CN113050222A - 一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器 - Google Patents

Abstract

一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器，属于聚合物集成光学技术领域。从上至下依次由调制电极、上包层、芯层、下包层和基底层组成，所述上包层和下包层均为聚合物材料EPOclad，折射率为1.56；芯层为聚合物材料EPOcore，折射率为1.572。调制电极为金属铝，基底层为硅片。沿光传输方向，该模式转换器的芯层由非对称1×3Y分支解复用器、3×3定向耦合结构光开关与非对称1×3Y分支复用器3部分依次级联而成。复用/解复用器由干波导和三根分支臂波导组成，光开关由3根核心波导组成，在相邻的核心波导间设置有两根缝隙波导，在缝隙波导上设置有调制电极。本发明能够实现E₀₀、E₁₀、E₂₀三种模式间任意两种模式的转换。

Description

一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器

技术领域

本发明属于聚合物集成光学技术领域，具体涉及一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器。

背景技术

光纤通信因具有独特的优势(例如，高速和低延迟等)在通信系统中具有至关重要的作用。然而，由于融合现象和光学非线性，基于单模光纤的通信系统的传输能力，越来越难以适应光通信系统中日益增长的信息传输容量需求。为了解决这一问题，多种复用技术被相继提出，例如波分复用技术、偏分复用技术和模式分复用技术。波分复用技术已经在光通信系统中广泛应用，但由于光纤放大器带宽的限制以及光纤固有的非线性效应，其传输容量已达到其物理极限，难以进一步拓展。同时，偏分复用技术涉及到的信道数也是有限的(TE偏振和TM偏振)。近年来，模分复用技术成为提升光纤数据传输容量的关键性技术，其利用空间维度来传输更多的信息。

模分复用系统以少模光纤为传输媒介，相互独立的本征模承载不同的信息数据，从一个新的维度来提高光通信系统传输能力。其中，模式转换器是模分复用系统的一种关键器件，其功能是实现不同模式间的转换，在模分复用系统中有着至关重要的作用。目前常见的模式转换器的结构有马赫-曾德尔调制器、多模干涉器、Y分支、非对称定向耦合器、光栅耦合器等。

模式转换器的性能，如插入损耗、模间串扰、工作带宽、功耗等，影响着模式系统的整体性能。对于可重构模式转换器，功耗是衡量其性能的重要标准。聚合物材料由于其具有较大的热光系数，可以非常有效的降低器件的驱动功率。此外，聚合物材料还有较低的介电系数、简单的制作工艺、吸收损耗低、成本低等诸多优点，在光波导集成光路的研究领域中有着不可替代的地位。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器，用于实现E₀₀、E₁₀、E₂₀三种模式间的任意转换。聚合物材料由于其具有较大的热光系数，可以非常有效的降低器件的驱动功率。此外，聚合物材料还有较低的介电系数、简单的制作工艺、吸收损耗低、成本低等诸多优点。

本发明所述的一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器，从上至下依次由调制电极、上包层、芯层、下包层和基底层组成，如图1所示。所述上包层和下包层均为聚合物材料EPOclad，折射率为1.56；芯层为聚合物材料EPOcore，折射率为1.572。所述调制电极为金属铝，基底层为硅片。

沿光传输方向，该模式转换器的芯层由非对称1×3Y分支解复用器、3×3定向耦合结构光开关与非对称1×3Y分支复用器3部分依次级联而成，解复用器、光开关及复用器间通过长度为L₄、宽度线性变化的弯曲波导(该波导仅用于连接相邻结构，不影响器件功能)连接，如图2d所示。其中，所有部分的芯层均具有相同的高度h，但其各部分宽度不同。非对称1×3Y分支复用/解复用器由干波导和三根分支臂波导组成，非对称1×3Y分支复用/解复用器的干波导(即图2a中的SW)支持E₀₀、E₁₀、E₂₀三种模式，其宽度为w₀；三根分支臂波导(即图2a中Arm 1、Arm 2、Arm 3)仅支持E₀₀模式，其宽度分别为w₁、w₂、w₃；Arm 1和Arm 2端口处距离为w_a，Arm 2和Arm3端口处距离为w_b。3×3定向耦合结构光开关由3根核心波导组成(即图2c中W1、W 2、W 3波导)，3根核心波导相互平行且宽度相同(均为w)；在相邻的核心波导间设置有两根缝隙波导(即图2c中GW₁和GW₃，GW₂和GW₄)，缝隙波导GW₁和GW₃(GW₂和GW₄)间距离为L₂。缝隙波导与核心波导的距离为w_g，缝隙波导与核心波导具有相同的高度h和宽度w，且在每根缝隙波导上设置有调制电极(即图2c中ME₁、ME₂、ME₃、ME₄)，核心波导W1、W 2、W 3上无电极。调制电极的宽度为w，长度与缝隙波导一致，均为L₁。3×3定向耦合结构光开关的整体长度为L₃。

