波导偏振分离和偏振转换器的制作方法

本发明涉及通信设备领域，尤其涉及一种波导偏振分离和偏振转换器。

背景技术：

随着互联网的发展，特别是云计算、云存储、移动互联网的兴起，对于通信网络的传输速率和通信质量提出了更高的要求，现有的电交换由于背板、能耗等技术的限制已经不能满足交换容量持续增长的需求。全光交换具有低能耗，大容量等优点，是未来宽带通信的发展方向。

光子集成芯片，尤其是硅光芯片具有高带宽、低功耗、与现有的CMOS工艺兼容的优点，是未来全光交换的发展方向和关键技术。由于硅光芯片的波导尺寸限制和双折射效应等原因，硅光芯片中TE模(Transverse Electric Wave横电波，沿着电磁波传播方向上无电场分量)和TM模(Transverse magnetic Wave 横磁波，沿着电磁波传播方向上无磁场分量)的有效折射率不同，导致TE模和 TM模的在波导中的传输速度和传输特性不同，因此大多数的硅光器件对于偏振是敏感的，即只能用于TE或TM中的一种模式。

目前主流的消除偏振的影响的方法是实行偏振差异技术(Polarization diversity technology)，即利用偏振分束器(Polarization Beam Splitter)将波导中的TE模和TM模分离后再分别处理。由于TE模的性能优于TM模，较为倾向的方案是利用偏振转换器(Polarization Rotator)将分离后的TM模转换为TE模再进行处理，处理后的信号再利用偏振转换器重新转换为TM模。为了提高消光比和转换效果，实际中的偏振分束器和偏振转换器经常需要同时使用，现有的器件大多只能实现偏振分离或偏振转换的单一功能，需要级联使用，增加了插损和器件长度。

图1是一种能够实现偏振分离和偏振转换的器件，整个器件基于SOI (Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)结构，波导的覆盖层是氮化硅(Si3N4)。器件由多段宽度渐变的锥形波导101和一个不对称定向耦合器102组成。锥形波导101在输入端(宽度为w0)是单模波导，在输出端(宽度为w3)是多模波导。当TM光通过锥形波导101时，TM0模式会转化为TE1模式，转化后的TE1模式通过不对称定向耦合器102耦合到宽度为w4的波导中，耦合后的模式转化为TE模式，经过弯曲波导103(Sbend)由上端口出射。另一方面，入射的TE光经过锥形波导101不发生变化，经过不对称定向耦合器102时，由于其有效折射率与宽度为w4的波导中任何模式均不相同，不发生耦合，由下端口出射，实现了偏振的分离和转换。

然而，由于TM0模式到TE1模式的转化，和TE1模式到TE0模式的耦合都对波导的长度敏感，导致器件对工艺误差的容忍下降；且经过锥形波导101后未转化的TM0模式和未完全耦合到波导w4中的TE1模式将残留在波导中随TE0 一起从下端口输出，导致器件的消光比降低；此外，由于使用了多段锥形波导，增加了器件整体的插损和制造的难度。

图2是另一种能够同时实现偏振分离和偏振转换的器件，整个器件由绝热锥形波导104、Y分束器105、一个π/2相移部分106以及一个MMI107(Multimode Interference)组成。

当TE和TM模式的光进入该芯片时：对于TM0模式的光，锥形波导104将 TM0模式转变为TE1模式，然后该TE1模式的光分成两路：一路光通过含有π/2 相移部分106的波导，其相位发生变化；然后和另一路没有经过处理的光一起输入到一个MMI107中，两束光在MMI107中干涉成像，最终在下端波导输出 TE0模。而对于TE0模式的光，通过锥形波导104不发生变化，依然输出TE0模式的光，经Y分束器105分成两路：一路光通过含有π/2相移部分106的波导，其相位发生变化；然后和另一路没有经过处理的光一起输入到一个MMI107中，两束光在MMI107中干涉成像，最终在上端波导输出TE0模。由此，实现了TE/TM 模偏振分束和TM模到TE模式偏振转换的过程。

