CN114280739B - 一种耦合装置、光学成像系统以及耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种耦合装置、光学成像系统以及耦合方法。该装置：通过至少一个第一超透镜设置在至少一个第一光纤和至少一个第二光纤之间，第一超透镜包括第一端面和第二端面，第一端面与至少一个第一光纤的一端面连接，第二端面与至少一个第二光纤的一端面连接，光从第一端面入射的光的模场形状和从第二端面出射的光的模场形状不同，光从第二端面出射的光的模场形状与至少一个第二光纤上的模场形状相同，以及光从第二端面出射的光的数值孔径与至少一个第二光纤上的数值孔径相同，从而实现了光纤和光纤耦合时，使得光纤中耦合时的模场形状相同，且光纤中耦合时的数值孔径相同，使得耦合效率提高。
Description
技术领域
本申请涉及光学技术领域，具体涉及一种耦合装置、光学成像系统以及耦合方法。
背景技术
在光纤和光波导领域，光学耦合是光纤和波导输出进行整合的重要过程，光学耦合是对不同波长、光强的光功率进行分路或合路，主要用来传送，调制信号，实现信号的光电转换等。光纤和波导之间会传输光信号，并将光信号耦合。由于光纤和波导耦合时，模场在光纤中是圆形，在波导中是近似矩形，由于模场及数值孔径不匹配，使耦合效率降低。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本申请提出了一种耦合装置、光学成像系统以及耦合方法，以解决由于光纤和波导耦合时，模场在光纤中是圆形，在波导中是近似矩形，由于模场及数值孔径不匹配，使耦合效率降低的问题。
本申请第一方面提供了一种耦合装置，包括：
至少一个第一光纤、至少一个第一超透镜和至少一个第二光纤；
所述至少一个第一超透镜设置在所述至少一个第一光纤和所述至少一个第二光纤之间，所述至少一个第一超透镜包括第一端面和第二端面，所述第一端面与所述至少一个第一光纤的一端面连接，所述第二端面与所述至少一个第二光纤的一端面连接，所述至少一个第二光纤的另一端面与所述光栅耦合连接，其中，光从所述第一端面入射的光的模场形状和从所述第二端面出射的光的模场形状不同，且光从所述第二端面出射的光的模场形状与所述至少一个第二光纤上的模场形状相同，以及光从所述第二端面出射的光的数值孔径与所述至少一个第二光纤上的数值孔径相同。
可选地，所述第一端面和所述第二端面均为平面或斜面。
可选地，还包括第二超透镜，所述第二超透镜设置在所述至少一个第一超透镜和所述至少一个第二光纤之间，所述第二超透镜包括第三端面和第四端面，所述第二端面和所述第三端面连接，所述第四端面与所述至少一个第二光纤连接，所述第二超透镜将从所述至少一个第一超透镜出射的平行光汇聚，使得汇聚后的光的模场形状与所述至少一个第二光纤对应的模场形状相同，以及使得汇聚后的光的数值孔径与所述至少一个第二光纤对应的数值孔径相同。
可选地，还包括至少一个第二超透镜，所述至少一个第二超透镜包括第三端面和第四端面，所述至少一个第一超透镜与所述至少一个第二超透镜并排排列形成超透镜阵列，所述至少一个第一光纤设置在所述第一端面和所述第三端面上，所述至少一个第二光纤设置在所述第二端面和所述第四端面上，所述两个超透镜使所述至少一个第一光纤上的发散光汇聚到所述至少一个第二光纤上。
可选地，还包括具有磁场的旋光晶体和两个偏振器，所述两个偏振器分别设置在所述旋光晶体的两个端面之上，所述旋光晶体设置在所述至少一个第一超透镜和所述第二超透镜之间。
可选地，还包括滤波器，所述滤波器设置在所述至少一个第一超透镜和所述第二超透镜之间。
可选地，还包括光栅，所述光栅与所述第二光纤的另一端面连接。
可选地，所述至少一个第一光纤和所述至少一个第一超透镜之间具有第一夹角，所述至少一个第一超透镜和至少一个第二光纤之间具有第二夹角。
本申请的第二方面提供一种光学成像系统，包括上述任意一项所述的耦合装置。
可选地，还包括第一光波导和第二光波导，所述至少一个第一超透镜设置在第一光波导和所述第二光波导之间；或者，
所述至少一个第一超透镜设置在所述至少一个第一光纤和所述第一光波导之间，或者，所述至少一个第一超透镜设置在所述至少一个第一光纤和所述第二光波导之间。
可选地，还包括至少一个第一激光器和至少一个第一光接收器，所述至少一个第一超透镜设置在所述至少一个第一激光器和所述第二光波导或第二光纤之间，且所述至少一个第一激光器设置在所述第一光波导或第一光纤的前端，所述至少一个第一超透镜设置在所述至少一个第一光接收器所述第二超透镜和所述第二光波导或第二光纤之间。
本申请的第三方面提供一种耦合方法，包括：
光入射到至少一个第一光纤穿过至少一个第一超透镜到达至少一个第二光纤上，使所述至少一个第一光纤出射的光的模场形状和所述至少一个第二光纤上的模场形状相同；
将在所述至少一个第二光纤上的模场形状相同的光入射到光栅上进行耦合。
