CN113009628A - 偏振旋转高阶模转换器及其分束器 - Google Patents

偏振旋转高阶模转换器及其分束器 Download PDF

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李蒙
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Abstract

本申请公开了一种偏振旋转高阶模转换器及其分束器。其中，所述偏振旋转高阶模转换器包括：呈上下层位置对应设置的第一芯区和第二芯区，第一芯区部分覆盖第二芯区，第一芯区两端的宽度和第二芯区两端的宽度相等，第一芯区包括依次连接的第一梯形段、第一演化区梯形段、第二演化区梯形段和第二梯形段，第二芯区包括依次连接的第三梯形段、第三演化区梯形段、第四演化区梯形段和第四梯形段。本申请实施例中，不仅能够实现波导中的偏振旋转高模阶转换，并且在从基模生成高阶模时，还能够满足损耗更小、带宽更大的要求。

Description

偏振旋转高阶模转换器及其分束器
技术领域
本申请实施例涉及但不限于硅基光子集成芯片技术领域，尤其涉及一种偏振旋转高阶模转换器及其分束器。
背景技术
偏振旋转转换器，作为硅基光子集成芯片的基本元件之一，对其的高效控制和利用其波导中的高阶模式是实现模分复用和定比例分光的基础。波导中的模式可以分类为横电波(Transverse Electric Wave，TE)模光信号和横磁波(Transverse Magnetic Wave，TM)模光信号，其中，模式按照有效折射率从大到小排序，模阶编号从基模0开始整数变大，编号大于0的模式称为高阶模。利用高阶模进行定比例分光可以有较大的工艺容差和较宽的工作波长范围，但是，现有的从基模转换为高阶模的模阶转换器，在模阶数大于2时遇到了转换效率开始下降和带宽降低的问题，这对使用高阶模制作的定比例分光器产生了生产限制，所以，如何在保证损耗更小、带宽更大的基础上，实现从基模生成高阶模，是一个亟待解决的问题。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
第一方面，本申请实施例提供了一种偏振旋转高阶模转换器及其分束器，能够在从基模生成高阶模时，满足损耗更小、带宽更大的要求。
第二方面，本申请实施例提供了一种偏振旋转高阶模转换器，包括：
呈上下层对应设置的第一芯区和第二芯区，所述第一芯区部分覆盖所述第二芯区，所述第一芯区两端的宽度和所述第二芯区两端的宽度相等；
所述第一芯区包括依次连接的第一梯形段、第一演化区梯形段、第二演化区梯形段和第二梯形段，所述第二芯区包括依次连接的第三梯形段、第三演化区梯形段、第四演化区梯形段和第四梯形段，所述第一梯形段与所述第三梯形段位置对应，所述第一演化区梯形段与所述第三演化区梯形段位置对应，所述第二演化区梯形段与所述第四演化区梯形段位置对应，所述第二梯形段与所述第四梯形段位置对应。
第三方面，本申请实施例还提供了一种偏振旋转高阶模转换分束器，包括有如上第二方面所述的偏振旋转高阶模转换器。
本申请实施例包括：设置呈上下层对应的第一芯区和第二芯区，并且第一芯区部分覆盖第二芯区，第一芯区两端的宽度和第二芯区两端的宽度相等；另外，在第一芯区和第二芯区设置位置对应的多段式结构，即，第一芯区设置依次连接的第一梯形段、第一演化区梯形段、第二演化区梯形段和第二梯形段，对应地，第二芯区设置依次连接的第三梯形段、第三演化区梯形段、第四演化区梯形段和第四梯形段。根据本申请实施例提供的方案，通过设置呈上下层对应的第一芯区和第二芯区，并且第一芯区部分覆盖第二芯区，第一芯区两端的宽度和第二芯区两端的宽度相等，可以使得具有第一芯区和第二芯区的波导具有纵向非对称性，从而可以使得在第一演化区梯形段中、在第二演化区梯形段中、在第三演化区梯形段中以及在第四演化区梯形段中，TM基模和TE高阶模发生模式混杂，从而可以实现波导中的偏振旋转高模阶转换；另外，通过多段式结构，可以在第一芯区中把绝热要求高的第一演化区梯形段、第二演化区梯形段和绝热要求低的第一梯形段、第二梯形段进行区分，在第二芯区中把绝热要求高的第三演化区梯形段、第四演化区梯形段和绝热要求低的第三梯形段、第四梯形段进行区分，因此，当根据波导中不同位置的绝热要求而进行多段式设置，可以使本申请实施例中的偏振旋转高阶模转换器获得比现有的分束器更低的损耗和更大的带宽。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1是本申请一个实施例提供的偏振旋转高阶模转换器的俯视结构示意图；
图2是本申请另一实施例提供的偏振旋转高阶模转换器的俯视结构示意图；
