CN108519641B - 一种可重构的光模式转换器 - Google Patents

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Abstract

一种可重构的光模式转换器，包括依次相连接的第一器件、第一光开关、第二光开关、第三光开关和第二器件；第二光开关还分别与第一器件和第二器件相连接，第一光开关与第三光开关相连接；第一器件和第二器件均采用模式复用/解复用器。该光模式转换器将传统波分复用技术中相对简单的原理借鉴到模式复用技术中，提出了一种可重构的光模式转换器，可以实现不同波导模式间的自由转换。此外，利用相同的结构提出了一种可扩展的模式选择交换器，可以实现任意两种模式间的数据选择性交换。以解决光通信模式复用技术中灵活的数据网络交换、数据导流等问题，期望在实现灵活的模式复用光通信网络中发挥重要的作用。

Description

一种可重构的光模式转换器
技术领域
本发明属于光模式复用技术领域，涉及一种可重构的光模式转换器。
背景技术
随着信息时代的发展，人们对大容量、高速率通信的要求也越来越高。为了适应日益增长的需求，现已研究出很多高速光传输方面的复用技术，如时分复用技术、码分复用技术、波分复用技术、空分复用技术、偏振复用技术、模式复用技术等。其中波分复用，尤其是密集波分复用技术已广泛应用于现代光纤通信技术中。然而，通信容量和通信速率的需求日益增长，复用波长数量随之增加，波分复用所需的激光源数量势必增加，这无疑大大增加了运行成本，波分复用技术已经面临其瓶颈。为了解决这一问题，研究人员提出了一种新的光信号复用方式，即模式复用。所谓模式复用技术，就是将光的不同模态复用到一根多模光纤或少模光纤上传输，并在接收端将不同的模态解复用成相应的信号的技术。
光的模态作为光的一种维度，跟光的波长一样可以作为光通信中的一种重要复用形式。在很早以前人们就发现了光的不同模态的存在，并且不同模态之间会发生色散和串扰。为了避免色散和串扰，得到稳定且质量好的激光，人们将主要精力放在单模激光器和单模光纤的研究上。然而单模并不能满足传输容量的需求，光的多模态又回到人们的研究视野中。通过将多种模式复用到一根多模光纤中传播，这样就能成倍提高通信容量，而所需的激光器数量相对于波分复用将大大减少。此外，将模式复用技术和现有时分复用、波分复用等技术结合起来，可以在降低成本的同时成倍提高信道容量。
目前已经研究出了各种模式复用器件，如模式转换器、模式交换器等。模式转换器可以将特定的模式，一般为基模，转换成某种特定模式，而模式交换器就是将两个或多个光信号所携带的光模态相互交换，从而实现数据和信号的网络传输、交换、导流等功能。模式复用的光网络涉及多种模式，为了能够更加灵活、有效率地实现片上通信，节省建网和网络升级成本，提高网络的灵活性和生存性，模式转换器和模式交换器都是光模式复用技术中至关重要的器件。
美国康奈尔大学和哥伦比亚大学Michal Lipson等研究人员发表于2014年的科技论文“WDM-compatible mode-division multiplexing on a silicon chip”（NatureCommunications,VOL. 5, Article number: 3069）基于非对称耦合区的微环谐振器提出了一种基模对特定高阶模的模式转换器，为模式复用技术的进步起到了巨大的推动作用。但该模式转换器只能实现基模和特定高阶模之间的模式转换，功能比较单一，不够灵活。
中国华中科技大学余宇等研究人员于2016年发表的科技论文“Integratedswitchable mode exchange for reconfigurable mode-multiplexingoptical networks”(Optics Letters, VOL. 41, Issue 14, pp. 3257-3260)基于对称的Y分支提出了一种基模和一阶模的模式选择交换器。但该交换器只能实现基模和一阶模之间的模式交换，且Y分支的结构相对固定，无法扩展。
发明内容
本发明的目的是提供一种可重构的光模式转换器，以解决光通信模式复用技术中不同波导模式间的自由转换问题，并在此基础上提供一种可扩展的光模式选择交换器，以解决光通信模式复用技术中灵活的数据网络交换、数据导流等问题，期望在实现灵活的模式复用光通信网络中发挥重要的作用。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种可重构的光模式转换器，包括依次相连接的第一器件、第一光开关、第二光开关、第三光开关和第二器件；第二光开关还分别与第一器件和第二器件相连接，第一光开关与第三光开关相连接；第一器件和第二器件均采用模式复用/解复用器。
本发明光模式转换器将传统波分复用技术中相对简单的原理借鉴到模式复用技术中，提出了一种可重构的光模式转换器，可以实现不同波导模式间的自由转换。此外，利用相同的结构提出了一种可扩展的模式选择交换器，可以实现任意两种模式间的数据选择性交换。
附图说明
图1是本发明光模式转换器的示意图。
图2是本发明光模式转换器中第一器件的示意图。
图3是本发明光模式转换器中第二器件的示意图。
图4是本发明光模式转换器中基于微环谐振器的第一光开关的示意图。
图5是本发明光模式转换器中基于微环谐振器的第二光开关的示意图。
图6是本发明光模式转换器中基于微环谐振器的第三光开关的示意图。
图7是本发明光模式转换器中基于多模干涉耦合器的第一光开关的示意图。
