明实施方式中的所述第一微处理端13为轴端带有曲率的圆锥形结构，当然其也可以是四面型结构，其中第一裸露部12的轴向端部可通过腐蚀及研磨等角度加工方式，结合拉锥机火头灼烧及熔接机放电等热加工方式形成。该第一微处理端13的结构主要用于耦合激光发射器的发射光斑模场。
作为可替换的实施方式，其中入射端11也可不做微加工处理。
同样的，如图6-图8所示，本发明实施方式的所述出射端21包括与铌酸锂薄膜波导耦合的第二耦合单元，所述第二耦合单元包括第二裸露部22和第二微处理端23，所述出射端21除去外周所述涂覆层6后形成裸露包层5的所述第二裸露部22，所述第二裸露部22的轴向端部经加工形成有第二微处理端23。
具体地，如图6所示，本发明实施方式中的所述第二微处理端23为双曲率四面结构。其中第二裸露部轴向端部可通过腐蚀及研磨等角度加工方式，结合拉锥机火头灼烧及熔接机放电等热加工方式形成双曲率四面结构。同样的，该第二微处理端23的结构主要用于耦合铌酸锂薄膜波导的发射光斑模场。
本发明实施方式中，所述入射光纤1的芯径范围是9-400μm，入射光纤的芯径较大，主要用来接收从激光器或者其它设备发射出来的激光，所述出射光纤2的芯径范围是3-5μm。
本发明实施方式的模场转换系统体积小、结构简单，可靠性高，可根据应用场合改变光纤组合类型及端面微加工工艺来提高与相邻模场的耦合效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种模场转换系统，其特征在于包括：
入射光纤，包括入射端，所述入射端耦合至大模场尺寸波导，所述大模场尺寸波导连接至外部光学器件；
出射光纤，包括出射端，所述出射端耦合至小模场尺寸波导；
以及过渡光纤，连接所述入射光纤和所述出射光纤，用于将来自所述入射端的光传输至所述出射端，所述过渡光纤包括若干段熔接的光纤段，所述过渡光纤的两端分别熔接至所述入射光纤和所述出射光纤；其中光纤芯径自所述入射光纤至所述出射光纤递减。
2.根据权利要求1所述的模场转换系统，其特征在于，所述大模场尺寸波导为单模光纤，所述外部光学器件为激光发射器。
3.根据权利要求1所述的模场转换系统，其特征在于，所述小模场波导为铌酸锂薄膜波导。
4.根据权利要求1所述的模场转换系统，其特征在于，所述光纤包括纤芯、包层和涂覆层，所述包层的折射率低于所述纤芯的折射率。
5.根据权利要求1所述的模场转换系统，其特征在于，所述纤芯为石英材料制成，所述包层为掺锗石英材料制成，所述涂覆层为树脂涂层。
6.根据权利要求1所述的模场转换系统，其特征在于，所述入射端包括第一耦合单元，所述第一耦合单元包括第一裸露部和第一微处理端，所述入射端除去外周所述涂覆层后形成所述第一裸露部，所述第一裸露部的轴向端部形成有第一微处理端。
7.根据权利要求1所述的模场转换系统，其特征在于，所述出射端包括第二耦合单元，所述第二耦合单元包括第二裸露部和第二微处理端，所述出射端除去外周所述涂覆层后形成所述第二裸露部，所述第二裸露部的轴向端部形成有第二微处理端。
8.根据权利要求1所述的模场转换系统，其特征在于，所述第一微处理端为圆锥形或四面型结构。
9.根据权利要求1或8所述的模场转换系统，其特征在于，所述第二微处理端为双曲率四面结构。
10.根据权利要求1所述的模场转换系统，其特征在于，所述入射端光纤的芯径范围是9-400μm，所述出射端光纤的芯径范围是3-5μm。
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