一種耦合器的製作方法
2023-10-04 00:35:24 3
本發明涉及光通信領域，尤其涉及一種耦合器。
背景技術：
光通信領域中，由於光纖截面與平面介質光波導截面形狀、面積不同，為了提高光在光纖及平面介質光波導之間的耦合效率，現有技術在光纖及平面介質光波導之間設置一耦合器。
由於光的傳播具有可逆性，現以光從平面介質光波導進入光纖為例。圖1為現有技術提供的一種發光單元與光纖連接結構示意圖。如圖1所示，光纖101與發光單元104之間設置有耦合器102及平面介質光波導103。發光單元104發出的光進入平面介質光波導103，經平面介質光波導103傳輸至耦合器102中，光在耦合器102中被放大光斑面積後進入光纖101。
圖2為圖1所示發光單元與光纖連接結構的立體圖。如圖2所示，耦合器與光纖進行對接時，光纖截面面積大於耦合器的截面面積，通過耦合器進出的光的光斑形狀、面積與光纖截面的形狀、不同。
圖3為圖1、圖2所示的耦合器結構示意圖。為了減少耦合損耗，現有技術在平面介質光波導及光纖之間加入圖3所示的耦合器。
如圖3所示，現有技術提供的耦合器包括內部的芯層302及外部的包層301，包層301完全包裹芯層302。芯層302的折射率高於包層301的折射率，光從芯層302射向包層301時發生全反射，光從而被約束在芯層302中傳播。由於採用平面光波導技術製作耦合器，包層301的一側表面303為平面；耦合器的芯層302為梯形體，沿光在芯層302中的傳播方向，芯層空間逐漸變化。物理形態為梯形體的芯層302無法製作成正規則體，所以從不同位置截取的耦合器芯層的截面，其面積不同。
光的光斑形狀、面積越接近光纖截面的形狀、面積，耦合損耗越小。如圖2、圖3所示，現有技術提供的耦合器，芯層一端的截面為正方形，其與平面介質光波導的截面形狀、面積相同，光從平面介質光波導進入耦合器一端，不會造成耦合損耗。光在耦合器芯層中傳播，當光經過耦合器芯層另一端時，由於耦合器芯層另一端截面為長方形，光從長方形截面出射時，其光斑形狀為橢圓形。與原始光的光斑相比，從長方形截面出射的光，其光斑形狀、面積更接近與光纖截面，通過改變光的光斑形狀，使得光斑形狀接近光纖截面形狀，實現降低耦合損耗的目的。但是由於從長方形截面出射的光，其光斑形狀、面積仍與光纖截面不同，所以耦合損耗仍然存在。
技術實現要素：
本發明實施例提供了一種耦合器，使進出耦合器的光具有圓形光斑。
為了實現上述發明目的，本發明實施例採用如下技術方案：
本發明實施例提供一種耦合器，包括第一光斑縮放區及第二光斑縮放區；
第一光斑縮放區包括第一介質及包裹第一介質的第二介質；
第一介質的折射率大於第二介質的折射率；
第一介質包括一正方形表面及一長方形表面，光分別通過正方形表面及長方形表面進出第一介質，長方形表面的面積大於正方形表面的面積；
第二光斑縮放區位於第一介質的長方形表面一側；
第二光斑縮放區包括混合介質及均勻介質，混合介質與均勻介質間隔設置；
混合介質包括第三介質及包裹第三介質的第四介質；
第三介質的折射率大於第四介質的折射率。
利用本發明實施例提供的耦合器，光斑為圓形的光從正方形表面進入第一介質；第二介質包裹第一介質，第二介質的折射率小於第一介質的折射率，利用光的全反射可以將光約束在第一介質中傳播；當光從第一介質的長方形表面出射時，光被長方形表面約束，光斑形狀變為橢圓形，橢圓形光斑長軸方向的光與短軸方向的光相比，短軸方向的光具有更大的發散角，當光繼續傳播進入第二光斑縮放區時，第二光斑縮放區的混合介質約束光的發散，第二光斑縮放區的均勻介質不約束光的發散，光在經過間隔設置的混合介質以及均勻介質過程中，光斑形狀由橢圓形變為圓形。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為現有技術提供的一種發光單元與光纖連接結構示意圖；
圖2為圖1所示發光單元與光纖連接結構的立體圖；
圖3為圖1、圖2所示的耦合器結構示意圖；
圖4為耦合器製作結構圖；
圖5為本發明實施例提供的一種耦合器；
圖6為圖5所示耦合器的剖面圖；
圖7為圖5所示耦合器的立體圖；
圖8為初始光斑示意圖；
圖9為經過圖3所示耦合器放大後的光斑示意圖；
圖10為利用本發明實施例提供的耦合器傳光示意圖；