该模式转换器的工作原理如下：

由于所述聚合物材料的芯层和包层折射率差很小(仅为0.012)，因此可以忽略模式偏振的影响。根据所述聚合物材料的折射率，在给定波导高度的条件下，利用矩形波导的亥姆霍兹方程(马春生，光波导器件设计与模拟，高等教育出版社)计算波导中E₀₀、E₁₀、E₂₀模式的有效折射率随波导宽度变化的曲线关系(如图3)，确定1×3Y分支复用/解复用器干波导宽度(w₀)，分支波导(w₁、w₂、w₃)宽度范围，以及3×3定向耦合结构光开关的核心波导宽度(w)。再根据有效折射率匹配法和光束传播法(Applied Optics，2012，51(15))确定w₁、w₂、w₃的取值和3×3定向耦合结构光开关中的波导间距w_g，使非对称1×3Y分支复用/解复用器的插入损耗和模间串扰尽可能小，3×3定向耦合结构光开关的插入损耗尽可能小，消光比尽可能大。

3×3定向耦合结构光开关可以等效为四个2×2定向耦合结构光开关(即图2d中的①、②、③、④)级联而成。对于一个独立的2×2定向耦合结构光开关(如附图4a中所示)，根据有效折射率匹配原则，通过光束传播法优化定向耦合结构的波导间隙宽度w_g和缝隙波导的长度L₁，可以实现E₀₀模式从2×2定向耦合结构光开关核心波导的其中一个输入端口输入时，当缝隙波导上方的调制电极不工作时，E₀₀模式可以通过缝隙波导耦合到相邻核心波导中；当缝隙波导电极工作时，由于热光效应，缝隙波导折射率发生改变，E₀₀模式将不发生耦合，停留在原核心波导中，如附图4b所示。模拟计算得到2×2定向耦合结构光开关其中一个端口(附图4a中IP A端口)输入E₀₀模式，两个输出端口(附图4a中OP A和OP B端口)的能量随驱动功率的变化情况如附图4c，使信道串扰小于-20dB所需的驱动功率约为97.5mW。相似地，对于3×3定向耦合结构光开关，如附图2c，通过控制ME₁、ME₂、ME₃、ME₄的工作情况可以控制从核心波导某个输入端口输入的E₀₀模式，从核心波导任意输出端口输出，从而实现信道开关的功能。

进一步地，本器件将非对称1×3Y分支解复用器的输入端(即附图2d中的Port A)作为模式转换器的输入端，将非对称1×3Y分支复用器的输出端(即附图2d中的Port B)作为模式转换器的输出端。当E₀₀模式从Port A输入时，经过非对称Y分支模式解复用器，E₀₀模式从Y分支中最宽的分支波导(即Arm 1)中输出，经过宽度线性变化的弯曲波导输入后方3×3定向耦合结构光开关。此时3×3定向耦合结构光开关的信道开关功能实现如图5所示。E₀₀模式从IP₁端口输入并在波导W1传输，当调制电极ME₁不工作、ME₂工作时，E₀₀模式经过定向耦合结构①的缝隙波导，耦合至W 2中；当调制电极ME₁工作时，E₀₀模式停留在Arm 1中不发生耦合，ME₂的工作状态不影响结果。随后，前述停留在Arm 1中的E₀₀模式传播至定向耦合结构③处，当ME₃工作时，E₀₀模式依旧停留在Arm 1中并从输出端口OP₁输出，ME₄的工作状态不影响结果；前述中耦合至Arm 2中的E₀₀模式传播至定向耦合结构④处，当调制电极ME₃和ME₄同时工作时，E₀₀模式停留在Arm 2中并从输出端口OP₂输出；当调制电极ME₃工作、ME₄不工作时，E₀₀模式耦合至Arm 3从输出端口OP₃输出。当E₀₀模式从3×3定向耦合结构光开关的输出端口OP₁/OP₂/OP₃输出进入非对称1×3Y分支复用器中时，根据有效折射率匹配原则，在Y分支的干波导处复用为E₀₀/E₁₀/E₂₀模式并从端口Port B输出，从而实现了E₀₀模式到E₀₀/E₁₀/E₂₀模式的转换，模式转换器中的光场分布图如附图6a所示。

