本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非對(duì)稱(chēng)定向耦合器的設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

定向耦合器(DC)是構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)以及集成光波導(dǎo)線路的重要基本結(jié)構(gòu)。典型的定向耦合器由兩根波導(dǎo)構(gòu)成，能量在兩個(gè)波導(dǎo)的兩個(gè)模式中周期性耦合，可實(shí)現(xiàn)能量的分配，開(kāi)關(guān)，波分復(fù)用，偏振分束等功能。近幾年來(lái)，模分復(fù)用技術(shù)(Mode-division multiplexing，MDM)逐漸興起，模式復(fù)用器作為其中的關(guān)鍵器件而受到關(guān)注，典型的模式復(fù)用器可以基于如下結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：多模干涉結(jié)構(gòu)(Multimode interference)，Y分支，微環(huán)，DC等。與其它結(jié)構(gòu)相比，基于DC的模式復(fù)用器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活，更重要的是，DC能夠級(jí)聯(lián)從而實(shí)現(xiàn)更多模式的復(fù)用/解復(fù)用。因此模式復(fù)用器被更多的研究，并取得了很多新的進(jìn)展。通過(guò)級(jí)聯(lián)的定向耦合器，實(shí)現(xiàn)了8個(gè)信道的復(fù)用/解復(fù)用。通過(guò)引入錐形結(jié)構(gòu)，DC的工作帶寬以及制作容差得到了極大提升。一些其他的有趣的結(jié)構(gòu)也不斷涌現(xiàn)，比如狹縫結(jié)構(gòu)的DC，錐形刻蝕的DC等，但是這些還不足以覆蓋少模光纖中(Few-mode fiber，F(xiàn)MF)的所有模式。FMF中支持模式的有效折射率呈階梯狀分布，要實(shí)現(xiàn)它們的復(fù)用/解復(fù)用便要求DC的兩臂寬度不一樣。除此之外，F(xiàn)MF中支持模式的模場(chǎng)對(duì)稱(chēng)特性也不一樣，按照對(duì)稱(chēng)性可將這些模式分為奇模(模場(chǎng)反對(duì)稱(chēng)分布，也稱(chēng)奇對(duì)稱(chēng)模)與偶模(模場(chǎng)對(duì)稱(chēng)分布，也稱(chēng)偶對(duì)稱(chēng)模)。以水平方向?yàn)閷?duì)稱(chēng)軸來(lái)看，對(duì)于實(shí)現(xiàn)相位匹配的兩個(gè)偶模(例如LP₀₁，LP_11a等)或者兩個(gè)奇模(例如LP_11b，LP_21a等)，傳統(tǒng)的DC可以容易實(shí)現(xiàn)它們之間的耦合，但是對(duì)于奇模與偶模，由于它們的電場(chǎng)分布特征決定的耦合系數(shù)為零，因?yàn)樗麄冎g不能耦合。

為了解決這一問(wèn)題，一些解決方案被提出來(lái)。最直接的方案就是采用垂直方向的DC，這種設(shè)計(jì)的DC增加了波導(dǎo)的層數(shù)，而層與層之間的厚度控制以及對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題增加了制作器件的工藝難度；另一種方案是采用模式旋轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)方案，這種方案首先將奇模(LP_11b)旋轉(zhuǎn)為偶模(LP_11a)，然后再將其與另一偶模(LP₀₁)耦合，這種方案需要在波導(dǎo)上刻蝕狹縫，而狹縫的精度卻難以控制?？傮w而言目前還沒(méi)有一種比較好的方案實(shí)現(xiàn)奇模與偶模之間的轉(zhuǎn)換。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有一種比較好的方案實(shí)現(xiàn)奇模與偶模之間的轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，提出了一種非對(duì)稱(chēng)定向耦合器。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種非對(duì)稱(chēng)定向耦合器，包括一根多模波導(dǎo)和一根單模波導(dǎo)；多模波導(dǎo)與單模波導(dǎo)的橫截面的高度與寬度均不相同；單模波導(dǎo)包括兩端的輸入輸出區(qū)域、中間部分的耦合區(qū)域以及用于連接輸入輸出區(qū)域與耦合區(qū)域的s彎區(qū)域。

優(yōu)選地，兩段輸入輸出區(qū)域結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱(chēng)設(shè)置。

優(yōu)選地，兩段s彎區(qū)域結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱(chēng)設(shè)置。

