CN111766662B - 一种通用型硅基集成光波导模式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明属于通讯模式的技术领域，公开了一种通用型硅基集成光波导模式转换器，包括输入波导，所述输入波导与输入模式转换模块相连，所述输入模式转换模块与中间连接波导的一端相连，所述中间连接波导的另一端与输出模式转换模块相连，所述输出模块转换模块与输出波导相连，所述输入波导用于传输输入光波，所述输入模式转换模块用于将输入光波的模式转换为基模模式，所述中间连接波导用于传输基模模式的光波，所述输出模式转换模块用于将基模模式的光波转换为输出光波所要求的模式，所述输出波导用于传输输出光波。本发明的转换器可实现任意同偏振光场模式之间的转换，具有更好的通用性，灵活度和编程重构能力。

Description

一种通用型硅基集成光波导模式转换器

技术领域

本发明涉及通讯模式的技术领域，尤其涉及一种通用型硅基集成光波导模式转换器。

背景技术

近几年，随着人类社会对于通信网络数据传输容量和带宽的需求与日俱增，基于传统的集成电路技术已经开始显现出不能满足人们需求的趋势，而全光通信技术则可以避免光电转换过程中产生的噪声、误码以及功耗等问题，可以在极大程度上提高通信的传输容量和带宽，因此发展较为迅速。硅基光子技术因硅波导芯层和包层折射率差较大、加工工艺与传统的CMOS工艺相兼容、易于实现超大规模集成光路等优势，使其成为了光子集成领域的研究热点。在光通信技术领域，模分复用作为一种空分复用技术，它通过利用多模光纤中不同模式的正交性，以不同的模式作为不同的传输信道独立地传输信息，这样可以大幅提高单光纤的传输容量。同样地，在集成光子领域，模分复用也能大幅增加波导中信息传输容量从而受到了业内人士的广泛关注和研究。不同模式之间需要相互转换，实现更灵活的信号路由和交换，因而模式转换器是模分复用中的核心器件之一。

硅基光波导的光束缚能力很强，硅波导可以支持横电基模(TE0)、横电一阶模(TE1)、横电二阶模(TE2)和横磁基模(TM0)、横磁一阶模(TM1)、横磁二阶模(TM2)等多种不同导模传输，波导尺寸越大，所能支持传输的模式也就越多。正是因为波导能支持多种模式，不同模式之间可以转换，这大大提升了硅基光波导的信号传输容量和交换灵活性。对实现不同模式之间相互转换的硅基光器件的研究成为了硅基光电子研究的一个热门领域。2017年美国哥伦比亚大学的Nanfang Yu研究小组(Nature Nanotechnology,2017,12(7))就通过在波导上采用等离子或介电纳米天线阵列组成梯度超表面结构，在数倍波长内即可实现从一种特定波导模式转换为另一种波导模式，而传统的方法实现模式转换需要长度为数十倍波长的器件来实现波导模式转换。此种方法对工艺要求较高且良率一般，更重要的一点是此类设计的器件只能实现特定模式之间的转换，并不具备一定的通用性。

发明内容

本发明提供了一种通用型硅基集成光波导模式转换器，解决了现有模式转换器只能实现特定模式之间的转换，通用性差等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种通用型硅基集成光波导模式转换器，包括输入波导，所述输入波导与输入模式转换模块相连，所述输入模式转换模块与中间连接波导的一端相连，所述中间连接波导的另一端与输出模式转换模块相连，所述输出模块转换模块与输出波导相连，所述输入波导用于传输输入光波，所述输入模式转换模块用于将输入光波的模式转换为基模模式，所述中间连接波导用于传输基模模式的光波，所述输出模式转换模块用于将基模模式的光波转换为输出光波所要求的模式，所述输出波导用于传输输出光波。

进一步，所述输入转换模块包括与输入波导相连的输入星型耦合器，所述输入星型耦合器与输入阵列波导相连，所述输入阵列波导与输入阵列光开关相连，其中的每个波导上均设置有移相器；

所述输出转换模块包括与中间连接波导相连的输出阵列光开关，所述输出阵列光开关与输出阵列波导相连，其中的每个波导上也均设置有移相器，所述输出阵列波导与输出星型耦合器相连，所述输出星型耦合器与输出波导相连。

进一步，所述输入阵列波导、输出阵列波导中的每个波导均为单模波导，所述输入阵列光开关、输出阵列光开关中的光开关均设置为1×2多模干涉结构或1×2Y型分叉结构，所述输入星型耦合器、输出星型耦合器均设置为罗兰圆结构。

