CN116107030A - 一种光分束器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光分束器，包括一个输入端口、N个输出端口、超表面芯片、聚焦透镜和准直耦合元件；输入端口接收任意偏振态的入射光束；超表面芯片被配置为将入射光束分开成以不同的出射角度射出的N束子光束，各子光束光强相同，N≥2；聚焦透镜将各子光束聚焦，以形成N束平行光束；准直耦合元件将N束平行光束准直成为N束出射光束，并分别耦合至N个输出端口；输出端口供耦合于其内的出射光束发出。由于超表面的结构是波长或者亚波长级别的，不同波长经过超表面调控之后的波长差异性相当小，波长间隔很大的混合光束出射角度基本一致。无论输入光束的偏振是何种状态，分束之后的子光束能量相同。因此，本申请能够覆盖光纤通信波段。

Description

一种光分束器

技术领域

本申请涉及光学器件技术领域，特别涉及一种光分束器。

背景技术

光分束器是光纤通信网络中最基本的无源器件之一，它可以把光纤中的能量分成想要的特定成分。常见的光分束器有两个输出端口的，当然还有多路输出的，其中每路的功率都相等。

目前商用的光分束器基本上是基于熔融拉锥型技术，熔融拉锥型光分路器已经有二十多年的历史和经验，生产工艺已经十分成熟。熔融拉锥光分束器的缺点是它的插入损耗对光波长敏感，它对不同波长的损耗差异较大。由于光纤通信系统中所运用到的波段为C+L+S波段，这对通用型的光分束器提出了很高的损耗一致性要求。

发明内容

本申请实施例提供一种光分束器，无论输入光束的偏振是何种状态，分束之后的子光束能量是相同的，能够覆盖光纤通信波段。

本申请实施例提供了一种光分束器，其包括：一个输入端口、N个输出端口、超表面芯片、聚焦透镜和准直耦合元件；

所述输入端口用于接收任意偏振态的入射光束；

所述超表面芯片被配置为：将所述入射光束分开成以不同的出射角度射出的N束子光束，且各子光束光强相同，N≥2；

所述聚焦透镜用于将各所述子光束聚焦，以形成N束平行光束；

所述准直耦合元件用于将N束平行光束准直成为N束出射光束，并分别耦合至N个所述输出端口；

所述输出端口用于供耦合于其内的出射光束发出。

一些实施例中，所述超表面芯片包括若干纳米砖，所有的所述纳米砖按照各自的形状和设定取向角布置，并形成纳米砖阵列，其中，所述纳米砖的设定取向角事先通过拟产生的子光束确定。

一些实施例中，各个所述纳米砖的设定取向角事先通过仿真软件基于拟产生的N束子光束优化得到的相位分布一一确定。

一些实施例中，所述纳米砖呈矩形，且包括顺次连接的晶体硅衬底层、二氧化硅层和晶体硅层，所述晶体硅衬底层和二氧化硅层的尺寸相同。

一些实施例中，所述准直耦合元件包括安装板以及N个微透镜，所述微透镜设于所述安装板上，并形成微透镜阵列，所述微透镜与输出端口一一对应，且所述微透镜的焦距被配置为使出射光束耦合至对应的输出端口。

一些实施例中，所述光分束器还包括输入准直器，所述输入准直器一端连接所述输入端口，另一端朝向所述超表面芯片。

一些实施例中，所述输入准直器的束腰半径为0.08～0.12mm。

一些实施例中，所述输出端口为输出光纤，各所述输出光纤形成输出光纤阵列。

一些实施例中，所述光分束器还包括套管，所述超表面芯片、聚焦透镜和准直耦合元件封装于所述套管内，所述输入端口和N个输出端口分别安装于所述套管的两端。

一些实施例中，所述套管的形状为圆形。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种基于超表面的偏振无关光分束器，由于超表面的结构是波长或者亚波长级别的，不同波长经过超表面调控之后的波长差异性相当小，波长间隔很大的混合光束出射角度基本一致。无论输入光束的偏振是何种状态，分束之后的子光束能量是相同的。因此，本申请提供的光分束器，能够覆盖光纤通信波段。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的光分束器示意图；

