一种基于线偏振的光纤耦合器及其制造与使用方法与流程

本发明涉及微纳光学及偏振光学领域，具体涉及一种基于线偏振的光纤耦合器及其制造与使用方法。

背景技术：

随着单模光纤的传输容量已接近极限，采用少模光纤或多模光纤的模分复用光纤传输系统得到越来越多的应用。其中，光纤耦合器是该系统中重要的光学器件，其作用是将单模光纤中的基模光信号转化成高阶模，并耦合到少模光纤或多模光纤中传输。

常用的光纤模式转化多是通过相位片、光子集成波导、光纤束和三维光波导等实现的。现有的光纤模式耦合器均存在着功能单一的缺陷，运用这些技术的光纤耦合器都只能将单模光纤中的光信号转化为一个多模光纤中的模式。假如模分复用系统中采用了三个高阶模，则需要使用到三个不同的光纤耦合器。多个耦合器的使用增加了光学系统的复杂度。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于线偏振的光纤耦合器及其制造与使用方法，可实现将入射光中的两种不同的线偏振光转化为两个不同的光纤模式。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于线偏振的光纤耦合器，用于将入射光转化成其他的光纤模式，其包括：

基底；

硅纳米棒阵列，其由刻蚀在上述基底上的多个硅纳米棒单元排列而成，同一上述硅纳米棒单元中的硅纳米棒的结构参数相同；

不同的上述硅纳米棒单元的硅纳米棒为具有不同结构参数的长方体形，当入射光垂直入射时，偏振方向沿上述硅纳米棒长边和短边的光发生反射和透射，上述硅纳米棒的长、宽、高被配置成各上述硅纳米棒单元的相位延迟φ(i，j)等于光转化后的光纤模式的相位分布，其中，i，j表示x和y轴方向上第(i，j)个硅纳米棒单元。

基于第一方面，在可能的实施例中，上述基底(1)为二氧化硅基底。

基于第一方面，在可能的实施例中，上述硅纳米棒的长度、宽度与高度均为亚波长尺寸。

基于第一方面，在可能的实施例中，所有的上述硅纳米棒的高度相同。

基于第一方面，在可能的实施例中，各上述硅纳米棒单元中的硅纳米棒数量均相同。

第二方面，本发明实施例提供了一种上述的基于线偏振的光纤耦合器的制造方法，包括如下步骤：

确定工作波长，根据所需的光纤模式确定所需要的硅纳米棒单元个数以及每个硅纳米棒单元的相位延迟；

硅纳米棒的结构参数优化：采用电磁仿真法，在工作波长下，以水平线偏振光和垂直线偏振光同时垂直入射硅纳米棒阵列工作面，以透射率及硅纳米棒的相位延迟为优化指标，扫描硅纳米棒的结构参数，以获得最优结构参数；

采用反应离子刻蚀工艺制造所设计的光纤耦合器。

基于第二方面，在可能的实施例中，上述工作波长的范围为1500nm-1600nm。

第三方面，本发明实施例提供了一种上述的基于线偏振的光纤耦合器的使用方法，包括如下步骤：

将经过调制后的水平线偏振光和垂直线偏振光经过合束器合束，合束后的光垂直入射硅纳米棒阵列后分别形成两种不同的高阶模；

不同的高阶模经由准直透镜和聚焦透镜组成的4f系统耦合到少模光纤或多模光纤中；

在少模光纤或多模光纤中传播一段距离的两种高阶模入射到另一硅纳米棒阵列后分别形成水平线偏振光和垂直线偏振光，经过分束器分束后分别耦合到两个单模光纤中。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供的光纤耦合器具有较小的尺寸结构，插入损耗小。

(2)本发明提供的光纤耦合器，相位调节精确，可实现将入射光中的两种不同的线偏振光转化为两个不同的光纤模式，减少了光学装置的复杂度。

(3)本发明提供的光纤耦合器，仅需要单步刻蚀技术，制备简单。

附图说明

图1是本发明实施例中的光纤模式耦合器的结构示意图；

图2是本发明实施例中一个硅纳米棒结构的结构示意图；

图3是本发明实施例中的光纤模式耦合器的正视图；

图4是本发明实施例中的光纤模式耦合器将水平线偏振光转化为的lp11b模式的光强分布(左)，以及将垂直线偏振光转化为的lp11a模式的光强分布(右)；

图5是本发明中的光纤模式耦合器在模式复用系统中的光路信号示意图；

图6是本发明中的光纤模式耦合器用作模式解复用时的光路信号示意图。

图中：1、基底；2、硅纳米棒单元；3、硅纳米棒；4-合束器；5-第一光纤耦合器；6-准直透镜；7-聚焦透镜；8-第二光纤耦合器；9-分束器；l、硅纳米砖的长度；w、硅纳米砖的宽度；h、硅纳米砖的高度；p、硅纳米砖周期尺寸。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

参见图1所示，本发明实施例提供一种基于线偏振的光纤耦合器，用于将入射光转化成其他的光纤模式。该光纤耦合器由超表面材料制成，包括基底1和硅纳米棒阵列。硅纳米棒阵列由刻蚀在基底1上的多个硅纳米棒单元2排列而成，同一硅纳米棒单元2中的硅纳米棒3的结构参数相同，不同的硅纳米棒单元2中的硅纳米棒3的结构参数不同，即根据硅纳米棒3的结构参数划分硅纳米棒单元2。

