一种集成光模式转换器

1.本发明涉及一种集成光模式转换器，属于集成光信息处理技术领域。


背景技术：

2.在基于soi平台的集成光子芯片开发中，波导模式的偏振态引起了人们的广泛关注，它既会在波导传输中引入模式色散又可以用来编码信息；si(n＝3.476)和sio2(n＝1.444)之间的大折射率差使得集成光子器件对偏振具有很高的敏感性，在基于偏振模式编码的信息处理中具有很好的潜在应用；在解决偏振敏感问题时为了获得所需的偏振模式，提出了偏振分离器旋转器(psr)；近年来，已经出现了多种类型的偏振分离器旋转器，如非对称定向偏振耦合器(adc)、非对称y形偏振分离器、mmi偏振管理器等。
3.自由空间光信息不同于集成光子芯片，在信息处理中存在很多差异，为实现自由空间光和集成光的兼容，需要将他们之间的信息建立连接和互通。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种集成光模式转换器，实现集成光和自由空间光之间的模式转换。
5.为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.本发明提供了一种集成光模式转换器，包括以绝热锥形波导连接的偏振分离旋转器和波导表面全息光栅，绝热锥形波导设有两个，分别连接偏振分离旋转器的两个输出端口和波导表面全息光栅的两个输入端口；
7.集成光经过偏振分离旋转器分离成两个存在于不同波导中的te模式光，再经过两个绝热锥形波导分别耦合到波导表面全息光栅的两个输入端口，经过波导表面全息光栅的衍射作用生成自由空间中具有不同拓扑电荷的轨道角度量光。
8.进一步的，所述偏振分离旋转器由主波导和旁波导组成；
9.主波导的输入端是矩形波导，耦合区域是部分刻蚀的锥波导且刻蚀宽度逐渐增大，锥波导的宽度w
t
从w1逐渐减小到w3,耦合区域的末端是部分刻蚀的s弯波导且刻蚀宽度不变，为w3，在输出端前连接部分刻蚀的反相锥波导且刻蚀宽度逐渐减小，最后在输出端恢复成矩形波导；
10.旁波导是矩形波导，但在旁波导的输出端变化为锥波导且波导宽度逐渐变化到与主波导相同的宽度。
11.进一步的，所述偏振分离旋转器的两个输出端口具有相同的宽度。
12.进一步的，偏振分离旋转器的输出端口和波导表面全息光栅的输入端口通过绝热锥形波导进行匹配连接，将窄波导的te模式光绝热变换为宽波导的te模式光。
13.进一步的，所述波导表面全息光栅采用的条纹是波导中时间反转的te模式光和垂直于波导表面的具有拓扑电荷为+1的轨道角度量光干涉形成的条纹，所述轨道角度量光的束腰位于波导表面。
14.进一步的，所述集成光模式转换器基于硅波导制作而成，在1530nm-1565nm的波长范围内具有高转换效率和低损耗的特点，能够工作于c波段。
15.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
16.本发明提供的一种集成光模式转换器，将偏振分离旋转器和波导表面全息光栅进行组合，集成光经过偏振分离旋转器分离成两个存在于不同波导中的te模式光，再经过两个绝热锥形波导分别耦合到波导表面全息光栅的两个输入端口，经过波导表面全息光栅的衍射作用生成自由空间中具有不同拓扑电荷的轨道角度量光，实现了集成光的偏振模式光和自由空间光的轨道角度量光的转换，实现集成光和自由空间光之间的模式转换，从而建立两者之间的信息交互通道，为集成光子芯片与自由空间光的信息编码转换提供了一条新思路；
17.本发明提供的一种集成光模式转换器，尺寸是微米级，可以和集成光学器件兼容，具有可集成性和扩展性好等特点。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的一种集成光模式转换器的结构示意图；
19.图2是本发明实施例提供的主波导和旁波导中tm、te模式光有效折射率随波导宽度变化示意图；
20.图3是本发明实施例提供的pce、er
t
、err随偏振分离旋转器主波导刻蚀宽度的变化关系图；
21.图4是本发明实施例提供的绝热锥形波导的te模式光透过率(t)和消光比(er)与锥形波导角度(θ
t
)之间的关系图；
