一种耦合器的制作方法

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种耦合器。

背景技术：

光通信领域中，由于光纤截面与平面介质光波导截面形状、面积不同，为了提高光在光纤及平面介质光波导之间的耦合效率，现有技术在光纤及平面介质光波导之间设置一耦合器。

由于光的传播具有可逆性，现以光从平面介质光波导进入光纤为例。图1为现有技术提供的一种发光单元与光纤连接结构示意图。如图1所示，光纤101与发光单元104之间设置有耦合器102及平面介质光波导103。发光单元104发出的光进入平面介质光波导103，经平面介质光波导103传输至耦合器102中，光在耦合器102中被放大光斑面积后进入光纤101。

图2为图1所示发光单元与光纤连接结构的立体图。如图2所示，耦合器与光纤进行对接时，光纤截面面积大于耦合器的截面面积，通过耦合器进出的光的光斑形状、面积与光纤截面的形状、不同。

图3为图1、图2所示的耦合器结构示意图。为了减少耦合损耗，现有技术在平面介质光波导及光纤之间加入图3所示的耦合器。

如图3所示，现有技术提供的耦合器包括内部的芯层302及外部的包层301，包层301完全包裹芯层302。芯层302的折射率高于包层301的折射率，光从芯层302射向包层301时发生全反射，光从而被约束在芯层302中传播。由于采用平面光波导技术制作耦合器，包层301的一侧表面303为平面；耦合器的芯层302为梯形体，沿光在芯层302中的传播方向，芯层空间逐渐变化。物理形态为梯形体的芯层302无法制作成正规则体，所以从不同位置截取的耦合器芯层的截面，其面积不同。

光的光斑形状、面积越接近光纤截面的形状、面积，耦合损耗越小。如图2、图3所示，现有技术提供的耦合器，芯层一端的截面为正方形，其与平面介质光波导的截面形状、面积相同，光从平面介质光波导进入耦合器一端，不会造成耦合损耗。光在耦合器芯层中传播，当光经过耦合器芯层另一端时，由于耦合器芯层另一端截面为长方形，光从长方形截面出射时，其光斑形状为椭圆形。与原始光的光斑相比，从长方形截面出射的光，其光斑形状、面积更接近与光纤截面，通过改变光的光斑形状，使得光斑形状接近光纤截面形状，实现降低耦合损耗的目的。但是由于从长方形截面出射的光，其光斑形状、面积仍与光纤截面不同，所以耦合损耗仍然存在。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种耦合器，使进出耦合器的光具有圆形光斑。

为了实现上述发明目的，本发明实施例采用如下技术方案：

本发明实施例提供一种耦合器，包括第一光斑缩放区及第二光斑缩放区；

第一光斑缩放区包括第一介质及包裹第一介质的第二介质；

第一介质的折射率大于第二介质的折射率；

第一介质包括一正方形表面及一长方形表面，光分别通过正方形表面及长方形表面进出第一介质，长方形表面的面积大于正方形表面的面积；

第二光斑缩放区位于第一介质的长方形表面一侧；

第二光斑缩放区包括混合介质及均匀介质，混合介质与均匀介质间隔设置；

混合介质包括第三介质及包裹第三介质的第四介质；

第三介质的折射率大于第四介质的折射率。

利用本发明实施例提供的耦合器，光斑为圆形的光从正方形表面进入第一介质；第二介质包裹第一介质，第二介质的折射率小于第一介质的折射率，利用光的全反射可以将光约束在第一介质中传播；当光从第一介质的长方形表面出射时，光被长方形表面约束，光斑形状变为椭圆形，椭圆形光斑长轴方向的光与短轴方向的光相比，短轴方向的光具有更大的发散角，当光继续传播进入第二光斑缩放区时，第二光斑缩放区的混合介质约束光的发散，第二光斑缩放区的均匀介质不约束光的发散，光在经过间隔设置的混合介质以及均匀介质过程中，光斑形状由椭圆形变为圆形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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为现有技术提供的一种发光单元与光纤连接结构示意图；

图2为图1所示发光单元与光纤连接结构的立体图；

图3为图1、图2所示的耦合器结构示意图；

图4为耦合器制作结构图；

图5为本发明实施例提供的一种耦合器；

图6为图5所示耦合器的剖面图；

图7为图5所示耦合器的立体图；

图8为初始光斑示意图；

图9为经过图3所示耦合器放大后的光斑示意图；

图10为利用本发明实施例提供的耦合器传光示意图；

图11为利用本发明实施例提供的耦合器放大后的光斑示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

光通信领域中，发光单元发出的光需要进入光纤，通过光纤进行传播。然而，发光单元的调制机制以及封装机制使得发光单元与光纤之间存在一定的空间距离，发光单元发出的光需要通过这一空间距离才能进入光纤；同样的，通过光纤传来的光需要进入光探测单元，以实现对光信号的接收，然而，光探测单元的调制机制以及封装机制使得光纤与光探测单元之间存在一定的空间距离，光纤传来的光需要通过这一空间距离才能进入光探测单元。