本申请通过所述至少一个第一超透镜设置在所述至少一个第一光纤和所述至少一个第二光纤之间，所述至少一个第一超透镜包括第一端面和第二端面，所述第一端面与所述至少一个第一光纤的一端面连接，所述第二端面与所述至少一个第二光纤的一端面连接，其中，光从所述第一端面入射的光的模场形状和从所述第二端面出射的光的模场形状不同，且光从所述第二端面出射的光的模场形状与所述至少一个第二光纤上的模场形状相同，以及光从所述第二端面出射的光的数值孔径与所述至少一个第二光纤上的数值孔径相同，从而实现了光纤和光纤耦合时，使得光纤中中耦合时的模场形状相同，且光纤中中耦合时的数值孔径相同，使得耦合效率提高。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本申请的特征和可点，附图是示意性的而不应理解为对本申请进行任何限制，在附图中：
图1是根据本申请的一些实施例所示的一种耦合装置示意图；
图2是根据本申请的一些实施例所示的一种耦合装置另一示意图；
图3是根据本申请的一些实施例所示的一种耦合装置另一示意图；
图4是根据本申请的一些实施例所示的一种耦合装置又一示意图；
图5是根据本申请的一些实施例所示的一种耦合装置又一示意图；
图6是根据本申请的一些实施例所示的一种耦合装置另外示意图；
图7是根据本申请的一些实施例所示的一种耦合方法流程示意图。
以下为本申请主要部件的名称和标号：
第一光纤100、第一超透镜200、第二光纤300、光栅400、第一端面211、第二端面212、第二超透镜500、第三端面510、第四端面520、旋光晶体600、偏振器700、滤波器800。
具体实施方式
在下面的详细描述中，通过示例阐述了本申请的许多具体细节，以便提供对相关披露的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来讲，本申请显而易见的可以在没有这些细节的情况下实施。应当理解的是，本申请中使用“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”术语，是用于区分在顺序排列中不同级别的不同部件、元件、部分或组件的一种方法。然而，如果其他表达式可以实现相同的目的，这些术语可以被其他表达式替换。
应当理解的是，当设备、单元或模块被称为“在……上”、“连接到”或“耦合到”另一设备、单元或模块时，其可以直接在另一设备、单元或模块上，连接或耦合到或与其他设备、单元或模块通信，或者可以存在中间设备、单元或模块，除非上下文明确提示例外情形。例如，本申请所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列条目的任何一个和所有组合。
本申请所用术语仅为了描述特定实施例，而非限制本申请范围。如本申请说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，而该类表述并不构成一个排它性的罗列，其他特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件也可以包含在内。
参看下面的说明以及附图，本申请的这些或其他特征和特点、操作方法、结构的相关元素的功能、部分的结合以及制造的经济性可以被更好地理解，其中说明和附图形成了说明书的一部分。然而，可以清楚地理解，附图仅用作说明和描述的目的，并不意在限定本申请的保护范围。可以理解的是，附图并非按比例绘制。
本申请中使用了多种结构图用来说明根据本申请的实施例的各种变形。应当理解的是，前面或下面的结构并不是用来限定本申请。本申请的保护范围以权利要求为准。
如图1所示，本申请提供了一种耦合装置，包括：至少一个第一光纤100、至少一个第一超透镜200、至少一个第二光纤300，所述至少一个第一超透镜200设置在所述至少一个第一光纤100和所述至少一个第二光纤300之间，所述至少一个第一超透镜200包括第一端面211和第二端面212，所述第一端面211与所述至少一个第一光纤100的一端面连接，所述第二端面212与所述至少一个第二光纤300的一端面连接，其中，光从所述第一端面211入射的光的模场形状和从所述第二端面212出射的光的模场形状不同，且光从所述第二端面212出射的光的模场形状与所述至少一个第二光纤300上的模场形状相同，以及光从所述第二端面出射的光的数值孔径与所述至少一个第二光纤上的数值孔径相同。从而实现了光纤和光纤耦合时，使得光纤中耦合的模场相同，且光纤上的数值孔径相同，使得耦合效率提高。需要说明的是，本申请中的超透镜端面于光纤的端面或波导的端面之间也可以不直接接触，即超透镜端面于光纤的端面或波导的端面之间间隔设置。
可选地，至少一个第一光纤100和至少一个第二光纤300的模场也可以设置相同，这样直接得到光纤中耦合的模场相同，使得耦合效率提高。