图3是本申请另一实施例提供的偏振旋转高阶模转换器的截面结构示意图；
图4是本申请另一实施例提供的偏振旋转高阶模转换器的截面结构示意图；
图5是本申请另一实施例提供的偏振旋转高阶模转换器的截面结构示意图；
图6是本申请一个实施例提供的偏振旋转高阶模转换分束器的俯视结构示意图；
图7是本申请一个实施例中波导中各本征模的有效折射率在TM基模转换成TE3高阶模时的变化曲线图；
图8是本申请一个实施例中波导中各本征模的TE分量百分比在TM基模转换成TE3高阶模时的变化曲线图；
图9是本申请一个实施例提供的偏振旋转高阶模转换器在TM基模转换成TE3高阶模时的损耗仿真图；
图10是本申请另一实施例提供的偏振旋转高阶模转换分束器的俯视结构示意图；
图11是本申请另一实施例中波导中各本征模的有效折射率在TM基模转换成TE2高阶模时的变化曲线图；
图12是本申请另一实施例中波导中各本征模的TE分量百分比在TM基模转换成TE2高阶模时的变化曲线图；
图13是本申请另一实施例提供的偏振旋转高阶模转换器在TM基模转换成TE2高阶模时的损耗仿真图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本申请提供了一种偏振旋转高阶模转换器及其分束器，通过设置呈上下层对应的第一芯区和第二芯区，并且第一芯区部分覆盖第二芯区，第一芯区两端的宽度和第二芯区两端的宽度相等，可以使得具有第一芯区和第二芯区的波导具有纵向非对称性，从而可以使得在第一演化区梯形段中、在第二演化区梯形段中、在第三演化区梯形段中以及在第四演化区梯形段中，TM基模和TE高阶模发生模式混杂，从而可以实现波导中的偏振旋转高模阶转换；另外，通过在第一芯区和第二芯区设置位置对应的多段式结构，即，第一芯区设置依次连接的第一梯形段、第一演化区梯形段、第二演化区梯形段和第二梯形段，对应地，第二芯区设置依次连接的第三梯形段、第三演化区梯形段、第四演化区梯形段和第四梯形段，可以在第一芯区中把绝热要求高的第一演化区梯形段、第二演化区梯形段和绝热要求低的第一梯形段、第二梯形段进行区分，在第二芯区中把绝热要求高的第三演化区梯形段、第四演化区梯形段和绝热要求低的第三梯形段、第四梯形段进行区分，通过根据波导中不同位置的绝热要求而进行多段式设置，可以使本申请实施例中的偏振旋转高阶模转换器及其分束器获得比现有的分束器更低的损耗和更大的带宽；此外，通过对绝热要求低的第一梯形段、第二梯形段、第三梯形段和第四梯形段中的至少一个，设置相对于第一演化区梯形段、第二演化区梯形段、第三演化区梯形段和第四演化区梯形段更大的梯形变化率，可以缩短偏振旋转高阶模转换器的长度，从而可以使偏振旋转高阶模转换器具有更大的使用可行性。
下面结合附图，对本申请实施例作进一步阐述。
如图1所示，图1是本申请一个实施例提供的偏振旋转高阶模转换器的俯视结构示意图。
如图1所示，该偏振旋转高阶模转换器100包括：
呈上下层对应设置的第一芯区110和第二芯区120，第一芯区110部分覆盖第二芯区120，第一芯区110两端的宽度和第二芯区120两端的宽度相等；
第一芯区110包括依次连接的第一梯形段111、第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113和第二梯形段114，第二芯区120包括依次连接的第三梯形段121、第三演化区梯形段122、第四演化区梯形段123和第四梯形段124，第一梯形段111与第三梯形段121位置对应，第一演化区梯形段112与第三演化区梯形段122位置对应，第二演化区梯形段113与第四演化区梯形段123位置对应，第二梯形段114与第四梯形段124位置对应。
在一实施例中，第一芯区110部分覆盖第二芯区120，可以有不同的实施方式。例如，如图1所示(图中的虚线仅用于区分各个梯形段)，第一芯区110在沿左右方向的两端和第二芯区120在沿左右方向的两端重合，第一芯区110在沿上下方向的两端和第二芯区120在沿上下方向的两端不重合；又如，如图2所示(图中的虚线仅用于区分各个梯形段)，图2是本申请另一个实施例提供的偏振旋转高阶模转换器的俯视结构示意图，在图2中，第一芯区110在沿左右方向的两端和第二芯区120在沿左右方向的两端重合，第一芯区110在沿上下方向的两端中，和第二芯区120在沿上下方向的两端中，仅有其中一端重合。
在一实施例中，第一芯区110和第二芯区120呈上下层对应，可以有不同的实施方式。例如，如图3所示，图3是本申请另一个实施例提供的偏振旋转高阶模转换器的截面结构示意图，在图3中，第一芯区110和第二芯区120相互接触，并且第一芯区110处于第二芯区120的上方，另外，第一芯区110和第二芯区120被第一包层130和第二包层140配合包裹；又如，如图4所示，图4是本申请另一个实施例提供的偏振旋转高阶模转换器的截面结构示意图，在图4中，第一芯区110和第二芯区120相互不接触，并且第一芯区110处于第二芯区120的下方，另外，第一芯区110和第二芯区120被第一包层130和第二包层140配合包裹。
