一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，包括兩根平行設(shè)置的第一直波導(dǎo)和第二直波導(dǎo)，所述第一直波導(dǎo)和第二直波導(dǎo)上方設(shè)置有上包層，下方設(shè)置有下包層從而形成耦合區(qū)，其中，所述上包層以及下包層的折射率低于所述第一直波導(dǎo)和第二直波導(dǎo)的折射率，且所述上包層的折射率大于或小于所述下包層的折射率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)構(gòu)成垂直方向非對(duì)稱(chēng)的波導(dǎo)，該耦合區(qū)結(jié)構(gòu)可以支持較強(qiáng)的交叉耦合效應(yīng)。利用垂直方向非對(duì)稱(chēng)波導(dǎo)存在交叉耦合的效應(yīng)，通過(guò)兩根平行耦合波導(dǎo)，通過(guò)定向耦合的方式達(dá)到偏振分束以及偏振旋轉(zhuǎn)的效果。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成光子領(lǐng)域，特別是涉及一種基于高折射率差波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)光偏振分束和偏振旋轉(zhuǎn)的集成器件。該器件可用于偏振分集集成光路。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，集成光子器件的尺寸逐步縮小。集成光子芯片的集成度正以超越集成電子摩爾定律的速度在發(fā)展。近幾年，以絕緣體上的硅材料(SOI)為代表的高折射率差納米線(xiàn)波導(dǎo)及其器件引起了人們的廣泛關(guān)注。材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先，它得器件加工方式與如今已廣泛使用的集成電路CMOS工藝兼容。其次，由于其使用了高折射率差結(jié)構(gòu)，SOI波導(dǎo)的尺寸可控制在300nm左右，彎曲半徑在2um以下，相鄰波導(dǎo)間距在Ium以下。與已廣泛使用的二氧化硅材料相比，SOI材料光子集成芯片的集成度提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于以上這些優(yōu)點(diǎn)，SOI材料光集成技術(shù)得到迅速的發(fā)展，大量的SOI集成器件已被研制出來(lái)。
[0003]但同樣因?yàn)椴捎昧烁哒凵渎什罱Y(jié)構(gòu)，使得SOI集成光子芯片具有較為明顯的偏振相關(guān)性，即:同一個(gè)器件的在兩種偏振光下表現(xiàn)出來(lái)的性能差異很大。這使得這種芯片與其它偏振無(wú)關(guān)的光路系統(tǒng)(如:光纖)相連接時(shí)，產(chǎn)生了不兼容的問(wèn)題。一種有效的解決方法是采用偏振分集光路設(shè)計(jì)，如圖1所示。在該光路設(shè)計(jì)中，兩個(gè)偏振光同時(shí)從波導(dǎo)I中輸入集成芯片。輸入光首先通過(guò)一個(gè)偏振分束器2，將兩個(gè)偏振光分開(kāi)到兩根波導(dǎo)3，4中，之后，其中一根波導(dǎo)中(在該圖中為波導(dǎo)3)經(jīng)過(guò)一個(gè)偏振旋轉(zhuǎn)器5,將該波導(dǎo)中的光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90度。這樣兩根波導(dǎo)中的光都轉(zhuǎn)換成相同的偏振方向，因此之后的集成光器件6、7只需處理一種偏振光即可，避免了偏振相關(guān)性的影響。處理完以后的輸出光，再通過(guò)類(lèi)似的偏振旋轉(zhuǎn)器8和偏振分束器9，合并到輸出波導(dǎo)10中，從而實(shí)現(xiàn)了偏振不敏感的集成芯片。
[0004]在這種傳統(tǒng)的偏振分集方案中，偏振分束器和偏振旋轉(zhuǎn)器為兩個(gè)獨(dú)立器件，并且傳統(tǒng)的集成型偏振旋轉(zhuǎn)器加工較為復(fù)雜，需要多次鍍膜、光刻和刻蝕工藝。這些都大大增加了偏振分集方案實(shí)現(xiàn)的成本，降低了其穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)偏振分束以及偏振旋轉(zhuǎn)作用的光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，本集成器件結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，易于加工實(shí)現(xiàn)，可直接應(yīng)用于偏振分集型集成光路，可大大提高穩(wěn)定性并降低成本。