然而，这种器件的结构十分复杂，使用了多段锥形波导104、Y分束器105、有π/2相移部分106等结构，导致器件的制造难度较大，且器件的插损很大。

技术实现要素：

本发明提供一种可减少插损、制造简单的波导偏振分离和偏振转换器。

第一方面，提供一种波导偏振分离和偏振转换器，包括：输入波导，包括用于输入光信号的输入直波导；转换波导，包括第一转换直波导、第二转换直波导，以及连接所述第一转换直波导和所述第二转换直波导的锥形波导；所述第一转换直波导与所述输入直波导相邻设置，并与所述输入直波导耦合，完成第一偏振模式的分离和转换；以及输出波导，包括用于输出光信号的输出直波导，所述输出直波导与所述第二转换直波导相邻设置，并与所述第二转换直波导耦合，完成第二偏振模式的分离和转换。

在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述第一转换直波导中TE1模的有效折射率和所述输入直波导中TM0模的有效折射率相同；所述第二转换直波导中TE1的模有效折射率和所述输出波导中TE0模的有效折射率相同。

在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述输入直波导的宽度为第一宽度，所述第一转换直波导的宽度为第二宽度；所述第一宽度及第二宽度使得所述第一转换直波导中TE1模有效折射率和所述输入直波导中TM0模有效折射率相同；所述输出直波导的宽度为第一宽度，所述第二转换直波导的宽度为第三宽度，所述第三宽度及第一宽度使得所述第二转换直波导中TE1模有效折射率和所述输出波导中TE0模有效折射率相同。

在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述输入波导及所述输出波导位于所述转换波导的同一侧。

在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述输入波导及所述输出波导分别位于所述转换波导的两侧。

在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述输入波导还包括与所述输入直波导相连接的弯曲波导，所述弯曲波导用于将所述输入直波导与所述第一转换直波导之间的耦合分开。

在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述弯曲波导为圆波导或者S形波导。

在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述输入波导、转换波导以及输出波导的材料为硅、氮化硅、聚合物或者半导体材料。

在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述输入波导、转换波导以及输出波导的覆盖层的折射率与衬底不同。

在第一方面的第九种可能的实现方式中，所述输入直波导、第一转换直波导、第二转换直波导，以及输出直波导中至少添加一个电极；所述电极用于改变所在波导的有效折射率。

在第一方面的第十种可能的实现方式中，所述电极作为偏振选择开关。

根据各种实施方式提供的波导偏振分离和偏振转换器，可同时实现偏振分离和偏振转换的功能，结构简单，性能稳定，其插损较小，整体长度短，有利于高密集度的单片集成；相较于其他偏振转换器件，其结构简单，加工制备方法与CMOS工艺兼容，且对于波导的尺度兼容性高，容易实现与其他器件、系统集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有的一种能够实现偏振分离和偏振转换的器件的结构图；

图2是现有的另一种能够实现偏振分离和偏振转换的器件的结构图；

图3是本发明实施方式一的波导偏振分离和偏振转换器的结构图；

图4是本发明实施方式中波导有效折射率和波导宽度的关系图；

图5是本发明实施方式中，TM0和TE1模在第一转换直波导和输入直波导的中的模场分步图；

图6是本发明实施方式中，宽度为w0和w1的相邻波导中的混合模式示意图；

图7是本发明实施方式中，TM0模与TE1模之间的转换关系；

图8是本发明实施方式中，波导w0中的TE0模和波导w2中的TE1模的转换示意图；

图9是本发明实施方式中，TE0、TM0模分离并转化TM0模为TE0模的转换示意图；

图10是本发明实施方式二的波导偏振分离和偏振转换器的结构图；

图11是本发明实施方式三的波导偏振分离和偏振转换器的结构图；

图12是本发明实施方式四的波导偏振分离和偏振转换器的结构图；

图13是本发明实施方式五的波导偏振分离和偏振转换器的结构图。

图14是本发明实施方式四和五的波导偏振分离和偏振转换器在作为偏振转换器使用时，从输入端输入信号的模式转换示意图。

图15是本发明实施方式四和五的波导偏振分离和偏振转换器在作为偏振转换器使用时，从输出端输入信号，进行可逆转换的示意图。

图16是本发明实施方式六的波导偏振分离和偏振转换器的结构图。

图17是本发明实施方式七的波导偏振分离和偏振转换器的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先介绍本发明应用到的一个重要原理：当两条相邻设置的光波导满足针对传播模式的有效折射率相同时，就可以发生能量耦合和模式的转换。有效折射率(effective refractive index)是表征光波导的重要参数，其与波导的尺寸和波导材料的折射率有关，在波导尺寸和材料确定的情况下，波导的有效折射率也将确定。此外，有效折射率还与传输的光信号的模式有关，同一波导传输的不同模式时，其有效折射率各不相同，具体的有效折射率的数值可以借助仿真软件进行计算。

