光分束器及其设计方法与流程

1.本技术涉及光学的技术领域，特别涉及一种光分束器及其设计方法。


背景技术：

2.光分束器作为光纤通信网络中最基本的无源器件之一，它能够将光纤中的能量分成想要的特定成分，以满足光纤通信需求。常见光分束器有两个输出端口，也还有更多个输出端口进行多路输出的，且每路的功率都相等。
3.常规的光分束器按照生产工艺来讲有平面波导型光纤分光器，而平面波导型光纤分光器的制作工艺复杂，技术门槛较高。相关技术提供了一种偏振无关分束器，在两直波导之间开设若干空气孔，形成亚波长结构，以简化制作工艺，降低生产成本。其中，该相关技术包括基底、设于基底上的第一波导和第二波导；所述第一波导包括依次连接的输入波导、第一直波导、第一弯曲波导、第一输出波导；所述第二波导包括依次连接的第二直波导、第二弯曲波导、第二输出波导；所述第一直波导和第二直波导设于耦合区域，两直波导之间设有若干空气孔，形成亚波长结构；入射光从输入波导进入，经第一直波导和第二直波导定向耦合、第一弯曲波导和第二弯曲波导分离，由第一输出波导、第二输出波导输出，实现入射光二分束。
4.然而该相关技术有且仅能够适用在入射光二分束的情况下，却无法适用在分束器与偏振无关时需要更多分束光的场合。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种光分束器及其设计方法，以解决相关技术中分束器与偏振无关时能够不局限于两分束光的技术问题。
6.第一方面，提供了一种光分束器，其包括一个输入端口和n个输出端口，还包括超表面芯片；
7.所述输入端口被配置为接收一任意偏振态的入射光束；
8.所述超表面芯片被配置为根据所述入射光束产生分开的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束，其中，旋向相同的偏振光束光强相同且n≥2；
9.各个所述输出端口都被配置为供由一左旋偏振光束与一右旋偏振光束合成得到的一出射光束发出。以解决相关技术中分束器与偏振无关时能够不局限于两分束光的技术问题。
10.一些实施例中，所述超表面芯片包括：
11.纳米砖阵列，其由多个纳米砖按照纳米砖形状和设定的取向角排列形成，且所述纳米砖的取向角预先由拟产生分开的所有偏振光束确定。
12.一些实施例中，各个所述纳米砖的取向角预先由gs算法基于拟产生的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束优化得到的相位分布一一确定。
13.一些实施例中，根据拟产生的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束的位置，所述
gs算法在周期内优化相位分布直至收敛得到最优相位分布。
14.一些实施例中，若所述纳米砖的形状为椭圆，则所述纳米砖包括二氧化硅衬底层和分布在该二氧化硅衬底层上的椭圆非晶硅柱；或者，
15.若所述纳米砖的形状为矩形，则所述纳米砖包括由下自上的晶体硅衬底层、二氧化硅层和矩形晶体硅柱，且所述晶体硅衬底层与所述二氧化硅层尺寸相同。
16.一些实施例中，还包括：
17.n个输出组件，所述输出组件包括：
18.两个输出准直器，一个所述输出准直器用于接收一所述左旋偏振光束，另一个用于接收一所述右旋偏振光束；
19.光纤耦合器，其输入端与两个所述输出准直器均相连，输出端与一个所述输出端口相连。
20.一些实施例中，还包括：
21.输入准直器，其一端与所述输入端口相连，另一端朝向所述超表面芯片的输入侧设置。
22.第二方面，还提供了一种光分束器的设计方法，包括以下步骤：
23.选择纳米砖阵列中的各个纳米砖的形状，并由gs算法基于拟产生的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束优化得到的相位分布一一确定各个所述纳米砖取向角；
24.按照确定的各个纳米砖取向角排列得到纳米砖阵列，形成由一任意偏振态的入射光束产生分开的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束的超表面芯片，其中，旋向相同的偏振光束光强相同且n≥2。
25.一些实施例中，所述由gs算法基于拟产生的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束优化得到的相位分布一一确定各个所述纳米砖取向角的具体步骤包括：
26.根据拟产生的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束的位置，所述gs算法在周期内优化相位分布直至收敛得到最优相位分布；
27.基于得到的最优相位分布确定各个纳米砖取向角。
28.一些实施例中，在得到所述超表面芯片之后，还包括：
29.在所述超表面芯片的输入侧安装一个朝向超表面芯片的输入准直器；
30.在所述超表面芯片的输出侧安装2n个输出准直器和n个光纤耦合器；其中，一个所述光纤耦合器连接两个所述输出准直器，该两个输出准直器中的一个接收从所述超表面芯片上产生的一左旋偏振光束，另一个接收从所述超表面芯片上产生的一右旋偏振光束，该光纤耦合器将接收到一左旋偏振光束和一右旋偏振光束合成得到的一出射光束，得到n束出射光束。