在一实施例中，如图1所示，第一梯形段111的左侧一端和第二梯形段114的右侧一端构成了第一芯区110的两端，第一梯形段111的右侧一端的宽度和第一演化区梯形段112的左侧一端的宽度相等，第一演化区梯形段112的右侧一端的宽度和第二演化区梯形段113的左侧一端的宽度相等，第二演化区梯形段113的右侧一端的宽度和第二梯形段114的左侧一端的宽度相等；第三梯形段121的左侧一端和第四梯形段124的右侧一端构成了第二芯区120的两端，第三梯形段121的右侧一端的宽度和第三演化区梯形段122的左侧一端的宽度相等，第三演化区梯形段122的右侧一端的宽度和第四演化区梯形段123的左侧一端的宽度相等，第四演化区梯形段123的右侧一端的宽度和第四梯形段124的左侧一端的宽度相等。
在如图1所示的实施例中，通过设置呈上下层对应的第一芯区110和第二芯区120，并且第一芯区110部分覆盖第二芯区120，第一芯区110两端的宽度和第二芯区120两端的宽度相等，可以使得具有第一芯区110和第二芯区120的波导具有纵向非对称性，从而可以使得在第一演化区梯形段112中、在第二演化区梯形段113中、在第三演化区梯形段122中以及在第四演化区梯形段123中，TM基模和TE高阶模发生模式混杂，从而可以实现波导中的偏振旋转高模阶转换；另外，通过在第一芯区110和第二芯区120设置位置对应的多段式结构，即，第一芯区110中的第一梯形段111、第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113和第二梯形段114，以及第二芯区120中的第三梯形段121、第三演化区梯形段122、第四演化区梯形段123和第四梯形段124，形成位置对应的多段式结构，使得第一芯区110中绝热要求高的第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113和绝热要求低的第一梯形段111、第二梯形段114能够区分开来，使得第二芯区120中绝热要求高的第三演化区梯形段122、第四演化区梯形段123和绝热要求低的第三梯形段121、第四梯形段124能够区分开来，从而可以使偏振旋转高阶模转换器100获得更低的损耗和更大的带宽。
另外，在一实施例中，第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113、第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123均为绝热缓变结构。
本领域技术人员可以理解的是，绝热缓变是指器件尺寸的变化比较缓慢，从而可以达到绝热(即无损耗或者极低损耗)的效果。所以，第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113、第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123均为绝热缓变结构，具体指的是，在沿着长度方向上，第一演化区梯形段112的宽度值、第二演化区梯形段113的宽度值、第三演化区梯形段122的宽度值和第四演化区梯形段123的宽度值均没有变化或者缓慢变化。以一个具体示例进行说明：在如图1所示的示例中，在沿着左右方向上，第一演化区梯形段112的宽度值、第二演化区梯形段113的宽度值、第三演化区梯形段122的宽度值和第四演化区梯形段123的宽度值均呈缓慢变化。
在一实施例中，可以对第一演化区梯形段112的宽度值、第二演化区梯形段113的宽度值、第三演化区梯形段122的宽度值和第四演化区梯形段123的宽度值分别进行设置，以满足波导中不同位置所要达到的绝热要求，从而可以在传输光信号时降低光信号的损耗，使得光信号的波长响应更平坦，从而可以容纳更多波长通道。
在一实施例中，可以采用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)或者神经网络等优化算法，对第一演化区梯形段112的宽度值、第二演化区梯形段113的宽度值、第三演化区梯形段122的宽度值和第四演化区梯形段123的宽度值分别进行设置，以满足波导中不同位置所要达到的绝热要求，本实施例并不对具体的优化算法作具体限定。
另外，在另一实施例中，第一演化区梯形段112和第二演化区梯形段113为相同斜率的绝热缓变结构。
