CN116224475B - 光转换器及光转换系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光转换器及光转换系统。光转换器包括一个或多个超表面组件。超表面组件包括多个像素。多个像素中的每一个内分布有多个超表面单元，其中，至少一个像素内的多个超表面单元非周期性布置。所述像素具有对应的调制相位等级，至少存在三个调制相位等级，其最大调制相位差小于2π/N，其中N为相位等级数，且N大于等于4。通过超表面组件的设置，工艺简单，稳定性好，能够进行多芯光纤的扇入扇出、光模式复用、光模式功率分配。非周期性地布置超表面单元提高了设计自由度，能够根据需求拓展带宽。较小的调制相位差使得相位分布更加平滑，便于加工。

Description

光转换器及光转换系统

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光转换器及光转换系统。

背景技术

光转换器是光通信中的重要装置，能够完成模分复用、模式轮循、功率分配、扇入扇出等功能。多芯光纤是空分复用技术中增加信道容量的重要方法，其具有高集成度的优点，在数据中心、大数据无源光网络等方面具有良好的应用前景。光转换器中的扇入扇出装置能够实现单模光纤束与多芯光纤之间的连接，是多芯光纤各项应用的关键器件。目前实现扇入扇出的方法有熔融拉锥法、3D激光直写法、空间光透镜耦合法等。但是，随着光纤芯数量的增加，这些方法或因工艺难以实现、或损耗高、或稳定性低。

因此，有必要提供一种改进的光转换器及光转换系统以解决上述问题。

发明内容

本申请提供一种能工艺简单，稳定性好的光转换器及光转换系统。

本申请公开了一种光转换器，包括一个或多个超表面组件；连接端所述超表面组件包括多个像素；所述多个像素中的每一个内分布有多个超表面单元；其中，至少一个所述像素内的所述多个超表面单元非周期性布置；所述像素具有对应的调制相位等级，至少存在三个调制相位等级，其最大调制相位差小于2π/N，其中N为相位等级数，且N大于等于4。

进一步地，所述多个像素包括非周期像素；所述非周期像素被分为多个超表面区域；所述多个超表面区域中的每一个内设有一个所述超表面单元；相邻的所述超表面区域内的所述超表面单元之间存在距离，所述距离的数值不等。

进一步地，所述像素为多边形；所述像素的数量共计为Q；所述像素的顶点数量共计为V；所述像素的边的数量共计为E；满足V-E+Q＝1。

进一步地，所述多个像素包括两个所述非周期像素，其中一个的所述距离平均值为L，另一个的所述距离的平均值大于等于L/5，小于等于5L。

进一步地，所述超表面区域至少为两个；所述超表面单元的数量至少为两个。

进一步地，所述非周期像素内，所述超表面单元靠近或远离所述非周期像素的中心设置。

进一步地，所述超表面单元包括基底与设于基底上的微纳结构；所述微纳结构为柱体或孔洞；所述微纳结构为柱体时，其高度大于等于λ/4小于等于100λ；所述微纳结构为孔洞时，其深度大于等于λ/4小于等于100λ；其中，λ为工作波长。

