本發(fā)明屬于光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種硅基集成化光模式數(shù)據(jù)交換器。

背景技術(shù)：

隨著信息時代的發(fā)展，人們對大容量、高速率通信的要求也越來越高。為了適應(yīng)日益增長的需求，現(xiàn)已研究出很多高速光傳輸方面的重大技術(shù)成就，如時分復(fù)用技術(shù)、碼分復(fù)用技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)、空分復(fù)用技術(shù)、模式復(fù)用技術(shù)等。其中波分復(fù)用，尤其是密集波分復(fù)用技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光纖通信技術(shù)中。然而，隨著需求的日益增長，波分復(fù)用技術(shù)也將面臨其瓶頸，并且隨著復(fù)用波長數(shù)量的增加，波分復(fù)用所需的激光源數(shù)量勢必需要增加很多，這無疑大大增加了運行成本。為了解決這一問題，研究人員提出了一種新的信號復(fù)用方式，即模式復(fù)用。所謂模式復(fù)用技術(shù)，就是將光的不同模態(tài)復(fù)用到一根多模光纖或少模光纖上傳輸，并在接收端將不同的模態(tài)解復(fù)用成相應(yīng)的信號的技術(shù)。

在很早以前人們就發(fā)現(xiàn)了光的不同模態(tài)的存在，并且不同模態(tài)之間會發(fā)生色散和串?dāng)_。為了避免色散和串?dāng)_，得到穩(wěn)定且質(zhì)量好的激光，人們將主要精力放在單模激光器和單模光纖的研究上。然而單模并不能滿足傳輸容量的需求，光的多模態(tài)又回到人們的研究視野中。光的模態(tài)作為光的一種維度，跟光的波長一樣可以作為光通信中的一種重要復(fù)用形式。特定的模式轉(zhuǎn)換器能將現(xiàn)有市面上廣泛使用的單模激光和單模光纖中的基模光信號轉(zhuǎn)換成某種特定模式的光信號，將多種模式復(fù)用到一根多模光纖中傳播，這樣就能成倍提高通信容量，而所需的激光器數(shù)量相對于波分復(fù)用將大大減少。此外，將模式復(fù)用技術(shù)和現(xiàn)有時分復(fù)用、波分復(fù)用等技術(shù)結(jié)合起來，可以在降低成本的同時成倍提高信道容量。

目前已經(jīng)研究出了各種模式復(fù)用器件，但模式復(fù)用技術(shù)相關(guān)的其他重要技術(shù)的研究還相對較少。模式交換器在波分復(fù)用系統(tǒng)中的作用和波長交換器在波分復(fù)用系統(tǒng)中的作用一樣，能夠大量節(jié)省建網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)升級成本，提高網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)靈活性和生存性，更加靈活、有效地提高寬帶利用率，是光模式復(fù)用技術(shù)中至關(guān)重要的一種器件。所謂模式交換器就是將兩個或多個光信號所攜帶的光模態(tài)相互交換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸、交換、導(dǎo)流等功能。

中國華中科技大學(xué)的王健等研究人員發(fā)表于2015年的科技論文“On-chip optical mode exchange using tapered directional coupler”（Scientific Reports, Vol. 5, Article number: 16072）在大量仿真的基礎(chǔ)上基于漸變錐的定向耦合器提出了一種模式交換器。但該方法的器件尺寸較大，且效率較低。

