基于空间结构螺旋特性的集成光学偏振转换器的制作方法

专利名称：基于空间结构螺旋特性的集成光学偏振转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成光学偏振转换器领域，具体涉及基于模式演变或空间结构螺旋特性的集成光学偏振转换器。
背景技术：
随着光纤通信普及的增长，更精致处理光信号的要求连续地增长。由于集成光学器件可以在单个芯片上集成许多光学功能，集成光学方法有可能满足更精致光信号处理的要求。然而，为了提高功能性和降低每个功能的成本，必须增大芯片上元件的密度。
在给定的波长下，介质波导中的模限制是由芯层折射率与包层折射率的对比度确定。对比度越高，模限制就越紧密。紧密限制的结果能够使波导更密集和引导光围绕锐角而没有很大的辐射损耗。由于这些是影响器件密度的两个最重要参数，大致可以这样说，折射率对比度越高，器件密度就越大。然而，随着折射率对比度增大，波导中传播的横电波(TE)模和横磁波(TM)模开始表现不同的特性。在方形波导的平直部分，TE模和TM模以相同的速度传播，而在弯曲部分，TE模和TM模以很不相同的速度传播。此外，在耦合一对方形高折射率对比度(HIC)波导时，TE模和TM模往往以不同的速度耦合。由于大多数集成光学元件对于传播速度和波导-波导耦合是灵敏的，这些效应导致偏振有关的性能，这是一个与远程通信应用中从标准单模光纤射出随机偏振态不相容的结果。
补偿这些效应的一种方法是，利用矩形波导结构并改变波导的纵横比以补偿围绕锐角传播的自然差别和/或均衡波导-波导耦合。然而，虽然按照这种方法可以对特定器件补偿这些效应中的某个效应，但随着折射率对比度的增大，就很难或不可能同时补偿芯片上所有的器件。
克服HIC集成光路中偏振灵敏度的另一种方法是，利用偏振光分束器(PBS)分割从单模(SM)光纤中射出的随机输入偏振光，耦合输出光到保偏(PM)光纤，扭曲这些PM光纤中的一条光纤90°，和耦合两条光纤到集成光路芯片上的分开路径。在这些路径中的每条路径上，相同的结构用于独立地处理两个分量。在输出端，通过耦合到另一对PM光纤，扭曲以前没有扭曲的路径上PM光纤，和耦合这两条光纤到有SM光纤输出端的另一个PBS，使这些分量被重新组合。这种方法通常称之为“偏振分集”方案，虽然这种方法在体光学元件上是可行的，但它是麻烦的。对准PM光纤是困难和昂贵的。此外，为了保留信号的完整性，路径长度必须匹配到至少1/10的位长内(即，假设折射率为1.5，则对于10Gb/s信号约为2mm，对于40Gb/s信号约为0.5mm)。
较好的一种方法是，集成PBS的分束功能和扭曲PM光纤的旋转功能到集成光学芯片上。这样做可以免除对准PM光纤的需要，且利用光刻法可以容易地匹配光程长。
人们已提出几种集成光学偏振光分束器和旋转器(或转换器)。然而，至今提出的大多数器件依靠一对波导模的耦合。基于耦合模的器件一般具有波长灵敏度，这是波导结构中传播的超模色散差造成的。此外，这种方法对于加工误差非常灵敏。即使波导几何结构或间隔有微小的变化，它对器件性能产生重大的影响。
一种制成偏振光分束器或旋转器的较好方法是利用模式演变原理。通过对波导几何结构作逐渐(或绝热)变化，可以调节波导中的模式以及分开或旋转偏振态。这种方法仅要求模式之间不交换功率，通过正确设计波导和结构的缓慢演变可以确保不交换功率。由于防止模式耦合是相对宽松的要求，基于模式演变的器件往往是波长不灵敏的并允许加工误差。人们已提出和演示可以制成基于模式演变的偏振光分束器，然而，这种方法的缺点是需要多种波导材料，此外，至今还没有建议利用模式演变原理的偏振转换器。
一般地说，本发明的一个目的是利用基于模式演变或空间结构螺旋特性(slructuralchirality)的集成光学器件把TM输入偏振光转换成TE输出偏振光或相反的过程。
本发明的另一个目的是，这种器件是波长不灵敏的，容许加工误差，以及仅要求构造单种材料系统。
根据以下的详细描述和附图，本发明的这些和其他目的对于本领域专业人员是显而易见的。

发明内容
