CN121328126A - 一种相位芯片优化设计方法及级联透射式波分复用器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及波分复用器技术领域，更具体地，涉及一种相位芯片优化设计方法及级联透射式波分复用器。复用器通过级联设置的透射式相位芯片，入射光依次透射过若干相位芯片，每经过一个相位芯片就能够经过一次整形，最终光束被整形为所需模式的光束，每个相位芯片上只有一个相位结构，可以清晰的看到光束经过每个相位芯片之后的光斑，相位结构通过相位优化设计方法进行设计，由于每个相位芯片都能清洗看到透射后的光斑，在调试的时候，只需要逐个复用相位芯片，确认每个相位芯片的输出模式没有问题，则最终输出复用器的模式也是正常的；这样极大提高实验的效率，降低了调试的难度。

Description

一种相位芯片优化设计方法及级联透射式波分复用器

技术领域

本申请涉及波分复用器技术领域，更具体地，涉及一种相位芯片优化设计方法及级联透射式波分复用器。

背景技术

反射式复用器是一种用于光通信系统的无源器件，其基本功能是通过反射特定波长的光信号，实现多个不同波长光信号在同一根光纤中的双向传输，从而提升光纤的利用效率。这种设备通常利用薄膜滤光片技术，在终端节点同时完成上行信号的发送和下行信号的接收，简化了系统结构，降低了设备复杂度和成本。目前，反射式复用器在光纤接入网、5G前传等中短距离通信场景中得到了广泛应用，特别是在无源光网络中，其低成本、高可靠性的特点使其成为主流技术之一。然而，反射式复用器也存在一定局限性，例如插入损耗较高、通道隔离度有限，且在支持超高速率传输或大量波长通道时性能受限。随着光通信技术的发展，反射式复用器正朝着更高集成度和更低损耗的方向演进，并与其他技术如硅光集成相结合，以应对未来高速率、大容量的通信需求。总体而言，反射式复用器凭借其独特的功能优势，在光通信领域仍占据重要地位，并在不断优化中拓展其应用场景。

但是，反射式复用器仍然存在以下缺陷：（1）损耗不可控，光束在反射镜和相位芯片之间进行折返，如此，入射角度、反射镜表面反射率、相位芯片表面反射率以及空间的洁净度共同限制了输出模式的损耗；（2）稳定性差：因为反射镜和相位芯片是一个整体，在使用时，轻微的震动导致反射镜或者相位芯片的角度发生一个微小变化则会导致整体的光路发生变化，从而导致最后的输出模式变差，因为所有的相位结构都在一个相位芯片上，所以，只能看到经过所有相位结构之后最终的模式；（3）实验难度大：因为入射光的光路是确定的，所以在实验调试时的精度要求也是极高的，并且在实验时，相位如果有一个极小的倾斜，也是不易察觉的，但是这个极小的偏斜会导致最后的实验失败。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术反射式复用器存在输出模式变差、不稳定、入射角度难控制等的不足，提供一种级联透射式波分复用器，能够有效提升器件的稳定性，便于调试；另一方面，本发明还提供一种相位芯片优化设计方法，能够有效降低器件损耗。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种相位芯片优化设计方法，相位芯片用于实现高阶LP模式和输入高斯光束之间的转换；包括以下步骤：

S1. 确定设计参数：包括确定输入输出模式、相位芯片的数量、以及相位芯片之间的间距；

S2. 初始化相位芯片；

S3. 建立优化目标函数OBF：

式中，E _f是正向光场，E _b是逆向光场，表示复共轭；OBF表示正向模式和逆向模式之间的耦合效率；

S4. 迭代优化：使用波前匹配方法更新相位芯片，不断迭代更新相位芯片，并计算OBF值，直到OBF值达到预设的收敛条件。

进一步地，所述步骤S2包括：使用光线传播理论计算高斯光束阵列到LP模式的正向传播；使用光线传播理论计算LP模式到高斯光束阵列的逆向传播；将正向传播和逆向传播的结果叠加，得到初始相位芯片的相位分布。

