專利名稱：基于空間結(jié)構(gòu)螺旋特性的集成光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，具體涉及基于模式演變或空間結(jié)構(gòu)螺旋特性的集成光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
隨著光纖通信普及的增長，更精致處理光信號的要求連續(xù)地增長。由于集成光學(xué)器件可以在單個芯片上集成許多光學(xué)功能，集成光學(xué)方法有可能滿足更精致光信號處理的要求。然而，為了提高功能性和降低每個功能的成本，必須增大芯片上元件的密度。
在給定的波長下，介質(zhì)波導(dǎo)中的模限制是由芯層折射率與包層折射率的對比度確定。對比度越高，模限制就越緊密。緊密限制的結(jié)果能夠使波導(dǎo)更密集和引導(dǎo)光圍繞銳角而沒有很大的輻射損耗。由于這些是影響器件密度的兩個最重要參數(shù)，大致可以這樣說，折射率對比度越高，器件密度就越大。然而，隨著折射率對比度增大，波導(dǎo)中傳播的橫電波(TE)模和橫磁波(TM)模開始表現(xiàn)不同的特性。在方形波導(dǎo)的平直部分，TE模和TM模以相同的速度傳播，而在彎曲部分，TE模和TM模以很不相同的速度傳播。此外，在耦合一對方形高折射率對比度(HIC)波導(dǎo)時，TE模和TM模往往以不同的速度耦合。由于大多數(shù)集成光學(xué)元件對于傳播速度和波導(dǎo)-波導(dǎo)耦合是靈敏的，這些效應(yīng)導(dǎo)致偏振有關(guān)的性能，這是一個與遠(yuǎn)程通信應(yīng)用中從標(biāo)準(zhǔn)單模光纖射出隨機(jī)偏振態(tài)不相容的結(jié)果。
補(bǔ)償這些效應(yīng)的一種方法是，利用矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并改變波導(dǎo)的縱橫比以補(bǔ)償圍繞銳角傳播的自然差別和/或均衡波導(dǎo)-波導(dǎo)耦合。然而，雖然按照這種方法可以對特定器件補(bǔ)償這些效應(yīng)中的某個效應(yīng)，但隨著折射率對比度的增大，就很難或不可能同時補(bǔ)償芯片上所有的器件。
克服HIC集成光路中偏振靈敏度的另一種方法是，利用偏振光分束器(PBS)分割從單模(SM)光纖中射出的隨機(jī)輸入偏振光，耦合輸出光到保偏(PM)光纖，扭曲這些PM光纖中的一條光纖90°，和耦合兩條光纖到集成光路芯片上的分開路徑。在這些路徑中的每條路徑上，相同的結(jié)構(gòu)用于獨(dú)立地處理兩個分量。在輸出端，通過耦合到另一對PM光纖，扭曲以前沒有扭曲的路徑上PM光纖，和耦合這兩條光纖到有SM光纖輸出端的另一個PBS，使這些分量被重新組合。這種方法通常稱之為“偏振分集”方案，雖然這種方法在體光學(xué)元件上是可行的，但它是麻煩的。對準(zhǔn)PM光纖是困難和昂貴的。此外，為了保留信號的完整性，路徑長度必須匹配到至少1/10的位長內(nèi)(即，假設(shè)折射率為1.5，則對于10Gb/s信號約為2mm，對于40Gb/s信號約為0.5mm)。
較好的一種方法是，集成PBS的分束功能和扭曲PM光纖的旋轉(zhuǎn)功能到集成光學(xué)芯片上。這樣做可以免除對準(zhǔn)PM光纖的需要，且利用光刻法可以容易地匹配光程長。
人們已提出幾種集成光學(xué)偏振光分束器和旋轉(zhuǎn)器(或轉(zhuǎn)換器)。然而，至今提出的大多數(shù)器件依靠一對波導(dǎo)模的耦合。基于耦合模的器件一般具有波長靈敏度，這是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的超模色散差造成的。此外，這種方法對于加工誤差非常靈敏。即使波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)或間隔有微小的變化，它對器件性能產(chǎn)生重大的影響。
