專利名稱：馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形器，尤其涉及一 種基于馬赫一曾德型集成波導(dǎo)偏振模式分離器的光環(huán)形器，屬于光通信應(yīng)用領(lǐng) 域和集成光學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁光材料在外加磁場(chǎng)作用下，會(huì)對(duì)經(jīng)過其中的偏振光的偏振態(tài)產(chǎn)生影響，即 產(chǎn)生法拉第磁光效應(yīng)。而對(duì)于橫向構(gòu)型的磁光波導(dǎo)，在與光傳播方向垂直的外加磁場(chǎng)的作用下，TM模正向傳播及反向傳播的傳播常數(shù)有所不同，因而會(huì)產(chǎn)生 非互易相移，利用磁光材料的非互易特性可以制作光環(huán)形器，光隔離器等器件。 TE—TM偏振模式分離器用以將波導(dǎo)中偏振態(tài)垂直的TE (橫電場(chǎng))、TM (橫磁場(chǎng))模式分開，在光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感系統(tǒng)中扮演重要角色，基于偏振模 式分離器可以構(gòu)成光開關(guān)、光隔離器、光環(huán)形器、聲光可調(diào)諧濾波器、濾波器 等器件，在WDM (Wavelength Division Multiplexing,波分復(fù)用)光網(wǎng)絡(luò)及 相干光檢測(cè)等各種光通信應(yīng)用領(lǐng)域中有重要應(yīng)用。目前，己有多種不同結(jié)構(gòu)的TE—TM偏振模式分離器。采用特殊折射率材料玻璃及多層膜的膠合工藝可以制成偏振分束棱鏡，對(duì)不同偏振光分別進(jìn)行投射 和反射，可以實(shí)現(xiàn)偏振束的分離。但偏振分束棱鏡構(gòu)成的偏振束分離器型偏振 模式分離器不利于與波導(dǎo)及光通信系統(tǒng)集成，同時(shí)，對(duì)棱鏡及多層膜的膠合工 藝要求較高?；隈詈夏Ｔ碓O(shè)計(jì)的定向耦合器型偏振模式分離器利用兩個(gè)分 支波導(dǎo)的非對(duì)稱性來實(shí)現(xiàn)，在一個(gè)分支波導(dǎo)的耦合區(qū)覆蓋了金屬層，有效地改 變波導(dǎo)傳播常數(shù)的實(shí)部和虛部，而且對(duì)TM模的這種改變遠(yuǎn)大于TE模，利用覆 蓋金屬層的分支波導(dǎo)對(duì)TM模的吸收來抑制TM模的耦合，從而實(shí)現(xiàn)TE、 TM模的 分離。但這種結(jié)構(gòu)需要特殊工藝來減小TM的損耗和偏振串音，并且要求耦合器 波導(dǎo)間有很大的間距，不利于集成。Y分支型偏振模式分離器由于分支角較小， 不僅加工精度要求較高，而且器件尺寸較大，不利于集成。光環(huán)形器是光通信系統(tǒng)的重要組成部分，在WDM系統(tǒng)中扮演著重要的角色， 而波導(dǎo)型光環(huán)形器因?yàn)榈蛢r(jià)位和易于集成的特性，成為研究熱點(diǎn)。大多數(shù)波導(dǎo) 型光環(huán)形器只工作于TM模，而偏振無關(guān)光環(huán)形器對(duì)輸入光的模式無要求，既可 以工作于TM模，也可以工作于TE模。目前，偏振無關(guān)光環(huán)形器多基于Y分支和定向耦合器等類型，少數(shù)采用光 子晶體、閃耀光柵等器件實(shí)現(xiàn)。由于Y分支型、定向耦合器型等結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)， 器件尺寸較大，不利于光環(huán)形器結(jié)構(gòu)的集成。3磁光材料在外加磁場(chǎng)作用下，會(huì)對(duì)經(jīng)過其中的偏振光的偏振態(tài)產(chǎn)生影響，即 產(chǎn)生法拉第磁光效應(yīng)。而對(duì)于橫向構(gòu)型的磁光波導(dǎo)，在與光傳播方向垂直的外加磁場(chǎng)的作用下，TM模正向傳播及反向傳播的傳播常數(shù)有所不同，因而會(huì)產(chǎn)生 非互易相移，而對(duì)TE模則無此影響。采用兩個(gè)光功分器及夾在光功分器之間的兩個(gè)相移臂可構(gòu)成馬赫一曾德 型偏振模式分離器，目前，功分器多采用定向耦合器來實(shí)現(xiàn)，但不利于集成。 