CN113484952A - 一种硅基片上的三维混合复用信号全光波长转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基片上的三维混合复用信号全光波长转换装置。本发明的波长转换装置主要由横磁模解复用器、3个横电模解复用器、2个横电模复用器、2个偏振分束旋转器和2个多模非线性波导构成，具有双偏振双模式多波长的信号光和泵浦光同时输入到波长转换装置中，经波长转换装置后将信号光和泵浦光全光波长转换生成携带与信号光相同数据的闲频光。本发明能将多路信号同时加载至同一多模波导的基模和第一高阶模上，形成模式复用，同时结合偏振复用技术，利用已色散优化的多模非线性波导，实现混合复用信号的全光波长转换，提高通信***的传输容量和动态波长路由网络灵活性；可用于全光通信网络中波长路由和超大容量信号处理等领域。

Description

一种硅基片上的三维混合复用信号全光波长转换装置
技术领域
本发明涉及光波导领域的一种硅基片上全光波长转换装置，特别是涉及一种硅基片上的三维混合复用信号全光波长转换装置。
背景技术
全光波长转换长期以来被认为是提高动态波长路由网络灵活性的理想方案。同时，随着当今万物互联的信息社会对光通信高带宽容量需求的不断提高，平面光波导集成器件技术的日益发展，人们开始充分挖掘和利用硅基波导中的波分复用(WDM)技术、模式复用(MDM)技术以及偏振复用(PDM)技术来增加通信容量。光通信网络为了实现波长的重复利用，对于不同维度的复用信号的全光波长转换的研究是大势所趋。
然而，由于多模非线性波导中模式间串扰、相位匹配难以控制和偏振敏感等技术难题，使多维混合复用信号的全光波长转换的研究进展缓慢。实现多维混合复用信号的全光波长转换的要求：一方面要求有相对较大的转换带宽和尽量高的转换效率，可实现多波长复用，在光通信***中可减少信道堵塞；另一方面需要具有相对低的模间串扰和损耗，保证信息完整无误高质量地在信道中进行传输。近日，人们提出采用色散优化的方法，可提高波长转换效率，并有效减小了模间串扰，因而成为研究热点。对于全光波长转换***，其核心器件是多模非线性波导，用于实现基于四波混频效应的多模信号的高效率转换。文献：YanqiaoXie,ShimingGao and Sailing He,“All-optical wavelength conversion andmulticasting for polarization-multiplexed signal using angled pumps in asilicon waveguide，”Opt.Let.37(11),1898-1900,2012给出了一种双偏振复用信号的全光波长转换方案。文献：Zijun Xu,Qiang Jin,Zhihua Tu and Shiming Gao,“All-opticalwavelength conversion for telecommunication mode-division multiplexingsignals in integrated silicon waveguides，”Appl.Opt.57,5036-5042,2018给出了一种用于双模式复用信号波长转换的非线性波导的设计方案。在此基础上，文献：BaobaoChen,Junfan Chen,Yi Zhao and Shiming Gao,“Silicon-based on-chip all-opticalwavelength conversion for two-dimensional hybrid multiplexing signals，”J.Nonlinear.Opt.Phys.Mater.28(3),1950034,2019给出了一种实现多波长双模式信号的全光波长转换器件，可实现多个波长的基模和高阶模信号的高效率全光波长转换。然而这种器件只能实现信号的横电模的波长转换，通常需要偏振控制器和横电模的耦合光栅的配合。因此，现有技术缺少一种同时适合偏振复用信号、波分复用信号和模式复用信号且宽带高效率的全光波长转换方法。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种硅基片上的三维混合复用信号全光波长转换装置，利用模式解-复用技术和偏振分束旋转技术，同时结合优化色散的方法，能将三维混合信号同时实现宽带高效全光波长转换。
