CN108169850A - 一种基于模阶转换的分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模阶转换的分束器，涉及光分束器技术领域。该分束器包括顺次相连的用于模阶转换的梯形波导、用于扩束的扩束梯形波导以及用于实现分束和基模输出的组合波导结构。基模光束进入用于模阶转换的梯形波导转换成高阶模；高阶模再经过扩束梯形波导进行扩束后，进入组合波导结构；组合波导结构对扩束后的光束进行分束并使出射口光束变为基模后射出，最终得到一定分光比的多束光束。本发明的分束器不但对制作工艺要求低、成品率高，而且带宽大、插损低。

Description

一种基于模阶转换的分束器
技术领域
本发明涉及光分束器技术领域，具体来讲是一种基于模阶转换的分束器。
背景技术
分束器是光通信中的一个重要器件，目前使用的分束器可归纳为两种，第一种是基于定向耦合器的分束器，第二种是基于多模干涉仪的分束器。目前存在的问题是：
1、定向耦合器的波导宽度对耦合效率有很大影响，而制作工艺很难按设计宽度做出波导，所以其工艺容差低，而且由于不同波长的耦合系数变化很大，所以其带宽小；
2、多模干涉仪基于自映像原理，波长相关性大，所以其带宽小，偏离中心波长的插损大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的分束器存在对制作工艺要求高、成品率低，带宽偏小、插损大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提供一种基于模阶转换的分束器，该分束器包括顺次相连的用于模阶转换的梯形波导、用于扩束的扩束梯形波导以及用于实现分束和基模输出的组合波导结构；基模光束进入用于模阶转换的梯形波导转换成高阶模TEi，i为正整数；高阶模TEi再经过扩束梯形波导进行扩束后，进入组合波导结构；组合波导结构对扩束后的光束进行分束并使出射口光束变为基模后射出，最终得到一定分光比的多束光束。
在上述技术方案的基础上，所述用于模阶转换的梯形波导可采用第一对称梯形波导，实现基模与高阶偶数阶模之间的转换；还可采用第一非对称梯形波导，实现基模与高阶偶数阶模或者基模与高阶奇数阶模之间的转换。
在上述技术方案的基础上，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导将基模转换成TE1模，所述组合波导结构包括第一梯形波导和第二梯形波导；TE1模模场有两份强度相等的等份，模式经扩束梯形波导进行扩束时，两等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口中心处用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第一梯形波导和第二梯形波导，光从第一梯形波导和第二梯形波导出射后均为基模，且分光比为1：1，即形成由TE1模为过渡模的3dB分束器。
在上述技术方案的基础上，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导或第一对称梯形波导将基模转换成TE2模，所述组合波导结构包括第一梯形波导、第二梯形波导和第三梯形波导；TE2模模场有三份强度相等的等份，TE2模经扩束梯形波导进行扩束时，三等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上分别距出口上边沿1/3宽度处和2/3宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第一梯形波导、第二梯形波导和第三梯形波导，光从第一梯形波导、第二梯形波导和第三梯形波导出射后均为基模，且分光比为1：1：1，即形成由TE2模为过渡模的三等分分束器。
在上述技术方案的基础上，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导或第一对称梯形波导将基模转换成高阶偶数阶TEb模，n为理数；所述组合波导结构包括第四梯形波导和第五梯形波导，且第四梯形波导的出射口还连接有第二非对称梯形波导；TEn模模场有n+1份强度相等的等份，TEn模经扩束梯形波导进行扩束时，n+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿1/(n+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导和第五梯形波导；其中，n等份的光进入第四梯形波导后再进入第二非对称梯形波导，第二非对称梯形波导将n等份的光转换为基模出射，1等份的光进入第五梯形波导后出射为基模，即形成由TEn模为过渡模分光比为n:1的分束器。
在上述技术方案的基础上，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导将基模转换成高阶奇数阶TEm模，m为奇数；所述组合波导结构包括第四梯形波导和第五梯形波导，且第四梯形波导的出射口还连接有第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导；TEm模模场有m+1份强度相等的等份，TEm模经扩束梯形波导进行扩束时，m+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿1/(m+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导和第五梯形波导；其中，m等份的光进入第四梯形波导后再进入第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导，第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导将m等份的光转换为基模出射，1等份的光进入第五梯形波导后出射为基模，即形成由TEm模为过渡模分光比为m:1的分束器。
