一種基于硅基槽式波導(dǎo)耦合的偏振旋轉(zhuǎn)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種新型的基于硅基槽式波導(dǎo)耦合的偏振 旋轉(zhuǎn)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，光子集成技術(shù)迅猛發(fā)展。為了縮小光子器件的尺寸，成本低廉、技術(shù)成熟 的CMOS工藝被廣泛應(yīng)用到光子集成領(lǐng)域中。利用高折射率差的材料如絕緣層上硅，可以大 大提高集成度，但同時會產(chǎn)生明顯的雙折射現(xiàn)象，導(dǎo)致偏振相關(guān)損耗、偏振相關(guān)增益的產(chǎn) 生。因此研制光偏振控制器件來消除雙折射的負(fù)面影響就顯得十分必要。光偏振控制器件 包括偏振旋轉(zhuǎn)器和偏振分離器。目前，研究人員提出了多種實現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)的設(shè)計方案，如利 用光子晶體結(jié)構(gòu)，采用電光或磁光材料等。但是這些方案都或多或少存在一些問題，主要包 括器件的關(guān)鍵尺寸不易精確控制，制造難度大，由此帶來額外的損耗，轉(zhuǎn)換效率偏低等。因 此，設(shè)計出結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越、制造方便的新型偏振旋轉(zhuǎn)器就顯得很有意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于硅基槽式波導(dǎo) 耦合的偏振旋轉(zhuǎn)器，采用了硅基槽式波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)，并將直通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)的槽 和包層覆蓋各向異性材料，利用材料的各向異性性質(zhì)，達(dá)到偏振旋轉(zhuǎn)的效果;這種偏振旋轉(zhuǎn) 器具有制造結(jié)構(gòu)簡單、制造容差性好、成本低廉、易于集成、工作帶寬廣、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu) 點。
[0004] 技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0005] -種基于娃基槽式波導(dǎo)親合的偏振旋轉(zhuǎn)器，包括用于輸入光信號的輸入波導(dǎo)、直 通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)與直通波導(dǎo)的輸入端相連，直通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)平行放置，耦 合波導(dǎo)的輸出端連接有輸出波導(dǎo);所有波導(dǎo)均為硅基槽式波導(dǎo)，直通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)的槽 和包層均覆蓋有各向異性材料。
[0006] 本發(fā)明在使用時，當(dāng)TE/TM偏振態(tài)的光信號從輸入波導(dǎo)進(jìn)入直通波導(dǎo)后，由于各向 異性材料的存在，光信號的偏振狀態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)；同時，光信號向耦合波導(dǎo)中耦合，信號當(dāng)偏 轉(zhuǎn)至TM/TE模式并全部耦合到耦合波導(dǎo)中時，從輸出波導(dǎo)中輸出TM/TE偏振態(tài)的信號。
[0007] 優(yōu)選的，所述輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)均為直波導(dǎo)。
[0008] 有益效果:本發(fā)明提供的基于硅基槽式波導(dǎo)耦合的偏振旋轉(zhuǎn)器，與現(xiàn)有技術(shù)相比， 具有以下有點：
[0009] 1、結(jié)構(gòu)簡單，緊湊易于集成。輸入、輸出波導(dǎo)為槽式波導(dǎo)，直通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)槽 平行放置，結(jié)構(gòu)簡單，沒有彎曲、傾角等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。采用絕緣體上硅平臺制造，易于與同平臺 的其他光子器件集成。
[0010] 2、制造難度低、可靠性高。本發(fā)明器件的整體尺寸都只在微米或者亞微米量級，可 以利用現(xiàn)有的成本低廉、技術(shù)成熟的CMOS工藝技術(shù)制造;基于CMOS工藝的成熟標(biāo)準(zhǔn)，制造的 器件可靠性也可以得到充分的保證。
