CN203311029U - 一种实现光偏振分束和旋转的集成器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，包括两根平行设置的第一直波导和第二直波导，所述第一直波导和第二直波导上方设置有上包层，下方设置有下包层从而形成耦合区，其中，所述上包层以及下包层的折射率低于所述第一直波导和第二直波导的折射率，且所述上包层的折射率大于或小于所述下包层的折射率。本实用新型的结构构成垂直方向非对称的波导，该耦合区结构可以支持较强的交叉耦合效应。本实用新型利用垂直方向非对称波导存在交叉耦合的效应，通过两根平行耦合波导，通过定向耦合的方式达到偏振分束以及偏振旋转的效果。

Description

一种实现光偏振分束和旋转的集成器件

技术领域

 本实用新型涉及集成光子领域，特别是涉及一种基于高折射率差波导来实现光偏振分束和偏振旋转的集成器件。该器件可用于偏振分集集成光路。

背景技术

经过多年的发展，集成光子器件的尺寸逐步缩小。集成光子芯片的集成度正以超越集成电子摩尔定律的速度在发展。近几年，以绝缘体上的硅材料（SOI）为代表的高折射率差纳米线波导及其器件引起了人们的广泛关注。材料具有很多优点，首先，它得器件加工方式与如今已广泛使用的集成电路CMOS工艺兼容。其次，由于其使用了高折射率差结构，SOI波导的尺寸可控制在300nm左右，弯曲半径在2um以下，相邻波导间距在1um以下。与已广泛使用的二氧化硅材料相比，SOI材料光子集成芯片的集成度提高了几个数量级。由于以上这些优点，SOI材料光集成技术得到迅速的发展，大量的SOI集成器件已被研制出来。

但同样因为采用了高折射率差结构，使得SOI集成光子芯片具有较为明显的偏振相关性，即：同一个器件的在两种偏振光下表现出来的性能差异很大。这使得这种芯片与其它偏振无关的光路系统（如：光纤）相连接时，产生了不兼容的问题。一种有效的解决方法是采用偏振分集光路设计，如图1所示。在该光路设计中，两个偏振光同时从波导1中输入集成芯片。输入光首先通过一个偏振分束器2，将两个偏振光分开到两根波导3，4中，之后，其中一根波导中（在该图中为波导3）经过一个偏振旋转器5，将该波导中的光的偏振方向旋转90度。这样两根波导中的光都转换成相同的偏振方向，因此之后的集成光器件6、7只需处理一种偏振光即可，避免了偏振相关性的影响。处理完以后的输出光，再通过类似的偏振旋转器8和偏振分束器9，合并到输出波导10中，从而实现了偏振不敏感的集成芯片。

在这种传统的偏振分集方案中，偏振分束器和偏振旋转器为两个独立器件，并且传统的集成型偏振旋转器加工较为复杂，需要多次镀膜、光刻和刻蚀工艺。这些都大大增加了偏振分集方案实现的成本，降低了其稳定性。

发明内容

本实用新型针对现有技术中的不足，提供了一种可同时实现偏振分束以及偏振旋转作用的光偏振分束和旋转的集成器件，本集成器件结构紧凑、简单，易于加工实现，可直接应用于偏振分集型集成光路，可大大提高稳定性并降低成本。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过下述技术方案得以解决：一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，其特征在于：包括两根平行设置的第一直波导和第二直波导，所述第一直波导和第二直波导上方设置有上包层，下方设置有下包层从而形成耦合区，其中，所述上包层以及下包层的折射率低于所述第一直波导和第二直波导的折射率，且所述上包层的折射率大于或小于所述下包层的折射率。本实用新型的结构构成垂直方向非对称的波导，该耦合区结构可以支持较强的交叉耦合效应。利用垂直方向非对称波导存在交叉耦合的效应，通过两根平行耦合波导，通过定向耦合的方式达到偏振分束以及偏振旋转的效果。

作为优选，上述第一直波导中的横电模和所述第二直波导中的横磁模的理论功率耦合效率大于等于80%，所述第一直波导中的横磁模和所述第二直波导中的横电模以及横磁模的理论功率耦合效率小于等于10%。

为了实现上述耦合效率，优选的方案是：上述第一直波导中的横电模的模式传播常数相对所述第二直波导中的横磁模的模式传播常数的偏差小于或等于1%，且所述耦合区的长度等于所述第一直波导中的横电模和所述第二直波导中的横磁模耦合的耦合长度的奇数倍。

