基于光相控阵的可重构光学模式转换器

本发明属于集成光电子器件，具体涉及一种基于光相控阵的可重构光学模式转换器。

背景技术：

1、随着大数据时代的到来，数据量呈指数级增长，对数据处理和通信容量的需求也不断增加。光通信因其高带宽、低损耗、中继距离长等优点，已成为有线通信网络的核心连接技术。在光通信系统中，光子集成芯片(photonic integrated circuit，pic)作为光电子器件的集成平台，在光信号的处理和传输中发挥着关键作用。

2、传统的光子集成芯片通常只允许基模传输，以减少不必要的串扰和损耗。但随着通信容量需求的不断增加，单一模式已经无法满足未来光通信系统的需求。模式复用技术作为一种新的多维调控方式，能够在单一物理通道上实现多路正交模式的并行传输，从而大幅提高光通信系统的总容量。在硅基光子平台上，由于硅波导与包层之间存在很高的折射率对比度，不同导模间具有很强的模式色散，使得高折射率平台中低损、低模间串扰的片上模式选择和模式操纵成为可能。

3、目前，已经提出了多种基于硅基平台的模式转换器结构，如多模干涉仪(mmi)、非对称y分支、绝热锥形波导和非对称定向耦合器等。这些模式转换器可以实现te0模到te1模或其他高阶模的转换，但大多数结构都是固定的，无法实现可重构的模式转换。此外，这些模式转换器还存在插入损耗高、模间串扰大等问题。

4、为了克服上述问题，相变材料因其无静态功耗、高折射率对比度、非易失等特性受到广泛关注，成为了新的调制方案。通过改变相变材料的晶态，可以实现对光学特性的可逆调控。相变材料混合波导结构成为一种新型的模式转换器，可以通过改变相变材料的状态来实现模式转换。实现相变切换的方案有电脉冲和光脉冲两种，其中光脉冲能精细地控制相变范围，实现更复杂的相变材料表面编程需求。但是，光致相变方案通常需要复杂的外部光路完成激光聚焦，无法实现片上集成。

5、光相控阵(optical phasedarray，opa)通过调控阵列的相位分布，可以实现对光束的精确聚焦，从而为片上激光直写相变提供可能。opa利用波前整形的原理，通过调控阵列的相位分布使相干激光在自由传播区域合束，具有低功耗、非机械操纵、高集成度等优点。opa可以替代传统的光学透镜系统，实现对光脉冲的精确聚焦，为片上激光直写相变提供新的解决方案。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于一维集成光学相控阵的波导模式转换技术，克服了传统激光直写相变需要复杂外部光路的局限性，实现了片上集成，为模式复用技术提供了新的思路。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于光相控阵的可重构光学模式转换器，其特点在于，包括：

4、一维光相控阵，用于聚焦光脉冲，由多个可调相的波导阵列组成，通过调控各波导的相位分布实现聚焦；

5、相变材料层，沉积在所述一维光相控阵发射光束所指向的波导表面上；

6、马赫-曾德尔干涉仪结构，包括两个波导臂，其中一个波导臂上沉积有所述相变材料层；

7、当光脉冲通过所述光相控阵时，该光相控阵通过调控相位分布将光脉冲聚焦到相变材料层上，且聚焦的光脉冲能量足以触发相变材料发生可逆的晶态-非晶态相变，从而改变沉积有所述相变材料层的波导臂的有效折射率，产生π相位差，进行在光信号通过所述马赫-曾德尔干涉仪结构时，从te0模式转换为te1模式。

8、优选的，所述相变材料为sb2se3或sb2s3在1550nm波段低损耗相变材料。

9、优选的，所述波导阵列采用超晶格结构，以降低串扰。

10、优选的，所述马赫-曾德尔干涉仪中两个干涉臂采用si3n4-sb2se3混合波导。

11、优选的，当相变材料处于晶态时，两臂的有效折射率相同，不产生相位差，合束后输出为te0模式；

12、当需要实现模式转换时，通过一维光相控阵聚焦激光脉冲，将其中一臂的相变材料局部转变为非晶态，两臂产生π相移，两臂合束后输出为te1模式。

13、优选的，所述一维光相控阵能够在0-2π的范围内调整相位，从而在自由传播区域实现特定的干涉图案，包括聚焦或偏转。

14、优选的，所述光相控阵采用532nm波长的激光脉冲作为光源。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

16、1)利用一维光相控阵实现了在器件内部的精确聚焦，通过优化相控阵的相位分布和波导阵列设计，克服了非均匀介质中聚焦的挑战，获得了良好聚焦性能。

17、2)利用相控阵聚焦的激光脉冲诱导沉积在波导表面的相变材料发生可逆的晶态-非晶态转变，从而调控波导的折射率。采用集成的光相控阵实现聚焦，摆脱了传统激光直写方案中复杂的外部光路，提高了器件的集成度和自对准性。

18、3)基于相变材料折射率差异，实现基于马赫-曾德尔干涉仪结构的模式转换，通过控制单臂相变材料的状态，获得te0模和te1模之间的可重构转换。通过利用相变材料的晶态-非晶态相变特性，实现了对光信号传输特性的动态调控。

19、4)采用马赫-曾德尔干涉仪结构，并在其中一个波导臂上沉积了相变材料层，使得光信号在通过干涉仪时能够产生π相位差，从而实现te0模到te1模的可重构转换。同时，通过光相控阵的聚焦作用，将光脉冲聚焦到相变材料层上，触发其相变过程。

技术特征：

1.一种基于光相控阵的可重构光学模式转换器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的可重构光学模式转换器，其特征在于：所述相变材料为sb2se3或sb2s3在1550nm波段低损耗相变材料。

3.根据权利要求1所述的可重构光学模式转换器，其特征在于：所述波导阵列采用超晶格结构，以降低串扰。

4.根据权利要求1所述的可重构光学模式转换器，其特征在于：所述马赫-曾德尔干涉仪中两个干涉臂采用si3n4-sb2se3混合波导。

5.根据权利要求4所述的可重构光学模式转换器，其特征在于：当相变材料处于晶态时，两臂的有效折射率相同，不产生相位差，合束后输出为te0模式；

6.根据权利要求1所述的可重构光学模式转换器，其特征在于：所述一维光相控阵能够在0-2π的范围内调整相位，从而在自由传播区域实现特定的干涉图案，包括聚焦或偏转。

7.根据权利要求1所述的可重构光学模式转换器，其特征在于：所述光相控阵采用532nm波长的激光脉冲作为光源。

技术总结本发明提出了一种基于光相控阵的可重构光学模式转换器，利用集成在芯片上的一维光相控阵，通过调控相控阵的相位分布，实现对光束的精确聚焦。聚焦的光脉冲可以诱导沉积在波导表面的相变材料Sb<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;发生可逆的晶态‑非晶态相变，从而改变波导的有效折射率，实现TE<subgt;0</subgt;模到TE<subgt;1</subgt;模的可重构转换。相比于传统的外部光路聚焦方案，本发明的集成光相控阵聚焦方案具有更高的集成度和自对准性。本发明为片上可重构模式复用技术提供了一种新的解决方案，对于满足未来光通信系统日益增长的容量需求具有重要意义。技术研发人员：周林杰,周怡清,陆梁军,李雨,郭宇耀,陈建平,刘娇,金敏慧受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4