中國華中科技大學(xué)的余宇等研究人員發(fā)表于2016年的科技論文“On-chip data exchange for mode division multiplexed signals”（Optics Express Vol. 24, Issue 1, pp. 528-535）提出了一種基于微環(huán)諧振器的光模式數(shù)據(jù)交換器，但器件所需微環(huán)個數(shù)較多，且尺寸相對較大，不利于器件穩(wěn)定和大面積集成。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種硅基集成化光模式數(shù)據(jù)交換器，以解決光通信模式復(fù)用技術(shù)中的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交換、數(shù)據(jù)導(dǎo)流等問題，并利用現(xiàn)代的工藝技術(shù)以保持器件的小體積、低功耗及低成本，期望實現(xiàn)在將來的光通信及光網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要的作用。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種硅基集成化光模式數(shù)據(jù)交換器，包括第一微環(huán)諧振器和第二微環(huán)諧振器，第一微環(huán)諧振器包括依次平行設(shè)置的第一直波導(dǎo)、第三直波導(dǎo)和第四直波導(dǎo)，第一直波導(dǎo)的一端通過絕熱錐與第二直波導(dǎo)的一端相連，第二直波導(dǎo)的另一端通過第一彎波導(dǎo)與第四直波導(dǎo)的一端相連，第四直波導(dǎo)的另一端通過第二彎波導(dǎo)與第三直波導(dǎo)的一端相連，第三直波導(dǎo)的另一端為自由端；第二直波導(dǎo)的寬度、第三直波導(dǎo)的寬度、第一彎波導(dǎo)的寬度、第四直波導(dǎo)的寬度、第二彎波導(dǎo)的寬度和第一硅基納米線微環(huán)的波導(dǎo)寬度相同，第一直波導(dǎo)的寬度大于第二直波導(dǎo)的寬度；第一直波導(dǎo)和第三直波導(dǎo)之間設(shè)有第一硅基納米線微環(huán)，第一硅基納米線微環(huán)與第三直波導(dǎo)之間的距離等于第一硅基納米線微環(huán)與第一直波導(dǎo)之間的距離；

第二微環(huán)諧振器包括平行設(shè)置的第五直波導(dǎo)和第七直波導(dǎo)，第七直波導(dǎo)的一端通過另一個絕熱錐與第六直波導(dǎo)相連，第七直波導(dǎo)的寬度大于第六直波導(dǎo)的寬度，且第七直波導(dǎo)的寬度與第一直波導(dǎo)的寬度相同，第七直波導(dǎo)的另一端與第一直波導(dǎo)的另一端相連，第七直波導(dǎo)和第五直波導(dǎo)之間設(shè)有第二硅基納米線微環(huán)，第二硅基納米線微環(huán)與第五直波導(dǎo)之間的距離和第二硅基納米線微環(huán)與第七直波導(dǎo)之間的距離相同，且等于第一硅基納米線微環(huán)與第一直波導(dǎo)之間的距離。

本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器利用相對簡單的結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)波分復(fù)用技術(shù)中的波長交換的概念借鑒到了最新的光模式復(fù)用技術(shù)中，提出了一種光模式交換器，可以實現(xiàn)高速大容量的數(shù)據(jù)交換、信息導(dǎo)流和復(fù)雜信息處理。此外利用現(xiàn)成的工藝技術(shù)，可以使得器件體積小，功耗低，擴展性好，便于與電學(xué)元件集成，以期望本發(fā)明在光通信、光網(wǎng)絡(luò)及光子計算機中發(fā)揮重要的作用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器的主干波導(dǎo)的示意圖。

圖3是本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器模式交換的基本原理圖。

圖4是本發(fā)明中帶有調(diào)諧電極的波導(dǎo)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器的第一微環(huán)諧振器的原理圖。

圖6是本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器的第二微環(huán)諧振器的原理圖。

圖中：1.第一微環(huán)諧振器，2.第二微環(huán)諧振器，1-1.第一直波導(dǎo)，1-2.第二直波導(dǎo)，1-3.第三直波導(dǎo)，1-4.第一彎波導(dǎo)，1-5.第四直波導(dǎo)，1-6.第二彎波導(dǎo)，2-1.第五直波導(dǎo)，2-2.第六直波導(dǎo)，2-3.第七直波導(dǎo)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

美國康奈爾大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)的Michal Lipson等研究人員發(fā)表于2014年的科技論文“WDM-compatible mode-division multiplexing on a silicon chip”（Nature Communications, VOL. 5, Article number: 3069）基于非對稱耦合區(qū)的微環(huán)諧振器提出了一種光模式復(fù)用/解復(fù)用器，為模式復(fù)用技術(shù)的進(jìn)步起到了巨大的推動作用。本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器的模式交換和模式復(fù)用原理也主要基于類似這種非對稱耦合區(qū)結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器。

