一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器

本发明属于光通信与集成光学，具体涉及一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器。

背景技术：

1、相干光通信中常需要可调谐光学衰减器来平衡各信道的光强度值。集成光学中通用的可调谐光学衰减器基于马赫增德尔干涉仪(mzi)器件实现。其中实现可调谐功能的是干涉臂中的相移器，集成的相移器主要是利用电光效应或热光效应实现波导折射率的改变从而完成光信号的相移。目前的相移器光场与调制波导只发生一次相互作用，因而需要较大的驱动电压或者较长的相移器长度，不利于光电子混合集成。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，包括：

3、单模光波导11、2×2光耦合器12、高阶模式循环相移器13和波导光反射器14；其中，

4、2×2光耦合器12有四个端口，分为两组，其功能为将一组的一个输入端口的光能量均分为另一组的两路输出；其中一侧的两个端口通过单模光波导11连接整体器件的光输入和光输出，另外一侧的两个端口通过单模光波导11分别各连接一个高阶模式循环相移器13；

5、高阶模式循环相移器13有两个端口，其中一个端口连接2×2光耦合器12，另一个端口通过单模光波导11连接波导光反射器14；高阶模式循环相移器13利用模式耦合器的高阶模式选择性以及模式交换器对高阶模式阶数进行错排，使得光场在高阶模式循环相移器13中多次循环，实现高效光相位调制；

6、波导光反射器14用于将经过高阶模式循环相移器13调制后的光场反向耦合回所述高阶模式循环相移器13。

7、在本发明的一个实施例中，高阶模式循环相移器13，包括：

8、单模光波导11、多模光波导21、模式耦合器22、模式交换器23、第一多模光相移臂24和第二多模光相移臂24；其中，

9、模式耦合器22具有四个端口，两个为多模端口，两个为单模端口；其中，两个单模端口作为高阶模式循环相移器13的光输入端口和光输出端口，一个多模端口通过多模光波导21连接第一多模光相移臂24，第一多模光相移臂24连接模式交换器23，模式交换器23连接第二多模光相移臂24后，通过多模光波导21连接至模式耦合器22的另一个多模端口，从而使得模式耦合器22、模式交换器23、第一多模光相移臂24和第二多模光相移臂24通过多模光波导21连接构成一个环路。

10、在本发明的一个实施例中，多模光波导21为宽度增加后可容纳多个光模式同时通过的波导。

11、在本发明的一个实施例中，任一多模光相移臂用于通过电光效应或者热光效应改变多模光波导21的折射率，从而改变光在多模光波导21中实际行进的光程，实现改变光通过该多模光相移臂后的相位的功能。

12、在本发明的一个实施例中，高阶模式循环相移器13的模式耦合器具有模式选择性；模式选择性为将单模光波导11中的基模耦合到多模光波导21的特定模式中，且不与多模光波导21中的其他模式发生耦合。

13、在本发明的一个实施例中，模式交换器23对于在高阶模式循环相移器13内循环的光场模式阶数实现错排，高阶模式循环相移器13的模式错排包括：将模式承载的能量与信息转换至自身以外其他模式承载，但保持通过所述模式交换器23前多模光波导21中的模式数量与通过模式交换器23后多模光波导21中的模式数量相等。

14、在本发明的一个实施例中，高阶模式循环相移器13的工作过程为：

15、高阶模式循环相移器13的输入光场经过模式交换器23和模式耦合器22实现了遍历所有模式通道的特性之后，模式交换器23将光场回到原有模式，再经过模式耦合器22耦合出多模光波导21，离开高阶模式循环相移器13，实现光场的调制效率成倍提升

16、本发明的有益效果：

17、本发明实施例所提供的方案中，

18、1、利用了模式耦合器对高阶模式的选择性通过以及模式交换器对高阶模式阶数进行变化的特点，使得光场能量和信息在高阶模式循环相移器中多次循环经过多模光相移臂，从而成倍地提升光调制效率；

19、2、反射式的架构能够使得光场正反两个方向两次经过高阶模式循环相移器，因而在高阶模式循环相移器的基础上再次翻倍调制效率。调制效率的提升有利于降低器件的功耗，降低驱动电压从而有利于兼容传统cmos片上驱动，也有利于降低器件的尺寸从而实现更高集成度。

技术特征：

1.一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，其特征在于，所述2×2光耦合器(12)，包括：基于定向耦合器的50:50分束器或基于多模干涉耦合器的50:50分束器。

3.根据权利要求1所述的一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，其特征在于，所述波导光反射器(14)的功能为：将输入波导的光场经过反射，反向通过输入波导进行输出。所述波导光反射器(14)，包括：基于布拉格光栅的反射器、逆向设计的超紧凑光反射器和基于几何光学的直角型集成光学反射器中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，其特征在于，所述高阶模式循环相移器(13)，包括：

5.根据权利要求4所述的一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，其特征在于，所述多模光波导(21)为宽度增加后可容纳多个光模式同时通过的波导。

6.根据权利要求4所述的一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，其特征在于，任一多模光相移臂用于通过电光效应或者热光效应改变多模光波导(21)的折射率，从而改变光在多模光波导(21)中实际行进的光程，实现改变光通过该多模光相移臂后的相位的功能。

7.根据权利要求4所述的一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，其特征在于，所述高阶模式循环相移器(13)的所述模式耦合器具有模式选择性；所述模式选择性为将单模光波导(11)中的基模耦合到多模光波导(21)的特定模式中，且不与多模光波导(21)中的其他模式发生耦合。

8.根据权利要求4所述的一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，其特征在于，所述模式交换器(23)对于在所述高阶模式循环相移器(13)内循环的光场模式阶数实现错排，所述高阶模式循环相移器(13)的模式错排包括：将模式承载的能量与信息转换至自身以外其他模式承载，但保持通过所述模式交换器(23)前多模光波导(21)中的模式数量与通过所述模式交换器(23)后多模光波导(21)中的模式数量相等。

9.根据权利要求8所述的一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，其特征在于，所述错排包括：具体排列方式属于所有元素都是生成元的置换群。

10.根据权利要求4所述的一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，其特征在于，所述高阶模式循环相移器(13)的工作过程为：

技术总结
本发明公开了一种基于模式循环相移和反射的集成可调谐光衰减器，包括：单模光波导、2×2光耦合器、高阶模式循环相移器和波导光反射器；其中，2×2光耦合器功能为将输入端口的光能量均分两路输出至高阶模式循环相移器中，高阶模式循环相移器利用模式耦合器的高阶模式选择性以及模式交换器对高阶模式阶数进行错排，使得光场在高阶模式循环相移器中多次循环，实现相位调制效率成倍提升；波导光反射器将经过高阶模式循环相移器调制后的光场反向耦合回高阶模式循环相移器，使得光场能量和信息在高阶模式循环相移器中多次循环经过多模光相移臂，从而进一步翻倍光调制效率。

技术研发人员：杨尚霖,袁帅,秦翰林,许景贤
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15