[0011] 3、使用方便，擴(kuò)展靈活。本發(fā)明技術(shù)方案中所闡述的方式主要用于設(shè)計偏振旋轉(zhuǎn) 器，若調(diào)整并優(yōu)化耦合長度、間隔距離等參數(shù)，可實現(xiàn)直通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)輸出不同偏振態(tài) 的信號，即偏振分離效果。而且，包層覆蓋材料為各向異性材料，選擇余地較多。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明第一個實例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖2為本發(fā)明第一個實例中直通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)處的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖3為本發(fā)明第一個實例在1.55μπι工作波長處，輸入TE信號后，直通波導(dǎo)和耦合波 導(dǎo)的長度Lc與消光比(ER)的關(guān)系示意圖。其中，各向異性材料選用5CB液晶，橫坐標(biāo)表示直 通和耦合波導(dǎo)傳輸方向的尺寸，單位:μπι;縱坐標(biāo)表示器件的消光比，單位:dB。
[0015] 圖4為本發(fā)明第一個實例器件消光比（ER)和插入損耗（IL)與工作波長λ的關(guān)系示 意圖。其中，各向異性材料選用5CB液晶，橫坐標(biāo)為工作波長λ，單位: μπι;縱坐標(biāo)為器件的消 光比，單位:dB。
[0016] 圖5為本發(fā)明第一個實例在1.55μπι工作波長處，輸入TE信號后，直通波導(dǎo)和耦合波 導(dǎo)始端(Ζ = Ομπι)和末端(Ζ = 29 · 4μηι)的模場分布圖。
[0017] 圖6為本發(fā)明器件第二個實例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖中：輸入波導(dǎo)1、直通波導(dǎo)2、親合波導(dǎo)3、輸出波導(dǎo)4、娃基襯底5、掩埋氧化層6、娃 基槽式波導(dǎo)7、上包層8，波導(dǎo)槽9。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0020] 如圖1所示為一種涂覆各向異性材料基于硅基槽式波導(dǎo)耦合的偏振旋轉(zhuǎn)器，包括 用于輸入光信號的輸入波導(dǎo)1、直通波導(dǎo)2、耦合波導(dǎo)3和輸出波導(dǎo)4;這些波導(dǎo)均為槽式波 導(dǎo)，且直通波導(dǎo)2和耦合波導(dǎo)3是平行放置的，構(gòu)成定向耦合器結(jié)構(gòu)。
[0021] 直通波導(dǎo)2和耦合波導(dǎo)3的槽和包層均覆蓋有各向異性材料?？紤]到橫截面各向異 性材料的電介質(zhì)相關(guān)特性，這種材料的相對介電常數(shù)張量k可表示為：
[0023]式中各分量在直角坐標(biāo)系中表示不同方向上的介電常數(shù)，exx、eyy和εζζ分別表示X、 y和ζ方向的介電常數(shù)，exy和εγχ均表示Xy方向的介電常數(shù)。
[0024]這里，我們以5CB液晶材料為例來說明該器件的原理和特性。5CB液晶是一種普通 的各向異性材料，液晶分子的旋向可由電極控制。在波長λ= 1550nm時，0光和E光的折射率 分別為11。= 1.5292，ne= 1.7072。當(dāng)旋向與水平方向夾角為45°時，槽和包層覆蓋了液晶的槽 波導(dǎo)本征模主、次場分量強(qiáng)度可以比擬，此時光軸與水平、豎直方向夾角接近45°。
[0025]當(dāng)TE/TM本征模進(jìn)入到槽和包層覆蓋液晶的單根槽波導(dǎo)中時，兩種偏振態(tài)的低階 模式被激發(fā)。當(dāng)傳輸一段距離后，這些模式之間會產(chǎn)生大小為η的相位差，輸出口就能產(chǎn)生 TM/TE本征模。我們將產(chǎn)生相位差為π的傳輸距離稱為半拍長匕，表達(dá)式為：
[0027]式中m，n2R表轉(zhuǎn)換區(qū)域兩個低階模式的有效折射率，λ代表工作波長，B為雙折射 率差。所以，入射偏振方向與光軸夾角為45°時，傳輸半拍長之后，偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)角度為90°。 [0028]通過合理設(shè)計槽波導(dǎo)的槽寬度、兩槽之間的間距以及直通波導(dǎo)的長度，可以實現(xiàn) TE/TM偏振態(tài)向TM/TE偏振態(tài)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)TE/TM偏振態(tài)的光信號從輸入波導(dǎo)1進(jìn)入直通波導(dǎo)2 后，由于各向異性材料的存在，光信號的偏振狀態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，同時，光信號向耦合波導(dǎo)3中耦 合，信號當(dāng)偏轉(zhuǎn)至TM/TE模式并全部耦合到耦合波導(dǎo)3中時，從輸出波導(dǎo)4中輸出TM/TE偏振 態(tài)的信號，實現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)效果。
[0029] 采用平行放置的兩條槽式波導(dǎo)，并在槽和包層覆蓋各向異性材料的方案實現(xiàn)偏振 旋轉(zhuǎn)，與從非對稱結(jié)構(gòu)角度或通過不同結(jié)構(gòu)中的模式轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的方案相 比，沒有彎曲、傾角等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，制造難度大大降低。可以采用絕緣體上硅平臺制造，易于光 子芯片集成，且成本低廉。
