一种偏振无关的模式转换器

本发明涉及一种偏振无关的模式转换器，属于无线通信半导体器件。

背景技术：

1、随着近年来工艺的不断进步，光通信中的光电子器件逐渐向集成化的方向发展。与传统的分立光学器件搭建成的系统相比，集成化光电子器件具有一些明显的优势，例如占用空间少，降低制作成本，并且通过将不同的器件封装在一个芯片上，避免一些外界因素的干扰，使性能更加稳定，适合开发高效率、多功能的光电子产品。但是该技术在应用上仍然存在着一个技术难题，即器件的材料、结构或设计可能会对光的偏振状态产生影响。而两种偏振态te和tm模式在波导中的模场分布、有效折射率以及波导损耗等都不同，光子器件的性能受到输入光偏振态的影响后，会导致偏振相关损耗、偏振模式色散和工作波长的偏振相关性等问题。在光纤通信系统中，光传输模块通常都以普通光纤作为传输媒介，这样就会导致由普通光纤向硅基集成器件上的矩形波导耦合光时，难以保证输入光的偏振状态。输入光偏振态的不确定性会使得光器件的性能很不稳定，因此解决光器件的偏振相关性是一项重要的挑战。

2、目前报道用于偏振分束旋转的基于绝缘体硅(soi)的光子器件，主要分为模式耦合性偏振分束旋转器件和模式演化型偏振分束旋转器件。基于模式耦合原理的偏振分束旋转器一般采用非对称的定向耦合器结构激发杂化超模并发生干涉实现模式的转化与分离，器件具有尺寸小的优势，有利于实现芯片的大规模集成。但是此类基于定向耦合结构的偏振分束旋转器，需要严格的相位匹配条件才能达到模式的耦合和转换，所以对波长和工艺敏感，工作带宽小，工艺容差小。基于模式演化原理的偏振分束旋转器，是先把输入的tm0模式转化成高阶te1模，再与输入te0模式分离，并将te1转化为te0模式，模式的高阶转化发生在波导的模式混合区。因此该类偏振分束旋转器的结构较为复杂，但其带宽以及制造公差较大。本发明提出的一种偏振无关模式转换器能够有效弥补基于模式耦合原理的偏振分束旋转器和基于模式演化原理的偏振分束旋转器所产生的缺陷，得到与偏振无关的性能优良的模式转换器。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：针对当前基于模式耦合原理的偏振分束旋转器和基于模式演化原理的偏振分束旋转器分别存在的问题及不足：1、基于模式耦合原理的偏振分束旋转器，需要严格的相位匹配条件才能达到模式的耦合和转换，所以对波长和工艺敏感，工作带宽小，工艺容差小；2、基于模式演化原理的偏振分束旋转器的结构较为复杂，但其带宽以及制造公差较大，本发明提出的一种偏振无关模式转换器能够有效弥补基于模式耦合原理的偏振分束旋转器和基于模式演化原理的偏振分束旋转器所产生的缺陷，满足输入光为随机偏振光的应用需求，得到与偏振无关的性能优良的模式转换器。

2、本发明技术方案是：一种偏振无关的模式转换器，从下至上包括晶圆的衬底、晶圆的埋氧层、器件层和器件的sio2上包层，器件层包括输入波导；偏振分束旋转器100、移相器200、光分束器组件300、光合束器组件400和微环谐振器500；

3、所述光分束器组件300包括第一光分束器310、第二光分束器320；

4、所述光合束器组件400包括第一光合束器410、第二光合束器420；

5、所述输入波导连接输入光纤；

6、所述输入波导连接偏振分束旋转器100的输入端；偏振分束旋转器100的直通端与移相器200输入端连接，移相器200输出端与第一光分束器310输入端连接，偏振分束旋转器100的交叉端与第二光分束器320输入端连接，第一光分束器310的下输出端、第二光分束器320的上输出端分别与第一光合束器410的上输入端、下输入端连接，第一光分束器310的上输出端、第二光分束器320的下输出端分别与第二光合束器420的上输入端、下输入端连接，第一光合束器410的输出端与微环谐振器500的上输入波导连接；第二光合束器420的输出端与微环谐振器500的下输入波导连接。

7、作为本发明的进一步方案，输入光纤输入的光信号，依次经过偏振分束旋转器100直通端、移相器ⅰ200、第一光分束器310输入端；偏振分束旋转器100交叉端输出光信号到第二光分束器320输入端；第一光分束器310下输出端、第二光分束器320上输出端分别输出的两束光信号进入第一光合束器410；第一光分束器310上输出端、第二光分束器320下输出端分别输出的两束光信号进入第二光合束器420；第一光合束器410输出的光信号耦合进入微环谐振器500的上输入端，第二光合束器420输出的光信号耦合进入微环谐振器500的下输入波导；微环谐振器500的下输入波导输入的光信号先耦合进入到微环谐振器500的微环中，穿过半个微环后又耦合到微环谐振器500输出波导输出，而耦合进入到微环谐振器500上输入波导的光信号随后从输出端输出，微环谐振器500的上输入波导的光信号与下输入波导的光信号之间存在微环谐振器环形波导周长一半的路径差。