进一步地，所述波前匹配方法表示为：

式中，表示相位分布，表示正向传播的相位分布，表示逆向传播的相位分布。

进一步地，相位分布通过以下方式计算得到：

式中，表示相位分布，表示折射率变化，d表示光刻深度，λ表示光波长。

进一步地，所述预设收敛条件包括：正向模式和逆向模式之间的耦合效率OBF达到最大值。

进一步地，还包括：通过优化相位分布，使不同模式的模式依赖损耗趋于一致，模式依赖损耗MDL通过以下公式计算：

式中，表示模式i的功率；表示模式j的功率。

本发明还提供一种级联透射式波分复用器，包括若干透射式相位芯片、用于夹持相位芯片的壳体、光纤阵列以及耦合器；所述壳体具有用于光束穿过的通道，若干相位芯片间隔、相互平行设于壳体的通道内，所述光纤阵列发射的入射依次透射过若干相位芯片，入射光每经过一个相位芯片经过一次整形，透射过若干相位芯片后，光束被整形为所需模式的光束，最终经所述耦合器整合输出；所述相位芯片上分布有相位结构，所述相位芯片上的相位结构通过以上所述的优化设计方法得到。

本发明的一种级联透射式波分复用器，通过级联设置的透射式相位芯片，入射光依次透射过若干相位芯片，每经过一个相位芯片就能够经过一次整形，最终光束被整形为所需模式的光束，如HG、LG、OAM等模式的光束；在本发明中，每个相位芯片上只有一个相位结构，可以清晰的看到光束经过每个相位芯片之后的光斑，可以根据需求进行设计每个相位芯片的相位结构，由于每个相位芯片都能清洗看到透射后的光斑，这样在调试的时候，只需要逐个复用相位芯片，确认每个相位芯片的输出模式没有问题，则最终输出复用器的模式也是正常的；这样极大提高实验的效率，降低了调试的难度。

进一步地，所述入射光垂直射入相位芯片。入射光垂直入射，各个相位芯片之间又是相互平行设置，这样入射光垂直经过每一个相位芯片，不会产生斜入射带来的损耗，从而在一定程度上降低了损耗。

进一步地，每个相位芯片上设置一个相位结构。每个相位芯片上仅设置一个相位结构，因此可以缩小光纤阵列每个通道的间距，间距缩小，则对应的光束张角也会更小，其模式也能够更加集中，可以显著提高隔离度。

进一步地，所述相位芯片通过无掩膜灰度光刻方法制备得到。本发明采用无掩模灰度光刻技术，通过提高相位掩模的步数（128步）和优化相位分布，使相位调制更接近理想连续相位，从而显著提高转换效率，降低插入损耗和模式串扰。

进一步地，在所述通道的侧壁上安装有若干卡槽，若干所述卡槽间隔设置，所述相位芯片可拆卸安装在所述卡槽中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的一种相位芯片优化设计方法及级联透射式波分复用器，复用器通过级联设置的透射式相位芯片，入射光依次透射过若干相位芯片，每经过一个相位芯片就能够经过一次整形，最终光束被整形为所需模式的光束，每个相位芯片上只有一个相位结构，可以清晰的看到光束经过每个相位芯片之后的光斑，相位结构通过相位优化设计方法进行设计，由于每个相位芯片都能清洗看到透射后的光斑，这样在调试的时候，只需要逐个复用相位芯片，确认每个相位芯片的输出模式没有问题，则最终输出复用器的模式也是正常的；这样极大提高实验的效率，降低了调试的难度。

附图说明

图1为一种相位芯片优化设计方法的流程示意图；

图2为一种级联透射式波分复用器的结构示意图。

附图中：1、相位芯片；2、壳体；3、光纤阵列；4、耦合器；5、卡槽。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

实施例一

本实施例为一种相位芯片1优化设计方法的实施例，相位芯片1用于实现高阶LP模式和输入高斯光束之间的转换；如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1. 确定设计参数：包括确定输入输出模式、相位芯片1的数量、以及相位芯片1之间的间距。

