一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器

摘要

本发明涉及一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器。该转换器包括单模光纤、一段带有球透镜的无芯光纤和矩形光波导，单模光纤端面连接一段带球透镜的无芯光纤，光波导端面与球透镜之间保持一段有效距离。单模光纤轴心、无芯光纤轴心和光波导轴心保持在同一水平直线上。该模式转换器能够变换单模光纤输出高斯光束，使其光能量几乎全部耦合进光波导基模中，达到光波导模式转换功能，减小光波导散射损耗及模式串扰，提高通信质量。

说明书

技术领域

本发明涉及光背板互连技术领域，提出了一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器。

背景技术

近年来，随着宽带通信、超级计算机及大数据中心等领域对高速带宽(50Gbps以上)的迫切需求，基于光波导互连的光背板技术成为国内外研究热点，因具有高带宽、低能耗、无电磁干扰、低成本等优势，极有可能成为未来子板与背板、背板内、模块间的主流通信方式。

在现有的技术中，芯径为50μm×50μm的多模矩形光波导是常用结构，这源自于它制备工艺简单、容易集成、与光器件高效耦合等诸多优点。然而，由于现有制备工艺还未完善，其光波导芯层表面粗糙度较高，在传输过程中不但会造成较大散射损耗，而且也会引起导模之间的模式串扰问题，从而降低光波导的传输特性，由此提高光信息的误码率，大大降低通信质量。单模光波导在一定程度上可以较好地降低散射损耗、解决模式串扰问题，但此结构又会降低光源-光纤之间的耦合效率，况且单模光波导制备工艺更为精细复杂，从而在某种程度上增加了技术难度。诚然，优化光波导制备工艺是一个永恒的技术前进方向，但在现有技术下如何克服多模光波导所带来的散射损耗与模式串扰问题，是非常必要而又极具现实意义。

目前，在理论和技术上还未有一个成熟的方案来解决上述问题，有鉴于此，发展一种简单有效提高光波导传输特性的技术方案势在必行。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提出一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器，以解决单模光纤-光波导耦合时，由于光波导的多模结构所造成的较大散射损耗(受粗糙度影响)及模式串扰(多个模式携带能量)问题，提高通信质量。

根据上述发明目的，本发明的构思为：

一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器，包括单模光纤、一段带有球透镜的无芯光纤及光波导，无芯光纤平面端可与单模光纤输出端平行对接或熔接，无芯光纤球面顶点正对光波导输入端面且具有一定距离，单模光纤轴心、无芯光纤轴心与光波导轴心在一条直线上。其技术原理如下：1)采用优化设计的一段带有球透镜的无芯光纤来变换单模光纤输出高斯光束，使其在光波导入射端的束腰半径符合光学优化设计需求；2)在这种结构下，光能量几乎耦合进光波导基模中，达到光波导模式转换的目的，可以进一步减小光波导的散射损耗(受粗糙度影响)，也可以解决模式串扰(多个模式携带能量)问题，提高通信质量。有两种形式将其封装：1)将空芯光纤球透镜置于一种特殊设计的适配器圆形凹槽中，适配器圆形凹槽半径等于无芯光纤球半径，适配器入射端开有阶梯状凹槽，凹槽尺寸与光纤跳线相匹配，从而使光纤球平面端与光纤跳线出射端实现无缝对接。适配器出射端与球面端相切且贴合球面开有凹槽，凹槽宽度应大于高斯光束2倍的束腰半径；同时，也可以根据光纤阵列(如MT或MPO跳线)尺寸，加工成容纳带有球透镜的无芯光纤阵列的多路适配器，实现光纤阵列与光波导阵列多路光学通道耦合连接。2)无芯光纤与单模光纤熔接后，再将空芯光纤球透镜置于长方体适配器圆形凹槽中，适配器圆形凹槽半径等于无芯光纤球半径，适配器另一端为圆形通道，其半径匹配单模光纤半径，能够使单模跳线无缝隙穿过，适配器出射端与球面端相切且贴合球面开有凹槽，凹槽宽度应大于高斯光束2倍的束腰半径，最后再胶结以至结构固定；此外，也可以将熔接后的球透镜封装进特殊设计的类MT或类MPO跳线头中，组合成一种特殊用途的类MT或类MPO光纤跳线。其应用形态如下：一是，带有球透镜的无芯光纤或无芯光纤阵列封装后可作为独立的光学器件，二是，可与传统光纤跳线或光纤阵列集成组合而成一种特殊用途的光纤跳线或光纤阵列。