图8是本发明光模式转换器中基于多模干涉耦合器的第二光开关的示意图。
图9是本发明光模式转换器中基于多模干涉耦合器的第三光开关的示意图。
图10是本发明光模式转换器模式转换的基本原理图。
图11是本发明光模式转换器模式交换的基本原理图。
图12是本发明光模式转换器两种光开关的基本原理图。
图13是硅基热光调制的微环谐振器或直波导的横截面结构示意图。
图14是硅基电光调制的微环谐振器或直波导的横截面结构示意图。
图中：1.第一器件，2.第一光开关，3.第二光开关，4.第三光开关，5.第二器件，
1-1.第一直波导，1-2.第二直波导，1-3.第一绝热锥，1-4.第三直波导，1-5.第四直波导，1-6.第二绝热锥，1-7.第五直波导，1-8.第六直波导，1-9.第一弯波导，1-10.第七直波导，1-11.第二弯波导；
5-1.第八直波导，5-2.第九直波导，5-3.第三绝热锥，5-4.第十直波导，5-5.第十一直波导，5-6.第二绝热锥，5-7.第十二直波导，5-8.第十三直波导，5-9.第三弯波导，5-10.第十四直波导，5-11.第四弯波导；
2-1.第十五直波导，2-2.第十六直波导，2-3.第五弯波导，2-4.第十七直波导，2-5.第十八直波导，2-6.第六弯波导；2-7.第二十七直波导，2-8.第一多模干涉耦合器，2-9.第二十八直波导，2-10.第二十九直波导，2-11.第三十直波导，2-12.第二多模干涉耦合器，2-13.第三十一直波导，2-14.第三十二直波导，2-15.第三十三直波导，2-16.第三十四直波导，2-17.第三十五直波导，2-18.第三十六直波导；
3-1.第十九直波导，3-2.第二十直波导，3-3.第七弯波导，3-4.第二十一直波导，3-5.第二十二直波导，3-6.第八弯波导；3-7.第三十七直波导，3-8.第三多模干涉耦合器，3-9.第三十八直波导，3-10.第三十九直波导，3-11.第四十直波导，3-12.第四多模干涉耦合器，3-13.第四十一直波导，3-14.第四十二直波导，3-15.第四十三直波导，3-16.第四十四直波导，3-17.第四十五直波导，3-18.第四十六直波导；
4-1.第二十三直波导，4-2.第二十四直波导，4-3.第九弯波导，4-4.第二十五直波导，4-5.第二十六直波导，4-6.第十弯波导；4-7.第四十七直波导，4-8.第五多模干涉耦合器，4-9.第四十八直波导，4-10.第四十九直波导，4-11.第五十直波导，4-12.第六多模干涉耦合器，4-13.第五十一直波导，4-14.第五十二直波导，4-15.第五十三直波导，4-16.第五十四直波导，4-17.第五十五直波导，4-18.第五十六直波导。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明光模式转换器，包括依次相连接的第一器件1、第一光开关2、第二光开关3、第三光开关4和第二器件5；第二光开关3还分别与第一器件1和第二器件5相连接，第一光开关2与第三光开关4相连接。
第一器件1和第二器件5均采用模式复用/解复用器。模式复用/解复用器可以用定向耦合器、微环谐振器、Y分支、光栅耦合器等结构实现，此处以基于定向耦合器的模式复用/解复用器为例进行说明。
如图2所示，本发明光模式转换器中的第一器件1，包括平行设置的第一直波导1-1、第二直波导1-2、第三直波导1-4、第六直波导1-8和第七直波导1-10；第一直波导1-1通过第二弯波导1-11与第七直波导1-10相连，第三直波导1-4通过第一弯波导1-9与第六直波导1-8相连；第二直波导1-2通过第一绝热锥1-3与第四直波导1-5的一端相连，第四直波导1-5的另一端通过第二绝热锥1-6与第五直波导1-7的一端相连，第五直波导1-7的另一端和第六直波导1-8的另一端均与第一光开关2相连，第七直波导1-10的另一端与第二光开关3相连。
第一直波导1-1的宽度、第三直波导1-4的宽度、第五直波导1-7的宽度、第六直波导1-8的宽度、第七直波导1-10的宽度、第一弯波导1-9的宽度和第二弯波导1-11的宽度相同；第二直波导1-2的宽度大于第四直波导1-5的宽度，第四直波导1-5的宽度大于第五直波导1-7的宽度；第一直波导1-1与第二直波导1-2之间的距离小于第三直波导1-4与第四直波导1-5之间的距离。
如图3所示，本发明光模式转换器中的第二器件5，包括平行设置的第八直波导5-1、第九直波导5-2、第十直波导5-4、第十三直波导5-8和第十四直波导5-10；第十直波导5-4通过第三弯波导5-9与第十三直波导5-8的一端相连，第八直波导5-1通过第四弯波导5-11与第十四直波导5-10的一端相连，第九直波导5-2通过第三绝热锥5-3与第十一直波导5-5的一端相连，第十一直波导5-5的另一端通过第四绝热锥5-6与第十二直波导5-7的一端相连；第十二直波导5-7的另一端和第十三直波导5-8的另一端均与第三光开关4相连，第十四直波导5-10的另一端与第二光开关3相连。
第八直波导5-1的宽度、第十直波导5-4的宽度、第十二直波导5-7的宽度、第十三直波导5-8的宽度、第十四直波导5-10的宽度、第三弯波导5-9的宽度和第四弯波导5-11的宽度均与第一直波导1-1的宽度相同；第九直波导5-2的宽度与第二直波导1-2的宽度相同，第十一直波导5-5的宽度与第四直波导1-5的宽度相同；第八直波导5-1和第九直波导5-2之间的距离与第一直波导1-1和第二直波导1-2之间的距离相同，第十直波导5-4和第十一直波导5-5之间的距离与第三直波导1-4和第四直波导1-5之间的距离相同。