22.图5是本发明实施例提供的波导表面全息光栅衍射生成的涡旋光的保真度及衍射效率和光栅尺寸的关系图；
23.图6是本发明实施例提供的输入tm、te模式光时生成轨道角度量光的保真度与光波长的关系图；
24.图7是本发明实施例提供的集成光模式转换器的模式转换过程示意图；
25.图8是本发明实施例提供的波长1550nm下输入tm和te模式光经过poamc生成的oam光的场强及相位图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
27.如图1所示，本发明实施例提供的一种集成光模式转换器(poamc)，是将偏振分离旋转器(psr)和波导表面全息光栅(wgshg)通过绝热锥形波导有机结合组成而成。
28.模式转换器的材质是si材料，放置在sio2基底上，si材料的厚度为0.22μm。
29.偏振分离旋转器包括主波导和旁波导，主波导的宽度为0.6μm，旁波导的宽度为0.3μm，主波导的渐变刻蚀深度为0.07μm，刻蚀宽度从0.6μm逐渐变化到0.375μm，渐变长度为7.5μm；偏振分离旋转器的两个输出端口具有相同的宽度，为0.6μm。
30.绝热锥形波导设有两个，分别连接偏振分离旋转器的两个输出端口和波导表面全
息光栅的两个输入端口；绝热锥形波导的锥角为10
°
，长度为14.86μm。
31.波导表面全息光栅的长宽均为3.2μm，刻蚀深度为0.07μm，有效折射率为2.58。
32.在偏振分离旋转器部分采用锥形刻蚀波导以缩短耦合区域的长度。入射的集成光的tm、te模式光经过偏振分离旋转器后分离到两个波导(主波导和旁波导)中，输出波导宽度都为0.6μm，且都为te模式光；将输入的tm模式光耦合到旁波导(wg2)且转换为te模式光，转换效率为82％，而输入的te模式光继续沿主波导(wg1)传输。
33.将偏振分离旋转器两个端口输出的te模式光经过两个绝热锥形波导分别耦合到波导表面全息光栅的两个输入端口(port1、port2)，即将偏振分离旋转器两个端口输出的te模式光高效绝热的衍化为与波导表面全息光栅两输入端口向匹配的te模式光，转换效率为98.7％，同时滤除tm模式光，提高波导表面全息光栅生成涡旋光的保真度和消光比。
34.经过两个绝热锥形波导的te模式光再经过波导表面全息光栅的衍射作用生成自由空间中具有不同拓扑电荷(l＝-1和l＝+1)的轨道角度量光(涡旋光)；产生的涡旋光具有较高的保真度。
35.本发明提供的一种集成光模式转换器，在输入的集成光波长λ＝1550nm时，tm、te模式光输入产生的oam光的保真度分别为0.9和0.82；在输入的集成光波长λ＝1540nm-1590nm时，tm、te模式光输入产生的oam光的保真度均高于0.5，工作带宽约为50nm。
36.波导表面全息光栅采用的条纹是波导中时间反转的te模式光和垂直于波导表面的具有拓扑电荷为+1的轨道角度量光干涉形成的条纹，所述轨道角度量光的束腰半径为1.5μm且位于波导表面。
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体结构设计参数，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
38.对于psr的设计：
39.图1为一种集成光模式转换器的结构示意图，主波导宽度w1＝0.6μm，高度h＝0.22μm。
40.psr的工作原理基于耦合区域的耦合效率，耦合效率的计算公式如下式所示：
[0041][0042]
其中，γ是wg1和wg2之间的耦合效率，lc是耦合区域的长度，δβ是两个光波导的传播矢量之差，可以表示为δβ＝2π(n
1-n2)/λ，n1和n2分别为wg1和wg2的有效折射率；κ是耦合系数，可表示为κ＝π(n
e-no)/λ，其中ne和no分别作为波导的偶对称和奇对称模式的有效折射率；δβ对波导之间的耦合效率影响很大，当δβ较小时，wg1和wg2之间可以实现有效耦合；反之，当δβ较大时，wg1和wg2之间的耦合非常小。
[0043]
