本發(fā)明涉及一種級聯(lián)模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)的偏振無關(guān)轉(zhuǎn)換裝置，屬于半導(dǎo)體光信號傳輸。

背景技術(shù)：

1、在過去三十年間，硅基光互連的研究已經(jīng)實現(xiàn)在片上集成各種光功能性器件，如片上激光器、邊緣耦合器、電光調(diào)制器、光波分復(fù)用器、光電探測器等。然而，隨著集成度的增加和器件尺寸的減小，硅波導(dǎo)的雙折射效應(yīng)越來越強，使得同樣的硅基器件對不同偏振態(tài)的信號響應(yīng)相差較大。另外一方面，除了片上光互連，與外部世界的聯(lián)通是必須的，然后光纖中的偏振態(tài)是隨機的，在目前大多數(shù)器件對偏振態(tài)極為敏感的基礎(chǔ)上，進一步解決器件性能偏振敏感的問題，是實現(xiàn)光互連代替電互聯(lián)的目標。

2、當前解決硅光器件以及回路系統(tǒng)偏振敏感問題的有效方案有兩種，一是設(shè)計偏振無關(guān)的硅光器件，使其對于輸入的不同te/tm偏振態(tài)有著同樣的性能表現(xiàn)，然而這種設(shè)計，要求波導(dǎo)必須加工為正方形波導(dǎo)，且完全對稱，這種設(shè)計對加工工藝的要求更加復(fù)雜且苛刻。第二種是利用偏振分集的方式，將輸入偏振態(tài)分解為當前片上系統(tǒng)支持的偏振態(tài)上，然后分別進行處理，最后對兩個偏振信號進行合束輸出，這種方案需要設(shè)計較為復(fù)雜的片上系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對當前解決硅光器件以及回路系統(tǒng)偏振敏感問題的兩種有效方案分別存在的問題及不足：1.設(shè)計偏振無關(guān)的硅光器件，要求波導(dǎo)必須加工為正方形波導(dǎo)，且完全對稱，這種設(shè)計對加工工藝的要求更加復(fù)雜且苛刻；2.利用偏振分集的方式需要設(shè)計較為復(fù)雜的片上系統(tǒng)，本發(fā)明提供一種級聯(lián)模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)的偏振無關(guān)轉(zhuǎn)換裝置，實現(xiàn)與輸入偏振態(tài)無關(guān)的高效率te模式輸出。

2、本發(fā)明技術(shù)方案是：一種級聯(lián)模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)的偏振無關(guān)轉(zhuǎn)換裝置，所述偏振無關(guān)裝置的輸入端連接輸入光纖；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，其特征在于：所述器件層包括：輸入波導(dǎo)、模式演化波導(dǎo)100、多段錐形模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)、偏振分束旋轉(zhuǎn)器和光合束器組件；

3、所述輸入波導(dǎo)、模式演化波導(dǎo)100、多段錐形模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)、偏振分束旋轉(zhuǎn)器和光合束器組件依次相連；多段錐形模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)還與光合束器組件連接。

4、作為本發(fā)明的進一步方案，所述多段錐形模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)包括第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220；

5、所述偏振分束旋轉(zhuǎn)器的直通端口加載有移相器300；

6、所述光合束器組件包括第一光合束器410、第二光合束器420；每個光合束器兩個輸入端的光信號相位是相同的，每個光合束器使用y分支、多模干涉耦合器等；

7、所述模式演化波導(dǎo)100、第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220、移相器300依次相連，第一水平定向耦合器210的輸出端、第二水平定向耦合器220的輸出端均分別與第一光合束器410輸入端相連，第二水平定向耦合器220的輸出端還與移相器300輸入端相連，移相器300的直通端口、第一光合束器410的輸出端分別與第二光合束器420輸入端連接，第二光合束器420的輸出端合束輸出。輸入光纖輸入的光信號，依次經(jīng)過輸入波導(dǎo)、模式演化波導(dǎo)100、第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220、移相器300、第二光合束器420；第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220輸出的兩束光信號進入第一光合束器410，第一光合束器410將第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220的兩束光信號合束后輸入第二光合束器420，在第二光合束器420中與依次經(jīng)過第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220、移相器300輸出的光信號進行合束輸出，實現(xiàn)與輸入偏振態(tài)無關(guān)的基于硅波導(dǎo)的te偏振態(tài)轉(zhuǎn)換輸出。并且級聯(lián)水平定向耦合器實現(xiàn)tm模式到te模式的高效率轉(zhuǎn)換，有利于大規(guī)模片上繼承，實現(xiàn)與輸入偏振態(tài)無關(guān)的te模式輸出的技術(shù)效果。

