本發(fā)明涉及光學(xué)元件，具體涉及一種基于多模光纖的光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、隨著信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，光通信作為其重要組成部分，在高速、大容量、低損耗傳輸方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。光纖作為光通信的基礎(chǔ)傳輸介質(zhì)，傳統(tǒng)的光纖器件通常是通過材料的摻雜、拉伸、熱處理等方法制備而成，制備工藝復(fù)雜、成本高昂，且器件性能受到材料和工藝的限制。例如，傳統(tǒng)的光場調(diào)控技術(shù)，如透鏡、反射鏡、分束器等，難以快速調(diào)整或適用不同的光場需求，制造和集成涉及復(fù)雜的流程和較大的成本，不便于應(yīng)用于分布式。波長選擇性和能量均可控的光纖器件常見有：可調(diào)諧濾波器、可調(diào)諧光纖光柵、可調(diào)諧光纖耦合器等。但其穩(wěn)定性和可靠性受到環(huán)境的影響，且制備工藝復(fù)雜，成本較高，不利于應(yīng)用于分布式系統(tǒng)中。

2、大范圍超聲覆蓋要求能在單根光纖上實(shí)現(xiàn)大量光聲換能器復(fù)用，且每一個(gè)換能器產(chǎn)生的超聲信號(hào)強(qiáng)度徐均衡?，F(xiàn)階段，尚沒有較好的方案解決該問題。因此，亟需一種光輻射波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一方面可以靈活調(diào)控耦合輸出的光強(qiáng)，從而在光纖沿線實(shí)現(xiàn)均衡的光輻射輸出，另一方面需要利用波分方法實(shí)現(xiàn)復(fù)用容量的增倍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于多模光纖的光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，通過在多模光纖中刻寫傳導(dǎo)光波的結(jié)構(gòu)，改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率、形狀、尺寸和位置，無需復(fù)雜的制備工藝，可以實(shí)現(xiàn)對波導(dǎo)的折射率、形狀、尺寸和位置等的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)的能量耦合比、波長選擇性的可控調(diào)節(jié)，大大提高了器件的靈活性和性能。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的方案如下：一種基于多模光纖的光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)沿多模光纖長度方向設(shè)置的光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)包括第一彎曲波導(dǎo)、第一直線波導(dǎo)和多個(gè)沿多模光纖長度方向等距設(shè)置的單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；

3、所述第一彎曲波導(dǎo)的起始端設(shè)置于多模光纖的纖芯區(qū)域，終端設(shè)置于多模光纖的包層區(qū)域，第一直線波導(dǎo)設(shè)置于多模光纖的包層區(qū)域，所述第一彎曲波導(dǎo)的終端與第一直線波導(dǎo)的起始端連接形成波導(dǎo)引導(dǎo)區(qū)，第一直線波導(dǎo)的終端面向下一個(gè)光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)；

4、多個(gè)所述單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)形成波導(dǎo)選擇區(qū)，所述單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括依次連接的第二直線波導(dǎo)和第二彎曲波導(dǎo)，所述第二直線波導(dǎo)設(shè)置于第一直線波導(dǎo)與多模光纖的包層界面之間的多模光纖的包層區(qū)域中，第二直線波導(dǎo)的終端連接第二彎曲波導(dǎo)起始端，第二彎曲波導(dǎo)的終端垂直朝向多模光纖的包層界面(第二彎曲波導(dǎo)的終端可設(shè)于包層區(qū)域內(nèi)也可與包層界面連通)；第二直線波導(dǎo)的起始端方向與第一直線波導(dǎo)的起始端方向?qū)?yīng)。

5、每個(gè)光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)中的第一直線波導(dǎo)與對應(yīng)的第二直線波導(dǎo)形成波導(dǎo)耦合。

6、所述第一彎曲波導(dǎo)用于引導(dǎo)纖芯的部分光波能量，第一直線波導(dǎo)用于傳輸來自第一彎曲波導(dǎo)的光波，第二直線波導(dǎo)與第一直線波導(dǎo)進(jìn)行波導(dǎo)耦合，第二彎曲波導(dǎo)引導(dǎo)第二直線波導(dǎo)傳輸?shù)墓獠芰康街付ǖ陌鼘咏缑嫣帯?/p>

7、優(yōu)選的，所述第一彎曲波導(dǎo)為s型波導(dǎo)，所述第二彎曲波導(dǎo)為l型波導(dǎo)。

8、設(shè)計(jì)第一彎曲波導(dǎo)為s型可以減少彎曲損耗，也有助于與直線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)銜接，設(shè)計(jì)第二彎曲波導(dǎo)為l型可以減少減小損耗，同時(shí)也有助于光波傳輸?shù)桨鼘咏缑妗?/p>

