[发明专利]一种可调谐型模式转换器及其制备方法

说明书

一种可调谐型模式转换器及其制方法，属于平面光波导器件技术领域。沿光的传播方向由输入少模直波导、第一3‑dB Y分支分束器、第一输入直波导、第二输入直波导、第二3‑dB Y分支分束器、第三3‑dB Y分支分束器、四条调制臂、第二3‑dB Y分支耦合器、第三3‑dB Y分支耦合器、第一输出直波导、第二输出直波导、第一3‑dB Y分支耦合器、输出少模直波导以及四条平行的加热电极构成；从下至上，为硅片衬底、二氧化硅下包层、条形结构的光波导芯层、聚合物上包层结构；加热电极位于调制臂的正上方，芯层材料的折射率高于上包层材料。本发明通过对MZI结构的调制臂进行调制实现对四个光学模式进行相互转换的目的。

技术领域

本发明属于平面光波导器件技术领域，具体涉及一种以硅片作为衬底、以二氧化硅作为下包层、以具有高热光系数的有机聚合物材料作为光波导芯层和上包层的可调谐型模式转换器及其制备方法。

背景技术

互联网技术发展迅速，需要传输的数据量呈指数增长，传统的电互联已经难以满足快速增长的数据传输量的需求，因此，光互联应运而生。与传统的电互联不同的是，光互联以光作为数据传输的媒介，大大提高了数据传输速度。传统的单模光纤只能传输一种模式的光，为了提高单模光纤的信息容量，针对光的波长、幅度、偏振、相位等信息，提出了波分复用、偏分复用、多维编码调制以及正交频分复用等。到2017年，单模光纤的通信容量已经达到了71.6Tb/s。但是，由于光纤非线性效应以及香农极限的影响，单模光纤的通信容量也慢慢达到极限。对于单模光纤，光的波长、偏振、相位等信息维度都已经得到充分利用的情况下，想要进一步提升光纤的通信容量，便需要开发新的维度，于是便提出了模分复用技术。模分复用技术是将传统单模波导的半径增大，使其能传输更多的光学模式，这些模式相互正交，都能够作为一个独立的信道传输信息，这便使得信道传输容量成倍增加。

模式转换器(模式开关)是在光通信领域应用十分广泛的器件之一，是模分复用(Mode-DivisionMultiplexing,WDM)网络和系统中的核心器件。在输入端，模式转换器将携带不同信息的基模转换成所需的高阶模，不同的光学模式复用到同一个少模光纤中进行传输且彼此互不影响。在输出端，模式转换器又将高阶模转换为基模，与单模光通信系统相连接。与基于光纤的模式转换器相比，基于平面光波导结构的模式转换器不仅可以与光纤很好的兼容，而且还具有结构紧凑、可调谐、插入损耗小、模式相关损耗小、设计灵活、种类丰富等优点。且由于采用光刻工艺制作，可以在非常小的面积上实现非常复杂的功能，可以获得非常高的集成度。传统的模式转换器是不可调谐的，不同的模式从对应的输出端口输出。为了使器件更加灵活，可以通过电光效应、热光效应、磁光效应等对信号光的相位进行调制，从而实现不同光学模式输出端口的切换功能。

根据材料体系的不同，模式转换器可以分为很多种类。其中二氧化硅/硅(SOI)材料体系的光波导器件由于具有较大的光波导芯层和包层折射率差，制备的器件尺寸较小，但价格昂贵且制备工艺比较复杂。与无机材料相比，聚合物材料的光波导器件具有制作工艺简单、成本低廉、介电常数低、光学损伤阈值高、可以进行功能掺杂且能够与半导体工艺兼容等优点。此外，聚合物材料还可以通过掺杂实现更多的优良性能。聚合物材料具有较大的热光系数，但具有较低的热导率，因此可以通过热光效应对聚合物材料制备的器件进行调制，且功耗较低。利用这些性能，可以使利用其制备的模式转换器具有速度快、功耗小的优点。

但传统的模式转换器能够实现转换的模式数目比较少，并且大部分器件不能调谐，进而限制了光通信数据传输容量的进一步提高。

发明内容

为了克服传统的模式复用器的不足，本发明的目的在于提供一种可以处理多个光学模式的可调谐型模式转换器及其制备方法。