多模干涉(MMI)耦合器因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低插損，高帶寬和偏振不敏感的特性 獲得了越來越多的關(guān)注，其結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)在集成光學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)上述問題提供一種馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形 器，以馬赫一曾德型集成波導(dǎo)偏振模式分離器為基礎(chǔ)，結(jié)合法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(FR) 及半波片(HW)來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形器，其特征在于包括第一偏振模 式分離器和第二偏振模式分離器，兩個(gè)偏振模式分離器之間設(shè)置了相互連接的 波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡和半波片，所述第一偏振模式分離器和第二偏振模式分離 器分別包括第一光功分器、第二光功分器、第一磁光波導(dǎo)和第二磁光波導(dǎo)，第 一光功分器的兩個(gè)輸入端口分別與其第一輸入波導(dǎo)和第二輸入波導(dǎo)連接，用于 輸入正向傳輸光或輸出反向傳輸光，所述第一磁光波導(dǎo)、第二磁光波導(dǎo)采用橫 向構(gòu)型磁光波導(dǎo)，所述第-一磁光波導(dǎo)構(gòu)成第一相位調(diào)節(jié)單元，所述第二磁光波 導(dǎo)構(gòu)成第二相位調(diào)節(jié)單元，第一相位調(diào)節(jié)單元和第二相位調(diào)節(jié)單元對(duì)TM模產(chǎn)生 的相位移相差"，對(duì)TE模產(chǎn)生的相位移相等，第一光功分器的兩個(gè)輸出端口分 別通過第一相位調(diào)節(jié)單元和第二相位調(diào)節(jié)單元與第二光功分器的兩個(gè)輸入端口 連接，第二光功分器的兩個(gè)輸出端口分別與其第一輸出波導(dǎo)和第二輸出波導(dǎo)連 接，用于輸出正向傳輸光或輸入反向傳輸光。優(yōu)選地，所述第一光功分器、第二光功分器采用多模干涉儀。優(yōu)選地，所述第一磁光波導(dǎo)、第二磁光波導(dǎo)分別采用在相反方向的磁場(chǎng)作用下對(duì)正向傳輸光的TM模分別產(chǎn)生—^相位移、^相位移，對(duì)反向傳輸光的TM 模分別產(chǎn)生^相位移、-^相位移，而對(duì)正、反向傳輸光的TE模均產(chǎn)生相等相位移的橫向構(gòu)型磁光波導(dǎo)。優(yōu)選地，所述波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡采用能使相位順時(shí)針偏轉(zhuǎn)^的非互易波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，所述半波片采用慢軸方向與水平方向夾角為^的半波片。本實(shí)用新型采用兩個(gè)馬赫-曾德型集成波導(dǎo)偏振模式分離器結(jié)合波導(dǎo)型法拉 第旋轉(zhuǎn)鏡及半波片來實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)光環(huán)形器。其中，馬赫-曾德型集成波導(dǎo)偏振 模式分離器采用兩個(gè)光功分器、兩個(gè)非互易橫向構(gòu)型磁光波導(dǎo)構(gòu)成。TM模的相 位在與光傳播方向垂直的磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生非互易相位變化，結(jié)合波導(dǎo)自身長(zhǎng)度 產(chǎn)生的互易相位變化，從而與TE模在不同輸出端口干涉相長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)模式分離。對(duì)于橫向構(gòu)型的磁光波導(dǎo)，外加磁場(chǎng)與光傳播方向垂直，對(duì)應(yīng)的介電張量為:0000介電張量的非對(duì)角元會(huì)耦合電磁場(chǎng)在x、 y、 z軸上的分量，由于exy、 eyz 都為0，只有exz存在，并耦合電磁場(chǎng)在x軸及z軸上的分量，從而使沿x軸 方向的TM模的相位發(fā)生改變，而對(duì)沿y軸方向的TE模不產(chǎn)生影響。exz與法 拉第旋轉(zhuǎn)角9f之間的關(guān)系為exz = 2neF /k。，其中，n為薄膜折射率，k。為 真空中波數(shù)。exz會(huì)導(dǎo)致TM模在正、反向傳輸時(shí)，傳播常數(shù)有所不同，從而 產(chǎn)生非互易相移P^A^、其中L為TM模在磁光波導(dǎo)中的傳輸長(zhǎng)度，Ap為傳 播常數(shù)的差，顯然，在正向傳輸和反向傳輸時(shí)，TM模會(huì)產(chǎn)生大小相等，符號(hào)相 反的相位改變量。本實(shí)用新型的有益效果在于1. 