[发明专利]一种提高光波导传输特性的光波导模式转换器

说明书

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。

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