具有多模分量的偏振无关光子设备的制作方法

相关申请交叉引用

本申请要求于2019年5月13日提交的序列号为16/410,430、名称为“具有多模分量的偏振无关光子设备”的美国申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

本发明涉及光学或光子设备领域，并且尤其涉及具有多模分量的偏振无关光子设备。

背景技术：

由于低制造成本，硅光子(siph)在电信系统中有许多潜在的应用，充分利用了现有cmos技术以及紧凑性。目前，信号收发器是硅光子设备的主要商业应用。典型的应用要求或受益于光纤到芯片的插入损耗低。偏振无关性也是许多应用的要求。

纳米光子硅波导通常具有高双折射。诸如基于p-i-n结的移相器和调制器等有源设备也具有偏振相关性，偏振相关性源于硅芯内所谓的横向电(transverseelectric,te)和横向磁(transversemagnetic,tm)光学模式的重叠(或限制)差异。偏振相关性可能是有问题的，因为同一光信号的不同部分受到不同条件的影响。

硅纳米光子电路的偏振相关性可以通过所谓的“偏振分集”得到有效解决。在这种方法中，光信号的两个偏振分量在进入硅光学芯片后不久便被分离，其中一个分量被转换成与另一个分量相同的偏振。然后，这两个分量由两个相同但分开的电路处理，之后，其中一个分量被转换回正交偏振，并在离开硅光学芯片时与另一个分量组合。在偏振分集的一些实施方式中，两个分量在相同的光子电路中被处理，但是方向相反。在任何情况下，实现偏振分集所需的偏振分束器和转换器都会给光信号带来一些损害，例如损耗、偏振相关损耗和偏振串扰。如果采用光子电路，这种情况和光子电路的复制会增加这些光子设备的尺寸、复杂性和成本。

可变光衰减器(variableopticalattenuator,voa)是一种有用的通用光学组件，通常可在比专用高速调制器更低的频率下用于信道均衡或调制，通常频率低于专用高速调制器。可以使用p-i-n结来实现voa，其中光信号可以通过注入载流子(例如，通过应用到结的电流)来可控地衰减它。另一个voa实施方式采用了集成的马赫曾德尔干涉仪。这种调制器由光学相变驱动，该光学相变可以使用p-i-n结或使用局部加热的波导段(通常称为热光移相器)来驱动。

微米级硅波导可以产生偏振无关的设备。然而，这种平台中的载流子注入装置目前在调制频率方面受到限制，最大值约为1兆赫。

因此，需要一种用于调节(例如，衰减，相移或这两者)光信号的光子设备，其不受现有技术的一个或多个限制。

提供该背景信息是为了揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。没有必要认为，也不应该解释为，任何前述信息构成针对本发明的现有技术。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种具有多模分量的偏振无关光子设备。这可以是具有双峰波导的偏振无关调制器。根据各种实施例，提供了一种偏振无关电光(光子)调制器设备，例如，可变光衰减器。与可比较的现有偏振无关设备相比，本发明可以表现出降低的损伤、复杂性或成本，或其组合。

根据本发明的实施例，提供了一种光子设备，其具有位于第一模式转换器和第二模式转换器之间的调制器。所述第一模式转换器被配置为：接收具有以各自不同的偏振态传播的第一分量和第二分量的光信号；并将所述第一分量和所述第二分量中的一个或两者转换成以相同偏振态的各自不同的模式传播。所述调制器被配置为：接收第一模式转换器的光输出；将受控增益、受控相移或这两者应用于所述第一模式转换器输出的所述第一分量和第二分量两者。所述第二模式转换器被配置为：接收所述调制器的光输出，所述光输出包括以所述相同偏振态的所述各自不同的模式传播的所述第一分量和所述第二分量；转换所述调制器输出的所述第一分量和所述第二分量中的一个或两者，以使所述第一分量和所述第二分量以各自不同的偏振态传播。所述光子设备可以制造成绝缘体上硅结构。