本實(shí)用新型采用兩個(gè)馬赫-曾德型集成波導(dǎo)偏振模式分離器結(jié)合波導(dǎo)型法 拉第旋轉(zhuǎn)鏡及半波片來實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)光環(huán)形器，其中，采用兩個(gè)光功分器、兩 個(gè)非互易橫向構(gòu)型磁光波導(dǎo)構(gòu)成的馬赫一曾德型4端口偏振模式分離器，可以 實(shí)現(xiàn)TE、 TM模的分離及合成，從而容易構(gòu)成4端口環(huán)形器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。偏振模 式分離器采用易于與半導(dǎo)體器件集成的磁光材料實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)節(jié)，容易集成， 相對(duì)于分離相位調(diào)節(jié)器而言，大大降低了插入損耗。2. 本實(shí)用新型中采用多模干涉儀作為馬赫-曾德型集成波導(dǎo)偏振模式分離器 的功分器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低插損，高帶寬且偏振不敏感，易于和光通信系統(tǒng)集成。3. 本實(shí)用新型采用的偏振模式分離器避免了使用3dB耦合器、Y分支等結(jié) 構(gòu)所帶來的體積大、分支角不容易控制等缺點(diǎn)，體積小，容易制造。4. 本實(shí)用新型采用的偏振模式分離器避免了采用金屬覆蓋層結(jié)構(gòu)改變TM模 的耦合狀態(tài)所帶來的制造工藝上的困難，降低了偏振串音。


以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的闡述。圖1:本實(shí)用新型馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2:本實(shí)用新型采用的馬赫-曾德型集成波導(dǎo)偏振模式分離器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示， 一種馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形器，包括第一偏振模式分離器1和第二偏振模式分離器2，兩個(gè)偏振模式分離器之間設(shè)置了相互 連接的波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡3和半波片4。第一偏振模式分離器1和第二偏振 模式分離器2采用馬赫-曾德型集成波導(dǎo)偏振模式分離器。波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡 3采用能使相位順時(shí)針偏轉(zhuǎn)^的非互易波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，半波片4采用慢軸方向與水平方向夾角為^的半波片。第一偏振模式分離器l的兩輸出端口與波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡3的兩輸入端口相連，波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡3的兩輸出端 口與半波片4的兩輸入端口相連，半波片4的兩輸出端口與第二偏振模式分離 器2的兩輸入端口相連。馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形器的工作原理如下 對(duì)于正向傳輸光(按圖1中從左向右的方向定義)，光從第一偏振模式分離 器l的輸入端口輸入，經(jīng)過第一偏振模式分離器1以后分成TM、 TE模，順次經(jīng) 過波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡3及半波片4后相互轉(zhuǎn)換，TM模變成TE模，而TE模變 成TM模，再經(jīng)過第二偏振模式分離器2耦合后輸出，實(shí)現(xiàn)交叉態(tài)傳輸。即，若 光從第一偏振模式分離器1的端口 101輸入，則從第二偏振模式分離器2的端 口 202輸出，若光從第一偏振模式分離器1的端口 102輸入，則從第二偏振模 式分離器2的端口201輸出。對(duì)于反向傳輸光(按圖1中從右向左的方向定義)，光從第二偏振模式分離 器2的輸入端口輸入，經(jīng)過第二偏振模式分離器2以后分成TM、 TE模，順次經(jīng) 過半波片4及波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡3后，TM模、TE模保持不變，再經(jīng)過第一偏 振模式分離器1耦合后輸出，實(shí)現(xiàn)直通態(tài)傳輸。即，若光從第二偏振模式分離 器2的端口 201輸入，則從第一偏振模式分離器1的端口 101輸出，若光從第 二偏振模式分離器2的端口 202輸入，則從第一偏振模式分離器1的端口 102 輸出。