基于反锥形波导的三模式复用器/解复用器

摘要

本发明公开了一种基于反锥形波导的三模式复用器/解复用器，包括多模波导、单模波导、第一S弯曲波导、第二S弯曲波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导、第四锥形波导、第五锥形波导和第六锥形波导，当基模从第一S弯曲波导输入，则该模式沿着第一S弯曲波导传输，经第二锥形波导耦合，激励并转化成多模波导中的二阶模，当基模从第二S弯曲波导输入，则该模式沿着第二S弯曲波导、第四锥形波导传输，经第五锥形波导耦合，激励并转化成多模波导中的一阶模；优点是具备低串扰，大带宽和大容差等特性，且可采用商业化兼容CMOS工艺制作得到，成本较低，在实际器件制备过程中更具有可控性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复用器/解复用器，尤其是涉及一种基于反锥形波导的三模式复用器/解复用器。

背景技术

随着并行计算核芯数量的增加用以提高芯片处理器的整体性能，在核与核以及核与储存器之间通信所需的带宽成为关键挑战之一。硅基光互连由于大容量以及与CMOS制备工艺相兼容等特点为实现高效的互连提供了一个较有前景的解决方案。之前，有很多的传统方法用于提升传输容量，比如波分复用(WDM)、偏振分复用(PDM)和多级调制。而模分复用(MDM)利用新物理维度，可进一步扩展传输容量和提高频谱效率，用以满足日益增长的带宽需求。

模式复用器/解复用器是模分复用传输系统的关键组件。近几年，随着模式复用技术的发展，在其技术领域已提出许多结构来实现硅基模式复用器/解复用器，比如基于多模光栅辅助耦合器(GACCs)、多模干涉(MMI)耦合器、不对称Y分叉、不对称定向耦合器(ADCs)、绝热耦合器(ACs)和锥形定向耦合器等的模式复用器/解复用器。基于GACCs的模式复用器/解复用器带宽较窄且制造容差较小。虽然基于MMI耦合器的模式复用器/解复用器具有大带宽的优势，但是在拓展更多的模式通道时，具有不方便性和不灵活性。基于不对称Y分叉的双模式复用器/解复用器在C波段上的解复用串扰低于-9dB。基于不对称定向耦合器的模式复用器/解复用器需要精确控制耦合长度和耦合强度。基于绝热耦合器的模式复用器/解复用器具有低串扰和大带宽等特点，但是所占面积太大。基于锥形定向耦合器的模式复用器/解复用器由于绝热锥形波导的引入，具备低串扰，大带宽和大容差等优势，是目前性能较高的模式复用器/解复用器。

商业化兼容CMOS工艺为目前常用的一种制作硅基光电子器件的工艺方法，大规模制备硅基光电子器件时，其相对于电子束光刻和等离子体反应离子蚀刻工艺成本较低。鉴此，设计一种具备低串扰，大带宽和大容差等特性，且可采用商业化兼容CMOS工艺制作得到，成本较低，较高可控性的基于反锥形波导的三模式复用器/解复用器具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是提供一种具备低串扰，大带宽和大容差等特性，且可采用商业化兼容CMOS工艺制作得到，成本较低，较高可控性的基于反锥形波导的三模式复用器。

