本發(fā)明涉及一種硅基緊湊式模階數(shù)轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換方法，屬于集成光學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：近幾年，光通信領(lǐng)域中全光網(wǎng)絡(luò)引起極大的興趣。全光網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢在于帶寬的極大拓展與端到端的低延遲性。對于全光網(wǎng)絡(luò)，越來越多的關(guān)注點(diǎn)放到全光器件的研究。分支波導(dǎo)是集成光學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵部分。通過耦合效應(yīng)，分支波導(dǎo)被設(shè)計(jì)為光開關(guān)、波長選擇濾波器、邏輯門等等。模階數(shù)轉(zhuǎn)換器也是全光器件另一個(gè)很好的研究方向。光子集成電路的微光子器件，由于它的器件密度高與低功耗的特點(diǎn)，已經(jīng)吸引了各種光通信方面的應(yīng)用。分支波導(dǎo)可以空分單通道波導(dǎo)中的多模為多個(gè)波導(dǎo)中的單模。這些分支波導(dǎo)可以被用在多模波導(dǎo)中來選擇性激勵(lì)導(dǎo)模。這一獨(dú)特的模式處理的特性，可以應(yīng)用在復(fù)用/解復(fù)用技術(shù)上。另外，也可以通過熱光或電光調(diào)制實(shí)現(xiàn)多端口光開關(guān)。一個(gè)多通道分支波導(dǎo)，沿著多模區(qū)域傳輸?shù)絾文７种^(qū)域，就可以成為模式分離器；光沿反方向傳輸，就可以看作模式合成器。模階數(shù)轉(zhuǎn)換器可以分為有源光器件與無源光器件，無源光器件是一種結(jié)構(gòu)緊湊、易集成、容差性好等優(yōu)點(diǎn)?；诠杌o湊式模階數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)提出在光子集成電路領(lǐng)域是創(chuàng)新型的研究與貢獻(xiàn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種硅基緊湊式模階數(shù)轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換方法，這種轉(zhuǎn)換器具有結(jié)構(gòu)簡單、制作容差性好、緊湊便于集成、成本低、損耗低的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大范圍的光波導(dǎo)集成。技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種硅基緊湊式模階數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器為硅基脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括依次連接的輸入波導(dǎo)(1)、第一Y分支波導(dǎo)區(qū)域、錐形波導(dǎo)區(qū)域、第二Y分支波導(dǎo)區(qū)域以及輸出波導(dǎo)(2)。所述輸入波導(dǎo)(1)用于輸入光信號(hào)，而所述輸出波導(dǎo)(2)用于輸出光信號(hào)。所述第一Y分支波導(dǎo)區(qū)域包括第一彎曲波導(dǎo)(3)、第二彎曲波導(dǎo)(4)、第三彎曲波導(dǎo)(5)、第四彎曲波導(dǎo)(6)，而所述第二Y分支波導(dǎo)區(qū)域包括第五彎曲波導(dǎo)(7)、第六彎曲波導(dǎo)(8)、第七彎曲波導(dǎo)(9)、第八彎曲波導(dǎo)(10)。所述錐形波導(dǎo)區(qū)域包括第一錐形波導(dǎo)(11)、第二錐形波導(dǎo)(12)、第三錐形波導(dǎo)(13)、第四錐形波導(dǎo)(14)。所述第一彎曲波導(dǎo)(3)、第二彎曲波導(dǎo)(4)、第三彎曲波導(dǎo)(5)、第四彎曲波導(dǎo)(6)由上到下依設(shè)置在輸入波導(dǎo)(1)的輸出端，且所述第一彎曲波導(dǎo)(3)、第二彎曲波導(dǎo)(4)、第三彎曲波導(dǎo)(5)、第四彎曲波導(dǎo)(6)的橫截面寬度由上到下依次由寬變窄。