透镜阵列结构和光模块的制作方法

本发明涉及光信息传输设备，具体而言，涉及一种透镜阵列结构和光模块。

背景技术：

1、随着光模块速率的提高，导致pd光敏面在向更小的尺寸发展，尤其在波分复用场景中，在波长分解之后，需要把不同波长的光耦合至对应的pd光敏面上，由于光敏面尺寸小，需要透镜来压缩和汇聚光斑，同时，波分复用器并不能完全把不同波长的光彻底分开，不同通道之间还是会有不同波长的光之间的串扰，一般会使用滤波片或者在透镜上镀上带通薄膜来隔离波长之间的串扰。

2、而采用一般的透镜需要使用弧面才能起到偏折光线的作用，而弧面透镜并不能直接进行粘结或定位，导致光模块不易组装。此外，采用滤波片把不同波长的光分开时，所用滤波片必须是带通滤波片。不同中心波长的带通滤波片必须分开镀膜，这就导致不同的滤波片之间相互独立，需要依次贴装并保证每一个的贴装精度。如果直接在透镜上镀膜，也是需要针对每个透镜依次镀膜，并在镀膜时需要保护好非镀膜区域，这会导致复杂的工序和无法简化的成本。

3、也就是说，现有技术中光模块存在制作工艺复杂、制作成本高的问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种透镜阵列结构和光模块，以解决现有技术中光模块存在制作工艺复杂、制作成本高的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种透镜阵列结构，透镜阵列结构包括多个呈阵列排布的超表面透镜，超表面透镜包括：入射面，入射面具有超表面通光区，超表面通光区具有多个间隔设置的微结构；出射面，出射面具有光斑出射区，光线经超表面通光区进入至超表面透镜内，不同波长的光经过超表面通光区后出射角度不同，超表面通光区用于将预设主波长的光偏折至光斑出射区并形成预设形状的光斑；其中，多个超表面透镜中至少两个超表面透镜的微结构和/或排布方式不同，以使至少两个超表面透镜的预设主波长不同。

3、进一步地，多个超表面透镜的超表面通光区呈阵列排布；和/或多个超表面透镜的光斑出射区呈阵列排布。

4、进一步地，多个超表面透镜连接形成透镜阵列结构；或透镜阵列结构为一体加工成型。

5、进一步地，入射面和出射面均为平面，且入射面与出射面位于超表面透镜相对的两侧。

6、进一步地，微结构的高度大于等于100纳米且小于等于2000纳米；和/或微结构在平行于入射面方向的最大长度大于等于50纳米且小于等于800纳米。

7、进一步地，微结构为柱状结构。

8、进一步地，柱状结构平行于入射面的横截面为方形、圆形、椭圆形、三角形、菱形中的至少一种。

9、进一步地，超表面透镜还包括基底层，基底层至少位于超表面通光区内，微结构间隔设置在基底层上。

10、进一步地，基底层的材料包括玻璃、硅中的一种；和/或微结构的材料包括硅、二氧化钛、氮化硅、磷化铟中的一种。

11、进一步地，超表面通光区的面积大于光斑出射区的面积，且超表面通光区对预设主波长的光线汇聚。

12、进一步地，超表面透镜还包括pd结构和顺次叠置的截止层、衬底层、有源层，入射面位于截止层远离衬底层的一侧，出射面位于有源层远离衬底层的一侧，pd结构集成在有源层上，pd结构的pd光敏面位于光斑出射区处，使光直接聚焦到pd光敏面上。

13、进一步地，超表面通光区在入射面的最大长度大于等于100微米且小于等于600微米；和/或pd结构在出射面的最大长度大于等于10微米且小于等于60微米。

14、进一步地，利用等光程原理，光斑出射区上任意光斑(x1,y1,f1)对应的超表面通光区的相位满足：

15、

16、其中，在超表面通光区上的坐标(x,y)的范围为：

17、x∈[xi,xj]，y∈[yi,yj]；

18、在光斑出射区上的光斑坐标(x1,y1)的范围为：

19、x1∈[x1m,x1n]，y1∈[y1m,y1n]；

20、超表面通光区上的坐标上限与光斑出射区上的坐标上限相对应，并满足：

21、

22、超表面通光区上的坐标下限与光斑出射区上的坐标下限相对应，并满足：

23、

24、根据本发明的另一方面，提供了一种光模块，包括：波分复用器；上述的透镜阵列结构，透镜阵列结构位于波分复用器的出光侧。

25、应用本发明的技术方案，透镜阵列结构包括多个呈阵列排布的超表面透镜，超表面透镜包括入射面和出射面，入射面具有超表面通光区，超表面通光区具有多个间隔设置的微结构；出射面具有光斑出射区，光线经超表面通光区进入至超表面透镜内，不同波长的光经过超表面通光区后出射角度不同，超表面通光区用于将预设主波长的光偏折至光斑出射区并形成预设形状的光斑；其中，多个超表面透镜中至少两个超表面透镜的微结构和/或排布方式不同，以使至少两个超表面透镜的预设主波长不同。

