一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，包括兩根平行設置的第一直波導和第二直波導，所述第一直波導和第二直波導上方設置有上包層，下方設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和第二直波導的折射率，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)有技術相比，本發(fā)明的結構構成垂直方向非對稱的波導，該耦合區(qū)結構可以支持較強的交叉耦合效應。利用垂直方向非對稱波導存在交叉耦合的效應，通過兩根平行耦合波導，通過定向耦合的方式達到偏振分束以及偏振旋轉的效果。
【專利說明】一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及集成光子領域，特別是涉及一種基于高折射率差波導來實現(xiàn)光偏振分束和偏振旋轉的集成器件。該器件可用于偏振分集集成光路。
【背景技術】
[0002]經(jīng)過多年的發(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波導及其器件引起了人們的廣泛關注。材料具有很多優(yōu)點，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構，SOI波導的尺寸可控制在300nm左右，彎曲半徑在2um以下，相鄰波導間距在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數(shù)量級。由于以上這些優(yōu)點，SOI材料光集成技術得到迅速的發(fā)展，大量的SOI集成器件已被研制出來。
[0003]但同樣因為采用了高折射率差結構，使得SOI集成光子芯片具有較為明顯的偏振相關性，即:同一個器件的在兩種偏振光下表現(xiàn)出來的性能差異很大。這使得這種芯片與其它偏振無關的光路系統(tǒng)(如:光纖)相連接時，產(chǎn)生了不兼容的問題。一種有效的解決方法是采用偏振分集光路設計，如圖1所示。在該光路設計中，兩個偏振光同時從波導I中輸入集成芯片。輸入光首先通過一個偏振分束器2，將兩個偏振光分開到兩根波導3，4中，之后，其中一根波導中(在該圖中為波導3)經(jīng)過一個偏振旋轉器5,將該波導中的光的偏振方向旋轉90度。這樣兩根波導中的光都轉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，避免了偏振相關性的影響。處理完以后的輸出光，再通過類似的偏振旋轉器8和偏振分束器9，合并到輸出波導10中，從而實現(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器為兩個獨立器件，并且傳統(tǒng)的集成型偏振旋轉器加工較為復雜，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現(xiàn)的成本，降低了其穩(wěn)定性。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中的不足，提供了一種可同時實現(xiàn)偏振分束以及偏振旋轉作用的光偏振分束和旋轉的集成器件，本集成器件結構緊湊、簡單，易于加工實現(xiàn)，可直接應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]為了解決上述技術問題，本發(fā)明通過下述技術方案得以解決:一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，其特征在于:包括兩根平行設置的第一直波導和第二直波導，所述第一直波導和第二直波導上方設置有上包層，下方設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和第二直波導的折射率，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)明的結構構成垂直方向非對稱的波導，該耦合區(qū)結構可以支持較強的交叉耦合效應。利用垂直方向非對稱波導存在交叉耦合的效應，通過兩根平行耦合波導，通過定向耦合的方式達到偏振分束以及偏振旋轉的效果。[0007]作為優(yōu)選，上述第一直波導中的橫電模和所述第二直波導中的橫磁模的理論功率耦合效率大于等于80%，所述第一直波導中的橫磁模和所述第二直波導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]為了實現(xiàn)上述耦合效率，優(yōu)選的方案是:上述第一直波導中的橫電模的模式傳播常數(shù)相對所述第二直波導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)的長度等于所述第一直波導中的橫電模和所述第二直波導中的橫磁模耦合的耦合長度的奇數(shù)倍。
[0009]作為優(yōu)選，上述第一直波導的寬度與所述第二直波導的寬度的差別在100nm-500nm之間。本發(fā)明中第一直波導和第二直波導的模式傳播常數(shù)通過控制兩者的寬度即可實現(xiàn)，因此只需一次光刻和刻蝕工藝就能加工實現(xiàn)。制作工藝與普通的集成光器件相同，無需額外工藝步驟。
[0010]作為另一優(yōu)選方案:上述第一直波導中的橫磁模和所述第二直波導中的橫電模的理論功率稱合效率大于等于80%,所述第一直波導中的橫電模和所述第二直波導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]為了實現(xiàn)上述耦合效率，優(yōu)選的方案是:上述第一直波導中的橫磁模的模式傳播常數(shù)相對所述第二直波導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)的長度等于所述第一直波導中的橫磁模和所述第二直波導中的橫電模耦合的耦合長度的奇數(shù)倍。
[0012]上述第一直波導的寬度與所述第二直波導的寬度的差別在100nm-500nm之間。本發(fā)明中第一直波導和第二直波導的模式傳播常數(shù)通過控制兩者的寬度即可實現(xiàn)，因此只需一次光刻和刻蝕工藝就能加工實現(xiàn)。制作工藝與普通的集成光器件相同，無需額外工藝步驟。
[0013]作為優(yōu)選，上述第一直波導和第二直波導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)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果:1.本發(fā)明可同時實現(xiàn)偏振分束以及偏振旋轉作用，將通常需兩個獨立器件實現(xiàn)的功能合二為一，結構簡單，可直接應用于偏振分集光路；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組成，根據(jù)設計，兩根波導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現(xiàn)。制作工藝與普通的集成光器件相同，無需額外工藝步驟。3.本發(fā)明提供的集成器件的工作波長范圍寬，可覆蓋整個光通信C波段。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1現(xiàn)有技術中偏振分集方案圖。
[0016]圖2本發(fā)明的耦合區(qū)的波導橫截面結構示意圖。
[0017]圖3本發(fā)明的實施例1的工作原理示意圖。
