本發(fā)明涉及一種偏振無(wú)關(guān)的模式轉(zhuǎn)換器，屬于無(wú)線通信半導(dǎo)體器件。

背景技術(shù)：

1、隨著近年來(lái)工藝的不斷進(jìn)步，光通信中的光電子器件逐漸向集成化的方向發(fā)展。與傳統(tǒng)的分立光學(xué)器件搭建成的系統(tǒng)相比，集成化光電子器件具有一些明顯的優(yōu)勢(shì)，例如占用空間少，降低制作成本，并且通過(guò)將不同的器件封裝在一個(gè)芯片上，避免一些外界因素的干擾，使性能更加穩(wěn)定，適合開(kāi)發(fā)高效率、多功能的光電子產(chǎn)品。但是該技術(shù)在應(yīng)用上仍然存在著一個(gè)技術(shù)難題，即器件的材料、結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)可能會(huì)對(duì)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(chǎng)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(huì)導(dǎo)致偏振相關(guān)損耗、偏振模式色散和工作波長(zhǎng)的偏振相關(guān)性等問(wèn)題。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(huì)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(shí)，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(huì)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(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。

2、目前報(bào)道用于偏振分束旋轉(zhuǎn)的基于絕緣體硅(soi)的光子器件，主要分為模式耦合性偏振分束旋轉(zhuǎn)器件和模式演化型偏振分束旋轉(zhuǎn)器件?；谀Ｊ今詈显淼钠穹质D(zhuǎn)器一般采用非對(duì)稱(chēng)的定向耦合器結(jié)構(gòu)激發(fā)雜化超模并發(fā)生干涉實(shí)現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)化與分離，器件具有尺寸小的優(yōu)勢(shì)，有利于實(shí)現(xiàn)芯片的大規(guī)模集成。但是此類(lèi)基于定向耦合結(jié)構(gòu)的偏振分束旋轉(zhuǎn)器，需要嚴(yán)格的相位匹配條件才能達(dá)到模式的耦合和轉(zhuǎn)換，所以對(duì)波長(zhǎng)和工藝敏感，工作帶寬小，工藝容差小?；谀Ｊ窖莼淼钠穹质D(zhuǎn)器，是先把輸入的tm0模式轉(zhuǎn)化成高階te1模，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)。因此該類(lèi)偏振分束旋轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但其帶寬以及制造公差較大。本發(fā)明提出的一種偏振無(wú)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器能夠有效彌補(bǔ)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(wú)關(guān)的性能優(yōu)良的模式轉(zhuǎn)換器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)當(dāng)前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)器分別存在的問(wèn)題及不足：1、基于模式耦合原理的偏振分束旋轉(zhuǎn)器，需要嚴(yán)格的相位匹配條件才能達(dá)到模式的耦合和轉(zhuǎn)換，所以對(duì)波長(zhǎng)和工藝敏感，工作帶寬小，工藝容差小；2、基于模式演化原理的偏振分束旋轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但其帶寬以及制造公差較大，本發(fā)明提出的一種偏振無(wú)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器能夠有效彌補(bǔ)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，滿足輸入光為隨機(jī)偏振光的應(yīng)用需求，得到與偏振無(wú)關(guān)的性能優(yōu)良的模式轉(zhuǎn)換器。

2、本發(fā)明技術(shù)方案是：一種偏振無(wú)關(guān)的模式轉(zhuǎn)換器，從下至上包括晶圓的襯底、晶圓的埋氧層、器件層和器件的sio2上包層，器件層包括輸入波導(dǎo)；偏振分束旋轉(zhuǎn)器100、移相器200、光分束器組件300、光合束器組件400和微環(huán)諧振器500；

