本發(fā)明涉及模式轉(zhuǎn)換，尤其涉及一種非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器及模式轉(zhuǎn)換調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

1、隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，人類社會對于通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸容量和帶寬的需求不斷攀升，傳統(tǒng)的集成電路技術(shù)逐漸暴露出難以滿足這些需求的局限性。光子技術(shù)，憑借其傳輸速度快、能耗低和并行處理能力強的特點，正在成為下一代信息傳輸和處理系統(tǒng)的核心技術(shù)。特別是集成光子技術(shù)在片上光信息傳輸和光互連系統(tǒng)中的應(yīng)用，提供了有效應(yīng)對未來信息傳輸挑戰(zhàn)的解決方案。模式復(fù)用解復(fù)用器(mode?division?multiplexing,mdm)因其能夠利用波導(dǎo)中的多種模式進行并行信息傳輸，成為提升信息傳輸容量和速度的重要手段。然而，要實現(xiàn)這種高效的模式復(fù)用和解復(fù)用，模式轉(zhuǎn)換器(mode?converter)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它直接影響到信息傳輸?shù)男省⒖煽啃院拖到y(tǒng)的整體性能。

2、近年來，隨著集成光子技術(shù)的快速發(fā)展，模式轉(zhuǎn)換器的研究也取得了顯著進展。然而，目前已提出的模式轉(zhuǎn)換器基于各種不同的結(jié)構(gòu)，如非對稱定向耦合器、馬赫-曾德爾干涉器、多模干涉儀等，這些轉(zhuǎn)換器盡管性能不錯，但是通常同一器件只能實現(xiàn)某一特定的模式轉(zhuǎn)換，如只能實現(xiàn)te0模轉(zhuǎn)換為te1模，再想實現(xiàn)te0模轉(zhuǎn)換為te3模時便只能重新設(shè)計并制造新的結(jié)構(gòu)，而不能利用同一個器件實現(xiàn)不同的模式轉(zhuǎn)換。將相變材料與硅基模式轉(zhuǎn)換器結(jié)合便可解決這些問題。相變材料可以通過脈沖激光或者加熱的方式實現(xiàn)晶態(tài)與非晶態(tài)之間的切換，且這種相變是非易失，在這個過程中材料晶態(tài)與非晶態(tài)的折射率不同，因此改變了器件的折射率分布。通過調(diào)諧每個相變單元的相變態(tài)，便可在同一個器件上實現(xiàn)任意模式的轉(zhuǎn)換，以此實現(xiàn)一種非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器。該模式轉(zhuǎn)換器不僅能夠在芯片級實現(xiàn)高效的模式轉(zhuǎn)換，還能與現(xiàn)有的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)工藝兼容，具有高集成度、低成本和兼容性好的優(yōu)勢，是一種十分有潛力的方案?，F(xiàn)有的模式轉(zhuǎn)換器基本都是通過刻蝕或者在刻蝕凹槽中填補相變材料來實現(xiàn)的，這些方式通常伴隨著不可忽的插入損耗，且不能實現(xiàn)可編程調(diào)諧。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器及模式轉(zhuǎn)換調(diào)控方法。

2、本發(fā)明提出的一種非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器，包括：絕緣體上硅基體和相變層；

3、絕緣體上硅基體包括二氧化硅層和位于二氧化硅層上方的硅層，絕緣體上硅包括沿光傳播方向依次設(shè)置的第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域，所述第一區(qū)域作為輸入波導(dǎo)區(qū)，相變層位于第二區(qū)域上方形成波導(dǎo)耦合區(qū)，所述第三區(qū)域作為輸出波導(dǎo)區(qū)，相變層為由多個可像素單元構(gòu)成的像素陣列，每個像素單元由具有晶態(tài)和非晶態(tài)的相變材料制成。

4、優(yōu)選地，所述相變材料采用sb2se3。

5、優(yōu)選地，二氧化硅層厚度為3um，硅層厚度為220nm，相變層厚度為23nm。

6、優(yōu)選地，絕緣體上硅基體與相變層寬度相等。

7、優(yōu)選地，相變層寬度為6μm，長度為33μm，所述像素單元為邊長為750nm的正方形。

8、本發(fā)明中，所提出的非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器，絕緣體上硅基體包括二氧化硅層和位于二氧化硅層上方的硅層，絕緣體上硅包括沿光傳播方向依次設(shè)置的第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域，所述第一區(qū)域作為輸入波導(dǎo)區(qū)，相變層位于第二區(qū)域上方形成波導(dǎo)耦合區(qū)，所述第三區(qū)域作為輸出波導(dǎo)區(qū)，相變層為由多個可像素單元構(gòu)成的像素陣列，每個像素單元由具有晶態(tài)和非晶態(tài)的相變材料制成。通過上述優(yōu)化設(shè)計的非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器，易于加工，結(jié)構(gòu)簡單，在絕緣體上硅上鋪上一層相變材料，實現(xiàn)光信號經(jīng)過發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，利用相變材料晶態(tài)和非晶態(tài)之間折射率的差異，從而通過調(diào)節(jié)相變層的折射率分布，實現(xiàn)損耗可忽略不計的光信號可編程模式轉(zhuǎn)換。

