一种TE与TM的模式转换器及其制作方法和应用

【技术领域】

本申请涉及微纳光电子器件的技术领域，尤其涉及一种TE与TM的模式转换器及其制作方法和应用。

【背景技术】

近些年来，随着光纤通信技术的不断发展与完善，传统单模光纤的传输容量已逐渐接近理论上的极限，其在未来将无法满足大数据信息对网络带宽日益增长的需求，故而模式复用技术应运而生，其被认为是提升光通信容量最具前景的技术之一。相关技术中，模式复用的实现通常需要两种器件，分别为多模干涉耦合器和模式转换器，其中，模式转换器应用于前端的模式复用及后端的模式解复用，其是实现光波导中各个模式之间的互相转换、特定模式的屏蔽或激发的核心器件。目前，模式转换器的类型多种多样，比如定向耦合器、拓扑优化的光子晶体波导、锥形结构波导、级联沟槽硅纳米线和马赫-曾德尔干涉仪等，但是这些模式转换器的结构通常较为复杂，尺寸大、损耗大，更重要的是无法实现模式的实时转换，极大地影响了自身的实用性。

因此，有必要对上述模式转换器的结构进行改进。

【发明内容】

本申请提供了一种TE与TM的模式转换器及其制作方法和应用，旨在解决相关技术中的模式转换器无法实现模式的实时转换的问题。

为了解决相关技术中所存在的上述技术问题，本申请实施例第一方面提供了一种TE与TM的模式转换器，用于转换入射光的偏振模式，偏振模式包括TE模式和TM模式，模式转换器包括：一维光子晶体，一维光子晶体包括不同折射率的至少两种介质，每种介质均包括多个，至少两种介质周期性排列；电光晶体，电光晶体位于一维光子晶体的缺陷层处，电光晶体折射率椭球的x轴方向、y轴方向及z轴方向相互垂直，z轴方向与至少两种介质的周期性排列方向相同，入射光的传播方向为z轴方向；电源，电源电性连接于电光晶体，用于为电光晶体施加在x轴方向或y轴方向上的可调电压；其中，当可调电压为零时，入射光的偏振态不改变；当可调电压不为零时，电光晶体产生横向电光效应以改变入射光的偏振态；当可调电压等于电光晶体的半波电压时，入射光的偏振方向旋转90°以实现偏振模式的转换。

本申请实施例第二方面提供了一种模式转换器的制作方法，用于制作本申请实施例第一方面所述的模式转换器，包括：选择电光晶体，并确定电光晶体折射率椭球的x轴方向、y轴方向及z轴方向，其中，x轴方向、y轴方向及z轴方向相互垂直；在电光晶体于z轴方向上的相对两侧分别蒸镀不同折射率的至少两种介质，其中，每种介质均包括多个，任一侧的至少两种介质均呈周期性排列，不同侧的至少两种介质的种类相同；将电源的正、负极分别电性连接于电光晶体在x轴方向或y轴方向上的相对两侧，其中，入射光的传播方向沿着z轴方向。

本申请实施例第三方面提供了一种本申请实施例第一方面所述的模式转换器在模式复用中的应用。

从上述描述可知，与相关技术相比，本申请的有益效果在于：将不同折射率的至少两种介质(每种介质均包括多个)进行周期性排列以构成一维光子晶体，将电光晶体设置在一维光子晶体的缺陷层处，将电光晶体折射率椭球的z轴方向设置为与至少两种介质的周期性排列方向相同，将入射光的传播方向设置为z轴方向，并且通过一个电源向电光晶体施加在其折射率椭球的x轴方向或y轴方向上的可调电压。在实际的应用中，如果不想对入射光的偏振模式进行转换，那么就将电源输出的可调电压设置为零；如果想要对入射光的偏振模式进行转换，那么就调整电源输出的可调电压(不为零)，此种情况下，电光晶体会产生横向电光效应，使得入射光的偏振态发生改变，而当电源输出的可调电压达到电光晶体的半波电压时，入射光的偏振方向会发生90°的旋转，从而实现了偏振模式的转换(由TE模式转换为TM模式、或由TM模式转换为TE模式)。本申请通过对电源施加给电光晶体的可调电压进行调节，实现了偏振模式的实时转换，提升了模式转换器的实用性，而且本申请提供的模式转换器结构紧凑、制作简单、成本低，在未来向着集成化、小型化及大容量方向发展的光通信器件中有着重要的应用和广阔的发展前景。