一種制成偏振光分束器或旋轉(zhuǎn)器的較好方法是利用模式演變原理。通過對波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)作逐漸(或絕熱)變化，可以調(diào)節(jié)波導(dǎo)中的模式以及分開或旋轉(zhuǎn)偏振態(tài)。這種方法僅要求模式之間不交換功率，通過正確設(shè)計波導(dǎo)和結(jié)構(gòu)的緩慢演變可以確保不交換功率。由于防止模式耦合是相對寬松的要求，基于模式演變的器件往往是波長不靈敏的并允許加工誤差。人們已提出和演示可以制成基于模式演變的偏振光分束器，然而，這種方法的缺點(diǎn)是需要多種波導(dǎo)材料，此外，至今還沒有建議利用模式演變原理的偏振轉(zhuǎn)換器。
一般地說，本發(fā)明的一個目的是利用基于模式演變或空間結(jié)構(gòu)螺旋特性(slructuralchirality)的集成光學(xué)器件把TM輸入偏振光轉(zhuǎn)換成TE輸出偏振光或相反的過程。
本發(fā)明的另一個目的是，這種器件是波長不靈敏的，容許加工誤差，以及僅要求構(gòu)造單種材料系統(tǒng)。
根據(jù)以下的詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明的這些和其他目的對于本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員是顯而易見的。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個特征，提供一種集成光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器。集成光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器包括多個芯層，用于模擬逐漸扭曲的波導(dǎo)，且其中從初始偏振態(tài)絕熱變換傳播模式到不同的最終偏振態(tài)。
按照本發(fā)明的另一個特征，提供一種形成集成光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器的方法。該方法包括接收初始偏振態(tài)。此外，該方法包括形成多個芯層，用于模擬逐漸扭曲的波導(dǎo)，且其中從初始偏振態(tài)絕熱變換傳播模式到不同的最終偏振態(tài)。


圖1是扭曲波導(dǎo)的示意圖；圖2是利用三個絕熱變細(xì)芯層的偏振轉(zhuǎn)換器示意圖；圖3A-3B是在本發(fā)明波導(dǎo)中傳播的基模電場灰階圖像；圖4是具體實(shí)施圖2中器件的性能作為該器件長度的函數(shù)曲線圖；圖5是具體實(shí)施圖2中器件的性能作為電磁場波長的函數(shù)曲線圖；圖6是利用三個絕熱變細(xì)和分開芯層的偏振轉(zhuǎn)換器示意圖；圖7是利用絕熱變細(xì)中層和絕熱分開上、下芯層的偏振轉(zhuǎn)換器示意圖；圖8是具體實(shí)施圖7中器件的性能作為該器件長度的函數(shù)曲線圖；圖9是具體實(shí)施圖7中器件的性能作為電磁場波長的函數(shù)曲線圖；
圖10是僅利用絕熱變細(xì)和分開的兩個芯層的偏振轉(zhuǎn)換器示意圖；圖11是具體實(shí)施圖10中器件的性能作為該器件長度的函數(shù)曲線圖；和圖12是具體實(shí)施圖10中器件的性能作為電磁場波長的函數(shù)曲線圖。
具體實(shí)施例方式