[0018]圖4本發(fā)明的實施例2的工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0019]實施例1。[0020]一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，包括兩根平行設置的第一直波導I和第二直波導2，第一直波導I和第二直波導2采用高折射率的材料，一般應大于或等于2.8，在本實施例中，采用硅，所述第一直波導I和第二直波導2上方設置有上包層3，下方設置有下包層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I和第二直波導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]所述第一直波導的I寬度與所述第二直波導2的寬度的差別在100nm-500nm之間，從而使所述第一直波導I中的橫電模的模式傳播常數(shù)相對所述第二直波導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)的長度等于所述第一直波導I中的橫電模和所述第二直波導2中的橫磁模耦合的耦合長度的奇數(shù)倍，使得所述第一直波導I中的橫電模和所述第二直波導2中的橫磁模的理論功率稱合效率大于等于80% ;所述第一直波導I中的橫磁模的模式傳播常數(shù)相對所述第二直波導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I中的橫磁模和所述第二直波導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5與稱合區(qū)中的第一直波導I相連。當橫電模和橫磁模兩個偏振方向的光從輸入波導5輸入到第一直波導I時，對于輸入的橫磁模，由于第一直波導I中的橫磁?？梢耘c第二直波導2中的橫電模進行有效的定向耦合，因此在耦合區(qū)的末端第一直波導I中的橫磁?；巨D換為第二直波導2中的橫電模，并從耦合區(qū)中的第二直波導2位置輸出，輸出偏振方向為橫電模。而對于輸入的橫電模，由于第一直波導I中橫電模無法與第二直波導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I中，并從率禹合區(qū)中的第一直波導I位置輸出，輸出偏振方向仍為橫電模。
[0023]實施例2。
[0024]一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，包括兩根平行設置的第一直波導I和第二直波導2，第一直波導I和第二直波導2采用高折射率的材料，一般應大于或等于2.8，在本實施例中，采用硅，所述第一直波導I和第二直波導2上方設置有上包層3，下方設置有下包層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I和第二直波導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]所述第一直波導的I寬度與所述第二直波導2的寬度的差別在100nm-500nm之間，從而使所述第一直波導I中的橫磁模的模式傳播常數(shù)相對所述第二直波導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)的長度等于所述第一直波導I中的橫磁模和所述第二直波導2中的橫電模耦合的耦合長度的奇數(shù)倍，使得所述第一直波導I中的橫磁模和所述第二直波導2中的橫電模的理論功率稱合效率大于等于80% ;所述第一直波導I中的橫電模的模式傳播常數(shù)相對所述第二直波導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I中的橫電模和所述第二直波導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5與稱合區(qū)中的第一直波導I相連。當橫電模和橫磁模兩個偏振方向的光從輸入波導5輸入到第一直波導I時,對于輸入的橫電模，由于第一直波導I中的橫電?？梢耘c第二直波導2中的橫磁模進行有效的定向耦合，因此在耦合區(qū)末端第一直波導I中的橫電?；巨D換為第二直波導2中的橫磁模，并從耦合區(qū)中的第二直波導2位置輸出，輸出偏振方向為橫磁模。而對于輸入的橫磁模，由于第一直波導I中橫磁模無法與第二直波導2任意模式發(fā)生有效耦合，因此基本保留在第一直波導I中，并從耦合區(qū)中的第一直波導I位置輸出，輸出偏振方向為仍為橫磁模。
【權利要求】
1.一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，其特征在于:包括兩根平行設置的第一直波導(I)和第二直波導(2)，所述第一直波導(I)和第二直波導(2)上方設置有上包層(3)，下方設置有下包層(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(I)和第二直波導(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)權利要求1所述的一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(I)中的橫電模和所述第二直波導(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(I)中的橫磁模和所述第二直波導(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)權利要求2所述的一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(I)中的橫電模的模式傳播常數(shù)相對所述第二直波導(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)的長度等于所述第一直波導(I)中的橫電模和所述第二直波導(2)中的橫磁模耦合的耦合長度的奇數(shù)倍。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，其特征在于:所述第一直波導的(I)寬度與所述第二直波導(2)的寬度的差別在100nm-500nm之間。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(I)中的橫磁模和所述第二直波導(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(I)中的橫電模和所述第二直波導(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)權利要求5所述的一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(I)中的橫磁模的模式傳播常數(shù)相對所述第二直波導(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)的長度等于所述第一直波導(I)中的橫磁模和所述第二直波導(2)中的橫電模耦合的耦合長度的奇數(shù)倍。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，其特征在于:所述第一直波導的(I)寬度與所述第二直波導(2)的寬度的差別在100nm-500nm之間。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一權利要求所述的一種實現(xiàn)光偏振分束和旋轉的集成器件，其特征在于:所述第一直波導(I)和第二直波導(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】G02B6/126GK103558660SQ201310189448
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年5月21日 優(yōu)先權日:2013年5月21日
【發(fā)明者】鄭志強 申請人:寧波屹諾電子科技有限公司