而所述第五彎曲波導(dǎo)(7)、第六彎曲波導(dǎo)(8)、第七彎曲波導(dǎo)(9)、第八彎曲波導(dǎo)(10)由上到下依設(shè)置在輸出波導(dǎo)(2)的輸入端，且所述第五彎曲波導(dǎo)(7)、第六彎曲波導(dǎo)(8)、第七彎曲波導(dǎo)(9)、第八彎曲波導(dǎo)(10)的橫截面寬度由上到下依次由寬變窄。所述第一彎曲波導(dǎo)(3)與第五彎曲波導(dǎo)(7)之間通過第一錐形波導(dǎo)(11)連接，且所述第一錐形波導(dǎo)(11)的錐形頂端指向第五彎曲波導(dǎo)(7)。所述第二彎曲波導(dǎo)(4)與第六彎曲波導(dǎo)(8)之間通過第二錐形波導(dǎo)(12)連接，且所述第二錐形波導(dǎo)(12)的錐形頂端指向第六彎曲波導(dǎo)(8)。所述第三彎曲波導(dǎo)(5)與第七彎曲波導(dǎo)(9)之間通過第三錐形波導(dǎo)(13)連接，且所述第三錐形波導(dǎo)(13)的錐形頂端指向第七彎曲波導(dǎo)(9)。所述第四彎曲波導(dǎo)(6)與第八彎曲波導(dǎo)(10)之間通過第四錐形波導(dǎo)(14)連接，且所述第四錐形波導(dǎo)(14)的錐形頂端指向第八彎曲波導(dǎo)(10)。優(yōu)選的：所述輸入波導(dǎo)(1)、第一Y分支波導(dǎo)區(qū)域、錐形波導(dǎo)區(qū)域、第二Y分支波導(dǎo)區(qū)域以及輸出波導(dǎo)(2)填充有介質(zhì)。優(yōu)選的：所述輸入波導(dǎo)(1)的寬度等于第一彎曲波導(dǎo)(3)、第二彎曲波導(dǎo)(4)、第三彎曲波導(dǎo)(5)、第四彎曲波導(dǎo)(6)的寬度之和?；蛘咚鲚斎氩▽?dǎo)(1)的寬度等于第五彎曲波導(dǎo)(7)、第六彎曲波導(dǎo)(8)、第七彎曲波導(dǎo)(9)、第八彎曲波導(dǎo)(10)的寬度之和。所述輸出波導(dǎo)(2)的寬度等于第一彎曲波導(dǎo)(3)、第二彎曲波導(dǎo)(4)、第三彎曲波導(dǎo)(5)、第四彎曲波導(dǎo)(6)的寬度之和。或者所述輸出波導(dǎo)(2)的寬度等于第五彎曲波導(dǎo)(7)、第六彎曲波導(dǎo)(8)、第七彎曲波導(dǎo)(9)、第八彎曲波導(dǎo)(10)的寬度之和。優(yōu)選的：所述第一彎曲波導(dǎo)(3)、第二彎曲波導(dǎo)(4)、第三彎曲波導(dǎo)(5)、第四彎曲波導(dǎo)(6)、第五彎曲波導(dǎo)(7)、第六彎曲波導(dǎo)(8)、第七彎曲波導(dǎo)(9)、第八彎曲波導(dǎo)(10)均為弧形結(jié)構(gòu)，各自的寬度分別由其相應(yīng)的波導(dǎo)中的模式?jīng)Q定。優(yōu)選的：所述第一錐形波導(dǎo)(11)、第二錐形波導(dǎo)(12)、第三錐形波導(dǎo)(13)、第四錐形波導(dǎo)(14)均為錐形結(jié)構(gòu)，各自的寬度分別由其相連的彎曲波導(dǎo)寬度決定。優(yōu)選的：所述輸入波導(dǎo)(1)的寬度或輸出波導(dǎo)(2)的寬度滿足：W=Σi=03wi,wi=w0-δ×ii=0,1,2,3;m(m-1)δ<2w0<λns2-nb2.]]>其中，W是輸入波導(dǎo)(1)的寬度或輸出波導(dǎo)(2)的寬度，wi是單模彎曲波導(dǎo)的寬度，i＝0,1,2,3；w0，w1，w2，w3依次減小，w0，w1，w2，w3依次表示第一彎曲波導(dǎo)(3)、第二彎曲波導(dǎo)(4)、第三彎曲波導(dǎo)(5)、第四彎曲波導(dǎo)(6)的寬度或者w0，w1，w2，w3依次表示第八彎曲波導(dǎo)(10)、第七彎曲波導(dǎo)(9)、第六彎曲波導(dǎo)(8)、第五彎曲波導(dǎo)(7)的寬度。m是模階數(shù)，δ是相鄰波導(dǎo)之間的寬度差，λ是自由空間波長，ns是芯層有效折射率，nb是包層有效折射率。優(yōu)選的：所述第一錐形波導(dǎo)(11)、第二錐形波導(dǎo)(12)、第三錐形波導(dǎo)(13)、第四錐形波導(dǎo)(14)的錐形模型為：αi(z)=wi+3+(wi-wi+3)Lz,i=0wi+1+(wi-wi+1)Lz,i=1.]]