本發(fā)明屬于集成光子器件，具體涉及一種基于薄膜鈮酸鋰的雙偏振可調(diào)諧模式轉(zhuǎn)換器和模式復(fù)用系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著全球數(shù)據(jù)需求的迅猛增長，光通信和光互連技術(shù)已成為現(xiàn)代信息社會的核心支柱。傳統(tǒng)的單模光纖通信系統(tǒng)因其有限的容量，逐漸難以滿足日益增加的數(shù)據(jù)傳輸需求。因此，如何有效地提升光通信系統(tǒng)的容量成為科學(xué)家和工程師們急需解決的問題。在這一背景下，多路復(fù)用技術(shù)，包括波分復(fù)用(wdm)、偏振復(fù)用(pdm)和模式復(fù)用(mdm)等，得到了廣泛的關(guān)注和研究。此外，為了進一步提高通信能力，一個新的研究趨勢是同時利用這些獨立的自由度來形成一種多維混合復(fù)用技術(shù)，這種多維混合復(fù)用技術(shù)也被廣泛報道，混合復(fù)用技術(shù)是通過結(jié)合多波長、多模式以及雙極化來提高通信容量的一種有吸引力的解決方案，但仍然缺乏用于混合復(fù)用的具有大帶寬的雙偏振模式轉(zhuǎn)換器。

2、在這些混合復(fù)用技術(shù)中，模式轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)高效多模傳輸?shù)年P(guān)鍵器件。特別是能夠同時在雙偏振和超寬帶下工作的模式轉(zhuǎn)換器，對于實現(xiàn)大容量、多自由度的光通信系統(tǒng)尤為重要。在靈活的mdm交換網(wǎng)絡(luò)中，模式轉(zhuǎn)換器負責(zé)切換或路由不同模式通道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。如果可以將pdm和wdm引入mdm交換系統(tǒng)，則信息容量將增加數(shù)倍。大寬帶模式轉(zhuǎn)換器可用于同時路由和切換多個波長的多模信號，為大容量傳輸提供了可行的選擇。

3、鈮酸鋰(linbo3，ln)作為集成光子學(xué)領(lǐng)域的材料之一，具有諸多優(yōu)勢。相比傳統(tǒng)材料平臺如硅、氮化硅和磷化銦，ln展現(xiàn)出了更加突出的特性。首先，ln具有較大的電光系數(shù)和非線性光學(xué)系數(shù)，這使得其在電光調(diào)制和非線性光學(xué)應(yīng)用中表現(xiàn)出色。其次，ln在1550nm波長下具有較大的折射率，使其在光波導(dǎo)器件中能夠有效地實現(xiàn)光的引導(dǎo)和調(diào)控。此外，ln具有寬廣的透明窗口，覆蓋波長范圍從400nm至5μm，適用于多種光學(xué)應(yīng)用。最重要的是，ln具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，保證了器件的穩(wěn)定性和可靠性。

4、絕緣體上鈮酸鋰(lnoi)技術(shù)進一步拓展了鈮酸鋰的應(yīng)用領(lǐng)域。lnoi平臺由亞微米厚的ln薄膜覆蓋在二氧化硅基底上，具有高折射率對比度。這一特性使得在lnoi上制造的光波導(dǎo)器件具有高集成度和小尺寸的特點，從而大幅減小了器件的尺寸和功耗。此外，lnoi平臺上的光器件與現(xiàn)有的cmos工藝兼容，這意味著可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝實現(xiàn)大規(guī)模光子集成電路(pic)，從而推動光子集成技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。因此，選擇lnoi作為材料平臺，不僅有助于提高光子器件的性能和穩(wěn)定性，還有利于實現(xiàn)器件的小型化、低功耗化和集成化，進而促進光通信和光互連技術(shù)的發(fā)展。為了在薄膜鈮酸鋰平臺上實現(xiàn)高效的模式復(fù)用，模式轉(zhuǎn)換器是必不可少的多模無源器件。