记调制电极工作时的状态为“1”，不工作时状态为“0”，工作状态不影响器件功能时状态为“X”。用矩阵[ME₁,ME₂,ME₃,ME₄]来表示四个电极的工作状态，则不同的模式转换均可用特定的矩阵来表示。则前述与E₀₀-E₀₀模式转换对应的电极工作状态矩阵为[1,X,1,X]，与E₀₀-E₁₀模式转换对应的电极工作状态矩阵为[0,1,1,1]，与E₀₀-E₂₀模式转换对应的电极工作状态矩阵为[0,1,1,0]。根据类似的原理，也可以实现从E₁₀/E₂₀模式到E₀₀/E₁₀/E₂₀模式的转换，即E₀₀、E₁₀、E₂₀三种模式间任意两种模式的转换。E₁₀模式转换为E₀₀、E₁₀、E₂₀模式对应的电极工作状态矩阵为[0,1,1,X]，[1,1,1,1]，[1,0,X,1]，模式转换器中的光场分布图如附图6b所示；E₂₀模式转换为E₀₀、E₁₀、E₂₀模式对应的电极工作状态矩阵为[1,0,0,1]，[1,0,1,1]，[X,1,X,1]，模式转换器中的光场分布图如附图6c所示。

附图说明

图1是本发明所述的可重构模式转换器的剖面结构示意图；

图2是器件的结构俯视说明图；

其中，图2a是单个1×3非对称Y分支复用/解复用器的结构和各部位名称、尺寸示意图；图2b是2×2定向耦合结构光开关的结构和各部位名称、尺寸示意图；图2c是3×3定向耦合结构光开关是的结构和各部位名称、尺寸示意图；图2d是本发明所述的可重构模式转换器整体俯视图；

图3是当波导高度为4μm时，波导内各模式有效折射率随波导宽度变化的关系；

图4a是单个2×2定向耦合结构光开关的结构和原理示意图；

图4b是2×2定向耦合结构光开关其中一个端口输入E₀₀模式，电极不同工作状态下，器件的光场分布图；

图4c是2×2定向耦合结构光开关其中一个端口输入E₀₀模式，两个输出端口的能量随驱动功率的变化情况；

图5是当模式转换器输入模式为E₀₀模式时，对应的3×3定向耦合结构光开关的工作原理；

图6是模式转换器实现E₀₀、E₁₀、E₂₀三种模式间任意两种模式的转换的光场分布图；

其中图6a是当E₀₀模式输入，图6b是当E₁₀模式输入，图6c是当E₂₀模式输入；

图7是本发明所述的聚合物模式转换器制作流程图；

图8是本发明制作过程中所使用的掩膜版结构示意图；

其中图8a是器件波导掩膜版结构示意图，图8b是调制电极掩膜版结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明

实施例1

参见附图1，模式转换器由下至上，由基底层、下包层、芯层、上包层和调制电极组成。芯层是由非对称1×3Y分支解复用器、3×3定向耦合结构光开关与非对称1×3Y分支复用器依次级联而成，相邻结构间通过锥形弯曲波导连接。其中，芯层具有相同的高度。非对称1×3Y分支复用/解复用器的干波导(即SW)支持E₀₀，E₁₀，E₂₀三种模式，三根分支波导(即Arm 1，Arm 2和Arm 3)只支持E₀₀模式。通过控制三根分支臂的宽度，使Y分支干波导中的E₀₀/E₁₀/E₂₀模式的有效折射率与Arm 1/Arm 2/Arm 3波导中E₀₀模式的有效折射率相等，以实现模式复用/解复用的功能。3×3定向耦合结构光开关的芯层区包含三根核心波导(即W1，W2和W 3)和四根缝隙波导(即GW₁，GW₂，GW₃和GW₄)，每根缝隙波导的宽度只支持E₀₀模式，通过优化核心波导与缝隙波导间的缝隙宽度以及缝隙波导的长度，可以实现邻近两根核心波导间E₀₀模式的互相耦合。每根缝隙波导上均设置有调制电极(即ME₁，ME₂，ME₃，ME₄)，核心波导(即W1，W 2，W 3)上无电极。