一般矩形介質(zhì)波導(dǎo)的模式結(jié)構(gòu)是由最小兩個導(dǎo)向電磁模，即，TE(或準(zhǔn)TE)模和TM(或準(zhǔn)TM)模，和非導(dǎo)向(或輻射)電磁模的無限和構(gòu)成。若矩形波導(dǎo)旋轉(zhuǎn)90°，則它的模式結(jié)構(gòu)也類似地旋轉(zhuǎn)，其中TE模變成TM模，而TM模變成TE模。所以，矩形波導(dǎo)與它的旋轉(zhuǎn)波導(dǎo)之間平滑過渡通過模式演變應(yīng)能實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換。然而，對初始結(jié)構(gòu)的一些擾動可以誘發(fā)模式之間的耦合。為了使模式演變方法有效，必須禁止模式之間的功率交換。
一種使矩形波導(dǎo)與它的旋轉(zhuǎn)波導(dǎo)之間過渡的方法是扭曲它的初始結(jié)構(gòu)。圖1是絕熱扭曲介質(zhì)波導(dǎo)100的示意圖，它有輸入端102和輸出端104。扭曲波導(dǎo)100的作用是對矩形波導(dǎo)模式結(jié)構(gòu)的擾動，從而誘發(fā)各個導(dǎo)模之間和導(dǎo)模與輻射模之間的耦合。由于導(dǎo)模與輻射模之間的耦合要求強(qiáng)烈的擾動，與輻射模的耦合在慢演變結(jié)構(gòu)中通常是可以忽略的。然而，導(dǎo)模之間的耦合仍保持重要的影響。
若圖1中的波導(dǎo)100是方形，則導(dǎo)模是退化的，所以它們是以相同的速度傳播。扭曲誘發(fā)的場耦合沿結(jié)構(gòu)長度的方向相干疊加，且各個模式之間的功率交換是顯著的。這是多余的結(jié)果，因為扭曲波導(dǎo)100的作用是基于模式演變原理而不是模式耦合。為了防止耦合，利用有很大縱橫比的矩形波導(dǎo)，因此，導(dǎo)模以不同的速度傳播。在這種情況下，沿結(jié)構(gòu)長度的方向，從一個模式到另一個模式耦合的功率是非相干疊加，只要該結(jié)構(gòu)足夠長可以使模式發(fā)生移相。當(dāng)折射率對比度，縱橫比，和過渡長度增大時，非相干度也增大，且可以使沿結(jié)構(gòu)長度方向累積的功率交換任意地低。僅在過渡長度變得太短或波導(dǎo)縱橫比太小而不能發(fā)生移相的情況下，其性能偏離理想的狀態(tài)。
圖1中的結(jié)構(gòu)100是波導(dǎo)完全扭曲的理想結(jié)構(gòu)。然而，在實(shí)際的器件中，所有這種幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)利用微加工技術(shù)制成，它通常要求利用分層過程制成這種結(jié)構(gòu)，其特征是通過光刻法確定。所以，理想的是利用有限層數(shù)模擬這種扭曲的波導(dǎo)。此處，層定義為通過波導(dǎo)橫截面的水平薄片，它沿垂直方向沒有折射率變化。
光波導(dǎo)通常是由不同折射率的介質(zhì)材料制成。一般地說，有較高折射率的材料用作芯層材料，而有較低折射率的材料用作包層材料。具體地說，包層材料定義為層內(nèi)有最低折射率的材料。所以，該層內(nèi)所有其他的材料是芯層材料。芯層定義為包含芯材料的層。
作為偏振轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的基本要求是相當(dāng)寬松的，其主要的要求是保留空間結(jié)構(gòu)螺旋特性，或電磁場方向的扭曲。以下描述幾種可能的幾何結(jié)構(gòu)。
圖2是利用三個芯層4，6和8的集成光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器2示意圖，這三個芯層的高度分別是h1，h2和h3，用于模擬扭曲的波導(dǎo)并從垂直對準(zhǔn)的矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成水平對準(zhǔn)的矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在描述的實(shí)施例中，芯層4，6和8中每層在輸出端的寬度為w1。在結(jié)構(gòu)2的輸出端，波導(dǎo)的寬度為w2，它近似地相當(dāng)于高度h1，h2和h3之和。輸出端的高度是中層的高度h2。然而，該結(jié)構(gòu)的幾何形狀可以隨應(yīng)用的要求而不同。
