一种基于硅基槽式波导耦合的偏振旋转器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成光学技术领域，具体是一种新型的基于硅基槽式波导耦合的偏振 旋转器。
【背景技术】
[0002] 近年来，光子集成技术迅猛发展。为了缩小光子器件的尺寸，成本低廉、技术成熟 的CMOS工艺被广泛应用到光子集成领域中。利用高折射率差的材料如绝缘层上硅，可以大 大提高集成度，但同时会产生明显的双折射现象，导致偏振相关损耗、偏振相关增益的产 生。因此研制光偏振控制器件来消除双折射的负面影响就显得十分必要。光偏振控制器件 包括偏振旋转器和偏振分离器。目前，研究人员提出了多种实现偏振旋转的设计方案，如利 用光子晶体结构，采用电光或磁光材料等。但是这些方案都或多或少存在一些问题，主要包 括器件的关键尺寸不易精确控制，制造难度大，由此带来额外的损耗，转换效率偏低等。因 此，设计出结构紧凑、性能优越、制造方便的新型偏振旋转器就显得很有意义。
【发明内容】
[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于硅基槽式波导 耦合的偏振旋转器，采用了硅基槽式波导定向耦合器结构，并将直通波导和耦合波导的槽 和包层覆盖各向异性材料，利用材料的各向异性性质，达到偏振旋转的效果;这种偏振旋转 器具有制造结构简单、制造容差性好、成本低廉、易于集成、工作带宽广、转换效率高等优 点。
[0004] 技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种基于娃基槽式波导親合的偏振旋转器，包括用于输入光信号的输入波导、直 通波导和耦合波导，输入波导与直通波导的输入端相连，直通波导和耦合波导平行放置，耦 合波导的输出端连接有输出波导;所有波导均为硅基槽式波导，直通波导和耦合波导的槽 和包层均覆盖有各向异性材料。
[0006] 本发明在使用时，当TE/TM偏振态的光信号从输入波导进入直通波导后，由于各向 异性材料的存在，光信号的偏振状态发生旋转；同时，光信号向耦合波导中耦合，信号当偏 转至TM/TE模式并全部耦合到耦合波导中时，从输出波导中输出TM/TE偏振态的信号。
[0007] 优选的，所述输入波导和输出波导均为直波导。
[0008] 有益效果:本发明提供的基于硅基槽式波导耦合的偏振旋转器，与现有技术相比， 具有以下有点：
[0009] 1、结构简单，紧凑易于集成。输入、输出波导为槽式波导，直通波导和耦合波导槽 平行放置，结构简单，没有弯曲、倾角等复杂结构。采用绝缘体上硅平台制造，易于与同平台 的其他光子器件集成。
[0010] 2、制造难度低、可靠性高。本发明器件的整体尺寸都只在微米或者亚微米量级，可 以利用现有的成本低廉、技术成熟的CMOS工艺技术制造;基于CMOS工艺的成熟标准，制造的 器件可靠性也可以得到充分的保证。
[0011] 3、使用方便，扩展灵活。本发明技术方案中所阐述的方式主要用于设计偏振旋转 器，若调整并优化耦合长度、间隔距离等参数，可实现直通波导和耦合波导输出不同偏振态 的信号，即偏振分离效果。而且，包层覆盖材料为各向异性材料，选择余地较多。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明第一个实例的结构示意图。
[0013] 图2为本发明第一个实例中直通波导和耦合波导处的横截面结构示意图。
[0014] 图3为本发明第一个实例在1.55μπι工作波长处，输入TE信号后，直通波导和耦合波 导的长度Lc与消光比(ER)的关系示意图。其中，各向异性材料选用5CB液晶，横坐标表示直 通和耦合波导传输方向的尺寸，单位:μπι;纵坐标表示器件的消光比，单位:dB。
[0015] 图4为本发明第一个实例器件消光比（ER)和插入损耗（IL)与工作波长λ的关系示 意图。其中，各向异性材料选用5CB液晶，横坐标为工作波长λ，单位: μπι;纵坐标为器件的消 光比，单位:dB。
[0016] 图5为本发明第一个实例在1.55μπι工作波长处，输入TE信号后，直通波导和耦合波 导始端(Ζ = Ομπι)和末端(Ζ = 29 · 4μηι)的模场分布图。
[0017] 图6为本发明器件第二个实例的结构示意图。
[0018] 图中：输入波导1、直通波导2、親合波导3、输出波导4、娃基衬底5、掩埋氧化层6、娃 基槽式波导7、上包层8，波导槽9。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0020] 如图1所示为一种涂覆各向异性材料基于硅基槽式波导耦合的偏振旋转器，包括 用于输入光信号的输入波导1、直通波导2、耦合波导3和输出波导4;这些波导均为槽式波 导，且直通波导2和耦合波导3是平行放置的，构成定向耦合器结构。
[0021] 直通波导2和耦合波导3的槽和包层均覆盖有各向异性材料。考虑到横截面各向异 性材料的电介质相关特性，这种材料的相对介电常数张量k可表示为：
[0023]式中各分量在直角坐标系中表示不同方向上的介电常数，exx、eyy和εζζ分别表示X、 y和ζ方向的介电常数，exy和εγχ均表示Xy方向的介电常数。