本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明包括横磁模解复用器、第一横电模解复用器、第一横电模复用器、第二横电模解复用器、第二横电模复用器、第三横电模解复用器、第一偏振分束旋转器、第二偏振分束旋转器、第一多模非线性波导、第二多模非线性波导、第一单模输出波导、第二单模输出波导、第三单模输出波导、第四单模输出波导、第一绝热锥形波导、第二绝热锥形波导、第三绝热锥形波导、第四绝热锥形波导、第五绝热锥形波导、第六绝热锥形波导、第七绝热锥形波导、第八绝热锥形波导、第一连接波导和第二连接波导；
横磁模解复用器的输入端作为波长转换装置的输入端，横磁模解复用器的第一输出端与第一横电模解复用器的输入端相连，第一横电模解复用器的第二输出端通过第一连接波导与第一横电模复用器的第二输入端相连，第一横电模解复用器的第一输出端通过第二绝热锥形波导与第二偏振分束旋转器的输入端相连，第二偏振分束旋转器的第一输出端通过第四绝热锥形波导与第一横电模复用器的第一输入端相连，第二偏振分束旋转器的第二输出与第二横电模复用器的第二输入相连；
横磁模解复用器的第二输出端通过第一绝热锥形波导与第一偏振分束旋转器的输入端相连，第一偏振分束旋转器的第二输出端依次经第三绝热锥形波导和第二连接波导后与第二横电模复用器的第一输入相连，第一偏振分束旋转器的第一输出空置；
第一横电模复用器的输出依次经第五绝热锥形波导、第一多模非线性波导和第六绝热锥形波导后与第二横电模解复用器的输入端相连，第二横电模解复用器的第一输出和第二输出分别与第一单模输出波导和第三单模输出波导相连；
第二横电模复用器输出依次经第七绝热锥形波导、第二多模非线性波导和第八绝热锥形波导后与第三横电模解复用器的输入端相连，第三横电模解复用器的第一输出和第二输出分别与第四单模输出波导和第二单模输出波导相连；
第三单模输出波导、第一单模输出波导、第二单模输出波导和第四单模输出波导分别作为波长转换装置的第一输出、第二输出、第三输出和第四输出，波长转换装置的第一输出、第二输出、第三输出和第四输出分别与对应的滤波器相连，每个滤波器滤出获得信号光波长对应的闲频光。
所述横磁模解复用器包括第一多模输入波导、第一锥形波导、多模输出波导、第一弯曲波导、第二锥形波导和第二弯曲波导；
第一多模输入波导的一端作为横磁模解复用器的输入端，第一多模输入波导的另一端通过第一锥形波导与多模输出波导的一端相连，多模输出波导的另一端作为横磁模解复用器的第一输出端；第一弯曲波导的一端空置，第一弯曲波导的另一端通过第二锥形波导与第二弯曲波导的一端相连，第二弯曲波导的另一端作为横磁模解复用器的第二输出端；第一锥形波导的侧方设置有第二锥形波导，第一锥形波导与第二锥形波导耦合连接。
所述第一横电模解复用器、第一横电模复用器、第二横电模解复用器、第二横电模复用器和第三横电模解复用器结构和尺寸相同，但是第一横电模解复用器、第二横电模解复用器和第三横电模解复用器的输入、输出端与第一横电模复用器和第二横电模复用器的输入、输出端相反；
以第一横电模解复用器为例，第一横电模解复用器包括第二多模输入波导、第三锥形波导、第四锥形波导、第三弯曲波导、第四弯曲波导和第二单模输出波导；
第二多模输入波导的一端作为第一横电模解复用器的输入端，第二多模输入波导的另一端通过第三锥形波导与第二单模输出波导的一端相连，第二单模输出波导的另一端作为第一横电模解复用器的第一输出端；第三弯曲波导的一端空置，第三弯曲波导的另一端通过第四锥形波导与第四弯曲波导的一端相连，第四弯曲波导的另一端作为第一横电模解复用器的第二输出端；第三锥形波导的侧方设置有第四锥形波导，第三锥形波导与第四锥形波导耦合连接。
所述第一偏振分束旋转器、第二偏振分束旋转器结构和尺寸相同，具体为：
包括第三单模输入波导、第一绝热锥形波导、第二绝热锥形波导、第三绝热锥形波导、第四绝热锥形波导、第一耦合波导、第二耦合波导、第五弯曲波导、第六弯曲波导、第三单模输出波导和第四单模输出波导；