图2给出了主波导和旁波导中tm、te模式光有效折射率随波导宽度变化示意图，结合耦合效率的计算公式，为了得到较小的δβ，获得较为理想的耦合效率，旁波导wg2的宽度选择w2＝0.3μm，h＝0.22μm，两个波导之间的间隙g＝0.1μm，耦合区域设计的一个锥形刻蚀波导结构，刻蚀深度he＝0.07μm，刻蚀长度为7.5μm，刻蚀宽度w
t
由0.6μm变化到0.375μm。
[0044]
两个具有tm和te偏振的模式光从主波导(wg1)进入该结构(psr)，入射光的波长选择为λ＝1550nm，经过7.5μm的耦合区域之后，输入的tm模式光耦合到wg2中并转换为te模式
光，输入的te模式光保持沿wg1传输而不发生模式转换；同时在旁波导后接入一个绝热锥形波导，角度为10
°
，长度为1.71μm，目的是将旁波导的宽度从0.3μm变成0.6μm，从而使得psr的两输出端口的模式相同；偏振转化效率(pce)、偏振消光比(er
t
)、路径消光比(err)是psr性能的重要参数指标，可以定义为：
[0045][0046][0047][0048]
其中，p
eo
是从主波导或者旁波导输出的te模式光功率，p
in
是总的输入功率，p
t
是主波导或者旁波导的总输出功率，pd是对应p
t
的另一波导的总输出功率；图3基于pce、er
t
、err的计算公式给出了psr部分的pce、er
t
、err随偏振分离旋转器主波导刻蚀宽度的变化关系图，当w3＝0.375μm时，对于tm模式光输入，具有pce＝82％、er
t
＝18.1db、err＝10.1db，对于te模式光输入，具有pce＝98.5％、er
t
＝22.7db、err＝24.9db。
[0049]
对于绝热锥形波导的设计：
[0050]
在psr的两个输出端口分别与两个绝热的锥形波导连接，锥形波导的宽度从0.6μm渐变成3.2μm，其作用是将psr的输出端口(宽度为0.6μm)与wgshg的输入端口(宽度为3.2μm)进行匹配，同时有效滤除tm模式，提高wgshg的衍射效率以及生成涡旋光的保真度。
[0051]
绝热锥形波导的角度是影响te模式光透过的重要因素之一，图4给出了绝热锥形波导的te模式透过率(t)和消光比(ert)与锥形波导角度(θ
t
)之间的关系图；同时绝热锥形波导的长度会随着角度的减小而增大，从而增大poamc的尺寸，综合考虑，选择绝热锥形波导角度为10
°
。
[0052]
对于波导表面全息光栅的设计：
[0053]
波导表面全息光栅采用的条纹是波导中时间反转的te模式光和垂直于波导表面的具有拓扑电荷为+1的轨道角度量光干涉形成的条纹，所述轨道角度量光的束腰半径为1.5
±
μm且位于波导表面。
[0054]
当te模式光入射到波导表面全息光栅上时，可以通过衍射光束获得l＝+1的目标oam光束，以wgshg的中心作为坐标系原点，沿着不同方向传输(分别从port1、port2输入)的两个te模式光可以表示为e1＝a1(y，z)e-ikx
和e2＝a2(y，z)e
ikx
，其中a1(y、z)和a2(y、z)是y-z横截面中te模式光的振幅，k是x方向上的波矢量；因为它们沿着相反的方向传输，所以e1和e2具有相反的相位；当它们传输到波导表面全息光栅时，通过波导表面全息全息光栅的衍射作用生成的oam光束可以表示为ge1＝b1e-ilθ
和ge2＝b2e
ilθ
，其中b1和b2是oam光束的振幅，θ是方位角；对于不同的输入波导偏振模式所生成的衍射光束具有不同的oam；为了确定生成的oam光束的质量，引入了保真度，可以表示为：
[0055]
[0056]
其中，e
t
(x,y,z)和e(x,y,z)分别是目标涡旋光和光栅衍射生成的涡旋光的振幅，*表示共轭。
[0057]
图5给出了波导表面全息光栅衍射生成的涡旋光的保真度及衍射效率和光栅尺寸的关系图，可以看出保真度先是随着光栅尺寸的增加而变大，当光栅尺寸为3.2
×
3.2μm2时，保真度达到最大值0.9，后面又逐渐的变小；与此同时，光栅的衍射效率首先随着光栅尺寸的增大而增大，最后趋于一个稳定值；光栅尺寸为3.2
×
3.2μm2，对应的衍射效率为0.15；综合考虑两者，最终确定wgshg的尺寸为3.2
×
3.2μm2。
[0058]
