CN217820971U

CN217820971U - 基于超透镜的光纤适配器

Info

Publication number: CN217820971U
Application number: CN202221954501.XU
Authority: CN
Inventors: 谭凤泽; 朱瑞; 郝成龙; 朱健
Original assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority date: 2022-07-27
Filing date: 2022-07-27
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2032-07-27

Abstract

本公开涉及光纤传输技术领域，具体地，本公开涉及基于超透镜的光纤适配器。本公开所提供的光纤适配器，包括第一超透镜和夹持部，所述夹持部用于将第一超透镜固定于第一光纤端面；所述第一超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；其中，基于结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布，所述第一超透镜配置为：将入射光准直并输入至所述第一光纤。本申请通过夹持部来固定基于超透镜的光纤适配器至光纤之间端口，将超透镜作为贴合光纤入射端的接收光信号的元件，通过其预设的折射方式，使入射光纤的光信号基本平行无色散的进行传输，解决了在增大数值孔径时产生的色散，兼顾了增大数值孔径和抑制色散。

Description

基于超透镜的光纤适配器

技术领域

本公开涉及光纤传输技术领域，具体涉及一种基于超透镜的光纤适配器。

背景技术

光纤传输，即以光导纤维为介质进行的数据，信号等传输。光纤之间大多通过适配器连通，以保证光纤之间传输通畅。

光纤之间传输时，衡量光纤入射角度的参数主要为数值孔径，数值孔径是光纤之间传输中一个重要的参数，数值孔径越大则收集光的能力越强。

目前，现有光纤适配器在增大数值孔径时难以避免的增大了色散，造成通信系统中的信号串扰。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型提供的基于超透镜的光纤适配器解决了上述技术问题。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

提供一种基于超透镜的光纤适配器，包括超透镜和夹持部，所述超透镜至少包括第一超透镜，所述夹持部用于将第一超透镜固定于第一光纤端面；

所述第一超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

其中，基于结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布，所述第一超透镜配置为：将入射光准直并输入至所述第一光纤。

可选地，所述夹持部设置有光阑，所述光阑位于所述入射光光路，并且位于所述第一超透镜的光路上游。

可选地，所述光阑的通光孔与第一超透镜的焦点同轴设置。

可选地，还包括第二超透镜，所述第二超透镜设置于所述夹持部，且能够与第二光纤端部结合，其中，所述第一超透镜和所述第二超透镜相对并且共焦点地设置。

可选地，所述第二超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

其中，基于结构单元与纳米结构的几何参数和/或相位排布，所述第二超透镜配置为：将来自所述焦点的光线准直并输入至第二光纤，或者将所述第二光纤输出的光线会聚至所述焦点。

可选地，所述纳米结构包括纳米柱结构，其中，纳米柱结构为正纳米柱结构、负纳米柱结构、中空纳米柱结构、负中空纳米柱结构和拓扑纳米柱结构中的一种。

可选地，所述光阑的数值孔径NA满足：

其中，θ为所述光阑数值孔径的视场角；

a为光纤的纤芯半径；

f为所述超透镜的焦距。

可选地，所述第一超透镜和所述第二超透镜的共焦点处设置有光阑。

可选地，所述第一光纤为多芯光纤，所述第二光纤为单模光纤；

或者

所述第一光纤为单模光纤，所述第二光纤为多芯光纤。

可选地，所述夹持部用于使所述第一光纤与所述第二光纤同轴设置。

可选地，所述超透镜为惠更斯超透镜。

上述技术方案的有益效果至少包括：通过夹持部固定第一光纤的端部部分，以使第一光纤的端面与第一超透镜贴合；经过第一超透镜调制的光信号为平行光入射第一光纤内部，即使在增大数值孔经的情况下，光信号仍能够以基本平行的方式在第一光纤内传播，从而避免或减少了增大数值孔径时，信号会发生串扰的问题，并且能够抑制色散。