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決:一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，其特征在于:包括兩根平行設(shè)置的第一直波導(dǎo)和第二直波導(dǎo)，所述第一直波導(dǎo)和第二直波導(dǎo)上方設(shè)置有上包層，下方設(shè)置有下包層從而形成耦合區(qū)，其中，所述上包層以及下包層的折射率低于所述第一直波導(dǎo)和第二直波導(dǎo)的折射率，且所述上包層的折射率大于或小于所述下包層的折射率。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)構(gòu)成垂直方向非對(duì)稱(chēng)的波導(dǎo)，該耦合區(qū)結(jié)構(gòu)可以支持較強(qiáng)的交叉耦合效應(yīng)。利用垂直方向非對(duì)稱(chēng)波導(dǎo)存在交叉耦合的效應(yīng)，通過(guò)兩根平行耦合波導(dǎo)，通過(guò)定向耦合的方式達(dá)到偏振分束以及偏振旋轉(zhuǎn)的效果。[0007]作為優(yōu)選，上述第一直波導(dǎo)中的橫電模和所述第二直波導(dǎo)中的橫磁模的理論功率耦合效率大于等于80%，所述第一直波導(dǎo)中的橫磁模和所述第二直波導(dǎo)中的橫電模以及橫磁模的理論功率耦合效率小于等于10%。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述耦合效率，優(yōu)選的方案是:上述第一直波導(dǎo)中的橫電模的模式傳播常數(shù)相對(duì)所述第二直波導(dǎo)中的橫磁模的模式傳播常數(shù)的偏差小于或等于1%，且所述耦合區(qū)的長(zhǎng)度等于所述第一直波導(dǎo)中的橫電模和所述第二直波導(dǎo)中的橫磁模耦合的耦合長(zhǎng)度的奇數(shù)倍。
[0009]作為優(yōu)選，上述第一直波導(dǎo)的寬度與所述第二直波導(dǎo)的寬度的差別在100nm-500nm之間。本發(fā)明中第一直波導(dǎo)和第二直波導(dǎo)的模式傳播常數(shù)通過(guò)控制兩者的寬度即可實(shí)現(xiàn)，因此只需一次光刻和刻蝕工藝就能加工實(shí)現(xiàn)。制作工藝與普通的集成光器件相同，無(wú)需額外工藝步驟。
[0010]作為另一優(yōu)選方案:上述第一直波導(dǎo)中的橫磁模和所述第二直波導(dǎo)中的橫電模的理論功率稱(chēng)合效率大于等于80%,所述第一直波導(dǎo)中的橫電模和所述第二直波導(dǎo)中的橫電模以及橫磁模的理論功率耦合效率小于等于10%。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述耦合效率，優(yōu)選的方案是:上述第一直波導(dǎo)中的橫磁模的模式傳播常數(shù)相對(duì)所述第二直波導(dǎo)中的橫電模的模式傳播常數(shù)的偏差小于或等于1%，且所述耦合區(qū)的長(zhǎng)度等于所述第一直波導(dǎo)中的橫磁模和所述第二直波導(dǎo)中的橫電模耦合的耦合長(zhǎng)度的奇數(shù)倍。
[0012]上述第一直波導(dǎo)的寬度與所述第二直波導(dǎo)的寬度的差別在100nm-500nm之間。本發(fā)明中第一直波導(dǎo)和第二直波導(dǎo)的模式傳播常數(shù)通過(guò)控制兩者的寬度即可實(shí)現(xiàn)，因此只需一次光刻和刻蝕工藝就能加工實(shí)現(xiàn)。制作工藝與普通的集成光器件相同，無(wú)需額外工藝步驟。
[0013]作為優(yōu)選，上述第一直波導(dǎo)和第二直波導(dǎo)的折射率大于或等于2.8，所述上包層和下包層的折射率小于或等于2.1。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:1.本發(fā)明可同時(shí)實(shí)現(xiàn)偏振分束以及偏振旋轉(zhuǎn)作用，將通常需兩個(gè)獨(dú)立器件實(shí)現(xiàn)的功能合二為一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可直接應(yīng)用于偏振分集光路；2.本發(fā)明提供的集成器件的耦合區(qū)由兩根平行耦合波導(dǎo)組成，根據(jù)設(shè)計(jì)，兩根波導(dǎo)僅在寬度上有所不同，因此只需一次光刻和刻蝕工藝就能加工實(shí)現(xiàn)。制作工藝與普通的集成光器件相同，無(wú)需額外工藝步驟。3.本發(fā)明提供的集成器件的工作波長(zhǎng)范圍寬，可覆蓋整個(gè)光通信C波段。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1現(xiàn)有技術(shù)中偏振分集方案圖。