在一种可选实施例中，所述第一端面211和所述第二端面212均为平面或斜面。可选地，所述至少一个第一超透镜上设有将所述至少一个第一超透镜上完全包裹的保护层，所述保护层为平面或斜面。具体地，至少一个第一超透镜200的所述第一端面211和所述第二端面212均为平面或斜面利于所述至少一个第一光纤100在所述至少一个第二光纤300上集成度高，从而最终在耦合时，提高了耦合的效率。
如图2所示，在一种可选实施例中，还包括第二超透镜500，所述第二超透镜500设置在所述至少一个第一超透镜200和所述至少一个第二光纤300之间，所述第二超透镜500包括第三端面510和第四端面520，所述第二端面212和所述第三端面510连接，所述第四端面520与所述至少一个第二光纤300连接，所述第二超透镜500将从所述至少一个第一超透镜200出射的平行光汇聚，使得汇聚后的光的模场形状与所述至少一个第二光纤300对应的模场形状相同，以及使得汇聚后的光的数值孔径与所述至少一个第二光纤对应的数值孔径相同。可选地，从所述第一光纤100中出射的发散光入射到所述至少一个第一超透镜200中使发散光变成平行光，所述第二超透镜500将从所述至少一个第一超透镜200出射的平行光汇聚，使得汇聚后的光的模场形状与所述至少一个第二光纤300对应的模场形状和数值孔径相同，其中，所述至少一个第一超透镜200和所述第二超透镜500具有汇聚、整形以及聚形，光束偏折，调制偏振，相位调制，光强调制等功能，另外，还可以使偏振光可以汇聚不同的方向，从而达到耦合作用和选偏振或改偏振的作用。
如图3所示，在一种可选实施例中，还包括至少一个第二超透镜500，所述至少一个第二超透镜500包括第三端面510和第四端面520，当所述至少一个第一超透镜200与所述至少一个第二超透镜500并排排列形成超透镜阵列，所述至少一个第一光纤100设置在所述第一端面211和所述第三端面510上，所述至少一个第二光纤300设置在所述第二端面212和所述第四端面520上，所述第二超透镜500使所述至少一个第一光纤100上的发散光汇聚到所述至少一个第二光纤300上。通过所述至少一个第一超透镜200与所述第二超透镜500并排排列形成超透镜阵列，从而提高了光的耦合效率及集成功能。
可选地，当所述至少一个第一超透镜200或所述第二超透镜500为多个时，第一光纤100和第二光纤300也为多个，可以并排排列，从而形成多个光纤对应多个超透镜，可以实现同时处理光，且形成的结构集成化、小型化。还可以是第一光纤100和第二光纤300也为多个，所述至少一个第一超透镜200或所述第二超透镜500为一个，从而形成多个第一光纤100和第二光纤300对一个所述至少一个第一超透镜200或所述第二超透镜500，使得波长光强偏振汇聚。还可以是第一光纤100和第二光纤300为一个，所述至少一个第一超透镜200或所述第二超透镜500为多个，从而形成了一个第一光纤100和第二光纤300对应多个所述至少一个第一超透镜200或所述第二超透镜500，实现了波长光强偏振分散。还可以是一个第一光纤100，且第一光纤100的纤芯为多个，或者第一光纤100和第二光纤300均有多个纤芯。
如图4所示，在一种可选实施例中，还包括具有磁场的旋光晶体600和两个偏振器700，所述两个偏振器700分别设置在所述旋光晶体600的两个端面之上，或两个偏振器700分别集成在所述至少一个第一超透镜200和所述第二超透镜500上，且是靠近所述旋光晶体600的两个端面，所述旋光晶体600设置在所述至少一个第一超透镜200和所述第二超透镜500之间，且所述旋光晶体600与所述至少一个第一超透镜200和所述第二超透镜500分别连接或间隔设置，实际上，所述至少一个第一超透镜200和所述第二超透镜500也可以分别与第一光纤100和第二光纤300间隔设置。具体地，在具有所述至少一个第一超透镜200和所述第二超透镜500的前提下，具有磁场的旋光晶体600和偏振器700会形成一个相当于隔离器作用的器件，这有利于对光路集成。
如图6所示，在一种可选实施例中，还包括滤波器800，所述滤波器800设置在所述至少一个第一超透镜200和所述第二超透镜500之间，且所述滤波器800与所述至少一个第一超透镜200和所述第二超透镜500分别连接或间隔。通过在所述至少一个第一超透镜200和所述第二超透镜500之间设置滤波器800，起到调制光谱的作用，即可以使光信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他光频率成分，利用滤波器800的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析，或者进行选频，从而得到需要的光。事实上，还可以在两个超透镜之间可以添加任意有关光的器件。