在各种实施例中，所述调制器包括多模波导，所述多模波导被配置为承载所述相同偏振态的所述各自不同的模式中的两者，并且所述调制器还被配置为将所述受控增益、所述受控相移或这两者同时应用于所述多模波导中的每个所述各自不同的模式。所述调制器可以包括包括p-i-n结结构，所述p-i-n结结构可操作地耦合到所述多模波导，并且所述调制器可以被配置为利用载流子注入效应来应用所述受控增益、所述受控相移或这两者。相对于所述相同偏振态的上述不同的各个模式中的每一个，所述调制器可以具有相同或相似的调制强度。所述相同或相似的调制强度可能是由于所述相同偏振态的所述各自不同的模式中的每一个与所述调制器的多模波导的对应的相同或相似的模态重叠。所述多模波导可以是肋形波导，并且所述模态重叠可以至少部分地通过配置所述肋形波导的宽度来配置。所述调制器可以是可变光衰减器、移相器或其组合。

在各个实施例中，模式转换器是双级锥形模式转换器。

在一些实施例中，附加调制器可操作地耦合到所述第一模式转换器的输入端或可操作地耦合到第二模式转换器的输出端，所述附加调制器与所述调制器协作，并且被配置为当所述第一分量和所述第二分量以所述不同的偏振态传播时，向所述光信号的所述第一分量和所述第二分量两者应用另一受控增益、另一受控相移或这两者。所述第一调制器可以在相同偏振态的每个所述各自不同的模式之间呈现出第一调制强度差异，并且所述附加调制器可以在所述不同的偏振态的模式之间呈现出第二调制强度差异。所述第二调制强度差异至少部分地补偿所述第一调制强度差异。

在一些实施例中，在所述第一模式转换器之前，所述第一分量以横向电(te)偏振态的模式传播，所述第二分量以横向磁(tm)偏振态的模式传播。在一些实施例中，所述第一模式转换器在不进行模式转换的情况下传递所述第一分量，并且相对于模式阶次和偏振态两者转换所述第二分量。所述第二分量可以从基本模式转换到一阶模式。

根据本发明的实施例，提供了一种在光子设备中调制光信号的方法。所述光信号最初具有以各自不同的偏振态传播的第一分量和第二分量。所述方法包括将所述第一分量和所述第二分量中的一个或两个转换成以相同偏振态的各自不同的模式传播。所述方法包括在所述转换之后，将受控增益、受控相移或这两者应用于所述第一分量和所述第二分量。所述方法包括在所述应用受控增益之后，转换所述第一分量和所述第二分量中的一个或两者，以使所述第一分量和所述第二分量以各自不同的偏振态传播。

在各种实施例中，当在单个多模波导结构中共同传播时，将所述受控增益、所述受控相移或这两者同时应用于所述第一分量和所述第二分量。相对于所述相同偏振态的所述不同的各个模式中的每一个，可以使用具有相同或相似调制强度的调制器来应用所述受控增益、所述受控相移或这两者。

在一些实施例中，所述方法还包括：与受控增益，受控相移或这两者的应用协作：当所述第一分量和所述第二分量以所述不同的偏振态传播时，向所述光信号的所述第一分量和所述第二分量两者应用另一受控增益、另一受控相移或这两者。

附图说明

结合附图，从以下详细描述中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：

图1是示出根据本发明的实施例提供的光子设备的框图。

图2a示出了根据本发明实施例提供的光子设备。

图2b是图2a的光子设备的透视图。

图3a是根据本发明的实施例的光子设备的多模调制器的截面图。

图3b示出了根据本发明实施例的te0模式的模态强度分布以及与多模调制器的波导芯的模态重叠。

图3c示出了根据本发明实施例的te1模式的模态强度分布以及与多模调制器的波导芯的模态重叠。

图3d示出了根据本发明实施例的tm0模式的模态强度分布以及与多模调制器的波导芯的模态重叠。

图4a和图4b示出了关于图3a的本发明的实施例的性能方面的示例。

图5示出了结合了偏振分集的本发明实施例的替代实施方式。

图6示出了结合了中点偏振旋转的本发明实施例的替代实施方式。

图7示出了根据本发明另一实施例提供的光子设备，其中提供了附加的调制器。

图8示出了根据本发明实施例的在光子设备中调制光信号的方法。

应当注意，在所有附图中，相似的特征由相似的附图标记标识。

具体实施方式

除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

术语“模式”是指光信号(或其分量)在其中传播的空间模式。如本文所使用的，模式是指波导模式。模式可以通过偏振态来分类，以便将模式分组为例如横向电(te)模式和横向磁(tm)模式。te模式包括te0(基本模式)，te1(一阶模式)、te2等，而tm模式包括tm0、tm1、tm2等。te或tm后面的不同数值对应于不同的模式阶次，通常可以表示模式横截面的复杂程度(例如，最大值和最小值的数量)。如本文所使用的，模式阶次指的是水平或平面内模式，并且由于本文讨论的结构在垂直方向上没有高阶模式，因此省略了垂直方向的这种数字。应当理解，也可以使用其他标记约定，例如使用两个数值的索引模式(例如，tex,y或tmx,y，其中x和y是从0开始的整数)，并且这些标记约定被并入本发明的实施例中。

