CN103076659A - 多芯光纤光互联结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多芯光纤光互联结构，涉及光通信领域，该多芯光纤光互联结构包括阵列端、光波导、垂直耦合器、多芯光纤，光波导一端与阵列端相连，另一端与垂直耦合器相连，多芯光纤垂直于光波导放置在垂直耦合器上方；从阵列端入射的光信号沿光波导传播至垂直耦合器，传播方向改变90°，变为垂直于光波导的方向，耦合进多芯光纤相对应的纤芯中；从多芯光纤入射的光信号，经由垂直耦合器，传播方向改变90°，变为沿光波导方向传播的光束，经由光波导导引，耦合进入阵列端的光电探测器阵列。本发明工艺简单，成本较低，适合大规模生产，集成度较高，体积较小，提高了与多芯光纤互联的阵列器件摆放的自由度，使电路版设计变得更加简单。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别是涉及一种多芯光纤光互联结构。
背景技术
随着通信容量需求的逐步提升，在单位路径中传输的光信号越来越多，波分复用等技术已无法满足要求，多芯光纤技术因而得到重视。多芯光纤是在共同的包层区中存在多个纤芯的光纤，能够减少光纤的数量，对于体积要求很高的数据通信，有很好的应用前景。一般来说，光通信器件的阵列端在一条直线上，而多芯光纤的纤芯分布不在一条直线上，目前，将光信号从光通信器件的阵列端耦合进多芯光纤的常规方法是：采用自由空间光耦合器，将光通信器件阵列端的光信号耦合进入多芯光纤，采用熔融拉锥工艺制作，工艺非常复杂，体积较大，集成度较低，成本较高，不适合大规模生产，而且阵列端的端口分布必须与多芯光纤纤芯分布相似，在一定程度上限制了器件设计的自由度。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种多芯光纤光互联结构，工艺简单，成本较低，非常适合大规模生产，集成度较高，体积较小，提高了与多芯光纤互联的阵列器件摆放的自由度，使电路版设计变得更加简单。
本发明提供的多芯光纤光互联结构包括阵列端和多芯光纤，阵列端的端口分布入射的光通信器件阵列分布一致，呈一条直线，还包括光波导和用于将射入的光的方向改变90°的垂直耦合器，垂直耦合器的端口分布与多芯光纤的纤芯分布一致，光波导的一端与阵列端相连，另一端与垂直耦合器相连，多芯光纤垂直于光波导放置在垂直耦合器的上方；从阵列端入射的光信号沿光波导传播至垂直耦合器，垂直耦合器将光波导中光的传播方向改变90°，变为垂直于光波导的方向，耦合进垂直于光波导放置的多芯光纤相对应的纤芯中；从多芯光纤入射的光信号，经由垂直耦合器，传播方向改变90°，变为沿光波导方向传播的光束，并耦合进入光波导，光信号经由光波导导引，耦合进入阵列端的光电探测器阵列。
在上述技术方案中，所述垂直耦合器为反射斜面，从阵列端入射的光信号沿光波导传播到反射斜面，经过反射斜面的全反射，变为沿垂直于光波导的方向传播的光，进入垂直于光波导放置的多芯光纤相对应的纤芯中。
在上述技术方案中，所述反射斜面的倾斜角为40~60度。
在上述技术方案中，所述反射斜面采用聚焦离子束刻蚀、灰度掩膜或压印工艺制成。
在上述技术方案中，所述垂直耦合器的出射端口的长度≤多芯光纤的纤芯直径，宽度≤多芯光纤的纤芯直径，具体尺寸根据实际应用时的器件损耗要求设计：器件损耗包括光波导的传输损耗和垂直耦合器与多芯光纤纤芯之间的耦合损耗，通过波束传播法计算光波导的传输损耗，通过计算模场的重叠因子，得到垂直耦合器与多芯光纤纤芯之间的耦合损耗。
在上述技术方案中，所述垂直耦合器为垂直耦合光栅，从多芯光纤入射的光信号，经由垂直耦合光栅，在垂直耦合光栅的衍射作用下，变为沿光波导方向传播的光束，并耦合进入光波导，光信号经由光波导导引，耦合进入阵列端的光电探测器阵列。