9、本發(fā)明還提出一種上述的非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器的模式轉(zhuǎn)換調(diào)控方法，包括下列步驟：

10、根據(jù)品質(zhì)因子fom(figure?of?merit)調(diào)節(jié)相變層中像素單元的晶態(tài)或非晶態(tài)分布，以調(diào)節(jié)波導(dǎo)耦合區(qū)的折射率分布。

11、優(yōu)選地，所述根據(jù)品質(zhì)因子fom調(diào)節(jié)相變層中像素單元的晶態(tài)或非晶態(tài)分布，具體包括下列步驟：

12、s1、設(shè)置波導(dǎo)耦合區(qū)的像素單元的初始狀態(tài)，并計算該初始狀態(tài)下的模式轉(zhuǎn)換器當(dāng)前的fom值；

13、s2、按照預(yù)設(shè)順序切換像素單元的狀態(tài)并計算新的fom值；

14、s3、將新的fom值與當(dāng)前的fom值比較；

15、若增大，則將新的fom值賦值給當(dāng)前的fom值并保留切換后像素單元的狀態(tài)；

16、若否，則不保留像素單元的狀態(tài)，返回s2進行下一次切換，直到fom值滿足預(yù)設(shè)值。

17、優(yōu)選地，在s1中，所述fom值通過下列等式計算：

18、

19、其中，pout(tem)為輸出端目標(biāo)模式m的歸一化功率，pin(ten)為輸入端輸入模式n的歸一化功率。

20、優(yōu)選地，所述歸一化功率通過下列等式計算：

21、

22、其中，為模式的電場，為模式磁場的共軛轉(zhuǎn)置，為波導(dǎo)的橫截面積。

23、優(yōu)選地，在s2中，所述按照預(yù)設(shè)順序切換像素單元的狀態(tài)并計算新的fom值，具體包括，預(yù)設(shè)一個像素單元為起始像素單元，依次切換像素單元的狀態(tài)。

24、本發(fā)明中，所提出的模式轉(zhuǎn)換調(diào)控方法，其技術(shù)效果與上述裝置類似，因此不再贅述。

技術(shù)特征：

1.一種非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括：絕緣體上硅基體和相變層(2)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述相變材料采用sb2se3。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于，二氧化硅層(11)厚度為3um，硅層(12)厚度為220nm，相變層(2)厚度為23nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于，絕緣體上硅基體與相變層(2)寬度相等。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器，其特征在于，相變層(2)寬度為6μm，長度為33μm，所述像素單元為邊長為750nm的正方形。

6.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器的模式轉(zhuǎn)換調(diào)控方法，其特征在于，包括下列步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模式轉(zhuǎn)換調(diào)控方法，其特征在于，所述根據(jù)品質(zhì)因子fom調(diào)節(jié)相變層(2)中像素單元的晶態(tài)或非晶態(tài)分布，具體包括下列步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的模式轉(zhuǎn)換調(diào)控方法，其特征在于，

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的模式轉(zhuǎn)換調(diào)控方法，其特征在于，所述歸一化功率通過下列等式計算：

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的模式轉(zhuǎn)換調(diào)控方法，其特征在于，在s2中，所述按照預(yù)設(shè)順序切換像素單元的狀態(tài)并計算新的fom值，具體包括，預(yù)設(shè)一個像素單元為起始像素單元，依次切換像素單元的狀態(tài)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器及模式轉(zhuǎn)換調(diào)控方法，絕緣體上硅基體包括二氧化硅層和位于二氧化硅層上方的硅層，絕緣體上硅包括沿光傳播方向依次設(shè)置的第一區(qū)域、第二區(qū)域和第三區(qū)域，所述第一區(qū)域作為輸入波導(dǎo)區(qū)，相變層位于第二區(qū)域上方形成波導(dǎo)耦合區(qū)，所述第三區(qū)域作為輸出波導(dǎo)區(qū)，相變層為由多個可像素單元構(gòu)成的像素陣列，每個像素單元由具有晶態(tài)和非晶態(tài)的相變材料制成。上述非易失可編程的模式轉(zhuǎn)換器，在絕緣體上硅上鋪上一層相變材料，實現(xiàn)光信號經(jīng)過發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，利用相變材料晶態(tài)和非晶態(tài)之間折射率的差異和相變材料與空氣之間的折射率差，從而通過調(diào)節(jié)相變層的折射率分布，實現(xiàn)損耗可忽略不計的光信號可編程模式轉(zhuǎn)換。

技術(shù)研發(fā)人員：曲士良,楊鎮(zhèn)榕,孫璐璐,葉京夫,李金健,許偉將
受保護的技術(shù)使用者：桂林電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10