第三单模输入波导的一端作为偏振分束旋转器的输入端，第三单模输入波导的另一端依次经第一绝热锥形波导、第二绝热锥形波导、第三绝热锥形波导、第一耦合波导和第四绝热锥形波导后与第三单模输出波导的一端相连，第三单模输出波导的另一端作为偏振分束旋转器的第一输出端，第五弯曲波导的一端空置，第五弯曲波导的另一端依次经第二耦合波导和第六弯曲波导后与第四单模输出波导的一端相连，第四单模输出波导的另一端作为偏振分束旋转器的第二输出端；第一耦合波导的侧方设置有第二耦合波导，第一耦合波导和第二耦合波导耦合连接。
所述第一多模非线性波导和第二多模非线性波导均是经色散优化过且满足模式复用信号在其中发生基于四波混频的全光波长转换过程条件的波导，其中满足模式复用信号发生全光波长转换过程的条件是指信号光、泵浦光和闲频光在发生四波混频效应时满足能量和动量守恒且有较低的模间串扰，模间串扰是指模式复用信号在发生四波混频效应的不同类型时所产生的不同模式的闲频光之间的串扰。
所述第一偏振分束旋转器和第二偏振分束旋转器均为强限制小截面光波导类型，其截面尺寸为纳米量级。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
1.本发明可以将一个同时包含多个波长的信号进行全光波长转换，其中每个波长上包含TE和TM两个偏振态，且每个偏振态上包含基模和一阶模两个模式。结合偏振分束旋转器和模式复用器，实现复用信号低损耗低串扰的传输。同时，利用N个波长-2个偏振-2个模式的三维复用信号，将通信***的传输容量提高了N×2×2倍；
2.利用多模式同时色散调控方法，将多模非线性波导色散优化，实现波长-偏振-模式三维混合复用信号宽带宽、高转换效率的全光波长转换，可以提高动态波长路由网络的灵活性；
3.利用的波导横截面为纳米量级，属于强限制小截面光波导类型，具有易于大规模集成和扩展、结构简单等特点。
附图说明
图1是三维混合复用信号的片上全光波长转换装置的整体结构示意图。
图2是本发明装置中的非线性波导的横截面示意图。
图3是横磁模解复用器结构示意图。
图4是横电模解复用器结构示意图。
图5是偏振分束旋转器结构示意图。
图6是偏振分束旋转器的横截面示意图。
图7是三维混合复用信号的片上全光波长转换装置的工作原理示意图。
图8是实施例中波长转换装置的仿真结果图。
图中：7、全包层，71、缓冲层，8、第一芯层，81、第二芯层，9、上包层，11、横磁模解复用器，111、第一多模输入波导，112、第一锥形波导，113、第一多模输出波导，114、第一弯曲波导，115、第二锥形波导，116、第二弯曲波导，12、第一横电模解复用器，121、第二多模输入波导，122、第三锥形波导，123、第二单模输出波导，124、第三弯曲波导，125、第四锥形波导，126、第四弯曲波导，13、第一横电模复用器，14、第二横电模解复用器，15、第二横电模复用器，16、第三横电模解复用器，21、第一偏振分束旋转器，211、第三单模输入波导，212a、第一绝热锥形波导，212b、第二绝热锥形波导，212c、第三绝热锥形波导，212d、第四绝热锥形波导，213、第一耦合波导，214、第三单模输出波导，215、第五弯曲波导，216、第二耦合波导，217、第六弯曲波导，218、第四单模输出波导，22、第二偏振分束旋转器，31、第一多模非线性波导，32、第二多模非线性波导，40a、第一单模输出波导，40b、第二单模输出波导，41a、第三单模输出波导，41b、第四单模输出波导，51、第一绝热锥形波导，52、第二绝热锥形波导，53、第三绝热锥形波导，54、第四绝热锥形波导，55、第五绝热锥形波导，56、第六绝热锥形波导，57、第七绝热锥形波导，58、第八绝热锥形波导，61、第一连接波导，62、第二连接波导。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括横磁模解复用器11、第一横电模解复用器12、第一横电模复用器13、第二横电模解复用器14、第二横电模复用器15、第三横电模解复用器16、第一偏振分束旋转器21、第二偏振分束旋转器22、第一多模非线性波导31、第二多模非线性波导32、第一单模输出波导40a、第二单模输出波导40b、第三单模输出波导41a、第四单模输出波导41b、第一绝热锥形波导51、第二绝热锥形波导52、第三绝热锥形波导53、第四绝热锥形波导54、第五绝热锥形波导55、第六绝热锥形波导56、第七绝热锥形波导57、第八绝热锥形波导58、第一连接波导61和第二连接波导62；