31.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
32.在光分束器中使用特制的超表面芯片，该超表面芯片能够将一任意偏振态的入射光束产生分开的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束，旋向相同的偏振光束光强相同且n≥2；很显然，其中一个左旋偏振光束与任意一个右旋偏振光束合成得到的一出射光束的光强都是相同的，进而能够得到n束光强相同的出射光束；可见，任意偏振态的入射光束都能够分成n束光强相同的出射光束，以解决相关技术中分束器与偏振无关时能够不局限于两分束光的技术问题，且光分束器组成简单，其中的超表面芯片还具备小体积价格低的优势，
工艺简单，适合量产。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本技术实施例提供的一种光分束器的示意简图；
35.图2为本技术实施例提供的一种光分束器的结构示意图；
36.图3为本技术实施例提供的一种光分束器在某一偏振态入射光束的输出光斑分布图；
37.图4为本技术实施例提供的gs算法在一个周期内优化后的相位分布图；
38.图5为根据图4的相位分布得到的纳米砖排列分布图；
39.图6为纳米砖的结构示意图。
40.本技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
41.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
42.附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
43.本技术实施例提供了一种光分束器，任意偏振态的入射光束都能够分成n束光强相同的出射光束，且n≥2，以解决相关技术中分束器与偏振无关时能够不局限于两分束光的技术问题，且光分束器组成简单，其中的超表面芯片还具备小体积价格低的优势，工艺简单，适合量产。
44.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
45.如图1～2所示，本技术实施例提供了一种光分束器，其包括一个输入端口和n个输出端口，还包括超表面芯片；
46.所述输入端口被配置为接收一任意偏振态的入射光束；
47.所述超表面芯片被配置为根据所述入射光束产生分开的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束，其中，旋向相同的偏振光束光强相同且n≥2；
48.各个所述输出端口都被配置为供由一左旋偏振光束与一右旋偏振光束合成得到的一出射光束发出。
49.在本技术实施例中，在该光分束器中使用特制的超表面芯片，该超表面芯片能够将一任意偏振态的入射光束产生分开的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束，旋向相同的
偏振光束光强相同且n≥2；很显然，其中一个左旋偏振光束与任意一个右旋偏振光束合成得到的一出射光束的光强都是相同的，进而能够得到n束光强相同的出射光束。
50.进一步地，所述超表面芯片包括：
51.纳米砖阵列，其由多个纳米砖按照纳米砖形状和设定的取向角排列形成，且所述纳米砖的取向角预先由拟产生分开的所有偏振光束确定。
52.在本技术实施例中，超表面芯片能够接收一任意偏振态的入射光束并产生分开的2n个偏振光束。纳米砖阵列由多个纳米砖组成，且纳米砖的形状多样，若为某一形状时，再根据超表面芯片需要产生的2n个偏振光束来提前确定各个纳米砖的取向角，以得到满足需求纳米砖阵列，即得到超表面芯片。
53.优选地，各个所述纳米砖的取向角预先由gs算法基于拟产生的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束优化得到的相位分布一一确定。
54.具体地，根据拟产生的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束的位置，所述gs算法在周期内优化相位分布直至收敛得到最优相位分布。
55.在本实施例中，gs算法即为gerchberg
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saxton算法，根据拟产生的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束的位置即可确定偏振光束的出射光斑位置和数量，再采用gs算法在一个周期内根据光斑不断优化相位分布使得产生的偏振光束的强度最高，根据优化后为相位分布情况，如图4所示，即可唯一确定当前各个纳米砖的取向角α，如图5所示。
56.如图3所示，其为光分束器在某一偏振态入射光束的输出光斑分布图。假设需要超表面芯片产生6个偏振光束，通过设计排列纳米砖结构得到超表面芯片，该超表面芯片将任意偏振态的一入射光束分为三个光强相同的左旋偏振光束，三个光强相同的右旋偏振光束，也就是说该超表面芯片能够将入射光束中的左旋偏振光分为等量三束，入射光中的右旋偏振光分为等量三束，其中，左旋偏振光和右旋偏振光的比重由入射光束的偏振态决定。
