CN107065072A - 基于多模波导的新型光调制器 - Google Patents

基于多模波导的新型光调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多模波导的新型光调制器。其结构是具有多模调制结构的电致吸收调制器、具有多模调制结构的相位调制器或者具有多模调制结构的马赫泽德干涉仪调制器，多模调制结构包含模式复用器、模式解复用器、第一多模连接波导、多模波导光调制区、第二多模连接波导，多模调制结构是以模式复用器的输入端作为多模调制结构的输入端，以模式复用器的输入端或者模式解复用器的输出端作为多模调制结构的输出端。本发明利用多模波导光调制区以及模式复用‑解复用技术，使得光能够以不同模式的方式多次经过光调制区，显著增强对光场的调控效果，可降低驱动电压，并提升消光比和调制速度等性能，适用于各种光调制结构和原理。

Description

基于多模波导的新型光调制器
技术领域
本发明属于集成光电子器件领域，具体涉及一种基于多模波导的新型光调制器。
背景技术
光调制器是光通信、光互连等系统必不可少的核心器件，也是实现超高容量光通信技术的关键器件。基于光波导技术的集成型光调制器是当前的主流技术。从调制机理上看，主要包括以下几种：采用电光材料的电光效应、半导体材料的载流子色散效应和电致吸收效应等；从光调制器结构上来看，主要有基于单波导结构的电致吸收型振幅型调制器、马赫泽德干涉仪(MZI)结构的振幅调制器或位相型调制器等。
随着光通信容量需求日益增长，系统对光调制器的相关指标提出新的要求，包括：超小尺寸、超低驱动电压、超高速度、超高消光比。目前某些技术或设计能满足某些单一指标，但非常难以同时满足这些要求。事实上，如何同时满足这些要求成为了当前光调制器研究面临的重大挑战。
要应对这一挑战，其关键在于如何加强光与光调制区的相互作用。最常用的方法是增加光调制区长度，从而增加光与光调制区的相互作用，由此可达到降低驱动电压或提升消光比的效果。然而，光调制区长度的增加，不但使得器件尺寸增大，而且使得器件电容增大，严重限制了器件调制速度方面的性能。因此，这种方法并非最佳选择。
为了增强光与光调制区的相互作用，另一种常用的方法是引入微腔，通过谐振的方法来加强光与光调制区的相互作用，从而减小器件尺寸、降低驱动电压。然而，微腔调制器的最大问题在于其工作波长单带非常窄，因而需要非常好的谐振波长控制方法，极大地限制了其应用。
因此，亟需发明新的方法与结构，显著增强光与光调制区的相互作用，从而实现小尺寸、低驱动电压、高速度、高消光比等光调制器。
发明内容
为了解决背景技术中缺少同时满足多方面要求的光调制器的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于多模波导的新型光调制器，能够显著增强光与光调制区的相互作用，从而实现小尺寸、低驱动电压、高速度、高消光比等光调制器。
本发明采用的技术方案是：
本发明的光调制器是具有多模调制结构的电致吸收调制器，或是具有多模调制结构的相位调制器，或是具有多模调制结构的马赫泽德干涉仪(MZI)调制器。
所述的多模调制结构是主要由接入波导、第一弯曲连接波导组、模式复用器、第一多模连接波导、多模波导光调制区、第二多模连接波导、模式解复用器、第二弯曲连接波导组和接出波导构成，以模式复用器的输入端作为所述多模调制结构的输入端，以模式复用器的输入端或者模式解复用器的输出端作为所述多模调制结构的输出端。
所述的多模调制结构中，模式复用器的输入端口和模式解复用器的输出端口数量相同均为奇数个，接入波导与模式复用器的第一个输入端相连，模式复用器以第2i个输入端口与第2i+1个输入端口之间通过第一弯曲连接波导相连的方式将第一个输入端和最后一个输入端口之间的每两个输入端口相连，模式复用器的输出端口依次通过第一多模连接波导、多模波导光调制区、第二多模连接波导与模式解复用器输入端相连，模式解复用器以第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导相连的方式将每相邻的两个输出端口相连，模式解复用器的第N个输出端口与接出波导相连；i为整数且1≤i≤N/2，N表示模式复用器输入端口的总数和模式解复用器的输入端口总数。
所述的多模调制结构中，模式复用器的输入端口比模式解复用器的输出端口数量相同均为偶数个，接入波导与模式复用器的第一个输入端相连，模式复用器以第2i个输入端口与第2i+1个输入端口之间通过第一弯曲连接波导相连的方式将第一个输入端和最后一个输入端口之间的每两个输入端口相连，模式复用器第N个输入端口与接出波导相连，模式复用器的输出端口依次通过第一多模连接波导、多模波导光调制区、第二多模连接波导与模式解复用器输入端相连，模式解复用器以第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导相连的方式将每相邻的两个输出端口相连，i为整数且1≤i≤N/2，N表示模式复用器输入端口或者模式解复用器输出端口总数。
所述的多模调制结构中，模式复用器的输入端口比模式解复用器的输出端口数量相同均为偶数个，接入波导与模式复用器的第一个输入端相连，模式复用器以第2i个输入端口与第2i+1个输入端口之间通过第一弯曲连接波导相连的方式将第一个输入端和最后一个输入端口之间的每两个输入端口相连，模式复用器第N个输入端口与模式解复用器第N个输出端口相连，模式复用器的输出端口依次通过第一多模连接波导、多模波导光调制区、第二多模连接波导与模式解复用器输入端相连，模式解复用器以第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导相连的方式将每相邻的两个输出端口相连，模式解复用器第N-1个输出端口与接出波导相连，i为整数且1≤i≤N/2，N表示模式复用器输入端口或者模式解复用器输出端口总数。
所述的模式复用器和模式解复用器的模式均至少包含一个横电(TE)模或一个横磁(TM)模组成的模式。
所述的模式复用器和模式解复用器均具有N个模式通道，包括M个横电(TE)模和(N–M)个横磁(TM)模，模式复用器的第1～M个输入端口和模式解复用器的第1～M个输出端口均为横电(TE)模通道，模式复用器的第(M+1)～N个输入端口和模式解复用器的第M+1～N个输出端口均为横磁(TM)模通道，M为整数且0≤M≤N。
在M为偶数时，所述模式复用器中作为横电(TE)模通道的第M个输入端口和作为横磁(TM)模通道的第M+1个输入端口之间的第一弯曲连接波导插设偏振旋转器；在M为奇数时，所述模式解复用器中作为横电(TE)模通道的第M个输出端口和作为横磁(TM)模通道的第M+1个输出端口之间的第二弯曲连接波导插设偏振旋转器。
所述的模式复用器、模式解复用器是基于非对称倏逝波耦合结构、或缓变非对称耦合结构、或缓变Y分支结构。
所述的偏振旋转器采用基于杂化模演化结构或者杂化模干涉结构。
所述的多模波导光调制区是基于电光材料的电光效应、或半导体材料的载流子色散效应、或半导体材料的电致吸收效应的光调制区。
所述具有多模调制结构的电致吸收调制器和所述具有多模调制结构的相位调制器均主要由依次相连的输入波导、多模调制结构和输出波导构成。
所述的具有多模波导调制区的马赫泽德干涉仪(MZI)调制器包含输入波导、1×2功分器、第一前向连接波导、第一干涉臂、第一后向连接波导、第二前向连接波导、第二干涉臂、第二后向连接波导、2×1功分器和输出波导；输入波导与1×2功分器的输入端口相连，1×2功分器的一个输出端口依次通过第一前向连接波导、第一干涉臂、第一后向连接波导与2×1功分器的一个输入端口相连，1×2功分器的另一个输出端口依次通过第二前向连接波导、第二干涉臂、第二后向连接波导与2×1功分器的另一个输入端口相连，2×1功分器的输出端口与输出波导相连；第一干涉臂和第二干涉臂中的一个或者两个采用所述多模调制结构。