本发明解决上述技术问题之一所采用的技术方案为：一种基于反锥形波导的三模式复用器，包括多模波导、单模波导、第一S弯曲波导、第二S弯曲波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导、第四锥形波导、第五锥形波导和第六锥形波导，所述的多模波导和所述的单模波导均为直波导，所述的第一锥形波导、所述的第二锥形波导、所述的第三锥形波导、所述的第四锥形波导、所述的第五锥形波导和所述的第六锥形波导分别具有小头端和大头端；所述的单模波导的宽度、所述的第一S弯曲波导的宽度、所述的第二S弯曲波导的宽度、所述的第一锥形波导的小头端的宽度、所述的第二锥形波导的小头端的宽度和所述的第四锥形波导的小头端的宽度相等，所述的第一锥形波导的大头端的宽度和所述的多模波导的宽度相等，所述的第二锥形波导的大头端的宽度和所述的第三锥形波导的大头端的宽度相等，所述的第三锥形波导的小头端的宽度和所述的第六锥形波导的小头端的宽度相等，所述的第四锥形波导的大头端的宽度和所述的第五锥形波导的小头端的宽度相等，所述的第五锥形波导的大头端的宽度和所述的第六锥形波导的大头端的宽度相等；所述的单模波导的始端为所述的三模式复用器的第一输入端，所述的单模波导的尾端和所述的第一锥形波导的小头端连接，所述的第一锥形波导的大头端和所述的多模波导的始端连接，所述的多模波导的尾端为所述的三模式复用器的输出端，所述的第一S弯曲波导的始端为所述的三模式复用器的第三输入端，所述的第一S弯曲波导的尾端和所述的第二锥形波导的小头端连接，所述的第二锥形波导的大头端和所述的第三锥形波导的大头端连接，所述的第二锥形波导位于所述的多模波导的一侧，所述的第二锥形波导的大头端和所述的多模波导之间的间距为0.18μm～0.24μm；所述的第二S弯曲波导的始端为所述的三模式复用器的第二输入端，所述的第二S弯曲波导的尾端和所述的第四锥形波导的小头端连接，所述的第四锥形波导的大头端和所述的第五锥形波导的小头端连接，所述的第五锥形波导的大头端和所述的第六锥形波导的大头端连接，所述的第五锥形波导位于所述的多模波导的另一侧，所述的第五锥形波导的大头端和所述的多模波导之间的间距为0.18μm～0.24μm；将所述的单模波导的宽度、所述的第一S弯曲波导的宽度、所述的第二S弯曲波导的宽度、所述的第一锥形波导的小头端的宽度、所述的第二锥形波导的小头端的宽度和所述的第四锥形波导的小头端的宽度均记为W₀，将所述的多模波导的宽度记为W₁，将所述的第二锥形波导的大头端的宽度和所述的第三锥形波导的大头端的宽度均记为W₂，将所述的第三锥形波导的小头端的宽度和所述的第六锥形波导的小头端的宽度均记为W₃，将所述的第四锥形波导的大头端的宽度和所述的第五锥形波导的小头端的宽度均记为W₄，将所述的第五锥形波导的大头端的宽度和所述的第六锥形波导的大头端的宽度均记为W₅，W₁＞W₅＞W₄＞W₂＞W₀＞W₃≥0.20μm，所述的第二锥形波导的大头端、所述的第二锥形波导的小头端和所述的多模波导的模式传播常数满足以下条件：β_3,1＜β_1,3＜β_2,1，其中，β_1,3为所述的多模波导中二阶模的模式传播常数，β_2,1为宽度与所述的第二锥形波导的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_3,1为宽度与所述的第二锥形波导的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，所述的第五锥形波导的大头端、所述的第五锥形波导的小头端和所述的多模波导的模式传播常数满足以下条件：β_5,1＜β_1,2＜β_4,1，其中，β_1,2为所述的多模波导中一阶模的模式传播常数，β_4,1为宽度与所述的第五锥形波导的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_5,1为宽度与所述的第五锥形波导的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数。

所述的第二锥形波导的大头端和所述的多模波导之间的间距为0.20μm，所述的第二锥形波导的长度为35μm，所述的第二锥形波导的大头端的宽度为0.46μm，所述的第四锥形波导的大头端的宽度为0.72μm，所述的第五锥形波导的大头端的宽度为0.75μm，所述的第五锥形波导的长度为150μm，所述的多模波导的宽度为1.58μm，所述的单模波导的宽度为0.45μm。该结构使三模式复用器中各部件的参数配备实现良好的性能，进一步降低串扰和增加带宽。

与现有技术相比，本发明的三模式复用器的优点在于通过多模波导、单模波导、第一S弯曲波导、第二S弯曲波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导、第四锥形波导、第五锥形波导和第六锥形波导构造三模式复用器，多模波导和单模波导均为直波导，第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导、第四锥形波导、第五锥形波导和第六锥形波导分别具有小头端和大头端；单模波导的宽度、第一S弯曲波导的宽度、第二S弯曲波导的宽度、第一锥形波导的小头端的宽度、第二锥形波导的小头端的宽度和第四锥形波导的小头端的宽度相等，第一锥形波导的大头端的宽度和多模波导的宽度相等，第二锥形波导的大头端的宽度和第三锥形波导的大头端的宽度相等，第三锥形波导的小头端的宽度和第六锥形波导的小头端的宽度相等，第四锥形波导的大头端的宽度和第五锥形波导的小头端的宽度相等，第五锥形波导的大头端的宽度和第六锥形波导的大头端的宽度相等；单模波导的始端为三模式复用器的第一输入端，单模波导的尾端和第一锥形波导的小头端连接，第一锥形波导的大头端和多模波导的始端连接，多模波导的尾端为三模式复用器的输出端，第一S弯曲波导的始端为三模式复用器的第三输入端，第一S弯曲波导的尾端和第二锥形波导的小头端连接，第二锥形波导的大头端和第三锥形波导的大头端连接，第二锥形波导位于多模波导的一侧，第二锥形波导的大头端和多模波导之间的间距为0.18μm～0.24μm；第二S弯曲波导的始端为三模式复用器的第二输入端，第二S弯曲波导的尾端和第四锥形波导的小头端连接，第四锥形波导的大头端和第五锥形波导的小头端连接，第五锥形波导的大头端和第六锥形波导的大头端连接，第五锥形波导位于多模波导的另一侧，第五锥形波导的大头端和多模波导之间的间距为0.18μm～0.24μm；将单模波导的宽度、第一S弯曲波导的宽度、第二S弯曲波导的宽度、第一锥形波导的小头端的宽度、第二锥形波导的小头端的宽度和第四锥形波导的小头端的宽度均记为W₀，将多模波导的宽度记为W₁，将第二锥形波导的大头端的宽度和第三锥形波导的大头端的宽度均记为W₂，将第三锥形波导的小头端的宽度和第六锥形波导的小头端的宽度均记为W₃，将第四锥形波导的大头端的宽度和第五锥形波导的小头端的宽度均记为W₄，将第五锥形波导的大头端的宽度和第六锥形波导的大头端的宽度均记为W₅，W₁＞W₅＞W₄＞W₂＞W₀＞W₃≥0.20μm，第二锥形波导的大头端、第二锥形波导的小头端和多模波导的模式传播常数满足以下条件：β_3,1＜β_1,3＜β_2,1，其中，β_1,3为多模波导中二阶模的模式传播常数，β_2,1为宽度与第二锥形波导的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_3,1为宽度与第二锥形波导的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，第五锥形波导的大头端、第五锥形波导的小头端和多模波导的模式传播常数满足以下条件：β_5,1＜β_1,2＜β_4,1，其中，β_1,2为多模波导中一阶模的模式传播常数，β_4,1为宽度与第五锥形波导的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_5,1为宽度与第五锥形波导的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数；当基模从单模波导输入，则该模式将沿着单模波导、第一锥形波导以及多模波导，向前传输，当基模从第一S弯曲波导输入，则该模式沿着第一S弯曲波导传输，经第二锥形波导耦合，激励并转化成多模波导中的二阶模，当基模从第二S弯曲波导输入，则该模式沿着第二S弯曲波导、第四锥形波导传输，经第五锥形波导耦合，激励并转化成多模波导中的一阶模，具备低串扰，大带宽和大容差等特性，且可采用商业化兼容CMOS工艺制作得到，成本较低，且对于固定宽度的多模波导，只需通过控制第二锥形波导和第五锥形波导的大头端的宽度，即可实现第二锥形波导中基模激发并转化成多模波导中的二阶模以及实现第五锥形波导中基模激发并转化成多模波导中的一阶模，在实际器件制备过程中更具有可控性。

