[发明专利]一种多模波导及其设计方法

权利要求书

1.一种多模波导，包括波导芯层和覆盖层，所述覆盖层包裹所述波导芯层，所述波导芯层的折射率高于所述覆盖层，所述波导芯层具有厚度和宽度，其特征在于，所述厚度在垂直方向上支持单个模式，所述宽度在水平方向上支持多模式，该波导芯层由D段圆弧连接而成，D≥3，其相邻圆弧在连接点处有共同切线，所述圆弧的曲率半径在整体上呈由起始段至终段不规则地、跃变型减小的趋势，所述多模波导所支持的任一模式的传输损耗均不高于5%，任意两个模式间的串扰不高于-20dB。

2.根据权利要求1的所述多模波导，其特征在于，所述圆弧具有曲率半径R_i，R_i≥R_i+1，且至少存在一个i满足R_i＞R_i+1，i=1，……，D-1。

3.根据权利要求1或2的所述多模波导，其特征在于，所述波导芯层选自Si、Si₃N₄、GaAs以及InP中的至少一种；所述覆盖层选自空气、SiO₂以及聚合物中的至少一种。

4.根据权利要求1或2的所述多模波导，其特征在于，所述波导芯层中圆弧的段数D≥10。

5.根据权利要求1或2的所述多模波导，其特征在于，所述波导芯层的有效曲率半径小于所述多模波导宽度的20倍。

6.根据权利要求5的所述多模波导，其特征在于，所述多模波导的有效曲率半径小于所述多模波导宽度的15倍。

7.一种多模波导单元的设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、设计多模波导参数，以支持多模传输；

S2、设置待设计的波导芯层的偏转角为θ，θ≠0，将所述偏转角等分为D份，每份对应一圆弧段，所述圆弧段对应的偏转角度为θ/D，D≥3；

S3、随机选定每份所述圆弧段的曲率半径R_i，满足R_i+1≤R_i≤R_MAX，i=1，……，D-1，R_MAX为曲率半径最大值，连接所述圆弧段形成波导芯层，且相邻两圆弧段在连接点处有共同切线；

S4、定义品质因数函数FOM，FOM的值在0到1之间变化，FOM越大表示所述多模波导的透射率越高，串扰越低；

S5、通过优化算法对各圆弧段的曲率半径进行进一步优化，达到所述多模波导的低传输损耗和低模间串扰特性。

8.根据权利要求7的所述设计方法，其特征在于，所述S5中的优化算法选用直接范围搜索法、基因算法、模拟退火算法、粒子群算法中的一种。

9.根据权利要求8的所述设计方法，其特征在于，所述S5包括以下步骤：

S5.1、任意改变R₁的取值为R₁＇，R₂≤R₁＇≤R_MAX，保持其余R_i不变，并计算改变后该多模波导的FOM值，如果FOM值提高则保留曲率半径值R₁＇，执行S5.2，否则重复执行S5.1，且若重复执行次数达100次之后执行S5.2；

S5.2、顺序优化R_i, i=2…D，任意改变R_i的取值为R_i＇，R_i+1≤R_i＇≤R_i-1，保持其余曲率半径不变，并计算改变后该多模波导的FOM值，如果FOM值提高则保留曲率半径值R_i＇，否则继续改变曲率半径R_i，重复执行S5.2，且若重复执行次数达100次之后终止重复；令i=i+1，重复执行S5.2，至所有R_i依次均被优化一遍；

S5.3：重复S5.1-S5.2直至多模波导的FOM值达到设计要求。

10.根据权利要求7-9之一的所述设计方法，其特征在于，所述S4中，品质因数函数

其中，n代表多模波导支持的传输模式的总个数，i=1，……，n，T_i代表第i个模式的透射率，X_i代表第i个模式的总模间串扰，α为模间串扰在FOM函数中的权重，FOM的计算值在0到1之间变化，FOM值越大代表透射率越高，串扰越低。