本发明的基本工作原理是：引入多模波导光调制区，利用模式复用-解复用技术，使得光能够以不同模式的方式多次经过光调制区，从而显著增强对光场的调控效果。
本发明的多模调制结构是一种通用结构，适用于基于电致吸收效应、电光效应、载流子色散效应等各种原理的各种光调制器，也适用于振幅调制器和位相调制器，还适合于基于单波导结构、马赫-泽德干涉仪结构、慢波结构、微腔结构等的光调制器。
本发明具有的有益的效果是：
本发明利用多模波导光调制区以及模式复用-解复用技术，使得光能够以不同模式的方式多次经过光调制区，显著增强对光场的调控效果。一方面可以达到降低驱动电压或提升消光比的效果；另一方面，也可大大缩短光调制区的长度，从而减小器件电容，进而提升了器件调制速度方面的性能。
因此，本发明通过其结构加强了光与光调制区的相互作用，同时实现了小尺寸、低驱动电压、高速度、高消光比等多方面的优越性能。
附图说明
图1是本发明含有多模调制结构的幅度或相位光调制器示意图。
图2是本发明具有多模调制结构的马赫泽德干涉仪(MZI)调制器示意图。
图3(a)-(c)是三种本发明工作于单偏振的多模调制结构示意图。
图4(a)-(f)是六种本发明工作于双偏振的多模调制结构示意图。
图5(a)是本发明采用的基于级联非对称倏逝波耦合结构的模式复用/解复用器件结构示意图。
图5(b)是本发明采用的基于缓变非对称耦合结构的模式复用/解复用器件结构示意图。
图5(c)是本发明采用的基于级联的缓变Y分支结构的模式复用/解复用器件结构示意图。
图6(a)是本发明采用的基于杂化模演化结构的偏振旋转器。
图6(b)是本发明采用的基于杂化模干涉结构的偏振旋转器。
图7(a)-(c)是本发明基于半导体材料载流子色散效应的多模波导调制区横截面结构示意图。
图7(d)是本发明基于覆盖有石墨烯的波导结构的多模波导调制区横截面结构示意图。
图7(e)是本发明基于电光效应的多模波导调制区横截面结构示意图。
图7(f)是本发明基于电致吸收效应的多模波导调制区横截面结构示意图。
图8是本发明采用4×1单偏振模式复用器和1×4单偏振模式解复用器的多模调制结构实施例。
图9(a)-(c)是本发明采用的1×8双偏振模式解复用器及偏振旋转器实施例。
图10是本发明具有多模调制结构的马赫泽德干涉仪(MZI)调制器实施例。
图中：1为输入波导，2为1×2功分器，3a为第一前向连接波导，为4a第一干涉臂、5a为第一后向连接波导、3b为第二前向连接波导、4b为第二干涉臂、5b为第二后向连接波导、6为2×1功分器、7为输出波导、4为多模调制结构、40、输入波导、41为第一弯曲连接波导组、42为模式复用器、43为第一多模连接波导、44为多模波导光调制区、45为第二多模连接波导、46为模式解复用器、47为第二弯曲连接波导组、48为输出波导、49为偏振旋转器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明光调制器可以是一种电致吸收调制器，包括依次相连的输入波导1、多模调制结构4、输出波导7；或者可以是一种相位调制器，包括依次相连的输入波导1、多模调制结构4、输出波导7。
如图2所示，本发明光调制器还可以是具有多模波导调制区的马赫泽德干涉仪MZI调制器，包含输入波导1、1×2功分器2、第一前向连接波导3a、第一干涉臂4a、第一后向连接波导5a、第二前向连接波导3b、第二干涉臂4b、第二后向连接波导5b、2×1功分器6、输出波导7。输入波导1与1×2功分器2的输入端口相连，1×2功分器2的一个输出端口通过第一前向连接波导3a、第一干涉臂3a、第一后向连接波导5a与2×1功分器6的一个输入端口相连，1×2功分器2的另一个输出端口通过第二前向连接波导3b、第二干涉臂3b、第二后向连接波导5b与2×1功分器6的另一个输入端口相连；2×1功分器6的输出端口与输出波导7相连；第一干涉臂4a和第二干涉臂4b中的一个或者两个采用所述多模调制结构4。
多模调制结构4是主要由接入波导40、第一弯曲连接波导组41、模式复用器42、第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45、模式解复用器46、第二弯曲连接波导组47和接出波导48构成，以模式复用器42的输入端作为所述多模调制结构4的输入端，以模式复用器42的输入端或者模式解复用器46的输出端作为所述多模调制结构4的输出端。
本发明具体实施采用的模式复用器42或者模式解复用器46可以是如图5a所示的基于级联的非对称倏逝波耦合结构，包括有输入波导401、输出波导402以及设置在输入波导401和输出波导402之间的多个非对称耦合结构403。
本发明具体实施采用的模式复用器42或者模式解复用器46可以是如图5b所示的基于级联的缓变非对称耦合结构，包括有输入波导401、输出波导402以及设置在输入波导401和输出波导402之间的多个缓变非对称耦合结构404。
本发明具体实施采用的模式复用器42或者模式解复用器46可以是如图5c所示的基于级联的缓变Y分支结构，包括有输入波导401、输出波导402以及设置在输入波导401和输出波导402之间的多个缓变Y分支结构405。
本发明具体实施采用的偏振旋转器49可以是如图6a所示的基于杂化模演化结构，包括有输入波导401、输出波导402以及设置在输入波导401和输出波导402之间的杂化模演化结构406。
本发明具体实施采用的偏振旋转器49可以是如图6b所示的基于杂化模干涉结构。
具体实施的多模波导调制区44为利用电信号调制光场振幅或位相的区域，优选的可为具有载流子浓度可调控PN结的波导结构、或者是覆盖有石墨烯的波导结构、或是基于电光材料电光效应的波导结构、或是基于半导体材料电致吸收效应的波导结构。
具有载流子浓度可调控PN结的波导结构可以为载流子注入型、载流子耗尽型或者载流子电荷累积型。如图7(a)-(c)所示，本发明多模波导调制区基于半导体材料的载流子色散效应时采用的多模波导调制区横截面结构示意图。
载流子注入型的光调制波导的光波导横截面如图7a所示，P+型掺杂区22和N+型掺杂区23两极分别位于波导芯区21的两侧。
载流子耗尽型的光调制波导的光波导横截面如图7b所示，波导芯区由P型掺杂区24和N型掺杂区25组成，P+型掺杂区22和N+型掺杂区23两极分别位于P型掺杂区24的左侧、N型掺杂区25的右侧。
载流子电荷累积型的光调制波导的光波导横截面如图7c所示，波导芯区由P型掺杂区24、N型掺杂区25以及位于两者之间的SiO2阻挡层组成，P+型掺杂区22和N+型掺杂区23两极分别位于P型掺杂区24的左侧、N型掺杂区25的右侧。
如图7d所示，本发明多模波导调制区基于覆盖有石墨烯的光调制波导，包含波导芯区21，其表面覆盖有隔离层27、隔离层27之上部分覆盖有石墨烯28，波导芯区21的两侧各有金属电极29，分别与波导芯区21、石墨烯28相接触。
如图7e所示，本发明多模波导调制区基于电光材料的电光效应时采用的多模波导调制区横截面结构示意图，包含脊型波导芯区21，脊型波导芯区中间插入一个充满电光材料的区域30、波导芯区21的两侧各有金属电极29，分别与脊型波导芯区21两侧的平板区域相接触。
如图7f所示，本发明基于半导体材料电致吸收效应的多模波导调制区横截面结构示意图，包含本征半导体区域211与位于两侧的P型掺杂半导体区域24和N型掺杂半导体区域25、以及分别与P型掺杂半导体区域、N型掺杂半导体区域相接触的两个金属电极29。
本发明的调制器整体工作过程和原理如下：
1、以电致吸收调制器为例实现的过程是：连续光从输入波导1入射，经过多模调制结构4后，加载至电极上的电信号通过电致吸收效应进行振幅调制，形成振幅调制光后从输出波导7。
2、以相位调制器为例实现的过程是：连续光从输入波导1入射，经过多模调制结构4后，加载至电极上的电信号通过电光效应或载流子色散效应等进行相位调制，形成相位调制光后从输出波导7。
