【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種偏振無關的模式轉換器，屬于無線通信半導體器件。
技術介紹
1、隨著近年來工藝的不斷進步，光通信中的光電子器件逐漸向集成化的方向發展。與傳統的分立光學器件搭建成的系統相比，集成化光電子器件具有一些明顯的優勢，例如占用空間少，降低制作成本，并且通過將不同的器件封裝在一個芯片上，避免一些外界因素的干擾，使性能更加穩定，適合開發高效率、多功能的光電子產品。但是該技術在應用上仍然存在著一個技術難題，即器件的材料、結構或設計可能會對光的偏振狀態產生影響。而兩種偏振態te和tm模式在波導中的模場分布、有效折射率以及波導損耗等都不同，光子器件的性能受到輸入光偏振態的影響后，會導致偏振相關損耗、偏振模式色散和工作波長的偏振相關性等問題。在光纖通信系統中，光傳輸模塊通常都以普通光纖作為傳輸媒介，這樣就會導致由普通光纖向硅基集成器件上的矩形波導耦合光時，難以保證輸入光的偏振狀態。輸入光偏振態的不確定性會使得光器件的性能很不穩定，因此解決光器件的偏振相關性是一項重要的挑戰。
2、目前報道用于偏振分束旋轉的基于絕緣體硅(soi)的光子器件，主要分為模式耦合性偏振分束旋轉器件和模式演化型偏振分束旋轉器件?；谀Ｊ今詈显淼钠穹质D器一般采用非對稱的定向耦合器結構激發雜化超模并發生干涉實現模式的轉化與分離，器件具有尺寸小的優勢，有利于實現芯片的大規模集成。但是此類基于定向耦合結構的偏振分束旋轉器，需要嚴格的相位匹配條件才能達到模式的耦合和轉換，所以對波長和工藝敏感，工作帶寬小，工藝容差小?；谀Ｊ窖莼淼钠穹质D器，是
技術實現思路
1、本專利技術要解決的技術問題是：針對當前基于模式耦合原理的偏振分束旋轉器和基于模式演化原理的偏振分束旋轉器分別存在的問題及不足：1、基于模式耦合原理的偏振分束旋轉器，需要嚴格的相位匹配條件才能達到模式的耦合和轉換，所以對波長和工藝敏感，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器的結構較為復雜，但其帶寬以及制造公差較大，本專利技術提出的一種偏振無關模式轉換器能夠有效彌補基于模式耦合原理的偏振分束旋轉器和基于模式演化原理的偏振分束旋轉器所產生的缺陷，滿足輸入光為隨機偏振光的應用需求，得到與偏振無關的性能優良的模式轉換器。
2、本專利技術技術方案是：一種偏振無關的模式轉換器，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；偏振分束旋轉器100、移相器200、光分束器組件300、光合束器組件400和微環諧振器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、所述輸入波導連接輸入光纖；
6、所述輸入波導連接偏振分束旋轉器100的輸入端；偏振分束旋轉器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的輸出端與微環諧振器500的上輸入波導連接；第二光合束器420的輸出端與微環諧振器500的下輸入波導連接。
7、作為本專利技術的進一步方案，輸入光纖輸入的光信號，依次經過偏振分束旋轉器100直通端、移相器ⅰ200、第一光分束器310輸入端；偏振分束旋轉器100交叉端輸出光信號到第二光分束器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進入第一光合束器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進入第二光合束器420；第一光合束器410輸出的光信號耦合進入微環諧振器500的上輸入端，第二光合束器420輸出的光信號耦合進入微環諧振器500的下輸入波導；微環諧振器500的下輸入波導輸入的光信號先耦合進入到微環諧振器500的微環中，穿過半個微環后又耦合到微環諧振器500輸出波導輸出，而耦合進入到微環諧振器500上輸入波導的光信號隨后從輸出端輸出，微環諧振器500的上輸入波導的光信號與下輸入波導的光信號之間存在微環諧振器環形波導周長一半的路徑差。
8、作為本專利技術的進一步方案，所述偏振分束旋轉器100用于實現tm0模態到te1模態的高階轉化以及te1模態到te0模態的轉化與分離，輸入光波導的輸入光偏振模式是te模、tm模或te模和tm模的混合輸入，輸出均為te模，輸入光波的模式轉換在偏振分束旋轉器100進行，與兩端波導組成模式傳輸與轉化區域。
9、作為本專利技術的進一步方案，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的相位可能存在差值，會導致合波時產生損耗，因此在所述偏振分束旋轉器100的直通端口加載了一個光學移相器200，所述移相器200為電光移相器或熱光移相器，通過改變光信號的相位，使兩個光信號之間產生零或2nπ的相位差以實現合波干涉增強，最終使得第一光分束器310和第二光分束器320的輸入端口光信號的相位一致。
10、作為本專利技術的進一步方案，所述光分束器組件300均為1×2結構的多模干涉耦合器，其尺寸為長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的結構相同，且均能用于準確的功率分割。
11、作為本專利技術的進一步方案，所述第一光合束器410、第二光合束器420采用y形分支光波導或多模干涉耦合器，且均為2×1結構，當第一光合束器410、第二光合束器420為y形分支光波導時，兩個y形分支光波導的傾角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相位一致，將相位相同而強度不同的兩束光進行合波，y形分支光波導的兩個輸入端中兩列光波的干涉視為所述偏振無關的模式轉換器模式的疊加。
12、作為本專利技術的進一步方案，模式轉化基于模式耦合原理，即滿足相位匹配條件。