进一步，所述波导的制作材料为硅、氮化硅或者是硅与氮化硅的混合集成。

进一步，所述输入光波和输出光波的偏振模式相同。

本发明有益的技术效果在于：

1)可以实现任意同偏振光场模式之间的转换即TEi→TEj/TMi→TMj，相比以往只能实现特定模式转换的固定模式转换器，具有更好的通用性，更高的灵活度和编程重构能力。

2)采用了阵列光开关和移相器阵列，能实现光场幅度和相位的灵活调控，提高模式转换效率，降低转换损耗。

3)具有结构灵活，可拓展性强、易于硅基集成的优点。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2a为本发明的星型耦合器所采用的罗兰圆结构示意图；

图2b为本发明的光从输入波导经输入星型耦合器路由到输入阵列波导处的示意图；

图3为本发明的光开关的单元结构示意图，其中，图3a表示基于多模干涉结构图3b表示Y型分叉结构；

图4为本发明的移相器的截面结构示意图，其中，图4a表示基于电光效应，图4b表示基于热光效应。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种通用型硅基集成光波导模式转换器，采用两个星型耦合器并结合阵列波导上独立的移相器以及级联的光开关组成的阵列光开关，实现任意同偏振光场模式间的转换TEi→TEj/TMi→TMj，这样，能实现任意输入波导模式到任意同偏振输出波导模式的转换，结构可重构性强，能满足不同应用场合的模式转换需求。具体的，包括输入波导，该输入波导与输入模式转换模块相连，该输入模式转换模块与中间连接波导的一端相连，该中间连接波导的另一端与输出模式转换模块相连，该输出模块转换模块与输出波导相连，该输入波导用于传输输入光波，该输入模式转换模块用于将输入光波的TEi/TMi模式转换为基模模式即TE0/TM0模式，该中间连接波导用于传输基模模式的光波，该输出模式转换模块用于将基模模式的光波转换为输出光波所要求的模式即TEj/TMj模式，该输出波导用于传输输出光波。

该输入转换模块TEi→TE0/TMi→TM0包括与输入波导相连的输入星型耦合器，该输入星型耦合器与输入阵列波导相连，该输入阵列波导与输入阵列光开关相连，其中的每个波导上均设置有移相器，这样，经输入阵列波导上的移相器补偿相位后借助级联的光开关即阵列光开关进行光相干合束传输至中间连接波导部分。

该输出转换模块TE0→TEj/TM0→TMj包括与中间连接波导相连的输出阵列光开关，该输出阵列光开关与输出阵列波导相连，其中的每个波导上也均设置有移相器，该输出阵列波导与输出星型耦合器相连，该输出星型耦合器与输出波导相连，这样，经移相器调整相位后传输至输出星型耦合器并在输出波导处转换为TEj(TMj)模式输出。

该输入波导的尺寸宽度可以支持多种不同导模传输，相应地输出波导也满足上述要求。输入光以TEi/TMi模式从输入波导进入输入模式转换模块的星型耦合器，输出光则以TEj/TMj模式从输出波导输出。

该星型耦合器在结构上体现为罗兰圆结构，如图2a所示，而罗兰圆实则为两圆相切，它们的半径大小分别为R和r，且大圆的半径R正好是小圆半径r的两倍。如果所选波导材料为氮化硅且与星型耦合器相连的阵列波导个数N＝32时，其大圆半径约为60um；如果选择硅作为波导材料，因其折射率要比氮化硅材料大，其对应半径R会更小一些，但损耗会小幅上升。

如图2b所示，输入模式TEi/TMi经过星型耦合器之后，其衍射光场将被输入阵列波导采样，输入模式本身的波阵面幅度分布与相位分布将映射为输入阵列波导中不同通道间的幅度分布与相位差异，通过记录不同的输入模式在经星型耦合器传播至输入阵列波导处其对应的幅度和相位分布，即可建立起输入模式类型与其在阵列波导处幅度、相位一一映射的关系查找表。相应的，由光路可逆原理可知，如果从输入阵列波导方向以相同的幅度分布，相反的相位分布激发星型耦合器，将在星型耦合器输出端得到当前的输入模式TEi/TMi。因此，可以进一步扩展应用这种一一对应的映射关系，根据已经建立起的映射关系查找表，便可以通过在输出模式转换模块对各个输出阵列波导上幅度和相位进行对应的调整，从而可以在在输出端合成出用户所需要的其他模式TEj/TMj。

为了方便更好的理解，此处将举例说明TEi→TEj的转换过程：假定输入阵列波导的个数为n，输出阵列波导的个数为m，两者的个数可以相同也可以不同，将波导的传播方向设为Z轴，输入端口、输入阵列波导、中间连接波导、输出阵列波导、输出端口的Z轴坐标依次设为z₀、z_1n、z₂、z_3m、z₄。当TEi模式的光从输入星型耦合器输入，则在输入阵列波导处的光振幅和相位与输入模式TEi的关系可以表述为：