在上述技术方案的基础上，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导将基模转换成高阶奇数阶TEl模，l为奇数且l≥5；所述组合波导结构包括第四梯形波导和第五梯形波导，且第四梯形波导的出射口连接有第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导，第五梯形波导的出射口连接有第三对称梯形波导；TEl模模场有l+1份强度相等的等份，TEl模经扩束梯形波导进行扩束时，l+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿l1/(l+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导和第五梯形波导，l1为奇数且3≤l1＜l；其中，l1等份的光进入第四梯形波导后再进入第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导，第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导将l1等份的光转换为基模出射，l2等份的光进入第五梯形波导后再进入第三对称梯形波导，第三对称梯形波导将l2等份的光转换为基模出射，l2+l1＝l+1，即形成由TEl模为过渡模分光比为l1:l2的分束器。
在上述技术方案的基础上，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导将基模转换成高阶奇数阶TEp模，p为奇数且p≥3；所述组合波导结构包括第四梯形波导和第五梯形波导，且第四梯形波导的出射口连接有第二非对称梯形波导，第五梯形波导的出射口连接有第三非对称梯形波导；TEp模模场有p+1份强度相等的等份，TEp模经扩束梯形波导进行扩束时，p+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿p1/(p+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导和第五梯形波导，2≤p1<p；其中，p1等份的光进入第四梯形波导后再进入第二非对称梯形波导，第二非对称梯形波导将p1等份的光转换为基模出射，p2等份的光进入第五梯形波导后再进入第三对非称梯形波导，第三非对称梯形波导将p2等份的光转换为基模出射，p2+p1＝p+1，即形成由TEp模为过渡模分光比为p1:p2的分束器。
在上述技术方案的基础上，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导或第一对称梯形波导将基模转换成高阶偶数阶TEq模，q为偶数且q≥4；所述组合波导结构包括第四梯形波导和第五梯形波导，且第四梯形波导的出射口连接有第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导，第五梯形波导的出射口连接有第三非对称梯形波导；TEq模模场有q+1份强度相等的等份，TEq模经扩束梯形波导进行扩束时，q+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿q1/(q+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导和第五梯形波导，q1为奇数且3≤q1＜q；其中，q1等份的光进入第四梯形波导后再进入第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导，第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导将q1等份的光转换为基模出射，q2等份的光进入第五梯形波导后再进入第三非对称梯形波导，第三非对称梯形波导将q2等份的光转换为基模出射，q1+q2＝q+1，即形成由TEq模为过渡模分光比为q1:q2的分束器。
在上述技术方案的基础上，所述用于模阶转换的梯形波导和扩束梯形波导之间增设有作为稳定波导的第一直波导。
在上述技术方案的基础上，对于实现基模和不同的高阶模TEi之间转换，所述用于模阶转换的梯形波导的结构参数不同。
在上述技术方案的基础上，若高阶模TEi的模场强度等分的各分量之间的间距在所述用于模阶转换的梯形波导的出口端满足制作工艺要求时，所述扩束梯形波导可以省略。
在上述技术方案的基础上，所述用于模阶转换的梯形波导、所述扩束梯形波导以及所述组合波导结构中的波导，均可选用条波导或者脊波导。
本发明的有益效果在于：
1、本发明中，利用对称或非对称梯形波导作为一种模阶转换器，起到模阶转换的作用，通过该用于模阶转换的梯形波导将基模光束转换成高阶模TEi；再将高阶模TEi经过扩束梯形波导进行扩束，由于高阶模TEi的模场强度等分成i+1份，且扩束时各等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大，因此当扩束到足够宽度时(即当间隙足够大时)，可以在间隙处用很大的波导间隔将光束的各等份按一定比例分开，并引入到组合波导结构中实现分束，然后利用组合波导结构使出射口光束变为基模后射出，得到一定分光比的多束光束，从而实现一种基于模阶转换的分束器。本发明的分束器，器件对波导宽度制作误差容忍度大、工艺精度要求低、成品率高；又由于器件波长相关性小，使得分束器带宽大，插损低。