5、專利cn105158850a提供了一種馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的電光模式轉(zhuǎn)換器及實現(xiàn)方法，包括馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)和電光相位調(diào)制電極。通過控制施加在電光相位調(diào)制電極上電壓，改變兩干涉臂上光波的相位關(guān)系，實現(xiàn)兩種模式之間的相互轉(zhuǎn)換。一方面，上述方案設(shè)計使用對稱mzi結(jié)構(gòu)，在不外加電源的情況下不能進行模式轉(zhuǎn)換，另一方面，上述方案不具備同時對te和tm偏振均實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換的功能，這限制了它的應(yīng)用范圍。

6、因此，在模式復(fù)用光通信系統(tǒng)中，有必要提供一種大帶寬、雙偏振的模式轉(zhuǎn)換器，以解決上述問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于薄膜鈮酸鋰的雙偏振可調(diào)諧模式轉(zhuǎn)換器和模式復(fù)用系統(tǒng)，以實現(xiàn)大帶寬、雙偏振的模式轉(zhuǎn)換，為高效的模式復(fù)用提供基礎(chǔ)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于薄膜鈮酸鋰的雙偏振模式轉(zhuǎn)換器，包括鈮酸鋰薄膜和制作在鈮酸鋰薄膜層上的馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)，所述馬赫-曾德爾結(jié)構(gòu)包括輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、兩個y分支波導(dǎo)和兩條不對稱的條形波導(dǎo)；

3、所述輸入波導(dǎo)和兩條不對稱的條形波導(dǎo)通過一個所述y分支波導(dǎo)連接，所述輸出波導(dǎo)和兩條不對稱的條形波導(dǎo)通過另一個所述y分支波導(dǎo)連接；所述兩條不對稱的條形波導(dǎo)的寬度不同，用于調(diào)節(jié)經(jīng)過兩條不對稱的條形波導(dǎo)的光束的相位差。

4、進一步的，所述兩條不對稱的條形波導(dǎo)中的一條為不帶移相區(qū)的窄波導(dǎo)，另一條為帶移相區(qū)的寬波導(dǎo)。

5、進一步的，所述寬波導(dǎo)的寬度為1.1～1.5μm，所述窄波導(dǎo)的寬度為0.8～1.0μm，經(jīng)過所述兩條不對稱的條形波導(dǎo)的光束的相位差優(yōu)選為π。

6、進一步的，所述寬波導(dǎo)的長度為25～35μm，優(yōu)選為29～31μm；

7、所述寬波導(dǎo)和窄波導(dǎo)之間的距離為3～5μm。

8、進一步的，所述輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的寬度為2～2.4μm；

9、兩個所述y分支波導(dǎo)與所述寬波導(dǎo)相連的的一側(cè)分支部位的寬度為漸變結(jié)構(gòu)，且寬度朝向所述寬波導(dǎo)一端逐漸變大；

10、兩個所述y分支波導(dǎo)與所述窄波導(dǎo)相連的的一側(cè)分支部位的寬度與所述窄波導(dǎo)的寬度相同。

11、進一步的，所述鈮酸鋰薄膜的厚度為200～400nm，所述輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、兩個對稱的y分支波導(dǎo)和兩條不對稱的條形波導(dǎo)的厚度為200～400nm。

12、進一步的，所述鈮酸鋰薄膜為x切鈮酸鋰薄膜；所述輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、兩個對稱的y分支波導(dǎo)和兩條不對稱的條形波導(dǎo)通過在厚度為500～700nm鈮酸鋰薄膜上刻蝕形成。

13、進一步的，所述鈮酸鋰薄膜、輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、兩個對稱的y分支波導(dǎo)和兩條不對稱的條形波導(dǎo)的上方均覆蓋有二氧化硅包層，且所述二氧化硅包層上方設(shè)有金屬加熱器，所述金屬加熱器位于所述兩條不對稱的條形波導(dǎo)中寬度較寬的波導(dǎo)上方，用于實現(xiàn)熱調(diào)；或者在所述兩條不對稱的條形波導(dǎo)的兩側(cè)設(shè)置金屬電極結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)鈮酸鋰的電光調(diào)制。調(diào)控前后te和tm模式在兩臂的相位差均在π與0之間變化。

14、進一步的，所述鈮酸鋰薄膜的下方設(shè)有二氧化硅包層，所述二氧化硅包層位于硅襯底上。

15、本發(fā)明首次提出了在薄膜鈮酸鋰(tfln)平臺上的大帶寬、雙偏振的可調(diào)諧模式轉(zhuǎn)換器，用于在薄膜鈮酸鋰平臺上實現(xiàn)高效的模式轉(zhuǎn)換。這種模式轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單且易于集成，同時實現(xiàn)了偏振復(fù)用和模式復(fù)用。器件帶寬大于100nm，器件長度在100μm左右。