57.如图2所示，其中的顺时针方向表示的是输出准直器接收的是右旋偏振光束，逆时针方向表示的是输出准直器接收的是左旋偏振光束，输出准直器1、3、5接收右旋偏振光束1、3、5，输出准直器2、4、6接收左旋偏振光束2、4、6，输出准直器1和2与光纤耦合器1相连得到出射光束1，输出准直器2和4与光纤耦合器2相连得到出射光束2，输出准直器5和6与光纤耦合器3相连得到出射光束3。
58.如图3所示，若入射光束为线性偏振态，即其中的左旋偏振光和右旋偏振光比重相等，则超表面芯片产生的六个偏振光束的光束强度一致，如图3(c)所示；如图3(a)所示，其为输出准直器1、3、5接收的右旋偏振光束的光斑分布；如图3(b)所示，其为输出准直器2、4、6接收的左旋偏振光束的光斑分布。
59.进一步地，若所述纳米砖的形状为椭圆，则所述纳米砖包括二氧化硅衬底层和分布在该二氧化硅衬底层上的椭圆非晶硅柱。
60.如图6所示，进一步地，若所述纳米砖的形状为矩形，则所述纳米砖包括由下自上的晶体硅衬底层、二氧化硅层和矩形晶体硅柱，且所述晶体硅衬底层与所述二氧化硅层尺寸相同。
61.在本实施例中，晶体硅衬底层与二氧化硅层尺寸相同，且二氧化硅层的长度为c，宽度为c，厚度为d；矩形晶体硅柱也即晶体硅层，其长度为l，宽度为w，高度为h，取向角为α。
62.进一步地，还包括：
63.n个输出组件，所述输出组件包括：
64.两个输出准直器，一个所述输出准直器用于接收一所述左旋偏振光束，另一个用于接收一所述右旋偏振光束；
65.光纤耦合器，其输入端与两个所述输出准直器均相连，输出端与一个所述输出端口相连。
66.再进一步地，还包括：
67.输入准直器，其一端与所述输入端口相连，另一端朝向所述超表面芯片的输入侧设置。
68.在本实施例中，所述输入端口与输入准直器相连，输出准直器朝向超表面芯片，以使得任意偏振态的一入射光束从输入端口打到超表面芯片上。
69.n个输出组件中的每一个输出组件中的两个输出准直器分别接收一个右旋偏振光束和一个左旋偏振光束，该输出组件中的光纤耦合器再合成该两个输出准直器接收到的右旋偏振光束和左旋偏振光束得到一输出光束，n个输出组件得到n束输出光束。
70.其中，每个旋向相同的偏振光束的光强是相同的，故而任意一左旋偏振光束和任意一右旋偏振光束合成的出射光束的光强也是相同的，使得该光分束器分成的各个出射光束光强相同，且任意偏振态的入射光束均能够得到多个光强相同的出射光束。
71.当入射光束的偏振态发生变化时，右旋偏振光束1、3、5的强度相等，且会随着偏振态的变化而变化；左旋偏振光束2、4、6的强度相等，也会随着偏振态的变化而变化；合成的出射光束1、2、3的强度，即偏振光束1 2、3 4、5 6的强度，不会随着入射光束偏振态的变化而变化，也即实现了光分束器的偏振无关性
72.具体地，所述输出准直器与所述输入准直器一致，且所述输入准直器的束腰半径大致在0.1mm
73.本技术实施例还提供了一种光分束器的设计方法，包括以下步骤：
74.选择纳米砖阵列中的各个纳米砖的形状，并由gs算法基于拟产生的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束优化得到的相位分布一一确定各个所述纳米砖取向角；
75.按照确定的各个纳米砖取向角排列得到纳米砖阵列，形成由一任意偏振态的入射光束产生分开的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束的超表面芯片，其中，旋向相同的偏振光束光强相同且n≥2。
76.进一步地，所述由gs算法基于拟产生的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束优化得到的相位分布一一确定各个所述纳米砖取向角的具体步骤包括：
77.根据拟产生的n个左旋偏振光束和n个右旋偏振光束的位置，所述gs算法在周期内优化相位分布直至收敛得到最优相位分布；
78.基于得到的最优相位分布确定各个纳米砖取向角。
79.再进一步地，在得到所述超表面芯片之后，还包括：
80.在所述超表面芯片的输入侧安装一个朝向超表面芯片的输入准直器；
81.在所述超表面芯片的输出侧安装2n个输出准直器和n个光纤耦合器；其中，一个所述光纤耦合器连接两个所述输出准直器，该两个输出准直器中的一个接收从所述超表面芯片上产生的一左旋偏振光束，另一个接收从所述超表面芯片上产生的一右旋偏振光束，该光纤耦合器将接收到一左旋偏振光束和一右旋偏振光束合成得到的一出射光束，得到n束
出射光束。
82.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
83.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
84.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。