本发明光模式转换器中窄波导和宽波导之间通过足够长的绝热锥（AdiabaticTaper）连接，绝热锥（Adiabatic Taper）的宽度从窄波导的宽度线性渐变为宽波导的宽度，并且绝热锥（Adiabatic Taper）的长度足够长，这样绝热锥（Adiabatic Taper）波导侧边的扩展慢于光模式的衍射扩展，从而能确保光信号在通过时不发生模式转换，减少了模式之间的串扰。
第一光开关2的结构、第二光开关3的结构和第三光开关4的结构完全相同。光开关可以是基于微环谐振器的光开关，也可以是基于多模干涉耦合器的光开关。
如图4所示，光模式转换器中的第一光开关2，第一光开关2为基于微环谐振器的光开关，包括平行设置的第十五直波导2-1、第十六直波导2-2、第十七直波导2-4和第十八直波导2-5，第十六直波导2-2的一端通过第五弯波导2-3与第十八直波导2-5的一端相连，第十六直波导2-2的另一端通过第六弯波导2-6与第十七直波导2-4的一端相连；第十五直波导2-1与第十六直波导2-2之间设有第一硅基纳米线微环MRR1；第十五直波导2-1的一端接第六直波导1-8的另一端，第十五直波导2-1的另一端接第二光开关3，第十七直波导2-4另一端接第五直波导1-7的另一端；第十八直波导2-5的另一端接第三光开关4。
如图5所示，本发明光模式转换器中的第二光开关3，第二光开关3为基于微环谐振器的光开关，包括平行设置的第十九直波导3-1、第二十直波导3-2、第二十一直波导3-4和第二十二直波导3-5，第二十直波导3-2的一端通过第七弯波导3-3与第二十二直波导3-5的一端相连，第二十直波导3-2的另一端通过第八弯波导3-6与第二十一直波导3-4的一端相连，第十九直波导3-1与第二十直波导3-2之间设有第二基纳米线微环MRR2；第十九直波导3-1的一端接第七直波导1-10的另一端，第十九直波导3-1的另一端接第十四直波导5-10的另一端，第二十一直波导3-4的另一端接第十五直波导2-1的另一端，第二十二直波导3-5的另一端接第三光开关4。
如图6所示，本发明光模式转换器中的第三光开关4，第三光开关4为基于微环谐振器的光开关，包括平行设置的第二十三直波导4-1、第二十四直波导4-2、第二十五直波导4-4和第二十六直波导4-5，第二十四直波导4-2的一端通过第九弯波导4-3与第二十六直波导4-5的一端相连，第二十四直波导4-2的另一端通过第十弯波导4-6与第二十五直波导4-4的一端相连，第二十三直波导4-1和第二十四直波导4-2之间设有第三硅基纳米线微环MRR3；第二十三直波导4-1的一端接第二十二直波导3-5的另一端，第二十三直波导4-1的另一端接第十三直波导5-8的另一端，第二十五直波导4-4的另一端接第二十二直波导3-5的另一端，第二十六直波导4-5的另一端接第十二直波导5-7的另一端。
硅基纳米线微环与和该硅基纳米线微环相邻的两条直波导之间的距离相等；三个光开关中所有直波导、弯波导的宽度和所有硅基纳米线微环的波导宽度均与第一直波导1-1的宽度相同。
如图7所示，光模式转换器中的第一光开关2为基于多模干涉耦合器的光开关，包括并排设置的第一多模干涉耦合器2-8和第二多模干涉耦合器2-12，第一多模干涉耦合器2-8和第二多模干涉耦合器2-12之间平行设置有第二十八直波导2-9、第二十九直波导2-10、第三十直波导2-11、第三十三直波导2-15、第三十四直波导2-16和第三十五直波导2-17；第二十八直波导2-9的一端接第一多模干涉耦合器2-8，第二十八直波导2-9的另一端通过一根弯波导与第二十九直波导2-10的一端相连，第二十九直波导2-10的另一端通过第二根弯波导与第三十直波导2-11的一端相连，第三十直波导2-11的另一端接第二多模干涉耦合器2-12；第三十五直波导2-17的一端接第一多模干涉耦合器2-8，第三十五直波导2-17的另一端通过第三根弯波导接第三十四直波导2-16的一端，第三十四直波导2-16的另一端通过第四根弯波导接第三十三直波导2-15的一端，第三十三直波导2-15的另一端接第二多模干涉耦合器2-12；第一多模干涉耦合器2-8背离第二多模干涉耦合器2-12的一侧分别接第二十七直波导2-7的一端和第三十六直波导2-18的一端，第二十七直波导2-7的另一端接第六直波导1-8，第三十六直波导2-18的另一端接第五直波导1-7；第二多模干涉耦合器2-12背离第一多模干涉耦合器2-8的一侧分别接第三十一直波导2-13的一端和第三十二直波导2-14的一端，第三十一直波导2-13的另一端接第二光开关3，第三十二直波导2-14的另一端接第三光开关4；第二十七直波导2-7的一端和第三十六直波导2-18之间的距离、第二十八直波导2-9和第三十五直波导2-17之间的距离、第三十直波导2-11和第三十三直波导2-15之间的距离以及第三十一直波导2-13和第三十二直波导2-14之间的距离均相等，第二十九直波导2-10和第三十四直波导2-16之间的距离大于第三十直波导2-11和第三十三直波导2-15之间的距离。第二十九直波导2-10上设有相位调制区。
第一光开关2为基于多模干涉耦合器的光开关时，其中的所有直波导、弯波导的宽度均与第一直波导1-1的宽度相同。