横磁模解复用器11的输入端作为波长转换装置的输入端，横磁模解复用器11的第一输出端与第一横电模解复用器12的输入端相连，第一横电模解复用器12的第二输出端通过第一连接波导61与第一横电模复用器13的第二输入端相连，第一横电模解复用器12的第一输出端通过第二绝热锥形波导52与第二偏振分束旋转器22的输入端相连，第二偏振分束旋转器22的第一输出端通过第四绝热锥形波导54与第一横电模复用器13的第一输入端相连，第二偏振分束旋转器22的第二输出与第二横电模复用器15的第二输入相连；
横磁模解复用器11的第二输出端通过第一绝热锥形波导51与第一偏振分束旋转器21的输入端相连，第一偏振分束旋转器21的第二输出端依次经第三绝热锥形波导53和第二连接波导62后与第二横电模复用器15的第一输入相连，第一偏振分束旋转器21的第一输出空置；
第一横电模复用器13的输出依次经第五绝热锥形波导55、第一多模非线性波导31和第六绝热锥形波导56后与第二横电模解复用器14的输入端相连，第二横电模解复用器14的第一输出和第二输出分别与第一单模输出波导40a和第三单模输出波导41a相连；
第二横电模复用器15的输出依次经第七绝热锥形波导57、第二多模非线性波导32和第八绝热锥形波导58后与第三横电模解复用器16的输入端相连，第三横电模解复用器16的第一输出和第二输出分别与第四单模输出波导41b和第二单模输出波导40b相连；
第一单模输出波导40a、第二单模输出波导40b、第三单模输出波导41a和第四单模输出波导41b分别作为波长转换装置的第一输出、第二输出、第三输出和第四输出，波长转换装置的第一输出、第二输出、第三输出和第四输出分别与对应的滤波器相连，每个滤波器滤出获得与信号光波长对应的闲频光闲频光。横磁模解复用器11将横磁模的基模和一阶模分别从第一输出端和第二输出端输出，3个横电模解复用器将横电模的基模和一阶模分别从第一输出端和第二输出端输出，同时横磁模的基模也从第一输出端输出，2个横电模复用器将横电模的基模和一阶模进行复用后输出，2个偏振分束旋转器将横磁基模转换为横电基模，2条多模非线性波导实现四波混频的高效全光波长转换。
如图3所示，横磁模解复用器11包括第一多模输入波导111、第一锥形波导112、多模输出波导113、第一弯曲波导114、第二锥形波导115和第二弯曲波导116；
第一多模输入波导111的一端作为横磁模解复用器11的输入端，第一多模输入波导111的另一端通过第一锥形波导112与多模输出波导113的一端相连，多模输出波导113的另一端作为横磁模解复用器11的第一输出端；第一弯曲波导114的一端空置，第一弯曲波导114的另一端通过第二锥形波导115与第二弯曲波导116的一端相连，第二弯曲波导116的另一端作为横磁模解复用器11的第二输出端；第一锥形波导112的侧方设置有第二锥形波导115，第一锥形波导112与第二锥形波导115耦合连接；第一锥形波导112的侧面与第二锥形波导115侧面平行且等间隔设置，第一锥形波导112与第二锥形波导115的轴向长度相同。
在多模输入波导111的输入端输入复用模式的波，只有一阶横磁模从弯曲波导116输出端口输出，其他模式的波从多模输出波导113端口输出。在输入端，为了支持横磁基模、横电基模、一阶横磁模和一阶横电模且阻止其他模式的传输，多模输入波导111的宽度选择为1.15微米，由第一锥形波导112和第二锥形波导115构成的非对称锥形定向耦合波导的窄边宽度分别选择为0.72微米、0.12微米，第二弯曲波导116的宽度为0.3微米，间隙宽度选为0.2微米，其中间隙宽度为耦合波导之间的距离，就是波导间距，具体实施中，耦合长度随耦合波导的间隙宽度增加而呈指数增加，所以选取较小的间隙宽度，来减小耦合长度，提高整体器件的紧凑度，同时也要考虑到工艺加工的尺寸限制。