作为优选，上述第一直波导的宽度与所述第二直波导的宽度的差别在100nm-500nm之间。本实用新型中第一直波导和第二直波导的模式传播常数通过控制两者的宽度即可实现，因此只需一次光刻和刻蚀工艺就能加工实现。制作工艺与普通的集成光器件相同，无需额外工艺步骤。

作为另一优选方案：上述第一直波导中的横磁模和所述第二直波导中的横电模的理论功率耦合效率大于等于80%，所述第一直波导中的横电模和所述第二直波导中的横电模以及横磁模的理论功率耦合效率小于等于10%。

为了实现上述耦合效率，优选的方案是：上述第一直波导中的横磁模的模式传播常数相对所述第二直波导中的横电模的模式传播常数的偏差小于或等于1%，且所述耦合区的长度等于所述第一直波导中的横磁模和所述第二直波导中的横电模耦合的耦合长度的奇数倍。

上述第一直波导的宽度与所述第二直波导的宽度的差别在100nm-500nm之间。本实用新型中第一直波导和第二直波导的模式传播常数通过控制两者的宽度即可实现，因此只需一次光刻和刻蚀工艺就能加工实现。制作工艺与普通的集成光器件相同，无需额外工艺步骤。

作为优选，上述第一直波导和第二直波导的折射率大于或等于2.8，所述上包层和下包层的折射率小于或等于2.1。 

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：1．本实用新型可同时实现偏振分束以及偏振旋转作用，将通常需两个独立器件实现的功能合二为一，结构简单，可直接应用于偏振分集光路；2．本实用新型提供的集成器件的耦合区由两根平行耦合波导组成，根据设计，两根波导仅在宽度上有所不同，因此只需一次光刻和刻蚀工艺就能加工实现。制作工艺与普通的集成光器件相同，无需额外工艺步骤。3．本实用新型提供的集成器件的工作波长范围宽，可覆盖整个光通信C波段。

附图说明

图1 现有技术中偏振分集方案图；

图2 本实用新型的耦合区的波导横截面结构示意图；

图3 本实用新型的实施例1的工作原理示意图；

图4 本实用新型的实施例2的工作原理示意图。

具体实施方式

实施例1

一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，包括两根平行设置的第一直波导1和第二直波导2，第一直波导1和第二直波导2采用高折射率的材料，一般应大于或等于2.8，在本实施例中，采用硅，所述第一直波导1和第二直波导2上方设置有上包层3，下方设置有下包层4从而形成耦合区，其中，所述上包层3以及下包层4的折射率低于所述第一直波导1和第二直波导2的折射率，且所述上包层3的折射率大于或小于所述下包层4的折射率，一般上包层3和下包层4的折射率小于或等于2.1，且两者之间的折射率不相同，在本实施例中，下包层采用氧化硅，上包层采用空气。

所述第一直波导的1宽度与所述第二直波导2的宽度的差别在100nm-500nm之间，从而使所述第一直波导1中的横电模的模式传播常数相对所述第二直波导2中的横磁模的模式传播常数的偏差小于或等于1%，且所述耦合区的长度等于所述第一直波导1中的横电模和所述第二直波导2中的横磁模耦合的耦合长度的奇数倍，使得所述第一直波导1中的横电模和所述第二直波导2中的横磁模的理论功率耦合效率大于等于80%；所述第一直波导1中的横磁模的模式传播常数相对所述第二直波导2中所有模式的传播常数的偏差足以使得所述第一直波导1中的横磁模和所述第二直波导2中的横电模以及横磁模的理论功率耦合效率小于等于10%。

如图3所示，将一根输入波导5与耦合区中的第一直波导1相连。当横电模和横磁模两个偏振方向的光从输入波导5输入到第一直波导1时，对于输入的横磁模，由于第一直波导1中的横磁模可以与第二直波导2中的横电模进行有效的定向耦合，因此在耦合区的末端第一直波导1中的横磁模基本转换为第二直波导2中的横电模，并从耦合区中的第二直波导2位置输出，输出偏振方向为横电模。而对于输入的横电模，由于第一直波导1中横电模无法与第二直波导2中任意模式发生有效耦合，因此基本保留在第一直波导1中，并从耦合区中的第一直波导1位置输出，输出偏振方向仍为横电模。