2、通过本发明可形成由TE1模为过渡模的3dB分束器、由TE2模为过渡模的三等分分束器、由TEn(n为偶数)模为过渡模分光比为n:1的分束器、由TEm(m为奇数)模为过渡模分光比为m:1的分束器等各种不同分光比的分束器，满足了各种使用需求，适用范围广。
附图说明
图1为本发明实施例中由TE1模为过渡模的3dB分束器的俯视图图；
图2a、图2b为本发明实施例中由TE2模为过渡模的三等分分束器的俯视图；
图3a、图3b为本发明实施例中由TEn(n为偶数)模为过渡模分光比为n:1的分束器的俯视图；
图4a、图4b为本发明实施例中由TEm(m为奇数)模为过渡模分光比为m:1的分束器的俯视图；
图5a、图5b为本发明实施例中由TEl(l为奇数且l≥5)模为过渡模分光比为l1:l2(l1为奇数且3≤l1＜l，l1+l2＝l+1)的分束器的俯视图；
图6为本发明实施例中由TEp(p为奇数且p≥3)模为过渡模分光比为p1:p2(2≤p1<p，p1+p2＝p+1)的分束器的俯视图；
图7a～图7d为本发明实施例中由TEq(q为偶数且q≥4)模为过渡模分光比为q1:q2(q1为奇数且3≤q1＜q，q1+q2＝q+1)的分束器的俯视图。
附图标记：
1-第一直波导；2-扩束梯形波导；3-第一梯形波导；4-第二梯形波导；5-第三梯形波导；6-第四梯形波导；7-第五梯形波导；8-第二直波导；9-第三直波导；10-第一非对称梯形波导；11-第一对称梯形波导；12-第二非对称梯形波导；13-第二对称梯形波导；14-第三非对称梯形波导；15-第三对称梯形波导。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1至图7d所示，本发明实施例提供一种基于模阶转换的分束器，该分束器包括顺次相连的用于模阶转换的梯形波导、用于扩束的扩束梯形波导2以及用于实现分束和基模输出的组合波导结构。基模光束进入用于模阶转换的梯形波导转换成高阶模TEi(表示第i阶高阶模，i为正整数)；高阶模TEi再经过扩束梯形波导2进行扩束后，进入组合波导结构；组合波导结构对扩束后的光束进行分束并使出射口光束变为基模后射出，最终得到一定分光比的多束光束。
本发明中，利用用于模阶转换的梯形波导将基模光束转换成高阶模TEi，再将高阶模TEi经过扩束梯形波导2进行扩束，由于高阶模TEi的模场强度等分成i+1份，且扩束时各等份之间的间隙随着扩束梯形波导2宽度的增加而增大，因此当扩束到足够宽度时(即当间隙足够大时)，可以在间隙处用很大的波导间隔将光束的各等份按一定比例分开，并引入到组合波导结构中实现分束，然后利用组合波导结构使出射口光束变为基模后射出，得到一定分光比的多束光束，从而实现一种基于模阶转换的分束器。本发明的分束器，器件对波导宽度制作误差容忍度大、工艺精度要求低、成品率高；又由于器件波长相关性小，使得分束器带宽大，插损低。
其中，所述用于模阶转换的梯形波导可采用第一对称梯形波导11或第一非对称梯形波导10。当采用第一对称梯形波导11时，可实现基模与高阶偶数阶模之间的转换；当采用第一非对称梯形波导10时，可实现基模与高阶偶数阶模或者基模与高阶奇数阶模之间的转换。并且，可以理解的是，对于实现不同的基模和高阶模之间的转换，所述用于模阶转换的梯形波导(即第一对称梯形波导11和第一非对称梯形波导10)的结构参数不同。例如，采用不同结构参数的第一非对称梯形波导10，可将入射的基模光束转换成TE1模或TE2模或其他第i阶高阶模TEi等，具体选用的结构参数可根据实际使用需要进行选择。
可以理解的是，在具体实施时，为了进一步有效保证模阶转换过程中的光束的稳定性，可在用于模阶转换的梯形波导和扩束梯形波导2之间增设第一直波导1，该第一直波导1为稳定波导，可起到稳定作用。另外，在具体实施时，若所述用于模阶转换的梯形波导的出口端满足制作要求(即高阶模TEi模场强度等分的各分量之间的间距在所述用于模阶转换的出口端满足制作要求时)，则扩束梯形波导2可以省略。并且，本发明实施例中，所有波导(包括用于模阶转换的梯形波导、扩束梯形波导2以及组合波导结构中的各种波导)可以选用条波导或者脊波导。
为了更清楚的理解本发明，下面通过几个具体实施例对上述分束器作进一步详细说明。
实施例1：
参见图1所示，实施例1提供一种基于模阶转换的分束器。该分束器中，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导10将基模转换成TE1模，所述组合波导结构包括第一梯形波导3和第二梯形波导4，且第一非对称梯形波导10与扩束梯形波导2之间设置有第一直波导1。使用时，基模光束进入第一非对称梯形波导10转换成TE1模，TE1模再经过第一直波导1进入扩束梯形波导2进行扩束；TE1模模场有两份强度相等的等份，模式经扩束梯形波导2进行扩束时，两等份之间的间隙随着扩束梯形波导2宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时(即两等份之间的间隙足够大)，就可以在间隙处用很大的波导间隔将光束的两等份按1:1分开，即在扩束梯形波导2出口中心处用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第一梯形波导3和第二梯形波导4，光从第一梯形波导3和第二梯形波导4出射后均为基模，且分光比为1：1，即形成由TE1模为过渡模的3dB分束器。