术语“调制器”是指可操作来调节光信号的振幅、相位或振幅和相位的光子设备。在许多情况下，可以基于输入控制信号来改变调节。为了通过载波信号传送数据，调整不一定要执行。调制器的示例包括voa和移相器。

术语“横向电”(te)是指波导光学模式的两个主要偏振态中的一个。该术语用于描述一类光学空间模式，对于这种模式，模态电场的主要分量被定向在光子集成电路的平面中，用于集成波导。

术语“横向磁”(tm)是指波导光学模式的两个主要偏振态中的另一个。该术语用于描述一类光学空间模式，对于这种模式，模态电场的主要分量垂直于光子集成电路的平面，用于集成波导。

单模波导是指支持给定的偏振态的单一空间模式的光波导。多模波导是指支持给定的一种或多种偏振态的多个空间模式的光波导。

术语“绝缘体上硅”是指集成光子学的平台，其包括硅衬底上的薄硅层，由几微米厚的热氧化物层隔开。薄层被蚀刻以形成波导。一个或多个另外的层，例如氧化物和金属层，被沉积在图案化的硅层的顶部，并且被图案化以增加电连接性和其他功能。

脊形波导是指横截面近似为矩形的光波导，通常由薄硅层或一些其它沉积层的全蚀刻图案形成。

肋形波导是指通过对材料层(例如硅)进行部分蚀刻而形成的光波导，留下围绕形成波导芯的升高肋的材料板。

本发明的实施例提供了一种多模调制器和相关方法，其中具有相对更多操作差异(例如，由于具有不同的偏振态)的两个光学模式被转换为具有相对较小的操作差异(例如，由于具有相同的偏振态)的两个光学模式。操作差异可以对应于响应于由给定调制器产生的相同调制输入的差异，例如，由于调制器相对于两种模式的调制增益的差异。所述转换可以涉及仅转换光学模式中的一个。在转换之后，由多模调制器执行调制，例如，根据载流子注入原理操作。在调制之后，可以执行另一模式转换，例如，反转第一模式转换的效果。

本发明的一个重要见解是：观察到，与不同偏振态的空间模式相比，相同偏振态的不同空间模式更容易一起处理。调制器(衰减器、移相器和类似设备)通常是偏振相关的，并且发明人已经认识到，与对两个不同偏振态的两个模式(例如te0和tm0)应用相同或类似调整的调制器相比，可以更容易地构造一个对相同偏振态的两个模式(例如te0和te1)应用相同或相似调整(例如衰减)的调制器。这种调制器在这里被称为多模调制器。因此，本发明的实施例包括在对输入信号进行调制器操作(例如衰减器操作)之前，先对输入信号执行适当的偏振态转换(通常与模式转换一起进行)。在该操作之后，信号可以通过第二偏振态转换、模式转换或其组合转换回其原始形式或另一种合适的形式。

图1以框图形式示出了根据本发明实施例提供的光子设备100。该设备包括第一模式转换器110、调制器120(也称为多模致动器)和第二模式转换器130，它们均可操作地串联耦合。第一模式转换器110可以耦合到传播光信号的两个分量x和y的输入波导。这两个分量可以是相同的整体信号的方面，也可以是不同的复用信号的方面。x分量和y分量通过不同正交偏振态的空间模式在输入波导中传播，即，x分量和y分量中的一个根据te状态的模式(或可能多种模式)传播，而另一个则根据tm状态的模式(或可能多种模式)传播。输入波导可以是包含光子设备100的较大光子电路的内部波导，或者可能是耦合到光子设备的外部波导。为了简单起见，可以假设x分量是根据单一模式(通常是基本模式，例如te0或tm0)传播。但是，x分量也可能根据高阶模式或多种模式传播。