優(yōu)選地，耦合區(qū)域與多模波導(dǎo)之間的間距小于輸入輸出區(qū)域與多模波導(dǎo)之間的間距。

優(yōu)選地，多模波導(dǎo)中特定的高階模與單模波導(dǎo)中的基模可實(shí)現(xiàn)相位匹配。

優(yōu)選地，多模波導(dǎo)中特定的高階模與單模波導(dǎo)中的基模耦合系數(shù)不為零。

優(yōu)選地，多模波導(dǎo)與單模波導(dǎo)被包層材料包裹后設(shè)置于基底上。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明中兩根波導(dǎo)的寬度及高度皆不相等，因而器件在豎直方向的對(duì)稱(chēng)性被破壞，從而可以特別實(shí)現(xiàn)光纖中奇模與偶模的轉(zhuǎn)換。同時(shí)本發(fā)明在水平方向采用非等高設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)偶模與奇模之間轉(zhuǎn)換的同時(shí)簡(jiǎn)化了器件的設(shè)計(jì)，降低了制作器件的工藝成本，同時(shí)也提高了器件的耦合效率。本發(fā)明可作為模式轉(zhuǎn)換器、模式復(fù)用器/解復(fù)用器，應(yīng)用于模分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供的一種非對(duì)稱(chēng)定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：1—多模波導(dǎo)、2—單模波導(dǎo)；21—輸入輸出區(qū)域、22—s彎區(qū)域、23—耦合區(qū)域。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明提供了一種非對(duì)稱(chēng)定向耦合器，如圖1所示，包括一根多模波導(dǎo)1和一根單模波導(dǎo)2。多模波導(dǎo)1的橫截面高度為h₁，寬度為w₁，單模波導(dǎo)2的橫截面高度為h₂，寬度為w₂，本發(fā)明實(shí)施例中h₁≠h₂，w₁≠w₂。

單模波導(dǎo)2包括兩端的輸入輸出區(qū)域21、中間部分的耦合區(qū)域23以及用于連接輸入輸出區(qū)域21與耦合區(qū)域23的s彎區(qū)域22。其中，兩段輸入輸出區(qū)域21結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱(chēng)設(shè)置。實(shí)際應(yīng)用中，與輸入波導(dǎo)連接的一端即為輸入?yún)^(qū)域，與輸出波導(dǎo)連接的一端即為輸出區(qū)域。兩段s彎區(qū)域22同樣結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱(chēng)設(shè)置。

如圖1所示，耦合區(qū)域23與多模波導(dǎo)1之間的間距為d，由于s彎區(qū)域22連接的關(guān)系，d小于輸入輸出區(qū)域21與多模波導(dǎo)1之間的間距，使得單模波導(dǎo)2在耦合區(qū)域23能夠更好地與多模波導(dǎo)1進(jìn)行耦合。

多模波導(dǎo)1與單模波導(dǎo)2被包層材料包裹后設(shè)置于基底上。包層材料的折射率為n_cl，而多模波導(dǎo)1與單模波導(dǎo)2所采用的芯層材料的折射率為n_c，其中n_c>n_cl。。

對(duì)于DC，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模式之間的轉(zhuǎn)換，這兩個(gè)模式要滿足兩個(gè)條件：其一，相位匹配；其二，耦合系數(shù)不為零。傳統(tǒng)的等高DC容易實(shí)現(xiàn)豎直方向上光纖中兩個(gè)奇?；蛘邇蓚€(gè)偶模之間的耦合，但是對(duì)于水平方向上的奇模和偶模，由于電場(chǎng)積分決定的耦合系數(shù)為零，二者之間不能發(fā)生耦合，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明中，通過(guò)設(shè)計(jì)多模波導(dǎo)1與單模波導(dǎo)2的截面尺寸w₁、h₁、w₂、h₂，即可實(shí)現(xiàn)多模波導(dǎo)中特定的高階模與單模波導(dǎo)中的基模實(shí)現(xiàn)相位匹配。同時(shí)，由于本發(fā)明的兩根波導(dǎo)采用非等高設(shè)計(jì)(h₁≠h₂)，破壞了耦合器在豎直方向的對(duì)稱(chēng)性，多模波導(dǎo)1中特定的高階模與單模波導(dǎo)2中的基模耦合系數(shù)不為零，從而能夠?qū)崿F(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。

此外，本發(fā)明還可以實(shí)現(xiàn)模式之間的復(fù)用/解復(fù)用，下面以一個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)多模光纖中模式復(fù)用/解復(fù)用的原理及過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹：

以偶對(duì)稱(chēng)模LP₀₁和奇對(duì)稱(chēng)模LP_11b為例，本發(fā)明工作為解復(fù)用狀態(tài)時(shí)，LP₀₁模與LP_11b模從多模波導(dǎo)1的任意一端輸入輸出區(qū)域21輸入，同時(shí)LP₀₁模還從單模波導(dǎo)2的輸入端輸入。在耦合區(qū)域23，由于LP_11b模與單模波導(dǎo)2中的LP₀₁模相位匹配并且耦合系數(shù)不為零，所以經(jīng)過(guò)耦合區(qū)域23對(duì)應(yīng)的耦合長(zhǎng)度之后，LP_11b模完全耦合到單模波導(dǎo)2中的LP₀₁模；而多模波導(dǎo)1中的LP₀₁模則不發(fā)生耦合保持在多模波導(dǎo)1中傳輸并輸出，從而實(shí)現(xiàn)了多模波導(dǎo)1中LP₀₁模與LP_11b模的解復(fù)用。復(fù)用過(guò)程與此相反。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。