实施例2

本实施例是对实施例一更为详细的地进一步说明。

首先是确定芯层波导各部位的尺寸参数。当固定芯层波导的高度为4μm，芯层波导内E₀₀，E₁₀，E₂₀三种模式的有效折射率随芯层波导宽度变化的关系如附图3所示。结合实施例1中所述，选取非对称1×3Y分支复用/解复用器的干波导和三个分支臂波导的宽度分别为w₀＝12μm和w₃＝3.24μm、w₂＝3.94μm、w₁＝4.82μm。相邻分支臂波导间距离w_a＝7.4μm、w_b＝10.2μm，单个Y分支总长度L_Y为4.3mm。3×3定向耦合结构光开关中的波导宽度w均为4μm，核心波导与缝隙波导间的缝隙宽度w_g＝5.5μm。根据光束传播法优化得到每根缝隙波导的长度L₁＝4.46mm，缝隙波导GW₁和GW₃(GW₂和GW₄)间距离L₂＝540μm。3×3定向耦合结构光开关的总长度L₃＝1.15cm。用于连接相邻结构的宽度线性变化的弯曲波导长度L₄＝800μm，可重构聚合物模式转换器的整体长度L＝2.17cm。对于该模式转换器，上包层完全将芯层包覆。下包层的厚度为5μm，芯层的高度h为4μm，芯层以外上包层的厚度为5μm，芯层与调制电极间的上包层厚度为1μm。

实施例3

一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器，其工作原理如下：

从Port A输入的E₀₀/E₁₀/E₂₀模式经过非对称1×3Y分支解复用器，解复用为E₀₀模式并从Arm 1/Arm 2/Arm 1×3臂输出，经过相应的锥形弯曲波导进入3×3定向耦合结构光开关。以输入模式E₀₀模式为例，E₀₀模式经过非对称Y分支模式解复用器，从Arm 1分支臂输出，经过锥形弯曲波导，从IP₁端口输入3×3定向耦合结构光开关。3×3定向耦合结构光开关的信道开关功能实现如附图5所示。从IP₁端口输入的E₀₀模式在核心波导Arm 1传输，首先经过定向耦合结构①，当调制电极ME₁不工作，ME₂工作时，E₀₀模式经过定向耦合结构①的缝隙波导，耦合至Arm 2中；当调制电极ME₁工作时，E₀₀模式停留在Arm 1中不发生耦合，ME₂的工作状态不影响结果。随后，E₀₀模式传播至定向耦合结构③和④处。前述中停留在Arm 1中的E₀₀模式，传播至定向耦合结构③处，当ME₃工作时，E₀₀模式依旧停留在Arm 1中并从输出端口OP₁输出，ME₄的工作状态不影响结果；前述中耦合至Arm 2中的E₀₀模式，传播至定向耦合结构③和④处，当调制电极ME₃和ME₄同时工作时，E₀₀模式停留在Arm 2中并从输出端口OP₂输出；当调制电极ME₃工作，ME₄不工作时，E₀₀模式经过定向耦合结构④的缝隙波导，耦合至Arm3从输出端口OP₃输出。E₀₀模式从3×3定向耦合结构光开关的输出端口OP₁/OP₂/OP₃输出进入非对称1×3Y分支复用器中，根据有效折射率匹配原则，在Y分支的干波导处复用为E₀₀/E₁₀/E₂₀模式并从端口Port B输出，从而实现了E₀₀模式到E₀₀/E₁₀/E₂₀模式的转换，模式转换器中的光场分布图如附图6a所示。根据类似的原理，也可以实现从E₁₀/E₂₀模式到E₀₀/E₁₀/E₂₀模式的转换，即E₀₀、E₁₀、E₂₀三种模式间任意两种模式的转换。E₁₀模式转换为E₀₀、E₁₀、E₂₀模式对应的电极工作状态矩阵为[0,1,1,X]，[1,1,1,1]，[1,0,X,1]，模式转换器中的光场分布图如附图6b所示；E₂₀模式转换为E₀₀、E₁₀、E₂₀模式对应的电极工作状态矩阵为[1,0,0,1]，[1,0,1,1]，[X,1,X,1]，模式转换器中的光场分布图如附图6c所示。