可以提供控制器150并将其配置为向调制器120提供电控制信号。这可以包括向调制器的分量提供受控的电驱动信号，以引起受控量的载流子注入相移、热光相移或其组合。

在一些实施例中，可以提供附加的调制器105或135。附加调制器105耦合到第一模式转换器110的输入端，而附加调制器135耦合到第二模式转换器130的输出端。例如，参照图7解释附加调制器的目的和操作。调制器120和附加调制器(当存在时)均耦合到控制器150，并被配置为一起操作来调制光信号，例如，调制的一部分由每个调制器完成。

第一模式转换器110在x分量和y分量中的一个(或可能两者)上运行，以便转换这些分量，使得这两个分量随后以彼此相同的偏振态传播，而且使得x分量根据不同于y分量的空间模式传播。例如，x分量可以不变地穿过第一模式转换器，而y分量可以被转换成具有与x分量相同的偏振态，但是具有与x分量不同的模式。使x分量和y分量具有不同的模式可以避免两个分量的不必要混合。

在更具体的示例中，x分量可以根据te0在输入波导中传播，y分量可以根据tm0在输入波导中传播。在将y分量从tm0转换为te1时，第一模式转换器110可以基本不变地传递x分量。但是，应注意，其他转换也是可能的。因此，在一些实施例中，第一模式转换器110将x分量或y分量从基本模式转换为高阶模式，同时还改变其偏振态。这导致x分量和y分量在相同偏振态(即te状态或tm状态)的不同空间模式传播。

第一模式转换器110的输出被提供给调制器120。调制器是单个设备，其被配置为以相同或至少相似的方式同时操作第一模式转换器输出的所有模式。这包括对所有这些模式应用相同或相似的幅度调整(例如，衰减)、相移或两者。这样，调制器120以相同或相似的方式一起处理x信号分量和y信号分量。如上所述，下面将进一步讨论，这种调制器比以相同方式处理不同偏振态的信号分量的调制器更容易构造。本文其他地方讨论了可能的调制器构造和操作的细节。

为了确定起见，在以下意义上，应用于两种模式的衰减量、相移量或这两者是相似的。假设x信号分量以两种模式中的一种传播，并且在时间t具有值x(t)。同理，y信号分量以两种模式中的另一种模式传播，并且在时间t具有值y(t)。当经受衰减时，x分量被改变为具有值ax(t)，而y分量被改变为具有值by(t)。为了使衰减量相似，比率a/b接近1，例如在0.95和1.05之间。同理，当经历相移时，在时间t，表示为φ_x(t)的瞬时x相位分量被改变为具有值φ_x(t)+c，并且表示为φ_y(t)的瞬时y相位分量被改变为具有值φ_y(t)+d。为了使相移量相似，归一化差(c-d)/(2*pi)接近于零，例如在-0.05至0.05之间。注意，衰减和相移也可能发生。

调制器120可以响应于所提供的控制信号(来自控制器150)，以特定方式调制x信号分量和y信号分量，例如，通过应用与控制信号相称的一定量的衰减(在voa的情况下)、一定量的相移(在移相器的情况下)或这两者。注意，一定量的相移可能会被用作衰减操作的副产品(可能不可避免)，并且同理，一定量的衰减可以被用作相移操作的副产品。

调制器120可以形成在支持多空间模式的多模波导中，x分量和y分量在所述多空间模式中传播。如上所述，在调制器进行接收时，x分量和y分量以相同偏振态的不同空间模式传播，例如，x可以根据te0传播，而y可以根据te1传播。调制器120可以被配置为实现绝热模式转换，而不会导致偏振方向的改变。

调制器120可以包括可操作地耦合到p-i-n结的波导，并且被配置为经由载流子注入效应可控地调制光信号分量。调制器120可以包括可操作地耦合到热加热器或冷却器的波导，并且被配置为经由热光效应可控地调制光信号分量。例如，当调制器主要是移相器时，可能就是这种情况。

调制器120的输出被提供给第二模式转换器130。第二模式转换器被配置为对x分量和y分量中的一个(或可能两者)进行操作，以便转换这些分量，使得x分量以与y分量不同的偏振态传播。传播模式也可以改变。例如，x分量可以再次保持不变，而y分量被转换为具有相反的偏振态。第二模式转换器可以实质上反转第一模式转换器的转换操作，以便将x和y分量恢复到它们原始的传播模式和偏振态。

