CN116203681A - 超构表面多芯光纤扇入扇出器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超构表面多芯光纤扇入扇出器件，包括超构表面单元、光纤阵列、基底以及多芯光纤，超构表面单元连接于基底上，基底一侧连接光纤阵列，基底另一侧连接多芯光纤；光纤阵列或多芯光纤发射光，光经过超构表面单元传播至多芯光纤或光纤阵列中进行耦合。本发明超构表面单元可以调制单根纤芯出射的光场，控制其传播到需要耦合的纤芯，并提高耦合效率；结构简单，厚度很薄，使用方便，可以直接插入到光纤阵列与多芯光纤端面之间，兼容性较高；同时可以通过引入超构表面的不同设计实现耦合效率的提升，并适配不同纤芯数量的多芯光纤。

Description

超构表面多芯光纤扇入扇出器件

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，具体地，涉及超构表面多芯光纤扇入扇出器件。

背景技术

光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输介质的通信方式。光纤的传输容量大、距离远、抗干扰性强、信号衰减小，传输速率远大于电缆和无线电，已成为世界通信中主要传输方式。

随着社会发展和技术进步，人们所需求的信息量增大，目前单芯光纤的传输容量已经接近极限，而多芯光纤能够以空分复用的概念提高单根光纤单位面积上的集成密度是未来的一个重要的光纤发展方向。多芯光纤扇入扇出器件是实现单芯光纤与多芯光纤之间高效耦合的关键器件，传统方法是通过熔融拉锥实现，这样制造的器件体积较大、依赖多根光纤跳线的连接，且成本较高。

超构表面作为一种近年来迅速发展的技术，可以很好的简化复杂的三维光学结构。超构表面是一种通过周期性排列离散的亚波长结构所形成的二维阵列，通过选取合适的材料、改变微结构的结构参数，能够实现对特定波长的电磁波的振幅、相位、偏振等特性的调制。随着例如离子束刻蚀、电子束曝光等微结构的加工工艺已经日趋成熟，超构表面器件的加工精度不断提高，并以其独特的平面结构、极高的调制精度和设计灵活性受到了人们的关注。目前超构表面器件的性能已经能够与传统光学器件媲美，甚至在一些特殊应用场合具有超越传统器件的性能。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超构表面多芯光纤扇入扇出器件。

根据本发明提供的一种超构表面多芯光纤扇入扇出器件，包括超构表面单元、光纤阵列、基底以及多芯光纤，超构表面单元连接于基底上，基底一侧连接光纤阵列，基底另一侧连接多芯光纤；

光纤阵列或多芯光纤发射光，光经过超构表面单元传播至多芯光纤或光纤阵列中进行耦合。

优选的，光纤阵列和多芯光纤均可作为输入端和输出端；

当光纤阵列作为输入端时，多芯光纤为输出端；

当多芯光纤作为输入端时，光纤阵列为输出端。

优选的，超构表面单元包括第一超构表面单元和第二超构表面单元，第一超构表面单元位于基底一侧，第二超构表面单元位于基底另一侧。

优选的，第一超构表面单元与光纤阵列位置适配，第二超构表面单元与多芯光纤位置适配。

优选的，光纤阵列出射光，光经过第一超构表面单元进入基底，基底将光传播至第二超构表面单元，第二超构表面单元将光调制后传播至多芯光纤中进行耦合。

优选的，多芯光纤出射光，光经过第二超构表面单元进入基底，基底将光传播至第一超构表面单元，第一超构表面单元将光调制后传播至光纤阵列中进行耦合。

优选的，光纤阵列和多芯光纤的数量相等或不相等。

优选的，超构表面单元由亚波长微结构在二维周期性排列而成。

优选的，光纤阵列呈任意排布的阵列。

优选的，多芯光纤为任意纤芯数量的多芯光纤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明基于超构表面器件，包含基底和基底两侧的超构表面单元，超构表面单元可以调制单根纤芯出射的光场，控制其传播到需要耦合的纤芯，并提高耦合效率；而超构表面多芯光纤扇入扇出器件无需对现有的光纤阵列和多芯光纤进行重新设计，可以根据市场上已被广泛应用的产品参数进行针对性的设计、制造、加工及大规模流片，具有广泛的适用性；同时，本发明为平面结构，厚度在1毫米左右，应用时可以直接插入光纤阵列与多芯光纤之间，实现方便快捷的集成，不会带来损伤端面的风险，也可以极大减小扇入扇出过程的体积；