16、一種模式復(fù)用系統(tǒng)，包括模式解復(fù)用器、以上任一項所述的模式轉(zhuǎn)換器、四個輸入光柵耦合器和四個輸出光柵耦合器，所述四個輸入光柵耦合器分別與模式復(fù)用器連接，所述模式復(fù)用器與模式轉(zhuǎn)換器的輸入波導(dǎo)連接，所述模式轉(zhuǎn)換器的輸出波導(dǎo)與所述模式解復(fù)用器連接，所述四個輸出光柵耦合器分別與模式解復(fù)用器連接。

17、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：

18、1、本發(fā)明首次采用基于薄膜鈮酸鋰的馬赫-曾德爾干涉儀(mzi)結(jié)構(gòu)構(gòu)建雙偏振模式轉(zhuǎn)換器，并利用兩個分支波導(dǎo)的寬度差異化設(shè)計，使得te和tm光束在兩個分支中的傳播常數(shù)和相速度不同，從而產(chǎn)生相位差，具備同時對te和tm偏振均實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換的功能，實現(xiàn)偏振不敏感的模式轉(zhuǎn)換，具有集成度高、偏振不敏感、可調(diào)諧和大帶寬的特點。

19、2、本發(fā)明進一步對其中一個分支波導(dǎo)的寬度和長度進行優(yōu)化設(shè)計，使得te和tm基模經(jīng)過移相區(qū)后與另一臂均有π的相位差，實現(xiàn)偏振不敏感的模式轉(zhuǎn)換；同時加上熱光或者電光調(diào)制，可以實現(xiàn)相位差在π與0之間的調(diào)控，因此本發(fā)明既能提高器件集成，又能實現(xiàn)輸出模式的切換，最終實現(xiàn)雙偏振大帶寬的多模轉(zhuǎn)換。

20、3、本發(fā)明能夠同時對te和tm模式進行模式轉(zhuǎn)換，在不進行熱光調(diào)制的情況下，可以同時實現(xiàn)te0-te1、te1-te0、tm0-tm1、tm1-tm0模式轉(zhuǎn)換過程，且轉(zhuǎn)換效率較高，在1500～1600nm波長范圍內(nèi)，各路輸出的轉(zhuǎn)換效率均高于-0.37db，總串擾小于-15db，實現(xiàn)了插入損耗低、帶寬大的效果，在模式復(fù)用光通信系統(tǒng)中具有極大的應(yīng)用前景。

21、4、本發(fā)明通過將y分支的寬度設(shè)計為錐形漸變和反漸變波導(dǎo)分別與輸入和輸出波導(dǎo)相連，從而減小移相區(qū)波導(dǎo)寬度突變帶來的損耗。

22、5、本發(fā)明通過進一步在移相區(qū)波導(dǎo)增設(shè)熱調(diào)或電調(diào)結(jié)構(gòu)，利用熱調(diào)或電調(diào)制來改變移相器的相位差，從而控制輸出的模式是基模還是一階模，實現(xiàn)可調(diào)諧的目的。在進行熱光調(diào)制的情況下，輸出端口的模式取決于移相器引起的相移，移相器引入0相位差的情況下，輸入模式轉(zhuǎn)移到輸出端沒有任何變化；移相器引入π相位差的情況下，輸入模式會進行模階轉(zhuǎn)換，輸入基模轉(zhuǎn)換成一階模，輸入一階模將轉(zhuǎn)換成基模。

23、6、本發(fā)明通過采用mzi結(jié)構(gòu)，相較于此前已有的結(jié)構(gòu)顯得較為簡單，并且移相器的結(jié)構(gòu)制造難度低，進一步降低了工藝難度的同時還減少了器件的整體長度。通過設(shè)計雙偏振可調(diào)諧模式轉(zhuǎn)換器的整體結(jié)構(gòu)關(guān)于移相區(qū)域所在的中間位置左右鏡像對稱，且移相區(qū)域的結(jié)構(gòu)較為簡單，有比較大的工藝容差。