多维复用的多芯光纤扇入扇出芯片

1.本发明涉及光纤通信和光纤传感领域，具体涉及一种多维复用的多芯光纤扇入扇出芯片。


背景技术：

2.多芯光纤是一种空分复用光纤，在光通信和光纤传感领域都有大量的应用研究。在光通信中，通过多芯光纤并行传输多路光信号提高传输容量。在光纤传感中，可通过多芯光纤中不同纤芯的形变差异判断物体的形状变化。对于多芯光纤与普通单模光纤之间的耦合已有多种方案，包括透镜耦合、拉锥光纤束和多层聚合物波导等，但现有方案中的扇入扇出模块均没有实现多维复用功能。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提出一种多维复用的多芯光纤扇入扇出芯片，通过在扇入扇出芯片中加入阵列波导光栅，同时实现空分复用和波分复用的功能。
4.本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
5.一种多维复用的多芯光纤扇入扇出芯片，该扇入扇出芯片由多层光波导组成，每一层光波导均包括锥形输入端、波长解复用器件和锥形输出端；
6.所述扇入扇出芯片的锥形输入端用于与多芯光纤耦合，锥形输出端用于与单模光纤阵列耦合，从而实现多芯光纤的扇入扇出；
7.所述波长解复用器件包括多个阵列波导光栅，通过阵列波导光栅实现每路输入光的波长解复用；
8.波长解复用器件的数量不少于对应位置的多芯光纤的纤芯，使得多芯光纤的每个纤芯均对应有一个阵列波导光栅实现每路输入光的波长解复用。
9.进一步地，所述光波导的折射率对比度大于0.7％。
10.进一步地，同一层的相邻锥形输入端之间的距离与多芯光纤同一层的纤芯之间的距离相同，相邻层波导的层间距等于多芯光纤相邻层纤芯的垂直距离。
11.进一步地，不同层的输出波导在芯片端面的水平方向错开布置。
12.本发明的有益效果如下：
13.本发明的多维复用的多芯光纤扇入扇出芯片，通过在扇入扇出芯片中加入阵列波导光栅，同时实现空分复用和波分复用的功能。同时通过锥形输入端和锥形输出端降低光纤波导耦合损耗。
附图说明
14.图1是多层光芯片实现多芯光纤扇入扇出的结构示意图；
15.图2是每一层用于实现波长解复用的器件平面结构示意图；
16.图3是七芯光纤截面示意图；
17.图4是多层光芯片输入端的截面示意图；
18.图5是波导输入和输出端的锥形结构示意图；
19.图6是芯片输出端的单模光纤阵列排列位置示意图。
具体实施方式
20.下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.本发明不需要采用与标准单模光纤(ssmf)折射率对比度接近的波导结构实现光纤与波导的模场匹配，而是采用较高折射率对比度的波导减小波长解复用器件的尺寸，并通过锥形结构提高光纤与波导的耦合效率。
22.本实施例详细描述单模七芯光纤的扇入扇出芯片，但是本发明不限于单模七芯光纤，本发明可应用于不同纤芯数量的多芯光纤，还可以用于多模多芯光纤。所述的扇入扇出芯片包括但不限于聚合物材料加工的芯片。
23.图1是多层芯片实现七芯光纤扇入扇出的结构示意图，输入为七芯光纤，输出为单芯光纤阵列。多层光芯片由硅基底、芯层聚合物和包层聚合物组成。多层光芯片的三层光波导输入端分别与七芯光纤的三行纤芯耦合，每一层光器件的输出耦合到一维单芯光纤阵列。图2为每一层用于实现波长解复用的光器件平面结构示意图，包括四个阵列波导光栅(awg)，每个阵列波导光栅实现多芯光纤的一个纤芯输出光的波长解复用，四个阵列波导光栅通过对称排列的方式减小芯片尺寸。