本发明所要解决的技术问题之二是提供一种具备低串扰，大带宽和大容差等特性，且可采用CMOS工艺制作得到，成本较低，较高可控性的基于反锥形波导的三模式解复用器。

本发明解决上述技术问题之二所采用的技术方案为：一种基于反锥形波导的三模式解复用器，包括多模波导、单模波导、第一S弯曲波导、第二S弯曲波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导、第四锥形波导、第五锥形波导和第六锥形波导，所述的多模波导和所述的单模波导均为直波导，所述的第一锥形波导、所述的第二锥形波导、所述的第三锥形波导、所述的第四锥形波导、所述的第五锥形波导和所述的第六锥形波导分别具有小头端和大头端；所述的单模波导的宽度、所述的第一S弯曲波导的宽度、所述的第二S弯曲波导的宽度、所述的第一锥形波导的小头端的宽度、所述的第二锥形波导的小头端的宽度和所述的第四锥形波导的小头端的宽度相等，所述的第一锥形波导的大头端的宽度和所述的多模波导的宽度相等，所述的第二锥形波导的大头端的宽度和所述的第三锥形波导的大头端的宽度相等，所述的第三锥形波导的小头端的宽度和所述的第六锥形波导的小头端的宽度相等，所述的第四锥形波导的大头端的宽度和所述的第五锥形波导的小头端的宽度相等，所述的第五锥形波导的大头端的宽度和所述的第六锥形波导的大头端的宽度相等；所述的单模波导的始端为所述的三模式复用器的第一输出端，所述的单模波导的尾端和所述的第一锥形波导的小头端连接，所述的第一锥形波导的大头端和所述的多模波导的始端连接，所述的多模波导的尾端为所述的三模式复用器的输入端，所述的第一S弯曲波导的始端为所述的三模式复用器的第三输出端，所述的第一S弯曲波导的尾端和所述的第二锥形波导的小头端连接，所述的第二锥形波导的大头端和所述的第三锥形波导的大头端连接，所述的第二锥形波导位于所述的多模波导的一侧，所述的第二锥形波导的大头端和所述的多模波导之间的间距为0.18μm～0.24μm；所述的第二S弯曲波导的始端为所述的三模式复用器的第二输出端，所述的第二S弯曲波导的尾端和所述的第四锥形波导的小头端连接，所述的第四锥形波导的大头端和所述的第五锥形波导的小头端连接，所述的第五锥形波导的大头端和所述的第六锥形波导的大头端连接，所述的第五锥形波导位于所述的多模波导的另一侧，所述的第五锥形波导的大头端和所述的多模波导之间的间距为0.18μm～0.24μm；将所述的单模波导的宽度、所述的第一S弯曲波导的宽度、所述的第二S弯曲波导的宽度、所述的第一锥形波导的小头端的宽度、所述的第二锥形波导的小头端的宽度和所述的第四锥形波导的小头端的宽度均记为W₀，将所述的多模波导的宽度记为W₁，将所述的第二锥形波导的大头端的宽度和所述的第三锥形波导的大头端的宽度均记为W₂，将所述的第三锥形波导的小头端的宽度和所述的第六锥形波导的小头端的宽度均记为W₃，将所述的第四锥形波导的大头端的宽度和所述的第五锥形波导的小头端的宽度均记为W₄，将所述的第五锥形波导的大头端的宽度和所述的第六锥形波导的大头端的宽度均记为W₅，W₁＞W₅＞W₄＞W₂＞W₀＞W₃≥0.20μm，所述的第二锥形波导的大头端、所述的第二锥形波导的小头端和所述的多模波导的模式传播常数满足以下条件：β_3,1＜β_1,3＜β_2,1，其中，β_1,3为所述的多模波导中二阶模的模式传播常数，β_2,1为宽度与所述的第二锥形波导的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_3,1为宽度与所述的第二锥形波导的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，所述的第五锥形波导的大头端、所述的第五锥形波导的小头端和所述的多模波导的模式传播常数满足以下条件：β_5,1＜β_1,2＜β_4,1，其中，β_1,2为所述的多模波导中一阶模的模式传播常数，β_4,1为宽度与所述的第五锥形波导的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_5,1为宽度与所述的第五锥形波导的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数。