如圖2所示為本實(shí)用新型采用的馬赫-曾德型集成波導(dǎo)偏振模式分離器結(jié)構(gòu) 示意圖，包括第一光功分器5、第二光功分器6、第一磁光波導(dǎo)7和第二磁光波 導(dǎo)8。第一光功分器5的兩個(gè)輸入端口分別與其第一輸入波導(dǎo)501和第二輸入 波導(dǎo)502連接，用于輸入正向傳輸光或輸出反向傳輸光。第一磁光波導(dǎo)7、第 二磁光波導(dǎo)8采用橫向構(gòu)型磁光波導(dǎo)，第一磁光波導(dǎo)7構(gòu)成第一相位調(diào)節(jié)單元， 第二磁光波導(dǎo)8構(gòu)成第二相位調(diào)節(jié)單元。第一光功分器5的兩個(gè)輸出端口分別 通過第一相位調(diào)節(jié)單元和第二相位調(diào)節(jié)單元與第二光功分器6的兩個(gè)輸入端口 連接，第二光功分器6的兩個(gè)輸出端口分別與其第一輸出波導(dǎo)601和第二輸出 波導(dǎo)602連接，用于輸出正向傳輸光或輸入反向傳輸光。通過選擇合適的磁光 波導(dǎo)長(zhǎng)度，可使第一相位調(diào)節(jié)單元和第二相位調(diào)節(jié)單元對(duì)TM模產(chǎn)生的相位移相 差"，對(duì)TE模產(chǎn)生的相位移相等，使TM模在該偏振模式分離器中實(shí)現(xiàn)直通態(tài) 傳輸，而TE模實(shí)現(xiàn)交叉態(tài)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)TM模和TE模的分離。更具體地，本實(shí)施方式采用如下連接方式第一光功分器5的兩個(gè)輸出端口 分別與第一磁光波導(dǎo)7、第二磁光波導(dǎo)8的輸入端口連接，第一磁光波導(dǎo)7、第 二磁光波導(dǎo)8的輸出端口分別與第二光功分器6的兩個(gè)輸入端口連接。本實(shí)施方式中，第一光功分器5、第二光功分器6均采用多模干涉儀。通過 選擇合適的磁光波導(dǎo)長(zhǎng)度，第一磁光波導(dǎo)7、第二磁光波導(dǎo)8在相反方向的磁場(chǎng)作用下對(duì)正向傳輸光的TM模分別產(chǎn)生一^相位移、^相位移，對(duì)反向傳輸 光的TM模分別產(chǎn)生^相位移、-^相位移，而對(duì)正、反向傳輸光的TE模均產(chǎn)生相等相位移的橫向構(gòu)型磁光波導(dǎo)。即正向傳輸光的TM模在經(jīng)過第一磁光波導(dǎo)7、第二磁光波導(dǎo)8時(shí)分別產(chǎn)生—^相位移、^相位移，而其TE模在經(jīng)過第 一磁光波導(dǎo)7、第二磁光波導(dǎo)8時(shí)產(chǎn)生相等相位移；反向傳輸光的TM模在經(jīng)過 第一磁光波導(dǎo)7、第二磁光波導(dǎo)8時(shí)分別產(chǎn)生^相位移、-%相位移，而其TE模在經(jīng)過第一磁光波導(dǎo)7、第二磁光波導(dǎo)8時(shí)產(chǎn)生相等相位移。 該偏振模式分離器的工作原理如下對(duì)于正向傳輸光(按圖2中從左向右的方向定義)，第一磁光波導(dǎo)7在外加磁場(chǎng)的作用下使TM模產(chǎn)生—^相位移，第二磁光波導(dǎo)8在相反方向的外加磁場(chǎng)作用下使TM模產(chǎn)生^相位移，則第一磁光波導(dǎo)7構(gòu)成的第一相位調(diào)節(jié)單元使 TM模改變的相位大小為-%，第二磁光波導(dǎo)8構(gòu)成的第二相位調(diào)節(jié)單元使TM模改變的相位大小為^，兩個(gè)相位調(diào)節(jié)單元對(duì)于TM模所改變的相位大小相差;r，因此TM模在第二光功分器6處實(shí)現(xiàn)直通態(tài)傳輸。橫向構(gòu)型磁光波導(dǎo)對(duì)TE 模相位不產(chǎn)生非互易相移，兩個(gè)相位調(diào)節(jié)單元對(duì)于TE模所改變的相位大小相 等，在第二光功分器6處實(shí)現(xiàn)交叉態(tài)傳輸。因此，若光從第一光功分器5的端 口 501輸入，則TM模從第二光功分器6的端口 601輸出，TE模從第二光功分 器6的端口 602輸出；若光從第一光功分器5的端口 502輸入，則TM模從第二 光功分器6的端口 602輸出，TE模從端口601輸出。對(duì)于反向傳輸光(按圖2中從右向左的方向定義)，第一磁光波導(dǎo)7在外加磁場(chǎng)的作用下使TM模產(chǎn)生^相位移，第二磁光波導(dǎo)8在相反方向的外加磁場(chǎng)作用下使TM模產(chǎn)生—^相位移，則第一磁光波導(dǎo)7構(gòu)成的第一相位調(diào)節(jié)單元和 第二磁光波導(dǎo)8構(gòu)成的第二相位調(diào)節(jié)單元對(duì)于TM模所改變的相位大小相差同樣 為7，因此TM模在第一光功分器5處實(shí)現(xiàn)直通態(tài)傳輸。橫向構(gòu)型磁光波導(dǎo)對(duì)TE 模相位不產(chǎn)生非互易相移，兩個(gè)相位調(diào)節(jié)單元對(duì)于TE模所改變的相位大小相 等，在第一光功分器5處實(shí)現(xiàn)交叉態(tài)傳輸。因此，若光從第二光功分器6的端 口 601輸入，則TM模從第一光功分器5的端口 501輸出，TE模從第一光功分 器5的端口 502輸出；若光從第二光功分器6的端口 602輸入，則TM模從第一 光功分器5的端口 502輸出，TE模從端口501輸出。