进一步地，通过惠更斯超透镜所构成的第一超透镜和第二超透镜，利用惠更斯超透镜主光线角为0的特点，无论什么角度入射的光，都最终平行入射至纤芯，避免了高阶模式被激发的问题。而且进一步可以通过超透镜焦距的减小，来增大数值孔径。由此，本公开可以兼顾高数值孔径和低模式色散。

为了能更进一步了解本实用新型的特征以及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为入射光进入光纤被收集的示意图；

图2为本实用新型的基于超透镜的光纤适配器示意图；

图3为本实用新型的基于超透镜的光纤适配器的第一超透镜和第二超透镜位置示意图；

图4为纳米结构构成结构单元的示意图；

图5为纳米结构排列示意图；

图6为纳米结构微观示意图；

图7为含有基于超透镜的光纤适配器下的模式激发情况的测试方式；

图8为无基于超透镜的光纤适配器下的模式激发情况的测试方式；

图9为含有基于超透镜的光纤适配器下的模式激发情况的测试结果图像；

图10为无基于超透镜的光纤适配器下的模式激发情况的测试结果图像；

图11为本实用新型的第一超透镜和第二超透镜其中一个实施例示意图。

附图标记：

1、第一超透镜；2、第二超透镜；3、夹持部；4、光阑；5、包层； 6、纤芯；7、激光器；8、CCD检测装置；9、纳米结构；10、基底； 11、多芯光纤；12、标准单模光纤。

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申请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、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”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，尽管在本申请可能采用术语第一、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，在不脱离本申请范围的情况下，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”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

数值孔径(NA)是光纤的一个重要参数，当前光纤的数值孔径计算是基于全反射原理，在给定纤芯和包层的折射率之后，光纤数值孔径就固定了，一般来说多模光纤的数值孔径为0.18-0.23。光纤的数值孔径决定着光的收集能力，数值孔径越大，收集光的能力越强。但是数值孔径太大的话，会引入很大的模式色散，对最终的应用有影响，例如通信系统中的信号串扰的增大。所以，如何能够在保证大数值孔径的情况下，还能有很低的模式色散甚至是零模式色散，是一个亟待解决的问题。

与此同时，对于多芯光纤，即一个光纤中有多于一个纤芯，每个纤芯都可以独立传递信息，所以多芯光纤被称为下一代光纤通信系统 (空分复用系统)中的重要传输媒介。在应用多芯光纤的空分复用系统中，扇入扇出设备(FIFO)作为一个重要部分，其作用是将多个单模光纤的信号传输至多芯光纤中，一根单模光纤对应一个纤芯，当前的扇入扇出设备的设计和制作方法一般来说使用单模光纤束拉锥然后与多芯光纤熔接，还可以使用设计波导的方式，但上述方法加工难度大、良率低。

有鉴于上述色散问题、以及扇入扇出设备(FIFO)复杂的问题，发明人在实施例中提供一种基于惠更斯超透镜的光纤适配器，以及上述光纤适配器进一步演变形成的扇入扇出设备。

解释性的，本申请实施例及各可选实施例中，所描述的各种超透镜包括如下特征：

超透镜是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

结构单元为可密堆积图形，结构单元可以是为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形顶点及中心排布的纳米结构，或者为正方形顶点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图4所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。

如图4左部分示出了一个结构单元的实施例，其包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

如图4中间部分示出了另一个结构单元的实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。

结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如图5 右部分示出的，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，如图4右中的左下角区域。在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构。

纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。

各纳米结构之间可以填充空气或者在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本公开的实施方式，所填充的材料的折射率与纳米结构的折射率之间的差值的绝对值应大于等于0.5。

上文所述的光纤的数值孔径是光纤的重要参数，具体而言，数值孔径定义为NA＝sinθ，其中NA为数值孔径，sinθ为入射时的角度大小。

应理解的是，光纤色散是指由于光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号畸变的一种物理现象。例如，如图1，当光信号传输至该光纤纤芯内时，会有一部分光信号散射至光纤包层，光纤包层折射会阻碍光信号传输，该现象会影响光纤内光的传输，对于光纤传输而言，当色散严重时，会导致光信号的波形、幅度、宽度和重复频率前后相互重叠，造成光信号之间干扰，所以光纤的色散不仅影响光纤的传输质量，也限制了光纤通信系统的距离。