8、作為本發(fā)明的進一步方案，所述多段錐形模式轉(zhuǎn)換波導(dǎo)包括第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220、第三水平定向耦合器200；

9、所述偏振分束旋轉(zhuǎn)器的直通端口加載有移相器300；

10、所述光合束器組件包括第一光合束器410、第二光合束器420、第三光合束器400；所述模式演化波導(dǎo)100、第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220、第三水平定向耦合器200、移相器300依次相連；第一水平定向耦合器210的輸出端、第二水平定向耦合器220輸出端均分別與第一光合束器410輸入端相連，第一個光合束器410輸出端光信號、第三水平定向耦合器200輸出端均分別與第三光合束器400輸入端相連，第三水平定向耦合器200輸出端還與移相器300輸入端相連，移相器300的直通端口、第三光合束器400的輸出端分別與第二光合束器420輸入端連接，第二光合束器420的輸出端合束輸出。輸入光纖輸入的光信號，依次經(jīng)過輸入波導(dǎo)、模式演化波導(dǎo)100、第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220、第三水平定向耦合器200、移相器300、第二光合束器420；第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220輸出的兩束光信號進入第一光合束器410，第一光合束器410將兩束光信號合束后與第三水平定向耦合器200輸出的光信號進入第三光合束器400，第三光合束器400將第三水平定向耦合器200、第一光合束器410的兩束光信號合束后輸入第二光合束器420，在第二光合束器420中與依次經(jīng)過第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220、第三水平定向耦合器200、移相器300輸出的光信號進行合束輸出，實現(xiàn)與輸入偏振態(tài)無關(guān)的基于硅波導(dǎo)的te偏振態(tài)轉(zhuǎn)換輸出；并且級聯(lián)水平定向耦合器實現(xiàn)tm模式到te模式的高效率轉(zhuǎn)換，有利于大規(guī)模片上繼承，實現(xiàn)與輸入偏振態(tài)無關(guān)的te模式輸出的技術(shù)效果。

11、作為本發(fā)明的進一步方案，所述第一水平定向耦合器210和第二水平定向耦合器220結(jié)構(gòu)上完全一致，位置上僅有x軸平移，模式轉(zhuǎn)換效率相同。

12、作為本發(fā)明的進一步方案，所述模式演化波導(dǎo)100用于實現(xiàn)tm0模態(tài)到te1模態(tài)的高階轉(zhuǎn)化；

13、所述第一水平定向耦合器210將te1模態(tài)轉(zhuǎn)換為te0模態(tài)，第二水平定向耦合器220將沒有轉(zhuǎn)換完全的te1模態(tài)再次轉(zhuǎn)換為te0模態(tài)；通過第一水平定向耦合器210、第二水平定向耦合器220實現(xiàn)te1模態(tài)到te0模態(tài)的轉(zhuǎn)化與分離。第一水平定向耦合器210和第二水平定向耦合器220輸出端均為te0模式，且由于第二水平定向耦合器220和第一水平定向耦合器210存在特定光程差，所以輸出的光信號相位相同。

14、作為本發(fā)明的進一步方案，所述移相器300為電光移相器或熱光移相器，移相器300可以改變硅基波導(dǎo)的有效折射率，從而改變光信號的相位，通過電光/熱光的形式改變直通端光信號的相位，使光信號在輸入第二光合束器420時相位與第一光合束器410輸出端輸入第二光合束器420輸入端的光信號相位一致。

15、作為本發(fā)明的進一步方案，所述第一光合束器410為多模干涉耦合器或y分支波導(dǎo)，用于將相位相同，強度不同的兩束光合束輸入到第二光合束器420的輸入端。

16、作為本發(fā)明的進一步方案，所述偏振分束旋轉(zhuǎn)器的直通端和第一光合束器410的輸出端在第二光合束器420的輸入端相位相同，光強不同，從第二光合束器420的輸出端合束輸出，光合束器均為2×1光合束器組件。

17、本發(fā)明的有益效果是：

18、1.能實現(xiàn)與輸入光信號任意偏振態(tài)無關(guān)的te0單模合束輸出；

19、2.通過級聯(lián)多個水平定向耦合器，實現(xiàn)高效率模式轉(zhuǎn)換；同時采用多個光合束器進行光信號的合束，最終輸出單模態(tài)te0光信號；實現(xiàn)與輸入偏振態(tài)無關(guān)的高效率偏振轉(zhuǎn)換裝置；

20、3.與傳統(tǒng)的cmos加工工藝兼容，且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，提供了一種偏振無關(guān)解決方案，適于大規(guī)模集成。