>其中，αi是錐形波導(dǎo)的直徑，wi是單模彎曲波導(dǎo)的寬度，i＝0,1,2,3；w0，w1，w2，w3依次表示第一彎曲波導(dǎo)(3)、第二彎曲波導(dǎo)(4)、第三彎曲波導(dǎo)(5)、第四彎曲波導(dǎo)(6)的寬度或者w0，w1，w2，w3依次表示第八彎曲波導(dǎo)(10)、第七彎曲波導(dǎo)(9)、第六彎曲波導(dǎo)(8)、第五彎曲波導(dǎo)(7)的寬度，z是光的傳輸方向，L錐形波導(dǎo)的長度。一種硅基緊湊式模階數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方法，多模光信號(hào)從輸入波導(dǎo)1輸入，在第一Y分支波導(dǎo)區(qū)域發(fā)生模式分離，沿著彎曲波導(dǎo)傳播，并在通過錐形波導(dǎo)區(qū)域時(shí)產(chǎn)生模階數(shù)變化，模階數(shù)轉(zhuǎn)換的對應(yīng)關(guān)系為TE0,0->TE3,0，TE1,0->TE2,0，TE2,0->TE1,0，TE3,0->TE0,0，或者模階數(shù)轉(zhuǎn)換的對應(yīng)關(guān)系為TE0,0->TE3,0，TE1,0->TE0,0，TE2,0->TE1,0，TE3,0->TE2,0；轉(zhuǎn)換后的模式受到彎曲波導(dǎo)的約束，通過第二Y分支波導(dǎo)區(qū)域再次模式合成，從輸出波導(dǎo)2輸出多模信號(hào)。有益效果：本發(fā)明提供的一種硅基緊湊式模階數(shù)轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換方法，2，具有以下有益效果：1、轉(zhuǎn)換器的核心部件為脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有很高的可靠性，輻射損耗小，提高集成光路的穩(wěn)定性。2、轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為弧形結(jié)構(gòu)，可有效減小傳統(tǒng)模階數(shù)轉(zhuǎn)換器中，分支波導(dǎo)與錐形波導(dǎo)連接時(shí)，波導(dǎo)間夾角太大而導(dǎo)致的光模輻射嚴(yán)重的情況，使得制作的器件轉(zhuǎn)換效率更加高。3、分離器設(shè)計(jì)為弧形結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)模階數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，彎曲波導(dǎo)比斜直波導(dǎo)具有更低的傳輸損耗，有效提升了轉(zhuǎn)換后模式的光功率，具有更高的應(yīng)用效應(yīng)。4、分離器設(shè)計(jì)為弧形結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器整體尺寸很大程度的縮小，縮短傳輸光程，從而減小光模輻射，使得制作的器件更加緊湊、易于集成、轉(zhuǎn)換效率高。5、轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)靈活、使用簡便。模階數(shù)轉(zhuǎn)換器為可倒用器件，即輸入端可作為輸出端，輸出端也可作為輸入端，正反方向都可實(shí)現(xiàn)模階轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)使用靈活。附圖說明圖1是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例的緊湊式模階數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例的硅基脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。圖3是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例中TE0,0->TE3,0模階數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)波形變化與光功率變化圖。