權(quán)利要求1.一種馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形器，其特征在于包括第一偏振模式分離器(1)和第二偏振模式分離器(2)，兩個(gè)偏振模式分離器之間設(shè)置了相互連接的波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(3)和半波片(4)，所述第一偏振模式分離器(1)和第二偏振模式分離器(2)分別包括第一光功分器(5)、第二光功分器(6)、第一磁光波導(dǎo)(7)和第二磁光波導(dǎo)(8)，第一光功分器(5)的兩個(gè)輸入端口分別與其第一輸入波導(dǎo)(501)和第二輸入波導(dǎo)(502)連接，用于輸入正向傳輸光或輸出反向傳輸光，所述第一磁光波導(dǎo)(7)、第二磁光波導(dǎo)(8)采用橫向構(gòu)型磁光波導(dǎo)，所述第一磁光波導(dǎo)(7)構(gòu)成第一相位調(diào)節(jié)單元，所述第二磁光波導(dǎo)(8)構(gòu)成第二相位調(diào)節(jié)單元，第一相位調(diào)節(jié)單元和第二相位調(diào)節(jié)單元對(duì)TM模產(chǎn)生的相位移相差π，對(duì)TE模產(chǎn)生的相位移相等，第一光功分器(5)的兩個(gè)輸出端口分別通過第一相位調(diào)節(jié)單元和第二相位調(diào)節(jié)單元與第二光功分器(6)的兩個(gè)輸入端口連接，第二光功分器(6)的兩個(gè)輸出端口分別與其第一輸出波導(dǎo)(601)和第二輸出波導(dǎo)(602)連接，用于輸出正向傳輸光或輸入反向傳輸光。
2. 如權(quán)利要求1所述的馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形器，其特征在 于所述第一光功分器(5)、第二光功分器(6)采用多模干涉儀。
3. 如權(quán)利要求1所述的馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形器，其特征在 于所述第一磁光波導(dǎo)(7)、第二磁光波導(dǎo)(8)分別采用在相反方向的磁場(chǎng)作用下對(duì)正向傳輸光的TM模分別產(chǎn)生—^相位移、^相位移，對(duì)反向傳輸光的TM 模分別產(chǎn)生^相位移、-^相位移，而對(duì)正、反向傳輸光的TE模均產(chǎn)生相等相位移的橫向構(gòu)型磁光波導(dǎo)。
4. 如權(quán)利要求1所述的馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形器，其特征在 于所述波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(3)采用能使相位順時(shí)針偏轉(zhuǎn)^的非互易波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，所述半波片采用慢軸方向與水平方向夾角為^的半波片。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種馬赫-曾德多模干涉型偏振無關(guān)光環(huán)形器，其特征在于包括第一偏振模式分離器(1)和第二偏振模式分離器(2)，兩個(gè)偏振模式分離器之間設(shè)置了相互連接的波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(3)和半波片(4)，所述第一偏振模式分離器(1)和第二偏振模式分離器(2)分別包括第一光功分器(5)、第二光功分器(6)、第一磁光波導(dǎo)(7)、第二磁光波導(dǎo)(8)。本實(shí)用新型的有益效果在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易集成，相對(duì)于分離相位調(diào)節(jié)器而言，大大降低了插入損耗；低插損，高帶寬且偏振不敏感，易于和光通信系統(tǒng)集成；有效降低了偏振串音。
文檔編號(hào)G02B6/26GK201159780SQ20082003261
公開日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2008年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月22日
發(fā)明者孫小菡, 俊 趙 申請(qǐng)人:東南大學(xué)