本發(fā)明涉及一種偏振無關(guān)的轉(zhuǎn)換裝置，屬于半導(dǎo)體波導(dǎo)通信器件。

背景技術(shù)：

1、光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但目前的光網(wǎng)絡(luò)各個組成部分都是不同的材料體系，使得目前的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個器件難以集成，其成本居高不下，體積龐大，難以維護?；谀壳暗墓饩W(wǎng)絡(luò)狀況，為了減小器件的成本和器件的尺寸，硅基光子器件得到了大幅度的發(fā)展。由于硅材料折射率較大，基于硅材料的硅光子通信器件具有較致密的結(jié)構(gòu)；而且硅光子通信器件的工藝與現(xiàn)有cmos工藝完全兼容，能夠在硅基上實現(xiàn)硅光子通信器件與集成電路的片上集成，不但有效降低器件成本，而且能夠減小器件尺寸并提高器件的可靠性。光通信系統(tǒng)因其在滿足日益增長的帶寬需求方面的潛力而引起廣泛的關(guān)注。除了固有的超高帶寬外，光通信還提供了模分復(fù)用(mdm)，通過在單個光波導(dǎo)中復(fù)用不同模式的信號來增加通道容量。

2、硅基集成光學(xué)技術(shù)已被證明是一種主要的方法，通過在平面襯底上的小型化光學(xué)元件和電路來滿足光通信要求。但是這種方法在應(yīng)用上仍然存在著一個技術(shù)難題，即器件的材料、結(jié)構(gòu)或設(shè)計可能會對光的偏振狀態(tài)產(chǎn)生影響。而兩種偏振態(tài)te和tm模式在波導(dǎo)中的模場分布、有效折射率以及波導(dǎo)損耗等都不同，光子器件的性能受到輸入光偏振態(tài)的影響后，會導(dǎo)致偏振相關(guān)損耗、偏振模式色散和工作波長的偏振相關(guān)性等問題。

3、在光纖通信系統(tǒng)中，光傳輸模塊通常都以普通光纖作為傳輸媒介，這樣就會導(dǎo)致由普通光纖向硅基集成器件上的矩形波導(dǎo)耦合光時，難以保證輸入光的偏振狀態(tài)。輸入光偏振態(tài)的不確定性會使得光器件的性能很不穩(wěn)定，因此解決光器件的偏振相關(guān)性是一項重要的挑戰(zhàn)。目前報道用于偏振分束旋轉(zhuǎn)的基于絕緣體硅(soi)的光子器件，有基于模式耦合和基于模式演化兩大類。但這些結(jié)構(gòu)都有各自的不足，影響器件的最終性能?；谀Ｊ今詈显淼钠穹质D(zhuǎn)器通過定向耦合器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)化，模式的分離和轉(zhuǎn)換可通過一步跨偏振耦合來實現(xiàn)，器件具有尺寸小的優(yōu)勢，有利于實現(xiàn)芯片的大規(guī)模集成。但是此類基于定向耦合結(jié)構(gòu)的偏振分束旋轉(zhuǎn)器，需要嚴格的相位匹配條件才能達到模式的耦合和轉(zhuǎn)換，所以對波長和工藝敏感，工作帶寬小，工藝容差小。

4、基于模式演化原理的偏振分束旋轉(zhuǎn)器，模式轉(zhuǎn)換是先把輸入的tm0模式轉(zhuǎn)化成高階te1模式，再與輸入te0模式分離，并將te1轉(zhuǎn)化為te0模式，模式的高階轉(zhuǎn)化發(fā)生在波導(dǎo)的模式混合區(qū)。因此此類偏振分束旋轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但具有大帶寬、大容差的特點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及不足，本發(fā)明提供一種偏振無關(guān)的轉(zhuǎn)換裝置能夠有效彌補基于模式耦合原理的偏振分束旋轉(zhuǎn)器和基于模式演化原理的偏振分束旋轉(zhuǎn)器所產(chǎn)生的缺陷，得到與偏振無關(guān)的性能優(yōu)良的模式轉(zhuǎn)換器，該器件具有低光損耗、低串擾、高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點。

2、本發(fā)明技術(shù)方案是：一種偏振無關(guān)的轉(zhuǎn)換裝置，從下至上包括晶圓的襯底、晶圓的埋氧層、器件層和器件層的sio2上包層，所述器件層包括輸入光波導(dǎo)、偏振分束旋轉(zhuǎn)器100、移相器組件200、光分束組件300、y分支波導(dǎo)組件400、十字交叉波導(dǎo)500和輸出光波導(dǎo)；