按照本发明的一个特征，提供一种集成光学偏振转换器。集成光学偏振转换器包括多个芯层，用于模拟逐渐扭曲的波导，且其中从初始偏振态绝热变换传播模式到不同的最终偏振态。
按照本发明的另一个特征，提供一种形成集成光学偏振转换器的方法。该方法包括接收初始偏振态。此外，该方法包括形成多个芯层，用于模拟逐渐扭曲的波导，且其中从初始偏振态绝热变换传播模式到不同的最终偏振态。


图1是扭曲波导的示意图；图2是利用三个绝热变细芯层的偏振转换器示意图；图3A-3B是在本发明波导中传播的基模电场灰阶图像；图4是具体实施图2中器件的性能作为该器件长度的函数曲线图；图5是具体实施图2中器件的性能作为电磁场波长的函数曲线图；图6是利用三个绝热变细和分开芯层的偏振转换器示意图；图7是利用绝热变细中层和绝热分开上、下芯层的偏振转换器示意图；图8是具体实施图7中器件的性能作为该器件长度的函数曲线图；图9是具体实施图7中器件的性能作为电磁场波长的函数曲线图；
图10是仅利用绝热变细和分开的两个芯层的偏振转换器示意图；图11是具体实施图10中器件的性能作为该器件长度的函数曲线图；和图12是具体实施图10中器件的性能作为电磁场波长的函数曲线图。
具体实施例方式
一般矩形介质波导的模式结构是由最小两个导向电磁模，即，TE(或准TE)模和TM(或准TM)模，和非导向(或辐射)电磁模的无限和构成。若矩形波导旋转90°，则它的模式结构也类似地旋转，其中TE模变成TM模，而TM模变成TE模。所以，矩形波导与它的旋转波导之间平滑过渡通过模式演变应能实现偏振转换。然而，对初始结构的一些扰动可以诱发模式之间的耦合。为了使模式演变方法有效，必须禁止模式之间的功率交换。
一种使矩形波导与它的旋转波导之间过渡的方法是扭曲它的初始结构。图1是绝热扭曲介质波导100的示意图，它有输入端102和输出端104。扭曲波导100的作用是对矩形波导模式结构的扰动，从而诱发各个导模之间和导模与辐射模之间的耦合。由于导模与辐射模之间的耦合要求强烈的扰动，与辐射模的耦合在慢演变结构中通常是可以忽略的。然而，导模之间的耦合仍保持重要的影响。
若图1中的波导100是方形，则导模是退化的，所以它们是以相同的速度传播。扭曲诱发的场耦合沿结构长度的方向相干叠加，且各个模式之间的功率交换是显著的。这是多余的结果，因为扭曲波导100的作用是基于模式演变原理而不是模式耦合。为了防止耦合，利用有很大纵横比的矩形波导，因此，导模以不同的速度传播。在这种情况下，沿结构长度的方向，从一个模式到另一个模式耦合的功率是非相干叠加，只要该结构足够长可以使模式发生移相。当折射率对比度，纵横比，和过渡长度增大时，非相干度也增大，且可以使沿结构长度方向累积的功率交换任意地低。仅在过渡长度变得太短或波导纵横比太小而不能发生移相的情况下，其性能偏离理想的状态。
图1中的结构100是波导完全扭曲的理想结构。然而，在实际的器件中，所有这种几何结构应当利用微加工技术制成，它通常要求利用分层过程制成这种结构，其特征是通过光刻法确定。所以，理想的是利用有限层数模拟这种扭曲的波导。此处，层定义为通过波导横截面的水平薄片，它沿垂直方向没有折射率变化。
光波导通常是由不同折射率的介质材料制成。一般地说，有较高折射率的材料用作芯层材料，而有较低折射率的材料用作包层材料。具体地说，包层材料定义为层内有最低折射率的材料。所以，该层内所有其他的材料是芯层材料。芯层定义为包含芯材料的层。
作为偏振转换器结构的基本要求是相当宽松的，其主要的要求是保留空间结构螺旋特性，或电磁场方向的扭曲。以下描述几种可能的几何结构。
图2是利用三个芯层4，6和8的集成光学偏振转换器2示意图，这三个芯层的高度分别是h1，h2和h3，用于模拟扭曲的波导并从垂直对准的矩形波导结构转变成水平对准的矩形波导结构。在描述的实施例中，芯层4，6和8中每层在输出端的宽度为w1。在结构2的输出端，波导的宽度为w2，它近似地相当于高度h1，h2和h3之和。输出端的高度是中层的高度h2。然而，该结构的几何形状可以随应用的要求而不同。
折射率低于芯层的包层通常是围绕芯层安排以形成光限制。
从上芯层4和下芯层8中去除材料并添加材料到中芯层6以实现过渡，可以模拟波导轴的旋转。