如图8所示，光模式转换器中的第二光开关3为基于多模干涉耦合器的光开关，包括并排设置的第三多模干涉耦合器3-8和第四多模干涉耦合器3-12，第三多模干涉耦合器3-8和第四多模干涉耦合器3-12之间平行设置有第三十八直波导3-9、第三十九直波导3-10、第四十直波导3-11、第四十三直波导3-15、第四十四直波导3-16和第四十五直波导3-17；第三十八直波导3-9的一端接第三多模干涉耦合器3-8，第三十八直波导3-9的另一端通过第五根弯波导与第三十九直波导3-10的一端相连，第三十九直波导3-10的另一端通过第六根弯波导与第四十直波导3-11的一端相连，第四十直波导3-11的另一端接第四多模干涉耦合器3-12；第四十五直波导2-17的一端接第三多模干涉耦合器3-8，第四十五直波导3-17的另一端通过第七根弯波导接第四十四直波导3-16的一端，第四十四直波导3-16的另一端通过第八根弯波导接第四十三直波导3-15的一端，第四十三直波导3-15的另一端接第四多模干涉耦合器3-12；第三多模干涉耦合器3-8背离第四多模干涉耦合器3-12的一侧分别接第三十七直波导3-7的一端和第四十六直波导3-18的一端，第三十七直波导3-7的另一端接第七直波导1-10的另一端，第四十六直波导3-18的另一端接第三十一直波导2-13的另一端；第四多模干涉耦合器3-12背离第三多模干涉耦合器3-8的一侧分别接第四十一直波导3-13的一端和第四十二直波导3-14的一端，第四十一直波导3-13的另一端接第十四直波导5-10的另一端，第四十二直波导3-14的另一端接第三光开关4；第三十七直波导3-7的一端和第四十六直波导3-18之间的距离、第三十八直波导3-9和第四十五直波导3-17之间的距离、第四十直波导3-11和第四十三直波导3-15之间的距离以及第四十一直波导3-13和第四十二直波导3-14之间的距离均相等，第三十九直波导3-10和第四十四直波导3-16之间的距离大于第四十直波导3-11和第四十三直波导3-15之间的距离。第三十九直波导3-10上设有相位调制区。
第二光开关3为基于多模干涉耦合器的光开关时，其中的所有直波导、弯波导的宽度均与第一直波导1-1的宽度相同。
如图9所示，光模式转换器中的第三光开关4为基于多模干涉耦合器的光开关，包括并排设置的第五多模干涉耦合器4-8和第六多模干涉耦合器4-12，第五多模干涉耦合器4-8和第六多模干涉耦合器4-12之间平行设置有第四十八直波导4-9、第四十九直波导4-10、第五十直波导4-11、第五十三直波导4-15、第五十四直波导4-16和第五十五直波导4-17；第四十八直波导4-9的一端接第五多模干涉耦合器4-8，第四十八直波导4-9的另一端通过第九根弯波导与第四十九直波导4-10的一端相连，第四十九直波导4-10的另一端通过第十根弯波导与第五十直波导4-11的一端相连，第五十直波导4-11的另一端接第六多模干涉耦合器4-12；第五十五直波导4-17的一端接第五多模干涉耦合器4-8，第五十五直波导4-17的另一端通过第十一根弯波导接第五十四直波导4-16的一端，第五十四直波导4-16的另一端通过第十二根弯波导接第五十三直波导4-15的一端，第五十三直波导4-15的另一端接第六多模干涉耦合器4-12；第五多模干涉耦合器4-8背离第六多模干涉耦合器4-12的一侧分别接第四十七直波导4-7的一端和第五十六直波导4-18的一端，第四十七直波导4-7的另一端接第四十二直波导3-14的另一端，第五十六直波导4-18的另一端接第三十二直波导2-14的另一端；第六多模干涉耦合器4-12背离第五多模干涉耦合器4-8的一侧分别接第五十一直波导4-13的一端和第五十二直波导4-14的一端，第五十一直波导4-13的另一端接第十三直波导5-8的另一端，第五十二直波导4-14的另一端接第十二直波导5-7的另一端；第四十七直波导4-7的一端和第五十六直波导4-18之间的距离、第四十八直波导4-9和第五十五直波导4-17之间的距离、第五十直波导4-11和第五十三直波导4-15之间的距离以及第五十一直波导4-13和第五十二直波导4-14之间的距离均相等，第四十九直波导4-10和第五十四直波导4-16之间的距离大于第五十直波导4-11和第五十三直波导4-15之间的距离。第四十九直波导4-10上设有相位调制区。
第三光开关4为基于多模干涉耦合器的光开关时，其中的所有直波导、弯波导的宽度均与第一直波导1-1的宽度相同。
不同的光开关相互连接形成光开关网络，光开关网络与器件两端的模式复用/解复用器相连构成整个模式转换器。
本发明光模式转换器中的所有单元均采用硅基纳米线波导制作而成。
本发明光模式转换器的结构具有对称性，第二直波导1-2的另一端为输入端X，第九直波导5-2的另一端为输入端Y。当光信号从输入端X输入时，光模式转换器的输出端为Y；当光信号从输入端Y输入时，光模式转换器的输出端为X。
本发明光模式转换器主要包括三个部分：第一部分为基于定向耦合器的模式解复用器，其作用是将不同的波导模式解复用到不同的路径中；第二部分为光开关网络，其目的是为了控制从解复用器中解复用出的基模的传输路径。第三部分为基于定向耦合器的模式复用器，其作用是将光网络传输出的基模复用到不同的波导中产生不同的波导模式。
本发明光模式转换器的光开关网络可以通过两种光开关来实现，第一种为基于微环谐振器的光开关，第二种为基于多模干涉耦合器的光开关。采用第一种方案实现时，所用第一硅基纳米线微环MRR1、第二硅基纳米线微环MRR2和第三硅基纳米线微环MRR3的结构完全相同，可为圆形或跑道形，为保证三个微环谐振器的谐振波长完全相同，三个硅基纳米线微环的半径、耦合间距、相应的直波导的宽度等参数完全对应相同，并且三个硅基纳米线微环上都设有调谐电极用以控制微环谐振器光开关的开态和关态。