在上述技术方案中，所述垂直耦合器的出射端口的长度≥多芯光纤的纤芯直径，宽度≥多芯光纤的纤芯直径，具体尺寸根据实际应用时的器件损耗要求设计：器件损耗包括光波导的传输损耗和垂直耦合器与多芯光纤纤芯之间的耦合损耗，通过波束传播法计算光波导的传输损耗，通过计算模场的重叠因子，得到垂直耦合器与多芯光纤纤芯之间的耦合损耗。
在上述技术方案中，所述垂直耦合器与多芯光纤纤芯之间放置有聚焦透镜或准直透镜和聚焦透镜组成的准直聚焦透镜***。
在上述技术方案中，所述光波导连接阵列端的一端宽度与阵列端端口宽度相等，光波导的宽度沿着光波导逐渐变化，光波导连接垂直耦合器的一端宽度与垂直耦合器端口宽度相等。
在上述技术方案中，所述多芯光纤光互联结构还包括晶圆衬底，所述阵列端、光波导、垂直耦合器均制作在晶圆衬底上。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
（1）本发明采用光波导器件，将光信号从阵列端耦合进多芯光纤，工艺简单，成本较低，非常适合大规模生产，克服了采用自由空间的光耦合器带来的工艺复杂、成本较高、不适合大规模生产的缺陷。
（2）光波导器件采用微纳工艺在半导体或聚合物材料上制作，可与其他器件（例如阵列端光源）集成，与使用自由空间光渐变耦合器相比，具有集成度较高、体积较小的优点。
（3）本发明降低了对阵列端光源位置分布的要求，阵列端的分布不需要与多芯光纤纤芯分布一致，只需在一条直线上即可，与使用自由空间光渐变耦合器相比，本发明提高了器件设计的自由度，电路版设计变得更加简单。
附图说明
图1是本发明实施例中多芯光纤光互联结构的示意图。
图2是垂直耦合器为反射斜面时将光波导中的光耦合进多芯光纤对应纤芯的示意图。
图3是垂直耦合器为垂直耦合光栅时将光波导中的光耦合进多芯光纤对应纤芯的示意图。
图中：1-阵列端，2-光波导，3-垂直耦合器，4-多芯光纤，5-晶圆衬底，6-反射斜面，7-垂直耦合光栅，8-光信号。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供一种多芯光纤光互联结构，包括阵列端1、光波导2、用于将射入的光的方向改变90°的垂直耦合器3、多芯光纤4、晶圆衬底5，阵列端1、光波导2、垂直耦合器3均制作在晶圆衬底5上，光波导2的一端与阵列端1相连，另一端与垂直耦合器3相连，多芯光纤4垂直于光波导2放置在垂直耦合器3的上方。阵列端1的端口分布入射的光通信器件阵列分布一致，呈一条直线，垂直耦合器3的端口分布与多芯光纤4的纤芯分布一致。垂直耦合器3为垂直耦合光栅或反射斜面。参见图2所示，从阵列端1入射的光信号8沿光波导2传播至垂直耦合器3，垂直耦合器3将光波导2中光的传播方向改变90°，变为垂直于光波导2的方向，耦合进垂直于光波导2放置的多芯光纤4相对应的纤芯中；参见图3所示，从多芯光纤4入射的光信号8，经由垂直耦合器3，传播方向改变90°，变为沿光波导2方向传播的光束，并耦合进入光波导2，光信号8经由光波导2导引，耦合进入阵列端1的光电探测器阵列。
下面以阵列端入射的光信号耦合进多芯光纤为例进行说明。
参见图1所示，射入阵列端1的信号来自垂直腔面发射激光器阵列，7个端口垂直腔面发射激光器在一条直线上，间隔为250μm，每个端口的宽度为50um，阵列端1发射的光信号进入光波导2，参见图2所示，阵列端1的端口分布与入射的光通信器件阵列分布一致，在一条直线上，光波导2的宽度沿着光波导从50μm渐变到6μm，光波导2将阵列端1射出的光信号8导引至垂直耦合器3，垂直耦合器3的端口长度和宽度均为6μm，垂直耦合器3的端口分布与多芯光纤4的纤芯分布一致，呈二维分布（不在一条直线上），多芯光纤4的纤芯端口直径为8μm，端口间隔38μm，多芯光纤垂直于光波导2放置在垂直耦合器3的上方。