进一步地，所述超表面单元包括基底与设于基底上的微纳结构，所述微纳结构为旋转对称结构，其旋转对称角度为360°/N，其中N为大于等于4的整数。

进一步地，所述多个超表面组件至少两个的面积不同；最大面积的超表面组件与最小面积超表面组件的比值大于1，小于等于118。

进一步地，所述超表面组件平行排列；相邻所述超表面组件的距离大于1mm，小于等于100mm。

进一步地，所述超表面组件排列在相同平面上；所述光转换器还包括反射镜；所述反射镜与所述超表面组件对向设置。

进一步地，所述超表面组件中心之间的距离大于0mm，小于等于50mm。

本申请还公开了一种光转换系统，包括单模光纤束或激光器、一对连接端、光探测器或多芯光纤或少模光纤、透镜以及如上述的光转换器。

进一步地，所述单模光纤束与所述多芯光纤各自连接一个所述连接端，所述单模光纤束呈阵列排布；相邻所述单模光纤束的距离大于等于50μm，小于等于1000μm。

进一步地，所述多芯光纤为同质多芯光纤；所述多芯光纤包括多根纤芯；所述多根纤芯中的最小直径大于2μm。

进一步地，所述多芯光纤为异质多芯光纤；所述多芯光纤包括多根纤芯；所述多根纤芯中的最小直径大于2μm；所述多根纤芯中的最大直径与最小直径的比值大于1，小于等于10。

上述光转换器及光转换系统，通过设置多个超表面组件，能够完成多芯光纤的扇入扇出，工艺简单、稳定性好。非周期性地布置超表面单元，提高了设计的自由度，能够根据需求拓展带宽。较小的调制相位差使得相位分布更加平滑，便于加工。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本说明书的实施例，并与说明书一起用于解释本说明书的原理。

图1是本申请扇入扇出系统的示意图。

图2是图1中超表面组件的示意图。

图3是另一实施例下光转换器的部分示意图。

图4是图2中非周期像素的示意图。

图5是图2中非周期像素的立体示意图。

图6是图2中周期像素的示意图。

图7是一种实施例中非周期像素的示意图。

图8是一种实施例中输入光场的示意图。

图9是一种实施例中输出光场的示意图。

图10是一种实施例中超表面组件的工作函数图。

图11是一种实施例中两种像素的立体示意图。

图12是一种实施例中的输出光场的示意图。

附图标号说明：连接端、10；单模光纤束、101；多芯光纤、102；超表面组件、20；像素、200；非周期像素、201；周期像素、202；超表面单元、21；超表面区域、211；基底、212；微纳结构、213；透镜、30；距离、40；横向距离、41；纵向距离、42；反射镜、50。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本说明书相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本说明书的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本说明书使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明书。在本说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本说明书可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

接下来对本说明书实施例进行详细说明。

如图1所示，本申请光转换器包括一种光转换器，包括一个或多个超表面组件20。超表面组件20包括多个像素200。多个像素200中的每一个内分布有多个超表面单元21。其中，至少一个所述像素200内的所述多个超表面单元21非周期性布置。

本申请的光转换器可用于进行模分复用、模式轮循、功率分配、扇入扇出等功能，本实施例中，光转换器进行扇入扇出的功能。

单模光纤束101中的光场通过超表面组件20发生相位、振幅及偏振等变化，最后传输至多芯光纤102中，实现多芯光纤102的扇入与扇出。

由于超表面组件20的加工技术已经较为成熟，所以采用超表面组件20进行多芯光纤的扇入扇出具有工艺简单、稳定性高等优点。该装置能够支持19芯、37芯甚至上百芯等芯数较多的多芯光纤的扇入扇出，并且能实现同质多芯光纤或异质多芯光纤的扇入扇出。

连接端10与超表面组件20之间还设有透镜30，用于光路准直。

本申请光转换系统包括单模光纤束101或激光器、一对连接端10、光探测器或多芯光纤102或少模光纤、透镜以及上述的光转换器。光探测器包括CCD(电荷耦合器件)、光束分析仪。单模光纤束101或激光器或透镜与连接端10相连用于输入。光探测器或多芯光纤102或少模光纤或透镜与连接端10相连用于输出。在一些工作条件下，输入和输出可以互换。

单模光纤束101与多芯光纤102各自连接一个连接端10，单模光纤束101呈阵列排布。单模光纤束101可在玻璃基板或连接器套圈上以矩阵或圆形布局并排排列，有利于光场的变换。单模光纤束101的距离大于等于50μm，小于等于1000μm，可根据工作需求进行选择。