工作原理

1.单模光纤-光波导耦合特性

图1显示了单模光纤-光波导是常见的光背板互连系统的耦合结构。设ω₁为单模光纤的高斯模场半径，在弱导近似条件下，单模光纤输出光场ψ₁可近似为归一化高斯光束

设ψ_mn(x,y)为光波导模式序数为(m，n)的归一化模场，单模光纤到光波导模式的耦合效率η_mn可表示为

图2给出了光波导各阶模式的耦合效率随ω₁的变化关系，表明光波导基模耦合效率随ω₁增加先增加再减小，而光波导高阶模式的耦合效率先增加再减小、随之再增加，当ω₁约为17μm时，单模光纤中的能量几乎全部耦合进光波导基模中。

由光波导受粗糙度造成的散射损耗公式，可求得光波导散射损耗随ω₁的变化特性，如图3所示。在光波导长度为30cm时，光波导模式散射损耗随ω₁增加先减小再增加，当ω₁约为17μm时，光波导散射损耗达到最小。同时，图3又显示了，当ω₁为17μm时，光波导受粗糙度影响的总散射损耗达到最小。

但现实中的单模光纤ω₁难以达到17μm，必须对单模光纤的输出光进行光学变换，达到模场半径匹配的目的。

2.带有球透镜的无芯光纤提高光波导的传输特性

图4为一段带有球透镜的无芯光纤来变换单模光纤输出高斯光束的结构示意图，无芯光纤平面端可与单模光纤输出端平行对接或熔接，无芯光纤长度为L₁，球面顶点正对光波导输入端且相距L₂，球半径为R，球透镜材料的折射率为n₁，球透镜与光波导间隙材料的折射率为n₂。单模光纤轴心、无芯光纤轴心和光波导轴心在一条直线上。平面1处的模场ψ₁(ω₁为模场半径，R₁为模场波前曲率半径，k₁＝2πn₁/λ₀)及平面2处的模场ψ₂(ω₂为模场半径，R₂为模场波前曲率半径，k₂＝2πn₂/λ₀)可表示为

ψ₁和ψ₂的关系可以通过ABCD定律来建立

R₁值为∞，要求变换后的R₂值也为无穷大，说明高斯光束完全是准直的，如此可以使单模光纤输出光能量尽可能耦合进光波导基模中。通过(5)式可优化得到带有球透镜的无芯光纤参数组合(R,L₁,L₂)具体数值，以满足变换得到的高斯光束ω₂(＝17μm)理论优化设计值。图5给出了ω₂为14μm、15μm、16μm、17μm、18μm时随参数组合(R,L₁)变化的等高线图，表1进一步给出了满足ω₂＝17μm时的几组参数组合(R,L₁,L₂)。

表1当ω2＝17μm时的参数组合(R,L₁,L₂)

R(μm)L₁(μm)L₂(μm)ω₂(μm)12520094716.98130212100017.04135225110016.94140236120017.01

以上仿真结果所采用的光学参数为：λ₀＝850nm，n₁＝1.45，n₂＝1.0，光波导芯层折射率n_c为1.51，光波导包层折射率为1.48，粗糙度为100nm。

根据上述发明构思，本发明采用以下技术方案：

一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器，包括单模光纤(1)、一段带有球透镜的无芯光纤(2)和矩形光波导(3)，其特征在于所述单模光纤(1)端面连接一段带球透镜的无芯光纤(2)，光波导(3)端面与球透镜之间保持L₂距离。单模光纤(1)轴心、无芯光纤(2)轴心和光波导(3)轴心保持在同一水平直线上。工作原理上，经过光学变换的高斯光束几乎全部耦合进光波导基模中，既可降低光波导受粗糙度的散射损耗，又可解决模式串扰问题，提高通信质量。这种光波导模式转换器封装进一种特殊设计的适配器中，能够提高光波导的传输特性。其应用形态为，既可作为独立的光学器件，又可与传统光纤跳线集成组合而成一种特殊用途的光纤跳线。

所述一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器，优化光波导传输特性的核心结构是一段带有球透镜的无芯光纤。无芯光纤长度为L₁，光纤球半径为R，球面顶点正对光波导输入端且相距L₂，球透镜材料的折射率为n₁，球透镜与光波导间隙材料的折射率为n₂，n₁>n₂。通过ABCD定理优化后，获得此结构参数的取值范围：L₁(200-236μm)，R(125-140μm)，L₂(947-1200μm)，可达到光波导模式转换的功能。

