一种相变材料辅助的可调片上偏振旋转器

本发明属于集成光子器件的，更具体地，涉及一种相变材料辅助的可调片上偏振旋转器。

背景技术：

1、在光集成器件中，偏振旋转器是一种可以改变光波偏振方向的重要器件，偏振旋转器件的工作方式主要是将偏振态(te/tm)旋转为另一种完全正交的偏振态(tm/te)。在光通信领域中，偏振旋转器可以用于调整和控制光信号的偏振状态，以确保信号的稳定传输。近些年人们开始研究有源偏振旋转器，通过控制有源区条件来实现该器件的可调偏振转化功能。最常被采用的是mzi结构，该结构通常包含一段片上相位调制区域，通过引入片上相位调制并配合其他结构进而实现可调偏振转换的功能。

2、目前对于片上相位调制有很多手段，其中，根据调解原理可分为热调、电调、自由与载流子色散效应等。但这些方式都存在对材料本身折射率改变量小(δn＜0.001)、器件有源区尺寸大(尺寸大于100μm)和器件能耗高等问题。随着近些年的研究，人们逐渐发现了许多光学性能优良的相变材料，并开始使用这些相变材料来辅助制作性能更加优良的相位调制器。光学相变材料在晶态与非晶态两种状态下光学折射率差值较大(δn＞＞0.1)、器件有源区尺寸小(几微米至几十微米)和器件能耗低等优良特性。

3、现阶段的偏振旋转器主流原理有模式演化和模式耦合。现有的文献报道中，应用模式演化原理制作的偏振旋转器插入损耗在1db左右，带宽为100nm，尺寸150nm，部分波段偏振消光比为20db。目前基于以上原理制成的偏振旋转器虽然有偏振消光比高等优点，但是它们依然不同程度存在带宽较短，尺寸较大，插入损耗较大等问题，也无法实现偏振旋转器的相位可调性等问题。

技术实现思路

1、针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，旨在解决现有技术中缺少偏转旋转可调的带宽大、尺寸小、损耗小的偏振旋转器设计方案。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，包括：依次设置在同一条波导上的第一模式偏转区域、移相区域和第二模式偏转区域；

3、所述第一模式偏转区域与第二模式偏转区域基于所述移相区域左右镜像对称设置，所述第一模式偏转区域和第二模式偏转区域用于改变经过光束的偏振状态；

4、所述移相区域搭载相变材料，所述移相区域用于通过改变所述相变材料的相变态来改变所述移相区域的相移量，从而改变光束在经过所述移相区域之后不同偏振态之间的相位差，以使不同相位差的光束在经过第二模式偏转区域时，产生不同的光束的模式转换结果。

5、可选的，所述移相区域的相变材料的相变态包括两种相变态。

6、可选的，当所述移相区域的相变材料处于第一相变态时，所述偏振旋转器处于“on”状态；若所述波导输入的光束为tm0模式光，所述第一模式偏转区域将部分tm0模式光转化为te0模式的偏振光；所述移相区域不改变tm0模式光和te0模式偏振光的相位差，偏振状态保持不变；所述第二模式偏转区域将tm0模式光和te0模式偏振光完全转化为te0模式的偏振光；

7、若所述波导输入的光束为te0模式光，所述第一模式偏转区域将部分te0模式光转化为tm0模式的偏振光；所述移相区域不改变te0模式光和tm0模式偏振光的相位差，偏振状态保持不变；所述第二模式偏转区域将te0模式光和tm0模式光完全转化为tm0模式的偏振光。

8、可选的，当所述移相区域的相变材料处于第二相变态时，所述偏振旋转器处于“off”状态；若所述波导输入的光束为tm0模式光，所述第一模式偏转区域将部分tm0模式光转化为te0模式的偏振光；所述移相区域改变tm0模式光和te0模式偏振光的相位差，偏振状态保持不变；所述第二模式偏转区域将tm0模式光和te0模式偏振光完全转化为tm0模式的偏振光；

9、若所述波导输入的光束为te0模式光，所述第一模式偏转区域将部分te0模式光转化为tm0模式的偏振光；所述移相区域改变te0模式光和tm0模式偏振光的相位差，偏振状态保持不变；所述第二模式偏转区域将tm0模式光和te0模式偏振光完全转化为te0模式的偏振光。

10、可选的，所述相变材料沉积的长度lpcm符合公式其中，δnpcm为偏振旋转器为“off”时，所述移相区域波导段的te0/tm0模式的有效折射率差值，λ为所述波导中传输的光信号波长，所述移相区域为嵌入有所述相变材料的混合波导段。