多芯光纤102可为同质多芯光纤或异质多芯光纤。多芯光纤102包括多根纤芯103。同质光纤的光纤纤芯直径、折射率、材料相同。异质光纤的光纤纤芯直径、折射率、材料至少一项不同。

同质多芯光纤中，多根纤芯103中的最小直径大于2μm。异质多芯光纤中，多根纤芯103中的最小直径大于2μm。多根纤芯103中的最大直径与最小直径的比值大于1，小于等于10。纤芯103直径的具体的数值可根据工作需求进行选择。

请一并参阅图2所示，超表面组件20包括多个像素200。像素200呈方形。每个像素200内分布有多个超表面单元21。至少一个像素200内的多个超表面单元21非周期性布置。图中示例性地给出了两个像素200内超表面单元21的分布方式，其余像素200中的超表面单元21未示出。通过在像素内非周期性地布置超表面单元21，提高了设计自由度，可根据工作条件拓展带宽。

每个像素200具有一定的调制相位，根据调制相位将像素200分类至不同的调制相位等级。像素200具有对应的调制相位等级，至少存在三个像素200的调制相位等级，其最大调制相位差小于2π/N，其中N为相位等级的数量，且N大于等于4。

不同种类的像素200内超表面单元21的分布不同或者超表面单元21的结构参数不同。通过降低像素200之间的相位差，能够使得相位分布更加平滑，便于加工。

多个像素200中包括非周期像素201和周期像素202。非周期像素201内的超表面单元21非周期性分布，周期像素202内的超表面单元21周期性分布。多个超表面组件20中，部分超表面组件20上可以只设置非周期像素201，拓宽工作带宽。部分超表面组件20上可以只设置周期像素202，使得器件偏振不敏感。同时在一个超表面组件20上设置非周期像素201和周期像素202，能够更好的拓宽工作带宽。

超表面组件20中至少两个的面积不同。由于单模光纤束101的光场面积通过超表面组件20不断缩小，通过设计不同大小的超表面组件20，能够节省材料，降低制造成本。

最大面积的超表面组件20与最小面积超表面组件20的比值大于1，小于等于118，可根据工作需求选择超表面组件20的数量与面积之比。

超表面组件20平行排列。相邻超表面组件20的距离大于1mm，小于等于100mm，可根据工作需求进行选择。光经过超表面组件20的透射，改变其振幅、相位、偏振等。透射式的工作模式，使得超表面组件20能沿其厚度方向进行排布，降低了光转换器的体积。

超表面组件20之间、超表面组件20与单模光纤束101之间、超表面组件20与多芯光纤102之间的连接方式均为自由空间光耦合，即直接放在空气中，工艺简便。超表面组件20之间也可使用二氧化硅连接，能够减小光在超表面组件20与空气上的反射。

如图3所示，在另一个实施例中，光转换器还包括反射镜50，光转换器的工作模式为反射式。超表面组件20排列在相同平面上，超表面组件20中心之间的距离大于0mm，小于等于50mm，可根据工作需求进行选择。

反射镜50与超表面组件20对向设置。光经过超表面组件20后发生反射，光路传递至反射镜50后再进行反射，传递至下一个超表面组件20上，经过多次反射，传递光信息。在反射式的工作模式下，超表面组件20在同一个零件上进行加工，工艺简便。

如图4所示，非周期像素201被分为多个超表面区域211。每个超表面区域211内设有一个所述超表面单元21。相邻的超表面区域211内的超表面单元21之间存在距离40，距离40的数值不等。通过距离40不等，以非周期性地布置超表面单元21。非周期像素201内，超表面单元21靠近或远离非周期像素201的中心设置。

超表面区域211数量为四个，呈方形阵列分布。超表面单元21的数量为4个，每个超表面区域211内均设有一个超表面单元21。超表面单元21位于所述非周期像素201的对角线上。将超表面单元21沿对角线布置，可以根据需求在对角线上移动超表面单元21，改变距离40，简化设计。