实施例2：
参见图2a和图2b所示，实施例2提供一种基于模阶转换的分束器。该分束器中，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导10或第一对称梯形波导11将基模转换成TE2模，所述组合波导结构包括第一梯形波导3、第二梯形波导4和第三梯形波导5，且第一非对称梯形波导10或第一对称梯形波导11与扩束梯形波导2之间设置有第一直波导1。使用时，基模光束进入第一非对称梯形波导10或第一对称梯形波导11转换成TE2模，TE2模再经过第一直波导1进入扩束梯形波导2进行扩束；TE2模模场有三份强度相等的等份，TE2模经扩束梯形波导2进行扩束时，三等份之间的间隙随着扩束梯形波导2宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时(即三等份之间的间隙足够大)，就可在间隙处用很大的波导间隔将光束的三等份按1:1:1分开，即在扩束梯形波导2出口的宽度方向上分别距出口上边沿1/3宽度处和2/3宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第一梯形波导3、第二梯形波导4和第三梯形波导5，光从第一梯形波导3、第二梯形波导4和第三梯形波导5出射后均为基模，且分光比为1：1：1，即形成由TE2模为过渡模的三等分分束器。
实施例3：
参见图3a和图3b所示，实施例3提供一种基于模阶转换的分束器。该分束器中，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导10或第一对称梯形波导11将基模转换成高阶偶数阶TEn(n为偶数)模；第一非对称梯形波导10或第一对称梯形波导11与扩束梯形波导2之间设置有第一直波导1；所述组合波导结构包括第四梯形波导6和第五梯形波导7，且第四梯形波导6的出射口还通过第二直波导8连接有第二非对称梯形波导12。可以理解的是，此处的第二直波导8的作用与第一直波导1的作用类似，均为稳定波导，因此是非必要波导，可根据实际使用需要进行省略或添加。使用时，基模光束进入第一非对称梯形波导10或第一对称梯形波导11转换成高阶偶数阶TEn模，高阶偶数阶TEn模再经过第一直波导1进入扩束梯形波导2进行扩束；TEn模模场有n+1份强度相等的等份，TEn模经扩束梯形波导2进行扩束时，n+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导2宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时(即n+1等份之间的间隙足够大)，就可在间隙处用很大的波导间隔将光束的各等份按n:1分开，即在扩束梯形波导2出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿1/(n+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导6和第五梯形波导7。其中，n等份的光进入第四梯形波导6后再经第二直波导8进入第二非对称梯形波导12，第二非对称梯形波导12将n等份的光(n-1阶模)转换为基模出射；1等份的光进入第五梯形波导7后直接出射，且出射后为基模，最终得到分光比为n:1的光束，即形成由TEn模为过渡模分光比为n:1的分束器。
实施例4：
参见图4a和图4b所示，实施例4提供一种基于模阶转换的分束器。该分束器中，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导10将基模转换成高阶奇数阶TEm(m为奇数)模；第一非对称梯形波导10与扩束梯形波导2之间设置有第一直波导1；所述组合波导结构包括第四梯形波导6和第五梯形波导7，且第四梯形波导6的出射口还通过第二直波导8连接有第二非对称梯形波导12或第二对称梯形波导13。同样可以理解的是，此处的第二直波导8的作用与第一直波导1的作用类似，均为稳定波导，因此是非必要波导，可根据实际使用需要进行省略或添加。使用时，基模光束进入第一非对称梯形波导10转换成高阶奇数阶TEm模，高阶奇数阶TEm模再经过第一直波导1进入扩束梯形波导2进行扩束；TEm模模场有m+1份强度相等的等份，TEm模经扩束梯形波导2进行扩束时，m+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导2宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时(即m+1等份之间的间隙足够大)，就可在间隙处用很大的波导间隔将光束的各等份按m:1分开，即在扩束梯形波导2出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿1/(m+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导6和第五梯形波导7；其中，m等份的光进入第四梯形波导6后再经第二直波导8进入第二非对称梯形波导12或第二对称梯形波导13，第二非对称梯形波导12或第二对称梯形波导13将m等份的光(m-1阶模)转换为基模出射，1等份的光进入第五梯形波导7后出射为基模，即形成由TEm模为过渡模分光比为m:1的分束器。
实施例5：
