本發(fā)明屬于片上光通信領(lǐng)域的一種硅基片上全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置，特別是一種基于單個(gè)非線性波導(dǎo)的三維復(fù)用信號(hào)(波長(zhǎng)-模式-偏振混合復(fù)用信號(hào))片上全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置。

背景技術(shù)：

1、全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換(all-optical?wavelength?conversion，aowc)技術(shù)是光通信領(lǐng)域中處理全光信號(hào)的重要基礎(chǔ)技術(shù)之一。aowc技術(shù)在消除網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的擁塞、降低波長(zhǎng)連續(xù)性的限制、提高波長(zhǎng)資源的利用效率等等方面都具有十分重要的積極作用，能夠在很大程度上使得網(wǎng)絡(luò)的靈活性、準(zhǔn)確性、時(shí)效性、以及可拓展性得到提高。

2、同時(shí)，隨著5g、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的推廣與應(yīng)用，對(duì)光通信網(wǎng)的容量提出了更高要求，人們開(kāi)始對(duì)各種復(fù)用技術(shù)展開(kāi)研究。而隨著平面光波導(dǎo)技術(shù)和soi(silicon?on?insulator)工藝技術(shù)的迅速發(fā)展并逐步成熟，硅基片上(解)復(fù)用器成為研究熱點(diǎn)。其中，主要集中在波分復(fù)用(wavelength?division?multiplexing，wdm)、模分復(fù)用(mode?division?multiplexing，mdm)、偏振復(fù)用(polarization?divisionmultiplexing，pdm)等器件上。

3、值得注意的是，單個(gè)維度上的復(fù)用技術(shù)已經(jīng)不能滿(mǎn)足未來(lái)超大容量的通信需求，使多種復(fù)用技術(shù)相結(jié)合從而形成高效的多維混合復(fù)用技術(shù)將成為一種具有重要意義的可行方案。那么在該領(lǐng)域內(nèi)，研究多維混合復(fù)用信號(hào)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。2017年，feng?x等人(feng?x,wu?z,wang?x,et?al.integrated?all-opticalwavelength?multicasting?for?40gbit/s?pdm-qpsk?signals?using?a?single?siliconwaveguide[j].optics?and?laser?technology,2017,94:261-266.)在硅波導(dǎo)中利用四波混頻和角偏振泵浦，提出多波長(zhǎng)-雙偏振信號(hào)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了40gbit/s的pdm-qpsk信號(hào)的全光波長(zhǎng)組播。2023年，chen?b等人(chen?b,zhao?y,tan?h,etal.broadband?wavelength?conversion?for?hybrid?multiplexing?signals?based?on?aparallel?dispersion-engineered?silicon?waveguide[j].ieee?photonics?journal,2023,15(1):1-7.)提出了多波長(zhǎng)-雙模式信號(hào)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了wdm-mdm信號(hào)的寬帶全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。另外，專(zhuān)利cn113484952a利用多個(gè)線性器件和兩個(gè)非線性波導(dǎo)設(shè)計(jì)了一種多波長(zhǎng)-雙偏振-雙模式混合信號(hào)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置。該設(shè)計(jì)雖然實(shí)現(xiàn)了三維混合復(fù)用信號(hào)的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，但是該裝置包含器件較多，復(fù)雜性較高，容易產(chǎn)生更多的額外損耗。另外，該裝置中的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換是分別發(fā)生在兩個(gè)多模波導(dǎo)中的，本質(zhì)上仍然沒(méi)有突破波長(zhǎng)-偏振-模式混合維度復(fù)用信號(hào)同時(shí)進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。因此，有必要提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且高效的多波長(zhǎng)-雙偏振-雙模式混合復(fù)用信號(hào)同時(shí)全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單且高效的基于單個(gè)非線性波導(dǎo)的三維復(fù)用信號(hào)片上全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置。本發(fā)明利用波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)、模式復(fù)用技術(shù)和偏振復(fù)用技術(shù)，結(jié)合硅基波導(dǎo)的色散工程，將多波長(zhǎng)-雙偏振-雙模式混合復(fù)用信號(hào)在一個(gè)光波導(dǎo)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶且高效的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。