采用第二种方案实现时，所用的三个光开关均为基于2×2多模干涉耦合器的光开关，器件中所有的2×2多模干涉耦合器MMI1、MMI2、MMI3、MMI4、MMI5、MMI6的各项参数完全相同，为了实现开关的效应，在连接两个2×2多模干涉耦合器的其中一条臂的直波导上设有调谐电极作为相位调制区。
本发明光模式转换器是基于SOI材料实现的，SOI材料的突出优点是：工艺方面与传统CMOS工艺是兼容的，从而可以利用现成的CMOS工艺技术，使得器件体积小、功耗低、扩展性好，便于与电学元件集成。本发明光模式转换器之所以具有这些优点，与它所采用的材料属性及器件工作原理关系密切。
首先，在材料方面，本发明光模式转换器采用的是绝缘衬底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）材料。SOI是指在SiO2绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜，其工艺与现在微电子领域广泛应用的CMOS工艺是兼容的。利用SOI材料制成的硅波导，其芯层是Si（折射率为3.45），包层是SiO2（折射率为1.44），这样包层和芯层的折射率差很大，所以该波导对光场的限制能力很强使得其弯曲半径可以很小（目前已有基于SOI材料弯曲波导的弯曲半径达到1.5微米的报道），从而使器件的面积很小，在一块芯片上可以制作出多个器件。传统波导器件（如LiNbO3）的弯曲半径普遍在毫米甚至厘米量级，极大的占用了芯片面积，一块芯片上通常只能放下一个器件。
其次，在器件方面，本发明光模式转换器采用的基本单元为定向耦合器、基于硅基纳米线波导的微环谐振器或多模干涉耦合器，都是近年来被广泛研究的集成光学元件，理论和技术十分成熟，其器件结构非常紧凑，可以实现器件高密度集成，减少分立器件耦合时的损耗，同时降低器件的封装成本。
本发明光模式转换器实现模式转换的基本原理图，如图10所示，实现模式转换的具体过程为：输入端X或输入端Y中的一个输入基模（TE0）、一阶模（TE1）或二阶模（TE2）中任意一种特定模式的连续光信号，经过器件前端解复用器后，不同模式的光信号由于满足不同的耦合条件（即有效折射率匹配条件N eff1 =N eff2 ，两波导对不同模式的光的有效折射率相匹配时，两波导中的光会发生有效耦合，否则不发生耦合）被解复用到不同的路径中。如图1所示，以在X端输入为例，宽波导中的基模由于不满足耦合条件，不会被耦合并会沿着路径1进行传输；由于第四直波导1-5对一阶模的有效折射率和第三直波导1-4对基模的有效折射率匹配，一阶模传输到第四直波导1-5中时会被耦合到第三直波导1-4中转换为基模并沿着路径2进行传输；由于第二直波导1-2中对二阶模的有效折射率和第一直波导1-1对基模的有效折射率相匹配，二阶模在第二直波导1-2中传输时会被耦合到第一直波导1-1中转换为基模并沿着路径3进行传输。由于第二直波导1-2和第四直波导1-5的宽度不同，对于不同模式的有效折射率也不同，故一阶模在第二直波导1-2中以及二阶模在第四直波导1-5中均不满足耦合条件，不会发生耦合。特定模式的光信号被解复用到不同的路径中之后，都会以基模的形式继续向前传输到达光开关网络。通过将多个光开关相互连接构成的光开关网络，可以选择性地改变基模的传输路径，让不同模式经过前端解复用器解复用到特定路径中的基模在经过光开关网络之后可以到达三条路径中的任意一条。在器件的末端设有模式复用器，其原理与模式解复用器相同，但过程相反，可以在满足耦合条件的情况下将基模耦合到波导中变为特定的模式。当基模到达器件末端的模式复用器时，不同路径中的基模会耦合到波导中变为TE0、TE1、TE2三种模式中的一种，由于路径1中的基模不满足耦合条件故保持基模在输出端Y输出；由于第十直波导5-4对基模的有效折射率与第十一直波导5-5对一阶模的有效折射率匹配，路径2中的基模会耦合到宽波导中变为一阶模并在输出端Y输出；由于第八直波导5-1对基模的有效折射率和第九直波导5-2对二阶模的有效折射率匹配，路径3中的基模会耦合到宽波导中变为二阶模并在输出端Y输出。由于光开关网络可以任意改变基模的传输路径，从而实现了将在输入端X输入的TE0、TE1、TE2三种模式中的任意一种转换为在输出端Y输出的TE0、TE1、TE2三种模式中的任意一种，实现了模式转换器的可重构性。若光信号从Y端输入，在X端输出，实现模式转换的过程完全相同。
本发明光模式转换器还可以实现模式交换，实现模式交换的基本原理图如图11所示，实现模式交换的具体过程为：输入端X或输入端Y中的一个输入TE0、TE1、TE2（基模、一阶模、二阶模）中任意两种特定模式的连续光信号，经过器件前端解复用器后，不同模式的光信号由于满足不同的耦合条件（即有效折射率匹配条件N eff1 =N eff2 ，两波导对不同模式的光的有效折射率相匹配时，两波导中的光会发生有效耦合，否则不发生耦合）被解复用到不同的路径中。如图1所示，以在X端输入为例，宽波导中的基模由于不满足耦合条件，会沿着路径1进行传输；由于第四直波导1-5对一阶模的有效折射率和第三直波导1-4对基模的有效折射率匹配，一阶模传输到第四直波导1-5中时会被耦合到第三直波导1-4中转换为基模并沿着路径2进行传输；由于第二直波导1-2对二阶模的有效折射率和第一直波导1-1对基模的有效折射率相匹配，二阶模在第二直波导1-2中传输时会被耦合到第一直波导1-1中转换为基模并沿着路径3进行传输。