所述的第二锥形波导的大头端和所述的多模波导之间的间距为0.20μm，所述的第二锥形波导的长度为35μm，所述的第二锥形波导的大头端的宽度为0.46μm，所述的第四锥形波导的大头端的宽度为0.72μm，所述的第五锥形波导的大头端的宽度为0.75μm，所述的第五锥形波导的长度为150μm，所述的多模波导的宽度为1.58μm，所述的单模波导的宽度为0.45μm。该结构使三模式解复用器中各部件的参数配备实现良好的性能，进一步降低串扰和增加带宽。

与现有技术相比，本发明的三模式解复用器的优点在于通过多模波导、单模波导、第一S弯曲波导、第二S弯曲波导、第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导、第四锥形波导、第五锥形波导和第六锥形波导构造三模式解复用器，多模波导和单模波导均为直波导，第一锥形波导、第二锥形波导、第三锥形波导、第四锥形波导、第五锥形波导和第六锥形波导分别具有小头端和大头端；单模波导的宽度、第一S弯曲波导的宽度、第二S弯曲波导的宽度、第一锥形波导的小头端的宽度、第二锥形波导的小头端的宽度和第四锥形波导的小头端的宽度相等，第一锥形波导的大头端的宽度和多模波导的宽度相等，第二锥形波导的大头端的宽度和第三锥形波导的大头端的宽度相等，第三锥形波导的小头端的宽度和第六锥形波导的小头端的宽度相等，第四锥形波导的大头端的宽度和第五锥形波导的小头端的宽度相等，第五锥形波导的大头端的宽度和第六锥形波导的大头端的宽度相等；单模波导的始端为三模式复用器的第一输出端，单模波导的尾端和第一锥形波导的小头端连接，第一锥形波导的大头端和多模波导的始端连接，多模波导的尾端为三模式复用器的输入端，第一S弯曲波导的始端为三模式复用器的第三输出端，第一S弯曲波导的尾端和第二锥形波导的小头端连接，第二锥形波导的大头端和第三锥形波导的大头端连接，第二锥形波导位于多模波导的一侧，第二锥形波导的大头端和多模波导之间的间距为0.18μm～0.24μm；第二S弯曲波导的始端为三模式复用器的第二输出端，第二S弯曲波导的尾端和第四锥形波导的小头端连接，第四锥形波导的大头端和第五锥形波导的小头端连接，第五锥形波导的大头端和第六锥形波导的大头端连接，第五锥形波导位于多模波导的另一侧，第五锥形波导的大头端和多模波导之间的间距为0.18μm～0.24μm；将单模波导的宽度、第一S弯曲波导的宽度、第二S弯曲波导的宽度、第一锥形波导的小头端的宽度、第二锥形波导的小头端的宽度和第四锥形波导的小头端的宽度均记为W₀，将多模波导的宽度记为W₁，将第二锥形波导的大头端的宽度和第三锥形波导的大头端的宽度均记为W₂，将第三锥形波导的小头端的宽度和第六锥形波导的小头端的宽度均记为W₃，将第四锥形波导的大头端的宽度和第五锥形波导的小头端的宽度均记为W₄，将第五锥形波导的大头端的宽度和第六锥形波导的大头端的宽度均记为W₅，W₁＞W₅＞W₄＞W₂＞W₀＞W₃≥0.20μm，第二锥形波导的大头端、第二锥形波导的小头端和多模波导的模式传播常数满足以下条件：β_3,1＜β_1,3＜β_2,1，其中，β_1,3为多模波导中二阶模的模式传播常数，β_2,1为宽度与第二锥形波导的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_3,1为宽度与第二锥形波导的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，第五锥形波导的大头端、第五锥形波导的小头端和多模波导的模式传播常数满足以下条件：β_5,1＜β_1,2＜β_4,1，其中，β_1,2为多模波导中一阶模的模式传播常数，β_4,1为宽度与第五锥形波导的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_5,1为宽度与第五锥形波导的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数；当基模从多模波导输入时，该模式经多模波导、第一锥形波导和单模波导，向前传输，当二阶模从多模波导输入时，该模式经多模波导，与第二锥形波导相耦合，将转变为第一S弯曲波导中的基模，当一阶模从多模波导输入时，该模式经多模波导，与第五锥形波导相耦合，将转变为第二S弯曲波导中的基模，由此本发明的基于反锥形波导的三模式解复用器工作特性完美，具备低串扰，大带宽和大容差等特性，且可采用商业化兼容CMOS工艺制作得到，成本较低，且对于固定宽度的多模波导，只需通过控制第二锥形波导的大头端的宽度和第五锥形波导的大头端的宽度，即可实现多模波导中的二阶模耦合进入第二锥形波导，并转化成第二锥形波导中的基模，并沿着第一S弯曲波导输出以及实现多模波导中的一阶模耦合进入第五锥形波导，并转化成第五锥形波导中的基模，并沿着第四锥形波导、第二S弯曲波导输出，在实际器件制备过程中更具有可控性。