圖4是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例中TE1,0->TE2,0模階數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)波形變化與光功率變化圖。圖5是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例中TE2,0->TE1,0模階數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)波形變化與光功率變化圖。圖6是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例中TE3,0->TE0,0模階數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)波形變化與光功率變化圖。圖7是本發(fā)明第二個(gè)實(shí)例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)說明如下：1–輸入波導(dǎo)，2–輸出波導(dǎo)，3-第一彎曲波導(dǎo)，4–第二彎曲波導(dǎo)，5–第三彎曲波導(dǎo)，6－第四彎曲波導(dǎo)，7－第五彎曲波導(dǎo)，8－第六彎曲波導(dǎo)，9－第七彎曲波導(dǎo)，10－第八彎曲波導(dǎo)，11－第一錐形波導(dǎo)，12－第二錐形波導(dǎo)，13－第三錐形波導(dǎo)，14－第四錐形波導(dǎo)，15–空氣，16–上覆層，17–芯層，18–下覆層，19–硅襯底。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。一種硅基緊湊式模階數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖1所示，所述轉(zhuǎn)換器為硅基脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括依次連接的輸入波導(dǎo)1、第一Y分支波導(dǎo)區(qū)域、錐形波導(dǎo)區(qū)域、第二Y分支波導(dǎo)區(qū)域以及輸出波導(dǎo)2。所述輸入波導(dǎo)1用于輸入光信號(hào)，而所述輸出波導(dǎo)2用于輸出光信號(hào)。所述第一Y分支波導(dǎo)區(qū)域包括第一彎曲波導(dǎo)3、第二彎曲波導(dǎo)4、第三彎曲波導(dǎo)5、第四彎曲波導(dǎo)6，而所述第二Y分支波導(dǎo)區(qū)域包括第五彎曲波導(dǎo)7、第六彎曲波導(dǎo)8、第七彎曲波導(dǎo)9、第八彎曲波導(dǎo)10。所述錐形波導(dǎo)區(qū)域包括第一錐形波導(dǎo)11、第二錐形波導(dǎo)12、第三錐形波導(dǎo)13、第四錐形波導(dǎo)14。所述第一彎曲波導(dǎo)3、第二彎曲波導(dǎo)4、第三彎曲波導(dǎo)5、第四彎曲波導(dǎo)6由上到下依設(shè)置在輸入波導(dǎo)1的輸出端，且所述第一彎曲波導(dǎo)3、第二彎曲波導(dǎo)4、第三彎曲波導(dǎo)5、第四彎曲波導(dǎo)6的橫截面寬度由上到下依次由寬變窄。而所述第五彎曲波導(dǎo)7、第六彎曲波導(dǎo)8、第七彎曲波導(dǎo)9、第八彎曲波導(dǎo)10由上到下依設(shè)置在輸出波導(dǎo)2的輸入端，且所述第五彎曲波導(dǎo)7、第六彎曲波導(dǎo)8、第七彎曲波導(dǎo)9、第八彎曲波導(dǎo)10的橫截面寬度由上到下依次由寬變窄。選自模階數(shù)限制的波導(dǎo)寬度作為彎曲波導(dǎo)的寬度。所述第一彎曲波導(dǎo)3與第五彎曲波導(dǎo)7之間通過第一錐形波導(dǎo)11連接，且所述第一錐形波導(dǎo)11的錐形頂端指向第五彎曲波導(dǎo)7。所述第二彎曲波導(dǎo)4與第六彎曲波導(dǎo)8之間通過第二錐形波導(dǎo)12連接，且所述第二錐形波導(dǎo)12的錐形頂端指向第六彎曲波導(dǎo)8。所述第三彎曲波導(dǎo)5與第七彎曲波導(dǎo)9之間通過第三錐形波導(dǎo)13連接，且所述第三錐形波導(dǎo)13的錐形頂端指向第七彎曲波導(dǎo)9。所述第四彎曲波導(dǎo)6與第八彎曲波導(dǎo)10之間通過第四錐形波導(dǎo)14連接，且所述第四錐形波導(dǎo)14的錐形頂端指向第八彎曲波導(dǎo)10。