26、通过在超表面通光区中设置多个微结构，以使不同波长的光向不同的方向偏折，进而使预设主波长的光偏折至光斑出射区，而其他波长的光则不会射向光斑出射区内，避免了其他波长的光串扰，保证了射入到光斑出射区的光线的精度。本申请中的透镜阵列结构中的多个超表面透镜中至少两个超表面透镜的预设主波长不同，以将不同的波长的光偏折至不同的光斑出射区内，避免了不同波长之间的光的串扰。

27、由于本申请中的超表面透镜对不同波长的光线进行独立的衍射调控，以使不同波长的光线的偏折角度不同，以控制光线的出射方向，实现了对不同波长的光的隔离，减少了不同波长的光线之间的串扰。同时多个微结构还能够起到均匀光线的作用，使预设主波长的光线均匀射向光斑出射区，避免光斑能量密度过于集中的情况产生，以避免光斑出射区局部过饱和，保证pd结构的响应能力和调制带宽，有利于高速pd结构发挥最大的性能。

28、由于本申请中的超表面透镜具有对不同波长的光线的偏折角度不同，以将预设主波长的光偏折至光斑出射区内，而其他波长的光则被偏折至光斑出射区以外的区域内，有效避免了不同波长光线之间的串扰，而光模块中采用本申请中的超表面透镜则无需设置准直透镜和滤波片等结构，有效减少了结构件的使用，降低了光模块的组装难度和生产成本。

技术特征：

1.一种透镜阵列结构，其特征在于，所述透镜阵列结构包括多个呈阵列排布的超表面透镜，所述超表面透镜包括：

2.根据权利要求1所述的透镜阵列结构，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的透镜阵列结构，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的透镜阵列结构，其特征在于，所述入射面(10)和所述出射面(20)均为平面，且所述入射面(10)与所述出射面(20)位于所述超表面透镜相对的两侧。

5.根据权利要求1所述的透镜阵列结构，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的透镜阵列结构，其特征在于，所述微结构(12)为柱状结构。

7.根据权利要求6所述的透镜阵列结构，其特征在于，所述柱状结构平行于所述入射面(10)的横截面为方形、圆形、椭圆形、三角形、菱形中的至少一种。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的透镜阵列结构，其特征在于，所述超表面透镜还包括基底层(30)，所述基底层(30)至少位于所述超表面通光区(11)内，所述微结构(12)间隔设置在所述基底层(30)上。

9.根据权利要求8所述的透镜阵列结构，其特征在于，

10.根据权利要求1至7中任一项所述的透镜阵列结构，其特征在于，所述超表面通光区(11)的面积大于所述光斑出射区(21)的面积，且所述超表面通光区(11)对预设主波长的光汇聚。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的透镜阵列结构，其特征在于，所述超表面透镜还包括pd结构(91)和顺次叠置的截止层(40)、衬底层(50)、有源层(60)，所述入射面(10)位于所述截止层(40)远离所述衬底层(50)的一侧，所述出射面(20)位于所述有源层(60)远离所述衬底层(50)的一侧，所述pd结构(91)集成在所述有源层(60)上，所述pd结构(91)的pd光敏面(100)位于所述光斑出射区(21)处，使光直接聚焦到所述pd光敏面(100)上。

12.根据权利要求11所述的透镜阵列结构，其特征在于，

13.根据权利要求1至7中任一项所述的透镜阵列结构，其特征在于，所述光斑出射区(21)上任意光斑(x1,y1,f1)对应的所述超表面通光区(11)的相位满足：

14.一种光模块，其特征在于，包括：

技术总结
本发明提供了一种透镜阵列结构和光模块，透镜阵列结构包括多个呈阵列排布的超表面透镜，超表面透镜包括：入射面，入射面具有超表面通光区，超表面通光区具有多个间隔设置的微结构；出射面，出射面具有光斑出射区，光线经超表面通光区进入至超表面透镜内，不同波长的光经过超表面通光区后出射角度不同，超表面通光区用于将预设主波长的光偏折至光斑出射区并形成预设形状的光斑；其中，多个超表面透镜中至少两个超表面透镜的微结构和/或排布方式不同，以使至少两个超表面透镜的预设主波长不同。本发明解决了现有技术中光模块存在制作工艺复杂、制作成本高的问题。

技术研发人员：陈海峰,邱兵,孙磊
受保护的技术使用者：苏州山河光电科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14