一种用于光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的装置
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种用于光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的装置。
背景技术
目前，要实现光纤与平面波导之间有效端面耦合必须使二者的模场直径（MFD）相匹配。标准单模光纤具有较大的模场直径，典型值约为9µm，并且是各向同性的，即TE和TM偏振模具有几乎相同的MFD，而平面波导的MFD通常不到2µm。为了使光纤与平面波导的MFD相匹配，通常会在波导芯片上引入模斑转换器（SSC），SSC是一种在垂直和水平方向上拉锥的波导。
近年来，研究人员已经在各种不同的材料和几何形状的波导上设计并实现了SSC。图1展示了绝缘体上硅（SOI）材料波导的SSC结构，在该设计中，先对SOI波导在水平方向上进行拉锥使之宽度逐渐变小直至不再满足光波导模的传输条件，然后再用一段横截面尺寸较大的聚合物波导收集SOI波导末梢辐射的光波，该聚合物波导与透镜光纤易于实现MFD匹配，从而实现了波导与光纤的高效耦合。然而，通常的平面波导是各向异性的，导致TE和TM模的MFD不相等。SSC仅能保证光纤与平面波导的TE或TM模匹配，无法同时满足与平面波导的TE和TM模的匹配。如果光纤中的光信号具有不确定的偏振态，则耦合到各向异性波导的效率将很低，即偏振相关损耗将很大。
而现有技术中解决上述问题的方法是使用保偏（PM）光纤。保偏光纤只能传输一种特定偏振方向的光信号，从而可以被有效地耦合到平面波导中。但该方法的缺点是保偏光纤的价格比标准单模光纤高，因而会增加产品的成本。此外，在某些应用场合（如波分复用等）中，光信号的偏振态是不确定的，保偏光纤无法派上用场。
发明内容
本发明提供了一种用于光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的装置，解决相关技术中存在的无法低成本实现光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的问题。
作为本发明的一个方面，提供一种用于光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的装置，其中，包括：光纤、模斑转换器和波导，所述模斑转换器的一端与所述光纤连接，所述模斑转换器的另一端与所述波导连接，所述光纤与所述模斑转换器连接的一端为楔形端头，所述模斑转换器的一端的水平方向模场直径与所述楔形端头的水平方向模场直径相匹配，所述模斑转换器的一端的垂直方向模场直径与所述楔形端头的垂直方向模场直径相匹配。
进一步地，所述楔形端头的楔形角度的调整范围为10°~80°。
进一步地，所述波导包括各向异性波导。
进一步地，所述光纤包括标准单模光纤。
本发明提供的用于光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的装置，将光纤与模斑转换器接触的一端处理成楔形端头，这样能够打破光纤的对称性，使得TE和TM模在其中传输时所经过的几何结构不再相同，受到的模场约束条件也因此不同，从而导致TE和TM模式具有不同的有效折射率（传播常数）和模场分布，最终能够实现与各向异性波导中TE和TM模式的MFD相匹配。另外本发明实施例提供的用于光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的装置，其中的楔形端头可以通过自动打磨处理来获得，因此不需要显著增加产品成本即可实现。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为现有技术的SOI波导的SSC结构示意图。
图2为本发明提供的楔形端头光纤与波导之间耦合的侧视图。
图3为本发明提供的楔形端头光纤与波导之间耦合的俯视图。
图4为本发明提供的楔形端头的楔形角示意图。
图5为本发明提供的楔形端头的光纤的纵切面示意图。
图6为本发明提供的光纤波导和楔形端头的横截面示意图。
图7为本发明提供的光纤波导中TE及TM模式的模场分布示意图。
图8为本发明提供的楔形端头中TE及TM模式的模场分布示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本实施例中提供了一种用于光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的装置，图2和图3分别是根据本发明实施例提供的用于光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的装置的侧视图和俯视图，如图2和图3所示，包括：光纤、模斑转换器和波导，所述模斑转换器的一端与所述光纤连接，所述模斑转换器的另一端与所述波导连接，所述光纤与所述模斑转换器连接的一端为楔形端头，所述模斑转换器的一端的水平方向模场直径MFDx与所述楔形端头的水平方向模场直径MFDx相匹配，所述模斑转换器的一端的垂直方向模场直径MFDy与所述楔形端头的垂直方向模场直径MFDy相匹配。
本发明实施例提供的用于光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的装置，将光纤与模斑转换器接触的一端处理成楔形端头，这样能够打破光纤的对称性，使得TE和TM模在其中传输时所经过的几何结构不再相同，受到的模场约束条件也因此不同，从而导致TE和TM模式具有不同的有效折射率（传播常数）和模场分布，最终能够实现与各向异性波导中TE和TM模式的MFD相匹配。另外本发明实施例提供的用于光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的装置，其中的楔形端头可以通过自动打磨处理来获得，因此不需要显著增加产品成本即可实现。
如图4所示，以相对于光轴一定的角度对光纤端头进行打磨可制成楔形端头。其中楔形角的改变可以引起楔形平面波导在垂直方向的尺寸的改变。这一楔形打破了光纤的对称性，从而导致TE和TM模的MFD不再相同。图5至图8显示了典型的标准光纤和楔形光纤端头的波导截面和模场分布。其中，图6的左侧截面图对应图5左侧虚线位置的截面，图6右侧截面图对应图5右侧虚线位置的截面。图7对应标准单模光纤的模场分布示意图，图8对应楔端头的模场分布示意图。如图5和图6所示，标准光纤具有圆形几何结构，TE和TM模式的光波在光纤中传输时将经过相同的几何结构，因此将具有相同的有效折射率和模场分布。而楔形端头是一种平面结构的波导，TE和TM模在其中传输时所经过的几何结构不再相同，受到的模场约束条件也因此不同，从而导致TE和TM模式具有不同的有效折射率（传播常数）和模场分布。通过调节楔形角可以改变楔形平面波导在垂直方向的尺寸，楔形中的模场分布会随之发生变化。综上，通过改变楔形端头的角度能够控制和调节TE和TM模式的MFD，从而匹配各向异性波导中TE和TM模式的MFD。如图8所示，楔形光纤端头中TE和TM模式的模场分布是不同的且可以通过改变楔形角来调整。
通过调整楔形角度以及SSC的宽度和厚度，可以同时实现TE和TM模的高效耦合。
优选地，所述楔形端头的楔形角度的调整范围为10°~80°，具体大小取决于SSC的材料及几何结构。优化参数后的耦合损耗可低至0.5dB。
优选地，所述波导包括各向异性波导。
优选地，所述光纤包括标准单模光纤。
因此，本发明实施例提供的用于光纤与各向异性波导的偏振无关耦合的装置，不仅可以在各向异性波导中同时实现TE和TM模高效耦合，而且成本不会显著增加。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