参见图5a和图5b所示，实施例5提供一种基于模阶转换的分束器。该分束器中，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导10将基模转换成高阶奇数阶TEl(l为奇数且l≥5)模；第一非对称梯形波导10与扩束梯形波导2之间设置有第一直波导1；所述组合波导结构包括第四梯形波导6和第五梯形波导7，且第四梯形波导6的出射口还通过第二直波导8连接有第二非对称梯形波导12或第二对称梯形波导13，第五梯形波导7的出射口也通过第三直波导9连接有第三对称梯形波导15。同样可以理解的是，此处的第二直波导8、第三直波导9的作用与第一直波导1的作用类似，均为稳定波导，因此是非必要波导，可根据实际使用需要进行省略或添加。使用时，基模光束进入第一非对称梯形波导10转换成高阶奇数阶TEl模，高阶奇数阶TEl模再经过第一直波导1进入扩束梯形波导2进行扩束；TEl模模场有l+1份强度相等的等份，TEl模经扩束梯形波导2进行扩束时，l+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导2宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时(即l+1等份之间的间隙足够大)，就可在间隙处用很大的波导间隔将光束的各等份按l1:l2分开(l1为奇数且3≤l1＜l，l1+l2＝l+1)，即在扩束梯形波导2出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿l1/(l+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导6和第五梯形波导7；其中，l1等份的光进入第四梯形波导6后再经第二直波导8进入第二非对称梯形波导12或第二对称梯形波导13，第二非对称梯形波导12或第二对称梯形波导13将l1等份的光(l1-1阶模)转换为基模出射；l2,等份的光进入第五梯形波导7后再经第三直波导9进入第三对称梯形波导15，第三对称梯形波导15将l2等份的光(l2-1阶模)转换为基模出射，即形成由TEl模为过渡模分光比为l1:l2的分束器。
实施例6：
参见图6所示，实施例6提供一种基于模阶转换的分束器。该分束器中，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导10将基模转换成高阶奇数阶TEp(p为奇数且p≥3)模；第一非对称梯形波导10与扩束梯形波导2之间设置有第一直波导1；所述组合波导结构包括第四梯形波导6和第五梯形波导7，且第四梯形波导6的出射口还通过第二直波导8连接有第二非对称梯形波导12，第五梯形波导7的出射口也通过第三直波导9连接有第三非对称梯形波导14。同样可以理解的是，此处的第二直波导8、第三直波导9的作用与第一直波导1的作用类似，均为稳定波导，因此是非必要波导，可根据实际使用需要进行省略或添加。使用时，基模光束进入第一非对称梯形波导10转换成高阶奇数阶TEp模，高阶奇数阶TEp模再经过第一直波导1进入扩束梯形波导2进行扩束；TEp模模场有p+1份强度相等的等份，TEp模经扩束梯形波导2进行扩束时，p+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导2宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时(即p+1等份之间的间隙足够大)，就可在间隙处用很大的波导间隔将光束的各等份按p1:p2分开(2≤p1<p，p1+p2＝p+1)，即在扩束梯形波导2出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿p1/(p+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导6和第五梯形波导7；其中，p1等份的光进入第四梯形波导6后再经第二直波导8进入第二非对称梯形波导12，第二非对称梯形波导12将p1等份的光(p1-1阶模)转换为基模出射，p2等份的光进入第五梯形波导7后再经第三直波导9进入第三对非称梯形波导，第三非对称梯形波导14将p2等份的光(p2-1阶模)转换为基模出射，即形成由TEp模为过渡模分光比为p1:p2的分束器。
实施例7：
参见图7a至图7d所示，实施例7提供一种基于模阶转换的分束器。该分束器中，所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导10或第一对称梯形波导11将基模转换成高阶偶数阶TEq(q为偶数且q≥4)模；第一非对称梯形波导10或第一对称梯形波导11与扩束梯形波导2之间设置有第一直波导1；所述组合波导结构包括第四梯形波导6和第五梯形波导7，且第四梯形波导6的出射口还通过第二直波导8连接有第二非对称梯形波导12或第二对称梯形波导13，第五梯形波导7的出射口也通过第三直波导9连接有第三非对称梯形波导14。同样可以理解的是，此处的第二直波导8、第三直波导9的作用与第一直波导1的作用类似，均为稳定波导，因此是非必要波导，可根据实际使用需要进行省略或添加。