本领域技术人员可以理解的是，相同斜率的绝热缓变结构，是指具有绝热缓变结构的两个器件在连接时，相互连接的斜边(例如两个梯形在连接时相互连接的斜边)具有相同的斜率，从而可以形成一条直线。
在一实施例中，第一演化区梯形段112和第二演化区梯形段113采用相同斜率的绝热缓变结构，可以便于生产的顺利实现。
此外，在另一实施例中，第一演化区梯形段112和第二演化区梯形段113还可以为不同斜率的绝热缓变结构。
在一实施例中，第一演化区梯形段112和第二演化区梯形段113采用不同斜率的绝热缓变结构，可以根据波导中对不同位置的不同绝热要求，对第一演化区梯形段112的宽度值和第二演化区梯形段113的宽度值分别进行设置，从而可以更有效地降低光信号的损耗，使得光信号的波长响应更平坦，从而可以容纳更多波长通道。
另外，在另一实施例中，第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123为相同斜率的绝热缓变结构。
在一实施例中，第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123采用相同斜率的绝热缓变结构，可以便于生产的顺利实现。
此外，在另一实施例中，第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123还可以为不同斜率的绝热缓变结构。
在一实施例中，第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123采用不同斜率的绝热缓变结构，可以根据波导中对不同位置的不同绝热要求，对第三演化区梯形段122的宽度值和第四演化区梯形段123的宽度值分别进行设置，从而可以更有效地降低光信号的损耗，使得光信号的波长响应更平坦，从而可以容纳更多波长通道。
另外，在一实施例中，第一梯形段111和第三梯形段121的斜边的斜率不同。
在一实施例中，如图1所示，由于第一芯区110两端的宽度和第二芯区120两端的宽度相等，而第一梯形段111和第三梯形段121的斜边的斜率不同，因此可以使得第一演化区梯形段112和第三演化区梯形段122在沿上下方向具有纵向非对称性，所以，在第一演化区梯形段112和第三演化区梯形段122中，可以发生TM基模和TE高阶模之间的模式混杂，从而可以实现波导中的偏振旋转高模阶转换。
在一实施例中，由于第一梯形段111和第三梯形段121的绝热要求比较低，因此可以把第一梯形段111和第三梯形段121设置为相对于第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113、第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123更大的梯形变化率，从而可以缩短偏振旋转高阶模转换器100的长度，从而可以使偏振旋转高阶模转换器100具有更大的使用可行性。
另外，在一实施例中，第二梯形段114和第四梯形段124的斜边的斜率不同。
在一实施例中，如图1所示，由于第一芯区110两端的宽度和第二芯区120两端的宽度相等，而第二梯形段114和第四梯形段124的斜边的斜率不同，因此可以使得第二演化区梯形段113和第四演化区梯形段123在沿上下方向具有纵向非对称性，所以，在第二演化区梯形段113和第四演化区梯形段123中，可以发生TM基模和TE高阶模之间的模式混杂，从而可以实现波导中的偏振旋转高模阶转换。
在一实施例中，由于第二梯形段114和第四梯形段124的绝热要求比较低，因此可以把第二梯形段114和第四梯形段124设置为相对于第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113、第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123更大的梯形变化率，从而可以缩短偏振旋转高阶模转换器100的长度，从而可以使偏振旋转高阶模转换器100具有更大的使用可行性。
此外，在一实施例中，该偏振旋转高阶模转换器100还包括用于相互配合而包裹第一芯区110和第二芯区120的第一包层130和第二包层140，第一芯区110、第二芯区120、第一包层130和第二包层140配合形成纵向非对称光波导结构。
在一实施例中，第一包层130和第二包层140均可以有不同的实施方式。例如，如图3所示，第一包层130可以为覆盖于第一芯区110和第二芯区120的上方的上包层，对应地，第二包层140为设置于第一芯区110和第二芯区120的下方的下包层，在本实施方式中，第一包层130和第二包层140的折射率、厚度和宽度等参数中的至少一种不相等；又如，如图5所示，第一包层130可以为设置于第一芯区110和第二芯区120的左边的左包层，对应地，第二包层140为设置于第一芯区110和第二芯区120的右边的右包层，在本实施方式中，第一包层130和第二包层140为相同的介质。