最后在上述讨论确定的参数下，图8给出了在入射光波长为1550nm时输入tm和te模式光，经过poamc生成的oam光的场强及相位，对于tm/te模式光输入，生成的oam光的保真度为0.9/0.82；图6展示了输入tm、te模式光时生成的oam光的保真度与输入光波长的关系图；可以看出对于tm模式光输入，在1540-1590nm的波长范围内，保真度大于0.5，对于te模式输入，在1540-1610nm的波长范围内，保真度大于0.5；综合考虑te和tm模式，poamc的工作带宽为50nm(1540-1590nm)。
[0059]
本发明提出了一种工作波长λ＝1550nm由psr和wgshg组成的片上模式转换器(poamc)，用于将集成光波导偏振模式光(tm、te)转换为自由空间光oam模式光(l＝-1和l＝+1)；对于tm模式光输入，转换的效率约为12.14％，消光比约为21.18db，对于te模式光输入，转换的效率约为14.57％，消光比约为23.26db；生成的具有l＝-1和l＝+1的oam光的保真度分别为0.9和0.82；poamc的工作带宽为50nm(1540nm-15490nm)；所提出的poamc可以实现集成光子芯片与自由空间之间的模式转换，为集成光信息处理的模式编码转换提供了一条新思路，图7展示了从集成光转换为oam光的过程。
[0060]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种集成光模式转换器，其特征在于，包括以绝热锥形波导连接的偏振分离旋转器和波导表面全息光栅，绝热锥形波导设有两个，分别连接偏振分离旋转器的两个输出端口和波导表面全息光栅的两个输入端口；集成光经过偏振分离旋转器分离成两个存在于不同波导中的te模式光，再经过两个绝热锥形波导分别耦合到波导表面全息光栅的两个输入端口，经过波导表面全息光栅的衍射作用生成自由空间中具有不同拓扑电荷的轨道角度量光。2.根据权利要求1所述的一种集成光模式转换器，其特征在于，所述偏振分离旋转器由主波导和旁波导组成；主波导的输入端是矩形波导，耦合区域是部分刻蚀的锥波导且刻蚀宽度逐渐增大，耦合区域的末端是部分刻蚀的s弯波导且刻蚀宽度不变，在输出端前连接部分刻蚀的反相锥波导且刻蚀宽度逐渐减小，最后在输出端恢复成矩形波导；旁波导是矩形波导，但在旁波导的输出端变化为锥波导且波导宽度逐渐变化到与主波导相同的宽度。3.根据权利要求1所述的一种集成光模式转换器，其特征在于，所述偏振分离旋转器的两个输出端口具有相同的宽度。4.根据权利要求1所述的一种集成光模式转换器，其特征在于，偏振分离旋转器的输出端口和波导表面全息光栅的输入端口通过绝热锥形波导进行匹配连接，将窄波导的te模式光绝热变换为宽波导的te模式光。5.根据权利要求1所述的一种集成光模式转换器，其特征在于，所述波导表面全息光栅采用的条纹是波导中时间反转的te模式光和垂直于波导表面的具有拓扑电荷为+1的轨道角度量光干涉形成的条纹，所述轨道角度量光的束腰位于波导表面。6.根据权利要求1所述的一种集成光模式转换器，其特征在于，所述集成光模式转换器基于硅波导制作而成，在1530nm-1565nm的波长范围内具有高转换效率和低损耗的特点，能够工作于c波段。

技术总结
本发明公开了一种集成光模式转换器，属于集成光信息处理技术领域，包括以绝热锥形波导连接的偏振分离旋转器和波导表面全息光栅，绝热锥形波导设有两个，分别连接偏振分离旋转器的两个输出端口和波导表面全息光栅的两个输入端口；集成光经过偏振分离旋转器分离成两个存在于不同波导中的TE模式光，再经过两个绝热锥形波导分别耦合到波导表面全息光栅的两个输入端口，经过波导表面全息光栅的衍射作用生成自由空间中具有不同拓扑电荷的轨道角度量光；本发明将偏振分离旋转器和波导表面全息光栅进行组合，实现了集成光的偏振模式光和自由空间光的轨道角度量光的转换，建立两者之间的信息交互通道。信息交互通道。信息交互通道。


技术研发人员：刘爱萍 彭伟 张春辉 王琴
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2022.09.27
技术公布日：2023/8/14