不同的硅纳米棒单元2的硅纳米棒3为具有不同结构参数的长方体形，当入射光垂直入射时，偏振方向沿硅纳米棒3长边和短边的光发生反射和透射，硅纳米棒3的长、宽、高被配置成各所述硅纳米棒单元2的相位延迟φ(i，j)等于光转化后的光纤模式的相位分布，其中，i，j表示x和y轴方向上第i，j个硅纳米棒单元。

本发明实施例提供的光纤耦合器，相位调节精确，可实现将入射光中的两种不同的线偏振光转化为两个不同的光纤模式。

参见图2所示，结构参数包括硅纳米棒3的长、宽、高和周期尺寸，一个硅纳米棒3和其对应的基底部分为一个硅纳米棒结构，周期尺寸即为该对应的基底的长和宽。

基底1为二氧化硅基底。

硅纳米棒3的长度、宽度与高度均为亚波长尺寸。

所有的硅纳米棒3的高度相同。

各硅纳米棒单元2中的硅纳米棒3数量均相同。

本发明实施例还提供上述光纤耦合器的制造方法，包括如下步骤：

确定工作波长，根据所需的光纤模式确定所需要的硅纳米棒单元2个数以及每个硅纳米棒单元2的相位延迟；

硅纳米棒3的结构参数优化：采用电磁仿真法，在工作波长下，以水平线偏振光和垂直线偏振光同时垂直入射硅纳米棒阵列工作面，以透射率及硅纳米棒3的相位延迟为优化指标，扫描硅纳米棒3的结构参数，以获得最优结构参数；

采用反应离子刻蚀工艺制造所设计的光纤耦合器。

工作波长的范围为1500nm-1600nm。

本发明实施例还提供上述光纤耦合器的使用方法，包括如下步骤：

将经过调制后的水平线偏振光和垂直线偏振光经过合束器合束，合束后的光垂直入射一光纤耦合器的硅纳米棒阵列后分别形成两种不同的高阶模；

不同的高阶模经由准直透镜和聚焦透镜组成的4f系统耦合到少模光纤或多模光纤中，实现光纤模式复用；

在少模光纤或多模光纤中传播一段距离的两种高阶模入射到另一光纤耦合器的硅纳米棒阵列后分别形成水平线偏振光和垂直线偏振光，经过分束器分束后分别耦合到两个单模光纤中，实现光纤模式解复用。

实施例2

参见图1-2所示，本发明实施例提供一种基于线偏振的光纤耦合器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

s1：确定工作波长为1550nm，为了将入射的水平线偏振光转化为lp11a模式，入射的垂直线偏振光转化为lp11b模式，确定需要四种不同的硅纳米棒单元，参见图3所示，将硅纳米棒阵列分为四个硅纳米棒单元，分别在图中标记为a、b、c和d单元，针对于垂直线偏振入射光，a、b、c和d区域所产生的相位延迟分别为0，π，π，0；针对于水平线偏振入射光，a、b、c和d区域所产生的相位延迟分别为0，0，π，π。

各硅纳米棒单元中硅纳米棒的相位延迟即转化为lp11a模式的相位分布。

s2：硅纳米棒3的结构参数优化：采用电磁仿真法，在工作波长下，以水平线偏振光和垂直线偏振光同时垂直入射硅纳米棒阵列工作面，以透射率高于80％及硅纳米棒3的相位延迟为优化指标，扫描硅纳米棒3的结构参数，以获得最优结构参数。

即通过数值仿真得到硅纳米棒对入射光的相位延迟与硅纳米棒的长和宽的对应关系，最终得到各硅纳米棒单元的硅纳米棒的最优结构参数为：a单元：长275nm，宽275nm，高850nm，周期750nm；b单元：长250nm，宽370nm，高850nm，周期750nm；c单元：长330nm，宽330nm，高850nm，周期750nm；d单元：长370nm，宽250nm，高850nm，周期750nm。

s3：采用反应离子刻蚀工艺制造所设计的光纤耦合器。具体为在二氧化硅基底上镀上一层一定厚度的硅薄膜，然后在硅薄膜上涂镀光刻胶，采用标准电子束光刻曝光光刻胶，最后采用反应离子刻蚀技术得到硅纳米棒阵列。

实施例3

参见图5和图6所示，本发明实施例还提供一种上述光纤耦合器的使用方法，包括以下步骤：

s1：将经过调制后的水平线偏振光和垂直线偏振光经过合束器4合束，合束后的光垂直入射第一光纤耦合器5的硅纳米棒阵列后分别形成lp11a模式和lp11b模式的高阶模，产生的lp11a和lp11b模式的归一化电场强度分布如图4所示；

s2：不同的高阶模经由准直透镜6和聚焦透镜7组成的4f系统耦合到少模光纤或多模光纤中，实现光纤模式复用；

s3：在少模光纤或多模光纤中传播一段距离的两种高阶模入射到第二光纤耦合器8的硅纳米棒阵列后分别形成水平线偏振光和垂直线偏振光，经过分束器9分束后分别耦合到两个单模光纤中，实现光纤模式解复用。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。