一种可重构模式转换器件的制作方法

本发明涉及光子集成领域，尤其涉及一种可重构模式转换器件。

背景技术：

1、在光子信息传输过程中，复用器件是非常重要的组成部分。复用器件可以将多个信号同时传输在同一条通信线路上，从而提高通信效率和带宽利用率。相变材料是一类具有特殊物理性质的材料，可以在外界刺激下发生相变，从而改变其电学、光学等性质。因此，相变材料被逐步证明可以应用于可重构器件的设计中。

2、为了实现各种各样的通讯应用，多功能的集成光子回路已经被发展。在过去十年，关于发射器件、光开关、调制器和接收器件的研究从未停止过，用于片内和片间互连应用。具体的器件有发射机、接收机和收发机，但是这些都是基于wdm技术。目前基于mdm技术的光互连应用研究还不是很多，并且所有的方案要么只能高阶模通过，要么只能基模通过，动态地在这两种状态之间切换的功能还没有成功实现。未来的片上复用系统必然是智能化(可重构性)，目前，用于构建可重构的模式复用器，主要有三种器件：微环谐振器、多模干涉耦合器和基于马赫－曾德尔干涉仪(mazh－zehner interferometer，ferometer，mzi)的耦合器。过往研究中的可重构模式复用器结构一般采用热调制或者对材料进行掺杂后实行电调制这两种方式，导致光波导在损耗、串扰和尺寸上已经无法满足实际光通信系统对于大规模集成光子器件的要求，降低了这类器件在光通信系统中的实用性。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明基于相变材料在特定波长的激光或者一定电压范围的加载下，其折射率呈现一定的变化幅度，呈现出了非易失、损耗低的特点，设置可重构模式转换器件的波导芯层由单模直波导、多模直波导结构和位于单模直波导和多模直波导结构之间的微环波导组成，波导芯层为相变材料层；该多模直波导在特定波长的激光或者一定范围电压的加载下折射率发生变化，从而使得多模直波导呈现出晶态、晶态与非晶态之间的某一中间态或者非晶态的特点；基于该器件的特点，本发明通过改变多模直波导的折射率，动态地实现多模直波导在几个模态之间切换，实现了低阶模式与高阶模式之间的相互转换，提高了模式转换器件的传输效率，达到了实现其低损耗、低串扰、高消光比、高集成度的要求。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明一方面提供一种可重构模式转换器件，其包括下包层、位于下包层上的波导芯层和包裹该波导芯层的上包层，所述波导芯层由单模直波导、多模直波导和微环波导组成，单模直波导和微环波导结构之间具有第一间隙，多模直波导和微环波导结构之间具有第二间隙；所述单模直波导在波导高度和宽度方向上仅支持te0传输模式；所述微环波导在波导高度和宽度方向上仅支持te0传输模式；所述多模直波导在波导高度方向上仅支持te0传输模式；

4、所述波导芯层为相变材料层，所述多模直波导在特定波长的激光或者一定范围电压的加载下处于非晶态时，其在波导宽度方向上仅支持te0模式的传输；

5、所述多模直波导在特定波长的激光或者一定范围电压的加载下处于晶态或者晶态与非晶态之间的某一中间态时，所述单模直波导或者所述多模直波导作为输入波导，光信号从输入波导的输入端口输入后，与所述微环波导发生耦合并持续耦合至微环波导中，耦合进入微环波导的光信号经过微环的下部分或上部分耦合至所述多模直波导或所述单模波导后，从输出端口输出。

6、本发明还提供一种可重构模式转换器件，其包括下包层、位于下包层上的波导芯层和包裹该波导芯层的上包层，所述波导芯层由单模直波导、多模直波导和微环波导组成，单模直波导和微环波导结构之间具有第一间隙，多模直波导和微环波导结构之间具有第二间隙；所述单模直波导在波导高度和宽度方向上仅支持te0传输模式；所述微环波导在波导高度和宽度方向上仅支持te0传输模式；所述多模直波导在波导高度方向上仅支持te0传输模式；

7、所述波导芯层为相变材料层，所述多模直波导在特定波长的激光或者一定范围电压的加载下处于非晶态时，其在波导宽度方向上至少支持te0和te1模式的传输；

8、所述多模直波导在特定波长的激光或者一定范围电压的加载下处于晶态、晶态与非晶态之间的某一中间态或者非晶态，所述单模直波导或者所述多模直波导作为输入波导，光信号从输入波导的输入端口输入后，与所述微环波导发生耦合并持续耦合至微环波导中，耦合进入微环波导的光信号经过微环的下部分或上部分耦合至所述多模直波导或所述单模波导后，从输出端口输出。

9、进一步地，所述单模直波导平行于所述多模直波导。

10、进一步地，所述第一间隙的大小与所述第二间隙的大小不相等。

11、进一步地，所述微环波导由第一半圆形波导、第一子单模直波导、第二半圆形波导和第二子单模直波导依次首尾连接呈对称结构。

12、进一步地，所述第一子单模直波导、所述第二子单模直波导、所述单模直波导和所述多模直波导之间互相平行。

13、进一步地，所述相变材料层的材料为相变材料sb2s3，相变材料sb2s3在特定波长的激光或者一定范围电压的加载下，其折射率的变化范围为2.7～3.3。

14、进一步地，所述下包层为lnoi薄膜，所述上包层为空气。

15、进一步地，所述第一半圆形波导和所述第二半圆形波导的弯曲半径大于5微米。

16、进一步地，所述多模直波导在特定波长激光的照射下，所述模式转换器件所支持的任意模式间转换时的插入损耗均小于0.5db，消光比高于15db，任意两个模式间的串扰不高于-20db。