本發(fā)明提供了一種如圖1所示的硅基集成化光模式數(shù)據(jù)交換器，包括第一微環(huán)諧振器1和第二微環(huán)諧振器2。第一微環(huán)諧振器1包括依次平行設(shè)置的第一直波導(dǎo)1-1、第三直波導(dǎo)1-3和第四直波導(dǎo)1-5，第一直波導(dǎo)1-1的一端通過“絕熱錐”（Adiabatic Taper）與第二直波導(dǎo)1-2的一端相連，第二直波導(dǎo)1-2的另一端通過第一彎波導(dǎo)1-4與第四直波導(dǎo)1-5的一端相連，第四直波導(dǎo)1-5的另一端通過第二彎波導(dǎo)1-6與第三直波導(dǎo)1-3的一端相連，第三直波導(dǎo)1-3的另一端為自由端；第二直波導(dǎo)1-2的寬度、第三直波導(dǎo)1-3的寬度、第一彎波導(dǎo)1-4的寬度、第四直波導(dǎo)1-5的寬度、第二彎波導(dǎo)1-6的寬度和第一硅基納米線微環(huán)MRR1的波導(dǎo)寬度相同，第一直波導(dǎo)1-1的寬度大于第二直波導(dǎo)1-2的寬度；第一直波導(dǎo)1-1和第三直波導(dǎo)1-3之間設(shè)有第一硅基納米線微環(huán)MRR1，第一硅基納米線微環(huán)MRR1與第三直波導(dǎo)1-3之間的距離等于第一硅基納米線微環(huán)MRR1與第一直波導(dǎo)1-1之間的距離。

第二微環(huán)諧振器2包括平行設(shè)置的第五直波導(dǎo)2-1和第七直波導(dǎo)2-3，第七直波導(dǎo)2-3的一端通過絕熱錐與第六直波導(dǎo)2-2相連，第七直波導(dǎo)2-3的寬度大于第六直波導(dǎo)2-2的寬度，且第七直波導(dǎo)2-3的寬度與第一直波導(dǎo)1-1的寬度相同，第七直波導(dǎo)2-3的另一端與第一直波導(dǎo)1-1的另一端相連，第七直波導(dǎo)2-3和第五直波導(dǎo)2-1之間設(shè)有第二硅基納米線微環(huán)MRR2，第二硅基納米線微環(huán)MRR2與第五直波導(dǎo)2-1之間距離和第二硅基納米線微環(huán)MRR2與第七直波導(dǎo)2-3之間的距離相同，且等于第一硅基納米線微環(huán)MRR1與第一直波導(dǎo)1-1之間的距離。第五直波導(dǎo)2-1的寬度、第六直波導(dǎo)2-2的寬度和第二硅基納米線微環(huán)MRR2的波導(dǎo)寬度均與第二直波導(dǎo)1-2的寬度相同。第七直波導(dǎo)2-3的波導(dǎo)寬度與第一直波導(dǎo)1-1的波導(dǎo)寬度相同。

依次相連的第二直波導(dǎo)1-2、第一直波導(dǎo)1-1、第七直波導(dǎo)2-3和第六直波導(dǎo)2-2組成圖2所示的主干波導(dǎo)。窄波導(dǎo)和寬波導(dǎo)之間通過兩個足夠長的“絕熱錐”連接，“絕熱錐”的寬度從窄波導(dǎo)的寬度線性漸變?yōu)閷挷▽?dǎo)的寬度，并且“絕熱錐”的長度足夠長，這樣“絕熱錐”波導(dǎo)側(cè)邊的擴展慢于光模式的衍射擴展，從而能確保基模在通過時不發(fā)生模式轉(zhuǎn)換，減少了模式之間的串?dāng)_。

第一微環(huán)諧振器1是由一根彎曲波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成的非對稱耦合結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器；該彎曲波導(dǎo)由第一直波導(dǎo)1-1、第二直波導(dǎo)1-2、第一彎波導(dǎo)1-4、第四直波導(dǎo)1-5、第二彎波導(dǎo)1-6和第三直波導(dǎo)1-3構(gòu)成，該環(huán)形波導(dǎo)為第一硅基納米線微環(huán)MRR1。第二微環(huán)諧振器2是由兩個寬度不同平行波導(dǎo)（第五直波導(dǎo)2-1和第七直波導(dǎo)2-3）和一個環(huán)形波導(dǎo)（第二硅基納米線微環(huán)MRR2）構(gòu)成的非對稱耦合結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器。兩個微環(huán)諧振器中的硅基納米線微環(huán)（即第一硅基納米線微環(huán)MRR1和第二硅基納米線微環(huán)MRR2）的波導(dǎo)寬度和窄波導(dǎo)（即第二直波導(dǎo)1-2、第一彎波導(dǎo)1-4、第四直波導(dǎo)1-5、第二彎波導(dǎo)1-6、第三直波導(dǎo)1-3、第五直波導(dǎo)2-1和第六直波導(dǎo)2-2）的寬度相同，兩硅基納米線微環(huán)和相應(yīng)的直波導(dǎo)之間都有預(yù)定的耦合距離，并且兩個硅基納米線微環(huán)的半徑相同。