11、可选的，所述波导的材料为硅基、氮化硅、或铌酸锂；所述相变材料为sb2se3或sb2s3。

12、可选的，所述相变材料辅助的可调片上偏振旋转器的表面覆盖一层包层，包层用于保护波导结构。

13、可选的，所述第一模式偏转区域和第二模式偏转区域中包括为沿波导侧边设置的凹槽结构、斜切角结构、渐变波导结构或亚波长光栅结构中的一种。

14、可选的，所述移相区域包括在波导中心的一个填充了相变材料的凹槽和对应的波导段，或者，包括波导段上沉积一段相变材料和对应的波导段。

15、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

16、1、本发明实施例提供了一种相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，通过在波导的两个模式偏转区域中间设计移相区域，且在移相区域中嵌入相变材料，形成混合波导段，通过控制对相变材料进行加热改变相变材料的相变态，进而改变移相区的相位差，改变对te0和tm0的有效折射率差值，调控光信号在移相区域不同偏振态之间的相位差，从而改变第二模式偏转区域对模式的转换，实现对光信号模式的选择性偏转。采用嵌入相变材料辅助的光波导结构，相较于此前已有的结构显得较为简单，器件的整体尺寸有明显的减小，且制作工艺简单。

17、2、本发明实施例提供了一种相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，通过改变相变材料处于晶体状态还是非晶体状态，分别实现了对te0和tm0的选择性相互转换，示例性的，在晶体状态下，偏振旋转器将将tm0模式光转化为te0模式的偏振光，te0模式光转换为tm0模式的偏振光，在非晶体状态下，tm0模式光经过偏振旋转器依然为tm0模式的偏振光，te0模式光经过偏振旋转器依然为te0模式的偏振光，完成偏振旋转器的模式选择性转换。该偏振旋转器采用相变材料实现偏振可调，插入损耗低，带宽大的效果，在偏振消光比(per)大于20db条件下带宽大于100nm；在全光通信网络以及波分复用等方面具有极大的应用前景。

技术特征：

1.一种相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，其特征在于，包括：依次设置在同一条波导上的第一模式偏转区域、移相区域和第二模式偏转区域；

2.如权利要求1所述的相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，其特征在于，所述移相区域的相变材料的相变态包括两种相变态。

3.如权利要求2所述的相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，其特征在于，当所述移相区域的相变材料处于第一相变态时，所述偏振旋转器处于“on”状态；若所述波导输入的光束为tm0模式光，所述第一模式偏转区域将部分tm0模式光转化为te0模式的偏振光；所述移相区域不改变tm0模式光和te0模式偏振光的相位差，偏振状态保持不变；所述第二模式偏转区域将tm0模式光和te0模式偏振光完全转化为te0模式的偏振光；

4.如权利要求2所述的相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，其特征在于，当所述移相区域的相变材料处于第二相变态时，所述偏振旋转器处于“off”状态；若所述波导输入的光束为tm0模式光，所述第一模式偏转区域将部分tm0模式光转化为te0模式的偏振光；所述移相区域改变tm0模式光和te0模式偏振光的相位差，偏振状态保持不变；所述第二模式偏转区域将tm0模式光和te0模式偏振光完全转化为tm0模式的偏振光；

5.如权利要求1所述的相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，其特征在于，所述相变材料沉积的长度lpcm符合公式其中，δnpcm为偏振旋转器为“off”时，所述移相区域波导段的te0/tm0模式的有效折射率差值，λ为所述波导中传输的光信号波长，所述移相区域为嵌入有所述相变材料的混合波导段。

6.如权利要求1所述的相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，其特征在于，所述波导的材料为硅基、氮化硅、或铌酸锂；所述相变材料为sb2se3或sb2s3。

7.如权利要求1所述的相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，其特征在于，所述相变材料辅助的可调片上偏振旋转器的表面覆盖一层包层，包层用于保护波导结构。

8.如权利要求1所述的相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，其特征在于，所述第一模式偏转区域和第二模式偏转区域中包括沿波导侧边设置的凹槽结构、斜切角结构、渐变波导结构或亚波长光栅结构中的一种。

9.如权利要求1所述的相变材料辅助的可调片上偏振旋转器，其特征在于，所述移相区域包括在波导中心的一个填充了相变材料的凹槽和对应的波导段，或者，包括波导段上沉积一段相变材料和对应的波导段。

技术总结
本发明公开了一种相变材料辅助的可调片上偏振旋转器。偏振旋转器包括：依次设置在同一条波导上的第一模式偏转区域、移相区域和第二模式偏转区域；第一模式偏转区域与第二模式偏转区域基于移相区域左右镜像对称设置，第一模式偏转区域和第二模式偏转区域改变经过光束的偏振状态；移相区域搭载相变材料，移相区域通过改变相变材料的相变态来改变移相区域的相移量，从而改变光束在经过移相区域之后不同偏振态之间的相位差，以使不同相位差的光束在经过第二模式偏转区域时，产生不同的光束的模式转换结果。通过改变相变材料的相变态，调控光信号在移相区域的偏振态，实现对光信号模式的选择性偏转。

技术研发人员：黄庆忠,李昊天,黄怡航
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24