2、本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是：

3、所述基于單個(gè)非線性波導(dǎo)的三維復(fù)用信號(hào)片上全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置包括多模非線性波導(dǎo)、橫磁模解復(fù)用器、橫電模解復(fù)用器、偏振分束器、絕熱錐形波導(dǎo)、第一單模輸出波導(dǎo)、第二單模輸出波導(dǎo)、第三單模輸出波導(dǎo)和第四單模輸出波導(dǎo)；多模非線性波導(dǎo)的輸入端作為全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置的輸入端，多模非線性波導(dǎo)的輸出端與橫磁模解復(fù)用器的輸入端相連，橫磁模解復(fù)用器的第二輸出端與橫電模解復(fù)用器的輸入端相連，橫電模解復(fù)用器的第一輸出端通過(guò)絕熱錐形波導(dǎo)與偏振分束器的輸入端相連，偏振分束器的第一輸出端與第二單模輸出波導(dǎo)相連；橫磁模解復(fù)用器的第一輸出端與第一單模輸出波導(dǎo)相連；橫電模解復(fù)用器的第二輸出端與第四單模輸出波導(dǎo)相連；偏振分束器的第二輸出端與第三單模輸出波導(dǎo)相連；第一單模輸出波導(dǎo)、第二單模輸出波導(dǎo)、第三單模輸出波導(dǎo)和第四單模輸出波導(dǎo)分別作為全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置的第一輸出、第二輸出、第三輸出和第四輸出，全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置的第一輸出、第二輸出、第三輸出和第四輸出分別與對(duì)應(yīng)的濾波器相連，四個(gè)濾波器分別輸出信號(hào)光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)橫磁模一階模、橫電?；?、橫磁?；：蜋M電模一階模的閑頻光。

4、所述橫磁模解復(fù)用器包括第一輸入波導(dǎo)、第一耦合波導(dǎo)和第一輸出波導(dǎo)、第一彎曲波導(dǎo)、第二耦合波導(dǎo)和第二彎曲波導(dǎo)；第一輸入波導(dǎo)的一端作為橫磁模解復(fù)用器的輸入端，第一輸入波導(dǎo)的另一端通過(guò)第一耦合波導(dǎo)與第一輸出波導(dǎo)的一端相連，第一輸出波導(dǎo)的另一端作為橫磁模解復(fù)用器的第二輸出端；第一耦合波導(dǎo)的側(cè)方設(shè)置第二耦合波導(dǎo)，第一耦合波導(dǎo)與第二耦合波導(dǎo)耦合連接，第一彎曲波導(dǎo)的一端空置，第一彎曲波導(dǎo)的另一端通過(guò)第二耦合波導(dǎo)與第二彎曲波導(dǎo)的一端相連，僅包含橫磁模一階模的光信號(hào)從第二彎曲波導(dǎo)中輸出，包含其他模態(tài)的光信號(hào)從第一輸出波導(dǎo)中輸出，第二彎曲波導(dǎo)的另一端作為橫磁模解復(fù)用器的第一輸出端。

5、所述橫電模解復(fù)用器包括第二輸入波導(dǎo)、第三耦合波導(dǎo)、第二輸出波導(dǎo)、第三彎曲波導(dǎo)、第四耦合波導(dǎo)和第四彎曲波導(dǎo)；第二輸入波導(dǎo)的一端作為橫電模解復(fù)用器的輸入端，第二輸入波導(dǎo)的另一端通過(guò)第三耦合波導(dǎo)與第二輸出波導(dǎo)的一端相連，第二輸出波導(dǎo)的另一端作為橫電模解復(fù)用器的第一輸出端；第三耦合波導(dǎo)的側(cè)方設(shè)置第四耦合波導(dǎo)，第三耦合波導(dǎo)與第四耦合波導(dǎo)耦合連接，第三彎曲波導(dǎo)的一端空置，第三彎曲波導(dǎo)的另一端通過(guò)第四耦合波導(dǎo)與第四彎曲波導(dǎo)的一端相連，僅包含橫電模一階模的光信號(hào)從第四彎曲波導(dǎo)中輸出，包含其他模態(tài)的光信號(hào)從第二輸出波導(dǎo)中輸出，第四彎曲波導(dǎo)的另一端作為橫電模解復(fù)用器的第二輸出端。