使用时，基模光束进入第一非对称梯形波导10或第一对称梯形波导11转换成高阶偶数阶TEq模，高阶偶数阶TEq模再经过第一直波导1进入扩束梯形波导2进行扩束；TEq模模场有q+1份强度相等的等份，TEq模经扩束梯形波导进行扩束时，q+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导2宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时(即q+1等份之间的间隙足够大)，就可在间隙处用很大的波导间隔将光束的各等份按q1:q2分开(q1为奇数且3≤q1＜q，q1+q2＝q+1)，即在扩束梯形波导2出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿q1/(q+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导6和第五梯形波导7；其中，q1等份的光进入第四梯形波导6后再经第二直波导8进入第二非对称梯形波导12或第二对称梯形波导13，第二非对称梯形波导12或第二对称梯形波导13将q1等份的光(q1-1阶模)转换为基模出射，q2等份的光进入第五梯形波导7后再经第三直波导9进入第三非对称梯形波导14，第三非对称梯形波导14将q2等份的光(q2-1阶模)转换为基模出射，即形成由TEq模为过渡模分光比为q1:q2的分束器。
另外，可以理解的是，在上述实施例1～7中对于实现不同的高阶模转换，所述组合波导结构中具体使用的梯形波导(即第二、三对称梯形波导以及第二、三非对称梯形波导)的结构参数会是不同的。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (13)

1.一种基于模阶转换的分束器，其特征在于：该分束器包括顺次相连的用于模阶转换的梯形波导、用于扩束的扩束梯形波导以及用于实现分束和基模输出的组合波导结构；
基模光束进入用于模阶转换的梯形波导转换成高阶模TEi，i为正整数；高阶模TEi再经过扩束梯形波导进行扩束后，进入组合波导结构；组合波导结构对扩束后的光束进行分束并使出射口光束变为基模后射出，最终得到一定分光比的多束光束。
2.如权利要求1所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：所述用于模阶转换的梯形波导可采用第一对称梯形波导，实现基模与高阶偶数阶模之间的转换；还可采用第一非对称梯形波导，实现基模与高阶偶数阶模或者基模与高阶奇数阶模之间的转换。
3.如权利要求2所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导将基模转换成TE1模，所述组合波导结构包括第一梯形波导和第二梯形波导；
TE1模模场有两份强度相等的等份，模式经扩束梯形波导进行扩束时，两等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口中心处用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第一梯形波导和第二梯形波导，光从第一梯形波导和第二梯形波导出射后均为基模，且分光比为1：1，即形成由TE1模为过渡模的3dB分束器。
4.如权利要求2所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导或第一对称梯形波导将基模转换成TE2模，所述组合波导结构包括第一梯形波导、第二梯形波导和第三梯形波导；
TE2模模场有三份强度相等的等份，TE2模经扩束梯形波导进行扩束时，三等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上分别距出口上边沿1/3宽度处和2/3宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第一梯形波导、第二梯形波导和第三梯形波导，光从第一梯形波导、第二梯形波导和第三梯形波导出射后均为基模，且分光比为1：1：1，即形成由TE2模为过渡模的三等分分束器。
5.如权利要求2所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导或第一对称梯形波导将基模转换成高阶偶数阶TEn模，n为偶数；所述组合波导结构包括第四梯形波导和第五梯形波导，且第四梯形波导的出射口还连接有第二非对称梯形波导；
TEn模模场有n+1份强度相等的等份，TEn模经扩束梯形波导进行扩束时，n+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿1/(n+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导和第五梯形波导；其中，n等份的光进入第四梯形波导后再进入第二非对称梯形波导，第二非对称梯形波导将n等份的光转换为基模出射，1等份的光进入第五梯形波导后出射为基模，即形成由TEn模为过渡模分光比为n:1的分束器。
6.如权利要求2所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导将基模转换成高阶奇数阶TEm模，m为奇数；所述组合波导结构包括第四梯形波导和第五梯形波导，且第四梯形波导的出射口还连接有第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导；