参见图2所示，阵列端1、光波导2、垂直耦合器3均固定在晶圆衬底5上，垂直耦合器为反射斜面6，反射斜面6的倾斜角为40~60度，优选为45度，反射斜面6采用聚焦离子束刻蚀、灰度掩膜或压印工艺制成。参见图3所示，沿光波导2传播到反射斜面6的光信号8，经过反射斜面6的全反射，变为沿垂直于光波导2的方向传播的光，进入垂直于光波导2放置的多芯光纤4相对应的纤芯中。
为了提高垂直耦合器3与多芯光纤4的纤芯的耦合效率，垂直耦合器3的出射端口的长度≤多芯光纤4的纤芯直径，宽度≤多芯光纤4的纤芯直径，具体尺寸可根据实际应用时的器件损耗要求设计，器件损耗包括光波导2的传输损耗和垂直耦合器3与多芯光纤4纤芯之间的耦合损耗，可以通过BPM（Beam Propagation Method，波束传播法）计算光波导2的传输损耗，通过计算模场的重叠因子，得到垂直耦合器3与多芯光纤4纤芯之间的耦合损耗。
为了进一步减少垂直耦合器3与多芯光纤4纤芯之间的耦合损耗，可以在垂直耦合器3与多芯光纤4纤芯之间放置聚焦透镜，也可在垂直耦合器3与多芯光纤4纤芯之间放置准直透镜和聚焦透镜组成的准直聚焦透镜***，先通过准直透镜将出射的光束准直，再利用聚焦透镜将准直后的光束聚焦到多芯光纤4的纤芯，准直透镜和聚焦透镜组成的准直聚焦透镜***可利用ZEMAX（一种常用的光学设计软件）软件辅助设计，其他减少耦合损耗的方法也同样适用，并不限于准直聚焦透镜***。
下面以多芯光纤入射的光信号耦合进阵列端为例进行说明。
参见图1所示，阵列端1为光电探测器阵列，7个端口在一条直线上，间隔为250μm，每个端口的宽度为50um，多芯光纤4的纤芯直径为8μm，多芯光纤4垂直于光波导2放置在垂直耦合器3的上方，多芯光纤4发射的光信号入射到垂直耦合器3上，垂直耦合器3端口的长度和宽度均为20um，参见图2所示，垂直耦合器3的端口分布分布与多芯光纤4的纤芯分布一致。
参见图3所示，阵列端1、光波导2、垂直耦合器3均固定在晶圆衬底5上，垂直耦合器3为垂直耦合光栅7，垂直耦合光栅7的优化设计可以采用严格耦合波分析方法，利用camfer或有限时域差分FDTD计算软件实现。多芯光纤4入射的光信号耦合进阵列端1的过程，与阵列端1入射的光信号耦合进多芯光纤4的过程相似：从多芯光纤4入射的光信号8，经由垂直耦合光栅7，在垂直耦合光栅7的衍射作用下，变为沿光波导2方向传播的光束，并耦合进入光波导2，光波导2的宽度由20um渐变到50um，光信号8经由光波导2导引，耦合进入阵列端1的光电探测器阵列。
为了提高垂直耦合器3与多芯光纤4的纤芯的耦合效率，垂直耦合器3的端口的长度≥多芯光纤4的纤芯直径，宽度≥多芯光纤4的纤芯直径，具体尺寸可根据实际应用时的器件损耗要求设计。器件损耗包括光波导2的传输损耗和垂直耦合器3与多芯光纤4纤芯之间的耦合损耗，可以通过BPM计算光波导2的传输损耗，通过计算模场的重叠因子，得到垂直耦合器3与多芯光纤4纤芯之间的耦合损耗。
为了进一步减少垂直耦合器3与多芯光纤4纤芯之间的耦合损耗，可以在垂直耦合器3与多芯光纤4纤芯之间放置聚焦透镜，也可在垂直耦合器3与多芯光纤4纤芯之间放置准直透镜和聚焦透镜组成的准直聚焦透镜***，先通过准直透镜将出射的光束准直，再利用聚焦透镜将准直后的光束聚焦到多芯光纤4的纤芯，准直透镜和聚焦透镜组成的准直聚焦透镜***可利用ZEMAX软件辅助设计，其他减少耦合损耗的方法也同样适用，并不限于准直聚焦透镜***。