由于第二直波导1-2和第四直波导1-5的宽度不同，对于不同模式的有效折射率也不同，故一阶模在第二直波导1-2中以及二阶模在第四直波导1-5中均不满足耦合条件，不会发生耦合。特定模式的光信号被解复用到不同的路径中之后，都会以基模的形式继续向前传输到达光开关网络。通过将多个光开关相互连接构成的光开关网络，可以选择性地改变基模的传输路径，让不同模式经过前端解复用器解复用到特定路径中的基模在经过光开关网络之后可以到达三条路径中的任意一条。输入两种模式后，会有解复用出的两路基模信号到达光开关网络，可以通过光开关网络选择性地交换两路基模信号的传输路径。若交换两路基模信号的传输路径，经过末端模式复用器后，在输入端X输入的两种模式会产生模式数据交换并在输出端Y输出；若不交换两路基模信号的传输路径，在输入端X输入的两种模式会保持不变并在输入端Y输出，从而实现了模式交换的选择性。
本发明光模式转换器所采用的光开关网络可以用两种方案实现，第一种为基于微环谐振器的光开关网络，第二种为基于多模干涉耦合器的光开关网络。两种光开关的基本原理如图12所示，基本原理简单说明如下：对于第一种方案，根据微环的谐振条件公式（m×λ= Ng×2π×R）可以看到，当到达光开关的光信号的波长满足微环的谐振条件时，会被微环谐振器下载到另一条路径中，当该光信号的波长不满足微环的谐振条件时，会沿着原本的路径通过光开关，我们可以通过调谐电极对硅波导加热（热光效应）或者通过载流子注入（电光效应）来改变材料的折射率从而改变微环的谐振波长，多个光开关相互配合即可实现任意改变光信号的传输路径。对于第二种方案，第一个多模干涉耦合器的作用是一个1×2的分束器，到达光开关的光信号在经过第一个多模干涉耦合器之后会分为两束相差相位π/2、能量为原光信号1/2的光信号，连接两个多模干涉耦合器的其中一条臂上设有调谐电极作为相位调制区，调制相位的大小由调谐电极所加的电压大小决定，根据多模干涉耦合器的基本原理，当2×2的多模干涉耦合器的两个输入相差相位π/2时，该多模干涉耦合器只会有一个输出，两个输入信号的相位大小决定输出信号从哪个端口输出。从整个器件来看，光信号经过光开关后或保持原有路径继续传输，或改变原有路径到达另一条路径，这种改变可以通过调谐电极所加电压的大小来控制，多个光开关相互配合即可实现任意改变光信号的传输路径。
本发明模式转换器的调谐电极可以为热调制机构或电调制机构。硅基热光调制的微环谐振器或直波导的横截面结构如图13所示，包括衬底Si，衬底Si上设有SiO2层，SiO2层上设有Si波导芯区和调谐电极，波导和调谐电极周围均包围着SiO2。Si波导芯区的宽度为W，Si波导芯区的高度为H；Si波导芯区顶面与调谐电极底面之间的距离为dSiO2；硅基电光调制的微环谐振器或直波导的横截面结构如图14所示，在本征硅（波导区）的两侧形成P型硅和N型硅从而形成PIN结，当PIN加载正电压时形成正向导通，大量的载流子（电子和空穴）会注入到波导区，当PIN加载负电压时形成反向抽取，大量的载流子会被抽取出波导，而载流子在波导中的注入和抽取会改变波导的折射率从而影响光波的传输特性，这样就可以实现电信号对光信号的调制。
本发明可重构光模式转换器具有良好的可扩展性，只需要相应地增加模式复用/解复用器中定向耦合器的数量和光开关网络中光开关的数量，即可将模式转换和模式交换的功能扩展为：实现在输入端X输入TE0-TEx（基模到任意高阶模）中的任意一种模式，在输出端Y输出TE0-TEx（基模到任意高阶模）中的任意一种模式；实现在输入端X输入TE0-TEx（基模到任意高阶模）中的任意两种模式，两种模式选择性交换并在输出端Y输出。
本发明可重构光模式转换器易于实现大规模集成、功耗较低、延时小、速度快，将在光子计算机的高性能处理单元中发挥重要作用。

Claims (5)

1.一种可重构的光模式转换器，其特征在于，包括依次相连接的第一器件（1）、第一光开关（2）、第二光开关（3）、第三光开关（4）和第二器件（5）；第二光开关（3）还分别与第一器件（1）和第二器件（5）相连接，第一光开关（2）与第三光开关（4）相连接；第一器件（1）和第二器件（5）均采用模式复用/解复用器；
所述的第一器件（1）包括平行设置的第一直波导（1-1）、第二直波导（1-2）、第三直波导（1-4）、第六直波导（1-8）和第七直波导（1-10）；第一直波导（1-1）通过第二弯波导（1-11）与第七直波导（1-10）相连，第三直波导（1-4）通过第一弯波导（1-9）与第六直波导（1-8）相连；第二直波导（1-2）通过第一绝热锥（1-3）与第四直波导（1-5）的一端相连，第四直波导（1-5）的另一端通过第二绝热锥（1-6）与第五直波导（1-7）的一端相连，第五直波导（1-7）的另一端和第六直波导（1-8）的另一端均与第一光开关（2）相连，第七直波导（1-10）的另一端与第二光开关（3）相连；
第一直波导（1-1）的宽度、第三直波导（1-4）的宽度、第五直波导（1-7）的宽度、第六直波导（1-8）的宽度、第七直波导（1-10）的宽度、第一弯波导（1-9）的宽度和第二弯波导（1-11）的宽度相同；第二直波导（1-2）的宽度大于第四直波导（1-5）的宽度，第四直波导（1-5）的宽度大于第五直波导（1-7）的宽度；第一直波导（1-1）与第二直波导（1-2）之间的距离小于第三直波导（1-4）与第四直波导（1-5）之间的距离；
