【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学元件，具体涉及一种基于多模光纤的光波导阵列结构及其设计方法。
技术介绍
1、随着信息通信技术的迅猛发展，光通信作为其重要组成部分，在高速、大容量、低损耗传输方面展现出了巨大的潜力。光纤作为光通信的基础传输介质，传统的光纤器件通常是通过材料的掺杂、拉伸、热处理等方法制备而成，制备工艺复杂、成本高昂，且器件性能受到材料和工艺的限制。例如，传统的光场调控技术，如透镜、反射镜、分束器等，难以快速调整或适用不同的光场需求，制造和集成涉及复杂的流程和较大的成本，不便于应用于分布式。波长选择性和能量均可控的光纤器件常见有：可调谐滤波器、可调谐光纤光栅、可调谐光纤耦合器等。但其稳定性和可靠性受到环境的影响，且制备工艺复杂，成本较高，不利于应用于分布式系统中。
2、大范围超声覆盖要求能在单根光纤上实现大量光声换能器复用，且每一个换能器产生的超声信号强度徐均衡。现阶段，尚没有较好的方案解决该问题。因此，亟需一种光辐射波导结构，一方面可以灵活调控耦合输出的光强，从而在光纤沿线实现均衡的光辐射输出，另一方面需要利用波分方法实现复用容量的增倍。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种基于多模光纤的光波导阵列结构及其设计方法，通过在多模光纤中刻写传导光波的结构，改变波导结构的折射率、形状、尺寸和位置，无需复杂的制备工艺，可以实现对波导的折射率、形状、尺寸和位置等的精确控制，从而实现了对结构的能量耦合比、波长选择性的可控调节，大大提高了器件的灵活性和性能。
2、本专利技
3、所述第一弯曲波导的起始端设置于多模光纤的纤芯区域，终端设置于多模光纤的包层区域，第一直线波导设置于多模光纤的包层区域，所述第一弯曲波导的终端与第一直线波导的起始端连接形成波导引导区，第一直线波导的终端面向下一个光波导复合结构；
4、多个所述单模波导结构形成波导选择区，所述单模波导结构包括依次连接的第二直线波导和第二弯曲波导，所述第二直线波导设置于第一直线波导与多模光纤的包层界面之间的多模光纤的包层区域中，第二直线波导的终端连接第二弯曲波导起始端，第二弯曲波导的终端垂直朝向多模光纤的包层界面(第二弯曲波导的终端可设于包层区域内也可与包层界面连通)；第二直线波导的起始端方向与第一直线波导的起始端方向对应。
5、每个光波导复合结构中的第一直线波导与对应的第二直线波导形成波导耦合。
6、所述第一弯曲波导用于引导纤芯的部分光波能量，第一直线波导用于传输来自第一弯曲波导的光波，第二直线波导与第一直线波导进行波导耦合，第二弯曲波导引导第二直线波导传输的光波能量到指定的包层界面处。
7、优选的，所述第一弯曲波导为s型波导，所述第二弯曲波导为l型波导。
8、设计第一弯曲波导为s型可以减少弯曲损耗，也有助于与直线波导结构衔接，设计第二弯曲波导为l型可以减少减小损耗，同时也有助于光波传输到包层界面。
9、优选的，所述第一弯曲波导由中心对称的两段圆弧连接构成。
10、优选的，所述第二弯曲波导与第二直线波导的连接段为圆弧倒角，第二弯曲波导的连接段与终端之间为直线波导。
11、优选的，所述第一弯曲波导的宽度为8～12μm，弯曲弧形长度为1000～1500μm，圆弧的弯曲半径为3～40μm；折射率为10-3～10-2；所述第一弯曲波导(1)的中心(即两段圆弧波导连接处)距离多模光纤的纤芯中心为0～5μm。
12、优选的，所述第一直线波导的宽度为8～12μm，长度为10000～20000μm；折射率为10-3～10-2。第一弯曲波导与第一直线波导的宽度和折射率一致。
13、优选的，所述第二弯曲波导的宽度为5～8μm，连接段与直线波导的总长度为12～17μm；折射率为10-3～10-2。
14、优选的，所述第二直线波导的宽度为5～8μm，长度为500～1500μm；所述第二直线波导与所述第一弯曲波导的耦合间距为8～10μm；折射率为10-3～10-2。第二弯曲波导与第二直线波导的宽度和折射率一致。
15、通过设计第一弯曲波导的结构和参数，控制进入第一弯曲波导的光波能量。光波经过第一弯曲波导后输入到第一直线波导，当光信号到达第二直线波导的垂直区域时，两个直线波导构成典型的定向耦合器，由于定向耦合器通过结构参数调控可以实现可控的能量耦合比和波长选择性，则第二直线波导的结构和结构参数一定时，第二直线波导只耦合一定能量的特定中心波长的光波，并最终由第二弯曲波导引导到指定的包层界面位置。
16、本专利技术提供一种如上所述的基于多模光纤的光波导阵列结构的方法，包括以下步骤：
17、1)设定所述光波导阵列结构工作波长和输出能量，从而确定每个单模波导结构输出的波长和能量；
18、2)以步骤1)确认的性能参数为目标，通过仿真对所述光波导阵列结构进行建模，确定第一弯曲波导、第一直线波导的结构参数，每个单模波导结构对应的第二直线波导和第二弯曲波导的结构参数；
19、3)基于步骤2确定的结构参数，通过飞秒激光在光纤中依次刻写第一弯曲波导、第一直线波导，每个单模波导结构对应的第二直线波导、第二弯曲波导，即完成单个光波导复合结构；依照此步骤刻写完成设定数目的光波导复合结构后，即得到所述光波导阵列结构。
20、引导区的第一弯曲波导对输入多模光纤的所有工作波长(λ1…λn…λm)无选择性引导到第一直线波导。根据单个单模波导结构所需的工作波长λ1设置第二直线波导的结构参数，同理根据第n个单模波导结构所需的工作波段λn设置对应第二直线波导的结构参数，同理根据第m个单模波导结构所需的工作波段λm设置对应第二直线波导的结构参数。则实现选择区的单模波导结构…n…m分别引导λ1…λn…λm工作波段的光波，且通过结构参数设置可以实现耦合能量的一致，即完成单个光波导复合结构。