(2)本发明中的超构表面，可以通过仿真计算优化得到高性能低损耗的调制效果，并且可以根据实际情况的需要进行灵活、精确的功能设计，以满足在不同场合的应用。另外由于超构表面的调制原理，生产制造过程中误差带来的影响也能够得到降低；因此，采用超构表面的策略加工方便，可以在提高调制精度的同时简化生产制造流程，降低成本；

(3)本发明中的超构表面单元加工在基底两侧，解决了由于光纤纤芯过小无法直接进行精细光场调制的困难，通过两个面上的超构表面单元进行共同调制，可以实现10微米以下的单模光纤纤芯之间的连接；

(4)本发明中的超构表面单元可以采用不同的微结构调制策略，例如采用不同材料以适应不同工作波长下的应用场景；又例如采用各向异性的微结构，可以针对不同的输入偏振状态实现不同的输出响应；也可以采用更加复杂的复合结构实现消色差等更多功能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种超构表面多芯光纤扇入扇出器件的原理示意图，以1*4的光纤阵列到四芯光纤为例；

图2为实施例中由光纤阵列出射到达扇入扇出器件前表面的光场强度分布；

图3为实施例中由光纤阵列出射到达扇入扇出器件前表面的光场强度分布(截面)，单路模场直径为80微米；

图4为实施例中到达扇入扇出器件后表面的光场强度分布；

图5为实施例中到达扇入扇出器件后表面的光场强度分布(截面)，单路模场直径为20微米；

图6为实施例中到达多芯光纤端面的光场强度分布；

图7为实施例中到达多芯光纤端面的光场强度分布(截面)，单路模场直径为9微米；

图8为实施例中扇入扇出器件前表面的超构表面相位分布；

图9为实施例中扇入扇出器件后表面的超构表面相位分布。

图中标号：

第一超构表面单元1、第一超构表面单元2、第一超构表面单元3、第一超构表面单元4，第二超构表面单元包括第二超构表面单元5、第二超构表面单元6、第二超构表面单元7、第二超构表面单元8、光纤阵列9、基底10、多芯光纤11。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

根据本发明提供的一种超构表面多芯光纤扇入扇出器件，如图1所示，包括超构表面单元、光纤阵列9、基底10以及多芯光纤11，超构表面单元连接于基底10上，基底10一侧连接光纤阵列9，基底10另一侧连接多芯光纤11；光纤阵列9和多芯光纤11均可作为输入端和输出端；当光纤阵列9作为输入端时，多芯光纤11为输出端；当多芯光纤11作为输入端时，光纤阵列9为输出端。光纤阵列9和多芯光纤11的数量相等或不相等。光纤阵列9或多芯光纤11发射光，光经过超构表面单元传播至多芯光纤11或光纤阵列9中进行耦合。

如图1所示，以1*4光纤阵列到四芯光纤的耦合过程为例，入射光由光纤阵列9纤芯传播到介质中，接着经过超构表面单元进入基底10，前表面的超构表面单元初步调制使光场指向后表面的对应超构表面单元，后表面的超构表面单元进一步地将光场能量汇聚到多芯光纤11的纤芯中。前后两层超构表面均能起到偏折与会聚的功能。

超构表面单元包括第一超构表面单元和第二超构表面单元，第一超构表面单元位于基底10一侧，第二超构表面单元位于基底10另一侧。第一超构表面单元与光纤阵列9位置适配，第二超构表面单元与多芯光纤11位置适配。第一超构表面单元包括第一超构表面单元1、第一超构表面单元2、第一超构表面单元3以及第一超构表面单元4，第二超构表面单元包括第二超构表面单元5、第二超构表面单元6、第二超构表面单元7以及第二超构表面单元8。

第一超构表面单元1、第一超构表面单元2、第一超构表面单元3以及第一超构表面单元4的直径为127微米，第二超构表面单元5、第二超构表面单元6、第二超构表面单元7以及第二超构表面单元8的直径为50微米。

超构表面单元由亚波长微结构在二维周期性排列而成(通过在基底上刻蚀出具有一定周期性排列的微结构得到)，起到对进入和离开该扇入扇出器件的光信号的调制作用，以获得更好的耦合效果。构成超构表面的微结构单元包括但不限于圆柱结构，可以是满足对工作波长的光波调制需求的其它结构，例如方柱或凹槽等。

光纤阵列9呈任意排布的阵列，例如1*N、M*N等。基底10可以是透明光学玻璃材料，例如熔融石英等。多芯光纤11为任意纤芯数量的多芯光纤，例如二芯、四芯、七芯甚至更多。

