具有超表面透镜的光学系统的制作方法

本技术涉及光纤通信系统领域，具体而言，涉及一种具有超表面透镜的光学系统。

背景技术：

1、在光纤通信相关模块中，单个通道的高速率和多个通道的高集成度是大势所趋。光纤中传输的光信号速率越来越高，也要求光纤的带宽越来越高，但是带宽高的光纤就需要高的制造成本。激光器与光纤之间的光路，也要求能够缩小尺寸、减小元件数量和装配步骤。目前激光器的调制速率越来越高，对反射越来越敏感，反射光会扰乱其谐振频率，影响光信号的质量，往往需要在光路中设置复杂的结构件进行调整。另外在激光器的整个运行生命过程中，会有一个老化过程，输出光功率会缓慢下降，监控激光器的输出光强，以便识别和替换老化到一定阈值的激光器，有利于避免激光器突然失效导致的光网故障，目前常用的分光方式是在光路中插入分光片或者使用结构性的尖角来分散光斑，这都会使得光路元件增多或者使得光路结构复杂化。

2、所以如何在简化光路的同时，充分利用有限的光纤带宽实现更远距离的传输，是现在高速光纤通信领域中光路系统需要攻克解决的问题。

技术实现思路

1、本实用新型的主要目的在于提供一种具有超表面透镜的光学系统，以解决现有技术中光学系统光路复杂、光纤带宽利用率低的问题。

2、为了实现上述目的，本实用新型提供了一种具有超表面透镜的光学系统，包括：激光器；接收光纤，接收光纤的纤芯的至少一部分存在折射率波动，接收光纤用于接收激光器发出的激光；多个超表面透镜，超表面透镜设置在激光器到接收光纤之间的光路中，激光经过超表面透镜调制后在接收光纤的接收端面形成环状光斑，环状光斑与接收端面同轴设置。

3、进一步地，环状光斑的内径大于接收光纤的纤芯直径的20％；和/或环状光斑的外径小于接收光纤的纤芯直径的70％。

4、进一步地，所有超表面透镜中至少包括一个聚焦透镜，激光由聚焦透镜出射后直接入射到接收端面上，接收端面与聚焦透镜的距离大于聚焦透镜的焦距。

5、进一步地，激光在接收端面上反射后形成反射光线，反射光线在激光器的出光孔径所在的平面上形成圆环光斑，圆环光斑的内径大于10微米。

6、进一步地，超表面透镜包括基底层和调制层，调制层包括多个纳米立柱，纳米立柱固定在基底层的一侧表面上。

7、进一步地，纳米立柱的排列周期为激光器的工作波长的一半。

8、进一步地，纳米立柱为圆柱体，圆柱体的直径大于等于100nm且小于等于600nm。

9、进一步地，所有超表面透镜中至少包括一个分光透镜，激光由激光器直接入射到分光透镜上，分光透镜用于将激光分出不同的传播路径。

10、进一步地，分光透镜包括透射部和反射部，激光的至少一部分经过透射部到达接收端面，激光的至少另一部分被反射部反射。

11、进一步地，激光器发出的激光入射到反射部的光强占总光强的10％。

12、进一步地，具有超表面透镜的光学系统还具有光电探测器，被反射部反射的激光入射到光电探测器上。

13、进一步地，具有超表面透镜的光学系统还包括基板，光电探测器与激光器设置在基板的同一表面上，分光透镜设置在基板远离激光器的一侧表面。

14、进一步地，接收光纤的接收端面与接收光纤的延伸方向呈夹角设置，接收光纤与超表面透镜设置在基板的同侧。

15、进一步地，具有超表面透镜的光学系统还包括基板，光电探测器与激光器设置在基板的同一表面上，分光透镜与激光器位于基板的同侧。

16、进一步地，具有超表面透镜的光学系统还包括折光元件，分光透镜设置在折光元件上。

17、进一步地，折光元件具有折光面，折光面用于改变激光的传输方向，所有超表面透镜中至少包括一个聚焦透镜，激光由聚焦透镜出射后直接入射到接收端面上，接收端面与聚焦透镜的距离大于聚焦透镜的焦距，分光透镜与聚焦透镜设置在折光元件相邻的两个表面上。

18、进一步地，超表面透镜的一侧表面设置有基材，基材与超表面透镜形成光学平板，光学平板设置在具有超表面透镜的光学系统的基板上；和/或光学平板设置在具有超表面透镜的光学系统的折光元件上。

19、进一步地，基材的厚度大于0.15mm且小于1mm。

20、进一步地，基材的材料包括玻璃、硅、二氧化钛、氮化硅、磷化铟中的一种。

21、进一步地，基板包括pcb板、陶瓷板、玻璃板中的一种。

22、进一步地，光学平板与折光元件采用胶水粘接、焊接、键合中的一种或多种方式连接。

23、进一步地，接收光纤为多模光纤。

24、应用本实用新型的技术方案，具有超表面透镜的光学系统包括激光器、接收光纤和多个超表面透镜，接收光纤的纤芯的至少一部分存在折射率波动，接收光纤用于接收激光器发出的激光；超表面透镜设置在激光器到接收光纤之间的光路中，激光经过超表面透镜调制后在接收光纤的接收端面形成环状光斑，环状光斑与接收端面同轴设置。