实施例2

一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，包括两根平行设置的第一直波导1和第二直波导2，第一直波导1和第二直波导2采用高折射率的材料，一般应大于或等于2.8，在本实施例中，采用硅，所述第一直波导1和第二直波导2上方设置有上包层3，下方设置有下包层4从而形成耦合区，其中，所述上包层3以及下包层4的折射率低于所述第一直波导1和第二直波导2的折射率，且所述上包层3的折射率大于或小于所述下包层4的折射率，一般上包层3和下包层4的折射率小于或等于2.1，且两者之间的折射率不相同，在本实施例中，下包层采用氧化硅，上包层采用氮化硅。

所述第一直波导的1宽度与所述第二直波导2的宽度的差别在100nm-500nm之间，从而使所述第一直波导1中的横磁模的模式传播常数相对所述第二直波导2中的横电模的模式传播常数的偏差小于或等于1%，且所述耦合区的长度等于所述第一直波导1中的横磁模和所述第二直波导2中的横电模耦合的耦合长度的奇数倍，使得所述第一直波导1中的横磁模和所述第二直波导2中的横电模的理论功率耦合效率大于等于80%；所述第一直波导1中的横电模的模式传播常数相对所述第二直波导2中所有模式的传播常数的偏差足以使得所述第一直波导1中的横电模和所述第二直波导2中的横电模以及横磁模的理论功率耦合效率小于等于10%。

如图4所示，将一根输入波导5与耦合区中的第一直波导1相连。当横电模和横磁模两个偏振方向的光从输入波导5输入到第一直波导1时，对于输入的横电模，由于第一直波导1中的横电模可以与第二直波导2中的横磁模进行有效的定向耦合，因此在耦合区末端第一直波导1中的横电模基本转换为第二直波导2中的横磁模，并从耦合区中的第二直波导2位置输出，输出偏振方向为横磁模。而对于输入的横磁模，由于第一直波导1中横磁模无法与第二直波导2任意模式发生有效耦合，因此基本保留在第一直波导1中，并从耦合区中的第一直波导1位置输出，输出偏振方向为仍为横磁模。

Claims (8)

1.一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，其特征在于：包括两根平行设置的第一直波导（1）和第二直波导（2），所述第一直波导（1）和第二直波导（2）上方设置有上包层（3），下方设置有下包层（4）从而形成耦合区，其中，所述上包层（3）以及下包层（4）的折射率低于所述第一直波导（1）和第二直波导（2）的折射率，且所述上包层（3）的折射率大于或小于所述下包层（4）的折射率。

2.根据权利要求1所述的一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，其特征在于：所述第一直波导（1）中的横电模和所述第二直波导（2）中的横磁模的理论功率耦合效率大于等于80%，所述第一直波导（1）中的横磁模和所述第二直波导（2）中的横电模以及横磁模的理论功率耦合效率小于等于10%。

3.根据权利要求2所述的一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，其特征在于：所述第一直波导（1）中的横电模的模式传播常数相对所述第二直波导（2）中的横磁模的模式传播常数的偏差小于或等于1%，且所述耦合区的长度等于所述第一直波导（1）中的横电模和所述第二直波导（2）中的横磁模耦合的耦合长度的奇数倍。

4.根据权利要求3所述的一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，其特征在于：所述第一直波导的（1）宽度与所述第二直波导（2）的宽度的差别在100nm-500nm之间。

5.根据权利要求1所述的一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，其特征在于：所述第一直波导（1）中的横磁模和所述第二直波导（2）中的横电模的理论功率耦合效率大于等于80%，所述第一直波导（1）中的横电模和所述第二直波导（2）中的横电模以及横磁模的理论功率耦合效率小于等于10%。

6.根据权利要求5所述的一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，其特征在于：所述第一直波导（1）中的横磁模的模式传播常数相对所述第二直波导（2）中的横电模的模式传播常数的偏差小于或等于1%，且所述耦合区的长度等于所述第一直波导（1）中的横磁模和所述第二直波导（2）中的横电模耦合的耦合长度的奇数倍。

7.根据权利要求6所述的一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，其特征在于：所述第一直波导的（1）宽度与所述第二直波导（2）的宽度的差别在100nm-500nm之间。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的一种实现光偏振分束和旋转的集成器件，其特征在于：所述第一直波导（1）和第二直波导（2）的折射率大于或等于2.8，所述上包层（3）和下包层（4）的折射率小于或等于2.1。

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