附图说明

图1为本发明的基于反锥形波导的三模式复用器的结构图；

图2为本发明的基于反锥形波导的三模式解复用器的结构图；

图3为本发明的基于反锥形波导的三模式复用器的模式传输图；

图4为本发明的基于反锥形波导的三模式解复用器的模式传输图；

图5为本发明的基于反锥形波导的三模式复用器的波长扫描图；

图6为本发明的基于反锥形波导的三模式解复用器的波长扫描图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于反锥形波导的三模式复用器，以下结合附图实施例对本发明的基于反锥形波导的三模式复用器作进一步详细描述。

实施例一：如图1所示，一种基于反锥形波导的三模式复用器，包括多模波导1、单模波导2、第一S弯曲波导3、第二S弯曲波导4、第一锥形波导5、第二锥形波导6、第三锥形波导7、第四锥形波导8、第五锥形波导9和第六锥形波导10，多模波导1和单模波导2均为直波导，第一锥形波导5、第二锥形波导6、第三锥形波导7、第四锥形波导8、第五锥形波导9和第六锥形波导10分别具有小头端和大头端；单模波导2的宽度、第一S弯曲波导3的宽度、第二S弯曲波导4的宽度、第一锥形波导5的小头端的宽度、第二锥形波导6的小头端的宽度和第四锥形波导8的小头端的宽度相等，第一锥形波导5的大头端的宽度和多模波导1的宽度相等，第二锥形波导6的大头端的宽度和第三锥形波导7的大头端的宽度相等，第三锥形波导7的小头端的宽度和第六锥形波导10的小头端的宽度相等，第四锥形波导8的大头端的宽度和第五锥形波导9的小头端的宽度相等，第五锥形波导9的大头端的宽度和第六锥形波导10的大头端的宽度相等；单模波导2的始端为三模式复用器的第一输入端，单模波导2的尾端和第一锥形波导5的小头端连接，第一锥形波导5的大头端和多模波导1的始端连接，多模波导1的尾端为三模式复用器的输出端，第一S弯曲波导3的始端为三模式复用器的第三输入端，第一S弯曲波导3的尾端和第二锥形波导6的小头端连接，第二锥形波导6的大头端和第三锥形波导7的大头端连接，第二锥形波导6位于多模波导1的一侧，第二锥形波导6的大头端和多模波导1之间的间距为0.18μm～0.24μm；第二S弯曲波导4的始端为三模式复用器的第二输入端，第二S弯曲波导4的尾端和第四锥形波导8的小头端连接，第四锥形波导8的大头端和第五锥形波导9的小头端连接，第五锥形波导9的大头端和第六锥形波导10的大头端连接，第五锥形波导9位于多模波导1的另一侧，第五锥形波导9的大头端和多模波导1之间的间距为0.18μm～0.24μm；将单模波导2的宽度、第一S弯曲波导3的宽度、第二S弯曲波导4的宽度、第一锥形波导5的小头端的宽度、第二锥形波导6的小头端的宽度和第四锥形波导8的小头端的宽度均记为W₀，将多模波导1的宽度记为W₁，将第二锥形波导6的大头端的宽度和第三锥形波导7的大头端的宽度均记为W₂，将第三锥形波导7的小头端的宽度和第六锥形波导10的小头端的宽度均记为W₃，将第四锥形波导8的大头端的宽度和第五锥形波导9的小头端的宽度均记为W₄，将第五锥形波导9的大头端的宽度和第六锥形波导10的大头端的宽度均记为W₅，W₁＞W₅＞W₄＞W₂＞W₀＞W₃≥0.20μm，第二锥形波导6的大头端、第二锥形波导6的小头端和多模波导1的模式传播常数满足以下条件：β_3,1＜β_1,3＜β_2,1，其中，β_1,3为多模波导1中二阶模的模式传播常数，β_2,1为宽度与第二锥形波导6的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_3,1为宽度与第二锥形波导6的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，第五锥形波导9的大头端、第五锥形波导9的小头端和多模波导1的模式传播常数满足以下条件：β_5,1＜β_1,2＜β_4,1，其中，β_1,2为多模波导1中一阶模的模式传播常数，β_4,1为宽度与第五锥形波导9的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_5,1为宽度与第五锥形波导9的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数。