如图4所示，第一横电模解复用器12、第一横电模复用器13、第二横电模解复用器14、第二横电模复用器15和第三横电模解复用器16结构和尺寸相同，但是第一横电模解复用器12、第二横电模解复用器14和第三横电模解复用器16的输入、输出端与第一横电模复用器13和第二横电模复用器15的输入、输出端相反；即第一横电模解复用器12、第二横电模解复用器14和第三横电模解复用器16的输入端作为第一横电模复用器13和第二横电模复用器15的输出端，第一横电模解复用器12、第二横电模解复用器14和第三横电模解复用器16的第一输出端、第二输出端分别作为第一横电模复用器13和第二横电模复用器15的第一输入端、第二输入端；
以第一横电模解复用器12为例，第一横电模解复用器12包括第二多模输入波导121、第三锥形波导122、第四锥形波导125、第三弯曲波导124、第四弯曲波导126和第二单模输出波导123；
第二多模输入波导121的一端作为第一横电模解复用器12的输入端，第二多模输入波导121的另一端通过第三锥形波导122与第二单模输出波导123的一端相连，第二单模输出波导123的另一端作为第一横电模解复用器12的第一输出端；第三弯曲波导124的一端空置，第三弯曲波导124的另一端通过第四锥形波导125与第四弯曲波导126的一端相连，第四弯曲波导126的另一端作为第一横电模解复用器12的第二输出端；第三锥形波导122的侧方设置有第四锥形波导125，第三锥形波导122与第四锥形波导125耦合连接；第三锥形波导122的侧面与第四锥形波导125的侧面平行且等间隔设置，第三锥形波导122与第四锥形波导125的轴向长度相同。
经过横磁模解复用器11之后，多模波导中只剩下横磁基模、横电基模和一阶横电模，在横电模解复用器12中，只有一阶横电模从第四弯曲波导126输出端口输出，其他模式从第二多模输出波导123端口输出。第二多模输入波导121的宽度选择为0.72微米，由第三锥形波导122和第四锥形波导125构成的非对称锥形定向耦合波导的窄边宽度分别选择为0.48微米、0.12微米，第四弯曲波导126的宽度为0.26微米，间隙宽度选为0.2微米。
如图5所示，第一偏振分束旋转器21、第二偏振分束旋转器22结构和尺寸相同，具体为：
包括第三单模输入波导211、第一绝热锥形波导212a、第二绝热锥形波导212b、第三绝热锥形波导212c、第四绝热锥形波导212d、第一耦合波导213、第二耦合波导216、第五弯曲波导215、第六弯曲波导217、第三单模输出波导214和第四单模输出波导218；
第三单模输入波导211的一端作为偏振分束旋转器的输入端，第三单模输入波导211的另一端依次经第一绝热锥形波导212a、第二绝热锥形波导212b、第三绝热锥形波导212c、第一耦合波导213和第四绝热锥形波导212d后与第三单模输出波导214的一端相连，第三单模输出波导214的另一端作为偏振分束旋转器的第一输出端，第五弯曲波导215的一端空置，第五弯曲波导215的另一端依次经第二耦合波导216和第六弯曲波导217后与第四单模输出波导218的一端相连，第四单模输出波导218的另一端作为偏振分束旋转器的第二输出端；第一耦合波导213的侧方设置有第二耦合波导216，第一耦合波导213和第二耦合波导216耦合连接；第一耦合波导213的侧面和第二耦合波导216的侧面平行且间隔布置，第一耦合波导213和第二耦合波导216的轴向长度相同。
当横磁基模和横电基模一起进入偏振分束旋转器时，光束通过三段绝热锥形波导，横磁基模被转化为一阶横电模，第一耦合波导213会将一阶横电模耦合到第二耦合波导216中变为横电基模，在第四单模输出波导218输出端输出；同时，输入的横电基模由于在耦合波导中存在的相位失配，不能被耦合到第二耦合波导216中，因此在传输中保持同一种偏振态，在第三单模输出波导214得到横电基模，最终，实现偏振分束旋转。