本发明实施方式提供的波导偏振分离和偏振转换器，包括输入波导、转换波导和输出波导，其利用上述原理，在信号输入侧，使输入波导和转换波导的输入端的有效折射率相同，则相邻设置的输入波导和转换波导之间耦合完成第一偏振模式的分离和转换；在信号输出侧，使相邻设置的输出波导和转换波导输出端的有效折射率相同，相邻设置的输出波导和转换波导之间的耦合完成第二偏振模式的分离和转换；从而，信号输入侧输入的TE、TM混合输入光信号，经过在输入波导与转换波导之间发生的能量耦合和模式的转换，以及转换波导与输出波导之间发生的能量耦合和模式的转换，实现对TE、TM混合输入光信号的分离，并将分离后的TM光转换为TE光进行输出。

请参见图3，本发明实施方式一的波导偏振分离和偏振转换器10，包括输入波导11、转换波导12，及输出波导13。输入波导11、转换波导12，及输出波导13设置于硅基板上。

所述输入波导11包括：用于输入光信号的输入直波导112，以及与输入直波导112相连接的弯曲波导113。

所述转换波导12，包括第一转换直波导121、第二转换直波导123，以及连接第一转换直波导121和第二转换直波导123的锥形波导125；第一转换直波导 121位于转换波导12的输入端，与输入直波导112相邻设置，并与输入直波导 121耦合，完成第一偏振模式的分离和转换。第二转换直波导123位于转换波导 12的输出端。

所述输出波导13，包括用于输出光信号的输出直波导131，输出直波导131 与第二转换直波导123相邻设置，并与第二转换直波导123耦合，完成第二偏振模式的分离和转换。

所述输入直波导112和第一转换直波导121沿同一方向延伸，且在该延伸方向的垂线上相邻设置并具有一预设间隔；第二转换直波导123与第一转换直波导121同轴向延伸；第二转换直波导123与输出直波导131沿同一方向延伸，且在该延伸方向的垂线上相邻设置并具有一预设间隔。

所述输入波导11可输入TE/TM混合模式的光信号，第一转换直波导121对于TE1模的有效折射率和输入直波导112对于TM0模的有效折射率相同。第二转换直波导123对于TE1模的有效折射率和输出直波导131对于TE0模的有效折射率相同。根据前述的相邻波导之间发生能量耦合和模式转换的条件，输入直波导112和第一转换直波导121耦合，完成第一偏振模式的分离和转换；第二转换直波导123和输出直波导131耦合，完成第二偏振模式的分离和转换。弯曲波导113用于将输入直波导112与第一转换直波导121之间的耦合分开。

所述第一转换直波导121、第二转换直波导123，以及输出直波导131在选择合适的宽度(waveguide width)时，第一转换直波导121对于TE1模的有效折射率和输入直波导112对于TM0模的有效折射率相同，第二转换直波导123对于TE1模的有效折射率和输出直波导131对于TE0模的有效折射率相同。

具体而言，所述输入直波导112的宽度为第一宽度w0，第一转换直波导121 的宽度为第二宽度w1，第二转换直波导123的宽度为第三宽度为w2，输出直波导131的宽度为第一宽度w0。

请参见图4，所示为波导的有效折射率与波导宽度之间的关系图，从图4中可以看出，对于宽度为w0的标准波导，只要选择合适的波导宽度w1，使其满足：

βtm0(w0)＝βte1(w1)；

即，宽度为w0的波导对于TM0模的有效折射率与宽度为w1的波导对于 TE1模的有效折射率相同，即可以完成能量耦合和模式转换。例如，在图4中所示的，选择合适的w0和w1，可以完成从TM0到TE1模式的转换。

请参见图5，所示为宽度为w0的波导中TM0模和宽度为w1的波导中TE1 模的模场分布图，在相邻设置、宽度分别为w0和w1的两条波导中，分别存在两个TM0模与TE1模的混合模式，混合模式如图6所示。