由于平面介质光波导可以实现对光的灵活导向，而且体积微小，所以在这一空间距离中，往往采用平面介质光波导进行填充。平面介质光波导的内部芯层与外部包层具有不同的折射率，光由内部芯层射向外部包层时会发生全反射，从而将光约束在内部芯层中传播。

光在介质中传输，若光的电磁场分布与介质所传播的光的电磁场分布一致时，即光的模式与介质的传输模一致时，光耦合效率最高，不会造成光能量的耦合损耗，反之，若光的模式与介质的传输模不一致时，光耦合效率低，会造成光能量的耦合损耗。

本申请在光的总能量不变的情况下，通过改变光斑形状以改变光的电磁场分布，从而提高耦合效率。

非均匀介质的物理形态影响非均匀介质的传输模。光波导为一种常见的非均匀介质，利用光波导进行光传输时，光在光波导的芯层传播，芯层截面的形状及面积影响经过芯层的光的电磁场分布。

常见的介质中，均匀介质不具有特定的传输模，任何模式的光耦合进均匀介质，都不会造成耦合损耗；而非均匀介质具有特定的传输模，若光的模式与非均匀介质的传输模不一致，光耦合进非均匀介质会造成耦合损耗。

光的总能量及光斑形状影响光的电磁场分布。与改变光的总能量相比，通过改变光斑形状从而改变光的电磁场分布，更能达到节省光能量的目的。故而，现有技术中大多采用光的总能量不变、光斑形状改变的方式，以改变光的电磁场分布。

具体地，原始光的光斑形状为圆形，若芯层截面的形状为光斑圆形的外切正规则形，则光波导的传输模与原始光的模式相同，光可以无损耗的耦合进芯层；若芯层截面的形状不为光斑圆形的外切正规则形，则光波导的传输模与原始光的模式不相同，光进入芯层时会造成耦合损耗。

常见的光斑圆形的外切正规则形为正方形、圆形、正五边形、正六边形等。经过正方形芯层截面的光，其光斑为正方形的外接圆形；经过长方形芯层截面的光，其光斑为长方形的外接椭圆形。

以原始光在光纤中传输为例，若原始光的光斑形状、面积与光纤截面的形状、面积一致，则原始光的模式与光纤的传输模一致，不会造成光能量的耦合损耗；若原始光的光斑形状与光纤截面的形状不同，光斑面积大于截面的面积，原始光的模式与光纤的传输模不一致，原始光受光纤物理性状的限制，其形状及面积发生改变，从而适应光纤的传输模，在此改变过程中，原始光的能量丢失，造成了耦合损耗；当光进入芯层时，通过丢失光能量的方式，光改变了自身的光斑形状，使自身的光斑形状为芯层截面的外接圆或外接椭圆，通过光斑形状、面积的改变，光的传输模式发生了改变，从而符合光波导的传输模，所丢失的光能量即为造成的耦合损耗。

光的光斑形状、面积越接近光纤截面的形状、面积，即光斑的形状、面积完全落在光纤截面的形状和面积内时，耦合损耗越小。

图5为本发明实施例提供的一种耦合器。如图5所示，本发明实施例提供的耦合器包括第一光斑缩放区A及第二光斑缩放区B。

第一光斑缩放区A包括第一介质（图5未示出）及包裹第一介质的第二介质502；

第一介质位于第一光斑缩放区的内部，由第二介质包裹，所以图5所示的平面图无法示出第一介质。

具体而言，第二介质可以包括至少两种介质。第二介质可以采用平面光波导技术制作而成，如图4所示，由平面介质光波导技术制作成的第二介质，其包括两种介质a、c。

第一介质的折射率大于第二介质的折射率；

利用本发明实施例提供的耦合器进行光传输时，具体而言，当光在第一光斑缩放区传输时，光首先进入第一介质，光从第一介质射向第二介质时，利用不同折射率介质间的光全反射原理，光在第一介质与第二介质的相交面发生全反射，光不会折射进入第二介质，从而继续在第一介质中传输。

