一种非易失可编程的模式转换器及模式转换调控方法

本发明涉及模式转换，尤其涉及一种非易失可编程的模式转换器及模式转换调控方法。

背景技术：

1、随着大数据时代的到来，人类社会对于通信网络的数据传输容量和带宽的需求不断攀升，传统的集成电路技术逐渐暴露出难以满足这些需求的局限性。光子技术，凭借其传输速度快、能耗低和并行处理能力强的特点，正在成为下一代信息传输和处理系统的核心技术。特别是集成光子技术在片上光信息传输和光互连系统中的应用，提供了有效应对未来信息传输挑战的解决方案。模式复用解复用器(mode division multiplexing,mdm)因其能够利用波导中的多种模式进行并行信息传输，成为提升信息传输容量和速度的重要手段。然而，要实现这种高效的模式复用和解复用，模式转换器(mode converter)发挥着至关重要的作用，它直接影响到信息传输的效率、可靠性和系统的整体性能。

2、近年来，随着集成光子技术的快速发展，模式转换器的研究也取得了显著进展。然而，目前已提出的模式转换器基于各种不同的结构，如非对称定向耦合器、马赫-曾德尔干涉器、多模干涉仪等，这些转换器尽管性能不错，但是通常同一器件只能实现某一特定的模式转换，如只能实现te0模转换为te1模，再想实现te0模转换为te3模时便只能重新设计并制造新的结构，而不能利用同一个器件实现不同的模式转换。将相变材料与硅基模式转换器结合便可解决这些问题。相变材料可以通过脉冲激光或者加热的方式实现晶态与非晶态之间的切换，且这种相变是非易失，在这个过程中材料晶态与非晶态的折射率不同，因此改变了器件的折射率分布。通过调谐每个相变单元的相变态，便可在同一个器件上实现任意模式的转换，以此实现一种非易失可编程的模式转换器。该模式转换器不仅能够在芯片级实现高效的模式转换，还能与现有的互补金属氧化物半导体(cmos)工艺兼容，具有高集成度、低成本和兼容性好的优势，是一种十分有潜力的方案。现有的模式转换器基本都是通过刻蚀或者在刻蚀凹槽中填补相变材料来实现的，这些方式通常伴随着不可忽的插入损耗，且不能实现可编程调谐。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种非易失可编程的模式转换器及模式转换调控方法。

2、本发明提出的一种非易失可编程的模式转换器，包括：绝缘体上硅基体和相变层；

3、绝缘体上硅基体包括二氧化硅层和位于二氧化硅层上方的硅层，绝缘体上硅包括沿光传播方向依次设置的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域作为输入波导区，相变层位于第二区域上方形成波导耦合区，所述第三区域作为输出波导区，相变层为由多个可像素单元构成的像素阵列，每个像素单元由具有晶态和非晶态的相变材料制成。

4、优选地，所述相变材料采用sb2se3。

5、优选地，二氧化硅层厚度为3um，硅层厚度为220nm，相变层厚度为23nm。

6、优选地，绝缘体上硅基体与相变层宽度相等。

7、优选地，相变层宽度为6μm，长度为33μm，所述像素单元为边长为750nm的正方形。

8、本发明中，所提出的非易失可编程的模式转换器，绝缘体上硅基体包括二氧化硅层和位于二氧化硅层上方的硅层，绝缘体上硅包括沿光传播方向依次设置的第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域作为输入波导区，相变层位于第二区域上方形成波导耦合区，所述第三区域作为输出波导区，相变层为由多个可像素单元构成的像素阵列，每个像素单元由具有晶态和非晶态的相变材料制成。通过上述优化设计的非易失可编程的模式转换器，易于加工，结构简单，在绝缘体上硅上铺上一层相变材料，实现光信号经过发生模式转换，利用相变材料晶态和非晶态之间折射率的差异，从而通过调节相变层的折射率分布，实现损耗可忽略不计的光信号可编程模式转换。

9、本发明还提出一种上述的非易失可编程的模式转换器的模式转换调控方法，包括下列步骤：

10、根据品质因子fom(figure of merit)调节相变层中像素单元的晶态或非晶态分布，以调节波导耦合区的折射率分布。

11、优选地，所述根据品质因子fom调节相变层中像素单元的晶态或非晶态分布，具体包括下列步骤：

12、s1、设置波导耦合区的像素单元的初始状态，并计算该初始状态下的模式转换器当前的fom值；

13、s2、按照预设顺序切换像素单元的状态并计算新的fom值；

14、s3、将新的fom值与当前的fom值比较；

15、若增大，则将新的fom值赋值给当前的fom值并保留切换后像素单元的状态；

16、若否，则不保留像素单元的状态，返回s2进行下一次切换，直到fom值满足预设值。

17、优选地，在s1中，所述fom值通过下列等式计算：

18、

19、其中，pout(tem)为输出端目标模式m的归一化功率，pin(ten)为输入端输入模式n的归一化功率。

20、优选地，所述归一化功率通过下列等式计算：

21、

22、其中，为模式的电场，为模式磁场的共轭转置，为波导的横截面积。

23、优选地，在s2中，所述按照预设顺序切换像素单元的状态并计算新的fom值，具体包括，预设一个像素单元为起始像素单元，依次切换像素单元的状态。

24、本发明中，所提出的模式转换调控方法，其技术效果与上述装置类似，因此不再赘述。

1.一种非易失可编程的模式转换器，其特征在于，包括：绝缘体上硅基体和相变层(2)；

2.根据权利要求1所述的非易失可编程的模式转换器，其特征在于，所述相变材料采用sb2se3。

3.根据权利要求1所述的非易失可编程的模式转换器，其特征在于，二氧化硅层(11)厚度为3um，硅层(12)厚度为220nm，相变层(2)厚度为23nm。

4.根据权利要求1所述的非易失可编程的模式转换器，其特征在于，绝缘体上硅基体与相变层(2)宽度相等。

5.根据权利要求4所述的非易失可编程的模式转换器，其特征在于，相变层(2)宽度为6μm，长度为33μm，所述像素单元为边长为750nm的正方形。

6.一种根据权利要求1所述的非易失可编程的模式转换器的模式转换调控方法，其特征在于，包括下列步骤：

7.根据权利要求6所述的模式转换调控方法，其特征在于，所述根据品质因子fom调节相变层(2)中像素单元的晶态或非晶态分布，具体包括下列步骤：

8.根据权利要求7所述的模式转换调控方法，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的模式转换调控方法，其特征在于，所述归一化功率通过下列等式计算：

10.根据权利要求7所述的模式转换调控方法，其特征在于，在s2中，所述按照预设顺序切换像素单元的状态并计算新的fom值，具体包括，预设一个像素单元为起始像素单元，依次切换像素单元的状态。