实施例二：如图1所示，一种基于反锥形波导的三模式复用器，包括多模波导1、单模波导2、第一S弯曲波导3、第二S弯曲波导4、第一锥形波导5、第二锥形波导6、第三锥形波导7、第四锥形波导8、第五锥形波导9和第六锥形波导10，多模波导1和单模波导2均为直波导，第一锥形波导5、第二锥形波导6、第三锥形波导7、第四锥形波导8、第五锥形波导9和第六锥形波导10分别具有小头端和大头端；单模波导2的宽度、第一S弯曲波导3的宽度、第二S弯曲波导4的宽度、第一锥形波导5的小头端的宽度、第二锥形波导6的小头端的宽度和第四锥形波导8的小头端的宽度相等，第一锥形波导5的大头端的宽度和多模波导1的宽度相等，第二锥形波导6的大头端的宽度和第三锥形波导7的大头端的宽度相等，第三锥形波导7的小头端的宽度和第六锥形波导10的小头端的宽度相等，第四锥形波导8的大头端的宽度和第五锥形波导9的小头端的宽度相等，第五锥形波导9的大头端的宽度和第六锥形波导10的大头端的宽度相等；单模波导2的始端为三模式复用器的第一输入端，单模波导2的尾端和第一锥形波导5的小头端连接，第一锥形波导5的大头端和多模波导1的始端连接，多模波导1的尾端为三模式复用器的输出端，第一S弯曲波导3的始端为三模式复用器的第三输入端，第一S弯曲波导3的尾端和第二锥形波导6的小头端连接，第二锥形波导6的大头端和第三锥形波导7的大头端连接，第二锥形波导6位于多模波导1的一侧，第二锥形波导6的大头端和多模波导1之间的间距为0.18μm～0.24μm；第二S弯曲波导4的始端为三模式复用器的第二输入端，第二S弯曲波导4的尾端和第四锥形波导8的小头端连接，第四锥形波导8的大头端和第五锥形波导9的小头端连接，第五锥形波导9的大头端和第六锥形波导10的大头端连接，第五锥形波导9位于多模波导1的另一侧，第五锥形波导9的大头端和多模波导1之间的间距为0.18μm～0.24μm；将单模波导2的宽度、第一S弯曲波导3的宽度、第二S弯曲波导4的宽度、第一锥形波导5的小头端的宽度、第二锥形波导6的小头端的宽度和第四锥形波导8的小头端的宽度均记为W₀，将多模波导1的宽度记为W₁，将第二锥形波导6的大头端的宽度和第三锥形波导7的大头端的宽度均记为W₂，将第三锥形波导7的小头端的宽度和第六锥形波导10的小头端的宽度均记为W₃，将第四锥形波导8的大头端的宽度和第五锥形波导9的小头端的宽度均记为W₄，将第五锥形波导9的大头端的宽度和第六锥形波导10的大头端的宽度均记为W₅，W₁＞W₅＞W₄＞W₂＞W₀＞W₃≥0.20μm，第二锥形波导6的大头端、第二锥形波导6的小头端和多模波导1的模式传播常数满足以下条件：β_3,1＜β_1,3＜β_2,1，其中，β_1,3为多模波导1中二阶模的模式传播常数，β_2,1为宽度与第二锥形波导6的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_3,1为宽度与第二锥形波导6的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，第五锥形波导9的大头端、第五锥形波导9的小头端和多模波导1的模式传播常数满足以下条件：β_5,1＜β_1,2＜β_4,1，其中，β_1,2为多模波导1中一阶模的模式传播常数，β_4,1为宽度与第五锥形波导9的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_5,1为宽度与第五锥形波导9的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数。

本实施例中，第二锥形波导6的大头端和多模波导1之间的间距为0.20μm，第二锥形波导6的长度为35μm，第二锥形波导6的大头端的宽度为0.46μm，第四锥形波导8的大头端的宽度为0.72μm，第五锥形波导9的大头端的宽度为0.75μm，第五锥形波导9的长度为150μm，多模波导1的宽度为1.58μm，单模波导2的宽度为0.45μm。

本发明的基于反锥形波导的三模式复用器在工作波长为1550nm条件下，三模式传输图如图3所示。分析图3可知，当基模从单模波导2输入，则该模式将沿着单模波导2、第一锥形波导5以及多模波导1，向前传输，当基模从第一S弯曲波导3输入，则该模式沿着第一S弯曲波导3传输，经第二锥形波导6耦合，激励并转化成多模波导1中的二阶模，当基模从第二S弯曲波导4输入，则该模式沿着第二S弯曲波导4、第四锥形波导8传输，经第五锥形波导9耦合，激励并转化成多模波导1中的一阶模，由此可知基于反锥形波导的三模式复用器工作特性完美吻合预期设计结果。