在一种可选实施例中，还包括光栅400，所述光栅400与所述第二光纤300的另一端面连接。通过最终的光栅耦合，达到光的调制作用。
如图5所示，在一种可选实施例中，所述至少一个第一光纤100和所述至少一个第一超透镜200之间具有第一夹角，所述至少一个第一超透镜200和至少一个第二光纤300之间也具有第二夹角。通过第一夹角和第二夹角的存在，从而使得光从第一光纤100出射到至少一个第一超透镜200上，不会发生光再从至少一个第一超透镜200反射到第一光纤100上，同理，也不会出现至少一个第一超透镜200出射的光再从第二光纤300反射回至少一个第一超透镜200上，这样减小了光的反射损失，提高了光的传播效率，同时也能够增强传感性能。
本申请还提供了一种光学成像系统，包括上述任意一项实施例的耦合装置，该光学成像系统还包括第一光波导和第二光波导，至少一个第一超透镜200和/或第二超透镜500设置在第一光波导和第二光波导之间；或者，至少一个第一超透镜200和/或第二超透镜500设置在至少一个第一光纤100和第一光波导之间，或者，至少一个第一超透镜200和/或第二超透镜500设置在至少一个第一光纤100和第二光波导之间。
可选地，还包括至少一个第一激光器和至少一个第一光接收器，至少一个第一超透镜和/或第二超透镜设置在至少一个第一激光器和第二光波导或第二光纤之间，且至少一个第一激光器设置在第一光波导或第一光纤的前端，至少一个第一超透镜和/或设置在至少一个第一光接收器第二超透镜和第二光波导或第二光纤之间。
具体地，本申请可以通过至少一个第一超透镜200和/或第二超透镜500实现调整不同的光纤之间、光纤和波导之间。其中，第一激光器、第一光接收器或其他光源，第一激光器或其他光源设置于第一光纤100或第一光波导的位置上，第一光接收器设置于第二光纤300或第二光波导的位置上。第一激光器或其他光源与光波导之间，光纤和第一光接收器之间，光波导与第一光接收器之间，第一激光器或其他光源与光接收器之间以及波导之间的光的模场形状相同，从而提高了耦合效率。
如图7所示，本申请还提供了一种耦合方法，包括：
步骤S10，光入射从至少一个第一光纤穿过至少一个第一超透镜到达至少一个第二光纤上，使所述至少一个第一光纤出射的光的模场形状和所述至少一个第二光纤上的模场形状相同。
步骤S20，将在所述至少一个第二光纤上的模场形状相同的光入射到光栅上进行耦合。
通过步骤S10和步骤S20，从而实现了光纤和波导耦合时，使得光纤中出射的模场与在波导中的模场相同，使得耦合效率提高。
应当理解的是，本申请的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本申请的原理，而不构成对本申请的限制。因此，在不偏离本申请的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。此外，本申请所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (5)
1.一种耦合装置，其特征在于，包括：至少一个第一光纤、至少一个第一超透镜和至少一个第二光纤；
所述至少一个第一超透镜设置在所述至少一个第一光纤和所述至少一个第二光纤之间，所述至少一个第一超透镜包括第一端面和第二端面，所述第一端面与所述至少一个第一光纤的一端面连接，所述第二端面与所述至少一个第二光纤的一端面连接，其中，光从所述第一端面入射的光的模场形状和从所述第二端面出射的光的模场形状不同，且光从所述第二端面出射的光的模场形状与所述至少一个第二光纤上的模场形状相同，以及光从所述第二端面出射的光的数值孔径与所述至少一个第二光纤上的数值孔径相同；
耦合装置还包括至少一个第二超透镜，所述至少一个第二超透镜包括第三端面和第四端面，所述至少一个第一超透镜与所述至少一个第二超透镜并排排列形成超透镜阵列，所述至少一个第一光纤设置在所述第一端面和所述第三端面上，所述至少一个第二光纤设置在所述第二端面和所述第四端面上，所述第二超透镜使所述至少一个第一光纤上的发散光汇聚到所述至少一个第二光纤上。
2.根据权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，所述第一端面和所述第二端面均为平面，或所述第一端面和所述第二端面均为斜面。
3.根据权利要求1或2所述的耦合装置，其特征在于，还包括光栅，所述光栅与所述第二光纤的另一端面连接。
4.根据权利要求1所述的耦合装置，其特征在于，所述至少一个第一光纤和所述至少一个第一超透镜之间具有第一夹角，所述至少一个第一超透镜和至少一个第二光纤之间具有第二夹角。
5.一种光学成像系统，其特征在于，包括权利要求1-4任意一项所述的耦合装置。
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