3、所述移相器組件200包括移相器ⅰ210、移相器ⅱ220；

4、所述光分束組件300包括多模干涉耦合器ⅰ310、多模干涉耦合器ⅱ320；

5、所述y分支波導(dǎo)組件400包括y分支波導(dǎo)ⅰ410、y分支波導(dǎo)ⅱ420、y分支波導(dǎo)ⅲ430；

6、所述偏振分束旋轉(zhuǎn)器100輸入端連接輸入光纖；

7、所述偏振分束旋轉(zhuǎn)器100直通端與移相器ⅰ210輸入端連接，移相器ⅰ210輸出端與多模干涉耦合器ⅰ310輸入端連接；偏振分束旋轉(zhuǎn)器100的交叉端與多模干涉耦合器ⅱ320輸入端連接；多模干涉耦合器ⅰ310的下輸出端和多模干涉耦合器ⅱ320的上輸出端分別與y分支波導(dǎo)ⅰ410的上輸入端、下輸入端連接；多模干涉耦合器ⅰ310的上輸出端和y分支波導(dǎo)ⅰ410的輸出端分別與十字交叉波導(dǎo)500的上端口和左端口相連接；十字交叉波導(dǎo)500的下端口和多模干涉耦合器ⅱ320的下輸出端分別與y分支波導(dǎo)ⅱ420的上輸入端、下輸入端連接；十字交叉波導(dǎo)500的右端口與移相器ⅱ220輸入端相連接，移相器ⅱ220的輸出端和y分支波導(dǎo)ⅱ420的輸出端分別與y分支波導(dǎo)ⅲ430的上、下輸入端連接；y分支波導(dǎo)ⅲ430的輸出端連接輸出光波導(dǎo)。

8、作為本發(fā)明的進一步方案，所述輸入光纖輸入的光信號，依次經(jīng)過偏振分束旋轉(zhuǎn)器100直通端、移相器ⅰ210、多模干涉耦合器ⅰ310；偏振分束旋轉(zhuǎn)器100交叉端輸出光信號到多模干涉耦合器ⅱ320，多模干涉耦合器ⅱ320上輸出端、多模干涉耦合器ⅰ310下輸出端輸出的兩束光信號進入y分支波導(dǎo)ⅰ410實現(xiàn)第一次疊加輸出，多模干涉耦合器ⅰ310上輸出端的輸出信號和y分支波導(dǎo)ⅰ410輸出端輸出的第一次疊加光信號分別輸入到十字交叉波導(dǎo)500的上端口和左端口；十字交叉波導(dǎo)500下端口和多模干涉耦合器ⅱ320下輸出端輸出的光信號分別輸入y分支波導(dǎo)ⅱ420的上輸入端、下輸入端實現(xiàn)第二次疊加輸出；十字交叉波導(dǎo)500右端口輸出的光信號輸入到移相器ⅱ220輸入端，移相器ⅱ220輸出端輸出的光信號和y分支波導(dǎo)ⅱ420輸出端輸出的第二次疊加光信號分別輸入到y(tǒng)分支波導(dǎo)ⅲ430的上、下輸入端實現(xiàn)第三次疊加輸出；y分支波導(dǎo)ⅲ430輸出端輸出的第三次疊加光信號輸入到輸出光波導(dǎo)。

9、作為本發(fā)明的進一步方案，所述偏振分束旋轉(zhuǎn)器100由寬度不同的兩個脊型波導(dǎo)構(gòu)成的非對稱定向耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)tm模式到te模式的轉(zhuǎn)換與分離，所述轉(zhuǎn)換原理是基于模式耦合原理，使多模波導(dǎo)中的tm0模式的有效折射率等于波導(dǎo)耦合器中te0模式的有效折射率，即滿足相位匹配條件實現(xiàn)多模模式雜化區(qū)的分離，te模式從其中一個輸出端輸出，tm模式轉(zhuǎn)化為波導(dǎo)耦合器中相對應(yīng)的te模式從另外一個輸出端輸出，所以無論偏振分束旋轉(zhuǎn)器100輸入的模式是單獨的te模、tm模或te模與tm?；旌陷斎?，輸出光波導(dǎo)最終輸出均為te模，并且輸出通道不同，同時使用非對稱定向耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的偏振分束旋轉(zhuǎn)器可以實現(xiàn)性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡單且尺寸較小的器件結(jié)構(gòu)。

10、作為本發(fā)明的進一步方案，所述通過移相器ⅰ210、移相器ⅱ220或波導(dǎo)長度差的設(shè)置，實現(xiàn)y分支波導(dǎo)ⅰ410、y分支波導(dǎo)ⅱ420、y分支波導(dǎo)ⅲ430上下輸入端的光信號相位差均為0，多模干涉耦合器ⅰ310和多模干涉耦合器ⅱ320輸入端的光信號相位相同，所述光信號均為te模式。

11、作為本發(fā)明的進一步方案，所述連接y分支波導(dǎo)ⅰ410、y分支波導(dǎo)ⅱ420、y分支波導(dǎo)ⅲ430的上輸入端口的波導(dǎo)長度需要滿足光波相較y分支波導(dǎo)ⅰ410、y分支波導(dǎo)ⅱ420、y分支波導(dǎo)ⅲ430的下輸入端的光波的傳輸經(jīng)歷整數(shù)個周期，所述偏振無關(guān)轉(zhuǎn)換裝置的模式轉(zhuǎn)化基于模式耦合原理，即滿足相位匹配條件。所述y分支波導(dǎo)i410、y分支波導(dǎo)ii420、y分支波導(dǎo)iii430處應(yīng)滿足相位差為0即干涉增強的最佳位置，合成波振幅為相干光波的振幅相加，相干光波可以表示為：