此外，本申请的另一个实施例还提供了一种偏振旋转高阶模转换分束器，该偏振旋转高阶模转换分束器200包括有如上所述任一实施例中的偏振旋转高阶模转换器100。该偏振旋转高阶模转换分束器200具有由上述任一实施例中的偏振旋转高阶模转换器100所带来的有益效果，例如，该偏振旋转高阶模转换分束器200通过设置呈上下层对应的第一芯区110和第二芯区120，并且第一芯区110部分覆盖第二芯区120，第一芯区110两端的宽度和第二芯区120两端的宽度相等，可以使得具有第一芯区110和第二芯区120的波导具有纵向非对称性，从而可以使得在第一演化区梯形段112中、在第二演化区梯形段113中、在第三演化区梯形段122中以及在第四演化区梯形段123中，TM基模和TE高阶模发生模式混杂，从而可以实现波导中的偏振旋转高模阶转换；另外，通过在第一芯区110和第二芯区120设置位置对应的多段式结构，即，第一芯区110中的第一梯形段111、第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113和第二梯形段114，以及第二芯区120中的第三梯形段121、第三演化区梯形段122、第四演化区梯形段123和第四梯形段124，形成位置对应的多段式结构，使得第一芯区110中绝热要求高的第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113和绝热要求低的第一梯形段111、第二梯形段114能够区分开来，使得第二芯区120中绝热要求高的第三演化区梯形段122、第四演化区梯形段123和绝热要求低的第三梯形段121、第四梯形段124能够区分开来，从而可以使偏振旋转高阶模转换器100获得更低的损耗和更大的带宽。
下面以具体示例对本实施例的偏振旋转高阶模转换分束器的工作过程进行说明。
示例一
如图6所示(图中的虚线仅用于区分各个梯形段)，偏振旋转高阶模转换分束器200包括偏振旋转高阶模转换器100、扩束波导210、第一分束波导220、第一输出波导230和第二输出波导240，其中，偏振旋转高阶模转换器100作为输入波导，偏振旋转高阶模转换器100连接于扩束波导210的左侧一端，扩束波导210的右侧一端分别与第一分束波导220和第二输出波导240连接，第一分束波导220的右侧一端和第一输出波导230连接。在该示例中，偏振旋转高阶模转换器100的总长度为130um，第一芯区110和第二芯区120均采用硅材料，第一芯区110和第二芯区120的厚度合计为220nm，第二芯区120的厚度为90nm，第一包层和第二包层均采用二氧化硅，第一演化区梯形段112和第二演化区梯形段113的长度合计为110um，第一梯形段111左侧一端的宽度和第三梯形段121左侧一端的宽度均为1.29um，第一梯形段111和第一演化区梯形段112的连接处的宽度为1.27um，第三梯形段121和第三演化区梯形段122的连接处的宽度为1.51um，第一演化区梯形段112和第二演化区梯形段113的连接处的宽度为1.33um，第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123的连接处的宽度为1.9um，第二演化区梯形段113和第二梯形段114的连接处的宽度为1.49um，第四演化区梯形段123和第四梯形段124的连接处的宽度为1.85um，第二梯形段114右侧一端的宽度和第四梯形段124右侧一端的宽度均为1.8um。
在图6所示的示例中，在偏振旋转高阶模转换器100的左侧一端输入TM基模的光信号，光信号经过第一梯形段111和第三梯形段121而快速过渡到第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113、第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123中，从而缓变为TE3高阶模，其有效折射率的变化如图7所示，其TE分量百分比的变化如图8所示，然后，TE3高阶模的光信号经过第二梯形段114和第四梯形段124而快速进入到第一分束波导220和第二输出波导240中，当TE3高阶模的光信号从偏振旋转高阶模转换器100进入到扩束波导210时，TE3高阶模的模场有4个强度相等的等份能量，在经过扩束波导210的扩束作用时，各等份能量之间的间隙可以随着扩束波导210的宽度的增大而增大，当该间隙足够大时，可以在该间隙处使用能够制作出的波导间隔将各等份能量按比例分开，例如图6中的第一分束波导220和第二输出波导240，能够把TE3高阶模的光信号按照1比3的比例分开，此时，从扩束波导210进入到第二输出波导240的光信号会转换成TE基模，而从扩束波导210进入到第一分束波导220的光信号会转换成TE2高阶模，接着，TE2高阶模的光信号可以进入到具有较高转换效率的第一输出波导230中进行模阶转换，从而能够被转换为TE基模。