当光纤传输中想兼顾具有大的入射角度即具有大的数值孔径范围，同时具有几乎很小的色散，可以通过超透镜其特殊的相位分布结构来解决上述问题，具体来说，将超透镜作为贴合光纤入射端的接收光信号的元件，通过其预设的折射方式，使入射光纤的光信号基本平行无色散的进行传输。

需要说明的是，在实施例中，“基本”的词语描述方式，其说明任意两条光束之间构成的角度极小，并且，视为平行光。

本实施例提供一种基于超透镜的光纤适配器，如图2所示，其中，基于超透镜的光纤适配器包括：夹持部3和第一超透镜1。

其中，夹持部3至少部分包裹第一光纤。实施例中对第一超透镜 1与第一光纤的连接方式不做限定，根据应用场景，可以在第一光纤端面直接加工形成第一超透镜1，或者使用夹持部3插装、套装、粘接等，也可以将第一超透镜1粘贴于第一光纤端面。

第一超透镜1设置在夹持部3内，且能够与第一光纤的端部表面贴合，第一超透镜1将射向其的光信号调制为基本平行的光信号，第一超透镜1可以根据其设计的相位来进行调制，使光信号作为入射光基本平行的射向第一光纤。

示例性的，第一超透镜1包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

本公开中使用的超透镜即一种主光线角小于10°的超透镜，在任意角度入射的光通过该超透镜都会以基本平行的角度入射至光纤纤芯 6，最大程度避免了高阶模式激发，从而起到避免色散的效果，具体地，当主光线角为0°时，即平行入射光纤纤芯6，可以实现无色散传输。

在本实施例中，使用具有上述功能超透镜做为第一超透镜，使得第一光纤在接收光信号时，光信号能够基本平行的进行传输，本方式的传输色散基本为零。

在其中一个实施例中，夹持部3包括：光阑4，

光阑4在光路上，设置于超透镜接收光信号侧，可以控制入射光量。

夹持部3还包括：夹具，夹具用于将第一超透镜和光阑4夹持在第一光纤端部。

夹具可以为与第一光纤形状契合并全部包裹或部分包裹，夹具的内部截面构成的形状可以与第一光纤的外壁形状契合，第一光纤的端部部分置于夹具内，并且，第一光纤的端部在插入夹具后，夹具能够夹持第一光纤，以使第一光纤的端面与第一超透镜贴合，阻止第一光纤脱离夹具。其中，光阑4的孔径对通过的光信号起着限制作用，通过其的光信号由第一超透镜1进行调制，通过第一超透镜1调制后的光基本平行的在第一光纤内部传输，可以抑制色散现象。

进一步地，光阑的形状为圆形或其他不规则的具有孔径的结构，光阑距离第一超透镜有一定的距离，例如，光阑的孔径尺寸直径优选为20μm，其光阑和第一超透镜的距离优选为20μm。

在优选实施例中，所述光阑4的通光孔设置于所述第一超透镜1 的焦点处，以使经过所述焦点处的入射光能够输入至所述第一超透镜1，并且能够阻挡不经过所述焦点的光线进入所述第一超透镜1。

根据本申请的实施方式，如下提供另一种光纤适配器的实施例，该光纤适配器包括两个超透镜，并且具有作为多根光线之间的扇入扇出设备FIFO的应用。

在前一实施例的基础上，还包括第二超透镜2，所述第二超透镜 2设置于所述夹持部3，且能够与第二光纤端部贴合，其中，所述第一超透镜1和所述第二超透镜2相对并且共焦点地设置。