超构表面单元可以根据设计参数改变相对位置，或者增加、减少数量以适配不同的纤芯数目。每组需要连接的纤芯对应了一组超构表面单元，分别位于两个表面，一个输入端可以对应包括但不限于唯一的输出端。

工作原理：光纤阵列9出射光，光经过第一超构表面单元进入基底10，基底10将光传播至第二超构表面单元，第二超构表面单元将光调制后传播至多芯光纤11中进行耦合。或者，多芯光纤11出射光，光经过第二超构表面单元进入基底10，基底10将光传播至第一超构表面单元，第一超构表面单元将光调制后传播至光纤阵列9中进行耦合。

更为具体的，该实施例中的超构表面器件采用的微结构为圆柱形，材质为非晶硅，高度为650纳米，周期为600纳米。根据相位分布在对应位置摆放具有相应相位延迟的高透过率微结构(相位分布见图8、图9)。可参考的加工流程如下，首先在基板10底部沉积所需厚度的硅，然后在硅薄膜上涂光刻胶，使用电子束曝光在光刻胶上刻蚀出图形，经显影、定影等步骤后，继续沉积一定厚度的保护层，最后通过干法刻蚀将图形转移到硅上。

如图2-3所示，由光纤阵列9出射到达扇入扇出器件前表面的光场强度分布为扩散后的高斯强度分布，控制光纤阵列到前表面的距离使单根光纤纤芯11的能量落在一个超构表面单元中。如图4-5所示，到达扇入扇出器件后表面的光场强度已经初步符合多芯光纤11的纤芯位置分布，模场大小减小到20微米。如图6-7所示，经过后表面的调制，到达多芯光纤11端面的光场强度符合多芯光纤11端面的强度分布，此时获得高耦合效率，约为84.5％。如图8-9所示，为超构表面器件的相位分布，可通过将经过表面后所期望的复振幅于入射复振幅作商后取相位角后得到。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种超构表面多芯光纤扇入扇出器件，其特征在于，包括超构表面单元、光纤阵列(9)、基底(10)以及多芯光纤(11)，所述超构表面单元连接于所述基底(10)上，所述基底(10)一侧连接所述光纤阵列(9)，所述基底(10)另一侧连接所述多芯光纤(11)；

所述光纤阵列(9)或所述多芯光纤(11)发射光，光经过所述超构表面单元传播至所述多芯光纤(11)或所述光纤阵列(9)中进行耦合。

2.根据权利要求1所述的超构表面多芯光纤扇入扇出器件，其特征在于，所述光纤阵列(9)和所述多芯光纤(11)均可作为输入端和输出端；

当所述光纤阵列(9)作为输入端时，所述多芯光纤(11)为输出端；

当所述多芯光纤(11)作为输入端时，所述光纤阵列(9)为输出端。

3.根据权利要求2所述的超构表面多芯光纤扇入扇出器件，其特征在于，所述超构表面单元包括第一超构表面单元和第二超构表面单元，所述第一超构表面单元位于所述基底(10)一侧，所述第二超构表面单元位于所述基底(10)另一侧。

4.根据权利要求3所述的超构表面多芯光纤扇入扇出器件，其特征在于，所述第一超构表面单元与所述光纤阵列(9)位置适配，所述第二超构表面单元与所述多芯光纤(11)位置适配。

5.根据权利要求4所述的超构表面多芯光纤扇入扇出器件，其特征在于，所述光纤阵列(9)出射光，光经过所述第一超构表面单元进入所述基底(10)，所述基底(10)将光传播至所述第二超构表面单元，所述第二超构表面单元将光调制后传播至所述多芯光纤(11)中进行耦合。

6.根据权利要求4所述的超构表面多芯光纤扇入扇出器件，其特征在于，所述多芯光纤(11)出射光，光经过所述第二超构表面单元进入所述基底(10)，所述基底(10)将光传播至所述第一超构表面单元，所述第一超构表面单元将光调制后传播至所述光纤阵列(9)中进行耦合。

7.根据权利要求1所述的超构表面多芯光纤扇入扇出器件，其特征在于，所述光纤阵列(9)和所述多芯光纤(11)的数量相等或不相等。

8.根据权利要求1所述的超构表面多芯光纤扇入扇出器件，其特征在于，所述超构表面单元由亚波长微结构在二维周期性排列而成。

9.根据权利要求1所述的超构表面多芯光纤扇入扇出器件，其特征在于，所述光纤阵列(9)呈任意排布的阵列。

10.根据权利要求1所述的超构表面多芯光纤扇入扇出器件，其特征在于，所述多芯光纤(11)为任意纤芯数量的多芯光纤。

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