CN106842430A - 一种非对称定向耦合器 - Google Patents

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    • G02B6/26—Optical coupling means
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Abstract

本发明公开了一种非对称定向耦合器，包括一根多模波导(1)和一根单模波导(2)，多模波导(1)与单模波导(2)的横截面的高度与宽度均不相同。传统的定向耦合器容易实现光纤中两个奇模或者两个偶模之间的耦合，但是对于水平方向上的奇模和偶模，由于它们电场分布特征决定的耦合系数为零，从而不能转换。本发明中两根波导的宽度及高度皆不相等，因而器件在竖直方向的对称性被破坏，从而可以特别实现光纤中奇模与偶模的转换。本发明可作为模式转换器、模式复用器/解复用器，应用于模分复用光纤通信系统。

Description

一种非对称定向耦合器
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种非对称定向耦合器的设计。
背景技术
定向耦合器(DC)是构成光纤通信系统以及集成光波导线路的重要基本结构。典型的定向耦合器由两根波导构成，能量在两个波导的两个模式中周期性耦合，可实现能量的分配，开关，波分复用，偏振分束等功能。近几年来，模分复用技术(Mode-divisionmultiplexing，MDM)逐渐兴起，模式复用器作为其中的关键器件而受到关注，典型的模式复用器可以基于如下结构实现：多模干涉结构(Multimode interference)，Y分支，微环，DC等。与其它结构相比，基于DC的模式复用器结构简单、设计灵活，更重要的是，DC能够级联从而实现更多模式的复用/解复用。因此模式复用器被更多的研究，并取得了很多新的进展。通过级联的定向耦合器，实现了8个信道的复用/解复用。通过引入锥形结构，DC的工作带宽以及制作容差得到了极大提升。一些其他的有趣的结构也不断涌现，比如狭缝结构的DC，锥形刻蚀的DC等，但是这些还不足以覆盖少模光纤中(Few-mode fiber，FMF)的所有模式。FMF中支持模式的有效折射率呈阶梯状分布，要实现它们的复用/解复用便要求DC的两臂宽度不一样。除此之外，FMF中支持模式的模场对称特性也不一样，按照对称性可将这些模式分为奇模(模场反对称分布，也称奇对称模)与偶模(模场对称分布，也称偶对称模)。以水平方向为对称轴来看，对于实现相位匹配的两个偶模(例如LP01，LP11a等)或者两个奇模(例如LP11b，LP21a等)，传统的DC可以容易实现它们之间的耦合，但是对于奇模与偶模，由于它们的电场分布特征决定的耦合系数为零，因为他们之间不能耦合。
为了解决这一问题，一些解决方案被提出来。最直接的方案就是采用垂直方向的DC，这种设计的DC增加了波导的层数，而层与层之间的厚度控制以及对准问题增加了制作器件的工艺难度；另一种方案是采用模式旋转的设计方案，这种方案首先将奇模(LP11b)旋转为偶模(LP11a)，然后再将其与另一偶模(LP01)耦合，这种方案需要在波导上刻蚀狭缝，而狭缝的精度却难以控制。总体而言目前还没有一种比较好的方案实现奇模与偶模之间的转换。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中没有一种比较好的方案实现奇模与偶模之间的转换的问题，提出了一种非对称定向耦合器。
本发明的技术方案为：一种非对称定向耦合器，包括一根多模波导和一根单模波导；多模波导与单模波导的横截面的高度与宽度均不相同；单模波导包括两端的输入输出区域、中间部分的耦合区域以及用于连接输入输出区域与耦合区域的s弯区域。
优选地，两段输入输出区域结构相同且对称设置。
优选地，两段s弯区域结构相同且对称设置。
优选地，耦合区域与多模波导之间的间距小于输入输出区域与多模波导之间的间距。
优选地，多模波导中特定的高阶模与单模波导中的基模可实现相位匹配。
优选地，多模波导中特定的高阶模与单模波导中的基模耦合系数不为零。
优选地，多模波导与单模波导被包层材料包裹后设置于基底上。