在更具体的示例中，在第二模式转换器130的输入端，x分量可以根据te0传播，而y分量可以根据te1传播。当将y分量从te1转换回tm0时，第二模式转换器130可以基本不变地传递x分量。但是，应注意，其他转换也是可能的。因此，第二模式转换器130可以将x分量或y分量从高阶模式转换为基本模式，同时还改变其偏振态。这导致x分量和y分量以不同的偏振态传播，并且可能以相同的模式阶次(例如基本模式)传播。

或者，第二模式转换器可以作用于x信号分量以改变其偏振态，同时保持y分量的偏振态不变。这样，整个装置的输出可以相对于其输入在偏振方向上旋转，使得te模式更改为tm模式，反之亦然。x分量和y分量的模式阶次可以保持不变或改变。例如，y的模式阶次可以转换为基本模式(例如te0或tm0)。

第二模式转换器可以可操作地耦合到输出波导，该输出波导被配置为在偏振态和空间模式(例如te0和tm0)中接收和传播提供给它的x分量和y分量，其中，这些分量由第二模式转换器130提供。当存在附加调制器135时，它可以插入在第二模式转换器和输出波导之间。

可以认为，一个或多个附加的光子分量可以耦合在第一模式转换器110和调制器120之间，或者耦合在调制器120和第二模式转换器130之间。然而，除非另外补偿，否则可能需要限制模式转换器之间的分量数量和波导长度，这是由于根据不同的空间模式(例如te0与te1)传播的信号的特性可能存在差异。这可能是由于不同的传播速度、不同的衰减率等引起的。

图2a示出了根据本发明的另一实施例提供的光子设备200。光子设备200是图1所示的光子设备100的特定实施方式。设备200可以被提供为voa。

光子设备200包括调制器220，调制器220包括波导形式的p-i-n结222，波导224支持至少两个横向模式。光子设备200还包括第一模式转换器210，其将偏振态(tm或te)之一的基本模式转换为交替偏振态的高阶模式。例如，第一模式转换器210可以将tm0转换成te1。在这样的示例中，在转换器210之前经由tm0传播的输入信号的任何分量都被转换，使得在转换器之后，该分量经由te1传播。同时，第一模式转换器210传递而不改变交替偏振态(例如，te0)的基本模式。

光子设备200还包括第二模式转换器230，其被配置为执行第一模式转换器210的相反功能。也就是说，第二模式转换器230将偏振态的高阶模式(例如，第一模式转换器转换成的偏振态)转换成另一偏振态的基本模式。例如，第二模式转换器230可以将te1转换为tm0。在这样的示例中，在转换器230之前经由te1传播的输入信号的任何分量都被转换，使得在转换器之后，该分量经由tm0传播。同时，第二模式转换器230传递而不改变另一偏振态(例如，te0)的基本模式。

如本领域技术人员容易理解的那样，通过引入从脊形波导到肋形波导的过渡，并改变沿传播方向的横截面以产生模式交叉，可以在硅波导中实现模式转换器。

根据本发明的实施例，第一模式转换器、第二模式转换器或这两者可以被提供为双级锥形模式转换器结构。适用的这种结构描述在王晶等人的“基于级联mmi耦合器和辅助双级锥形的耐制造soi偏振分束器-转子的提案”，《光学快报》第22卷第23期第27869页(2014)，和马杨进等人的“对称偏振分束器/旋转器设计及其在对偏振不敏感的wdm接收器中的应用”，《光学快报》第23卷第12期第16052页(2015)，这两篇文献均通过引用结合在本文中。这种模式转换器可以接收te0模式形式的x信号分量和tm0模式形式的y信号分量，并将y信号分量转换成te1模式，同时保持x信号分量在模式和偏振方面不变。这些模式转换器也可以以相反的方式工作，接收te0模式形式的x信号分量和te1模式形式的y信号分量，并将y信号分量转换成tm0模式，同时保持x信号分量在模式和偏振方面不变。

在调制器220内，波导224接收来自第一模式转换器210的光信号，并将光信号向第二模式转换器230传播。波导224与p-i-n结结构222集成在一起，该p-i-n结结构经由载流子注入可控地影响波导224的光学特性。p-i-n结222可操作地耦合到电控制电路，该电控制电路操作以使载流子以可控的强度注入到p-i-n结222中。当载流子被注入到p-i-n结222中时，p-i-n结222操作以引起在相关波导224中传播的光信号的可控衰减。这种衰减影响包括多个传播模式的分量。除了可控衰减之外或作为其替代，p-i-n结可用于引起在波导224中传播的光信号的可控相移。