第六直波導(dǎo)2-2的另一端為輸入端Y，第五直波導(dǎo)2-1的與輸入端Y相對的一端為輸入端X。當(dāng)光信號從Y端輸入時，器件的輸出端為X；當(dāng)光信號從X端輸入時，輸出端為Y。第五直波導(dǎo)2-1與輸入端Y相對應(yīng)的一端為Z，該端為自由端。

第一硅基納米線微環(huán)MRR1和第二硅基納米線微環(huán)MRR2結(jié)構(gòu)相同，可為圓形或跑道形。

本發(fā)明光模式轉(zhuǎn)換器中的所有單元均采用硅基納米線波導(dǎo)制作而成。

第一微環(huán)諧振器1用于實現(xiàn)模式交換功能，第二微環(huán)諧振器2具有產(chǎn)生復(fù)用在一起的兩種光模式和解復(fù)用兩種模式的功能。本發(fā)明硅基集成化光模式數(shù)據(jù)交換器模式交換的基本原理圖，如圖3所示，模態(tài)為模式一的信號一和模態(tài)為模式二的信號二經(jīng)過模式數(shù)據(jù)交換器之后兩者的模式發(fā)生交換，信號內(nèi)容不變，即原信號一由模式一變成模式二，而信號二由模式二變成了模式一；可見經(jīng)過模式交換后，兩個信號的內(nèi)容不變，所攜帶的模式發(fā)生交換。

本發(fā)明硅基集成化的光模式數(shù)據(jù)交換器主要包括兩個部分：第一部分為基于微環(huán)諧振器的模式交換器，是實現(xiàn)模式交換功能的部分；第二部分為基于微環(huán)諧振器的模式復(fù)用/解復(fù)用器，其目的是為了產(chǎn)生復(fù)用的兩束信號和方便模式交換后解復(fù)用測試或輸入下一級信息處理。端口X、Y為連續(xù)激光信號的輸入/輸出端，兩個微環(huán)大小相同，各自與相應(yīng)波導(dǎo)的距離對應(yīng)相等。

本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器的基本結(jié)構(gòu)為微環(huán)諧振器，采用硅基集成納米線波導(dǎo)制作。該光模式數(shù)據(jù)交換器由兩個非對稱耦合區(qū)的微環(huán)諧振器構(gòu)成，為保證兩個微環(huán)諧振器的諧振波長完全相同，兩個硅基納米線微環(huán)的半徑、耦合間距、相應(yīng)的直波導(dǎo)的寬度等參數(shù)完全對應(yīng)相同，并且兩個硅基納米線微環(huán)上都設(shè)有調(diào)諧電極。本發(fā)明硅基集成化的光模式數(shù)據(jù)交換器有兩個處于工作波長的連續(xù)基模光信號輸入，輸出是對兩個光信號序列進(jìn)行模式交換后的光信號序列。輸出的光信號可以在光纖中傳輸后進(jìn)行測試或直接進(jìn)入下一級的信息處理。

帶有調(diào)諧電極的波導(dǎo)的橫截面結(jié)構(gòu)，如圖4所示，包括襯底Si，襯底Si上設(shè)有SiO₂層，SiO₂層上設(shè)有Si波導(dǎo)芯區(qū)和調(diào)諧電極，波導(dǎo)和調(diào)諧電極周圍均包圍著SiO₂。Si波導(dǎo)芯區(qū)的寬度為W，Si波導(dǎo)芯區(qū)的高度為H；Si波導(dǎo)芯區(qū)頂面與調(diào)諧電極底面之間的距離為d_SiO2。