圖11為利用本發明實施例提供的耦合器放大後的光斑示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
光通信領域中，發光單元發出的光需要進入光纖，通過光纖進行傳播。然而，發光單元的調製機制以及封裝機制使得發光單元與光纖之間存在一定的空間距離，發光單元發出的光需要通過這一空間距離才能進入光纖；同樣的，通過光纖傳來的光需要進入光探測單元，以實現對光信號的接收，然而，光探測單元的調製機制以及封裝機制使得光纖與光探測單元之間存在一定的空間距離，光纖傳來的光需要通過這一空間距離才能進入光探測單元。
由於平面介質光波導可以實現對光的靈活導向，而且體積微小，所以在這一空間距離中，往往採用平面介質光波導進行填充。平面介質光波導的內部芯層與外部包層具有不同的折射率，光由內部芯層射向外部包層時會發生全反射，從而將光約束在內部芯層中傳播。
光在介質中傳輸，若光的電磁場分布與介質所傳播的光的電磁場分布一致時，即光的模式與介質的傳輸模一致時，光耦合效率最高，不會造成光能量的耦合損耗，反之，若光的模式與介質的傳輸模不一致時，光耦合效率低，會造成光能量的耦合損耗。
本申請在光的總能量不變的情況下，通過改變光斑形狀以改變光的電磁場分布，從而提高耦合效率。
非均勻介質的物理形態影響非均勻介質的傳輸模。光波導為一種常見的非均勻介質，利用光波導進行光傳輸時，光在光波導的芯層傳播，芯層截面的形狀及面積影響經過芯層的光的電磁場分布。
常見的介質中，均勻介質不具有特定的傳輸模，任何模式的光耦合進均勻介質，都不會造成耦合損耗；而非均勻介質具有特定的傳輸模，若光的模式與非均勻介質的傳輸模不一致，光耦合進非均勻介質會造成耦合損耗。
光的總能量及光斑形狀影響光的電磁場分布。與改變光的總能量相比，通過改變光斑形狀從而改變光的電磁場分布，更能達到節省光能量的目的。故而，現有技術中大多採用光的總能量不變、光斑形狀改變的方式，以改變光的電磁場分布。
具體地，原始光的光斑形狀為圓形，若芯層截面的形狀為光斑圓形的外切正規則形，則光波導的傳輸模與原始光的模式相同，光可以無損耗的耦合進芯層；若芯層截面的形狀不為光斑圓形的外切正規則形，則光波導的傳輸模與原始光的模式不相同，光進入芯層時會造成耦合損耗。
常見的光斑圓形的外切正規則形為正方形、圓形、正五邊形、正六邊形等。經過正方形芯層截面的光，其光斑為正方形的外接圓形；經過長方形芯層截面的光，其光斑為長方形的外接橢圓形。
以原始光在光纖中傳輸為例，若原始光的光斑形狀、面積與光纖截面的形狀、面積一致，則原始光的模式與光纖的傳輸模一致，不會造成光能量的耦合損耗；若原始光的光斑形狀與光纖截面的形狀不同，光斑面積大於截面的面積，原始光的模式與光纖的傳輸模不一致，原始光受光纖物理性狀的限制，其形狀及面積發生改變，從而適應光纖的傳輸模，在此改變過程中，原始光的能量丟失，造成了耦合損耗；當光進入芯層時，通過丟失光能量的方式，光改變了自身的光斑形狀，使自身的光斑形狀為芯層截面的外接圓或外接橢圓，通過光斑形狀、面積的改變，光的傳輸模式發生了改變，從而符合光波導的傳輸模，所丟失的光能量即為造成的耦合損耗。
光的光斑形狀、面積越接近光纖截面的形狀、面積，即光斑的形狀、面積完全落在光纖截面的形狀和面積內時，耦合損耗越小。
圖5為本發明實施例提供的一種耦合器。如圖5所示，本發明實施例提供的耦合器包括第一光斑縮放區A及第二光斑縮放區B。
第一光斑縮放區A包括第一介質（圖5未示出）及包裹第一介質的第二介質502；
第一介質位於第一光斑縮放區的內部，由第二介質包裹，所以圖5所示的平面圖無法示出第一介質。
具體而言，第二介質可以包括至少兩種介質。第二介質可以採用平面光波導技術製作而成，如圖4所示，由平面介質光波導技術製作成的第二介質，其包括兩種介質a、c。
第一介質的折射率大於第二介質的折射率；
利用本發明實施例提供的耦合器進行光傳輸時，具體而言，當光在第一光斑縮放區傳輸時，光首先進入第一介質，光從第一介質射向第二介質時，利用不同折射率介質間的光全反射原理，光在第一介質與第二介質的相交面發生全反射，光不會折射進入第二介質，從而繼續在第一介質中傳輸。