请参见图6，由于这两个混合TM0模与TE1模的存在，宽度为w0的波导中的TM0模与宽度为w1的波导中的TE1模发生转换，即，在本实施方式中，输入直波导112与第一转换直波导121发生耦合后，TM0模转换为TE1模，其转换效率如图7所示，大约为90％～95％，输入直波导112与第一转换直波导121 的耦合长度约为几十微米，具体数值与波导宽度、波导材料等参数有关，根据实际需要进行设定。

在TM0模转换为TE1模时，由于宽度为w0的波导对于TE0模式的有效折射率与宽度为w1的波导对于任何一个模式的折射率都不相同，因此，输入直波导112与第一转换直波导121耦合时，TE0模式不发生耦合。这样，通过将输入直波导112的宽度w0，以及第一转换直波导121的宽度w1选择合适的值，可以将输入直波导112输入的包含TM/TE模的混合模式中的TM0模分离并耦合到第一转换直波导121，转换为TE1模。

所述锥形波导125连接第一转换直波导121和第二转换直波导123，起到过渡的作用。通过锥形波导125的连接，波导宽度发生改变，波导中光信号的模式不发生变化，能量几乎没有损耗。在本实施方式中，锥形波导125为绝热锥形波导，其入口宽度为w1、出口宽度为w2，宽度逐渐增加。经过锥形波导125 后，第一转换直波导121中的光信号经过锥形波导125后，光信号的模式不发生改变，仍然为TE1模。

与输入直波导112及第一转换直波导121之间的模式转换的原理相似，通过对第二转换直波导123的宽度w2，输出直波导131的宽度w0选择合适的值，使其满足条件：

βte0(w0)＝βte1(w2)；

即，宽度为w2的波导对于TE1模的有效折射率与宽度为w0的波导对于TE0 模的有效折射率相同，即可以完成能量耦合和模式转换。例如，在图4中所示的，选择合适的w0和w1，可以完成从TE1到TE0模式的转换。

在这种情况下，宽度为w2的波导中的TE1模与宽度为w1的波导中的TE0 模发生转换，即，在本实施方式中，第二转换直波导123与输出直波导131发生耦合后，TE1模转换为TE0模，TE0模的光信号通过输出直波导131进行输出。如图8所示，TE1模转换为TE0的转换效率大于95％，耦合长度约为几十微米，具体数值与波导宽度、材料等参数有关。宽度为w0的输出直波导131中TM0 模的有效折射率与宽度为w2的第二转换直波导123中任何一个模式都不相同，因此TM0模式不发生耦合。

请参见图9，所示为本发明实施方式的波导偏振分离和偏振转换器10中，能量耦合和模式转换的过程示意图。

输入直波导112输入TE0/TM0混合模式的光信号，经过输入直波导112与第一转换直波导121之间的耦合和模式转换后，TM0模从输入光信号中分离出来，并转换成TE1模耦合至第一转换直波导121中。

在完成耦合后，输入直波导112中的光信号传输至弯曲波导113，TE0模通过弯曲波导输出，由于TM0模式在弯曲波导中的损耗大于TE0模式，因此通过增大弯曲波导113的弯曲程度可以减小残留的TM0模，达到提高消光比的目的。

锥形波导125中光信号的模式不发生变化，即第一转换直波导121和第二转换直波导123均为TE1模。

第二转换直波导123中的TE1模式的光信号，在经过输出直波导131与第二转换直波导123之间的耦合和模式转换后，TE1模转换成TE0模，耦合至输出直波导131中进行输出。

本发明实施方式的波导偏振分离和偏振转换器10，其各波导由高折射率的材料组成，例如：硅、氮化硅、聚合物、半导体材料，衬底可选择二氧化硅，覆盖层材料与衬底材料不同，例如可以是空气或者其他折射率低的材料，这样可以加强模式间的耦合和转换。

本发明实施方式的波导偏振分离和偏振转换器10，可同时实现偏振分离和偏振转换的功能，结构简单，性能稳定。

本发明实施方式的波导偏振分离和偏振转换器10，其插损(插入损耗，表示一种光能量在透射插入器件后的出射光强与入射光强的比值)较小，插损值在0.5dB-1dB之间，转换效率高；整体长度短，可以<50um，有利于高密集度的单片集成；同时对波长敏感度低，能满足在整个C-band(C波段)使用。

本发明实施方式的波导偏振分离和偏振转换器10，相较于其他偏振转换器件，其结构简单，加工制备方法与CMOS工艺兼容，且对于波导的尺度兼容性高，容易实现与其他器件、系统集成。