【附图说明】

为了更清楚地说明相关技术或本申请实施例中的技术方案，下面将对相关技术或本申请实施例的描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，而并非是全部实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的模式转换器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的TM模式的入射光经模式转换器的透射谱；

图3为本申请实施例提供的TE模式的入射光经模式转换器的透射谱；

图4为本申请实施例提供的模式转换器的制作方法的流程示意图。

【具体实施方式】

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加的明显、易懂，下面将结合本申请实施例以及相应的附图，对本申请进行清楚、完整地描述，其中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。应当理解的是，下面所描述的本申请的各个实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，即基于本申请的各个实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，下面所描述的本申请的各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在模式复用中，模式转换器通常应用于前端的模式复用及后端的模式解复用，其是实现光波导中各个模式之间的互相转换、特定模式的屏蔽或激发的核心器件。相关技术中，模式转换器的类型多种多样，比如定向耦合器、拓扑优化的光子晶体波导、级联沟槽硅纳米线、锥形结构波导以及马赫-曾德尔干涉仪等，但是这些模式转换器的结构通常较为复杂，尺寸大、损耗大，更重要的是无法实现模式的实时转换，降低了自身的实用性。为了解决这个问题，本申请实施例对模式转换器的结构进行了改进，使其具备对入射光偏振模式(包括TE模式和TM模式)的实时转换功能，原理是：光子晶体是一种由不同介电常数的介质在空间中进行周期性排列而形成的微纳结构材料，其具有光子带隙的特性，当在光子晶体中引入缺陷时，光子禁带范围内就会相应出现频率极窄的透射峰，利用此特性可以设计出很多性能优良的光子晶体偏振滤波器；电光材料具有电光效应，当在电光材料的某一方向上施加电场时，就会导致材料的折射率发生变化，从而改变通过电光材料出射的光束的偏振态，这是实现光调制和光开关的物理基础；本申请实施例利用上述光子晶体的偏振滤波功能和电光材料的线性电光效应，对模式转换器的结构进行了改进，即在光子晶体中引入缺陷并将电光材料设置在光子晶体的缺陷层处，从而使其具备对入射光偏振模式的实时转换功能；此种情况下，光子晶体对沿电光材料折射率椭球的z轴方向入射的TE偏振光和TM偏振光在某一相同的波长范围内同时具有光子禁带，而光子禁带的波长范围由光子晶体中各介质的折射率及厚度决定，并且电光材料可以使光子禁带中的某个波长出现透射峰，从而产生缺陷模以实现偏振滤波功能，该缺陷模的波长由电光材料沿z轴方向的厚度决定。

图1为本申请实施例提供的模式转换器的一种结构示意图，在一些实施例中，模式转换器包括一维光子晶体10、电光晶体20及电源30；其中，一维光子晶体10包括不同折射率的至少两种介质，每种介质均包括多个，且这至少两种介质周期性排列；电光晶体20设于一维光子晶体10的缺陷层处，电光晶体20折射率椭球的x轴方向、y轴方向及z轴方向相互垂直，其中，z轴方向与上述至少两种介质的周期性排列方向相同，且入射光的传播方向为z轴方向；电源30电性连接于电光晶体20，用于为电光晶体20施加在x轴方向或y轴方向上的可调电压。具体地，当可调电压为零时，入射光的偏振态不改变；当可调电压不为零时，电光晶体20产生横向电光效应以改变入射光的偏振态；当可调电压等于电光晶体20的半波电压时，入射光的偏振方向旋转90°以实现偏振模式的转换，即由TE模式转换为TM模式、或由TM模式转换为TE模式。

可以理解的是，电源30为电光晶体20施加的可调电压沿x轴方向或y轴方向，这就意味着电源30施加于电光晶体20上的电场的方向沿x轴方向或y轴方向，同时由于x轴方向及y轴方向均与z轴方向垂直，而z轴方向又是入射光的传播方向，所以电源30施加于电光晶体20上的电场的方向垂直于入射光的传播方向，即电光晶体20在可调电压不为零时所产生的电光效应属于横向电光效应；此外，需要说明的是，入射光的偏振模式发生转换的前提是其偏振态发生了改变，但入射光偏振态的改变并不意味着偏振模式一定发生了转换，因为只有在入射光的偏振方向旋转90°时其偏振模式才会发生转换，以TE模式的入射光为例，当可调电压不为零且未达到电光晶体20的半波电压时，入射光的偏振态虽然发生了改变，但是偏振态的这种改变可能仅使入射光的偏振方向旋转了30°、45°等，此种情况下，入射光还未从TE模式转换为TM模式，之后当可调电压等于电光晶体20的半波电压时，入射光的偏振方向才旋转了90°，即入射光的偏振模式才从TE模式转换为了TM模式。