3、所述光分束器組件300包括第一光分束器310、第二光分束器320；

4、所述光合束器組件400包括第一光合束器410、第二光合束器420；

5、所述輸入波導(dǎo)連接輸入光纖；

6、所述輸入波導(dǎo)連接偏振分束旋轉(zhuǎn)器100的輸入端；偏振分束旋轉(zhuǎn)器100的直通端與移相器200輸入端連接，移相器200輸出端與第一光分束器310輸入端連接，偏振分束旋轉(zhuǎn)器100的交叉端與第二光分束器320輸入端連接，第一光分束器310的下輸出端、第二光分束器320的上輸出端分別與第一光合束器410的上輸入端、下輸入端連接，第一光分束器310的上輸出端、第二光分束器320的下輸出端分別與第二光合束器420的上輸入端、下輸入端連接，第一光合束器410的輸出端與微環(huán)諧振器500的上輸入波導(dǎo)連接；第二光合束器420的輸出端與微環(huán)諧振器500的下輸入波導(dǎo)連接。

7、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，輸入光纖輸入的光信號(hào)，依次經(jīng)過(guò)偏振分束旋轉(zhuǎn)器100直通端、移相器ⅰ200、第一光分束器310輸入端；偏振分束旋轉(zhuǎn)器100交叉端輸出光信號(hào)到第二光分束器320輸入端；第一光分束器310下輸出端、第二光分束器320上輸出端分別輸出的兩束光信號(hào)進(jìn)入第一光合束器410；第一光分束器310上輸出端、第二光分束器320下輸出端分別輸出的兩束光信號(hào)進(jìn)入第二光合束器420；第一光合束器410輸出的光信號(hào)耦合進(jìn)入微環(huán)諧振器500的上輸入端，第二光合束器420輸出的光信號(hào)耦合進(jìn)入微環(huán)諧振器500的下輸入波導(dǎo)；微環(huán)諧振器500的下輸入波導(dǎo)輸入的光信號(hào)先耦合進(jìn)入到微環(huán)諧振器500的微環(huán)中，穿過(guò)半個(gè)微環(huán)后又耦合到微環(huán)諧振器500輸出波導(dǎo)輸出，而耦合進(jìn)入到微環(huán)諧振器500上輸入波導(dǎo)的光信號(hào)隨后從輸出端輸出，微環(huán)諧振器500的上輸入波導(dǎo)的光信號(hào)與下輸入波導(dǎo)的光信號(hào)之間存在微環(huán)諧振器環(huán)形波導(dǎo)周長(zhǎng)一半的路徑差。

8、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，所述偏振分束旋轉(zhuǎn)器100用于實(shí)現(xiàn)tm0模態(tài)到te1模態(tài)的高階轉(zhuǎn)化以及te1模態(tài)到te0模態(tài)的轉(zhuǎn)化與分離，輸入光波導(dǎo)的輸入光偏振模式是te模、tm?；騮e模和tm模的混合輸入，輸出均為te模，輸入光波的模式轉(zhuǎn)換在偏振分束旋轉(zhuǎn)器100進(jìn)行，與兩端波導(dǎo)組成模式傳輸與轉(zhuǎn)化區(qū)域。

9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，第一光分束器310、第二光分束器320的輸入端口中所傳輸光信號(hào)的相位可能存在差值，會(huì)導(dǎo)致合波時(shí)產(chǎn)生損耗，因此在所述偏振分束旋轉(zhuǎn)器100的直通端口加載了一個(gè)光學(xué)移相器200，所述移相器200為電光移相器或熱光移相器，通過(guò)改變光信號(hào)的相位，使兩個(gè)光信號(hào)之間產(chǎn)生零或2nπ的相位差以實(shí)現(xiàn)合波干涉增強(qiáng)，最終使得第一光分束器310和第二光分束器320的輸入端口光信號(hào)的相位一致。

10、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，所述光分束器組件300均為1×2結(jié)構(gòu)的多模干涉耦合器，其尺寸為長(zhǎng)3.2μm，寬2.4μm；光分束器組件300能將一束光波等比例分割為兩束光波。第一光分束器310、第二光分束器320的結(jié)構(gòu)相同，且均能用于準(zhǔn)確的功率分割。

11、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，所述第一光合束器410、第二光合束器420采用y形分支光波導(dǎo)或多模干涉耦合器，且均為2×1結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)谝还夂鲜?10、第二光合束器420為y形分支光波導(dǎo)時(shí)，兩個(gè)y形分支光波導(dǎo)的傾角θ均為2°，第一光合束器410、第二光合束器420的兩輸入端的光信號(hào)相位一致，將相位相同而強(qiáng)度不同的兩束光進(jìn)行合波，y形分支光波導(dǎo)的兩個(gè)輸入端中兩列光波的干涉視為所述偏振無(wú)關(guān)的模式轉(zhuǎn)換器模式的疊加。