如果阵列端1端口的宽度与垂直耦合器3端口的宽度不一致，可以采用渐变光波导2宽度的方式实现，光波导2连接阵列端1的一端宽度与阵列端1端口宽度相等，光波导2的宽度沿着光波导2逐渐变化，最后光波导2连接垂直耦合器3的一端宽度与垂直耦合器3端口宽度相等。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型属在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种多芯光纤光互联结构，包括阵列端（1）和多芯光纤（4），阵列端（1）的端口分布入射的光通信器件阵列分布一致，呈一条直线，其特征在于：还包括光波导（2）和用于将射入的光的方向改变90°的垂直耦合器（3），垂直耦合器（3）的端口分布与多芯光纤（4）的纤芯分布一致，光波导（2）的一端与阵列端（1）相连，另一端与垂直耦合器（3）相连，多芯光纤（4）垂直于光波导（2）放置在垂直耦合器（3）的上方；从阵列端（1）入射的光信号（8）沿光波导（2）传播至垂直耦合器（3），垂直耦合器（3）将光波导（2）中光的传播方向改变90°，变为垂直于光波导（2）的方向，耦合进垂直于光波导（2）放置的多芯光纤（4）相对应的纤芯中；从多芯光纤（4）入射的光信号（8），经由垂直耦合器（3），传播方向改变90°，变为沿光波导（2）方向传播的光束，并耦合进入光波导（2），光信号（8）经由光波导（2）导引，耦合进入阵列端（1）的光电探测器阵列。
2.如权利要求1所述的多芯光纤光互联结构，其特征在于：所述垂直耦合器（3）为反射斜面（6），从阵列端（1）入射的光信号（8）沿光波导（2）传播到反射斜面（6），经过反射斜面（6）的全反射，变为沿垂直于光波导（2）的方向传播的光，进入垂直于光波导（2）放置的多芯光纤（4）相对应的纤芯中。
3.如权利要求2所述的多芯光纤光互联结构，其特征在于：所述反射斜面（6）的倾斜角为40~60度。
4.如权利要求2所述的多芯光纤光互联结构，其特征在于：所述反射斜面（6）采用聚焦离子束刻蚀、灰度掩膜或压印工艺制成。
5.如权利要求2所述的多芯光纤光互联结构，其特征在于：所述垂直耦合器（3）的出射端口的长度≤多芯光纤（4）的纤芯直径，宽度≤多芯光纤（4）的纤芯直径，具体尺寸根据实际应用时的器件损耗要求设计：器件损耗包括光波导（2）的传输损耗和垂直耦合器（3）与多芯光纤（4）纤芯之间的耦合损耗，通过波束传播法计算光波导（2）的传输损耗，通过计算模场的重叠因子，得到垂直耦合器（3）与多芯光纤（4）纤芯之间的耦合损耗。
6.如权利要求1所述的多芯光纤光互联结构，其特征在于：所述垂直耦合器（3）为垂直耦合光栅（7），从多芯光纤（4）入射的光信号（8），经由垂直耦合光栅（7），在垂直耦合光栅（7）的衍射作用下，变为沿光波导（2）方向传播的光束，并耦合进入光波导（2），光信号（8）经由光波导（2）导引，耦合进入阵列端（1）的光电探测器阵列。
7.如权利要求6所述的多芯光纤光互联结构，其特征在于：所述垂直耦合器（3）的出射端口的长度≥多芯光纤（4）的纤芯直径，宽度≥多芯光纤（4）的纤芯直径，具体尺寸根据实际应用时的器件损耗要求设计：器件损耗包括光波导（2）的传输损耗和垂直耦合器（3）与多芯光纤（4）纤芯之间的耦合损耗，通过波束传播法计算光波导（2）的传输损耗，通过计算模场的重叠因子，得到垂直耦合器（3）与多芯光纤（4）纤芯之间的耦合损耗。
8.如权利要求1至7中任一项所述的多芯光纤光互联结构，其特征在于：所述垂直耦合器（3）与多芯光纤（4）纤芯之间放置有聚焦透镜或准直透镜和聚焦透镜组成的准直聚焦透镜***。
9.如权利要求1至7中任一项所述的多芯光纤光互联结构，其特征在于：所述光波导（2）连接阵列端（1）的一端宽度与阵列端（1）端口宽度相等，光波导（2）的宽度沿着光波导（2）逐渐变化，光波导（2）连接垂直耦合器（3）的一端宽度与垂直耦合器（3）端口宽度相等。
10.如权利要求1至7中任一项所述的多芯光纤光互联结构，其特征在于：所述多芯光纤光互联结构还包括晶圆衬底（5），所述阵列端（1）、光波导（2）、垂直耦合器（3）均制作在晶圆衬底（5）上。
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