所述一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器，可变换经过无芯光纤球透镜的高斯光束束腰半径满足光学优化设计的需求，以至高斯光束能量几乎全部耦合进光波导基模中，达到光波导模式转换功能，这种特性既能减小光波导受粗糙度影响的散射损耗，也可解决模式串扰问题，提高通信质量。

所述一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器，可将这种光学结构封装进一种特殊设计的适配器中，其封装形式有两种，如下：一是，将空芯光纤球透镜置于一种特殊设计的适配器圆形凹槽中，适配器圆形凹槽半径等于无芯光纤球半径R，适配器入射端开有阶梯状凹槽，凹槽尺寸与光纤跳线相匹配，从而使光纤球平面端与光纤跳线出射端实现无缝对接。适配器出射端与球面端相切且贴合球面开有凹槽，凹槽宽度应大于高斯光束2倍的束腰半径；同时，也可以根据光纤阵列(如MT或MPO跳线)尺寸，加工成容纳带有球透镜的无芯光纤阵列的多路适配器，实现光纤阵列与光波导阵列多路光学通道耦合连接，每个通道的光学器件结构满足光学优化设计需求。二是，无芯光纤与单模光纤熔接后，再将空芯光纤球透镜置于一种特殊设计的适配器圆形凹槽中，适配器圆形凹槽半径等于无芯光纤球半径R，适配器另一端为圆形通道，其半径匹配单模光纤半径，能够使单模跳线无缝隙穿过，适配器出射端与球面端相切且贴合球面开有凹槽，凹槽宽度应大于高斯光束2倍的束腰半径，最后再胶结以至结构固定；此外，也可以将熔接后的球透镜封装进特殊设计的多路适配器中，组合成一种特殊用途的类MT或类MPO光纤跳线，以此实现提高多路光波导传输特性的目的。

所述一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器，其应用形态为：一是，封装后作为独立的光学器件，以此连接单模光纤-光波导或单模光纤阵列-光波导阵列耦合的光学媒介；二是，与传统光纤跳线或光纤阵列集成组合而成一种特殊用途的光纤跳线或光纤跳线阵列。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的、突出的实质性特点和显著的技术进步：

现有单模光纤-光波导耦合时，由于光波导的多模结构会造成较大的散射损耗(受粗糙度影响)及模式串扰(多个模式携带能量所致)问题。本发明提出的一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器，在满足光学信息互连的基础上，又可通过单模光纤的光能量几乎全部耦合进光波导基模中的这一特点，实现光波导模式转换的功能，将大大提高光波导的传输特性，一是，减小光波导受粗糙度影响的散射损耗，二是，解决光波导中模式串扰问题，提高通信质量。实际应用时，既可作为单模光纤与光波导耦合的光学媒介，又可与单模光纤集成组合而成一种特殊用途的光纤跳线，

附图说明

图1为常见的光背板互连系统单模光纤-光波导耦合结构示意图。

图2给出了光波导各阶模式耦合效率随单模光纤高斯光束束腰半径的变化关系。

图3给出了光波导各阶模式散射损耗及总散射损耗随单模光纤高斯光束束腰半径的变化关系。

图4给出了一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器结构示意图。

图5给出了ω₂为14μm、15μm、16μm、17μm、18μm时随参数组合(R,L₁)变化的等高线图。

图6为本发明所提出的一段带有球透镜的无芯光纤封装后的结构示意图。

图7为本发明所提出的一段带有球透镜的无芯光纤与传统光纤跳线集成组合封装后成为一种特殊用途的光纤跳线结构示意图。

具体实施方式

下面通过优选的实施例结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例一

参见图4，本实施例提出一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器。该转换器包括单模光纤(1)、一段带有球透镜的无芯光纤(2)和矩形光波导(3)，单模光纤(1)端面连接一段带球透镜的无芯光纤(2)，光波导(3)端面与球透镜之间保持一段有效距离L₂。单模光纤(1)轴心、无芯光纤(2)轴心和光波导(3)轴心保持在同一水平直线上。其工作原理：经过光学变换的高斯光束几乎全部耦合进光波导基模中，既可降低光波导受粗糙度的散射损耗，又可解决模式串扰问题，提高通信质量