25、通过在激光器和接收光纤之间设置多个超表面透镜，能够利用超表面透镜将激光调制出环状光斑，环状光斑聚焦在接收光纤的接收端面上时，与接收光纤是同轴设置的，也就避开了接收光纤折射率波动最大的纤芯中心区域，提高了对光纤带宽的有效利用。另外由于超表面透镜能够在光的波长尺度上实现对光的模式、相位、偏振、能量强度的调制，基于超表面透镜的这种多参数复合调制的功能，就可以同时实现对激光器发出光斑的涡旋和聚焦调制，同时也大大简化了光学系统的光路结构，降低了光路搭建的难度。

技术特征：

1.一种具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所有所述超表面透镜(30)中至少包括一个聚焦透镜(40)，所述激光由所述聚焦透镜(40)出射后直接入射到所述接收端面(22)上，所述接收端面(22)与所述聚焦透镜(40)的距离大于所述聚焦透镜(40)的焦距。

4.根据权利要求3所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述激光在所述接收端面(22)上反射后形成反射光线，所述反射光线在所述激光器(10)的出光孔径所在的平面上形成圆环光斑，所述圆环光斑的内径大于10微米。

5.根据权利要求1所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述超表面透镜(30)包括基底层(31)和调制层(32)，所述调制层(32)包括多个纳米立柱(321)，所述纳米立柱(321)固定在所述基底层(31)的一侧表面上。

6.根据权利要求5所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述纳米立柱(321)的排列周期为所述激光器(10)的工作波长的一半。

7.根据权利要求5所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述纳米立柱(321)为圆柱体，所述圆柱体的直径大于等于100nm且小于等于600nm。

8.根据权利要求5所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所有所述超表面透镜(30)中至少包括一个分光透镜(50)，所述激光由所述激光器(10)直接入射到所述分光透镜(50)上，所述分光透镜(50)用于将所述激光分出不同的传播路径。

9.根据权利要求8所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述分光透镜(50)包括透射部(51)和反射部(52)，所述激光的至少一部分经过所述透射部(51)到达所述接收端面(22)，所述激光的至少另一部分被所述反射部(52)反射。

10.根据权利要求9所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述激光器(10)发出的所述激光入射到所述反射部(52)的光强占总光强的10％。

11.根据权利要求9所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述具有超表面透镜的光学系统还具有光电探测器(60)，被所述反射部(52)反射的所述激光入射到所述光电探测器(60)上。

12.根据权利要求11所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述具有超表面透镜的光学系统还包括基板(70)，所述光电探测器(60)与所述激光器(10)设置在所述基板(70)的同一表面上，所述分光透镜(50)设置在所述基板(70)远离所述激光器(10)的一侧表面。

13.根据权利要求12所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述接收光纤(20)的接收端面(22)与所述接收光纤(20)的延伸方向呈夹角设置，所述接收光纤(20)与所述超表面透镜(30)设置在所述基板(70)的同侧。

14.根据权利要求11所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述具有超表面透镜的光学系统还包括基板(70)，所述光电探测器(60)与所述激光器(10)设置在所述基板(70)的同一表面上，所述分光透镜(50)与所述激光器(10)位于所述基板(70)的同侧。

15.根据权利要求14所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述具有超表面透镜的光学系统还包括折光元件(80)，所述分光透镜(50)设置在所述折光元件(80)上。

16.根据权利要求15所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述折光元件(80)具有折光面(81)，所述折光面(81)用于改变所述激光的传输方向，所有所述超表面透镜(30)中至少包括一个聚焦透镜(40)，所述激光由所述聚焦透镜(40)出射后直接入射到所述接收端面(22)上，所述接收端面(22)与所述聚焦透镜(40)的距离大于所述聚焦透镜(40)的焦距，所述分光透镜(50)与所述聚焦透镜(40)设置在所述折光元件(80)相邻的两个表面上。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述超表面透镜(30)的一侧表面设置有基材，所述基材与所述超表面透镜(30)形成光学平板，

18.根据权利要求17所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述基材的厚度大于0.15mm且小于1mm。

19.根据权利要求17所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，

20.根据权利要求1至16中任一项所述的具有超表面透镜的光学系统，其特征在于，所述接收光纤(20)为多模光纤。

技术总结
本技术提供了一种具有超表面透镜的光学系统，包括：激光器；接收光纤，接收光纤的纤芯的至少一部分存在折射率波动，接收光纤用于接收激光器发出的激光；多个超表面透镜，超表面透镜设置在激光器到接收光纤之间的光路中，激光经过超表面透镜调制后在接收光纤的接收端面形成环状光斑，环状光斑与接收端面同轴设置。本技术解决了现有技术中光学系统光路复杂、光纤带宽利用率低的问题。

技术研发人员：史坦,马钊,孙磊
受保护的技术使用者：苏州山河光电科技有限公司
技术研发日：20230602
技术公布日：2024/1/15