波导224中给定模式的衰减(或相移，或这两者)的量可以响应于载流子注入的标称变化而改变，表征了该特定模式下的设备的调制强度。调制强度基本上与每个光学模式和注入载流子的重叠(称为模态重叠)成比例，如果不是唯一的话，注入载流子牢固地位于硅中。因此，调制强度取决于波导横截面中与硅材料的模态重叠。波导横截面通常包括硅和至少一种周围材料，例如二氧化硅。

根据波导横截面，te状态的模式(也称为te模式)和tm状态的模式(也称为tm模式)之间的模态重叠可能会明显不同。220nm厚的绝缘体上硅(silicononinsulator,soi)结构中的典型单模波导就是这种情况。可以看出，在220nm厚的soi中的平板或多模波导中，与te模式相比，tm模式与硅的重叠通常较少。因此，在包括220nm厚的soi的多模波导的调制器中，与具有不同偏振态的两种模式的硅材料的模态重叠相比，对于具有相同偏振态的两种模式，可以使它们与硅材料的模态重叠彼此更相似。因此，例如，当tm0模态分量被转换成te1模态分量时(如本发明的实施例中所做的那样)，那么，在p-i-n结中，与未转换tm0模式的情况相比，可以使这两种模式的衰减(或相移或两者兼有)更加相似。与各个模式的硅材料的模态重叠的值取决于波导调制器的横截面的配置，波导调制器的横截面的配置包括肋的宽度、蚀刻深度、掺杂分布和波长。

更具体地，在220nm厚的硅平台的情况下，在具有1.5微米的肋宽和130nm的蚀刻深度的肋波导中，te0和te1与硅的模态重叠在1550nm波长处几乎相同。因此，通过在p-i-n结之前以第一模式转换器210的形式添加tm0到te1模式转换器，最初分别耦合到te0和tm0模式的输入信号的x分量和y分量的衰减(或相移，或两者都有)基本相等，因此，可以认为调制器与偏振无关。在一个实施例中，第二模式转换器230将y分量恢复回te0模式，这将输出光信号恢复到类似于设备输入端的格式。第二模式转换器230可以具有与第一模式转换器210相同的总体结构，但是相对于光通过设备200的传播方向，方向是相反的。

图2b示出了根据本发明的实施例的光子设备200的三维立体图。

图3a示出了根据本发明实施例的调制器220的截面图。调制器的波导222被配置为包括设置在二氧化硅(sio2)衬底上方的硅部分310的肋形波导。然而，也可以使用其他材料。在该示例实施例中，硅厚度为220nm，硅部分310的总宽度315为1.8微米，硅部分310的肋宽度317为1.5微米。导电部分320和325在其加宽的底部连接到硅部分310的侧边缘。形成波导芯的标记为p++的导电部分320、标记为n++的导电部分325和未掺杂的硅部分310形成了所谓的p-i-n结。在经由控制器提供的电压和电流中的一个或这两者的正向偏置下，p-i-n结在未掺杂区域310中产生正和负载流子。

例如通过配置波导的宽度来配置波导，以支持至少两种模式，经由这些模式，信号有望通过调制器进行传播。例如，波导可以被配置为支持te0和te1模式。

图3b示出了根据示例实施例的图3a的波导内的te0模式355的光强度分布。在这种情况下，与硅部分310的模态重叠约为0.82。作为比较，图3c示出了根据示例实施例的图3a的同一波导内的te1模式360的光强度分布。在这种情况下，与硅部分310的模态重叠也约为0.82。因此，由于调制强度基本上与模态重叠成比例，所以对于te0和te1，调制强度基本上相等。相反，图3d示出了根据示例实施例的图3a的波导内的tm0模式365的光强度分布。在这种情况下，与硅部分310的模态重叠约为0.50。因此，与te0和te1相比，tm0的调制强度要低得多。在本示例中，te0和te1之间的差分群延迟(differentialgroupdelay,dgd)可以计算为约0.3ps/mm，而te0和tm0之间的dgd约为2ps/mm。dgd表示两种主题模式之间的传播速度差。te0和te1的较小的dgd有助于一起处理te0和te1，同时减轻经由这两种模式传播的信号分量的扩散。