距离40包括横向相邻的超表面单元21之间沿横向存在的横向距离41与纵向相邻的超表面单元21之间沿纵向存在的纵向距离42。横向距离41即为图4中的L3以及L4。纵向距离42即为图4中的L1以及L2。距离40不等指的是，横向距离41的数值与纵向距离42的数值构成的集合中，至少两个数值不相等。即图4中的L1、L2、L3以及L4中至少两个不相等。

在其他实施例中，像素200为任意多边形。像素200的数量共计为Q，像素200的顶点数量共计为V，像素200的边的数量共计为E，满足V-E+Q＝1。

超表面区域211的数量可以为任意个。超表面区域211分布方式不限，可以为非阵列分布等。超表面单元21的数量也可以为任意个，其分布在非周期像素201上的任意位置。距离40不限于横向方向或纵向方向，满足超表面单元21非周期性布置即可。

多个像素200包括两个非周期像素201，其中一个的距离40平均值为L，另一个的距离40平均值大于等于L/5，小于等于5L。在该长度范围内，能够最大程度优化光信息的传递。

如图5所示，超表面单元21包括基底212与设于基底212上的微纳结构213。微纳结构213可以为柱体或孔洞。微纳结构213为柱体时，其高度大于等于λ/4小于等于100λ。微纳结构213为孔洞时，其深度大于等于λ/4小于等于100λ。其中，λ为工作波长。微纳结构213的材料包括硅、氮化硅、锗、二氧化钛、石英玻璃、金、银、铜、液晶、氧化铟锡或铌酸锂中的至少一种。

图示为非周期像素201上的微纳结构213，周期像素202上超表面单元21的结构与非周期像素201相同，也可为柱体或孔洞，也满足上述数值范围。在该数值范围内，超表面单元21能更好地改变光的相位、振幅、偏振等参数。

微纳结构213为旋转对称结构，其旋转对称角度为360°/N，其中N为大于等于4的整数。微纳结构213可为十字形、正方形及回字形等，旋转对称结构能够降低偏振敏感性。

在周期像素202内。超表面单元21靠近所述周期像素202的中心设置。通过将超表面单元21靠近周期像素202的中心，可以降低相邻像素200之间的影响，减小干扰。

如图6所示，在本实施例中，超表面单元21的布置方式为2×2阵列，在原设计的周期基础上往周期像素202的中间靠拢。在其他实施例中，超表面单元21的布置方式也可为3×3阵列、4×4阵列等。在偶数阵列下，超表面单元21均在原设计的周期基础上往周期像素202的中间靠拢。在奇数阵列下，中心的超表面单元21不动，四周的超表面单元21向中心靠拢。

如图7所示，在一个像素200内，也可通过将部分的超表面单元21向中心单元移动，以进行非周期像素201内超表面单元21的布置。即在原设计的阵列布置下，部分超表面单元21向像素200的中心靠拢。图示中的超表面单元21以3×3阵列布置，其对角位置、垂直位置和水平位置中各一个超表面单元21向非周期像素201的中心移动。

对于偶数阵列，部分超表面单元21向像素200中心靠拢。对于奇数阵列，相对于中心的超表面单元21，可以是对角位置的超表面单元21向中心的超表面单元21靠拢，垂直位置和水平位置的超表面单元21不移动。也可以是对角位置超表面单元不移动，垂直位置和水平位置的超表面单元21向像素200的中心移动，具体的移动方式不限。

在一种实施例中，单模光纤束101的光经过自由空间传播到第一个超表面组件20，超表面组件20之间及最后一个超表面组件20到多芯光纤102端面的光场传输模型为无近似的瑞利-索墨菲模型，本实施例的超表面组件20通过相位调制来操纵光场。图8为输入光场，图9为输出光场。