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

该模式转换器参数为，无芯光纤(2)长度为L₁，光纤球半径为R，球透镜材料的折射率为n₁，光波导(3)端面与球透镜之间距离为L₂，球透镜与光波导(3)间隙材料的折射率为n₂，n₁>n₂，参数的取值范围：L₁为200-236μm，R为125-140μm，L₂为947-1200μm。

参加图6，将带有球透镜的无芯光纤封装进一种特殊设计的适配器(4)中，适配器宽度大于2倍球透镜半径R，适配器入射端开有阶梯状凹槽(5)，凹槽尺寸与光纤跳线尺寸相匹配，从而使光纤球平面端与光纤跳线出射端实现无缝对接。适配器出射端与球透镜相切且开有凹槽，凹槽宽度大于高斯光束2倍的束腰半径。

参加图7，无芯光纤与单模光纤熔接后，再将带有球透镜的无芯光纤封装进一种特殊设计的适配器(6)中，适配器宽度大于2倍球透镜半径R，适配器入射端为圆形通道，尺寸与单模光纤尺寸一致，能够使单模光纤无缝隙穿过，适配器出射端与球面端相切且贴合球面开有凹槽，凹槽宽度应大于高斯光束2倍的束腰半径，最后再胶结以至结构固定。

实施例三

参见图4，本实施例提出一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器结构示意图及其工作原理。

一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器，包括单模光纤(1)、一段带有球透镜的无芯光纤(2)和矩形光波导(3)。无芯光纤(2)平面端可与单模光纤(1)输出端平行对接或熔接，无芯光纤长度为L₁，球面顶点正对光波导(3)输入端且相距L₂，球半径为R，球透镜材料的折射率为n₁，球透镜与光波导间隙材料的折射率为n₂。单模光纤轴心、无芯光纤轴心和光波导轴心在一条直线上。其工作原理为，此光学器件可以变换单模光纤输出高斯光束，使其在光波导入射端的高斯光束束腰半径符合光学优化设计需求，由此，光能量几乎全部耦合进光波导基模中，达到光波导模式转换功能，能够进一步减小光波导受粗糙度影响的散射损耗，也可以解决模式串扰问题，提高通信质量。

实施例四

参见图6，本实施例提出一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器封装形态。

一段带有球透镜的无芯光纤封装在一种特殊设计的适配器(4)中，适配器一段开有阶梯状凹槽(5)，可卡接单模光纤跳线，从而使光纤球透镜平面端与光纤跳线出射端实现无缝对接。适配器出射端与球面端相切且贴合球面开有凹槽，凹槽宽度应大于高斯光束2倍束腰半径，出射的高斯光束完全耦合进光波导芯层基模中，达到光波导模式转换功能。无芯光纤长度、无芯光纤球面端与光波导距离及球透镜半径满足光学优化设计需求。

根据光纤阵列(如MT或MPO跳线)尺寸，这种独立的光学器件也可以加工成容纳带有球透镜的无芯光纤阵列适配器，可卡接光纤阵列，实现光纤阵列与光波导阵列多路光学通道耦合连接，每通道的光学器件结构尺寸如上述完全一致。

实施例五

参见图7，本实施例提出了一种带有球透镜的无芯光纤与传统光纤跳线熔接，封装后组合成一种特殊用途的光纤跳线。

制备好的带有球透镜的无芯光纤与单模光纤熔接，再将空芯光纤球透镜置于一种特殊设计的适配器(6)圆形凹槽中，适配器圆形凹槽半径等于无芯光纤球半径R，适配器另一端为圆形通道，其半径匹配单模光纤半径，能够使单模跳线无缝隙穿过，适配器出射端与球面端相切且贴合球面开有凹槽，凹槽宽度应大于高斯光束2倍束腰半径，最后再胶结以至结构固定,由此组合成一种特殊用途的光纤跳线，达到光波导模式转换的功能，以此提高光波导的传输特性。

这种多路带有球透镜的无芯光纤与多路单模光纤熔接，把此封装进特殊设计的容纳带有球透镜的无芯光纤阵列的多路适配器，组合成一种特殊用途的类MT或类MPO光纤跳线，当其与光波导阵列进行耦合时，达到多路光波导模式转换的功能，以此实现提高多路光波导传输特性的目的。

以上所述结合本发明的实施方式所作的进一步详细说明，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图所作的等效结构或等效思想，做出简单推演或替换，都应当属于本发明的保护范围。