3、以马赫泽德干涉仪MZI调制器为例实现的过程是：连续光从输入波导1入射，经过1×2功分器2后分成两束光。第一束光依次经过第一前向连接波导3a、第一干涉臂4a、第一后向连接波导5a后进入到2×1功分器6的一个输入端；第二束光依次经过第二前向连接波导3b、第二干涉臂4b、第二后向连接波导5b后进入到2×1功分器6的另一个输入端；两束光被2×1功分器6合束并发生干涉。
当第一干涉臂4a、第二干涉臂4b两者之一包含有一个多模调制结构4时，其中经过多模调制结构4的光束被加载在电极上的电信号所调制，从而使得两束光位相差为0或π，因而在2×1功分器6输出端发生干涉相长或干涉相消，最终形成了振幅调制光后从输出波导7。
当第一干涉臂4a、第二干涉臂4b两者均包含有一个多模调制结构4时，可以仅在两者之一加载调制电信号，从而使得两束光位相差为0或π，因而在2×1功分器6输出端发生干涉相长或干涉相消，最终形成了振幅调制光后从输出波导7；也可同时在两者同时加载不同调制电信号，使得两束光位相差为0或π，因而在2×1功分器6输出端发生干涉相长或干涉相消，最终形成了振幅调制光后从输出波导7。
本发明多模调制结构的多种实施工作过程及其原理如下：
1.N为奇数，M＝0或M＝N(图3a)。
如图3a所示，本发明所具有的多模调制结构4包含接入波导40、第一弯曲连接波导组41、模式复用器42、第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45、模式解复用器46、第二弯曲连接波导组47、接出波导48；接入波导40与模式复用器42的第一个输入端421相连，模式复用器42的第2i个输入端口与第2i+1个输入端口通过第一弯曲连接波导组41相连，模式复用器42的输出端口依次通过第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45与模式解复用器46输入端相连，模式解复用器46的第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导组47相连，模式解复用器46的第N个输出端口与接出波导48相连，i为整数且1≤i≤N/2，N为奇数。
以N＝5为例。当连续光从多模调制结构4接入波导40入射后，经过模式复用器42的第一个输入端421耦合到第一多模连接波导43的第一个导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第一个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第一条弯曲波导与模式解复用器46的第二条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第二个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第一条弯曲波导进入到模式复用器42的第三个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第三个导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第三个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导与模式解复用器46的第四条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第四个导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第四个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第二条弯曲波导进入到模式复用器42的第五个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第五个导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第五个输出端口，最终从与之相连的接出波导48输出。
2.N为偶数，M＝1或M＝N(图3b)。
如图3b所示，本发明所具有的多模调制结构4包含接入波导40、第一弯曲连接波导组41、模式复用器42、第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45、模式解复用器46、第二弯曲连接波导组47、接出波导48；接入波导40与模式复用器42的第一个输入端421相连，模式复用器42的第2i个输入端口与第2i+1个输入端口通过第一弯曲连接波导组41相连，模式复用器42的输出端口依次通过第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45与模式解复用器46输入端相连，模式解复用器46的第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导组47相连。模式复用器42的第N个输入端口与接出波导48相连，i为整数且1≤i≤(N-1)/2，N为偶数。
以N＝4为例。当连续光从多模调制结构4接入波导40入射后，经过模式复用器42的第一个输入端421耦合到第一多模连接波导43的第一个导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第一个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第一条弯曲波导与模式解复用器46的第二条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第二个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第一条弯曲波导进入到模式复用器42的第三个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第三个导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第三个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导与模式解复用器46的第四条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第四个导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第四个输入端口，最终从与之相连的接出波导48输出。
3.N为偶数，M＝1或M＝N(图3c)。
如图3c所示，本发明所具有的多模调制结构4包含接入波导40、第一弯曲连接波导组41、模式复用器42、第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45、模式解复用器46、第二弯曲连接波导组47、接出波导48；接入波导40与模式复用器42的第一个输入端421相连，模式复用器42的第2i个输入端口与第2i+1个输入端口通过第一弯曲连接波导组41相连，模式复用器42的输出端口依次通过第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45与模式解复用器46输入端相连，模式解复用器46的第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导组47相连。模式解复用器46的第N个输出端口与模式复用器42的第N个输入端口，模式解复用器46的第(N-1)个输出端口与接出波导48相连，i为整数且1≤i≤(N-1)/2，N为偶数。