示例性的，第二超透镜2包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

根据本申请的实施方式，第二超透镜2设置于夹持部3内，且第二超透镜2能够与第二光纤贴合，第二超透镜2将接收的入射光基本平行的射入第二光纤，第一超透镜1和第二超透镜2在光路上，例如，如图3，传输光信号时光纤适配器适配的第二光纤可以是多芯光纤11，多芯光纤11是指在一个共同的包层5中存在多个纤芯6，也可以是标准的单模光纤12，标准单模光纤12是指光纤中只存在一种传输模式的光纤。

具体而言，第一超透镜1和第二超透镜2均包括基底10和设置于基底10表面的纳米结构9，多个纳米结构9呈阵列状排列。如图4，本实施例中的多个纳米结构9组成一个正六边形单元，每个单元中心和顶点各设有一个纳米结构9。如图5，纳米结构9设置在基底10之上，纳米结构9可以为纳米柱结构；纳米柱结构包括正纳米柱结构、负纳米柱结构、中空纳米柱结构、负中空纳米柱结构、拓扑纳米柱结构中的一种或几种；纳米结构9的材料可以为氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化镓、氧化钛、非晶硅中的一种。

如图6，纳米结构9的尺寸具体包括纳米结构9的高度和横截面的直径，可以根据不同的光纤需求情况做选择，具体而言，纳米柱的结构高度大于或等于300nm，并且小于或等于2000nm，纳米柱结构的相邻的两个纳米柱结构间的最小间距等大于或等于60nm；纳米柱结构的最大深宽比，即纳米柱结构的高度与超透镜中纳米柱结构最小直径的比值，小于或等于20。

进一步地，第一超透镜1和第二超透镜2通过其上的纳米结构9 的相位来调制光信号，其中，纳米结构9的相位与纳米柱的横截面直径相关，纳米柱的横截面直径在不同位置的横截面直径相同，或者，纳米柱的横截面直径在不同位置的横截面直径部分相同。

如图3中示出的第二超透镜2贴合于多芯光纤11，第一超透镜1 贴合于标准单模光纤12，其中，标准单模光纤12可以多个标准单模光纤12使用一个超透镜，本方式中基于超透镜的光纤适配器可以有多个接口，使得多根标准单模光纤12使用同一超透镜，相对于传统折射透镜减少了耗材损耗，并且成本更低。

在本公开的基于超透镜的光纤适配器中光阑4的数值孔径NA计算式为：

其中，θ为光阑4数值孔径的视场角；

a为目标纤芯6半径；

f为第一超透镜1或第二超透镜2的焦距。

在其中一个实施例中，例如，多模光纤纤芯6的直径为60um，包层5直径125um，纤芯6和包层5的折射率分别为1.461和1.431。

根据现有光纤数值孔径计算，如下式：

其中，n_core为光纤纤芯6的直径，n_cladding为光纤包层5直径，通过上述数值得出该光纤的数值孔径NA为0.28。

进一步地，根据现有光纤中支持模式数量计算，如下式：

通过上述数值得出该光纤支持的模数为30。

然后，加入基于超透镜的光纤适配器，如图2所示，根据其(1) 式及以上得出的数值得出数值孔径为0.832，可以保证单模传输，并且该光纤适配器的光阑4最大孔径为20μm，第一超透镜1距离光阑4 孔径的具体最大为20μm。

更进一步地，如图7和如图8，通过CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)检测装置8可以测试本实施方式的光纤模式激发情况，使用同种激光器7分别倾斜入射加入基于超透镜的光纤适配器和现有光纤，再由CCD检测装置8观察出射光场的分布情况，CCD检测装置8即一种可以将光信号的强度用显示器显示出来的装置，能够准确对准光纤内部，观察到光纤内部光信号的传输情况，并记录呈图像。

其中，如图9，为加入了基于超透镜的光纤适配器，出射光场均匀分布且保持了单模特性；而如图10，为无基于超透镜的光纤适配器的现有光纤，其中高阶模式被激发，单模特性没有保持。