12、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，模式轉(zhuǎn)化基于模式耦合原理，即滿足相位匹配條件。

13、模式的疊加可以認(rèn)為是y形分支光波導(dǎo)的兩個(gè)輸入端中兩列光波的干涉。

14、相干光波可以表示為

15、

16、

17、其中ea0和eb0分別表示兩列光波振幅的峰值，中和分別表示各自的相位，ω是角頻率。根據(jù)光波干涉原理，合成光波可表示為：

18、

19、振幅e0可從下列方程獲得

20、

21、疊加光波的振幅取決于兩列光波疊加的位置的相位差，時(shí)，振幅e0達(dá)到最大。

22、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，所述微環(huán)諧振器500的耦合間隙為0.2μm，環(huán)半徑為15μm，自由光譜范圍設(shè)置為3.2nm；微環(huán)諧振器500能實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的高效注入，要求在微環(huán)諧振器500的上輸入波導(dǎo)、下輸入波導(dǎo)注入兩個(gè)相互相干的且具有相同波長(zhǎng)和光強(qiáng)的光信號(hào)到諧振器中，因此在微環(huán)諧振器500的前端先后連接光分束器組件300、光合束器組件400來(lái)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的等比例分配，描述傳輸電磁場(chǎng)隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系由下式給出：

23、

24、式中，α、ei和φi分別為定向耦合器的傳輸系數(shù)、耦合系數(shù)、微環(huán)諧振器的損耗系數(shù)、輸入信號(hào)的電場(chǎng)及其相位。

25、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，通過(guò)調(diào)節(jié)微環(huán)諧振器500中定向耦合器的耦合系數(shù)實(shí)現(xiàn)將期望的光耦合到諧振器中，形成諧振現(xiàn)象，增強(qiáng)特定頻率的光信號(hào)，并通過(guò)輸出波導(dǎo)輸出，同時(shí)防止不需要的光從輸出端口發(fā)射出去。

26、作為本發(fā)明的進(jìn)一步方案，光強(qiáng)一致且存在相位差的兩束光信號(hào)通過(guò)雙注入微環(huán)諧振器的兩個(gè)輸入端口注入，光信號(hào)在硅微環(huán)中傳播，并繞著環(huán)形波導(dǎo)傳輸。這些光子在微環(huán)內(nèi)部發(fā)生多次環(huán)繞，形成諧振現(xiàn)象，增強(qiáng)特定頻率的光信號(hào)，并通過(guò)輸出波導(dǎo)輸出。θ是光在穩(wěn)定狀態(tài)下穿過(guò)環(huán)所累積的相位，用公式表示為：

27、

28、式中，λ為波長(zhǎng)，lring為微環(huán)的周長(zhǎng)，neff為所傳播模式的有效折射率。

29、本發(fā)明的有益效果是：

30、1、本發(fā)明與現(xiàn)有當(dāng)前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)器技術(shù)相比，本發(fā)明有效地減少了耦合損耗，提高了耦合效率，得到了與偏振無(wú)關(guān)的性能優(yōu)良的模式轉(zhuǎn)換器件；

31、2、本發(fā)明基于成熟的cmos工藝制備，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的利用，其操作成本低，可實(shí)現(xiàn)批量化制造，由于現(xiàn)有技術(shù)成熟，其生產(chǎn)效率較高，存在競(jìng)爭(zhēng)性的優(yōu)勢(shì)；

32、3、本發(fā)明輸入波導(dǎo)中的光信號(hào)通過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)分束器時(shí)，光信號(hào)中的tm模式轉(zhuǎn)換為te模式；移相器組件使得分別進(jìn)入光分束組件中的兩個(gè)多模干涉耦合器的光波相位差為0，光分束組件用于光功率分割，信號(hào)經(jīng)過(guò)光合束組件，在微環(huán)諧振器實(shí)現(xiàn)合波由輸出端輸出；

33、4、本發(fā)明提出的模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)任意偏振態(tài)輸入的te模式轉(zhuǎn)換。