所述的第二器件（5）包括平行设置的第八直波导（5-1）、第九直波导（5-2）、第十直波导（5-4）、第十三直波导（5-8）和第十四直波导（5-10）；第十直波导（5-4）通过第三弯波导（5-9）与第十三直波导（5-8）的一端相连，第八直波导（5-1）通过第四弯波导（5-11）与第十四直波导（5-10）的一端相连，第九直波导（5-2）通过第三绝热锥（5-3）与第十一直波导（5-5）的一端相连，第十一直波导（5-5）的另一端通过第四绝热锥（5-6）与第十二直波导（5-7）的一端相连；第十二直波导（5-7）的另一端接第二十三直波导（4-1）的另一端，第十三直波导（5-8）的另一端接第三光开关（4），第十四直波导（5-10）的另一端接第十九直波导（3-1）；
第八直波导（5-1）的宽度、第十直波导（5-4）的宽度、第十二直波导（5-7）的宽度、第十三直波导（5-8）的宽度、第十四直波导（5-10）的宽度、第三弯波导（5-9）的宽度和第四弯波导（5-11）的宽度均与第一直波导（1-1）的宽度相同；第九直波导（5-2）的宽度与第二直波导（1-2）的宽度相同，第十一直波导（5-5）的宽度与第四直波导（1-5）的宽度相同；第八直波导（5-1）和第九直波导（5-2）之间的距离与第一直波导（1-1）和第二直波导（1-2）之间的距离相同，第十直波导（5-4）和第十一直波导（5-5）之间的距离与第三直波导（1-4）和第四直波导（1-5）之间的距离相同。
2.根据权利要求1所述的可重构的光模式转换器，其特征在于，所述的第一光开关（2）包括平行设置的第十五直波导（2-1）、第十六直波导（2-2）、第十七直波导（2-4）和第十八直波导（2-5），第十六直波导（2-2）的一端通过第五弯波导（2-3）与第十八直波导（2-5）的一端相连，第十六直波导（2-2）的另一端通过第六弯波导（2-6）与第十七直波导（2-4）的一端相连；第十五直波导（2-1）与第十六直波导（2-2）之间设有第一硅基纳米线微环（MRR1）；第十五直波导（2-1）的一端接第六直波导（1-8）的另一端，第十五直波导（2-1）的另一端接第二光开关（3），第十七直波导（2-4）另一端接第五直波导（1-7）的另一端；第十八直波导（2-5）的另一端接第三光开关（4）；
所述的第二光开关（3）包括平行设置的第十九直波导（3-1）、第二十直波导（3-2）、第二十一直波导（3-4）和第二十二直波导（3-5），第二十直波导（3-2）的一端通过第七弯波导（3-3）与第二十二直波导（3-5）的一端相连，第二十直波导（3-2）的另一端通过第八弯波导（3-6）与第二十一直波导（3-4）的一端相连，第十九直波导（3-1）与第二十直波导（3-2）之间设有第二基纳米线微环（MRR2）；第十九直波导（3-1）的一端接第七直波导（1-10）的另一端，第十九直波导（3-1）的另一端接第二器件（5），第二十一直波导（3-4）的另一端接第十五直波导（2-1）的另一端，第二十二直波导（3-5）的另一端接第三光开关（4）。
3.根据权利要求2所述的可重构的光模式转换器，其特征在于，所述的第三光开关（4）包括平行设置的第二十三直波导（4-1）、第二十四直波导（4-2）、第二十五直波导（4-4）和第二十六直波导（4-5），第二十四直波导（4-2）的一端通过第九弯波导（4-3）与第二十六直波导（4-5）的一端相连，第二十四直波导（4-2）的另一端通过第十弯波导（4-6）与第二十五直波导（4-4）的一端相连，第二十三直波导（4-1）和第二十四直波导（4-2）之间设有第三硅基纳米线微环（MRR3）；第二十三直波导（4-1）的一端接第二十二直波导（3-5）的另一端，第二十三直波导（4-1）的另一端接第二器件（5），第二十五直波导（4-4）的另一端接第二十二直波导（3-5）的另一端，第二十六直波导（4-5）的另一端接第十三直波导（5-8）的另一端第二器件（5）。
4.根据权利要求1所述的可重构的光模式转换器，其特征在于，所述的第一光开关（2）包括并排设置的第一多模干涉耦合器（2-8）和第二多模干涉耦合器（2-12），第一多模干涉耦合器（2-8）和第二多模干涉耦合器（2-12）之间平行设置有第二十八直波导（2-9）、第二十九直波导（2-10）、第三十直波导（2-11）、第三十三直波导（2-15）、第三十四直波导（2-16）和第三十五直波导（2-17）；第二十八直波导（2-9）的一端接第一多模干涉耦合器（2-8），第二十八直波导（2-9）的另一端通过一根弯波导与第二十九直波导（2-10）的一端相连，第二十九直波导（2-10）的另一端通过第二根弯波导与第三十直波导（2-11）的一端相连，第三十直波导（2-11）的另一端接第二多模干涉耦合器（2-12）；第三十五直波导（2-17）的一端接第一多模干涉耦合器（2-8），第三十五直波导（2-17）的另一端通过第三根弯波导接第三十四直波导（2-16）的一端，第三十四直波导（2-16）的另一端通过第四根弯波导接第三十三直波导（2-15）的一端，第三十三直波导（2-15）的另一端接第二多模干涉耦合器（2-12）；第一多模干涉耦合器（2-8）背离第二多模干涉耦合器（2-12）的一侧分别接第二十七直波导（2-7）的一端和第三十六直波导（2-18）的一端，第二十七直波导（2-7）的另一端接第六直波导（1-8），第三十六直波导2-18的另一端接第五直波导（1-7）；第二多模干涉耦合器（2-12）背离第一多模干涉耦合器（2-8）的一侧分别接第三十一直波导（2-13）的一端和第三十二直波导（2-14）的一端，第三十一直波导（2-13）的另一端接第二光开关（3），第三十二直波导（2-14）的另一端接第三光开关（4）；第二十七直波导（2-7）的一端和第三十六直波导（2-18）之间的距离、第二十八直波导（2-9）和第三十五直波导（2-17）之间的距离、第三十直波导（2-11）和第三十三直波导（2-15）之间的距离以及第三十一直波导（2-13）和第三十二直波导（2-14）之间的距离均相等，第二十九直波导（2-10）和第三十四直波导（2-16）之间的距离大于第三十直波导（2-11）和第三十三直波导（2-15）之间的距离；第二十九直波导（2-10）上设有相位调制区；