第一介质包括一正方形表面及一长方形表面，光分别通过正方形表面及长方形表面进出第一介质，长方形表面的面积大于正方形表面的面积；

具体的，第一介质可以是一梯形体，长方形表面与正方向表面平行，光在相互平行的长方形表面与正方形表面之间传播。

本发明实施例提供的耦合器，其采用平面光波导技术制作而成。图4为平面光波导技术制作结构图。如图4所示，在制作过程中，首先在平面衬底上沉积生长一层折射率相对较小的材料a，然后在材料a上沉积生长一层折射率相对较大的材料b，材料a构成光波导的下包层，材料b构成平面介质光波导的芯层，通过对材料b蚀刻形成光波导需要的形状，然后在材料b上覆盖一层折射率相对较小的材料c，材料c构成光波导的上包层，材料c可以与材料b为相同材料。材料a与材料c形成包裹材料b的包层。

由于采用平面光波导技术制作，其截面形状必然有一条边为直线。实际使用过程中，平面介质光波导为柱形体，其截面为多边形，常见的截面形状为正方形、长方形及梯形。本发明实施例中提供的耦合器，由于采用了平面光波导技术制作，所以其第一介质包括一正方形表面及一长方形表面。

利用平面介质光波导进行光传输时，光首先进入芯层，当光从芯层射向上包层或下包层时，由于芯层的折射率均大于上包层、下包层的折射率，所以光会在芯层与上包层的交界面或芯层与下包层的交界面发生全反射，光从而被限制在光波导的芯层中传播。

光只在第一介质中传输，垂直于光的传输方向在不同位置对第一介质进行截面，得到的截面不相同；光通过正方形表面及长方形表面进出第一介质，第一介质包括一正方形表面及一长方形表面，由于长方形表面的面积大于正方形表面的面积，所以从正方形表面出入的光的光斑面积小于从长方形表面出入的光的光斑面积。

第一光斑缩放区及第二光斑缩放区均由平面光波导技术制作而成。第一光斑缩放区及第二光斑缩放区可以一体成型，也可以分开制作。分开制作的第一光斑缩放区及第二光斑缩放区，在对接时，难以实现无缝对接，光会从缝隙处发散，影响了光的传播效率，故而一般采用一体成型技术制作第一光斑缩放区及第二光斑缩放区，以使得第一光斑缩放区及第二光斑缩放区之间没有缝隙。

第二光斑缩放区位于第一介质的长方形表面一侧；

由于光的传播方向是可逆的，光从第一光斑缩放区射入第二光斑缩放区是对光斑进行放大的过程，则光从第二光斑缩放区射入第一光斑缩放区是对光斑进行缩小的过程，所以根据实际中对光的处理需要，选择利用耦合器实现光斑的放大或缩小。

第二光斑缩放区位于第一介质的长方形表面一侧，第二光斑缩放区位于第一光斑缩放区的一侧。以光从第一光斑缩放区射入第二光斑缩放区为例，按照此光的传输方向，第一光斑缩放区实现了对光斑的放大，第二光斑缩放区要在第一光斑缩放区的基础上继续对光斑进行放大，所以第二光斑缩放区不仅位于第一光斑缩放区的一侧，而且第二光斑缩放区靠近第一介质长方形表面，第二光斑缩放区接收第一介质长方形表面传出的光。

第二光斑缩放区包括混合介质及均匀介质，混合介质与均匀介质间隔设置。

混合介质包括第三介质及包裹第三介质的第四介质；

第三介质的折射率大于第四介质的折射率。

混合介质包括第三介质及包裹第三介质的第四介质，具体而言，混合介质包括至少两种介质。

混合介质可以采用平面光波导技术制作而成，如图4所示，由平面介质光波导技术制作成的混合介质，其芯层b由两种介质a、c包裹。

光从第三介质射向第四介质时，利用不同折射率介质间的光全反射原理，光在第三介质与第四介质的相交面发生全反射，光不会折射进入第四介质，从而继续在第三介质中传输。

均匀介质与混合介质间隔设置，光穿过均匀介质后进入混合介质，光穿过混合介质后进入均匀介质。

光从第一介质的长方形表面出射后，首先进入均匀介质或是混合介质均可。

混合介质的数量可以是一个，也可是多个；均匀介质的数量可以是一个，也可以是多个。

混合介质的厚度规律性变化。具体地，混合介质可以在朝向第一光斑缩放区方向，其厚度依次增大，也可以在背向第一光斑缩放区方向，其厚度依次增大。

均匀介质的厚度规律性变化。均匀介质可以在朝向第一光斑缩放区方向，其厚度依次减小，也可以在背向第一光斑缩放区方向，其厚度依次减小。

混合介质的厚度变化，依次增大可以是线性的变化，也可以是非线性的变化；均匀介质的厚度变化，依次减小可以是线性的变化，也可以是非线性的变化。

光在混合介质与均匀介质中依次传播过程中，混合介质的厚度规律性的依次变化，可以精确控制混合介质对光斑的影响程度；均匀介质的厚度规律性的依次变化，可以精确控制均匀介质对光斑的影响程度。