[0024]这里，我们以5CB液晶材料为例来说明该器件的原理和特性。5CB液晶是一种普通 的各向异性材料，液晶分子的旋向可由电极控制。在波长λ= 1550nm时，0光和E光的折射率 分别为11。= 1.5292，ne= 1.7072。当旋向与水平方向夹角为45°时，槽和包层覆盖了液晶的槽 波导本征模主、次场分量强度可以比拟，此时光轴与水平、竖直方向夹角接近45°。
[0025]当TE/TM本征模进入到槽和包层覆盖液晶的单根槽波导中时，两种偏振态的低阶 模式被激发。当传输一段距离后，这些模式之间会产生大小为η的相位差，输出口就能产生 TM/TE本征模。我们将产生相位差为π的传输距离称为半拍长匕，表达式为：
[0027]式中m，n2R表转换区域两个低阶模式的有效折射率，λ代表工作波长，B为双折射 率差。所以，入射偏振方向与光轴夹角为45°时，传输半拍长之后，偏振态旋转角度为90°。 [0028]通过合理设计槽波导的槽宽度、两槽之间的间距以及直通波导的长度，可以实现 TE/TM偏振态向TM/TE偏振态的转变。当TE/TM偏振态的光信号从输入波导1进入直通波导2 后，由于各向异性材料的存在，光信号的偏振状态发生旋转，同时，光信号向耦合波导3中耦 合，信号当偏转至TM/TE模式并全部耦合到耦合波导3中时，从输出波导4中输出TM/TE偏振 态的信号，实现偏振旋转效果。
[0029] 采用平行放置的两条槽式波导，并在槽和包层覆盖各向异性材料的方案实现偏振 旋转，与从非对称结构角度或通过不同结构中的模式转换来实现偏振旋转效应的方案相 比，没有弯曲、倾角等复杂结构，制造难度大大降低。可以采用绝缘体上硅平台制造，易于光 子芯片集成，且成本低廉。
[0030] 图2为本发明第一个实例中直通波导和耦合波导处的横截面结构示意图。其中，槽 式波导中单根娃基线波导宽200nm，高220nm，波导槽宽100nm，直通波导和親合波导间距 500nm。波导槽和上包层覆盖液晶材料，厚度总共为800nm〇
[0031] 图3为本发明第一个实例在1.55μπι工作波长处，输入TE模式的光信号后，直通波导 和耦合波导的长度Ιχ(μπι)与消光比(ER)的关系示意图。其中，消光比是偏振旋转器一个非 常重要的性能参数，用来评估偏振旋转的效果，定义为：
[0033] 表达式中，Ρ?和Pte分别表示输出端口中ΤΜ和ΤΕ光的功率。
[0034]图4为本发明第一个实例器件消光比（ER)和插入损耗（IL)与工作波长λ的关系示 意图。其中，插入损耗是表征输入输出功率关系的参数，定义为：
[0036] 表达式中，Ρ?和Pte分别表示输出端口中ΤΜ和ΤΕ光的功率，PinputTE表示输入端口中 TE光的功率。从图中可以看出，波长在1529nm到1570nm范围内时，消光比（ER)超过了 11 · 5dB，波长在1524nm到1570nm范围内时，插入损耗（IL)低于0 · 3dB，最低达到0 · 23dB。 [0037]图5为本发明第一个实例在1.55μπι工作波长处，输入TE信号后，直通波导和耦合波 导始端(Ζ = 0μηι)和末端(Ζ = 29·4μηι)的模场分布图。从图中可以看出，Ζ = 0μηι时，ΤΕ偏振态 的光信号集中在直通槽波导中；Ζ = 29.4μπι时，光信号集中在耦合波导中，且已变成ΤΜ偏振 ??τ 〇
[0038] 图6为本发明的第二个实例。直通波导增加了输出端，通过调整并优化耦合长度、 间隔距离等参数，可实现直通波导和耦合波导输出不同偏振态的信号，达到偏振分离的效 果。
[0039] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于硅基槽式波导耦合的偏振旋转器，其特征在于:包括用于输入光信号的输 入波导（1)、直通波导（2)和耦合波导（3)，输入波导（1)与直通波导（2)的输入端相连，直通 波导(2)和耦合波导（3)平行放置，耦合波导（3)的输出端连接有输出波导(4);所有波导均 为硅基槽式波导，直通波导(2)和耦合波导(3)的槽和包层均覆盖有各向异性材料。2. 根据权利要求1所述的基于硅基槽式波导耦合的偏振旋转器，其特征在于:所述输入 波导（1)和输出波导(4)均为直波导。
【专利摘要】本发明公开了一种基于硅基槽式波导耦合的偏振旋转器，包括用于输入光信号的输入波导、直通波导和耦合波导，输入波导与直通波导的输入端相连，直通波导和耦合波导平行放置，耦合波导的输出端连接有输出波导；所有波导均为硅基槽式波导，直通波导和耦合波导的槽和包层均覆盖有各向异性材料。当TE/TM偏振态的光信号从输入波导进入直通波导后，由于各向异性材料的存在，光信号的偏振状态发生旋转；同时，光信号向耦合波导中耦合，信号当偏转至TM/TE模式并全部耦合到耦合波导中时，从输出波导中输出TM/TE偏振态的信号，实现偏振旋转效果。该偏振旋转器具有结构紧凑、工作带宽大、制造工艺简单、制造容差性好等优点。
【IPC分类】G02B6/122, G02B6/126
【公开号】CN105572800
【申请号】CN201610053548
【发明人】肖金标, 倪斌
【申请人】东南大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年1月26日