折射率低于芯層的包層通常是圍繞芯層安排以形成光限制。
從上芯層4和下芯層8中去除材料并添加材料到中芯層6以實(shí)現(xiàn)過渡，可以模擬波導(dǎo)軸的旋轉(zhuǎn)。
圖3A-3B是本發(fā)明波導(dǎo)中傳播的基模場灰階圖像。圖3A表示開始結(jié)構(gòu)10，中間結(jié)構(gòu)12和終止結(jié)構(gòu)14的基模電場分布中 分量的灰階圖像。圖3B表示開始結(jié)構(gòu)16，中間結(jié)構(gòu)18和終止結(jié)構(gòu)20的基模電場分布中 分量的灰階圖像。
根據(jù)模式分布可以看出，該模式最初是沿 方向偏振，而中點(diǎn)是沿結(jié)構(gòu)方向，模場分量是略微均勻分割，而在結(jié)構(gòu)的終端，該模式主要是沿 方向偏振。耦合局部模理論指出，這些結(jié)構(gòu)之間的絕熱過渡能使最初波導(dǎo)中的 偏振態(tài)模式轉(zhuǎn)換到最終波導(dǎo)2中的 偏振態(tài)。由于一次模式和二次模式都變換，反之亦然。即，初始波導(dǎo)中的 偏振態(tài)通常變換成最終波導(dǎo)中的 偏振態(tài)。此外，互易性原理確保器件可以相反運(yùn)行。即，從結(jié)構(gòu)終端開始的 偏振態(tài)和 偏振態(tài)分別絕熱變換成該結(jié)構(gòu)首端的 偏振態(tài)和 偏振態(tài)。
圖4是展示具體實(shí)施圖2中轉(zhuǎn)換器的性能作為結(jié)構(gòu)長度的函數(shù)曲線圖。在這個實(shí)施例中，h1＝h2＝h3＝w1＝0.25μm，w2＝0.75μm，芯層折射率為2.2，和包層折射率為1.445，而過渡沿傳播方向 是線性的，然而，在其他的實(shí)施例中，這些參數(shù)可以不同，且可以利用非線性過渡。三維模式散射公式用于完成模擬，而所考慮的波長是1.55μm。在只要求每個波導(dǎo)橫截面少量模式代表系統(tǒng)情況下，模式散射模擬是特別準(zhǔn)確的建模工具。由于輻射模式基本不影響基于模式演變的方法進(jìn)行，模式散射模擬非常適合于這些問題。此外，給出的結(jié)果得到確認(rèn)，在幾個器件長度下有完全的三維有限差分時域(FDTD)模擬。FDTD方法是完全數(shù)字實(shí)施Maxwell方程。圖4中給出的模式散射模擬結(jié)果說明，等于或大于99％的功率成功地從TM偏振轉(zhuǎn)移到TE偏振，其中變細(xì)長度僅僅是幾百微米。假設(shè)波導(dǎo)是純扭曲，我們發(fā)現(xiàn)，在變細(xì)長度太短時，因此，擾動太強(qiáng)而不能發(fā)生模式移相，導(dǎo)模交換功率和器件性能退化，使功率留在TM偏振態(tài)。
圖5是該器件長度設(shè)定為200μm時圖4中具體實(shí)施例的寬帶性能曲線圖。此處，三維模式散射公式用于完成模擬。圖5說明在1.45μm至1.65μm的整個范圍內(nèi)沒有可分辨的波長靈敏度，這是一個適合于遠(yuǎn)程通信的波長范圍。該方法的寬帶性能符合運(yùn)行的基本理論。由于我們的目標(biāo)是從一個模式狀態(tài)過渡到另一個模式狀態(tài)時沒有引入模式之間的耦合，帶寬受限僅僅是各個模式之間耦合增大一個波長。在較短波長下，出現(xiàn)附加的模式可以促使這種耦合，而在較長波長下，各個模式變得密切相位匹配，從而減小禁止模式之間耦合的主要效應(yīng)，在任何的情況下，要使這些現(xiàn)象生效，就要求波長有大的變化。這是與基于耦合模的方法形成對照，耦合模遭受與超模色散差相關(guān)的固有帶寬限制。