图10为利用本发明实施例提供的耦合器传光示意图。如图10所示，光沿a方向传播，光斑的初始直径小于放大后的直径，本发明实施例提供的耦合器实现了光斑的放大，按照光传播的可逆性，光沿a方向的逆向传播，可以实现对光斑的缩小。

图11为利用本发明实施例提供的耦合器放大后的光斑示意图。如图11所示，对图8所示的光进行放大，得到的光斑为圆形，直径为五个格线距离。

均匀介质的厚度与光的波长处于同一数量级。

混合介质的厚度与光的波长处于同一数量级。

数量级指一系列 10 的幂，即相邻两个数量级之间的比为 10。当光的波长与传输光的介质厚度相差数个数量级时，在解析介质对光的传播影响时，一般采用几何光学原理；而当光的波长与传输光的介质厚度处于同一个数量级时，光的电磁波特性对解析介质对光的传播影响十分显著，从几何光学原理理解具有很大的局限。

光在均匀介质中会向四周立体发散，光的发散会减弱主光轴周围光的能量，当光在均匀介质中传播的路径较长时，光的过度发散使得光无法在光探测器上形成满足信号传输的要求的能量反应。

一般而言，均匀介质的厚度与光的波长处于同一个数量级，光在均匀介质中的发散不会造成上述问题。

利用本发明实施例提供的耦合器，光斑为圆形的光从正方形表面进入第一介质；第二介质包裹第一介质，第二介质的折射率小于第一介质的折射率，利用光的全反射可以使光保持在第一介质中传播；当光从第一介质的长方形表面出射时，光被长方形表面约束，光斑形状变为椭圆形；椭圆形光斑长轴方向的光与短轴方向的光相比，短轴方向的光具有更大的发散角；当光继续传播进入第二光斑缩放区时，第二光斑缩放区的混合介质约束光的发散，第二光斑缩放区的均匀介质不约束光的发散，光在经过间隔设置的混合介质以及均匀介质过程中，光斑形状由椭圆形变为圆形。

光从正方形表面进入第一光斑缩放区，从长方形表面射出，在第一光斑缩放区实现了对光斑形状的缩放，该缩放过程改变了光的发散角，通过长方形表面出射的光的光斑形状为椭圆形，椭圆形长轴方向的光，其发散角较大，椭圆形短轴方向的光，其发散角较大。

发散角体现了光的传播方向偏离光轴的程度，发散角越大，光的传播方向偏移光轴的程度越大。

从第一光斑缩放区长方形表面出射的光，其光斑为椭圆形，光的发散角度不一致。若光继续在均匀介质中传播，由于椭圆形短轴方向的光，其发散角度较大，随着光传播一定的距离，椭圆形光斑能够变为圆形光斑，但是在均匀介质中传播的光，其发散速度较快，待光斑由椭圆形变为圆形，圆形光斑的面积过大，导致光斑面积中，单位面积的光强度过小。过小的光强度超出了光探测器的灵敏度，这种光目前无法用于信号传输。

光从第一光斑缩放区进入第二光斑缩放区，第二光斑缩放区间隔设置混合介质及均匀介质，混合介质包括第三介质及包裹第三介质的第四介质，第三介质的折射率大于第四介质的折射率，光进入混合介质时，混合介质约束光的发散角度及发散速度，光进入均匀介质时，均匀介质不约束光的发散角度及发散速度，光穿过间隔设置的混合介质及均匀介质，在混合介质中被约束，在均匀介质中不被约束，在避免快速发散的同时，使得椭圆形的光斑逐步变为圆形光斑。

图6为图5所示耦合器的剖面图。如图6所示，沿垂直于光的传播方向对图5所示的耦合器进行剖面，耦合器的第一光斑缩放区包括第一介质501及包裹第一介质501的第二介质502。

第一介质501为一梯形体，光在梯形体相互平行的两个方形表面间传输时，光斑会发生缩放。

第二光斑缩放区中，混合介质包括第三介质503及第四介质504，第四介质504包裹第三介质503。在混合介质的两侧为均匀介质505，在均匀介质505的两侧为混合介质。

图7为图5所示耦合器的立体图。为了便于展示，第二光斑缩放区只示出了混合介质，混合介质之间的均匀介质没有示出。如图7所示，混合介质中，第三介质503由第四介质504包裹；第一光斑缩放区中，第一介质501由第二介质502包裹。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。