本发明的有益效果是：本发明中两根波导的宽度及高度皆不相等，因而器件在竖直方向的对称性被破坏，从而可以特别实现光纤中奇模与偶模的转换。同时本发明在水平方向采用非等高设计，在实现偶模与奇模之间转换的同时简化了器件的设计，降低了制作器件的工艺成本，同时也提高了器件的耦合效率。本发明可作为模式转换器、模式复用器/解复用器，应用于模分复用光纤通信系统。
附图说明
图1为本发明提供的一种非对称定向耦合器结构示意图。
附图标记说明：1—多模波导、2—单模波导；21—输入输出区域、22—s弯区域、23—耦合区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
本发明提供了一种非对称定向耦合器，如图1所示，包括一根多模波导1和一根单模波导2。多模波导1的横截面高度为h1，宽度为w1，单模波导2的横截面高度为h2，宽度为w2，本发明实施例中h1≠h2，w1≠w2。
单模波导2包括两端的输入输出区域21、中间部分的耦合区域23以及用于连接输入输出区域21与耦合区域23的s弯区域22。其中，两段输入输出区域21结构相同且对称设置。实际应用中，与输入波导连接的一端即为输入区域，与输出波导连接的一端即为输出区域。两段s弯区域22同样结构相同且对称设置。
如图1所示，耦合区域23与多模波导1之间的间距为d，由于s弯区域22连接的关系，d小于输入输出区域21与多模波导1之间的间距，使得单模波导2在耦合区域23能够更好地与多模波导1进行耦合。
多模波导1与单模波导2被包层材料包裹后设置于基底上。包层材料的折射率为ncl，而多模波导1与单模波导2所采用的芯层材料的折射率为nc，其中nc>ncl。。
对于DC，要实现两个模式之间的转换，这两个模式要满足两个条件：其一，相位匹配；其二，耦合系数不为零。传统的等高DC容易实现竖直方向上光纤中两个奇模或者两个偶模之间的耦合，但是对于水平方向上的奇模和偶模，由于电场积分决定的耦合系数为零，二者之间不能发生耦合，进而无法实现模式转换。
本发明中，通过设计多模波导1与单模波导2的截面尺寸w1、h1、w2、h2，即可实现多模波导中特定的高阶模与单模波导中的基模实现相位匹配。同时，由于本发明的两根波导采用非等高设计(h1≠h2)，破坏了耦合器在竖直方向的对称性，多模波导1中特定的高阶模与单模波导2中的基模耦合系数不为零，从而能够实现模式转换。
此外，本发明还可以实现模式之间的复用/解复用，下面以一个具体实施例对本发明实现多模光纤中模式复用/解复用的原理及过程进行详细介绍：
以偶对称模LP01和奇对称模LP11b为例，本发明工作为解复用状态时，LP01模与LP11b模从多模波导1的任意一端输入输出区域21输入，同时LP01模还从单模波导2的输入端输入。在耦合区域23，由于LP11b模与单模波导2中的LP01模相位匹配并且耦合系数不为零，所以经过耦合区域23对应的耦合长度之后，LP11b模完全耦合到单模波导2中的LP01模；而多模波导1中的LP01模则不发生耦合保持在多模波导1中传输并输出，从而实现了多模波导1中LP01模与LP11b模的解复用。复用过程与此相反。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种非对称定向耦合器，其特征在于，包括一根多模波导(1)和一根单模波导(2)；所述多模波导(1)与单模波导(2)的横截面的高度与宽度均不相同；所述单模波导(2)包括两端的输入输出区域(21)、中间部分的耦合区域(23)以及用于连接输入输出区域(21)与耦合区域(23)的s弯区域(22)。
2.根据权利要求1所述的非对称定向耦合器，其特征在于，两段所述输入输出区域(21)结构相同且对称设置。
3.根据权利要求1所述的非对称定向耦合器，其特征在于，两段所述s弯区域(22)结构相同且对称设置。
4.根据权利要求1所述的非对称定向耦合器，其特征在于，所述耦合区域(23)与多模波导(1)之间的间距小于输入输出区域(21)与多模波导(1)之间的间距。
5.根据权利要求1所述的非对称定向耦合器，其特征在于，所述多模波导(1)中特定的高阶模与单模波导(2)中的基模可实现相位匹配。
6.根据权利要求1所述的非对称定向耦合器，其特征在于，所述多模波导(1)中特定的高阶模与单模波导(2)中的基模耦合系数不为零。
7.根据权利要求1-6任一所述的非对称定向耦合器，其特征在于，所述多模波导(1)与单模波导(2)被包层材料包裹后设置于基底上。
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