在实际的应用中，如果不想对入射光的偏振模式进行转换，那么就将电源30输出的可调电压设置为零；如果想要对入射光的偏振模式进行转换，那么就调整电源30输出的可调电压，使其不为零，此种情况下，电光晶体20会产生横向电光效应，使得入射光的偏振态发生改变，而当电源30输出的可调电压达到电光晶体20的半波电压时，入射光的偏振方向会发生90°的旋转，从而实现了偏振模式的转换(即由TE模式转换为TM模式、或由TM模式转换为TE模式)。本申请实施例通过对电源30施加给电光晶体20的可调电压进行调节，实现了偏振模式的实时转换，提升了模式转换器的实用性；而且，本申请实施例提供的模式转换器结构紧凑、制作简单、成本低，在未来向着集成化、小型化及大容量方向发展的光通信器件中有着重要的应用和广阔的发展前景。

示例性地，以TM模式的入射光为例，其偏振方向沿x轴方向，其传播方向沿z轴方向，电源30提供的可调电压施加在电光晶体20的x轴方向上，当电源30施加给电光晶体20的可调电压为零时，电光晶体20不会产生横向电光效应，即TM模式的入射光出射后仍为TM模式；当电源30施加给电光晶体20的可调电压不为零时，由于电光晶体20产生了横向电光效应，所以电光晶体20垂直于z轴方向会产生两个感应主轴x′和y′，此时入射光沿着这两个感应主轴方向的偏振分量的折射率不同，这两个偏振分量经过电光晶体20时会产生相位延迟，表示为：

作为其中的一种实施例，仍然参阅图1，一维光子晶体10包括不同折射率的第一介质11和第二介质12，此种情况下，电光晶体20在z轴方向上的相对两侧分别蒸镀有交替排列的第一介质11和第二介质12，且第一介质11、第二介质12及电光晶体20均为方形平板结构。在本实施例的一些实现方式中，第一介质11为砷化镓，第一介质11的折射率为2.87，第一介质11沿z轴方向的厚度为0.14μm；第二介质12为石英玻璃，第二介质12的折射率为1.54，第二介质12沿z轴方向的厚度为0.25μm；电光晶体20为铌酸锂晶体，电光晶体20的折射率为2.16，电光晶体20沿z轴方向的厚度为0.35μm。在本实施例中，一定波长范围的入射光沿z轴方向入射模式转换器时，可以通过确定电光晶体20沿z轴方向的厚度的方式，使一维光子晶体10透射谱禁带中的某个很窄的波长范围出现通带，以实现偏振滤波功能；此外，TM模式和TE模式的入射光经模式转换器的透射谱可以分别参见图2和图3，从图中可以看出，两者的透射峰波长都为1.56μm，在制作模式转换器的过程中，可以通过改变第一介质11和第二介质12的折射率、及第一介质11、第二介质12和电光晶体20沿z轴方向的厚度，去改变偏振滤波的范围及透射峰的波长。

以上实施例仅作为本申请的优选实现，它们并非是本申请对模式转换器的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在以上实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。此外，本申请实施例还提供了一种前述模式转换器的制作方法，该制作方法的流程示意图可以参见图4，具体包括：步骤401、选择电光晶体20，并确定电光晶体20折射率椭球的x轴方向、y轴方向及z轴方向，其中，x轴方向、y轴方向及z轴方向相互垂直；步骤402、在电光晶体20于z轴方向上的相对两侧分别蒸镀(比如采用真空热蒸镀仪)不同折射率的至少两种介质，其中，每种介质均包括多个，不同侧的至少两种介质的种类相同，任一侧的至少两种介质均呈周期性排列；步骤403、将电源30的正、负极分别电性连接于电光晶体20在x轴方向或y轴方向上的相对两侧，其中，入射光的传播方向沿着z轴方向。

结合本文中所公开的实施例所描述的方法或算法的步骤，其可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请所述的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质(如软盘、硬盘、磁带)、光介质(如DVD)、或者半导体介质(如固态硬盘Solid State Disk)等。

需要说明的是，本申请内容中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于产品类实施例而言，由于其与方法类实施例相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法类实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，在本申请内容中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请内容。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本申请内容中所定义的一般原理可以在不脱离本申请内容的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请内容将不会被限制于本申请内容所示的这些实施例，而是要符合与本申请内容所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。