所述的第二光开关（3）包括并排设置的第三多模干涉耦合器（3-8）和第四多模干涉耦合器（3-12），第三多模干涉耦合器（3-8）和第四多模干涉耦合器（3-12）之间平行设置有第三十八直波导（3-9）、第三十九直波导（3-10）、第四十直波导（3-11）、第四十三直波导（3-15）、第四十四直波导（3-16）和第四十五直波导（3-17）；第三十八直波导（3-9）的一端接第三多模干涉耦合器（3-8），第三十八直波导（3-9）的另一端通过第五根弯波导与第三十九直波导（3-10）的一端相连，第三十九直波导（3-10）的另一端通过第六根弯波导与第四十直波导（3-11）的一端相连，第四十直波导（3-11）的另一端接第四多模干涉耦合器（3-12）；第四十五直波导（2-17）的一端接第三多模干涉耦合器（3-8），第四十五直波导（3-17）的另一端通过第七根弯波导接第四十四直波导（3-16）的一端，第四十四直波导（3-16）的另一端通过第八根弯波导接第四十三直波导（3-15）的一端，第四十三直波导（3-15）的另一端接第四多模干涉耦合器（3-12）；第三多模干涉耦合器（3-8）背离第四多模干涉耦合器（3-12）的一侧分别接第三十七直波导（3-7）的一端和第四十六直波导（3-18）的一端，第三十七直波导（3-7）的另一端接第七直波导（1-10）的另一端，第四十六直波导（3-18）的另一端接第三十一直波导（2-13）的另一端；第四多模干涉耦合器（3-12）背离第三多模干涉耦合器（3-8）的一侧分别接第四十一直波导（3-13）的一端和第四十二直波导（3-14）的一端，第四十一直波导（3-13）的另一端接第十四直波导（5-10）的另一端，第四十二直波导（3-14）的另一端接第三光开关（4）；第三十七直波导（3-7）的一端和第四十六直波导（3-18）之间的距离、第三十八直波导（3-9）和第四十五直波导（3-17）之间的距离、第四十直波导（3-11）和第四十三直波导（3-15）之间的距离以及第四十一直波导（3-13）和第四十二直波导（3-14）之间的距离均相等，第三十九直波导（3-10）和第四十四直波导（3-16）之间的距离大于第四十直波导（3-11和第四十三直波导（3-15）之间的距离；第三十九直波导（3-10）上设有相位调制区。
5.根据权利要求4所述的可重构的光模式转换器，其特征在于，所述的第三光开关（4）包括并排设置的第五多模干涉耦合器（4-8）和第六多模干涉耦合器（4-12），第五多模干涉耦合器（4-8）和第六多模干涉耦合器（4-12）之间平行设置有第四十八直波导（4-9）、第四十九直波导（4-10）、第五十直波导（4-11）、第五十三直波导（4-15）、第五十四直波导（4-16）和第五十五直波导（4-17）；第四十八直波导（4-9）的一端接第五多模干涉耦合器（4-8），第四十八直波导（4-9）的另一端通过第九根弯波导与第四十九直波导（4-10）的一端相连，第四十九直波导（4-10）的另一端通过第十根弯波导与第五十直波导（4-11）的一端相连，第五十直波导（4-11）的另一端接第六多模干涉耦合器（4-12）；第五十五直波导（4-17）的一端接第五多模干涉耦合器（4-8），第五十五直波导（4-17）的另一端通过第十一根弯波导接第五十四直波导（4-16）的一端，第五十四直波导（4-16）的另一端通过第十二根弯波导接第五十三直波导（4-15）的一端，第五十三直波导（4-15）的另一端接第六多模干涉耦合器（4-12）；第五多模干涉耦合器（4-8）背离第六多模干涉耦合器（4-12）的一侧分别接第四十七直波导（4-7）的一端和第五十六直波导（4-18）的一端，第四十七直波导（4-7）的另一端接第四十二直波导（3-14）的另一端，第五十六直波导（4-18）的另一端接第三十二直波导（2-14）的另一端；第六多模干涉耦合器（4-12）背离第五多模干涉耦合器（4-8）的一侧分别接第五十一直波导（4-13）的一端和第五十二直波导（4-14）的一端，第五十一直波导（4-13）的另一端接第十三直波导（5-8）的另一端，第五十二直波导（4-14）的另一端接第十二直波导（5-7）的另一端；第四十七直波导（4-7）的一端和第五十六直波导（4-18）之间的距离、第四十八直波导（4-9）和第五十五直波导（4-17）之间的距离、第五十直波导（4-11）和第五十三直波导（4-15）之间的距离以及第五十一直波导（4-13）和第五十二直波导（4-14）之间的距离均相等，第四十九直波导（4-10）和第五十四直波导（4-16）之间的距离大于第五十直波导（4-11）和第五十三直波导（4-15）之间的距离；第四十九直波导（4-10）上设有相位调制区。
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