图2为本申请实施例提供的纳米砖示意图；

图3为本申请实施例提供的准直耦合元件示意图；

图4为本申请实施例提供的输出光纤阵列示意图。

图中：1、输入端口；2、输出端口；3、超表面芯片；4、聚焦透镜；5、准直耦合元件；50、安装板；51、微透镜；6、纳米砖；60、晶体硅衬底层；61、二氧化硅层；62、晶体硅层；7、输入准直器；8、套管。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1所示，本申请实施例提供了一种光分束器，其包括一个输入端口1、N个输出端口2、超表面芯片3、聚焦透镜4和准直耦合元件5；其中：

输入端口1用于接收一束任意偏振态的入射光束，所述偏振态包括线偏振态和圆偏振态，线偏振态包括竖直线偏振态和水平线偏振态，圆偏振态包括左旋圆偏振态和右旋圆偏振态。

超表面芯片3被配置为：将入射光束分开以形成N束子光束，N束子光束从超表面芯片3射出时出射角度不相同，且各子光束光强相同，N≥2。

由于N束子光束从超表面芯片3射出时的出射角度不相同，呈发散状，将超表面芯片3设于聚焦透镜4的焦点处，通过聚焦透镜4将各子光束聚焦，以形成N束平行光束；聚焦透镜4可以采用凸透镜。

准直耦合元件5用于将N束平行光束准直成为N束出射光束，并分别耦合至N个输出端口2。

输出端口2用于供耦合于其内的出射光束发出。

由于超表面芯片表面具有周期性的结构，能够提供所需的相位组合，当光纤中的入射光束投射到超表面芯片表面后，会发生干涉效应，可以使得入射光束产生分裂，并且分裂之后的子光束会沿不同的角度出射；分裂后的子光束透过聚焦透镜后变为一系列的平行光束，准直耦合元件会对这些光束进行光斑压缩，压缩后的光束被耦合进入输出端口，并发出。

由光的衍射效应可以得到，当入射光束投射到周期性结构表面时，会发生干涉效应，从而光束产生不同的衍射级次，并且每个衍射级次的能量有所不同。通过设计推导，改变周期性结构分布可以控制衍射级次的能量分布，从而得到两束及以上的子光束，而且每束子光束的能量比例也可以控制。由于超表面芯片是一种被动式的相位调制器件，它不需要外接电流、热驱动等驱动方式。通过设计、制备产生超表面芯片之后，它对特定波长的光束分光形式已经固定。而且可以通过设计使得该超表面芯片对入射来的任意偏振态的光束进行分束，分束性能不受偏振态的影响。

参见图2所示，超表面芯片3包括若干纳米砖6，所有的纳米砖6按照各自的形状和设定取向角α布置，并形成纳米砖阵列，其中，纳米砖6的设定取向角事先通过拟产生的子光束确定。

具体地，纳米砖6的形状有多种多样，需要根据具体需求设计，当确定出一种形状之后，根据所要产生的子光束提前确定各个纳米砖6的设定取向角，进而得到所需的纳米砖阵列，最终形成超表面芯片3。

在本申请中，各个纳米砖6的设定取向角事先通过仿真软件基于拟产生的N束子光束优化得到的相位分布一一确定。

具体地，根据需要在远场产生的N束子光束以及其排布位置，比如图1中的3*3阵列，运用CSTStudioSuite软件对纳米砖进行数值模拟，并扫描几何参数(周期C、设定取向角α、长度L和宽度W等)以优化性能。对复杂结构的超表面的电磁响应特性进行仿真优化和性能验证，从而确定超表面芯片的相位分布。对于不同输出端口不同排列方式的超表面芯片，通过设计，最终找到最优化的纳米砖结构。

参见图2所示，纳米砖6呈矩形，且包括顺次连接的晶体硅衬底层60、二氧化硅层61和晶体硅层62，晶体硅衬底层60和二氧化硅层61的尺寸相同。二氧化硅层的长度为C，宽度为C，厚度为d，矩形的晶体硅层62的长度为L、宽度为W、高度为H，设定取向角为α。

参见图3所示，准直耦合元件5包括安装板50以及N个微透镜51，微透镜51设于安装板50上，并形成微透镜阵列，微透镜51与输出端口2一一对应，且微透镜51的焦距被配置为使出射光束耦合至对应的输出端口2。