本发明的基于反锥形波导的三模式复用器波长扫描光谱图如图5所示。图5(a)为当单模波导2输入基模时，基于反锥形波导的三模式复用器波长扫描光谱图；图5(b)为当第二S弯曲波导4输入基模时，基于反锥形波导的三模式复用器波长扫描光谱图。图5(c)为当第一S弯曲波导3输入基模时，基于反锥形波导的三模式复用器波长扫描光谱图。图5(a)、图5(b)和图5(c)中，多模波导1中基模的输出光功率用矩形表示，多模波导1中一阶模的输出光功率用三角形表示，多模波导1中二阶模的输出光功率用圆形表示。从图5(a)-5(c)可以看出在波段为1400nm至1630nm时，多模波导1中基模、一阶模和二阶模之间的串扰小于-20.7dB。

本发明还公开了一种基于反锥形波导的三模式解复用器，以下结合附图实施例对本发明的基于反锥形波导的三模式解复用器作进一步详细描述。

实施例一：如图2所示，一种基于反锥形波导的三模式复用器，包括多模波导1、单模波导2、第一S弯曲波导3、第二S弯曲波导4、第一锥形波导5、第二锥形波导6、第三锥形波导7、第四锥形波导8、第五锥形波导9和第六锥形波导10，多模波导1和单模波导2均为直波导，第一锥形波导5、第二锥形波导6、第三锥形波导7、第四锥形波导8、第五锥形波导9和第六锥形波导10分别具有小头端和大头端；单模波导2的宽度、第一S弯曲波导3的宽度、第二S弯曲波导4的宽度、第一锥形波导5的小头端的宽度、第二锥形波导6的小头端的宽度和第四锥形波导8的小头端的宽度相等，第一锥形波导5的大头端的宽度和多模波导1的宽度相等，第二锥形波导6的大头端的宽度和第三锥形波导7的大头端的宽度相等，第三锥形波导7的小头端的宽度和第六锥形波导10的小头端的宽度相等，第四锥形波导8的大头端的宽度和第五锥形波导9的小头端的宽度相等，第五锥形波导9的大头端的宽度和第六锥形波导10的大头端的宽度相等；单模波导2的始端为三模式复用器的第一输出端，单模波导2的尾端和第一锥形波导5的小头端连接，第一锥形波导5的大头端和多模波导1的始端连接，多模波导1的尾端为三模式复用器的输入端，第一S弯曲波导3的始端为三模式复用器的第三输出端，第一S弯曲波导3的尾端和第二锥形波导6的小头端连接，第二锥形波导6的大头端和第三锥形波导7的大头端连接，第二锥形波导6位于多模波导1的一侧，第二锥形波导6的大头端和多模波导1之间的间距为0.18μm～0.24μm；第二S弯曲波导4的始端为三模式复用器的第二输出端，第二S弯曲波导4的尾端和第四锥形波导8的小头端连接，第四锥形波导8的大头端和第五锥形波导9的小头端连接，第五锥形波导9的大头端和第六锥形波导10的大头端连接，第五锥形波导9位于多模波导1的另一侧，第五锥形波导9的大头端和多模波导1之间的间距为0.18μm～0.24μm；将单模波导2的宽度、第一S弯曲波导3的宽度、第二S弯曲波导4的宽度、第一锥形波导5的小头端的宽度、第二锥形波导6的小头端的宽度和第四锥形波导8的小头端的宽度均记为W₀，将多模波导1的宽度记为W₁，将第二锥形波导6的大头端的宽度和第三锥形波导7的大头端的宽度均记为W₂，将第三锥形波导7的小头端的宽度和第六锥形波导10的小头端的宽度均记为W₃，将第四锥形波导8的大头端的宽度和第五锥形波导9的小头端的宽度均记为W₄，将第五锥形波导9的大头端的宽度和第六锥形波导10的大头端的宽度均记为W₅，W₁＞W₅＞W₄＞W₂＞W₀＞W₃≥0.20μm，第二锥形波导6的大头端、第二锥形波导6的小头端和多模波导1的模式传播常数满足以下条件：β_3,1＜β_1,3＜β_2,1，其中，β_1,3为多模波导1中二阶模的模式传播常数，β_2,1为宽度与第二锥形波导6的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_3,1为宽度与第二锥形波导6的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，第五锥形波导9的大头端、第五锥形波导9的小头端和多模波导1的模式传播常数满足以下条件：β_5,1＜β_1,2＜β_4,1，其中，β_1,2为多模波导1中一阶模的模式传播常数，β_4,1为宽度与第五锥形波导9的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_5,1为宽度与第五锥形波导9的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数。