通过由CCD检测装置8检测出的图像可知，经过加入超透镜的光纤适配器的光信号基本完整传输且强度高，相较于无超透镜的光纤适配器传输光信号改进效果极其明显。

在其中一个实施例中，以多芯光纤11和标准单模光纤12相连接，例如，如图11，其中多芯光纤11贴合第二超透镜2，并被夹持部3包裹，多芯光纤11为七芯光纤，纤芯6直径为8μm，纤芯6之间间距为43μm，包层5直径150μm。第一超透镜1贴合三个标准单模光纤12，三个标准单模光纤12之间距离2000μm，第一超透镜1的直径为5000μm，光纤适配器内光阑4孔径最大为50μm，夹持部3中第一超透镜1距离光阑4孔径的长度为10μm。

优选地，第一超透镜1和第二超透镜2组合而成惠更斯超透镜。

通过本实施例中的光纤适配器可以实现在多芯光纤11和单模光纤的适配，在本实施例中利用第一超透镜和第二超透镜视场角大的特性增大数值孔径，同时避免了色散的产生。示例性的，如图3，以扇入扇出设备作为两个光纤之间的连接，扇入扇出设备现有作用为在两个光纤之间的适配，在本实施例中使用了第一超透镜和第二超透镜，光信号之间的传输使用超透镜来调制，所示扇入扇出设备可以作为拔插两个光纤之间的连接器使用。

具体而言，光纤适配器的作用在于将超透镜固定在光纤的端面，将光纤适配器应用于扇入扇出设备时可以更加便捷的连接两个光纤，以便超透镜能够调制光为平行光射向光纤。

在以上实施例中，同过基于超透镜的光纤适配器解决了在增大数值孔径时，使得入射光纤内部的光信号角度杂乱而产生的色散，基于超透镜的光纤适配器兼顾了增大数值孔径和抑制色散。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于超透镜的光纤适配器，其特征在于，包括超透镜和夹持部，所述超透镜至少包括第一超透镜，所述夹持部用于将第一超透镜固定于第一光纤端面；

2.根据权利要求1所述的基于超透镜的光纤适配器，其特征在于，所述夹持部设置有光阑，所述光阑位于所述入射光光路，并且位于所述第一超透镜的光路上游。

3.根据权利要求2所述的基于超透镜的光纤适配器，其特征在于，所述光阑的通光孔与所述第一超透镜的焦点同轴设置。

4.根据权利要求1所述的基于超透镜的光纤适配器，其特征在于，还包括第二超透镜，所述第二超透镜设置于所述夹持部，且能够与第二光纤端部结合，其中，所述第一超透镜和所述第二超透镜相对并且共焦点地设置。

5.根据权利要求4所述的基于超透镜的光纤适配器，其特征在于，所述第二超透镜包括基底和基底表面的结构单元，所述结构单元的顶点和/或中心设置有纳米结构；

6.根据权利要求1至5任一项所述的基于超透镜的光纤适配器，其特征在于，所述纳米结构包括纳米柱结构，其中，纳米柱结构为正纳米柱结构、负纳米柱结构、中空纳米柱结构、负中空纳米柱结构和拓扑纳米柱结构中的一种。

7.根据权利要求2或3所述的基于超透镜的光纤适配器，其特征在于，所述光阑的数值孔径NA满足：

其中，θ为所述光阑数值孔径的视场角；

a为光纤的纤芯半径；

f为所述超透镜的焦距。

8.根据权利要求4或5所述的基于超透镜的光纤适配器，其特征在于，所述第一超透镜和所述第二超透镜的共焦点处设置有光阑。

9.根据权利要求4或5所述的基于超透镜的光纤适配器，其特征在于，所述第一光纤为多芯光纤，所述第二光纤为单模光纤；

或者

所述第一光纤为单模光纤，所述第二光纤为多芯光纤。

10.根据权利要求9所述的基于超透镜的光纤适配器，其特征在于，所述夹持部用于使所述第一光纤与所述第二光纤同轴设置。

11.根据权利要求1至5任一项所述的基于超透镜的光纤适配器，其特征在于，所述超透镜为惠更斯超透镜。