本发明的多芯光纤102可为19芯异质光纤，19芯光纤有3种类型的功能纤芯，模场直径分别为5μm、24μm和25μm，纤芯间距为56μm。单模光纤束101以正六边形布置，其模场直径为10μm，阵列间距为180μm。

单模光纤束101与第一个超表面组件20的距离为5mm，相邻超表面组件20的距离为15mm，多芯光纤102与最后一个超表面组件20之间的距离为5mm。多芯光纤102的横向面积为单模光纤束101的1/59。超表面组件20的数量为5个，其分辨率自单模光纤束101至多芯光纤102逐渐减小，分辨率依次为1100×1100、1000×1000、900×900、800×800、700×700，一个像素的面积为1.5×1.5μm²。

在一种实施例中，超表面组件20上分布着同时分布着周期像素202和非周期像素201，非周期像素201可以帮助提高超表面组件的波长不敏感性。

首先根据相位匹配法和瑞利-索墨菲模型，迭代计算出每个超表面组件20的二维相位分布，相位范围为[0,2π)，将其平均划分为15分，取中间值作为设计超表面单元21的相位等级，选用硅作为微纳结构213的材料，二氧化硅作为基底212，设计扇入扇出的带宽为1530-1625nm。

首先排布周期像素202，设计目标为寻找15个超表面单元，特征是其对应的波长-相位曲线希望是相邻曲线之间的垂直距离相同的15条平行线。通过扫描超表面单元21中心与像素200中心的距离、微纳结构213的长、宽和高，找到了如图10中15条实线所对应的微纳结构。

但为了避免谐振效应，即相位在某一个波长处陡然升高或下降，找到相邻平行线之间垂直距离相同的微纳结构213比较困难，例如在图9中做圆圈标记的实线，为了避免谐振，向下方移动，导致非常靠近下方的平行线，这会降低相位分布的平滑度，不易加工。

但是通过破坏掉该像素200内超表面单元21的周期性，增加超表面单元21之间中心距离的可优化变量，即通过排布非周期像素201，找出了有着图9中虚线对应的超表面单元，作为该标记中实线对应超表面单元的替代，使得在不同波长处，超表面组件的每个像素200与像素200之间的相位差更加恒定，改善了光转换器的波长不敏感性。

超表面单元的结构参数如表1所示。对于结构参数a与结构参数b，当微纳结构213为正方形结构，结构参数a和结构参数b为正方形的边长，具体参图11所示。

表1

在一种实施例中，光转换器进行10个LP模式复用。单模光纤束101的光经过多个超表面组件20传递至少模光纤端面。单模光纤束101与第一个超表面组件20之间、多个超表面组件20之间以及最后一个超表面组件20以及少模光纤之间为自由空间光耦合。

作为模式复用器时，单模光纤束101的模场作为输入以透射式经过10个超表面组件20的相位调制后，变换为多个正交的线性偏振的模式(Linearly Polarized Mode，LP)，完成后经过连接端10空间耦合进入少模或多模光纤中继续传输或输出。相比于其它模式复用/转换器，该方案的体积小、模式串扰相对较低。模式复用的输出光斑图如图12所示。其衰减为3.5dB，模式差异损耗为0.5dB，串扰为-16dB。此方案能达到相对较小的模式差异损耗和衰减。设计参数如表2所示。

表2

作为功分器时，每一个模式经过单模光纤束101进入功分器，经过超表面组件20的多次调制实现模式能量再分配，从而使输出各模式能量相等。

在本实施例中，例举一种六模功率均分器，六模功分器的输入矩阵为[LP₀₁LP_1aLP_11b LP_21a LP_21b LP₀₂],根据随机幺正矩阵产生的过程，得到传输矩阵为：

得到的功分效果如表3所示。

表3

此方案可用于有模式差异损耗或模式增益差的传输链路中，用于均衡各通道的能量和信号增益。可以降低噪声，增强Q值。降低DSP算法复杂度，便于连接少模光纤。相比于三维波导、光栅、拉锥等，本方案便于与少模光纤共同使用。