第一介質包括一正方形表面及一長方形表面，光分別通過正方形表面及長方形表面進出第一介質，長方形表面的面積大於正方形表面的面積；
具體的，第一介質可以是一梯形體，長方形表面與正方向表面平行，光在相互平行的長方形表面與正方形表面之間傳播。
本發明實施例提供的耦合器，其採用平面光波導技術製作而成。圖4為平面光波導技術製作結構圖。如圖4所示，在製作過程中，首先在平面襯底上沉積生長一層折射率相對較小的材料a，然後在材料a上沉積生長一層折射率相對較大的材料b，材料a構成光波導的下包層，材料b構成平面介質光波導的芯層，通過對材料b蝕刻形成光波導需要的形狀，然後在材料b上覆蓋一層折射率相對較小的材料c，材料c構成光波導的上包層，材料c可以與材料b為相同材料。材料a與材料c形成包裹材料b的包層。
由於採用平面光波導技術製作，其截面形狀必然有一條邊為直線。實際使用過程中，平面介質光波導為柱形體，其截面為多邊形，常見的截面形狀為正方形、長方形及梯形。本發明實施例中提供的耦合器，由於採用了平面光波導技術製作，所以其第一介質包括一正方形表面及一長方形表面。
利用平面介質光波導進行光傳輸時，光首先進入芯層，當光從芯層射向上包層或下包層時，由於芯層的折射率均大於上包層、下包層的折射率，所以光會在芯層與上包層的交界面或芯層與下包層的交界面發生全反射，光從而被限制在光波導的芯層中傳播。
光只在第一介質中傳輸，垂直於光的傳輸方向在不同位置對第一介質進行截面，得到的截面不相同；光通過正方形表面及長方形表面進出第一介質，第一介質包括一正方形表面及一長方形表面，由於長方形表面的面積大於正方形表面的面積，所以從正方形表面出入的光的光斑面積小於從長方形表面出入的光的光斑面積。
第一光斑縮放區及第二光斑縮放區均由平面光波導技術製作而成。第一光斑縮放區及第二光斑縮放區可以一體成型，也可以分開製作。分開製作的第一光斑縮放區及第二光斑縮放區，在對接時，難以實現無縫對接，光會從縫隙處發散，影響了光的傳播效率，故而一般採用一體成型技術製作第一光斑縮放區及第二光斑縮放區，以使得第一光斑縮放區及第二光斑縮放區之間沒有縫隙。
第二光斑縮放區位於第一介質的長方形表面一側；
由於光的傳播方向是可逆的，光從第一光斑縮放區射入第二光斑縮放區是對光斑進行放大的過程，則光從第二光斑縮放區射入第一光斑縮放區是對光斑進行縮小的過程，所以根據實際中對光的處理需要，選擇利用耦合器實現光斑的放大或縮小。
第二光斑縮放區位於第一介質的長方形表面一側，第二光斑縮放區位於第一光斑縮放區的一側。以光從第一光斑縮放區射入第二光斑縮放區為例，按照此光的傳輸方向，第一光斑縮放區實現了對光斑的放大，第二光斑縮放區要在第一光斑縮放區的基礎上繼續對光斑進行放大，所以第二光斑縮放區不僅位於第一光斑縮放區的一側，而且第二光斑縮放區靠近第一介質長方形表面，第二光斑縮放區接收第一介質長方形表面傳出的光。
第二光斑縮放區包括混合介質及均勻介質，混合介質與均勻介質間隔設置。
混合介質包括第三介質及包裹第三介質的第四介質；
第三介質的折射率大於第四介質的折射率。
混合介質包括第三介質及包裹第三介質的第四介質，具體而言，混合介質包括至少兩種介質。
混合介質可以採用平面光波導技術製作而成，如圖4所示，由平面介質光波導技術製作成的混合介質，其芯層b由兩種介質a、c包裹。
光從第三介質射向第四介質時，利用不同折射率介質間的光全反射原理，光在第三介質與第四介質的相交面發生全反射，光不會折射進入第四介質，從而繼續在第三介質中傳輸。
均勻介質與混合介質間隔設置，光穿過均勻介質後進入混合介質，光穿過混合介質後進入均勻介質。
光從第一介質的長方形表面出射後，首先進入均勻介質或是混合介質均可。
混合介質的數量可以是一個，也可是多個；均勻介質的數量可以是一個，也可以是多個。
混合介質的厚度規律性變化。具體地，混合介質可以在朝向第一光斑縮放區方向，其厚度依次增大，也可以在背向第一光斑縮放區方向，其厚度依次增大。
均勻介質的厚度規律性變化。均勻介質可以在朝向第一光斑縮放區方向，其厚度依次減小，也可以在背向第一光斑縮放區方向，其厚度依次減小。
混合介質的厚度變化，依次增大可以是線性的變化，也可以是非線性的變化；均勻介質的厚度變化，依次減小可以是線性的變化，也可以是非線性的變化。