实施例二：如图2所示，一种基于反锥形波导的三模式复用器，包括多模波导1、单模波导2、第一S弯曲波导3、第二S弯曲波导4、第一锥形波导5、第二锥形波导6、第三锥形波导7、第四锥形波导8、第五锥形波导9和第六锥形波导10，多模波导1和单模波导2均为直波导，第一锥形波导5、第二锥形波导6、第三锥形波导7、第四锥形波导8、第五锥形波导9和第六锥形波导10分别具有小头端和大头端；单模波导2的宽度、第一S弯曲波导3的宽度、第二S弯曲波导4的宽度、第一锥形波导5的小头端的宽度、第二锥形波导6的小头端的宽度和第四锥形波导8的小头端的宽度相等，第一锥形波导5的大头端的宽度和多模波导1的宽度相等，第二锥形波导6的大头端的宽度和第三锥形波导7的大头端的宽度相等，第三锥形波导7的小头端的宽度和第六锥形波导10的小头端的宽度相等，第四锥形波导8的大头端的宽度和第五锥形波导9的小头端的宽度相等，第五锥形波导9的大头端的宽度和第六锥形波导10的大头端的宽度相等；单模波导2的始端为三模式复用器的第一输出端，单模波导2的尾端和第一锥形波导5的小头端连接，第一锥形波导5的大头端和多模波导1的始端连接，多模波导1的尾端为三模式复用器的输入端，第一S弯曲波导3的始端为三模式复用器的第三输出端，第一S弯曲波导3的尾端和第二锥形波导6的小头端连接，第二锥形波导6的大头端和第三锥形波导7的大头端连接，第二锥形波导6位于多模波导1的一侧，第二锥形波导6的大头端和多模波导1之间的间距为0.18μm～0.24μm；第二S弯曲波导4的始端为三模式复用器的第二输出端，第二S弯曲波导4的尾端和第四锥形波导8的小头端连接，第四锥形波导8的大头端和第五锥形波导9的小头端连接，第五锥形波导9的大头端和第六锥形波导10的大头端连接，第五锥形波导9位于多模波导1的另一侧，第五锥形波导9的大头端和多模波导1之间的间距为0.18μm～0.24μm；将单模波导2的宽度、第一S弯曲波导3的宽度、第二S弯曲波导4的宽度、第一锥形波导5的小头端的宽度、第二锥形波导6的小头端的宽度和第四锥形波导8的小头端的宽度均记为W₀，将多模波导1的宽度记为W₁，将第二锥形波导6的大头端的宽度和第三锥形波导7的大头端的宽度均记为W₂，将第三锥形波导7的小头端的宽度和第六锥形波导10的小头端的宽度均记为W₃，将第四锥形波导8的大头端的宽度和第五锥形波导9的小头端的宽度均记为W₄，将第五锥形波导9的大头端的宽度和第六锥形波导10的大头端的宽度均记为W₅，W₁＞W₅＞W₄＞W₂＞W₀＞W₃≥0.20μm，第二锥形波导6的大头端、第二锥形波导6的小头端和多模波导1的模式传播常数满足以下条件：β_3,1＜β_1,3＜β_2,1，其中，β_1,3为多模波导1中二阶模的模式传播常数，β_2,1为宽度与第二锥形波导6的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_3,1为宽度与第二锥形波导6的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，第五锥形波导9的大头端、第五锥形波导9的小头端和多模波导1的模式传播常数满足以下条件：β_5,1＜β_1,2＜β_4,1，其中，β_1,2为多模波导1中一阶模的模式传播常数，β_4,1为宽度与第五锥形波导9的大头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数，β_5,1为宽度与第五锥形波导9的小头端宽度相等的直波导中基模的模式传播常数。

本实施例中，第二锥形波导6的大头端和多模波导1之间的间距为0.20μm，第二锥形波导6的长度为35μm，第二锥形波导6的大头端的宽度为0.46μm，第四锥形波导8的大头端的宽度为0.72μm，第五锥形波导9的大头端的宽度为0.75μm，第五锥形波导9的长度为150μm，多模波导1的宽度为1.58μm，单模波导2的宽度为0.45μm。

本发明的基于反锥形波导的三模式解复用器在工作波长为1550nm条件下，三模式传输图如图4所示。分析图4可知，当基模从多模波导1输入时，该模式经多模波导1、第一锥形波导4和单模波导2，向前传输，当二阶模从多模波导1输入时，该模式经多模波导1，与第二锥形波导6相耦合，将转变为第一S弯曲波导3中的基模，当一阶模从多模波导1输入时，该模式经多模波导1，与第五锥形波导9相耦合，将转变为第二S弯曲波导4中的基模，由此可知基于反锥形波导的三模式解复用器工作特性完美吻合预期设计结果。

本发明的基于反锥形波导的三模式解复用器波长扫描光谱图如图6所示。图6(a)为当多模波导输入基模时，基于反锥形波导的三模式解复用器波长扫描光谱图；图6(b)为当多模波导输入一阶模时，基于反锥形波导的三模式解复用器波长扫描光谱图。图6(c)为当多模波导输入二阶模时，基于反锥形波导的三模式解复用器波长扫描光谱图。图6(a)、图6(b)和图6(c)中，单模波导2中基模的输出光功率用矩形表示，第二S弯曲波导4中基模的输出光功率用三角形表示，第一S弯曲波导3中基模的输出光功率用圆形表示。从图6(a)-6(c)可以看出在波段为1400nm至1630nm时，模式解复用串扰小于-20.8dB。