输入输出模式：根据实际应用需求，选择合适的 LP 模式作为输入和输出模式。例如，可以选择 LP01、LP11a、LP11b 和 LP21 等模式。

相位芯片1数量：相位芯片1数量决定了 MPLC 设备的复杂性和转换效率。通常，相位芯片1数量越多，转换效率越高，但设备制造难度也越大，实验难度也越大。

相位芯片1间距：相位芯片1间距会影响光束的传输和衍射，从而影响转换效率。需要根据光束的特性和目标模式选择合适的间距。

步骤S2. 初始化相位芯片1。

正向传播：使用光线传播理论计算高斯光束阵列到 LP 模式的正向传播。通常涉及到计算光束的衍射和干涉。

逆向传播：使用光线传播理论计算 LP 模式到高斯光束阵列的逆向传播。通常涉及到计算模式之间的耦合效率。

叠加：将正向传播和逆向传播的结果叠加，得到初始相位平面。

步骤S3. 建立优化目标函数OBF。

耦合效率OBF 用于评估光场转换效率，通常使用正向和逆向模式之间的耦合效率来衡量。

目标函数OBF可以表示为：

式中，E _f是正向光场，E _b是逆向光场，表示复共轭；OBF表示正向模式和逆向模式之间的耦合效率；

步骤S4. 迭代优化：使用波前匹配方法更新相位芯片1，不断迭代更新相位芯片1，并计算OBF值，直到OBF值达到预设的收敛条件。预设收敛条件包括：正向模式和逆向模式之间的耦合效率OBF达到最大值。

波前匹配：使用波前匹配方法更新相位平面，即正向光场的共轭传播与逆向光场传播的叠加；所述波前匹配方法表示为：

式中，表示相位分布，表示正向传播的相位分布，表示逆向传播的相位分布。

相位分布通过以下方式计算得到：

式中，表示相位分布，表示折射率变化，d表示光刻深度，λ表示光波长。传统多步刻蚀技术通常只能实现 8 步相位，本实施例采用的无掩模灰度光刻技术通过单次曝光实现了 128 步相位，相位分布更接近理想连续相位。步数越多，相位分布越平滑，衍射和散射引起的损耗越小。

在本发明中，还包括：通过优化相位分布，使不同模式的模式依赖损耗趋于一致，模式依赖损耗MDL通过以下公式计算：

式中，表示模式i的功率；表示模式j的功率。

在本实施例中，通过波前匹配算法最大化正向和逆向模式之间的耦合效率，降低插入损耗和模式串扰；通过优化相位分布，使不同模式的转换效率趋于一致，进一步降低整体损耗。

本实施例基于波前匹配方法，通过优化多个相位芯片1上的相位分布来实现高效率的光束转换。设计过程涉及到确定输入输出模式、相位平面数量和间距，初始化相位平面，建立优化目标函数，以及迭代优化等步骤。无掩模灰度光刻技术能够精确控制相位分布，从而实现高精度的 MPLC LP 模式复用器制造。

实施例二

本实施例为一种级联透射式波分复用器的第一实施例，如图2所示，包括若干透射式相位芯片1、用于夹持相位芯片1的壳体2、光纤阵列3以及耦合器4；所述壳体2具有用于光束穿过的通道，若干相位芯片1间隔、相互平行设于壳体2的通道内，所述光纤阵列3发射的入射依次透射过若干相位芯片1，入射光每经过一个相位芯片1经过一次整形，透射过若干相位芯片1后，光束被整形为所需模式的光束，最终经所述耦合器4整合输出；所述相位芯片1上分布有相位结构，所述相位芯片1上的相位结构通过实施例一所述的优化设计方法得到。

在本实施例中，所述入射光垂直射入相位芯片1。入射光垂直入射，各个相位芯片1之间又是相互平行设置，这样入射光垂直经过每一个相位芯片1，不会产生斜入射带来的损耗，从而在一定程度上降低了损耗。

在本实施例中，每个相位芯片1上设置一个相位结构。每个相位芯片1上仅设置一个相位结构，因此可以缩小光纤阵列3每个通道的间距，间距缩小，则对应的光束张角也会更小，其模式也能够更加集中，可以显著提高隔离度。

在本实施例中，所述相位芯片1通过无掩膜灰度光刻方法制备得到。本发明采用无掩模灰度光刻技术，通过提高相位掩模的步数（128步）和优化相位分布，使相位调制更接近理想连续相位，从而显著提高转换效率，降低插入损耗和模式串扰。