通过进一步的示例，图4a和图4b示出了性能随肋宽度的变化，例如关于图3a的本发明的示例实施例。图4a示出了对于各种肋宽度，在1.2伏控制信号下te0405和te1410两者的有效折射率变化。可以看出，当肋宽度超过约0.8微米时，te0和te1两者的行为相似，因此，在这些肋宽度下，te0和te1的设备调制强度相似。图4b示出了对于1.5微米的肋宽度，在连续的控制信号电压上，te0425、te1430和tm0435的有效折射率变化。可以看出，在整个所示的电压范围内，te0425、te1430的有效折射率变化是相似的，因此在该电压范围内，te0和te1的设备调制强度相似。因此，te0和te1调制可以基本上相等(在0.15db以内)，对肋宽度变化具有显著的容差。虽然有效折射率通常与相移有关，但它也可以用作衰减性能的替代测量。

与典型偏振分集设计所需的分量相比，图2a和2b的设备200包含的分量数量明显减少。在偏振分集实现中，在x信号和y信号分量的每一个的路径中至少有两个附加的光学分量，用于通过将te1分量转换为第二个波导的te0模式来分离和组合te1分量。通常还会有第二有源分量(例如p-i-n结)。因此，与现有技术相比，设备200潜在地表现出较低的复杂性、较小的占地面积和减少的损伤。因为插入损耗可能是采用siph技术的一个关键因素，这样可以降低成本并增加市场机会。

图5示出了用于比较的示例偏振分集实施方式，这不一定被承认为现有技术。与如上所述的本发明的实施例相反，图5的示例实现使用第一调制器来处理x信号分量，并且使用第二独立调制器来处理y信号分量。

与中点偏振旋转方法相比，设备200还可以赋予性能优势。其中基本模式偏振态(即te0和tm0)都被旋转的波导偏振旋转器要么是有损耗的(1db量级)，要么表现出高偏振串扰(-10db量级)，或者两者都有。这种方法还需要将调制器(例如，voa)分成两部分，这增加了复杂性，并且可能会因波导过渡而引入额外的损耗。

图6示出了应用中点偏振旋转方法进行比较的示例设备，这不一定被承认为现有技术。与如上所述的本发明的实施例相反，在调制之前，图6的示例实现没有将两种不同偏振态的信号分量转换成相同偏振态的两种不同模式。相反，为了平衡调制器相对于两个偏振态的调制强度差异，由两个单独但相似的调制器执行两次调制操作，并在这两次调制操作之间执行偏振旋转操作。

根据本发明的一些实施例，光学设备可以包括在第一模式转换器之前或者在第二模式转换器之后的附加调制器。图7示出了这种光学设备700，其位于耦合到图2的光子设备200的第一模式转换器210的输入端的附加调制器710中。可以与调制器220类似地构造附加调制器710，例如，包括围绕肋形波导的p-i-n结，该p-i-n结可操作地耦合到电控制信号。绝热锥705、715可以分别耦合到附加调制器710的输入端和输出端。

在本发明的实施例中，如图7的设备所示，如果波导横截面使得η_te1>η_te0>η_tm0或η_te1<η_te0<η_tm0，其中η_i是模式i与硅材料的模态重叠，那么可以通过在第一部分(包括锥705、715和附加调制器710)中将y分量作为tm0传播，然后在第二部分(包括设备200)中将y分量作为te1传播来实现调制的均衡。由于第一部分和第二部分，导致y分量的累积衰减与在两个部分中在te0模式下传播的x分量的衰减基本相同。这样的实施例可以，例如，在由300nm厚的硅层制造的并且具有例如1.5微米的脊宽的设备中实现，其可以具有期望的模态重叠条件。300nm硅中的模态重叠的示例是η_te1＝0.87，η_te0＝0.90和η_tm0＝0.92。

更一般地，当信号的x分量根据第一偏振态的第一模式(例如te0)传播时，可以使信号的y分量根据第二偏振态的模式(例如tm0)在设备的第一部分中传播，并且根据第一偏振态的第二模式(例如te1)在设备的第二部分中传播。此外，设备的第一部分可以包括第一衰减器(对应于上面的附加衰减器)，并且设备的第二部分可以包括第二衰减器。由于，例如，模态重叠，第一衰减器对于第二偏振态的模式可以表现出比对第一偏振态的第一模式更高的调制强度。此外，第二衰减器对于第一偏振态的第二模式可以表现出比对第一偏振态的第一模式更低的调制强度。通过串联操作两个衰减器，但穿插模式转换，模态重叠的这两个差异趋于平衡。这使得x分量和y分量的衰减更加平衡。换句话说，第一衰减器可以用于补偿第二衰减器中调制强度的任何差异。对于相移，或者相移和衰减的组合，可以获得类似的效果。