实施例4

下面结合附图7详细说明本发明的具体制备方式，具体步骤如下：

1.清洗硅衬底：选用硅片作为基底层，首先用丙酮有机溶剂清洗硅片，去除硅片表面油污等有机物杂质；接着用无水乙醇溶液清洗硅片，去除上一步清洗残留的丙酮；最后用去离子水反复冲洗，去除在硅片表面残留的乙醇并吹干硅片。

2.旋涂EPOclad下包层：在清洗干净的硅基底层上旋涂5μm厚的EPOclad聚合物材料(德国Micro Resist Technology，负性光刻胶)作为器件的下包层(转速2600r/min，折射率1.56)。之后进行前烘，紫外曝光100mW和后烘以增强聚合物的交联程度。其中，前/后烘的温度为65℃固化10min，再95℃固化20min。

3.旋涂EPOcore芯层：在下包层上旋涂4μm厚的EPOcore聚合物材料(德国MicroResist Technology，负性光刻胶)作为器件的芯层(转速3500r/min，折射率1.572)。之后进行前烘，前烘的温度为65℃固化10min，再95℃固化20min。

4.光刻，显影：利用紫外光刻和湿法显影方法制备器件波导，利用如图8a所示的与模式转换器芯层波导结构互补的掩膜版进行掩膜，在紫外曝光100mW后进行后烘，后烘的温度为65℃固化10min，再95℃固化20min。之后采用EPO显影液去除未被曝光的EPOcore得到模式转换器的芯层以及核心波导间的缝隙波导；接着用异丙醇清洗掉残留的EPO显影液；最后用去离子水清洗掉残留的异丙醇，120℃加热固化30min。

5.旋涂EPOclad上包层：在模式转换器的芯层及下包层上旋涂5μm厚的EPOclad聚合物材料作器件上包层(转速2600r/min，折射率1.56)。之后进行前烘，紫外固化和后烘以增强聚合物的交联程度，实验参数与步骤2中一致。

6.蒸镀铝金属薄膜：采用蒸发的方法在EPOclad上包层上蒸镀一层约为200nm厚的金属铝膜。

7.旋涂BP212光刻胶：在铝膜上，在3000r/min的转速下，旋涂一层BP212正性光刻胶。之后进行前烘，前烘的温度为65℃(10min)，95℃(20min)。

8.光刻，显影：对上一步骤得到的样品利用如图8b所示与调制电极结构相同的掩膜版进行对版(调制电极位于缝隙波导之上的位置)，紫外光刻；后烘后使用质量浓度5‰的NaOH溶液去除被曝光的铝及BP212光刻胶。

9.去除残留的BP212：将样品浸泡于无水乙醇溶液中，去除铝电极上的BP212光刻胶，再用去离子水清洗掉残留的无水乙醇，从而得到本发明所述的模式转换器。

Claims (6)

1.一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器，其特征在于：

从上至下，依次由调制电极、上包层、芯层、下包层和基底层组成，包层和下包层均为聚合物材料EPOclad，折射率为1.56；芯层为聚合物材料EPOcore，折射率为1.572；所述调制电极为金属铝，基底层为硅片；

沿光传输方向，该模式转换器的芯层由非对称1×3Y分支解复用器、3×3定向耦合结构光开关与非对称1×3Y分支复用器3部分依次级联而成，解复用器、光开关及复用器间通过宽度线性变化的弯曲波导连接；所有部分的芯层均具有相同的高度h；

非对称1×3Y分支复用/解复用器由干波导和三根分支臂波导组成，非对称1×3Y分支复用/解复用器的干波导支持E₀₀、E₁₀、E₂₀三种模式，其宽度为w₀；三根分支臂波导Arm 1、Arm2、Arm 3仅支持E₀₀模式，其宽度分别为w₁、w₂、w₃；Arm 1和Arm 2端口处距离为w_a，Arm 2和Arm3端口处距离为w_b；3×3定向耦合结构光开关由3根核心波导W 1、W 2、W 3组成，3根核心波导相互平行且宽度相同为w；在相邻的核心波导间设置有两根缝隙波导GW₁-GW₃和GW₂-GW₄，缝隙波导GW₁和GW₃间的距离为L₂；缝隙波导与核心波导的距离为w_g，缝隙波导与核心波导具有相同的高度h和宽度w，且在每根缝隙波导上设置有调制电极ME₁、ME₂、ME₃和ME₄，调制电极的宽度为w，长度与缝隙波导一致，均为L₁。