图3A-3B是本发明波导中传播的基模场灰阶图像。图3A表示开始结构10，中间结构12和终止结构14的基模电场分布中 分量的灰阶图像。图3B表示开始结构16，中间结构18和终止结构20的基模电场分布中 分量的灰阶图像。
根据模式分布可以看出，该模式最初是沿 方向偏振，而中点是沿结构方向，模场分量是略微均匀分割，而在结构的终端，该模式主要是沿 方向偏振。耦合局部模理论指出，这些结构之间的绝热过渡能使最初波导中的 偏振态模式转换到最终波导2中的 偏振态。由于一次模式和二次模式都变换，反之亦然。即，初始波导中的 偏振态通常变换成最终波导中的 偏振态。此外，互易性原理确保器件可以相反运行。即，从结构终端开始的 偏振态和 偏振态分别绝热变换成该结构首端的 偏振态和 偏振态。
图4是展示具体实施图2中转换器的性能作为结构长度的函数曲线图。在这个实施例中，h1＝h2＝h3＝w1＝0.25μm，w2＝0.75μm，芯层折射率为2.2，和包层折射率为1.445，而过渡沿传播方向 是线性的，然而，在其他的实施例中，这些参数可以不同，且可以利用非线性过渡。三维模式散射公式用于完成模拟，而所考虑的波长是1.55μm。在只要求每个波导横截面少量模式代表系统情况下，模式散射模拟是特别准确的建模工具。由于辐射模式基本不影响基于模式演变的方法进行，模式散射模拟非常适合于这些问题。此外，给出的结果得到确认，在几个器件长度下有完全的三维有限差分时域(FDTD)模拟。FDTD方法是完全数字实施Maxwell方程。图4中给出的模式散射模拟结果说明，等于或大于99％的功率成功地从TM偏振转移到TE偏振，其中变细长度仅仅是几百微米。假设波导是纯扭曲，我们发现，在变细长度太短时，因此，扰动太强而不能发生模式移相，导模交换功率和器件性能退化，使功率留在TM偏振态。
图5是该器件长度设定为200μm时图4中具体实施例的宽带性能曲线图。此处，三维模式散射公式用于完成模拟。图5说明在1.45μm至1.65μm的整个范围内没有可分辨的波长灵敏度，这是一个适合于远程通信的波长范围。该方法的宽带性能符合运行的基本理论。由于我们的目标是从一个模式状态过渡到另一个模式状态时没有引入模式之间的耦合，带宽受限仅仅是各个模式之间耦合增大一个波长。在较短波长下，出现附加的模式可以促使这种耦合，而在较长波长下，各个模式变得密切相位匹配，从而减小禁止模式之间耦合的主要效应，在任何的情况下，要使这些现象生效，就要求波长有大的变化。这是与基于耦合模的方法形成对照，耦合模遭受与超模色散差相关的固有带宽限制。
基本结构的许多变化是可能的。几何结构和折射率可以不同于上述的具体实施例。
图6是另一个实施例的本发明偏振转换器24示意图。加工限制可能妨碍上层26和下层28平滑地达到无限小宽度。所以，有利是是考虑这样的结构，其中最后的过渡是借助于上层26和下层28与中层30分开，如图6所示。这导致近似地相当绝热过渡到最终的输出波导。
结构24是这样设计的，上层26，中层30和下层28的最初高度分别为h1，h2和h3。此外，上层26，中层30和下层28中每层在输入端的宽度为w1。请注意，在结构24的输出端，宽度为w2，它大致相当于高度h1，h2与h3之和。在输出端的高度是中层的高度h2。
折射率低于芯层的包层通常是围绕芯层安排以形成光限制。
图7是类似于图6中性质的另一个实施例本发明偏振转换器32示意图。然而，此处的上层34和下层38实际不是变细，而是逐渐地与中层36分开。按照这种方式，最小特征尺寸可以做得更大些，从而进一步便于加工。上层34与中层36之间在输出端分开的距离为s，和中层36与下层38之间在输出端分开的距离为s。
结构32是这样设计的，上层34，中层36和下层38的最初高度分别为h1，h2和h3。此外，上层34，中层36和下层38中每层的宽度为w1。请注意，在结构32的输出端，宽度为w2，它大致相当于高度h1，h2与h3之和。在输出端的高度是中层的高度h2。
折射率低于芯层的包层通常是围绕芯层安排以形成光限制。