相对于例如偏振分集方法，图7中示出的实施例呈现出与本文讨论的其他实施例类似的优点。然而，应注意，附加调制器710增加了复杂性，并且可能需要额外的肋到脊波导的过渡。注意，在220nm的soi实现中，肋到脊的过渡可以设计成具有0.05db量级的插入损耗。尽管需要附加的调制器，但是这样的实施例仍然是有利的，因为在每个单独的衰减器中，不同模式的调制强度不必精确地匹配。

图8示出了根据本发明实施例的在光子设备中调制光信号的方法800。光信号最初具有以各自不同的偏振态(te状态和tm状态)传播的第一分量和第二分量，并且该方法可以包括接收810这样的光信号。该方法还包括将第一分量和第二分量中的一个或两者转换820成以相同偏振态(例如te0和te1)的各自不同的模式传播。该方法还包括在所述转换之后，将受控增益、受控相移或这两者应用830于第一分量和第二分量。该方法还可以包括在所述应用受控增益之后，转换840第一分量和第二分量中的一个或两者，以使第一分量和第二分量以各自不同的偏振态(te状态和tm状态)传播。

在一些实施例中，转换可以仅应用于一个分量。第二(y)信号分量可以在操作820中从tm0转换为te1，并且可以在操作840中从te1转换为tm0，而第一(x)信号分量可以在操作820和840中基本上未被转换。鉴于前面的讨论和设备描述将容易理解，可以包括方法800的其他特征和变型。

本发明的实施例可以作为voa的一部分来，在导频音生成或另一应用中使用。本发明的实施例可以作为诸如热光相位调制器的相位调制器的一部分，或者提供给mach-zehnder设备，只要可以实现被认为是必要的偏振无关耦合器。

本发明的实施例提供了一种多模致动器(在本文中也称为多模调制器)，其中，在相同的波导内同时激励(例如调制)多个、可能所有的模式。多模致动器之前可以有模式转换器，该模式转换器将输入光信号的一个偏振分量转换成具有不同偏振态的模式，并且具有与输入信号的另一个偏振分量不同的空间模式。多模致动器可以在模式转换器之前和之后，例如输出信号具有与输入信号相同的偏振特性。或者，多模致动器可以在模式转换器之前和之后，例如输出信号相对于输入信号具有相反的偏振特性。

应当理解，尽管为了说明的目的，本文已经描述了本技术的具体实施例，但是在不脱离本技术的范围的情况下，可以进行各种修改。因此，说明书和附图应被简单地视为由所附权利要求书所限定的本发明的说明，并且被认为涵盖了落入本发明范围内的任何和所有修改、变化、组合或等同物。特别地，提供计算机程序产品或程序元件，或程序存储或存储设备(例如磁线或光缆，磁带或磁盘等)用于存储机器可读的信号，用于根据该技术的方法中的至少一种来控制计算机的操作，以及根据该技术的系统来构造其部分或全部组件，都在该技术的范围内。

可以至少部分地使用计算机程序产品中的编码指令来实现与本文描述的方法相关联的动作。换句话说，计算机程序产品是计算机可读介质，当计算机程序产品被加载到存储器中并在无线通信设备的微处理器上执行时，在其上记录软件代码以执行该方法。计算机(例如控制器)可以引导或驱动诸如本文所述的调制器之类的设备。

此外，该方法的每个操作可以在任何计算设备上执行，例如个人计算机、服务器、pda等，并且根据从诸如c++、java等任何编程语言生成的一个或多个程序元素、模块或对象，或者一个或多个程序元素、模块或对象的一部分。此外，每个操作或实现每个所述操作的文件或对象等可以由专用硬件或为此目的设计的电路模块来执行。

显然，本发明的前述实施例是示例，并且可以以多种方式变化。这种当前或未来的变化均不应视为背离了本发明的精神和范围，并且，所有这样的修改对本领域技术人员来说是显而易见的，均应包括在所附权利要求书的范围内。