光信號(hào)從輸入波導(dǎo)1輸入，在通過第一彎曲波導(dǎo)3、第二彎曲波導(dǎo)4、第三彎曲波導(dǎo)5、第四彎曲波導(dǎo)6時(shí)分別產(chǎn)生模式分離，在通過第一錐形波導(dǎo)11、第二錐形波導(dǎo)12、第三錐形波導(dǎo)13、第四錐形波導(dǎo)14分別產(chǎn)生模階數(shù)轉(zhuǎn)化，最后在通過第五彎曲波導(dǎo)7、第六彎曲波導(dǎo)8、第七彎曲波導(dǎo)9、第八彎曲波導(dǎo)10產(chǎn)生模式合成。如圖1所示，所述第一彎曲波導(dǎo)3(寬度w0)對應(yīng)于第五彎曲波導(dǎo)7(寬度w3)。所述第二彎曲波導(dǎo)4(寬度w1)第六彎曲波導(dǎo)8(寬度w2)。所述第三彎曲波導(dǎo)5(寬度w2)對應(yīng)于第七彎曲波導(dǎo)9(寬度w1)。所述第四彎曲波導(dǎo)6(寬度w3)對應(yīng)于第八彎曲波導(dǎo)10(寬度w0)。所述輸入波導(dǎo)1、第一Y分支波導(dǎo)區(qū)域、錐形波導(dǎo)區(qū)域、第二Y分支波導(dǎo)區(qū)域以及輸出波導(dǎo)2填充有介質(zhì)。所述輸入波導(dǎo)1的寬度等于第一彎曲波導(dǎo)3、第二彎曲波導(dǎo)4、第三彎曲波導(dǎo)5、第四彎曲波導(dǎo)6的寬度之和?；蛘咚鲚斎氩▽?dǎo)1的寬度等于第五彎曲波導(dǎo)7、第六彎曲波導(dǎo)8、第七彎曲波導(dǎo)9、第八彎曲波導(dǎo)10的寬度之和。所述輸出波導(dǎo)2的寬度等于第一彎曲波導(dǎo)3、第二彎曲波導(dǎo)4、第三彎曲波導(dǎo)5、第四彎曲波導(dǎo)6的寬度之和?；蛘咚鲚敵霾▽?dǎo)2的寬度等于第五彎曲波導(dǎo)7、第六彎曲波導(dǎo)8、第七彎曲波導(dǎo)9、第八彎曲波導(dǎo)10的寬度之和。所述第一彎曲波導(dǎo)3、第二彎曲波導(dǎo)4、第三彎曲波導(dǎo)5、第四彎曲波導(dǎo)6、第五彎曲波導(dǎo)7、第六彎曲波導(dǎo)8、第七彎曲波導(dǎo)9、第八彎曲波導(dǎo)10均為弧形結(jié)構(gòu)，各自的寬度分別由其相應(yīng)的波導(dǎo)中的模式?jīng)Q定。弧形結(jié)構(gòu)是指采用圓弧函數(shù)制作而成的一段彎曲波導(dǎo)，其本質(zhì)是一個(gè)圓的函數(shù)表達(dá)式xi2+zi2＝Ri2，其中xi，zi，Ri分別是第一彎曲波導(dǎo)3、第二彎曲波導(dǎo)4、第三彎曲波導(dǎo)5、第四彎曲波導(dǎo)6、第五彎曲波導(dǎo)7、第六彎曲波導(dǎo)8、第七彎曲波導(dǎo)9、第八彎曲波導(dǎo)10的x坐標(biāo)，z坐標(biāo)與所屬圓的半徑。通過合理設(shè)計(jì)弧形結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)：彎曲半徑Ri與弧長，能夠大大減小轉(zhuǎn)換器的長度，且減小連接處的波導(dǎo)間的夾角，能有效減少輻射模。錐形結(jié)構(gòu)是利用線性函數(shù)制作而成的一段錐形波導(dǎo)，其表達(dá)式為αi(z)＝wstart+(wend-wstart)×z/L，其中αi(z)，wstart，wend，L分別是第一錐形波導(dǎo)11、第二錐形波導(dǎo)12、第三錐形波導(dǎo)13、第四錐形波導(dǎo)14的直徑，起始寬度，末端寬度以及長度。通過合理設(shè)計(jì)錐形結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)：長度L，能夠成功實(shí)現(xiàn)低高模階數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。合理設(shè)計(jì)彎曲波導(dǎo)與錐形波導(dǎo)，從而使得轉(zhuǎn)換器更趨于小型化、易集成。所述第一錐形波導(dǎo)11、第二錐形波導(dǎo)12、第三錐形波導(dǎo)13、第四錐形波導(dǎo)14均為單模干涉波導(dǎo)，其形狀均為錐形結(jié)構(gòu)，各自的寬度分別由其相連的彎曲波導(dǎo)寬度決定。所述輸入波導(dǎo)1的寬度或輸出波導(dǎo)2的寬度滿足：W=Σi=03wi,wi=w0-δ×ii=0,1,2,3;m(m-1)δ<2w0<λns2-nb2.]]