如图6所示，偏振分束旋转器21的横截面示意图，偏振分束旋转器21主要由两个芯层81沉积在缓冲层71上并且两个芯层81被上包层9包围构成。为了实现横磁模(TransverseMagnetic mode，TM)转化会横电模(Transverse Electric mode，TE)，选择上包层与缓冲层折射率不相等的材料，比如空气或氮化硅，光束在波导中传输时会发生模式演化。实施例中选择空气作为上包层9材料，其折射率为1.0003,缓冲层71为SiO2材料，芯层81为Si材料。第三单模输入波导211的宽度选择为0.54微米来满足单模条件，三段绝热锥形波导212a、212b、212c的宽度分别选择0.69微米、0.83微米和0.9微米，其长度分别为4微米、44微米和2微米。第一、第二耦合波导213、216的宽度分别为0.9微米和0.405微米，间隙宽度和耦合长度分别取0.15微米和7微米。单模输出波导214、218宽度取为0.405微米。
第一偏振分束旋转器21和第二偏振分束旋转器22均为强限制小截面光波导类型，其截面尺寸为纳米量级。
第一多模非线性波导31和第二多模非线性波导32均是经色散优化过且满足模式复用信号在其中发生基于四波混频的高效全光波长转换过程条件的波导，其中满足模式复用信号发生高效全光波长转换过程的条件是指信号光、泵浦光和闲频光在发生四波混频效应时满足能量和动量守恒且有较低的模间串扰，模间串扰的范围为-20～-40dB，模间串扰是指模式复用信号在发生四波混频效应的不同类型时所产生的不同模式的闲频光之间的串扰。模间串扰包括由复用器产生的线性串扰和由模间四波混频效应产生的非线性串扰。线性串扰是指模式复用器或模式解复用器的不完全耦合，没有将第一横电模完全转化为横电模的基模，非线性串扰是指模式复用信号在多模非线性波导中发生四波混频效应的不同类型时所产生的不同模式的闲频光之间的串扰。
具体实施中，实现高效宽带的全光波长转换的方法如下：
通过调节多模非线性波导的横、纵向尺寸使得波导中二阶传播常数尽可能的接近零，并且在通信波段1550nm附近拥有相对平坦的色散曲线，尽可能保证TE01和TE11两个模式色散曲线的零点相对接近，且色散曲线的零点在1550nm附近；调节泵浦光的功率和非线性波导长度使波长转换效率达到最大，在非线性波导中实现高效的四波混频效应。选取非线性波导的宽度为741nm，高度为220nm，长度为8.7mm。
本发明装置中的多模非线性波导选用基于硅基绝缘体(SOI)材料的纳米线光波导，纳米线光波导主要由芯层8和包层7构成，纳米线光波导的横截面示意图如图2所示，包层7为SiO2材料，厚度为3微米，折射率为1.44；芯层8为Si材料，厚度为0.22微米，其折射率为3.47。
下面说明本发明作为三维混合复用信号的硅基片上全光波长转换装置的工作过程：
本发明的工作原理如图7所示，携带信息的各个波长(λ1、λ2…λn)信号光和一束工作波长为1550nm的泵浦光同时从全光波长转换装置的输入端输入，在输出端得到与信号光波长相对应的闲频光。其中，信号光和闲频光同时包含两个偏振态(TM和TE)，每个偏振态上包含两个模式(基模和一阶模)。信号光和泵浦光在输入全光波长转换装置时，首先进入横磁模解复用器的输入端(TM11模式解复用器)，每个波长的光束包含两个偏振态，每个偏振态同时包含基模和一阶模。信号光和泵浦光中的TM偏振一阶模分量经横磁模解复用器(TM11模式解复用器)下载下来并输入到偏振分束旋转器1的输入端，即从下方波导输出，并进入横电模复用器(TE11模式复用器2)的下方输入端口；TE偏振一阶模分量经横电模解复用器下载下来并通过连接波导输入到横电模复用器的输入端，即从上方波导输出，并进入横电模复用器(TE11模式复用器1)的上方输入端口；而TE和TM基模在总线波导中传输直至进入偏振分束旋转器，将TM基模转化为TE基模从偏振分束旋转器的下方波导输出并进入横电模复用器(TE11模式复用器2)的上方输入端口，TE基模直接从总线波导输出并进入横电模复用器(TE11模式复用器1)的下方输入端口。两个偏振态的光束分别在两个多模非线性波导中发生基于四波混频效应的全光波长转换，产生的闲频光同信号光、泵浦光一同进入到两个横电模解复用器中，最终，四个单模输出波导输出经滤波器将闲频光滤出，得到需要的闲频光，单模输出波导的端口1输出的闲频光携带有与TE一阶模信号光相同的信号，单模输出波导的端口2输出的闲频光携带有与TE基模信号光相同的信号，单模输出波导的端口3输出的闲频光携带有与TM基模信号光相同的信号，单模输出波导的端口4输出的闲频光携带有与TM一阶模信号光相同的信号。