之后再经过输入阵列波导上的移相器将各相位补偿至等相位，使得相干合束之后TE0的幅度能够最大，再经相干合束后其与阵列波导处模式的转换关系为：

在输出模式转换模块通过输出阵列光开关及移相器按照用户指定的输出模式所对应的幅度及相位分布为依据进行幅度上的重新分配及相位的相应调整则有：

基于上文所描述的这种一一对应的映射关系建立的映射关系查找表，对幅度和相位进行调控使得在输出星型耦合器的输出端便会激发成用户指定的模式TEj即:

上述转换过程，对于TM模式之间的转换也同样适用。

如上所述，输入星型耦合器和输出耦合器间的相干合束与功率分束网络负责将输入阵列波导中的幅度分布与相位分布低损耗地转换为输出阵列波导中的幅度分布与相位分布。对于相干合束而言，通过调节输入阵列光开关和输入阵列波导上的移相器阵列，这些光束能相干合成为中间光波的TE0/TM0模式。对于功率分束而言，经过输出阵列光开关和输出阵列波导上的移相器阵列，输出阵列波导中所需对应的幅度和相位分布，再经过输出星型耦合器合成TEj/TMj模式从输出波导输出。

上述的相位分布通过移相器阵列调节，移相器通过热光效应或电光效应使热场/电场与波导中的光场相互作用，进而改变波导中光模式的相位。上述的幅度分布通过基于马赫·曾德尔干涉仪的光开关结构调节，光开关结构的两个干涉臂上都包含上述的热光/电光移相器，通过在两臂间引入相位差即可改变输出侧的干涉结果，进而实现相干合束或者任意比例的功率分束。

上述的输入星型耦合器和输出星型耦合器在功能上近似于一个光学透镜，将波导光模式进行傅里叶变换后被阵列波导采样，不同的波导模式对应阵列波导中不同的幅度和相位分布。因此，在输出模式转换模块就可以使用镜像星型耦合器将输出阵列波导中特定幅度和相位分布的光束整合成目标TEj/TMj模式从输出波导输出。

该输入阵列波导和输出阵列波导尺寸为常规的单模波导,其制作材料可设置为硅、氮化硅或者是硅与氮化硅的混合集成，例如选择硅作为波导材料进行传输时，尺寸一般为：宽度400nm、高度220nm。

该输入阵列光开关和输出阵列光开关均为1×2多模干涉结构或1×2Y型分叉结构，其各自的光开关阵列单元具体结构参见附图3a和图3b。

该移相器为基于电光效应或热光效应的移相器，附图4a和附图4b分别是p-i-n二极管的电光移相器和硅热电阻的热光移相器横截面图，其相位调节范围为0～2π。所选移相器为热光移相器时，其功耗可低至≈2mW/π，相移速度可达百微秒量级。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种通用型硅基集成光波导模式转换器，其特征在于：包括输入波导，所述输入波导与输入模式转换模块相连，所述输入模式转换模块与中间连接波导的一端相连，所述中间连接波导的另一端与输出模式转换模块相连，所述输出模式 转换模块与输出波导相连，所述输入波导用于传输输入光波，所述输入模式转换模块用于将输入光波的模式转换为基模模式，所述中间连接波导用于传输基模模式的光波，所述输出模式转换模块用于将基模模式的光波转换为输出光波所要求的模式，所述输出波导用于传输输出光波；

所述输入转换模块包括与输入波导相连的输入星型耦合器，所述输入星型耦合器与输入阵列波导相连，所述输入阵列波导与输入阵列光开关相连，其中的每个波导上均设置有移相器；

所述输出转换模块包括与中间连接波导相连的输出阵列光开关，所述输出阵列光开关与输出阵列波导相连，其中的每个波导上也均设置有移相器，所述输出阵列波导与输出星型耦合器相连，所述输出星型耦合器与输出波导相连。

2.根据权利要求1所述的通用型硅基集成光波导模式转换器，其特征在于：所述输入阵列波导、输出阵列波导中的每个波导均为单模波导，所述输入阵列光开关、输出阵列光开关中的光开关均设置为1×2多模干涉结构或1×2Y型分叉结构，所述输入星型耦合器、输出星型耦合器均设置为罗兰圆结构。

3.根据权利要求2所述的通用型硅基集成光波导模式转换器，其特征在于：所述波导的制作材料设置为硅、氮化硅或者是硅与氮化硅的混合集成。

4.根据权利要求1所述的通用型硅基集成光波导模式转换器，其特征在于：所述输入光波和输出光波的偏振模式相同。

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