以N＝4为例。当连续光从多模调制结构4接入波导40入射后，经过模式复用器42的第一个输入端421耦合到第一多模连接波导43的第一个导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第一个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第一条弯曲波导与模式解复用器46的第二条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第二个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第一条弯曲波导进入到模式复用器42的第三个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第三个导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第四个输出端口，通过一条连接波导进入到模式复用器42的第四个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第四个导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第三个输出端口，最终从与之相连的接出波导48输出。
4.N为奇数，M为偶数(图4a)。
如图4a所示，本发明所具有的多模调制结构4包含包含接入波导40、第一弯曲连接波导组41、模式复用器42、第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45、模式解复用器46、第二弯曲连接波导组47、接出波导48、偏振旋转器49；接入波导40与模式复用器42的第一个输入端421相连，模式复用器42的第2i个输入端口与第2i+1个输入端口通过第一弯曲连接波导组41相连，模式复用器42的输出端口依次通过第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45与模式解复用器46输入端相连，模式解复用器46的第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导组47相连，模式解复用器46的第N个输出端口与接出波导48相连，i为整数且1≤i≤N/2，N为奇数。模式复用器42、模式解复用器46包含有N个模式通道，其模式包含M个横电TE模、N–M个横磁TM模，模式复用器42的第1～M个输入端口和模式解复用器46的第1～M个输出端口均为横电TE模通道，模式复用器42的第(M+1)～N个输入端口和模式解复用器46的第M+1～N个输出端口均为横磁TM模通道，M为整数且1≤M≤N。M为偶数，模式复用器42中作为横电模通道的第M个输入端口和作为横磁模通道的第M+1个输入端口之间的第一弯曲连接波导插入连接有偏振旋转器49。
以N＝7、M＝4为例。当TE(或TM)偏振的连续光从多模调制结构4接入波导40入射后，经过模式复用器42的第一个输入端421耦合到第一多模连接波导43的第一个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第一个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第一条弯曲波导与模式解复用器46的第二条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个TE(或TM)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第二个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第一条弯曲波导进入到模式复用器42的第三个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第三个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第三个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导与模式解复用器46的第四条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第四个TE(或TM)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第四个输入端口。经过偏振旋转器49后，转化为正交偏振态的光，即TM(或TE)偏振，然后经由第一弯曲连接波导组41的第二条弯曲波导进入到模式复用器42的第五个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第一个TM(或TE)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第五个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导与模式解复用器46的第六条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个TM(或TE)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第六个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第三条弯曲波导进入到模式复用器42的第七个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第二个TM(或TE)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第七个输出端口，最终从与之相连的接出波导48输出。
5.N为奇数，M为奇数(图4b)。
如图4b所示，本发明所具有的多模调制结构4包含包含接入波导40、第一弯曲连接波导组41、模式复用器42、第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45、模式解复用器46、第二弯曲连接波导组47、接出波导48、偏振旋转器49；接入波导40与模式复用器42的第一个输入端421相连，模式复用器42的第2i个输入端口与第2i+1个输入端口通过第一弯曲连接波导组41相连，模式复用器42的输出端口依次通过第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45与模式解复用器46输入端相连，模式解复用器46的第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导组47相连，模式解复用器46的第N个输出端口与接出波导48相连，i为整数且1≤i≤N/2，N为奇数。模式复用器42、模式解复用器46包含有N个模式通道，其模式包含M个横电TE模、N–M个横磁TM模，模式复用器42的第1～M个输入端口和模式解复用器46的第1～M个输出端口均为横电TE模通道，模式复用器42的第(M+1)～N个输入端口和模式解复用器46的第M+1～N个输出端口均为横磁TM模通道，M为整数且1≤M≤N。M为奇数，模式解复用器46中作为横电模通道的第M个输出端口和作为横磁模通道的第M+1个输出端口之间的第二弯曲连接波导插入连接有偏振旋转器49。