如图7和图8所示，图7是波导各本征模的有效折射率在TM基模转换成TE3高阶模的过程中的变化曲线图，图8是波导各本征模的TE分量百分比在TM基模转换成TE3高阶模的过程中的变化曲线图。在图7中，横坐标轴为波导长度值，纵坐标轴为有效折射率，从图7中可以看出，当TM基模在第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113、第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123中转换成TE3高阶模时，TM基模和TE3高阶模的有效折射率最接近。在图8中，横坐标轴为波导长度值，纵坐标轴为TE分量百分比，从图8中可以看出，当TM基模在第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113、第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123中转换成TE3高阶模时，TM基模和TE3高阶模的TE分量变化率最大。所以，结合图7和图8可知，本实施例中的偏振旋转高阶模转换器100能够进行有效的偏振旋转模阶转换。此外，参照图9，图9是本实施例中的偏振旋转高阶模转换器100在TM基模转换成TE3高阶模时的损耗仿真图，从图9中可以看出，本实施例中的偏振旋转高阶模转换器100可以在较宽波长范围内(图9中所示为1520nm至1580nm)实现高效率的模式转换，从而可以在偏振旋转高阶模转换器100的总长度范围内实现更低的损耗和更大波长范围的高阶模转化，当使用在1比3分束器中时，可以获得损耗小、带宽大的1比3分束器。
示例二
如图10所示(图中的虚线仅用于区分各个梯形段)，偏振旋转高阶模转换分束器300包括偏振旋转高阶模转换器100、扩束波导310、第一分束波导320、第一输出波导330和第二输出波导340，其中，偏振旋转高阶模转换器100作为输入波导，偏振旋转高阶模转换器100连接于扩束波导310的左侧一端，扩束波导310的右侧一端分别与第一分束波导320和第二输出波导340连接，第一分束波导320的右侧一端和第一输出波导330连接。在该示例中，偏振旋转高阶模转换器100的总长度为120um，第一芯区110和第二芯区120均采用硅材料，第一芯区110和第二芯区120的厚度合计为220nm，第二芯区120的厚度为90nm，第一包层和第二包层均采用二氧化硅，第一演化区梯形段112和第二演化区梯形段113的长度合计为90um，第一梯形段111左侧一端的宽度和第三梯形段121左侧一端的宽度均为1.02um，第一梯形段111和第一演化区梯形段112的连接处的宽度为0.92um，第三梯形段121和第三演化区梯形段122的连接处的宽度为1um，第一演化区梯形段112和第二演化区梯形段113的连接处的宽度为0.95um，第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123的连接处的宽度为1.42um，第二演化区梯形段113和第二梯形段114的连接处的宽度为1.12um，第四演化区梯形段123和第四梯形段124的连接处的宽度为1.62um，第二梯形段114右侧一端的宽度和第四梯形段124右侧一端的宽度均为1.5um。
在图10所示的示例中，在偏振旋转高阶模转换器100的左侧一端输入TM基模的光信号，光信号经过第一梯形段111和第三梯形段121而快速过渡到第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113、第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123中，从而缓变为TE2高阶模，其有效折射率的变化如图11所示，其TE分量百分比的变化如图12所示，然后，TE2高阶模的光信号经过第二梯形段114和第四梯形段124而快速进入到第一分束波导320和第二输出波导340中，当TE2高阶模的光信号从偏振旋转高阶模转换器100进入到扩束波导310时，TE2高阶模的模场有3个强度相等的等份能量，在经过扩束波导310的扩束作用时，各等份能量之间的间隙可以随着扩束波导310的宽度的增大而增大，当该间隙足够大时，可以在该间隙处使用能够制作出的波导间隔将各等份能量按比例分开，例如图10中的第一分束波导320和第二输出波导340，能够把TE2高阶模的光信号按照1比2的比例分开，此时，从扩束波导310进入到第二输出波导340的光信号会转换成TE基模，而从扩束波导310进入到第一分束波导320的光信号会转换成TE1高阶模，接着，TE1高阶模的光信号可以进入到具有较高转换效率的第一输出波导330中进行模阶转换，从而能够被转换为TE基模。