硅基集成化微環(huán)諧振器可以采用SOI、SiN和Ⅲ-Ⅴ族材料實現(xiàn)。本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器是基于SOI材料實現(xiàn)的，SOI材料的突出優(yōu)點是：工藝方面與傳統(tǒng)CMOS工藝是兼容的，從而可以利用現(xiàn)成的CMOS工藝技術(shù)，使得器件體積小、功耗低、擴展性好，便于與電學(xué)元件集成。本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器之所以具有這些優(yōu)點，與它所采用的材料屬性及器件工作原理關(guān)系密切。

首先，在材料方面，本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器采用的是絕緣襯底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）材料。SOI 是指在SiO₂絕緣層上生長一層具有一定厚度的單晶硅薄膜，其工藝與現(xiàn)在微電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的CMOS工藝是兼容的。利用SOI材料制成的硅波導(dǎo)，其芯層是Si（折射率為3.45），包層是SiO₂（折射率為1.44），這樣包層和芯層的折射率差很大，所以該波導(dǎo)對光場的限制能力很強使得其彎曲半徑可以很?。壳耙延谢赟OI材料彎曲波導(dǎo)的彎曲半徑達(dá)到1.5微米的報道），從而使器件的面積很小，在一塊芯片上可以制作出多個器件。傳統(tǒng)波導(dǎo)器件（如LiNbO₃）的彎曲半徑普遍在毫米甚至厘米量級，極大的占用了芯片面積，一塊芯片上通常只能放下一個器件。

其次，在器件方面，本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器的基本單元為基于硅基納米線波導(dǎo)的微環(huán)諧振器，它是一種功能多樣，性能優(yōu)越，近年來被廣泛研究的集成光學(xué)元件。利用微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)光緩存、光調(diào)制器、光濾波器、光分插復(fù)用器、光學(xué)邏輯門、光模式復(fù)用/解復(fù)用器等很多光信息處理與光通信所用的功能部件。由于環(huán)形波導(dǎo)的半徑可以小至1.5微米，其器件結(jié)構(gòu)非常緊湊，可以實現(xiàn)器件高密度集成，減少分立器件耦合時的損耗，同時降低器件的封裝成本。

本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器采用絕緣體上硅材料制備，基本單元為帶熱調(diào)制機構(gòu)或電調(diào)制機構(gòu)的微環(huán)諧振器。在信號傳輸速率（兆量級以下）要求不高的情況下，一般采用熱調(diào)制。熱調(diào)制在工藝上易于實現(xiàn)。在高速（吉量級）傳輸系統(tǒng)需要采用電調(diào)制，但是，相比于熱調(diào)制，電調(diào)制的工藝稍微復(fù)雜。

本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器實現(xiàn)模式交換過程是：輸入端X或輸入端Y中的一個輸入特定波長的連續(xù)激光（該波長為兩微環(huán)諧振器的工作波長，且若有需要可被調(diào)諧電極調(diào)諧）或者輸入端X和輸入端Y同時輸入特定波長的連續(xù)激光，從輸入端X輸入的基模信號一經(jīng)過第二硅基納米線微環(huán)MRR2轉(zhuǎn)換成一階模到主干波導(dǎo)中傳輸，與此同時，從輸入端Y輸入的基模信號二經(jīng)過絕熱錐傳輸至主干波導(dǎo)中保持基模?；：鸵浑A模共同傳輸至第一硅基納米線微環(huán)MRR1時，其中的一階模由于滿足耦合條件（即有效折射率匹配條件N_eff1=N_eff2，兩波導(dǎo)中的有效折射率相匹配時，兩波導(dǎo)中的光會發(fā)生有效耦合，否則不發(fā)生耦合，這里是寬波導(dǎo)中的一階模的有效折射率與環(huán)形波導(dǎo)中的基模的有效折射率相匹配），會被第一硅基納米線微環(huán)MRR1下載并轉(zhuǎn)換成基模，該轉(zhuǎn)換后的基模經(jīng)彎曲波導(dǎo)和絕熱錐后到達(dá)寬波導(dǎo)中保持基模，并再次經(jīng)過第一硅基納米線微環(huán)MRR1，此時的基模由于不滿足耦合條件不發(fā)生耦合，而是直接從主干波導(dǎo)保持基模輸出；原來寬波導(dǎo)內(nèi)兩種模式中的基模由于不滿足耦合條件不發(fā)生耦合，經(jīng)直波導(dǎo)直接通過第一硅基納米線微環(huán)MMR1，經(jīng)過彎曲波導(dǎo)后再次經(jīng)過第一硅基納米線微環(huán)MRR1時由于此時滿足耦合條件，會被第一硅基納米線微環(huán)MRR1下載并且在主干波導(dǎo)中轉(zhuǎn)換成一階模沿主干波導(dǎo)輸出。這樣原來復(fù)用到一起的包含信號一的一階模和包含信號二的基模就發(fā)生了模式交換，交換后的結(jié)果是信號一的模式由一階模變成了基模輸出，而信號二的模式由基模變成了一階模輸出。