以N＝7、M＝3为例。当TE(或TM)偏振的连续光从多模调制结构4接入波导40入射后，经过模式复用器42的第一个输入端421耦合到第一多模连接波导43的第一个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第一个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第一条弯曲波导与模式解复用器46的第二条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个TE(或TM)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第二个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第一条弯曲波导进入到模式复用器42的第三个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第三个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第三个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导，并经过偏振旋转器49后，转化为正交偏振态的光，即TM(或TE)偏振。然后从模式解复用器46的第四条输出端口，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第一个TM(或TE)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第四个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第二条弯曲波导进入到模式复用器42的第五个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第二个TM(或TE)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第五个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导与模式解复用器46的第六条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第三个TM(或TE)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第六个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第三条弯曲波导进入到模式复用器42的第七个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第四个TM(或TE)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第七个输出端口，最终从与之相连的接出波导48输出。
6.N为偶数，M为偶数(图4c)。
如图4c所示，本发明所具有的多模调制结构4包含接入波导40、第一弯曲连接波导组41、模式复用器42、第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45、模式解复用器46、第二弯曲连接波导组47、接出波导48；接入波导40与模式复用器42的第一个输入端421相连，模式复用器42的第2i个输入端口与第2i+1个输入端口通过第一弯曲连接波导组41相连，模式复用器42的输出端口依次通过第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45与模式解复用器46输入端相连，模式解复用器46的第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导组47相连。模式复用器42的第N个输入端口与接出波导48相连，i为整数且1≤i≤(N-1)/2，N为偶数。模式复用器42、模式解复用器46包含有N个模式通道，其模式包含M个横电TE模、N–M个横磁TM模，模式复用器42的第1～M个输入端口和模式解复用器46的第1～M个输出端口均为横电TE模通道，模式复用器42的第(M+1)～N个输入端口和模式解复用器46的第M+1～N个输出端口均为横磁TM模通道，M为整数且1≤M≤N。M为偶数，模式复用器42中作为横电模通道的第M个输入端口和作为横磁模通道的第M+1个输入端口之间的第一弯曲连接波导插入连接有偏振旋转器49。
以N＝6、M＝4为例。当TE(或TM)偏振的连续光从多模调制结构4接入波导40入射后，经过模式复用器42的第一个输入端421耦合到第一多模连接波导43的第一个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第一个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第一条弯曲波导与模式解复用器46的第二条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个TE(或TM)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第二个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第一条弯曲波导进入到模式复用器42的第三个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第三个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第三个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导，从模式解复用器46的第四条输出端口，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第四个TE(或TM)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第四个输入端口，并经过偏振旋转器49后，转化为正交偏振态的光，即TM(或TE)偏振，然后经由第一弯曲连接波导组41的第二条弯曲波导进入到模式复用器42的第五个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第一个TM(或TE)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第五个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导与模式解复用器46的第六条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个TM(或TE)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第六个输入端口，最终从与之相连的接出波导48输出。
7.N为偶数，M为奇数(图4d)。
如图4d所示，本发明所具有的多模调制结构4包含接入波导40、第一弯曲连接波导组41、模式复用器42、第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45、模式解复用器46、第二弯曲连接波导组47、接出波导48；接入波导40与模式复用器42的第一个输入端421相连，模式复用器42的第2i个输入端口与第2i+1个输入端口通过第一弯曲连接波导组41相连，模式复用器42的输出端口依次通过第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45与模式解复用器46输入端相连，模式解复用器46的第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导组47相连。模式复用器42的第N个输入端口与接出波导48相连，i为整数且1≤i≤(N-1)/2，N为偶数。模式复用器42、模式解复用器46包含有N个模式通道，其模式包含M个横电TE模、N–M个横磁TM模，模式复用器42的第1～M个输入端口和模式解复用器46的第1～M个输出端口均为横电TE模通道，模式复用器42的第(M+1)～N个输入端口和模式解复用器46的第M+1～N个输出端口均为横磁TM模通道，M为整数且1≤M≤N。M为奇数，模式解复用器46中作为横电模通道的第M个输出端口和作为横磁模通道的第M+1个输出端口之间的第二弯曲连接波导插入连接有偏振旋转器49。