如图11和图12所示，图11是波导各本征模的有效折射率在TM基模转换成TE2高阶模的过程中的变化曲线图，图12是波导各本征模的TE分量百分比在TM基模转换成TE2高阶模的过程中的变化曲线图。在图11中，横坐标轴为波导长度值，纵坐标轴为有效折射率，从图11中可以看出，当TM基模在第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113、第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123中转换成TE2高阶模时，TM基模和TE2高阶模的有效折射率最接近。在图12中，横坐标轴为波导长度值，纵坐标轴为TE分量百分比，从图12中可以看出，当TM基模在第一演化区梯形段112、第二演化区梯形段113、第三演化区梯形段122和第四演化区梯形段123中转换成TE2高阶模时，TM基模和TE2高阶模的TE分量变化率最大。所以，结合图11和图12可知，本实施例中的偏振旋转高阶模转换器100能够进行有效的偏振旋转模阶转换。此外，参照图13，图13是本实施例中的偏振旋转高阶模转换器100在TM基模转换成TE2高阶模时的损耗仿真图，从图13中可以看出，本实施例中的偏振旋转高阶模转换器100可以在较宽波长范围内(图13中所示为1520nm至1580nm)实现高效率的模式转换，从而可以在偏振旋转高阶模转换器100的总长度范围内实现更低的损耗和更大波长范围的高阶模转化，当使用在1比2分束器中时，可以获得损耗小、带宽大的1比2分束器。
以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种偏振旋转高阶模转换器，其特征在于，包括：呈上下层对应设置的第一芯区和第二芯区，所述第一芯区部分覆盖所述第二芯区，所述第一芯区两端的宽度和所述第二芯区两端的宽度相等；
所述第一芯区包括依次连接的第一梯形段、第一演化区梯形段、第二演化区梯形段和第二梯形段，所述第二芯区包括依次连接的第三梯形段、第三演化区梯形段、第四演化区梯形段和第四梯形段，所述第一梯形段与所述第三梯形段位置对应，所述第一演化区梯形段与所述第三演化区梯形段位置对应，所述第二演化区梯形段与所述第四演化区梯形段位置对应，所述第二梯形段与所述第四梯形段位置对应。
2.根据权利要求1所述的偏振旋转高阶模转换器，其特征在于，所述第一演化区梯形段、所述第二演化区梯形段、所述第三演化区梯形段和所述第四演化区梯形段均为绝热缓变结构。
3.根据权利要求2所述的偏振旋转高阶模转换器，其特征在于，所述第一演化区梯形段和所述第二演化区梯形段为相同斜率的绝热缓变结构或为不同斜率的绝热缓变结构。
4.根据权利要求2所述的偏振旋转高阶模转换器，其特征在于，所述第三演化区梯形段和所述第四演化区梯形段为相同斜率的绝热缓变结构或为不同斜率的绝热缓变结构。
5.根据权利要求1所述的偏振旋转高阶模转换器，其特征在于，所述第一梯形段和所述第三梯形段的斜边的斜率不同。
6.根据权利要求1所述的偏振旋转高阶模转换器，其特征在于，所述第二梯形段和所述第四梯形段的斜边的斜率不同。
7.根据权利要求1所述的偏振旋转高阶模转换器，其特征在于，所述第一芯区和所述第二芯区相互不接触。
8.根据权利要求1至7任一所述的偏振旋转高阶模转换器，其特征在于，还包括用于相互配合而包裹所述第一芯区和所述第二芯区的第一包层和第二包层，所述第一芯区、所述第二芯区、所述第一包层和所述第二包层配合形成纵向非对称光波导结构。
9.根据权利要求8所述的偏振旋转高阶模转换器，其特征在于，所述第一包层覆盖于所述第一芯区和所述第二芯区之上，所述第二包层位于所述第一芯区和所述第二芯区之下，所述纵向非对称光波导结构为所述第一包层和所述第二包层具有如下至少之一不相等：
折射率；
厚度；
宽度。
10.一种偏振旋转高阶模转换分束器，其特征在于，包括有如权利要求1至9中任意一项所述的偏振旋转高阶模转换器。
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