>其中，W是輸入波導(dǎo)1的寬度或輸出波導(dǎo)2的寬度，wi是單模彎曲波導(dǎo)的寬度，i＝0,1,2,3；w0，w1，w2，w3依次減小，w0，w1，w2，w3依次表示第一彎曲波導(dǎo)3、第二彎曲波導(dǎo)4、第三彎曲波導(dǎo)5、第四彎曲波導(dǎo)6的寬度或者w0，w1，w2，w3依次表示第八彎曲波導(dǎo)10、第七彎曲波導(dǎo)9、第六彎曲波導(dǎo)8、第五彎曲波導(dǎo)7的寬度。m是模階數(shù)，δ是相鄰波導(dǎo)之間的寬度差，λ是自由空間波長，ns是芯層有效折射率，nb是包層有效折射率。所述第一錐形波導(dǎo)11、第二錐形波導(dǎo)12、第三錐形波導(dǎo)13、第四錐形波導(dǎo)14的錐形模型為：αi(z)=wi+3+(wi-wi+3)Lz,i=0wi+1+(wi-wi+1)Lz,i=1.]]>其中，αi是錐形波導(dǎo)的直徑，wi是單模彎曲波導(dǎo)的寬度，i＝0,1,2,3；w0，w1，w2，w3依次表示第一彎曲波導(dǎo)3、第二彎曲波導(dǎo)4、第三彎曲波導(dǎo)5、第四彎曲波導(dǎo)6的寬度或者w0，w1，w2，w3依次表示第八彎曲波導(dǎo)10、第七彎曲波導(dǎo)9、第六彎曲波導(dǎo)8、第五彎曲波導(dǎo)7的寬度，z是光的傳輸方向，L錐形波導(dǎo)的長度。通過仿真結(jié)果證明，錐形波導(dǎo)的長度設(shè)計(jì)足夠長以保證模階數(shù)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90％以上。一種硅基緊湊式模階數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換方法，多模光信號(hào)從輸入波導(dǎo)1輸入，在第一Y分支波導(dǎo)區(qū)域發(fā)生模式分離，沿著彎曲波導(dǎo)傳播，并在通過錐形波導(dǎo)區(qū)域時(shí)產(chǎn)生模階數(shù)變化，模階數(shù)轉(zhuǎn)換的對應(yīng)關(guān)系為TE0,0->TE3,0，TE1,0->TE2,0，TE2,0->TE1,0，TE3,0->TE0,0，(即TE0,0模轉(zhuǎn)換為TE3,0模，TE1,0模轉(zhuǎn)換為TE2,0模，TE2,0模轉(zhuǎn)換為TE1,0模，TE3,0模轉(zhuǎn)換為TE0,0模)，轉(zhuǎn)換后的模式受到彎曲波導(dǎo)的約束，通過第二Y分支波導(dǎo)區(qū)域再次模式合成，從輸出波導(dǎo)2輸出多模信號(hào)。器件選用多模的輸入波導(dǎo)1、輸出波導(dǎo)2，偏振不敏感、帶寬高、制作容差性好，具有大的工作范圍。彎曲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小器件長度，緊湊性好。用于模階數(shù)轉(zhuǎn)換的錐形波導(dǎo)(第一錐形波導(dǎo)11、第二錐形波導(dǎo)12、第三錐形波導(dǎo)13、第四錐形波導(dǎo)14)，利用了干涉自成像效應(yīng)，能大大縮小轉(zhuǎn)換器的長度，使器件小型化。用于模式分離/合成的Y分支波導(dǎo)，利用彎曲波導(dǎo)(第一彎曲波導(dǎo)3、第二彎曲波導(dǎo)4、第三彎曲波導(dǎo)5、第四彎曲波導(dǎo)6、第五彎曲波導(dǎo)7、第六彎曲波導(dǎo)8、第七彎曲波導(dǎo)9、第八彎曲波導(dǎo)10)的連接平滑的特點(diǎn)，能大大減小輻射模，提高轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。輸出波導(dǎo)2的光功率與模態(tài)變化，即可反映出模式的變化情況，轉(zhuǎn)換效率高。本發(fā)明結(jié)構(gòu)用彎曲波導(dǎo)作為Y分支波導(dǎo)的部件，組成模式分離/合成器，則波導(dǎo)的器件長度會(huì)縮小且并沒有表現(xiàn)出不良現(xiàn)象。本發(fā)明結(jié)構(gòu)在錐形波導(dǎo)兩端沿著光信號(hào)傳輸方向引入兩條彎曲波導(dǎo)，則光信號(hào)的傳輸損耗會(huì)減小且并沒有表現(xiàn)出不良現(xiàn)象。