2.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器，其特征在于：干波导和三个分支臂波导的宽度分别为w₀＝12μm、w₃＝3.24μm、w₂＝3.94μm、w₁＝4.82μm；相邻分支臂波导间距离w_a＝7.4μm、w_b＝10.2μm，单个Y分支总长度L_Y为4.3mm；3×3定向耦合结构光开关中的波导宽度w均为4μm，核心波导与缝隙波导间的缝隙宽度w_g＝5.5μm；缝隙波导的长度L₁＝4.46mm，缝隙波导GW₁和GW₃间的距离L₂＝540μm；3×3定向耦合结构光开关的总长度L₃＝1.15cm。

3.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器，其特征在于：用于连接相邻结构的宽度线性变化的弯曲波导长度L₄＝800μm，可重构聚合物模式转换器的整体长度L＝2.17cm。

4.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器，其特征在于：上包层完全将芯层包覆，下包层的厚度为5μm，芯层的高度h为4μm，芯层以外上包层的厚度为5μm，芯层与调制电极间的上包层厚度为1μm。

5.如权利要求1所述的一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器，其特征在于：3×3定向耦合结构光开关等效为四个2×2定向耦合结构光开关①、②、③和④级联而成，将非对称1×3Y分支解复用器的输入端Port A作为模式转换器的输入端，将非对称1×3Y分支复用器的输出端Port B作为模式转换器的输出端；当E₀₀模式从Port A输入时，经过非对称Y分支模式解复用器，E₀₀模式从Y分支中最宽的分支波导Arm 1中输出，经过宽度线性变化的弯曲波导输入后方3×3定向耦合结构光开关；E₀₀模式从IP₁端口输入并在波导W1传输，当调制电极ME₁不工作、ME₂工作时，E₀₀模式经过定向耦合结构光开关①的缝隙波导，耦合至W 2中；当调制电极ME₁工作时，E₀₀模式停留在Arm 1中不发生耦合，ME₂的工作状态不影响结果；随后，前述停留在Arm 1中的E₀₀模式传播至定向耦合结构光开关③处，当ME₃工作时，E₀₀模式依旧停留在Arm 1中并从输出端口OP₁输出，ME₄的工作状态不影响结果；前述中耦合至Arm 2中的E₀₀模式传播至定向耦合结构光开关④处，当调制电极ME₃和ME₄同时工作时，E₀₀模式停留在Arm 2中并从输出端口OP₂输出；当调制电极ME₃工作、ME₄不工作时，E₀₀模式耦合至Arm 3从输出端口OP₃输出；当E₀₀模式从3×3定向耦合结构光开关的输出端口OP₁、OP₂、OP₃输出进入非对称1×3Y分支复用器中时，根据有效折射率匹配原则，在Y分支的干波导处复用为E₀₀/E₁₀/E₂₀模式并从端口Port B输出，从而实现了E₀₀模式到E₀₀/E₁₀/E₂₀模式的转换。

6.如权利要求5所述的一种用于模分复用系统的可重构聚合物模式转换器，其特征在于：记调制电极工作时的状态为“1”，不工作时状态为“0”，工作状态不影响器件功能时状态为“X”；用矩阵[ME₁,ME₂,ME₃,ME₄]来表示四个电极的工作状态，E₀₀模式转换为E₀₀、E₁₀、E₂₀模式对应的电极工作状态矩阵为[1,X,1,X]，[0,1,1,1]，[0,1,1,0]；E₁₀模式转换为E₀₀、E₁₀、E₂₀模式对应的电极工作状态矩阵为[0,1,1,X]，[1,1,1,1]，[1,0,X,1]，E₂₀模式转换为E₀₀、E₁₀、E₂₀模式对应的电极工作状态矩阵为[1,0,0,1]，[1,0,1,1]，[X,1,X,1]；从而实现E₀₀、E₁₀、E₂₀三种模式间任意两种模式的转换。

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