光在混合介質與均勻介質中依次傳播過程中，混合介質的厚度規律性的依次變化，可以精確控制混合介質對光斑的影響程度；均勻介質的厚度規律性的依次變化，可以精確控制均勻介質對光斑的影響程度。
圖10為利用本發明實施例提供的耦合器傳光示意圖。如圖10所示，光沿a方向傳播，光斑的初始直徑小於放大後的直徑，本發明實施例提供的耦合器實現了光斑的放大，按照光傳播的可逆性，光沿a方向的逆向傳播，可以實現對光斑的縮小。
圖11為利用本發明實施例提供的耦合器放大後的光斑示意圖。如圖11所示，對圖8所示的光進行放大，得到的光斑為圓形，直徑為五個格線距離。
均勻介質的厚度與光的波長處於同一數量級。
混合介質的厚度與光的波長處於同一數量級。
數量級指一系列 10 的冪，即相鄰兩個數量級之間的比為 10。當光的波長與傳輸光的介質厚度相差數個數量級時，在解析介質對光的傳播影響時，一般採用幾何光學原理；而當光的波長與傳輸光的介質厚度處於同一個數量級時，光的電磁波特性對解析介質對光的傳播影響十分顯著，從幾何光學原理理解具有很大的局限。
光在均勻介質中會向四周立體發散，光的發散會減弱主光軸周圍光的能量，當光在均勻介質中傳播的路徑較長時，光的過度發散使得光無法在光探測器上形成滿足信號傳輸的要求的能量反應。
一般而言，均勻介質的厚度與光的波長處於同一個數量級，光在均勻介質中的發散不會造成上述問題。
利用本發明實施例提供的耦合器，光斑為圓形的光從正方形表面進入第一介質；第二介質包裹第一介質，第二介質的折射率小於第一介質的折射率，利用光的全反射可以使光保持在第一介質中傳播；當光從第一介質的長方形表面出射時，光被長方形表面約束，光斑形狀變為橢圓形；橢圓形光斑長軸方向的光與短軸方向的光相比，短軸方向的光具有更大的發散角；當光繼續傳播進入第二光斑縮放區時，第二光斑縮放區的混合介質約束光的發散，第二光斑縮放區的均勻介質不約束光的發散，光在經過間隔設置的混合介質以及均勻介質過程中，光斑形狀由橢圓形變為圓形。
光從正方形表面進入第一光斑縮放區，從長方形表面射出，在第一光斑縮放區實現了對光斑形狀的縮放，該縮放過程改變了光的發散角，通過長方形表面出射的光的光斑形狀為橢圓形，橢圓形長軸方向的光，其發散角較大，橢圓形短軸方向的光，其發散角較大。
發散角體現了光的傳播方向偏離光軸的程度，發散角越大，光的傳播方向偏移光軸的程度越大。
從第一光斑縮放區長方形表面出射的光，其光斑為橢圓形，光的發散角度不一致。若光繼續在均勻介質中傳播，由於橢圓形短軸方向的光，其發散角度較大，隨著光傳播一定的距離，橢圓形光斑能夠變為圓形光斑，但是在均勻介質中傳播的光，其發散速度較快，待光斑由橢圓形變為圓形，圓形光斑的面積過大，導致光斑面積中，單位面積的光強度過小。過小的光強度超出了光探測器的靈敏度，這種光目前無法用於信號傳輸。
光從第一光斑縮放區進入第二光斑縮放區，第二光斑縮放區間隔設置混合介質及均勻介質，混合介質包括第三介質及包裹第三介質的第四介質，第三介質的折射率大於第四介質的折射率，光進入混合介質時，混合介質約束光的發散角度及發散速度，光進入均勻介質時，均勻介質不約束光的發散角度及發散速度，光穿過間隔設置的混合介質及均勻介質，在混合介質中被約束，在均勻介質中不被約束，在避免快速發散的同時，使得橢圓形的光斑逐步變為圓形光斑。
圖6為圖5所示耦合器的剖面圖。如圖6所示，沿垂直於光的傳播方向對圖5所示的耦合器進行剖面，耦合器的第一光斑縮放區包括第一介質501及包裹第一介質501的第二介質502。
第一介質501為一梯形體，光在梯形體相互平行的兩個方形表面間傳輸時，光斑會發生縮放。
第二光斑縮放區中，混合介質包括第三介質503及第四介質504，第四介質504包裹第三介質503。在混合介質的兩側為均勻介質505，在均勻介質505的兩側為混合介質。
圖7為圖5所示耦合器的立體圖。為了便於展示，第二光斑縮放區只示出了混合介質，混合介質之間的均勻介質沒有示出。如圖7所示，混合介質中，第三介質503由第四介質504包裹；第一光斑縮放區中，第一介質501由第二介質502包裹。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。