以N＝6、M＝3为例。当TE(或TM)偏振的连续光从多模调制结构4接入波导40入射后，经过模式复用器42的第一个输入端421耦合到第一多模连接波导43的第一个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第一个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第一条弯曲波导与模式解复用器46的第二条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个TE(或TM)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第二个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第一条弯曲波导进入到模式复用器42的第三个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第三个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第三个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导，并经过偏振旋转器49后，转化为正交偏振态的光，即TM(或TE)偏振，从模式解复用器46的第四条输出端口，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第一个TM(或TE)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第四个输入端口，然后经由第一弯曲连接波导组41的第二条弯曲波导进入到模式复用器42的第五个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第二个TM(或TE)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第五个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导与模式解复用器46的第六条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第三个TM(或TE)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第六个输入端口，最终从与之相连的接出波导48输出。
8.N为偶数，M为偶数(图4e)。
如图4e所示，本发明所具有的多模调制结构4包含接入波导40、第一弯曲连接波导组41、模式复用器42、第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45、模式解复用器46、第二弯曲连接波导组47、接出波导48；接入波导40与模式复用器42的第一个输入端421相连，模式复用器42的第2i个输入端口与第2i+1个输入端口通过第一弯曲连接波导组41相连，模式复用器42的输出端口依次通过第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45与模式解复用器46输入端相连，模式解复用器46的第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导组47相连。模式解复用器46的第N个输出端口与模式复用器42的第N个输入端口，模式解复用器46的第(N-1)个输出端口与接出波导48相连，i为整数且1≤i≤(N-1)/2，N为偶数。模式复用器42、模式解复用器46包含有N个模式通道，其模式包含M个横电TE模、N–M个横磁TM模，模式复用器42的第1～M个输入端口和模式解复用器46的第1～M个输出端口均为横电TE模通道，模式复用器42的第(M+1)～N个输入端口和模式解复用器46的第M+1～N个输出端口均为横磁TM模通道，M为整数且1≤M≤N。M为偶数，模式复用器42中作为横电模通道的第M个输入端口和作为横磁模通道的第M+1个输入端口之间的第一弯曲连接波导插入连接有偏振旋转器49。
以N＝6、M＝4为例。当TE(或TM)偏振的连续光从多模调制结构4接入波导40入射后，经过模式复用器42的第一个输入端421耦合到第一多模连接波导43的第一个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第一个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第一条弯曲波导与模式解复用器46的第二条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个TE(或TM)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第二个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第一条弯曲波导进入到模式复用器42的第三个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第三个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第三个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导，从模式解复用器46的第四条输出端口，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第四个TM(或TE)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第四个输入端口，并经过偏振旋转器49后，转化为正交偏振态的光，即TM(或TE)偏振，然后经由第一弯曲连接波导组41的第二条弯曲波导进入到模式复用器42的第五个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第一个TM(或TE)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第六个输出端口，通过连接波导后传输至模式复用器42的第六条输入端口，再前向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个TM(或TE)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式解复用器46的第五个输出端口，最终从与之相连的接出波导48输出。
9.N为偶数，M为奇数(图4f)。