由于本发明装置中的器件都具有宽带特性，此装置适用于波长数N×偏振数2×模式数2＝4N路信道混合复用信号的全光波长转换。双偏振双模式的信号光通过波长转换装置输出的闲频光的转换效率随信号光波长的变换关系如图8所示，因为TM偏振的信号光需要经过偏振分束旋转器，且不同模式的光在传输过程中损耗不同，所以TM偏振的信号光损耗相对于TE偏振的信号光损耗大一些，转换效率低0.45dB。通过仿真结果可以看出本发明的装置具有高转换效率(-20.7dB)和宽带(66nm)特性，可以实现三维混合复用信号的全光波长转换。

Claims (6)

1.一种硅基片上的三维混合复用信号全光波长转换装置，其特征在于：包括横磁模解复用器(11)、第一横电模解复用器(12)、第一横电模复用器(13)、第二横电模解复用器(14)、第二横电模复用器(15)、第三横电模解复用器(16)、第一偏振分束旋转器(21)、第二偏振分束旋转器(22)、第一多模非线性波导(31)、第二多模非线性波导(32)、第一单模输出波导(40a)、第二单模输出波导(40b)、第三单模输出波导(41a)、第四单模输出波导(41b)、第一绝热锥形波导(51)、第二绝热锥形波导(52)、第三绝热锥形波导(53)、第四绝热锥形波导(54)、第五绝热锥形波导(55)、第六绝热锥形波导(56)、第七绝热锥形波导(57)、第八绝热锥形波导(58)、第一连接波导(61)和第二连接波导(62)；
横磁模解复用器(11)的输入端作为波长转换装置的输入端，横磁模解复用器(11)的第一输出端与第一横电模解复用器(12)的输入端相连，第一横电模解复用器(12)的第二输出端通过第一连接波导(61)与第一横电模复用器(13)的第二输入端相连，第一横电模解复用器(12)的第一输出端通过第二绝热锥形波导(52)与第二偏振分束旋转器(22)的输入端相连，第二偏振分束旋转器(22)的第一输出端通过第四绝热锥形波导(54)与第一横电模复用器(13)的第一输入端相连，第二偏振分束旋转器(22)的第二输出与第二横电模复用器(15)的第二输入相连；
横磁模解复用器(11)的第二输出端通过第一绝热锥形波导(51)与第一偏振分束旋转器(21)的输入端相连，第一偏振分束旋转器(21)的第二输出端依次经第三绝热锥形波导(53)和第二连接波导(62)后与第二横电模复用器(15)的第一输入相连，第一偏振分束旋转器(21)的第一输出空置；
第一横电模复用器(13)的输出依次经第五绝热锥形波导(55)、第一多模非线性波导(31)和第六绝热锥形波导(56)后与第二横电模解复用器(14)的输入端相连，第二横电模解复用器(14)的第一输出和第二输出分别与第一单模输出波导(40a)和第三单模输出波导(41a)相连；
第二横电模复用器(15)输出依次经第七绝热锥形波导(57)、第二多模非线性波导(32)和第八绝热锥形波导(58)后与第三横电模解复用器(16)的输入端相连，第三横电模解复用器(16)的第一输出和第二输出分别与第四单模输出波导(41b)和第二单模输出波导(40b)相连；
第三单模输出波导(41a)、第一单模输出波导(40a)、第二单模输出波导(40b)和第四单模输出波导(41b)分别作为波长转换装置的第一输出、第二输出、第三输出和第四输出，波长转换装置的第一输出、第二输出、第三输出和第四输出分别与对应的滤波器相连，每个滤波器滤出获得信号光波长对应的闲频光。
2.根据权利要求1所述的一种硅基片上的三维混合复用信号全光波长转换装置，其特征在于：所述横磁模解复用器(11)包括第一多模输入波导(111)、第一锥形波导(112)、多模输出波导(113)、第一弯曲波导(114)、第二锥形波导(115)和第二弯曲波导(116)；