12、

13、式中ea0為第一列波的振幅的峰值，eb0為第二列波的振幅的峰值，為第一列波的相位，為第二列波的相位，ω是角頻率。根據(jù)光波干涉原理，疊加光波可表示為：

14、

15、合成波振幅計算公式如下

16、

17、式中為合成波振幅的平方。疊加光波的振幅取決于在疊加位置的兩列光波的相位差。時，振幅e0達到最大值。

18、光波的相位隨傳播路徑的變化而變化，因此必須確定合適的級聯(lián)位置以提高模耦合比：

19、

20、作為本發(fā)明的進一步方案，所述y分支波導(dǎo)i410、y分支波導(dǎo)ii420、y分支波導(dǎo)iii430處滿足相位差為0即干涉增強的最佳位置，合成波振幅為相干光波的振幅相加；y分支波導(dǎo)i410、y分支波導(dǎo)ii420、y分支波導(dǎo)iii430的上輸入端和下輸入端輸入的光強不一致，根據(jù)光波的干涉原理，y分支波導(dǎo)i410、y分支波導(dǎo)ii420、y分支波導(dǎo)iii430的輸出端輸出的光強仍為1。

21、作為本發(fā)明的進一步方案，所述移相器i210是為了調(diào)節(jié)直接從偏振分束旋轉(zhuǎn)器100出來的te模式波的相位，從多模干涉耦合器310和多模干涉耦合器320輸出通道各自選取一個輸出通道以完全相同的兩個波導(dǎo)連接到y(tǒng)分支波導(dǎo)410，從多模干涉耦合器i310下輸出端和多模干涉耦合器ii320上輸出端分別輸入到y(tǒng)分支波導(dǎo)i410上輸入端、下輸入端的波相位差為零，根據(jù)相干波的干涉增強原理使得y分支波導(dǎo)i410輸入端的波以相位差為零進行第一次疊加。

22、作為本發(fā)明的進一步方案，所述多模干涉耦合器ⅰ310、多模干涉耦合器ⅱ320均為1×2端口，用于將一束光分波為兩束光，多模干涉耦合器ⅰ310上輸出端通過十字交叉波導(dǎo)500傳輸光信號到y(tǒng)分支波導(dǎo)ⅱ420上輸入端；多模干涉耦合器ⅱ320下輸出端口將光信號傳輸?shù)統(tǒng)分支波導(dǎo)ⅱ420下輸入端；

23、多模干涉耦合器310的上輸出和多模干涉耦合器320的下輸出端口使用完全相同的兩根波導(dǎo)，僅僅是長度存在差異，其中一根波導(dǎo)的長度滿足光波較另外一根波導(dǎo)的光波的傳輸經(jīng)歷整數(shù)個周期，即連接y分支波導(dǎo)420的上輸入端口的波導(dǎo)長度滿足光波較y分支波導(dǎo)420的下輸入端的光波的傳輸經(jīng)歷整數(shù)個周期，以確保在y分支波導(dǎo)ⅱ420能夠以相位差為零進行第二次疊加。

24、作為本發(fā)明的進一步方案，所述y分支波導(dǎo)ⅰ410輸出的波導(dǎo)先連接移相器ⅱ220后與y分支波導(dǎo)ⅱ420輸出的波導(dǎo)共同連接到y(tǒng)分支波導(dǎo)ⅲ430，以確保能夠以相位差為零進行第三次疊加，最后連接到輸出光波導(dǎo)輸出te模式。

25、作為本發(fā)明的進一步方案，所述一種偏振無關(guān)的轉(zhuǎn)換裝置輸入的模式是單獨的te模、tm?；騮e模與tm?；旌陷斎?，最后在輸出光波導(dǎo)中輸出te模。

26、本發(fā)明的有益效果是：

27、1、本發(fā)明中偏振分束旋轉(zhuǎn)器將輸入光波導(dǎo)中的光信號中的tm模式轉(zhuǎn)換為te模式；移相器組件使得進入光分束組件中兩個多模干涉耦合器輸入端的光波相位差為0；光分束組件進行光等功率分割；y分支波導(dǎo)對信號進行疊加，最后輸出te模；

28、2、本發(fā)明能有效彌補基于模式耦合原理的偏振分束旋轉(zhuǎn)器和基于模式演化原理的偏振分束旋轉(zhuǎn)器所產(chǎn)生的缺陷，得到與偏振無關(guān)的性能優(yōu)良的模式轉(zhuǎn)換器；

29、3、本發(fā)明輸入光波導(dǎo)的模式可以為te模、tm?；騮e與tm?；旌陷斎?，最后在輸出光波導(dǎo)中均輸出te模；

30、4、本發(fā)明使用非對稱定向耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的偏振分束旋轉(zhuǎn)器可以實現(xiàn)性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)簡單且尺寸較小的器件結(jié)構(gòu)；

31、5、本發(fā)明具有低光損耗、低串擾、高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點。