如图4f所示，本发明所具有的多模调制结构4包含接入波导40、第一弯曲连接波导组41、模式复用器42、第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45、模式解复用器46、第二弯曲连接波导组47、接出波导48；接入波导40与模式复用器42的第一个输入端421相连，模式复用器42的第2i个输入端口与第2i+1个输入端口通过第一弯曲连接波导组41相连，模式复用器42的输出端口依次通过第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45与模式解复用器46输入端相连，模式解复用器46的第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导组47相连。模式解复用器46的第N个输出端口与模式复用器42的第N个输入端口，模式解复用器46的第(N-1)个输出端口与接出波导48相连，i为整数且1≤i≤(N-1)/2，N为偶数。模式复用器42、模式解复用器46包含有N个模式通道，其模式包含M个横电TE模、N–M个横磁TM模，模式复用器42的第1～M个输入端口和模式解复用器46的第1～M个输出端口均为横电TE模通道，模式复用器42的第(M+1)～N个输入端口和模式解复用器46的第M+1～N个输出端口均为横磁TM模通道，M为整数且1≤M≤N。M为奇数，模式解复用器46中作为横电模通道的第M个输出端口和作为横磁模通道的第M+1个输出端口之间的第二弯曲连接波导插入连接有偏振旋转器49。
以N＝6、M＝3为例。当TE(或TM)偏振的连续光从多模调制结构4接入波导40入射后，经过模式复用器42的第一个输入端421耦合到第一多模连接波导43的第一个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第一个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第一条弯曲波导与模式解复用器46的第二条输出端口相连，再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第二个TE(或TM)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第二个输入端口。然后经由第一弯曲连接波导组41的第一条弯曲波导进入到模式复用器42的第三个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第三个TE(或TM)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第三个输出端口，然后经由第二弯曲连接波导组47的第二条弯曲波导，并经过偏振旋转器49后，转化为正交偏振态的光，即TM(或TE)偏振，从模式解复用器46的第四条输出端口再反向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第一个TM(或TE)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式复用器42的第四个输入端口，然后经由第一弯曲连接波导组41的第二条弯曲波导进入到模式复用器42的第五个输入端口，并耦合到第一多模连接波导43的第二个TM(或TE)偏振导模，并前向传输经过多模波导光调制区44并被振幅或相位调制，被调制后的光在第二多模连接波导45前向传输后耦合到模式解复用器46的第六个输出端口，通过连接波导后传输至模式复用器42的第六条输入端口，再前向传输，并耦合到第二多模连接波导45的第三个TM(或TE)偏振导模，继续反向传输，经过多模波导光调制区44时再次得到振幅或相位调制后继续反向传输，经过第一多模连接波导43之后，耦合到模式解复用器46的第五个输出端口，最终从与之相连的接出波导48输出。
本发明实验实施例如下：
选用基于硅绝缘体SOI材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其上/下包层材料是SiO2，厚度为2μm、折射率为1.4404。输入、输出波导宽度均选取为400nm，以满足单模条件。
1.多模调制结构(4)实施例一
多模调制结构(4)以N＝4、M＝0为例，即：单偏振情况下，具有4个TM 模式。
对于1×4单偏振模式复用器、4×1单偏振模式复用器，采用级联的非对称倏逝波耦合结构，如图8所示。1×4模式复用器或4×1模式复用器的四条输入光波导或输出光波导宽度均为400nm，保证单模传输。根据相位匹配原理，选取第一多模光波导31、第二多模光波导32、第三多模光波导33的宽度分别为：1.14μm、1.92μm、2.64μm；根据耦合模理论，第一耦合区光波导51、第二耦合区光波导52、第三耦合区光波导53的长度分别取为：15.0μm、21.0μm、26.0μm。第一多模光波导31、第二多模光波导32、第三多模光波导33的长度分别取为：45.0μm、51.0μm、56.0μm，S形弯曲波导参数为：横向偏移1μm、纵向偏移15μm；根据绝热条件，选取第一锥形光波导21、第二锥形光波导22、第三锥形光波导23的锥度为1/20弧度。
相应地，第一多模连接波导43、第二多模连接波导45、多模波导光调制区44宽度均为2.64μm。第一弯曲连接波导组41、第二条弯曲波导组47所有波导宽度均为400nm，弯曲半径为10μm，以保证足够低的弯曲损耗。
多模波导光调制区44采用载流子耗尽型，其横截面如图7b所示，波导芯区由P型掺杂区24和N型掺杂区25组成，P+型掺杂区22和N+型掺杂区23两极分别位于P型掺杂区24的左侧、N型掺杂区25的右侧。
此时，由于包含有4个模式，光能够在多模波导光调制区44来回经过4次，因而其振幅或位相的变化达到累积为4倍的效果。若考虑同等调制效果，则其调制区长度可缩短为1/4，相应地，其PN结电容也减小为1/4，因而3dB调制带宽可显著增加(即获得更高调制速度)。或者是，仍然采用同等调制区长度，此时相应地所需的调制电压可以显著减小为1/4左右。或者是使调制区长度有所减小，如将调制区长度减小至1/2，则可提升其3dB带宽、且同时降低其驱动电压。
2.多模调制结构(4)实施例二
多模调制结构(4)以N＝8、M＝4为例，即：具有4个TM模式和4个TE模式的情况，如图9(a)所示。其中TE、TM偏振的基模采用一个偏振合束/分束器进行合束/分束，而其它高阶模通过级联非对称耦合器的结构，如图9(b)所示。选取第一多模光波导31、第二多模光波导32、第三多模光波导33、第四多模光波导34、第五多模光波导35、第六多模光波导36的宽度分别为：0.835μm(TE1)、1.035μm(TM1)、1.290μm(TE2)、1.631μm(TE3)、1.695μm(TM2)、2.363μm(TM3)。根据耦合理论，与各段多模波导相对应的单模输入光波导宽度分别为400nm、400nm、406nm、379nm、400nm、400nm，相应的耦合区长度为4.7μm、6.7μm、9.0μm、15.5μm、21.3μm、17.6，耦合区两条波导之间的缝隙宽度分别为300nm、300nm、300nm、200nm、200nm、200nm。S形弯曲波导参数为：横向偏移1μm、纵向偏移15μm；根据绝热条件，选取第一锥形光波导21、第二锥形光波导22、第三锥形光波导23、第四锥形光波导24、第五锥形光波导25、第六锥形光波导26的锥度为1/20弧度。
相应地，第一多模连接波导43、第二多模连接波导45、多模波导光调制区44宽度均为2.363μm。
偏振合束/分束器采用三波导耦合系统，其中输入、输出波导宽度为400nm，两者之间的宽波导为1.035μm，耦合区波导之间的缝隙宽度为300nm，如图9(b)所示。
偏振旋转器(49)采用切角光波导结构，如图10所示。其中切角宽度为50nm、切角高度为70nm。基于杂化模干涉原理，选取其切角长度L为22μm，可实现TE偏振基模与TM偏振基模之间的转换，如图9(c)所示。