TEm模模场有m+1份强度相等的等份，TEm模经扩束梯形波导进行扩束时，m+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿1/(m+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导和第五梯形波导；其中，m等份的光进入第四梯形波导后再进入第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导，第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导将m等份的光转换为基模出射，1等份的光进入第五梯形波导后出射为基模，即形成由TEm模为过渡模分光比为m:1的分束器。
7.如权利要求2所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导将基模转换成高阶奇数阶TEl模，l为奇数且l≥5；所述组合波导结构包括第四梯形波导和第五梯形波导，且第四梯形波导的出射口连接有第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导，第五梯形波导的出射口连接有第三对称梯形波导；
TEl模模场有l+1份强度相等的等份，TEl模经扩束梯形波导进行扩束时，l+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿l1/(l+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导和第五梯形波导，l1为奇数且3≤l1＜l；其中，l1等份的光进入第四梯形波导后再进入第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导，第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导将l1等份的光转换为基模出射，l2等份的光进入第五梯形波导后再进入第三对称梯形波导，第三对称梯形波导将l2等份的光转换为基模出射，l2+l1＝l+1，即形成由TEl模为过渡模分光比为l1:l2的分束器。
8.如权利要求2所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导将基模转换成高阶奇数阶TEp模，p为奇数且p≥3；所述组合波导结构包括第四梯形波导和第五梯形波导，且第四梯形波导的出射口连接有第二非对称梯形波导，第五梯形波导的出射口连接有第三非对称梯形波导；
TEp模模场有p+1份强度相等的等份，TEp模经扩束梯形波导进行扩束时，p+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿p1/(p+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导和第五梯形波导，2≤p1<p；其中，p1等份的光进入第四梯形波导后再进入第二非对称梯形波导，第二非对称梯形波导将p1等份的光转换为基模出射，p2等份的光进入第五梯形波导后再进入第三对非称梯形波导，第三非对称梯形波导将p2等份的光转换为基模出射，p2+p1＝p+1，即形成由TEp模为过渡模分光比为p1:p2的分束器。
9.如权利要求2所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：所述用于模阶转换的梯形波导采用第一非对称梯形波导或第一对称梯形波导将基模转换成高阶偶数阶TEq模，q为偶数且q≥4；所述组合波导结构包括第四梯形波导和第五梯形波导，且第四梯形波导的出射口连接有第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导，第五梯形波导的出射口连接有第三非对称梯形波导；
TEq模模场有q+1份强度相等的等份，TEq模经扩束梯形波导进行扩束时，q+1等份之间的间隙随着扩束梯形波导宽度的增加而增大；当扩束到足够宽度时，在扩束梯形波导出口的宽度方向上距出口上边沿或下边沿q1/(q+1)宽度处，用工艺允许加工宽度的波导间间隙将光分别引入第四梯形波导和第五梯形波导，q1为奇数且3≤q1＜q；其中，q1等份的光进入第四梯形波导后再进入第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导，第二非对称梯形波导或第二对称梯形波导将q1等份的光转换为基模出射，q2等份的光进入第五梯形波导后再进入第三非对称梯形波导，第三非对称梯形波导将q2等份的光转换为基模出射，q1+q2＝q+1，即形成由TEq模为过渡模分光比为q1:q2的分束器。
10.如权利要求1至9中任一项所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：所述用于模阶转换的梯形波导和扩束梯形波导之间增设有作为稳定波导的第一直波导。
11.如权利要求1至9中任一项所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：对于实现基模和不同的高阶模TEi之间转换，所述用于模阶转换的梯形波导的结构参数不同。
12.如权利要求1至9中任一项所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：若高阶模TEi的模场强度等分的各分量之间的间距在所述用于模阶转换的梯形波导的出口端满足制作工艺要求时，所述扩束梯形波导可以省略。
13.如权利要求1至9中任一项所述的基于模阶转换的分束器，其特征在于：所述用于模阶转换的梯形波导、所述扩束梯形波导以及所述组合波导结构中的波导，均可选用条波导或者脊波导。
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