8、作为本发明的进一步方案，所述偏振分束旋转器100用于实现tm0模态到te1模态的高阶转化以及te1模态到te0模态的转化与分离，输入光波导的输入光偏振模式是te模、tm模或te模和tm模的混合输入，输出均为te模，输入光波的模式转换在偏振分束旋转器100进行，与两端波导组成模式传输与转化区域。

9、作为本发明的进一步方案，第一光分束器310、第二光分束器320的输入端口中所传输光信号的相位可能存在差值，会导致合波时产生损耗，因此在所述偏振分束旋转器100的直通端口加载了一个光学移相器200，所述移相器200为电光移相器或热光移相器，通过改变光信号的相位，使两个光信号之间产生零或2nπ的相位差以实现合波干涉增强，最终使得第一光分束器310和第二光分束器320的输入端口光信号的相位一致。

10、作为本发明的进一步方案，所述光分束器组件300均为1×2结构的多模干涉耦合器，其尺寸为长3.2μm，宽2.4μm；光分束器组件300能将一束光波等比例分割为两束光波。第一光分束器310、第二光分束器320的结构相同，且均能用于准确的功率分割。

11、作为本发明的进一步方案，所述第一光合束器410、第二光合束器420采用y形分支光波导或多模干涉耦合器，且均为2×1结构，当第一光合束器410、第二光合束器420为y形分支光波导时，两个y形分支光波导的倾角θ均为2°，第一光合束器410、第二光合束器420的两输入端的光信号相位一致，将相位相同而强度不同的两束光进行合波，y形分支光波导的两个输入端中两列光波的干涉视为所述偏振无关的模式转换器模式的叠加。

12、作为本发明的进一步方案，模式转化基于模式耦合原理，即满足相位匹配条件。

13、模式的叠加可以认为是y形分支光波导的两个输入端中两列光波的干涉。

14、相干光波可以表示为

15、

16、

17、其中ea0和eb0分别表示两列光波振幅的峰值，中和分别表示各自的相位，ω是角频率。根据光波干涉原理，合成光波可表示为：

18、

19、振幅e0可从下列方程获得

20、

21、叠加光波的振幅取决于两列光波叠加的位置的相位差，时，振幅e0达到最大。

22、作为本发明的进一步方案，所述微环谐振器500的耦合间隙为0.2μm，环半径为15μm，自由光谱范围设置为3.2nm；微环谐振器500能实现光信号的高效注入，要求在微环谐振器500的上输入波导、下输入波导注入两个相互相干的且具有相同波长和光强的光信号到谐振器中，因此在微环谐振器500的前端先后连接光分束器组件300、光合束器组件400来实现光信号的等比例分配，描述传输电磁场随波长变化的关系由下式给出：

23、

24、式中，α、ei和φi分别为定向耦合器的传输系数、耦合系数、微环谐振器的损耗系数、输入信号的电场及其相位。

25、作为本发明的进一步方案，通过调节微环谐振器500中定向耦合器的耦合系数实现将期望的光耦合到谐振器中，形成谐振现象，增强特定频率的光信号，并通过输出波导输出，同时防止不需要的光从输出端口发射出去。

26、作为本发明的进一步方案，光强一致且存在相位差的两束光信号通过双注入微环谐振器的两个输入端口注入，光信号在硅微环中传播，并绕着环形波导传输。这些光子在微环内部发生多次环绕，形成谐振现象，增强特定频率的光信号，并通过输出波导输出。θ是光在稳定状态下穿过环所累积的相位，用公式表示为：

27、

28、式中，λ为波长，lring为微环的周长，neff为所传播模式的有效折射率。

29、本发明的有益效果是：

30、1、本发明与现有当前基于模式耦合原理的偏振分束旋转器和基于模式演化原理的偏振分束旋转器技术相比，本发明有效地减少了耦合损耗，提高了耦合效率，得到了与偏振无关的性能优良的模式转换器件；

31、2、本发明基于成熟的cmos工艺制备，通过对现有技术的利用，其操作成本低，可实现批量化制造，由于现有技术成熟，其生产效率较高，存在竞争性的优势；

32、3、本发明输入波导中的光信号通过偏振旋转分束器时，光信号中的tm模式转换为te模式；移相器组件使得分别进入光分束组件中的两个多模干涉耦合器的光波相位差为0，光分束组件用于光功率分割，信号经过光合束组件，在微环谐振器实现合波由输出端输出；

33、4、本发明提出的模式转换器结构简单，可以实现任意偏振态输入的te模式转换。