请参见图10，本发明实施方式二的波导偏振分离和偏振转换器，其与实施方式一相似，包括输入波导21、转换波导22，及输出波导23。所述输入波导 21及所述输出波导23分别设置于所述转换波导22的两侧。

所述输入波导21包括：用于输入光信号的输入直波导212，以及与所述输入直波导212相连接的弯曲波导213。与实施方式一的区别在于，所述弯曲波导 213为圆形波导。

当然，弯曲波导213的形状也不限于实施方式一的S形波导以及实施方式二的圆形，还可以是其他形状，这样，在与其他器件连接时，可以根据实际的需要选择合适形状，可有效利用空间，在与其他器件连接时更具有灵活性。

请参见图11，本发明实施方式三的波导偏振分离和偏振转换器，其与实施方式二相似，不同之处，所述输入波导21及所述输出波导23分别设置于所述转换波导22的同一侧。这样，在与其他器件连接时，可以根据实际的需要选择合适的布置方式，有效利用空间，在与其他器件连接时更具有灵活性。

请参见图12，本发明实施方式四的波导偏振分离和偏振转换器作为偏振转换器使用，与实施方式一相似，实施方式四的波导偏振分离和偏振转换器包括输入波导41、转换波导42，及输出波导43。其区别在于，所述输入波导41包括仅包括用于输入光信号的输入直波导412。转换波导42包括第一转换直波导 421，第二转换直波导423，以及连接所述第一转换直波导421和所述第二转换直波导423的锥形波导425。所述输入波导41及所述输出波导43分别设置于所述转换波导42的两侧。

与实施方式一详述的能量耦合和模式转换原理相同，输入直波导412与转换波导42的第一转换直波导421耦合后，输入的TM0模转换成TE1模耦合至转换波导42。转换波导42的第二转换直波导423与输出波导43耦合后，转换波导42中的TE1转换成TE0模耦合至输出波导43。

所述输入直波导412的宽度w0、第一转换直波导的宽度w1、第二转换直波导的宽度w2，以及输出波导43的宽度w0的数值的选择与实施方式一相同。

请参见图13，本发明实施方式五的波导偏振分离和偏振转换器，与实施方式四相似，其区别在于，所述输入波导41及所述输出波导43设置于所述转换波导42的同一侧。

请参见图14和图15，本发明实施方式四和实施方式五的波导偏振分离和偏振转换器在作为偏振转换器使用时，具有可逆性，即光信号也可以从输出波导 43端输入，依次经过输出波导43与转换波导42之间的耦合和模式转换，以及转换波导42与输入波导41之间的耦合和模式转换后，从输入波导41端进行输出。

具体的，当输出波导43输入TE0模的光信号时，经过输出波导43与转换波导42之间的耦合和转换，转换为TE1模；经过转换波导42与输入直波导412 之间的耦合和模式转换后，TE1转换为TM0模从输入波导41输出。

请参见图16及图17，本发明实施方式六的波导偏振分离和偏振转换器，其与实施方式一至三相似，包括输入波导61、转换波导62，及输出波导63。所述输入波导61包括：用于输入光信号的输入直波导612，以及与所述输入直波导 612相连接的弯曲波导613。所述转换波导62，包括第一转换直波导621、第二转换直波导623，以及连接所述第一转换直波导621和所述第二转换直波导623 的锥形波导625。输出波导63，包括用于输出光信号的输出直波导631。

与其与实施方式一至三的区别在于，本发明实施方式六的波导偏振分离和偏振转换器的波导中设置控制电极601，控制电极601的作用是改变波导的折射率，其形成的原理可以是热电极或者电流注入电极。通过控制控制电极601的电流，可以改变波导的折射率，达到微调波导中心波长的作用。

控制电极601可以设置于所述输入直波导61、第一转换直波导621、第二转换直波导623，以及输出直波导63中，控制电极数目可以是一个或多个。。

请参见图16，实施方式六中，控制电极601设置于输出直波导612及输出直波导631中。

请参见图17，实施方式七中，控制电极601设置于第一转换直波导621和第二转换直波导623中。

由于通过控制控制电极601的电流，可以改变波导的折射率，在一实施方式中，所述电极601作为偏振选择开关。即，通过改变控制电极601的电流大小，控制包括输入波导61与转换波导62，或者转换波导62与输出波导63之间是否进行能量耦合和模式转换。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。