[0016]圖2本發(fā)明的耦合區(qū)的波導(dǎo)橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3本發(fā)明的實(shí)施例1的工作原理示意圖。
[0018]圖4本發(fā)明的實(shí)施例2的工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1。[0020]一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，包括兩根平行設(shè)置的第一直波導(dǎo)I和第二直波導(dǎo)2，第一直波導(dǎo)I和第二直波導(dǎo)2采用高折射率的材料，一般應(yīng)大于或等于2.8，在本實(shí)施例中，采用硅，所述第一直波導(dǎo)I和第二直波導(dǎo)2上方設(shè)置有上包層3，下方設(shè)置有下包層4從而形成耦合區(qū)，其中，所述上包層3以及下包層4的折射率低于所述第一直波導(dǎo)I和第二直波導(dǎo)2的折射率，且所述上包層3的折射率大于或小于所述下包層4的折射率，一般上包層3和下包層4的折射率小于或等于2.1，且兩者之間的折射率不相同，在本實(shí)施例中，下包層采用氧化硅，上包層采用空氣。
[0021]所述第一直波導(dǎo)的I寬度與所述第二直波導(dǎo)2的寬度的差別在100nm-500nm之間，從而使所述第一直波導(dǎo)I中的橫電模的模式傳播常數(shù)相對(duì)所述第二直波導(dǎo)2中的橫磁模的模式傳播常數(shù)的偏差小于或等于1%，且所述耦合區(qū)的長(zhǎng)度等于所述第一直波導(dǎo)I中的橫電模和所述第二直波導(dǎo)2中的橫磁模耦合的耦合長(zhǎng)度的奇數(shù)倍，使得所述第一直波導(dǎo)I中的橫電模和所述第二直波導(dǎo)2中的橫磁模的理論功率稱(chēng)合效率大于等于80% ;所述第一直波導(dǎo)I中的橫磁模的模式傳播常數(shù)相對(duì)所述第二直波導(dǎo)2中所有模式的傳播常數(shù)的偏差足以使得所述第一直波導(dǎo)I中的橫磁模和所述第二直波導(dǎo)2中的橫電模以及橫磁模的理論功率耦合效率小于等于10%。
[0022]如圖3所不，將一根輸入波導(dǎo)5與稱(chēng)合區(qū)中的第一直波導(dǎo)I相連。當(dāng)橫電模和橫磁模兩個(gè)偏振方向的光從輸入波導(dǎo)5輸入到第一直波導(dǎo)I時(shí)，對(duì)于輸入的橫磁模，由于第一直波導(dǎo)I中的橫磁模可以與第二直波導(dǎo)2中的橫電模進(jìn)行有效的定向耦合，因此在耦合區(qū)的末端第一直波導(dǎo)I中的橫磁模基本轉(zhuǎn)換為第二直波導(dǎo)2中的橫電模，并從耦合區(qū)中的第二直波導(dǎo)2位置輸出，輸出偏振方向?yàn)闄M電模。而對(duì)于輸入的橫電模，由于第一直波導(dǎo)I中橫電模無(wú)法與第二直波導(dǎo)2中任意模式發(fā)生有效耦合，因此基本保留在第一直波導(dǎo)I中，并從率禹合區(qū)中的第一直波導(dǎo)I位置輸出，輸出偏振方向仍為橫電模。
[0023]實(shí)施例2。
[0024]一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，包括兩根平行設(shè)置的第一直波導(dǎo)I和第二直波導(dǎo)2，第一直波導(dǎo)I和第二直波導(dǎo)2采用高折射率的材料，一般應(yīng)大于或等于2.8，在本實(shí)施例中，采用硅，所述第一直波導(dǎo)I和第二直波導(dǎo)2上方設(shè)置有上包層3，下方設(shè)置有下包層4從而形成耦合區(qū)，其中，所述上包層3以及下包層4的折射率低于所述第一直波導(dǎo)I和第二直波導(dǎo)2的折射率，且所述上包層3的折射率大于或小于所述下包層4的折射率，一般上包層3和下包層4的折射率小于或等于2.1，且兩者之間的折射率不相同，在本實(shí)施例中，下包層采用氧化硅，上包層采用氮化硅。
[0025]所述第一直波導(dǎo)的I寬度與所述第二直波導(dǎo)2的寬度的差別在100nm-500nm之間，從而使所述第一直波導(dǎo)I中的橫磁模的模式傳播常數(shù)相對(duì)所述第二直波導(dǎo)2中的橫電模的模式傳播常數(shù)的偏差小于或等于1%，且所述耦合區(qū)的長(zhǎng)度等于所述第一直波導(dǎo)I中的橫磁模和所述第二直波導(dǎo)2中的橫電模耦合的耦合長(zhǎng)度的奇數(shù)倍，使得所述第一直波導(dǎo)I中的橫磁模和所述第二直波導(dǎo)2中的橫電模的理論功率稱(chēng)合效率大于等于80% ;所述第一直波導(dǎo)I中的橫電模的模式傳播常數(shù)相對(duì)所述第二直波導(dǎo)2中所有模式的傳播常數(shù)的偏差足以使得所述第一直波導(dǎo)I中的橫電模和所述第二直波導(dǎo)2中的橫電模以及橫磁模的理論功率耦合效率小于等于10%。