17、与现有技术相比较，本发明至少具有如下有益效果：

18、本发明基于相变材料在晶态、中间态和非晶态条件下的折射率变化，且对比度大、非易失的特点，设置单模直波导、微环波导和多模直波导的结构，多模直波导在特定波长的激光或者一定范围电压的加载下，折射率发生变化，处于晶态、中间态或非晶态时，其在波导宽度方向上支持多个模式的传输，所述可重构模式转换器件能够在波导所支持的各个模式下满足相位匹配条件，产生谐振状态，从而实现低阶模式与高阶模式之间的相互转换，提高了传输效率，达到了实现低损耗、低串扰、高消光比和高集成度的要求。采用微环波导作为单模直波导与多模直波导之间的过渡，其好处在于解决了传统非对称定向耦合器在不同模式之间完全转换(即耦合效率100％)所需的耦合长度不同的问题。微环波导只需达成临界耦合条件即可高效率的进行模式转换，其与单模直波导和多模直波导之间的耦合效率并不需要达到100％，因此可以在相变材料进行不同状态的转变时，实现基模与不同高阶模之间的高效率转换。例如在采用相变材料sb2s3作为波导芯层时，通过对波导结构参数的选择，实现了模式转换器件可以支持te0模式与te1模式和te2模式间的相互转换，在工作波长1550nm处，所支持的任意模式间转换时的插入损耗均小于0.5db，消光比高于15db，任意两个模式间的串扰不高于-20db。

技术特征：

1.一种可重构模式转换器件，其包括下包层、位于下包层上的波导芯层和包裹该波导芯层的上包层，其特征在于，所述波导芯层由单模直波导、多模直波导和微环波导组成，单模直波导和微环波导结构之间具有第一间隙，多模直波导和微环波导结构之间具有第二间隙；所述单模直波导在波导高度和宽度方向上仅支持te0传输模式；所述微环波导在波导高度和宽度方向上仅支持te0传输模式；所述多模直波导在波导高度方向上仅支持te0传输模式；

2.一种可重构模式转换器件，其包括下包层、位于下包层上的波导芯层和包裹该波导芯层的上包层，其特征在于，所述波导芯层由单模直波导、多模直波导和微环波导组成，单模直波导和微环波导结构之间具有第一间隙，多模直波导和微环波导结构之间具有第二间隙；所述单模直波导在波导高度和宽度方向上仅支持te0传输模式；所述微环波导在波导高度和宽度方向上仅支持te0传输模式；所述多模直波导在波导高度方向上仅支持te0传输模式；

3.根据权利要求1或2所述的可重构模式转换器件，其特征在于，所述单模直波导平行于所述多模直波导。

4.根据权利要求3所述的可重构模式转换器件，其特征在于，所述第一间隙的大小与所述第二间隙的大小不相等。

5.根据权利要求3所述的可重构模式转换器件，其特征在于，所述微环波导由第一半圆形波导、第一子单模直波导、第二半圆形波导和第二子单模直波导依次首尾连接呈对称结构。

6.根据权利要求5所述的可重构模式转换器件，其特征在于，所述第一子单模直波导、所述第二子单模直波导、所述单模直波导和所述多模直波导之间互相平行。

7.根据权利要求1、2、4至6任一项的所述可重构模式转换器件，其特征在于，所述相变材料层的材料为相变材料sb2s3，相变材料sb2s3在特定波长的激光或者一定范围电压的加载下，其折射率的变化范围为2.7～3.3。

8.根据权利要求7所述的可重构模式转换器件，其特征在于，所述下包层为铌酸锂(lnoi)薄膜，所述上包层为空气。

9.根据权利要求8所述的可重构模式转换器件，其特征在于，所述第一半圆形波导和所述第二半圆形波导的弯曲半径大于5微米。

10.根据权利要求1、2、4至6、8、9中任一项所述的可重构模式转换器件，其特征在于，所述多模直波导在特定波长激光的照射下，所述模式转换器件所支持的任意模式间转换时的插入损耗均小于0.5db，消光比高于15db，任意两个模式间的串扰不高于-20db。

技术总结
本发明涉及一种可重构模式转换器件，为相变材料层的波导芯层由单模直波导、多模直波导和微环波导组成，多模直波导在特定波长的激光或者一定范围电压的加载下处于非晶态时，其在波导宽度方向上至少支持TE<subgt;0</subgt;和TE<subgt;1</subgt;模式的传输；多模直波导在特定波长的激光或者一定范围电压的加载下处于晶态、晶态与非晶态之间的某一中间态或者非晶态时，单模直波导或者多模直波导作为输入波导，光信号从输入波导的输入端口输入后，与微环波导发生耦合并持续耦合至微环波导中，耦合进入微环波导的光信号经过微环的下部分或上部分耦合至多模直波导或单模波导后，从输出端口输出。该器件提高了传输效率，达到了实现低损耗、低串扰、高消光比和高集成度的要求。

技术研发人员：朱凝,刘兵,林海荣,习威,赖益帆
受保护的技术使用者：师大海能应急科技（清远）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/10/31