多模波导光调制区44采用载流子耗尽型，其横截面如图7b所示，波导芯区由P型掺杂区24和N型掺杂区25组成，P+型掺杂区22和N+型掺杂区23两极分别位于P型掺杂区24的左侧、N型掺杂区25的右侧。
此时，由于包含有8个模式，光能够在多模波导光调制区44来回经过8次，因而其振幅或位相的变化达到累积为8倍的效果。若考虑同等调制效果，则其调制区长度可缩短为1/8，相应地，其PN结电容也减小为1/8，因而3dB调制带宽可显著增加(即获得更高调制速度)。或者是，仍然采用同等调制区长度，此时相应地所需的调制电压可以显著减小为1/8左右。或者是使调制区长度有所减小，如将调制区长度减小至1/2，则可提升其3dB带宽、且同时降低其驱动电压。
3.马赫泽德干涉仪MZI调制器实施例
如图10所示，马赫泽德干涉仪MZI调制器包括输入波导1、1×2功分器2、第一前向连接波导3a、第二前向连接波导3b、第一干涉臂4a、第二干涉臂4b、第一后向连接波导5a、第二后向连接波导5b、2×1功分器6、以及输出波导7。第一干涉臂4a、第二干涉臂4b上均包含有1×4单偏振模式复用器、第一多模连接波导43、多模波导光调制区44、第二多模连接波导45、4×1单偏振模式复用器。多模波导光调制区44采用载流子耗尽型，其横截面如图7b所示。此时，对MZI调制器其中一条干涉臂上的多模波导光调制区进行相位调制，从而实现在其输出端7输出光功率强度的高速调制。
由于包含有4个模式，光能够在多模波导光调制区44来回经过4次，因而其振幅或位相的变化达到累积为4倍的效果。若考虑同等调制效果，则其调制区长度可缩短为1/4，相应地，其PN结电容也减小为1/4，因而3dB调制带宽可显著增加(即获得更高调制速度)。或者是，仍然采用同等调制区长度，此时相应地所需的调制电压可以显著减小为1/4左右。或者是使调制区长度有所减小，如将调制区长度减小至1/2，则可提升其3dB带宽、且同时降低其驱动电压。
由上述实施例可见，本发明显著增强了对光场的调控效果，具有其突出显著的技术效果。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多模波导的新型光调制器，其特征在于：所述的光调制器是具有多模调制结构的电致吸收调制器，或是具有多模调制结构的相位调制器，或是具有多模调制结构的马赫泽德干涉仪调制器。
2.根据权利要求1所述的一种基于多模波导的新型光调制器，其特征在于：所述的多模调制结构(4)是主要由接入波导(40)、第一弯曲连接波导组(41)、模式复用器(42)、第一多模连接波导(43)、多模波导光调制区(44)、第二多模连接波导(45)、模式解复用器(46)、第二弯曲连接波导组(47)和接出波导(48)构成，以模式复用器(42)的输入端作为所述多模调制结构(4)的输入端，以模式复用器(42)的输入端或者模式解复用器(46)的输出端作为所述多模调制结构(4)的输出端。
3.根据权利要求2所述的一种基于多模波导的新型光调制器，其特征在于：所述的多模调制结构(4)中，接入波导(40)与模式复用器(42)的第一个输入端(421)相连，模式复用器(42)第2i个输入端口与第2i+1个输入端口之间通过第一弯曲连接波导相连，模式复用器(42)的输出端口依次通过第一多模连接波导(43)、多模波导光调制区(44)、第二多模连接波导(45)与模式解复用器(46)输入端相连，模式解复用器(46)第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导相连，模式解复用器(46)的第N个输出端口与接出波导(48)相连；i为整数且1≤i≤N/2，N表示模式复用器(42)输入端口的总数和模式解复用器(46)的输入端口总数。
4.根据权利要求2所述的一种基于多模波导的新型光调制器，其特征在于：所述的多模调制结构(4)中，接入波导(40)与模式复用器(42)的第一个输入端(421)相连，模式复用器(42)第2i个输入端口与第2i+1个输入端口之间通过第一弯曲连接波导相连，模式复用器(42)第N个输入端口与接出波导(48)相连，模式复用器(42)的输出端口依次通过第一多模连接波导(43)、多模波导光调制区(44)、第二多模连接波导(45)与模式解复用器(46)输入端相连，模式解复用器(46)第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导相连，i为整数且1≤i≤N/2，N表示模式复用器(42)输入端口或者模式解复用器(46)输出端口总数。
5.根据权利要求2所述的一种基于多模波导的新型光调制器，其特征在于：所述的多模调制结构(4)中，接入波导(40)与模式复用器(42)的第一个输入端(421)相连，模式复用器(42)第2i个输入端口与第2i+1个输入端口之间通过第一弯曲连接波导相连，模式复用器(42)第N个输入端口与模式解复用器(46)第N个输出端口相连，模式复用器(42)的输出端口依次通过第一多模连接波导(43)、多模波导光调制区(44)、第二多模连接波导(45)与模式解复用器(46)输入端相连，模式解复用器(46)第2i-1个输出端口与第2i个输出端口通过第二弯曲连接波导相连，模式解复用器(46)第N-1个输出端口与接出波导(48)相连，i为整数且1≤i≤N/2，N表示模式复用器(42)输入端口或者模式解复用器(46)输出端口总数。
6.根据权利要求2-5任一所述的一种基于多模波导的新型光调制器，其特征在于：所述的模式复用器(42)、模式解复用器(46)的模式包含由横电(TE)模或横磁(TM)模组成的至少两个模式。
7.根据权利要求2或6所述的一种基于多模波导的新型光调制器，其特征在于：所述的模式复用器(42)和模式解复用器(46)均具有N个模式通道，包括M个横电模和(N–M)个横磁模，模式复用器(42)的第1～M个输入端口和模式解复用器(46)的第1～M个输出端口均为横电模通道，模式复用器(42)的第(M+1)～N个输入端口和模式解复用器(46)的第M+1～N个输出端口均为横磁模通道，M为整数且0≤M≤N。
8.根据权利要求2-5任一所述的一种基于多模波导的新型光调制器，其特征在于：在M为偶数时，所述模式复用器(42)中作为横电模通道的第M个输入端口和作为横磁模通道的第M+1个输入端口之间的第一弯曲连接波导插设偏振旋转器(49)；在M为奇数时，所述模式解复用器(46)中作为横电模通道的第M个输出端口和作为横磁模通道的第M+1个输出端口之间的第二弯曲连接波导插设偏振旋转器(49)。
9.根据权利要求1所述的一种基于多模波导的新型光调制器，其特征在于：所述具有多模调制结构(4)的电致吸收调制器和所述具有多模调制结构的相位调制器均主要由依次相连的输入波导(1)、多模调制结构(4)和输出波导(7)构成。
10.根据权利要求1所述的一种基于多模波导的新型光调制器，其特征在于：所述的具有多模波导调制区的马赫泽德干涉仪(MZI)调制器包含输入波导(1)、1×2功分器(2)、第一前向连接波导(3a)、第一干涉臂(4a)、第一后向连接波导(5a)、第二前向连接波导(3b)、第二干涉臂(4b)、第二后向连接波导(5b)、2×1功分器(6)和输出波导(7)；
输入波导(1)与1×2功分器(2)的输入端口相连，1×2功分器(2)的一个输出端口依次通过第一前向连接波导(3a)、第一干涉臂(3a)、第一后向连接波导(5a)与2×1功分器(6)的一个输入端口相连，1×2功分器(2)的另一个输出端口依次通过第二前向连接波导(3b)、第二干涉臂(3b)、第二后向连接波导(5b)与2×1功分器(6)的另一个输入端口相连，2×1功分器(6)的输出端口与输出波导(7)相连；第一干涉臂(4a)和第二干涉臂(4b)中的一个或者两个采用所述多模调制结构(4)。
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