13、模式的疊加可以認為是y形分支光波導的兩個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。根據光波干涉原理，合成光波可表示為：
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【技術保護點】
1.一種偏振無關的模式轉換器，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，其特征在于：器件層包括輸入波導；偏振分束旋轉器(100)、移相器(200)、光分束器組件(300)、光合束器組件(400)和微環諧振器(500)；
2.根據權利要求1所述的一種偏振無關的模式轉換器，其特征在于：輸入光纖輸入的光信號，依次經過偏振分束旋轉器(100)直通端、移相器Ⅰ(200)、第一光分束器(310)輸入端；偏振分束旋轉器(100)交叉端輸出光信號到第二光分束器(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進入第一光合束器(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進入第二光合束器(420)；第一光合束器(410)輸出的光信號耦合進入微環諧振器(500)的上輸入端，第二光合束器(420)輸出的光信號耦合進入微環諧振器(500)的下輸入波導；微環諧振器(500)的下輸入波導輸入的光信號先耦合進入到微環諧振器(500)的微環中，穿過半個微環后又耦合到微環諧振器(
3.根據權利要求1所述的一種偏振無關的模式轉換器，其特征在于：所述偏振分束旋轉器(100)用于實現TM0模態到TE1模態的高階轉化以及TE1模態到TE0模態的轉化與分離，輸入光波導的輸入光偏振模式是TE模、TM模或TE模和TM模的混合輸入，輸出均為TE模，輸入光波的模式轉換在偏振分束旋轉器(100)進行，與兩端波導組成模式傳輸與轉化區域。
4.根據權利要求1所述的一種偏振無關的模式轉換器，其特征在于：所述移相器(200)為電光移相器或熱光移相器，通過改變光信號的相位，使兩個光信號之間產生零或2nπ的相位差以實現合波干涉增強，最終使得第一光分束器(310)和第二光分束器(320)的輸入端口光信號的相位一致。
5.根據權利要求1所述的一種偏振無關的模式轉換器，其特征在于：所述光分束器組件(300)均為1×2結構的多模干涉耦合器，其尺寸為長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。
6.根據權利要求1所述的一種偏振無關的模式轉換器，其特征在于：所述第一光合束器(410)、第二光合束器(420)采用Y形分支光波導或多模干涉耦合器，且均為2×1結構，當第一光合束器(410)、第二光合束器(420)為Y形分支光波導時，兩個Y形分支光波導的傾角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相位一致，將相位相同而強度不同的兩束光進行合波，Y形分支光波導的兩個輸入端中兩列光波的干涉視為所述偏振無關的模式轉換器模式的疊加。
7.根據權利要求1所述的一種偏振無關的模式轉換器，其特征在于：所述微環諧振器(500)的耦合間隙為0.2μm，環半徑為15μm，自由光譜范圍設置為3.2nm；在微環諧振器(500)的前端先后連接光分束器組件(300)、光合束器組件(400)來實現光信號的等比例分配。
8.根據權利要求1所述的一種偏振無關的模式轉換器，其特征在于：通過調節微環諧振器(500)中定向耦合器的耦合系數實現將期望的光耦合到諧振器中，形成諧振現象，增強特定頻率的光信號，并通過輸出波導輸出，同時防止不需要的光從輸出端口發射出去。
...【技術特征摘要】
1.一種偏振無關的模式轉換器，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，其特征在于：器件層包括輸入波導；偏振分束旋轉器(100)、移相器(200)、光分束器組件(300)、光合束器組件(400)和微環諧振器(500)；
2.根據權利要求1所述的一種偏振無關的模式轉換器，其特征在于：輸入光纖輸入的光信號，依次經過偏振分束旋轉器(100)直通端、移相器ⅰ(200)、第一光分束器(310)輸入端；偏振分束旋轉器(100)交叉端輸出光信號到第二光分束器(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進入第一光合束器(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進入第二光合束器(420)；第一光合束器(410)輸出的光信號耦合進入微環諧振器(500)的上輸入端，第二光合束器(420)輸出的光信號耦合進入微環諧振器(500)的下輸入波導；微環諧振器(500)的下輸入波導輸入的光信號先耦合進入到微環諧振器(500)的微環中，穿過半個微環后又耦合到微環諧振器(500)輸出波導輸出，而耦合進入到微環諧振器(500)上輸入波導的光信號隨后從輸出端輸出，微環諧振器(500)的上輸入波導的光信號與下輸入波導的光信號之間存在微環諧振器環形波導周長一半的路徑差。
3.根據權利要求1所述的一種偏振無關的模式轉換器，其特征在于：所述偏振分束旋轉器(100)用于實現tm0模態到te1模態的高階轉化以及te1模態到te0模態的轉化與分離，輸入光波導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，輸入光波的模式轉換在偏振分束旋轉器(100)進行，與兩端波導組成模式傳輸...
【專利技術屬性】
技術研發人員：方青，王優，劉世平，陳華，張志群，范永杰，
申請(專利權)人：昆明理工大學，
類型：發明
國別省市：
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