6、所述偏振分束器包括第五耦合波導(dǎo)、中間波導(dǎo)、第六耦合波導(dǎo)和第五彎曲波導(dǎo)；中間波導(dǎo)的兩端均空置，中間波導(dǎo)的兩側(cè)方分別設(shè)置有第五耦合波導(dǎo)和第六耦合波導(dǎo)，第五耦合波導(dǎo)與中間波導(dǎo)耦合連接，中間波導(dǎo)與第六耦合波導(dǎo)耦合連接；第五耦合波導(dǎo)的一端作為偏振分束器的輸入端，第五耦合波導(dǎo)的另一端作為偏振分束器的第一輸出端；第六耦合波導(dǎo)的一端空置，第六耦合波導(dǎo)的另一端與第五彎曲波導(dǎo)的一端相連，第五彎曲波導(dǎo)的另一端作為偏振分束器的第二輸出端。

7、所述絕熱錐形波導(dǎo)足夠長(zhǎng)，波導(dǎo)寬度緩慢變化，使得光信號(hào)能低損且穩(wěn)定地傳輸，用來(lái)連接兩個(gè)不同寬度的矩形波導(dǎo)。

8、所述多模非線性波導(dǎo)是已進(jìn)行色散工程，并且滿(mǎn)足多波長(zhǎng)-雙偏振-雙模式復(fù)用信號(hào)在其中同時(shí)發(fā)生基于多個(gè)四波混頻過(guò)程的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程條件的波導(dǎo)，其中滿(mǎn)足發(fā)生全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程的條件是指信號(hào)光、泵浦光和閑頻光在發(fā)生四波混頻效應(yīng)時(shí)滿(mǎn)足能量守恒和動(dòng)量守恒且有較低的模間串?dāng)_，其中模間串?dāng)_是指偏振-模式復(fù)用信號(hào)在發(fā)生四波混頻效應(yīng)的不同類(lèi)型時(shí)所產(chǎn)生的不同偏振/模式的閑頻光之間的串?dāng)_。

9、所述橫磁模解復(fù)用器、橫電模解復(fù)用器以及偏振分束器均為強(qiáng)限制小截面光波導(dǎo)類(lèi)型，其截面尺寸為納米量級(jí)。

10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

11、本發(fā)明可以將一個(gè)同時(shí)包含多種復(fù)用類(lèi)型的復(fù)雜信號(hào)進(jìn)行全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，其中包含多個(gè)波長(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)上又包含橫電模(te)和橫磁模(tm)兩個(gè)偏振態(tài)，且每個(gè)偏振態(tài)上包含基模(te0和tm0)和一階模(te1和tm1)兩個(gè)模式。利用n個(gè)波長(zhǎng)-2個(gè)偏振-2個(gè)模式的三維復(fù)用信號(hào)，將通信系統(tǒng)的傳輸容量提高了n×2×2倍；

12、1.本發(fā)明的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置支持在一個(gè)多模波導(dǎo)中同時(shí)發(fā)生多種四波混頻過(guò)程，使得雙偏振雙模式混合復(fù)用信號(hào)在一個(gè)多模非線性波導(dǎo)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶高效的全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，提高通信容量的同時(shí)能夠大大減少通信網(wǎng)絡(luò)中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的數(shù)量，提高波長(zhǎng)路由網(wǎng)絡(luò)的靈活性和集成度；

13、2.本發(fā)明中的橫磁模解復(fù)用器、橫電模解復(fù)用器以及偏振分束器的設(shè)計(jì)均經(jīng)過(guò)多次仿真與優(yōu)化，尺寸為納米量級(jí)，具有工藝容差性好，占地面積小，易于集成與擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)；

14、3.該全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換裝置僅通過(guò)一個(gè)橫磁模解復(fù)用器，一個(gè)橫電模解復(fù)用器，一個(gè)偏振分束器和一個(gè)多模非線性波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，損耗低，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。