24.图3为七芯光纤的截面示意图，七个纤芯排列在三个不同的高度位置上。图4为多层光芯片输入端的截面图，共分别三层，每一层根据七芯光纤的纤芯位置选择合适的阵列波导光栅输入波导数量和位置，图中实心正方形为所选择的阵列波导光栅输入波导。同一层的相邻输入波导之间的距离与多芯光纤同一层的纤芯之间的距离相同。相邻层波导的层间距等于多芯光纤相邻层纤芯的垂直距离。
25.为了减小多层光芯片的器件尺寸，本发明采用比标准单模光纤折射率对比度高(大于0.7％)的芯层和包层材料加工光波导。为了降低光纤与波导之间的耦合损耗，在波导的输入输出端采用图5所示的锥形结构将波导的宽度由正常宽度w减小到w
t
，从而增大波导端面的模场面积，更好地与光纤模式匹配，并选择锥形结构的长度l
t
使锥形结构的传输损耗最小。为了降低波导侧壁粗糙带来的波导传输损耗，可以增加波导宽度w。由于阵列波导光栅需要使用单模波导，因此增加波导宽度后需要保证阵列波导光栅的波导仍然只支持单模传输，而其他传输波导可以用锥形结构变宽为多模波导。
26.在芯片的输出端为了实现多个单芯光纤阵列与三层光器件输出端的耦合，需要在水平方向上错开三层光器件输出端的位置。为此，可以通过在阵列波导光栅的输出添加弯曲波导，将不同层的输出波导在芯片端面的水平方向错开。芯片输出端的单模光纤阵列排列位置示意图如图6所示。根据实际应用需要，可以将同一层的多个单芯光纤阵列组合成一个单芯光纤阵列。
27.本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡
在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种多维复用的多芯光纤扇入扇出芯片，其特征在于，该扇入扇出芯片由多层光波导组成，每一层光波导均包括锥形输入端、波长解复用器件和锥形输出端；所述扇入扇出芯片的锥形输入端用于与多芯光纤耦合，锥形输出端用于与单模光纤阵列耦合，从而实现多芯光纤的扇入扇出；所述波长解复用器件包括多个阵列波导光栅，通过阵列波导光栅实现每路输入光的波长解复用；波长解复用器件的数量不少于对应位置的多芯光纤的纤芯，使得多芯光纤的每个纤芯均对应有一个阵列波导光栅实现每路输入光的波长解复用。2.根据权利要求1所述的多维复用的多芯光纤扇入扇出芯片，其特征在于，所述光波导的折射率对比度大于0.7％。3.根据权利要求1所述的多维复用的多芯光纤扇入扇出芯片，其特征在于，同一层的相邻锥形输入端之间的距离与多芯光纤同一层的纤芯之间的距离相同，相邻层波导的层间距等于多芯光纤相邻层纤芯的垂直距离。4.根据权利要求1所述的多维复用的多芯光纤扇入扇出芯片，其特征在于，不同层的输出波导在芯片端面的水平方向错开布置。

技术总结
本发明公开一种多维复用的多芯光纤扇入扇出芯片，该扇入扇出芯片由多层光波导组成，每一层光波导均包括锥形输入端、波长解复用器件和锥形输出端。扇入扇出芯片的锥形输入端用于与多芯光纤耦合，锥形输出端用于与单模光纤阵列耦合，从而实现多芯光纤的扇入扇出；波长解复用器件包括多个阵列波导光栅，通过阵列波导光栅实现每路输入光的波长解复用；波长解复用器件的数量不少于对应位置的多芯光纤的纤芯，使得多芯光纤的每个纤芯均对应有一个阵列波导光栅实现每路输入光的波长解复用。本发明的扇入扇出芯片可以同时实现空间和波长复用功能。功能。功能。


技术研发人员：姜新红 陶金 邱英 贺志学 张紫阳
受保护的技术使用者：西湖大学
技术研发日：2022.03.31
技术公布日：2022/7/1