基本結(jié)構(gòu)的許多變化是可能的。幾何結(jié)構(gòu)和折射率可以不同于上述的具體實(shí)施例。
圖6是另一個實(shí)施例的本發(fā)明偏振轉(zhuǎn)換器24示意圖。加工限制可能妨礙上層26和下層28平滑地達(dá)到無限小寬度。所以，有利是是考慮這樣的結(jié)構(gòu)，其中最后的過渡是借助于上層26和下層28與中層30分開，如圖6所示。這導(dǎo)致近似地相當(dāng)絕熱過渡到最終的輸出波導(dǎo)。
結(jié)構(gòu)24是這樣設(shè)計的，上層26，中層30和下層28的最初高度分別為h1，h2和h3。此外，上層26，中層30和下層28中每層在輸入端的寬度為w1。請注意，在結(jié)構(gòu)24的輸出端，寬度為w2，它大致相當(dāng)于高度h1，h2與h3之和。在輸出端的高度是中層的高度h2。
折射率低于芯層的包層通常是圍繞芯層安排以形成光限制。
圖7是類似于圖6中性質(zhì)的另一個實(shí)施例本發(fā)明偏振轉(zhuǎn)換器32示意圖。然而，此處的上層34和下層38實(shí)際不是變細(xì)，而是逐漸地與中層36分開。按照這種方式，最小特征尺寸可以做得更大些，從而進(jìn)一步便于加工。上層34與中層36之間在輸出端分開的距離為s，和中層36與下層38之間在輸出端分開的距離為s。
結(jié)構(gòu)32是這樣設(shè)計的，上層34，中層36和下層38的最初高度分別為h1，h2和h3。此外，上層34，中層36和下層38中每層的寬度為w1。請注意，在結(jié)構(gòu)32的輸出端，寬度為w2，它大致相當(dāng)于高度h1，h2與h3之和。在輸出端的高度是中層的高度h2。
折射率低于芯層的包層通常是圍繞芯層安排以形成光限制。
圖8是圖7中具體實(shí)施例偏振轉(zhuǎn)換器性能作為結(jié)構(gòu)長度的函數(shù)曲線圖。在這個實(shí)施例中，按照如下設(shè)定參數(shù)h1＝h2＝h3＝0.25μm，w1＝0.25μm，w2＝0.75μm，s＝0.125μm以及芯層和包層的折射率分別是2.2和1.445。在其他的實(shí)施例中，這些參數(shù)可以不同。同樣地，三維模式散射公式用于完成模擬，而所考慮的波長是1.55μm。利用僅為幾百微米的器件長度，可以得到類似于最初實(shí)施例的性能。
圖9是結(jié)構(gòu)長度設(shè)定為100μm時圖7中具體實(shí)施例的寬帶性能曲線圖。此處，三維模式散射公式也用于完成模擬。圖9說明在1.45μm至1.65μm的整個范圍內(nèi)沒有可分辨的波長靈敏度。
雖然三層是器件具有對稱性所要求的最小數(shù)目，但任何上述方法也可應(yīng)用于僅有兩個芯層構(gòu)成的器件。圖10是僅利用兩個芯層42和44的偏振轉(zhuǎn)換器40示意圖。在這個實(shí)施例中，上層42和下層44是各自變細(xì)和變粗和同時分開的。
偏振轉(zhuǎn)換器40是這樣設(shè)計的，上層42和下層44的最初高度分別為h1和h2。此外，上層42和下層44中每層在輸入端的寬度為w1。在輸出端，上層42的寬度為w3。請注意，在螺旋形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)40的輸出端，寬度為w2，它大致相當(dāng)于高度h1與h2之和。輸出端的高度是下層的高度h2。器件的性能并不受這兩層順序的影響(即，不管哪層在頂部)。
折射率低于芯層的包層通常是圍繞芯層安排以形成光限制。