待模式交換的兩個模式是經(jīng)過第二硅基納米線微環(huán)MRR2復(fù)用到一起的，同理發(fā)生模式交換后的兩個模式也可以經(jīng)過第二硅基納米線微環(huán)MRR2解復(fù)用，從而進(jìn)行下一步測試或進(jìn)入下一級信息處理。為了保證器件正常工作，兩個微環(huán)上分別都設(shè)有調(diào)諧電極。在高速工作模式下，需要對電極進(jìn)行特殊的設(shè)計及電磁兼容方面的分析與模擬。

本發(fā)明光模式數(shù)據(jù)交換器的工作波長可用相應(yīng)的調(diào)諧電極進(jìn)行調(diào)諧，實現(xiàn)通信波段的波長全覆蓋。

圖5和圖6所示的微環(huán)諧振器（MRR）是本發(fā)明的基本單元。利用這兩個部分基本的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)可以方便的實現(xiàn)光模式交換和信號測試。

下面通過分析光信號在圖5和圖6所示的微環(huán)諧振器中的傳輸過程，簡要說明其工作原理：

圖5所示的第一微環(huán)諧振器1為彎曲波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)組成的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)（MRR），該諧振器的作用是實現(xiàn)模式交換的功能。在輸入端（第一直波導(dǎo)1-1與第七直波導(dǎo)2-3的連接端）輸入滿足諧振條件的含基模的基模信號光和含一階模的一階模信號光（該兩種信號光的波長完全相同，且都是連續(xù)單模光信號），該一階模信號光滿足耦合條件（即有效折射率匹配條件N_eff1=N_eff2，兩波導(dǎo)中的有效折射率相匹配時，兩波導(dǎo)中的光會發(fā)生有效耦合，這里是寬波導(dǎo)中的一階模的有效折射率與環(huán)形波導(dǎo)中的基模的有效折射率相匹配）會被第一硅基納米線微環(huán)MRR1下載從而在下載端轉(zhuǎn)換成基模輸出，該轉(zhuǎn)換后的基模經(jīng)過彎曲波導(dǎo)后傳輸至第二直波導(dǎo)1-2，之后經(jīng)過一個“絕熱錐”（該絕熱錐的作用是保證轉(zhuǎn)換的基模從窄波導(dǎo)傳輸?shù)綄挷▽?dǎo)過程中不發(fā)生模式轉(zhuǎn)換）過渡到寬波導(dǎo)中傳輸，轉(zhuǎn)換的基模經(jīng)過第一硅基納米線微環(huán)MRR1時由于不滿足耦合條件不發(fā)生耦合，從第一直波導(dǎo)1-1端保持基模輸出。對于輸入端輸入的基模信號光（此時不滿足諧振器耦合條件）會毫無影響的到達(dá)直通端（第一直波導(dǎo)1-1與絕熱錐的連接端），經(jīng)過“絕熱錐”后保持基模狀態(tài)到達(dá)窄波導(dǎo)（第二直波導(dǎo)1-2），之后經(jīng)彎曲波導(dǎo)傳輸至第三直波導(dǎo)1-3，此時基模滿足諧振器耦合條件，經(jīng)第一硅基納米線微環(huán)MRR1發(fā)生耦合并在第一直波導(dǎo)1-1轉(zhuǎn)換成一階模輸出?？偠灾斎氲囊浑A模信號光發(fā)生轉(zhuǎn)換成基模輸出，而原輸入的基模信號光則轉(zhuǎn)換成一階模輸出，因此，輸入的兩種信號光的模式發(fā)生了交換，實現(xiàn)了模式交換的功能。