9、優(yōu)選的，所述第一彎曲波導(dǎo)由中心對稱的兩段圓弧連接構(gòu)成。

10、優(yōu)選的，所述第二彎曲波導(dǎo)與第二直線波導(dǎo)的連接段為圓弧倒角，第二彎曲波導(dǎo)的連接段與終端之間為直線波導(dǎo)。

11、優(yōu)選的，所述第一彎曲波導(dǎo)的寬度為8～12μm，彎曲弧形長度為1000～1500μm，圓弧的彎曲半徑為3～40μm；折射率為10-3～10-2；所述第一彎曲波導(dǎo)(1)的中心(即兩段圓弧波導(dǎo)連接處)距離多模光纖的纖芯中心為0～5μm。

12、優(yōu)選的，所述第一直線波導(dǎo)的寬度為8～12μm，長度為10000～20000μm；折射率為10-3～10-2。第一彎曲波導(dǎo)與第一直線波導(dǎo)的寬度和折射率一致。

13、優(yōu)選的，所述第二彎曲波導(dǎo)的寬度為5～8μm，連接段與直線波導(dǎo)的總長度為12～17μm；折射率為10-3～10-2。

14、優(yōu)選的，所述第二直線波導(dǎo)的寬度為5～8μm，長度為500～1500μm；所述第二直線波導(dǎo)與所述第一彎曲波導(dǎo)的耦合間距為8～10μm；折射率為10-3～10-2。第二彎曲波導(dǎo)與第二直線波導(dǎo)的寬度和折射率一致。

15、通過設(shè)計(jì)第一彎曲波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，控制進(jìn)入第一彎曲波導(dǎo)的光波能量。光波經(jīng)過第一彎曲波導(dǎo)后輸入到第一直線波導(dǎo)，當(dāng)光信號(hào)到達(dá)第二直線波導(dǎo)的垂直區(qū)域時(shí)，兩個(gè)直線波導(dǎo)構(gòu)成典型的定向耦合器，由于定向耦合器通過結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)可控的能量耦合比和波長選擇性，則第二直線波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，第二直線波導(dǎo)只耦合一定能量的特定中心波長的光波，并最終由第二彎曲波導(dǎo)引導(dǎo)到指定的包層界面位置。

16、本發(fā)明提供一種如上所述的基于多模光纖的光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：

17、1)設(shè)定所述光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)工作波長和輸出能量，從而確定每個(gè)單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)輸出的波長和能量；

18、2)以步驟1)確認(rèn)的性能參數(shù)為目標(biāo)，通過仿真對所述光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，確定第一彎曲波導(dǎo)、第一直線波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，每個(gè)單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的第二直線波導(dǎo)和第二彎曲波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；

19、3)基于步驟2確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過飛秒激光在光纖中依次刻寫第一彎曲波導(dǎo)、第一直線波導(dǎo)，每個(gè)單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的第二直線波導(dǎo)、第二彎曲波導(dǎo)，即完成單個(gè)光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)；依照此步驟刻寫完成設(shè)定數(shù)目的光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)后，即得到所述光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)。

20、引導(dǎo)區(qū)的第一彎曲波導(dǎo)對輸入多模光纖的所有工作波長(λ1…λn…λm)無選擇性引導(dǎo)到第一直線波導(dǎo)。根據(jù)單個(gè)單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所需的工作波長λ1設(shè)置第二直線波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同理根據(jù)第n個(gè)單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所需的工作波段λn設(shè)置對應(yīng)第二直線波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同理根據(jù)第m個(gè)單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所需的工作波段λm設(shè)置對應(yīng)第二直線波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。則實(shí)現(xiàn)選擇區(qū)的單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)…n…m分別引導(dǎo)λ1…λn…λm工作波段的光波，且通過結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)耦合能量的一致，即完成單個(gè)光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

21、在光纖的不同長度位置刻寫結(jié)構(gòu)類似的光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)，構(gòu)成多模光纖中的光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)。輸入的所有工作波長(λ1…λn…λm)的部分能量無選擇性的被引導(dǎo)進(jìn)入處于前端的光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)，未被引導(dǎo)的工作波長的光波能量繼續(xù)沿著纖芯傳輸，當(dāng)達(dá)到后段的光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，所有工作波段仍被無選擇性的被引導(dǎo)進(jìn)入光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)中。通過精準(zhǔn)控制后段的光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)的選擇區(qū)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和位置，來控制引導(dǎo)到后段的光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)的光波能量一致，則后段的光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)中對應(yīng)工作波長(λ1…λn…λm)的結(jié)構(gòu)5…n…m的結(jié)構(gòu)和參數(shù)與前段光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)相同。