21、在光纤的不同长度位置刻写结构类似的光波导复合结构，构成多模光纤中的光波导阵列结构。输入的所有工作波长(λ1…λn…λm)的部分能量无选择性的被引导进入处于前端的光波导复合结构，未被引导的工作波长的光波能量继续沿着纤芯传输，当达到后段的光波导复合结构时，所有工作波段仍被无选择性的被引导进入光波导复合结构中。通过精准控制后段的光波导复合结构的选择区结构的结构参数和位置，来控制引导到后段的光波导复合结构的光波能量一致，则后段的光波导复合结构中对应工作波长(λ1…λn…λm)的结构5…n…m的结构和参数与前段光波导复合结构相同。
22、本专利技术还提供一种如上所述的基于多模光纤的光波导阵列结构的光波传导方法，包扩如下步骤：第一个光波导复合结构的第一弯曲波导对输入多模光纤的所有工作波长λ1…λn…λm的光波无选择性地引本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，包括多个沿多模光纤长度方向设置的光波导复合结构(10)，所述光波导复合结构(10)包括第一弯曲波导(1)、第一直线波导(2)和多个沿多模光纤长度方向等距设置的单模波导结构(5)；
2.根据权利要求1所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第一弯曲波导(1)为S型波导，所述第二弯曲波导(4)为L型波导。
3.根据权利要求2所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第一弯曲波导(1)由中心对称的两段圆弧波导连接构成。
4.根据权利要求2所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第二弯曲波导(4)与第二直线波导(3)的连接段为圆弧倒角，第二弯曲波导(4)的连接段与终端之间为直线波导。
5.根据权利要求3所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第一弯曲波导(1)的宽度为8～12μm，弯曲弧形长度为1000～1500μm，第一弯曲波导(1)中圆弧的弯曲半径为3～40μm；折射率为10-3～10-2；所述第一弯曲波导(1)的中心距离多模光纤的纤
6.根据权利要求3所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第一直线波导(2)的宽度为8～12μm，长度为10000～20000μm；折射率为10-3～10-2。
7.根据权利要求4所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第二弯曲波导(4)的宽度为5～8μm，第二弯曲波导(4)的连接段与直线波导的总长度为12～17μm，折射率为10-3～10-2。
8.根据权利要求4所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第二直线波导(3)的宽度为5～8μm，长度为500～1500μm；所述第二直线波导(3)与所述第一弯曲波导(1)的耦合间距为8～10μm；折射率为10-3～10-2。
9.一种设计根据权利要求1-8任一所述的基于多模光纤的光波导阵列结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.一种根据权利要求1-8任一所述的基于多模光纤的光波导阵列结构的光波传导方法，其特征在于，包容如下步骤：第一个光波导复合结构(10)的第一弯曲波导(1)对输入多模光纤的所有工作波长的光波无选择性地引导到第一直线波导(2)，第二直线波导(3)与第一直线波导(2)形成波导耦合，选择相应波长的光波传输至对应的第二弯曲波导(4)，对应的第二弯曲波导(4)将接受的光波能量到传导到指定的包层界面处，未被选择的光波则沿多模光纤传导至下一个光波导复合结构(10)。
...【技术特征摘要】
1.一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，包括多个沿多模光纤长度方向设置的光波导复合结构(10)，所述光波导复合结构(10)包括第一弯曲波导(1)、第一直线波导(2)和多个沿多模光纤长度方向等距设置的单模波导结构(5)；
2.根据权利要求1所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第一弯曲波导(1)为s型波导，所述第二弯曲波导(4)为l型波导。
3.根据权利要求2所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第一弯曲波导(1)由中心对称的两段圆弧波导连接构成。
4.根据权利要求2所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第二弯曲波导(4)与第二直线波导(3)的连接段为圆弧倒角，第二弯曲波导(4)的连接段与终端之间为直线波导。
5.根据权利要求3所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第一弯曲波导(1)的宽度为8～12μm，弯曲弧形长度为1000～1500μm，第一弯曲波导(1)中圆弧的弯曲半径为3～40μm；折射率为10-3～10-2；所述第一弯曲波导(1)的中心距离多模光纤的纤芯中心为0～5μm。
6.根据权利要求3所述一种基于多模光纤的光波导阵列结构，其特征在于，所述第一直线波导(2)的宽度为8...
【专利技术属性】
技术研发人员：李政颖，傅雪蕾，李家普，曾颖，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：
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