[0030] 圖2為本發(fā)明第一個實例中直通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)處的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，槽 式波導(dǎo)中單根娃基線波導(dǎo)寬200nm，高220nm，波導(dǎo)槽寬100nm，直通波導(dǎo)和親合波導(dǎo)間距 500nm。波導(dǎo)槽和上包層覆蓋液晶材料，厚度總共為800nm〇
[0031] 圖3為本發(fā)明第一個實例在1.55μπι工作波長處，輸入TE模式的光信號后，直通波導(dǎo) 和耦合波導(dǎo)的長度Ιχ(μπι)與消光比(ER)的關(guān)系示意圖。其中，消光比是偏振旋轉(zhuǎn)器一個非 常重要的性能參數(shù)，用來評估偏振旋轉(zhuǎn)的效果，定義為：
[0033] 表達(dá)式中，Ρ?和Pte分別表示輸出端口中ΤΜ和ΤΕ光的功率。
[0034]圖4為本發(fā)明第一個實例器件消光比（ER)和插入損耗（IL)與工作波長λ的關(guān)系示 意圖。其中，插入損耗是表征輸入輸出功率關(guān)系的參數(shù)，定義為：
[0036] 表達(dá)式中，Ρ?和Pte分別表示輸出端口中ΤΜ和ΤΕ光的功率，PinputTE表示輸入端口中 TE光的功率。從圖中可以看出，波長在1529nm到1570nm范圍內(nèi)時，消光比（ER)超過了 11 · 5dB，波長在1524nm到1570nm范圍內(nèi)時，插入損耗（IL)低于0 · 3dB，最低達(dá)到0 · 23dB。 [0037]圖5為本發(fā)明第一個實例在1.55μπι工作波長處，輸入TE信號后，直通波導(dǎo)和耦合波 導(dǎo)始端(Ζ = 0μηι)和末端(Ζ = 29·4μηι)的模場分布圖。從圖中可以看出，Ζ = 0μηι時，ΤΕ偏振態(tài) 的光信號集中在直通槽波導(dǎo)中；Ζ = 29.4μπι時，光信號集中在耦合波導(dǎo)中，且已變成ΤΜ偏振 ??τ 〇
[0038] 圖6為本發(fā)明的第二個實例。直通波導(dǎo)增加了輸出端，通過調(diào)整并優(yōu)化耦合長度、 間隔距離等參數(shù)，可實現(xiàn)直通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)輸出不同偏振態(tài)的信號，達(dá)到偏振分離的效 果。
[0039] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于硅基槽式波導(dǎo)耦合的偏振旋轉(zhuǎn)器，其特征在于:包括用于輸入光信號的輸 入波導(dǎo)（1)、直通波導(dǎo)（2)和耦合波導(dǎo)（3)，輸入波導(dǎo)（1)與直通波導(dǎo)（2)的輸入端相連，直通 波導(dǎo)(2)和耦合波導(dǎo)（3)平行放置，耦合波導(dǎo)（3)的輸出端連接有輸出波導(dǎo)(4);所有波導(dǎo)均 為硅基槽式波導(dǎo)，直通波導(dǎo)(2)和耦合波導(dǎo)(3)的槽和包層均覆蓋有各向異性材料。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅基槽式波導(dǎo)耦合的偏振旋轉(zhuǎn)器，其特征在于:所述輸入 波導(dǎo)（1)和輸出波導(dǎo)(4)均為直波導(dǎo)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于硅基槽式波導(dǎo)耦合的偏振旋轉(zhuǎn)器，包括用于輸入光信號的輸入波導(dǎo)、直通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)，輸入波導(dǎo)與直通波導(dǎo)的輸入端相連，直通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)平行放置，耦合波導(dǎo)的輸出端連接有輸出波導(dǎo)；所有波導(dǎo)均為硅基槽式波導(dǎo)，直通波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)的槽和包層均覆蓋有各向異性材料。當(dāng)TE/TM偏振態(tài)的光信號從輸入波導(dǎo)進(jìn)入直通波導(dǎo)后，由于各向異性材料的存在，光信號的偏振狀態(tài)發(fā)生旋轉(zhuǎn)；同時，光信號向耦合波導(dǎo)中耦合，信號當(dāng)偏轉(zhuǎn)至TM/TE模式并全部耦合到耦合波導(dǎo)中時，從輸出波導(dǎo)中輸出TM/TE偏振態(tài)的信號，實現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)效果。該偏振旋轉(zhuǎn)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作帶寬大、制造工藝簡單、制造容差性好等優(yōu)點。
【IPC分類】G02B6/122, G02B6/126
【公開號】CN105572800
【申請?zhí)枴緾N201610053548
【發(fā)明人】肖金標(biāo), 倪斌
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2016年1月26日