22、本發(fā)明還提供一種如上所述的基于多模光纖的光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)的光波傳導(dǎo)方法，包擴(kuò)如下步驟：第一個(gè)光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)的第一彎曲波導(dǎo)對輸入多模光纖的所有工作波長λ1…λn…λm的光波無選擇性地引導(dǎo)到第一直線波導(dǎo)，第二直線波導(dǎo)與第一直線波導(dǎo)形成波導(dǎo)耦合，選擇相應(yīng)波長的光波傳輸至對應(yīng)的第二彎曲波導(dǎo)，對應(yīng)的第二彎曲波導(dǎo)將接受的光波能量到傳導(dǎo)到指定的包層界面處，未被選擇的光波則沿多模光纖傳導(dǎo)至下一個(gè)光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

23、本發(fā)明還提供一種如上所述的基于多模光纖的光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)在制備光聲換能器中的應(yīng)用。在基于高復(fù)用容量、高能量一致的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)陣列基礎(chǔ)上，將其于光-熱-聲高效轉(zhuǎn)化材料復(fù)合，制備出高復(fù)用容量、高效光聲換能器陣列。高復(fù)用容量的光聲換能器可以用于構(gòu)建光聲成像系統(tǒng)，在工業(yè)領(lǐng)域，可用于無損檢測，如檢測材料內(nèi)部的缺陷、監(jiān)測生產(chǎn)過程中的化學(xué)變化等；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于腫瘤檢測、血管成像、皮膚病診斷等；此外，結(jié)合光學(xué)顯微鏡技術(shù)，光聲換能器陣列可以構(gòu)建光學(xué)顯微鏡，用于高分辨率的生物組織成像和分析等。

24、本發(fā)明的工作原理為：

25、為了實(shí)現(xiàn)分布式的光場控制，需要考慮到結(jié)構(gòu)的波長選擇性和能量耦合比能夠精確的控制。由波導(dǎo)耦合理論可知：若從一個(gè)端口輸入光，則經(jīng)過耦合區(qū)域發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，兩個(gè)輸出端口的耦合效率滿足下式：

26、

27、其中δ表示失諧振蕩值，輸出端口的能量耦合效率主要與耦合系數(shù)k、長度l及初始相位等參數(shù)有關(guān)；同時(shí)，耦合系數(shù)k與兩根波導(dǎo)折射率大小和分布有關(guān)，也與模式交疊的程度有關(guān)；則波導(dǎo)的耦合能量比可以通過耦合長度l、耦合間距d、寬度w、折射率n等參數(shù)控制。

28、波導(dǎo)的工作波長與其有效折射率和結(jié)構(gòu)有關(guān)，其諧振中心波長與有效折射率具有相關(guān)性；波導(dǎo)的寬度影響有效折射率，則進(jìn)一步影響其諧振中心波長。則可以通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)的折射率、寬度等精確控制工作波長。

29、本發(fā)明的有益效果是：

30、1.本發(fā)明提供的光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)具有可控的輸出能量耦合比，且每個(gè)光波導(dǎo)復(fù)合結(jié)構(gòu)的工作波長各不相同，當(dāng)輸入某一特定波長的光波時(shí)，引導(dǎo)區(qū)中的第一彎曲波導(dǎo)將耦合該波長的部分光信號(hào)至第一直線波導(dǎo)，但只有選擇區(qū)中滿足耦合條件的第二直線波導(dǎo)將耦合第一直線波導(dǎo)中的部分光信號(hào)，再由第二彎曲波導(dǎo)引導(dǎo)到指定的包層界面。而不滿足該工作波長的第二直線波導(dǎo)則不引導(dǎo)光波，該結(jié)構(gòu)對輸入的波長具有良好的選擇性。

31、2.本發(fā)明提供的光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)可以利用波分復(fù)用和空分復(fù)用方法實(shí)現(xiàn)復(fù)用容量的增倍，陣列中的單模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引導(dǎo)不同工作波長的光波。陣列中允許光信號(hào)在波導(dǎo)中分布式地傳輸和耦合，實(shí)現(xiàn)了在單根光纖上的空分復(fù)用，同時(shí)在陣列結(jié)構(gòu)中，可以通過控制不同波長的光信號(hào)在不同的波導(dǎo)層中傳輸，實(shí)現(xiàn)了不同波長的復(fù)用。

32、3.本發(fā)明提供的光波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)可以精準(zhǔn)控制光信號(hào)的傳播路徑和模式，可以在光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)陣列式的光場控制，提升其傳輸?shù)撵`活性和功能性。通過在光纖中刻寫分布式的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的光場控制能力、提高傳輸容量、減小信號(hào)損耗和干擾、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光學(xué)功能等效果。

33、上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。本發(fā)明的具體實(shí)施方式由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。