第一多模输入波导(111)的一端作为横磁模解复用器(11)的输入端，第一多模输入波导(111)的另一端通过第一锥形波导(112)与多模输出波导(113)的一端相连，多模输出波导(113)的另一端作为横磁模解复用器(11)的第一输出端；第一弯曲波导(114)的一端空置，第一弯曲波导(114)的另一端通过第二锥形波导(115)与第二弯曲波导(116)的一端相连，第二弯曲波导(116)的另一端作为横磁模解复用器(11)的第二输出端；第一锥形波导(112)的侧方设置有第二锥形波导(115)，第一锥形波导(112)与第二锥形波导(115)耦合连接。
3.根据权利要求1所述的一种硅基片上的三维混合复用信号全光波长转换装置，其特征在于：所述第一横电模解复用器(12)、第一横电模复用器(13)、第二横电模解复用器(14)、第二横电模复用器(15)和第三横电模解复用器(16)结构和尺寸相同，但是第一横电模解复用器(12)、第二横电模解复用器(14)和第三横电模解复用器(16)的输入、输出端与第一横电模复用器(13)和第二横电模复用器(15)的输入、输出端相反；
以第一横电模解复用器(12)为例，第一横电模解复用器(12)包括第二多模输入波导(121)、第三锥形波导(122)、第四锥形波导(125)、第三弯曲波导(124)、第四弯曲波导(126)和第二单模输出波导(123)；
第二多模输入波导(121)的一端作为第一横电模解复用器(12)的输入端，第二多模输入波导(121)的另一端通过第三锥形波导(122)与第二单模输出波导(123)的一端相连，第二单模输出波导(123)的另一端作为第一横电模解复用器(12)的第一输出端；第三弯曲波导(124)的一端空置，第三弯曲波导(124)的另一端通过第四锥形波导(125)与第四弯曲波导(126)的一端相连，第四弯曲波导(126)的另一端作为第一横电模解复用器(12)的第二输出端；第三锥形波导(122)的侧方设置有第四锥形波导(125)，第三锥形波导(122)与第四锥形波导(125)耦合连接。
4.根据权利要求1所述的一种硅基片上的三维混合复用信号全光波长转换装置，其特征在于：所述第一偏振分束旋转器(21)、第二偏振分束旋转器(22)结构和尺寸相同，具体为：
包括第三单模输入波导(211)、第一绝热锥形波导(212a)、第二绝热锥形波导(212b)、第三绝热锥形波导(212c)、第四绝热锥形波导(212d)、第一耦合波导(213)、第二耦合波导(216)、第五弯曲波导(215)、第六弯曲波导(217)、第三单模输出波导(214)和第四单模输出波导(218)；
第三单模输入波导(211)的一端作为偏振分束旋转器的输入端，第三单模输入波导(211)的另一端依次经第一绝热锥形波导(212a)、第二绝热锥形波导(212b)、第三绝热锥形波导(212c)、第一耦合波导(213)和第四绝热锥形波导(212d)后与第三单模输出波导(214)的一端相连，第三单模输出波导(214)的另一端作为偏振分束旋转器的第一输出端，第五弯曲波导(215)的一端空置，第五弯曲波导(215)的另一端依次经第二耦合波导(216)和第六弯曲波导(217)后与第四单模输出波导(218)的一端相连，第四单模输出波导(218)的另一端作为偏振分束旋转器的第二输出端；第一耦合波导(213)的侧方设置有第二耦合波导(216)，第一耦合波导(213)和第二耦合波导(216)耦合连接。
5.根据权利要求1所述的一种硅基片上的三维混合复用信号全光波长转换装置，其特征在于：
所述第一多模非线性波导(31)和第二多模非线性波导(32)均是经色散优化过且满足模式复用信号在其中发生基于四波混频的全光波长转换过程条件的波导，其中满足模式复用信号发生全光波长转换过程的条件是指信号光、泵浦光和闲频光在发生四波混频效应时满足能量和动量守恒且有较低的模间串扰，模间串扰是指模式复用信号在发生四波混频效应的不同类型时所产生的不同模式的闲频光之间的串扰。
6.根据权利要求1所述的一种硅基片上的三维混合复用信号全光波长转换装置，其特征在于：所述第一偏振分束旋转器(21)和第二偏振分束旋转器(22)均为强限制小截面光波导类型，其截面尺寸为纳米量级。
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