[0026]如圖4所不,將一根輸入波導(dǎo)5與稱(chēng)合區(qū)中的第一直波導(dǎo)I相連。當(dāng)橫電模和橫磁模兩個(gè)偏振方向的光從輸入波導(dǎo)5輸入到第一直波導(dǎo)I時(shí),對(duì)于輸入的橫電模，由于第一直波導(dǎo)I中的橫電模可以與第二直波導(dǎo)2中的橫磁模進(jìn)行有效的定向耦合，因此在耦合區(qū)末端第一直波導(dǎo)I中的橫電?；巨D(zhuǎn)換為第二直波導(dǎo)2中的橫磁模，并從耦合區(qū)中的第二直波導(dǎo)2位置輸出，輸出偏振方向?yàn)闄M磁模。而對(duì)于輸入的橫磁模，由于第一直波導(dǎo)I中橫磁模無(wú)法與第二直波導(dǎo)2任意模式發(fā)生有效耦合，因此基本保留在第一直波導(dǎo)I中，并從耦合區(qū)中的第一直波導(dǎo)I位置輸出，輸出偏振方向?yàn)槿詾闄M磁模。
【權(quán)利要求】
1.一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，其特征在于:包括兩根平行設(shè)置的第一直波導(dǎo)(I)和第二直波導(dǎo)(2)，所述第一直波導(dǎo)(I)和第二直波導(dǎo)(2)上方設(shè)置有上包層(3)，下方設(shè)置有下包層(4)從而形成耦合區(qū)，其中，所述上包層(3)以及下包層(4)的折射率低于所述第一直波導(dǎo)(I)和第二直波導(dǎo)(2)的折射率，且所述上包層(3)的折射率大于或小于所述下包層(4)的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(dǎo)(I)中的橫電模和所述第二直波導(dǎo)(2)中的橫磁模的理論功率耦合效率大于等于80%,所述第一直波導(dǎo)(I)中的橫磁模和所述第二直波導(dǎo)(2)中的橫電模以及橫磁模的理論功率耦合效率小于等于10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(dǎo)(I)中的橫電模的模式傳播常數(shù)相對(duì)所述第二直波導(dǎo)(2)中的橫磁模的模式傳播常數(shù)的偏差小于或等于1%，且所述耦合區(qū)的長(zhǎng)度等于所述第一直波導(dǎo)(I)中的橫電模和所述第二直波導(dǎo)(2)中的橫磁模耦合的耦合長(zhǎng)度的奇數(shù)倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(dǎo)的(I)寬度與所述第二直波導(dǎo)(2)的寬度的差別在100nm-500nm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(dǎo)(I)中的橫磁模和所述第二直波導(dǎo)(2)中的橫電模的理論功率耦合效率大于等于80%,所述第一直波導(dǎo)(I)中的橫電模和所述第二直波導(dǎo)(2)中的橫電模以及橫磁模的理論功率耦合效率小于等于10%。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(dǎo)(I)中的橫磁模的模式傳播常數(shù)相對(duì)所述第二直波導(dǎo)(2)中的橫電模的模式傳播常數(shù)的偏差小于或等于1%，且所述耦合區(qū)的長(zhǎng)度等于所述第一直波導(dǎo)(I)中的橫磁模和所述第二直波導(dǎo)(2)中的橫電模耦合的耦合長(zhǎng)度的奇數(shù)倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(dǎo)的(I)寬度與所述第二直波導(dǎo)(2)的寬度的差別在100nm-500nm之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的一種實(shí)現(xiàn)光偏振分束和旋轉(zhuǎn)的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(dǎo)(I)和第二直波導(dǎo)(2)的折射率大于或等于2.8，所述上包層(3)和下包層(4)的折射率小于或等于2.1。
【文檔編號(hào)】G02B6/126GK103558660SQ201310189448
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月21日
【發(fā)明者】鄭志強(qiáng) 申請(qǐng)人:寧波屹諾電子科技有限公司