以上所述仅是本申请的较佳实施方式而已，并非对本申请做任何形式上的限制，虽然本申请已以较佳实施方式揭露如上，然而并非用以限定本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本申请技术方案的范围内。

Claims (16)

1.一种光转换器，其特征在于，包括：一个或多个超表面组件；所述超表面组件包括多个像素；所述多个像素中的每一个内分布有多个超表面单元；其中，至少一个所述像素内的所述多个超表面单元非周期性布置；所述像素具有对应的调制相位等级，至少存在三个调制相位等级，其最大调制相位差小于2π/N，其中N为相位等级数，且N大于等于4；至少两个所述超表面组件的面积不同。

2.根据权利要求1所述的光转换器，其特征在于，所述多个像素包括非周期像素；所述非周期像素被分为多个超表面区域；所述多个超表面区域中的每一个内设有一个所述超表面单元；相邻的所述超表面区域内的所述超表面单元之间存在距离，所述距离的数值不等。

3.根据权利要求2所述的光转换器，其特征在于，所述像素为多边形；所述像素的数量共计为Q；所述像素200的顶点数量共计为V；所述像素的边的数量共计为E；满足V-E+Q＝1。

4.根据权利要求3所述的光转换器，其特征在于，所述多个像素包括两个所述非周期像素，其中一个的所述距离平均值为L，另一个的所述距离的平均值大于等于L/5，小于等于5L。

5.根据权利要求3所述的光转换器，其特征在于，所述超表面区域至少为两个；所述超表面单元的数量至少为两个。

6.根据权利要求2所述的光转换器，其特征在于，所述非周期像素内，所述超表面单元靠近或远离所述非周期像素的中心设置。

7.根据权利要求2-6任一项所述的光转换器，其特征在于，所述超表面单元包括基底与设于基底上的微纳结构；所述微纳结构为柱体或孔洞；所述微纳结构为柱体时，其高度大于等于λ/4小于等于100λ；所述微纳结构为孔洞时，其深度大于等于λ/4小于等于100λ；其中，λ为工作波长。

8.根据权利要求6所述的光转换器，其特征在于，所述超表面单元包括基底与设于基底上的微纳结构，所述微纳结构为旋转对称结构，其旋转对称角度为360°/N，其中N为大于等于4的整数。

9.根据权利要求1所述的光转换器，其特征在于，最大面积的超表面组件与最小面积超表面组件的比值大于1，小于等于118。

10.根据权利要求1所述的光转换器，其特征在于，所述超表面组件平行排列；相邻所述超表面组件的距离大于1mm，小于等于100mm。

11.根据权利要求1所述的光转换器，其特征在于，所述超表面组件排列在相同平面上；所述光转换器还包括反射镜；所述反射镜与所述超表面组件对向设置。

12.根据权利要求11所述的光转换器，其特征在于，所述超表面组件中心之间的距离大于0mm，小于等于50mm。

13.一种光转换系统，其特征在于，包括：单模光纤束或激光器、一对连接端、光探测器或多芯光纤或少模光纤、透镜以及如权利要求1-12任一项所述的光转换器。

14.根据权利要求13所述的光转换系统，其特征在于，所述单模光纤束与所述多芯光纤各自连接一个所述连接端，所述单模光纤束呈阵列排布；相邻所述单模光纤束的距离大于等于50μm，小于等于1000μm。

15.根据权利要求14所述的光转换系统，其特征在于，所述多芯光纤为同质多芯光纤；所述多芯光纤包括多根纤芯；所述多根纤芯中的最小直径大于2μm。

16.根据权利要求14所述的光转换系统，其特征在于，所述多芯光纤为异质多芯光纤；所述多芯光纤包括多根纤芯；所述多根纤芯中的最小直径大于2μm；所述多根纤芯中的最大直径与最小直径的比值大于1，小于等于10。