图8是图7中具体实施例偏振转换器性能作为结构长度的函数曲线图。在这个实施例中，按照如下设定参数h1＝h2＝h3＝0.25μm，w1＝0.25μm，w2＝0.75μm，s＝0.125μm以及芯层和包层的折射率分别是2.2和1.445。在其他的实施例中，这些参数可以不同。同样地，三维模式散射公式用于完成模拟，而所考虑的波长是1.55μm。利用仅为几百微米的器件长度，可以得到类似于最初实施例的性能。
图9是结构长度设定为100μm时图7中具体实施例的宽带性能曲线图。此处，三维模式散射公式也用于完成模拟。图9说明在1.45μm至1.65μm的整个范围内没有可分辨的波长灵敏度。
虽然三层是器件具有对称性所要求的最小数目，但任何上述方法也可应用于仅有两个芯层构成的器件。图10是仅利用两个芯层42和44的偏振转换器40示意图。在这个实施例中，上层42和下层44是各自变细和变粗和同时分开的。
偏振转换器40是这样设计的，上层42和下层44的最初高度分别为h1和h2。此外，上层42和下层44中每层在输入端的宽度为w1。在输出端，上层42的宽度为w3。请注意，在螺旋形波导结构40的输出端，宽度为w2，它大致相当于高度h1与h2之和。输出端的高度是下层的高度h2。器件的性能并不受这两层顺序的影响(即，不管哪层在顶部)。
折射率低于芯层的包层通常是围绕芯层安排以形成光限制。
图11是图10中具体实施例结构性能作为该结构长度的函数曲线图。在这个实施例中，按照如下设定参数h1＝h2＝0.4μm，w1＝0.4μm，w2＝0.8μm，w3＝0.25μm，s＝0.25μm，以及芯层和包层的折射率分别是2.2和1.445。在其他的实施例中，这些参数可以不同。同样地，三维模式散射公式用于完成模拟，而所考虑的波长是1.55μm。尽管两层实施例的非对称性是固有的，但对于长度仅为几百微米的结构，该结构在从TM偏振转移99％以上的功率到TE偏振时完成得相当好。
图12是用于图11中模拟的100μm长实施方案的宽带性能曲线图。同样地，三维模式散射公式用于完成模拟。图12说明在1.45μm至1.65μm的整个范围内没有可分辨的波长灵敏度。
虽然本发明的展示和描述是参照几个优选实施例，但在不偏离本发明范围的条件下，可以对其形式和细节作各种变化，省略和添加。
权利要求
1.一种集成光学偏振转换器，包括多个芯层，用于模拟逐渐扭曲的波导，且其中从初始偏振态绝热变换传播模式到不同的最终偏振态。
2.按照权利要求1的偏振转换器，其中至少一个所述芯层是沿偏振转换器长度方向线性地变细。
3.按照权利要求1的偏振转换器，其中至少一个所述芯层是沿偏振转换器长度方向非线性地变细。
4.按照权利要求1的偏振转换器，其中所述多个芯层包括两个芯层。
5.按照权利要求1的偏振转换器，其中所述多个芯层包括三个芯层。
6.按照权利要求1的偏振转换器，其中相当数目的所述芯层是沿偏振转换器长度方向保持恒定。
7.按照权利要求1的偏振转换器，其中所述芯层是沿偏振转换器长度方向横向分开。
8.一种利用集成光学偏振转换器的方法，所述方法包括接收初始偏振态；和形成多个芯层，用于模拟逐渐扭曲的波导，且其中从所述初始偏振态绝热变换传播模式到不同的最终偏振态。
9.按照权利要求8的方法，其中至少一个所述芯层是沿偏振转换器长度方向线性地变细。
10.按照权利要求8的方法，其中至少一个所述芯层是沿偏振转换器长度方向非线性地变细。
11.按照权利要求8的方法，其中所述多个芯层包括两个芯层。
12.按照权利要求8的方法，其中所述多个芯层包括三个芯层。
13.按照权利要求8的方法，其中相当数目的所述芯层是沿转换器长度方向保持恒定。
14.按照权利要求8的方法，其中所述芯层是沿偏振转换器长度方向横向分开。
全文摘要
一种集成光学偏振转换器，包括多个芯层，用于模拟逐渐扭曲的波导，且其中从初始偏振态绝热变换传播模式到不同的最终偏振态。
文档编号G02F1/01GK1708718SQ200380102345
公开日2005年12月14日 申请日期2003年10月30日 优先权日2002年10月30日
发明者迈克尔·R·沃茨, 赫曼·A·豪斯, 马泰奥·凯尔基 申请人:麻省理工学院, 皮雷利＆C·有限公司