圖3是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例中TE0,0->TE3,0模階數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)波形變化與光功率變化圖。圖4是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例中TE1,0->TE2,0模階數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)波形變化與光功率變化圖。圖5是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例中TE2,0->TE1,0模階數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)波形變化與光功率變化圖。圖6是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)例中TE3,0->TE0,0模階數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)波形變化與光功率變化圖。以上數(shù)據(jù)表明本發(fā)明的具有優(yōu)良的模階數(shù)轉(zhuǎn)換效率，以及較少的光功率損耗。多模轉(zhuǎn)換器件具有帶寬高、對偏振不敏感、制作容差性好等優(yōu)點(diǎn)，但是，一般地由于分支波導(dǎo)數(shù)量以及模式分離/合成及轉(zhuǎn)換的長度的要求，多模干涉器件的長度值會(huì)達(dá)到毫米甚至厘米級(jí)別，對于制作緊湊型傳感器非常不利。所以本發(fā)明基于設(shè)計(jì)方案的理論支持，提出了減少器件長度與減少輻射模的優(yōu)化設(shè)計(jì)：使用彎曲波導(dǎo)作為Y分支波導(dǎo)部件。圖7是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)例，將錐形波導(dǎo)兩端的對應(yīng)的彎曲波導(dǎo)寬度對應(yīng)關(guān)系重新做了設(shè)計(jì)，其特征在于：所述轉(zhuǎn)換器的彎曲波導(dǎo)3、4、5、6、7、8、9、10為弧形結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)3(寬度w0)對應(yīng)于波導(dǎo)7(寬度w1)，波導(dǎo)4(寬度w1)對應(yīng)于波導(dǎo)8(寬度w2)，波導(dǎo)5(寬度w2)對應(yīng)于波導(dǎo)9(寬度w3)，波導(dǎo)6(寬度w3)對應(yīng)于波導(dǎo)10(寬度w0)。以改變模階數(shù)轉(zhuǎn)換的對應(yīng)關(guān)系為TE0,0->TE1,0，TE1,0->TE2,0，TE2,0->TE3,0，TE3,0->TE1,0。滿足了不同性能需求，且同時(shí)需要重新設(shè)計(jì)錐形波導(dǎo)的尺寸，制作的轉(zhuǎn)換器也是緊湊式，便于集成，轉(zhuǎn)換效率高。本發(fā)明設(shè)計(jì)的錐形波導(dǎo)的模階數(shù)轉(zhuǎn)換器件具有很高的可靠性，在光子集成領(lǐng)域具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。另外，由于這種結(jié)構(gòu)低損耗、致密等優(yōu)良特性可能會(huì)帶來集成工藝的改善，大批量生產(chǎn)降低成本，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在實(shí)際生活中得到廣泛的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，還可以將光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)功能集成在同一平臺(tái)上以獲得實(shí)驗(yàn)上的有源器件，進(jìn)一步為光子集成電路領(lǐng)域及其它相關(guān)領(lǐng)域開辟新型的道路。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3