圖6是第二微環(huán)諧振器2，為兩個互不交叉的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)組成的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)（MRR），稱之為平行結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器，該諧振器的作用是將基模信號光和一階模信號光復(fù)用到寬波導(dǎo)中或解復(fù)用到窄波導(dǎo)中，實現(xiàn)基模的復(fù)用與解復(fù)用以及一階模的復(fù)用與解復(fù)用。對于在第五直波導(dǎo)2-1輸入端輸入某些特定波長的基模信號光（滿足諧振條件的信號光），該信號光會被第二硅基納米線微環(huán)MRR2下載并且在寬波導(dǎo)（第七直波導(dǎo)2-3）處轉(zhuǎn)換成一階模（圖6中從第七直波導(dǎo)2-3輸出的粗曲線）從而在第七直波導(dǎo)2-3與第一直波導(dǎo)1-1的連接端輸出；對于第六直波導(dǎo)2-2輸入端輸入的基模信號光（不滿足此時的諧振耦合條件的信號光）會毫無影響的保持基模在直通端（第七直波導(dǎo)2-3與第一直波導(dǎo)1-1的連接端）輸出（圖6中從第七直波導(dǎo)2-3輸出的細(xì)曲線）。這就實現(xiàn)了基模和一階模的復(fù)用，復(fù)用好的兩種模式會傳輸至第一直波導(dǎo)1-1進(jìn)行模式交換。反之，當(dāng)基模和一階模的兩束信號光從第一直波導(dǎo)1-1傳輸至第七直波導(dǎo)2-3的端口時，其中的一階模由于滿足耦合條件，會被第二硅基納米線微環(huán)MRR2下載轉(zhuǎn)換成基模，從第五直波導(dǎo)2-1的輸出，而原來的基模會直接通過第七直波導(dǎo)2-3到達(dá)第六直波導(dǎo)2-2保持基模輸出。即實現(xiàn)了模式解復(fù)用的功能，從而能測出模式交換后兩種模式的狀態(tài)或直接送入下一級的信息處理。

上面結(jié)合圖5和圖6說明了如何利用硅基集成化的光模式數(shù)據(jù)交換器完成兩種模式的光信號的模式交換。需要說明的是：在器件實際工作時，需要兩個微環(huán)諧振器的諧振波長相同，除了二者的參數(shù)完全對應(yīng)相同外，還需要在環(huán)形波導(dǎo)上加上調(diào)諧電極。根據(jù)微環(huán)的諧振條件公式（m×λ= N_g×2π×R）可以看到，要調(diào)節(jié)諧振波長以實現(xiàn)兩個微環(huán)諧振波長相同，可以改變的物理量有環(huán)形波導(dǎo)的半徑R及其群折射率N_g。環(huán)形波導(dǎo)的半徑R在工藝完成之后就確定下來，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以只能通過調(diào)節(jié)環(huán)形波導(dǎo)的群折射率N_g來改變MRR的諧振波長。群折射率與材料的折射率有關(guān)，隨材料的折射率變化而變化。可以采取兩種方法來改變材料的折射率從而改變材料的群折射率：一是通過對材料加熱（具體辦法是在硅波導(dǎo)上通過MOCVD淀積一層金屬作為加熱熱極，然后對熱極兩端加電壓）改變材料的溫度從而改變材料的折射率也即是所謂的熱光效應(yīng)。二是通過載流子注入來改變材料的折射率（電光效應(yīng)）。一般在高速系統(tǒng)中采用電光效應(yīng)。本發(fā)明主要是利用熱光效應(yīng)來說明器件的工作原理。我們通過熱調(diào)諧電極對硅波導(dǎo)加熱來改變材料的折射率從而可以讓兩個微環(huán)的諧振波長相同，使得光信號模式可以被順利交換。

本發(fā)明硅基集成化光模式數(shù)據(jù)交換器易于實現(xiàn)大規(guī)模集成、功耗較低、體積小、延時小、速度快，將在光子計算機的高性能處理單元中發(fā)揮重要作用。