本实施例的一种级联透射式波分复用器，通过级联设置的透射式相位芯片1，入射光依次透射过若干相位芯片1，每经过一个相位芯片1就能够经过一次整形，最终光束被整形为所需模式的光束，如HG、LG、OAM等模式的光束；在本发明中，每个相位芯片1上只有一个相位结构，可以清晰的看到光束经过每个相位芯片1之后的光斑，可以根据需求进行设计每个相位芯片1的相位结构，由于每个相位芯片1都能清洗看到透射后的光斑，这样在调试的时候，只需要逐个复用相位芯片1，确认每个相位芯片1的输出模式没有问题，则最终输出复用器的模式也是正常的；这样极大提高实验的效率，降低了调试的难度。

实施例三

本实施例为一种级联透射式波分复用器的第二实施例，本实施例与实施例一类似，所不同之处在于，在所述通道的侧壁上安装有若干卡槽5，若干所述卡槽5间隔设置，所述相位芯片1可拆卸安装在所述卡槽5中。通过在通道中设计卡槽5，方便相位芯片1的安装和拆卸。

在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相位芯片优化设计方法，其特征在于，相位芯片（1）用于实现高阶LP模式和输入高斯光束之间的转换；包括以下步骤：

S1. 确定设计参数：包括确定输入输出模式、相位芯片（1）的数量、以及相位芯片（1）之间的间距；

S2. 初始化相位芯片（1）；

S3. 建立优化目标函数OBF：

式中，E _f是正向光场，E _b是逆向光场，表示复共轭；OBF表示正向模式和逆向模式之间的耦合效率；

S4. 迭代优化：使用波前匹配方法更新相位芯片（1），不断迭代更新相位芯片（1），并计算OBF值，直到OBF值达到预设收敛条件。

2.根据权利要求1所述的相位芯片优化设计方法，其特征在于，步骤S2包括：使用光线传播理论计算高斯光束阵列到LP模式的正向传播；使用光线传播理论计算LP模式到高斯光束阵列的逆向传播；将正向传播和逆向传播的结果叠加，得到初始相位芯片（1）的相位分布。

3.根据权利要求1所述的相位芯片优化设计方法，其特征在于，所述波前匹配方法表示为：

式中，表示相位分布，表示正向传播的相位分布，表示逆向传播的相位分布。

4.根据权利要求3所述的相位芯片优化设计方法，其特征在于，相位分布通过以下方式计算得到：

式中，表示相位分布，表示折射率变化，d表示光刻深度，λ表示光波长。

5.根据权利要求1至4任一项所述的相位芯片优化设计方法，其特征在于，所述预设收敛条件包括：正向模式和逆向模式之间的耦合效率OBF达到最大值。

6.根据权利要求5所述的相位芯片优化设计方法，其特征在于，还包括：通过优化相位分布，使不同模式的模式依赖损耗趋于一致，模式依赖损耗MDL通过以下公式计算：

式中，表示模式i的功率；表示模式j的功率。

7.一种级联透射式波分复用器，其特征在于，包括若干透射式相位芯片（1）、用于夹持相位芯片（1）的壳体（2）、光纤阵列（3）以及耦合器（4）；所述壳体（2）具有用于光束穿过的通道，若干相位芯片（1）间隔、相互平行设于壳体（2）的通道内，所述光纤阵列（3）发射的入射依次透射过若干相位芯片（1），入射光每经过一个相位芯片（1）经过一次整形，透射过若干相位芯片（1）后，光束被整形为所需模式的光束，最终经所述耦合器（4）整合输出；所述相位芯片（1）上分布有相位结构，所述相位芯片（1）上的相位结构通过权利要求1至6任一项所述的优化设计方法得到。

8.根据权利要求7所述的级联透射式波分复用器，其特征在于，所述入射光垂直射入相位芯片（1）；每个相位芯片（1）上设置一个相位结构。

9.根据权利要求7所述的级联透射式波分复用器，其特征在于，所述相位芯片（1）通过无掩膜灰度光刻方法制备得到。

10.根据权利要求7所述的级联透射式波分复用器，其特征在于，在所述通道的侧壁上安装有若干卡槽（5），若干所述卡槽（5）间隔设置，所述相位芯片（1）可拆卸安装在所述卡槽（5）中。