圖11是圖10中具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)性能作為該結(jié)構(gòu)長度的函數(shù)曲線圖。在這個實(shí)施例中，按照如下設(shè)定參數(shù)h1＝h2＝0.4μm，w1＝0.4μm，w2＝0.8μm，w3＝0.25μm，s＝0.25μm，以及芯層和包層的折射率分別是2.2和1.445。在其他的實(shí)施例中，這些參數(shù)可以不同。同樣地，三維模式散射公式用于完成模擬，而所考慮的波長是1.55μm。盡管兩層實(shí)施例的非對稱性是固有的，但對于長度僅為幾百微米的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在從TM偏振轉(zhuǎn)移99％以上的功率到TE偏振時完成得相當(dāng)好。
圖12是用于圖11中模擬的100μm長實(shí)施方案的寬帶性能曲線圖。同樣地，三維模式散射公式用于完成模擬。圖12說明在1.45μm至1.65μm的整個范圍內(nèi)沒有可分辨的波長靈敏度。
雖然本發(fā)明的展示和描述是參照幾個優(yōu)選實(shí)施例，但在不偏離本發(fā)明范圍的條件下，可以對其形式和細(xì)節(jié)作各種變化，省略和添加。
權(quán)利要求
1.一種集成光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器，包括多個芯層，用于模擬逐漸扭曲的波導(dǎo)，且其中從初始偏振態(tài)絕熱變換傳播模式到不同的最終偏振態(tài)。
2.按照權(quán)利要求1的偏振轉(zhuǎn)換器，其中至少一個所述芯層是沿偏振轉(zhuǎn)換器長度方向線性地變細(xì)。
3.按照權(quán)利要求1的偏振轉(zhuǎn)換器，其中至少一個所述芯層是沿偏振轉(zhuǎn)換器長度方向非線性地變細(xì)。
4.按照權(quán)利要求1的偏振轉(zhuǎn)換器，其中所述多個芯層包括兩個芯層。
5.按照權(quán)利要求1的偏振轉(zhuǎn)換器，其中所述多個芯層包括三個芯層。
6.按照權(quán)利要求1的偏振轉(zhuǎn)換器，其中相當(dāng)數(shù)目的所述芯層是沿偏振轉(zhuǎn)換器長度方向保持恒定。
7.按照權(quán)利要求1的偏振轉(zhuǎn)換器，其中所述芯層是沿偏振轉(zhuǎn)換器長度方向橫向分開。
8.一種利用集成光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器的方法，所述方法包括接收初始偏振態(tài)；和形成多個芯層，用于模擬逐漸扭曲的波導(dǎo)，且其中從所述初始偏振態(tài)絕熱變換傳播模式到不同的最終偏振態(tài)。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其中至少一個所述芯層是沿偏振轉(zhuǎn)換器長度方向線性地變細(xì)。
10.按照權(quán)利要求8的方法，其中至少一個所述芯層是沿偏振轉(zhuǎn)換器長度方向非線性地變細(xì)。
11.按照權(quán)利要求8的方法，其中所述多個芯層包括兩個芯層。
12.按照權(quán)利要求8的方法，其中所述多個芯層包括三個芯層。
13.按照權(quán)利要求8的方法，其中相當(dāng)數(shù)目的所述芯層是沿轉(zhuǎn)換器長度方向保持恒定。
14.按照權(quán)利要求8的方法，其中所述芯層是沿偏振轉(zhuǎn)換器長度方向橫向分開。
全文摘要
一種集成光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器，包括多個芯層，用于模擬逐漸扭曲的波導(dǎo)，且其中從初始偏振態(tài)絕熱變換傳播模式到不同的最終偏振態(tài)。
文檔編號G02F1/01GK1708718SQ200380102345
公開日2005年12月14日 申請日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月30日
發(fā)明者邁克爾·R·沃茨, 赫曼·A·豪斯, 馬泰奧·凱爾基 申請人:麻省理工學(xué)院, 皮雷利＆C·有限公司