本發(fā)明屬于光通信技術領域，具體涉及一種非對稱定向耦合器的設計。

背景技術：

定向耦合器(DC)是構成光纖通信系統(tǒng)以及集成光波導線路的重要基本結構。典型的定向耦合器由兩根波導構成，能量在兩個波導的兩個模式中周期性耦合，可實現(xiàn)能量的分配，開關，波分復用，偏振分束等功能。近幾年來，模分復用技術(Mode-division multiplexing，MDM)逐漸興起，模式復用器作為其中的關鍵器件而受到關注，典型的模式復用器可以基于如下結構實現(xiàn)：多模干涉結構(Multimode interference)，Y分支，微環(huán)，DC等。與其它結構相比，基于DC的模式復用器結構簡單、設計靈活，更重要的是，DC能夠級聯(lián)從而實現(xiàn)更多模式的復用/解復用。因此模式復用器被更多的研究，并取得了很多新的進展。通過級聯(lián)的定向耦合器，實現(xiàn)了8個信道的復用/解復用。通過引入錐形結構，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構也不斷涌現(xiàn)，比如狹縫結構的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，要實現(xiàn)它們的復用/解復用便要求DC的兩臂寬度不一樣。除此之外，F(xiàn)MF中支持模式的模場對稱特性也不一樣，按照對稱性可將這些模式分為奇模(模場反對稱分布，也稱奇對稱模)與偶模(模場對稱分布，也稱偶對稱模)。以水平方向為對稱軸來看，對于實現(xiàn)相位匹配的兩個偶模(例如LP₀₁，LP_11a等)或者兩個奇模(例如LP_11b，LP_21a等)，傳統(tǒng)的DC可以容易實現(xiàn)它們之間的耦合，但是對于奇模與偶模，由于它們的電場分布特征決定的耦合系數(shù)為零，因為他們之間不能耦合。

為了解決這一問題，一些解決方案被提出來。最直接的方案就是采用垂直方向的DC，這種設計的DC增加了波導的層數(shù)，而層與層之間的厚度控制以及對準問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)的設計方案，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上刻蝕狹縫，而狹縫的精度卻難以控制。總體而言目前還沒有一種比較好的方案實現(xiàn)奇模與偶模之間的轉(zhuǎn)換。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中沒有一種比較好的方案實現(xiàn)奇模與偶模之間的轉(zhuǎn)換的問題，提出了一種非對稱定向耦合器。

本發(fā)明的技術方案為：一種非對稱定向耦合器，包括一根多模波導和一根單模波導；多模波導與單模波導的橫截面的高度與寬度均不相同；單模波導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)域結構相同且對稱設置。

優(yōu)選地，兩段s彎區(qū)域結構相同且對稱設置。

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

優(yōu)選地，多模波導中特定的高階模與單模波導中的基?？蓪崿F(xiàn)相位匹配。

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

優(yōu)選地，多模波導與單模波導被包層材料包裹后設置于基底上。

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

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的一種非對稱定向耦合器結構示意圖。

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

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的說明。

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

單模波導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結構相同且對稱設置。實際應用中，與輸入波導連接的一端即為輸入?yún)^(qū)域，與輸出波導連接的一端即為輸出區(qū)域。兩段s彎區(qū)域22同樣結構相同且對稱設置。

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

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

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

本發(fā)明中，通過設計多模波導1與單模波導2的截面尺寸w₁、h₁、w₂、h₂，即可實現(xiàn)多模波導中特定的高階模與單模波導中的基模實現(xiàn)相位匹配。同時，由于本發(fā)明的兩根波導采用非等高設計(h₁≠h₂)，破壞了耦合器在豎直方向的對稱性，多模波導1中特定的高階模與單模波導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)明還可以實現(xiàn)模式之間的復用/解復用，下面以一個具體實施例對本發(fā)明實現(xiàn)多模光纖中模式復用/解復用的原理及過程進行詳細介紹：

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

本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(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)明的保護范圍內(nèi)。