经过聚焦透镜4平行输出的平行光束一对一地入射至微透镜阵列中的微透镜51中，且平行光束经过微透镜51的光心输出。微透镜阵列中的微透镜51数量与平行光束的数量相等。例如经过超表面芯片3产生9束子光束，则微透镜阵列中设置9个微透镜51。

参见图4所示，输出端口2为输出光纤，各输出光纤形成输出光纤阵列。结合图1所示，微透镜51与输出光纤一对一地连接，以使透过微透镜51的出射光束耦合至输出光纤，并经输出光纤发出。

参见图1所示，光分束器还包括输入准直器7，输入准直器7一端连接输入端口1，另一端朝向超表面芯片3。输入准直器7输出的准直光束射入超表面芯片3之后，由超表面芯片3进行分束。

输入准直器7采用小束腰准直器，比如，束腰半径为0.08～0.12mm，作为示例，束腰半径为0.10mm。

参见图1所示，光分束器还包括套管8，超表面芯片3、聚焦透镜4和准直耦合元件5封装于套管8内，输入端口1和N个输出端口2分别安装于套管8的两端。可以看到通过封装后的光分束器比较简洁，它由一个输入端口、长条的密封结构体和N个输出端口组成。

理论上出射光束的点数和相对分布可以任意设定，但是实际操作中考虑到减小封装体积，出射光束分布采用n×n的阵列，然后采用圆形套管8密封，这样在稳定性和体积上都有优势。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光分束器，其特征在于，其包括：一个输入端口(1)、N个输出端口(2)、超表面芯片(3)、聚焦透镜(4)和准直耦合元件(5)；

所述输入端口(1)用于接收任意偏振态的入射光束；

所述超表面芯片(3)被配置为：将所述入射光束分开成以不同的出射角度射出的N束子光束，且各子光束光强相同，N≥2；

所述聚焦透镜(4)用于将各所述子光束聚焦，以形成N束平行光束；

所述准直耦合元件(5)用于将N束平行光束准直成为N束出射光束，并分别耦合至N个所述输出端口(2)；

所述输出端口(2)用于供耦合于其内的出射光束发出。

2.如权利要求1所述的光分束器，其特征在于：

所述超表面芯片(3)包括若干纳米砖(6)，所有的所述纳米砖(6)按照各自的形状和设定取向角布置，并形成纳米砖阵列，其中，所述纳米砖(6)的设定取向角事先通过拟产生的子光束确定。

3.如权利要求2所述的光分束器，其特征在于：

各个所述纳米砖(6)的设定取向角事先通过仿真软件基于拟产生的N束子光束优化得到的相位分布一一确定。

4.如权利要求2所述的光分束器，其特征在于：

所述纳米砖(6)呈矩形，且包括顺次连接的晶体硅衬底层(60)、二氧化硅层(61)和晶体硅层(62)，所述晶体硅衬底层(60)和二氧化硅层(61)的尺寸相同。

5.如权利要求1所述的光分束器，其特征在于：

所述准直耦合元件(5)包括安装板(50)以及N个微透镜(51)，所述微透镜(51)设于所述安装板(50)上，并形成微透镜阵列，所述微透镜(51)与输出端口(2)一一对应，且所述微透镜(51)的焦距被配置为使出射光束耦合至对应的输出端口(2)。

6.如权利要求1所述的光分束器，其特征在于：

所述光分束器还包括输入准直器(7)，所述输入准直器(7)一端连接所述输入端口(1)，另一端朝向所述超表面芯片(3)。

7.如权利要求6所述的光分束器，其特征在于：

所述输入准直器(7)的束腰半径为0.08～0.12mm。

8.如权利要求1所述的光分束器，其特征在于：

所述输出端口(2)为输出光纤，各所述输出光纤形成输出光纤阵列。

9.如权利要求1所述的光分束器，其特征在于：

所述光分束器还包括套管(8)，所述超表面芯片(3)、聚焦透镜(4)和准直耦合元件(5)封装于所述套管(8)内，所述输入端口(1)和N个输出端口(2)分别安装于所述套管(8)的两端。

10.如权利要求9所述的光分束器，其特征在于：

所述套管(8)的形状为圆形。

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