CN101261372A - 一种偏振无关磁光波导光隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振无关磁光波导光隔离器。输入Y分叉波导分别接两个干涉臂的一端，在两个干涉臂之间填充第一层磁光薄膜，第一层磁光薄膜的上表面覆盖第二层磁光薄膜和第三层磁光薄膜，第二层磁光薄膜还覆盖在一个干涉臂的上表面，第三层磁光薄膜还覆盖在另一个干涉臂的上表面，两个干涉臂的另一端再与输出Y分叉波导连接，第一、二层磁光薄膜是回转矢量γ＜0的磁光薄膜，第三层磁光薄膜是回转矢量γ＞0的磁光薄膜，外加磁场方向与光传播方向垂直且与基片平面成(30°～60°)的角度。它利用了磁光非互易特性和所设计波导结构的偏振无关特性。本发明结构紧凑，工艺简单，设计灵活，功能性强等特点，可在光网络、光信息处理等方面应用。

Description

一种偏振无关磁光波导光隔离器

技术领域

本发明涉及光学元器件，特别涉及一种偏振无关磁光波导光隔离器。

背景技术

随着光通信技术的快速发展，产业需求不断增长，系统规模的不断扩大对光通信器件提出了小型化、功能化、实用化的要求，基于集成光学的波导型器件为满足这些要求提供了一种可能的解决方案。光隔离器是光通信器件中不可缺少的一种器件，它用来阻止器件端面反射回来的反向光进入激光器的谐振腔，实现这种器件的一般方法是借助于磁光的非互易效应，让光波的模式在正向传输和反向传输之间产生一个相位偏差，回避了光路的可逆性。在实际光网络中，对随意一束入射光而言，我们难以确定它的偏振状态，需要找到一种有效的偏振无关波导结构，使得对任意偏振光都能实现想要的性能，传统的基于磁光非互易特性的光波导隔离器件大多是偏振相关的，少数偏振无关磁光波导结构有的工艺难以实现，有的没有表现出很好的偏振无关特性，需要找到一种结构既可以有效实现偏振无关，又可以利用目前的工艺手段实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏振无关磁光波导隔离器。结合磁光的非互易特性和所设计波导结构的偏振无关特性，可以有效地实现偏振无关磁光波导光隔离器。

本发明采用的技术方案如下：

本发明包括输入Y分叉波导、两个干涉臂、三层磁光薄膜、输出Y分叉波导；输入Y分叉波导分别接两个干涉臂的一端，在两个干涉臂之间填充第一层磁光薄膜，第一层磁光薄膜的上表面覆盖第二层磁光薄膜和第三层磁光薄膜，其中，第二层磁光薄膜还覆盖在一个干涉臂的上表面，第三层磁光薄膜还覆盖在另一个干涉臂的上表面，两个干涉臂的另一端再与输出Y分叉波导连接，外加磁场方向与光传播方向垂直且与基片平面成30°～60°的角度。

所述的第一层磁光薄膜和第二层磁光薄膜是回转矢量γ＜0的磁光薄膜，所述的第三层磁光薄膜是回转矢量γ＞0的磁光薄膜。

所述的输入波导、输出波导和两干涉臂与光波的偏振状态无关，两个含磁光薄膜的干涉臂产生的非互易相移为推挽方式，同样与光波的偏振态无关。

本发明具有的有益效果是：

它利用了磁光非互易特性和所设计波导结构的偏振无关特性。本发明具有结构紧凑，工艺简单，设计灵活，功能性强等特点，在光网络、光信息处理等方面有很好的应用前景和应用价值。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

图2是图1的A-A剖面结构图。

图3是图2结构产生的非互易相移随硅脊波导高度h的变化。

图4是本发明的制作工艺流程图。

图中：1、输入Y分叉波导，2、两个干涉臂，3、第一层磁光薄膜，4、第二层磁光薄膜，5，第三层磁光薄膜，6、输出Y分叉波导，7、硅层，8、二氧化硅层，9、与基片平面成45°外加磁场。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括输入(输出)Y分叉波导1、两个干涉臂2、三层磁光薄膜3、4、5、输出(输入)Y分叉波导6；输入Y分叉波导1分别接两个干涉臂2的一端，在两个干涉臂2之间填充第一层磁光薄膜3，第一层磁光薄膜3的上表面覆盖第二层磁光薄膜4和第三层磁光薄膜5，其中，第二层磁光薄膜4还覆盖在一个干涉臂的上表面，第三层磁光薄膜5还覆盖在另一个干涉臂的上表面，两个干涉臂2的另一端再与输出Y分叉波导6连接，外加磁场方向与光传播方向垂直且与基片平面成30°～60°的角度，本发明中提供与光传播方向垂直且与基片平面成45°外加磁场9。

所述的第一层磁光薄膜和第二层磁光薄膜是回转矢量γ＜0的磁光薄膜，所述的第三层磁光薄膜是回转矢量γ＞0的磁光薄膜。

所述的输入波导1、输出波导6和两个干涉臂2与光波的偏振状态无关，两个含磁光薄膜的干涉臂产生的非互易相移为推挽方式，同样与光波的偏振态无关。

本发明的偏振无关磁光波导隔离器的工作原理，如图1所示，其工作原理类同常规的M-Z干涉原理，所不同的是在两臂之间和两臂上表面置入不同磁光薄膜，形成正反传输时的非互易特性。具体工作过程如下：在保证输入、输出波导和两个干涉臂2都处在与偏振态无关的条件下，正向传输时，光从输入端入射，经输入Y分叉波导1后能量均分至两个干涉臂2，经两个不同长度的干涉臂后，产生一定的互易相位差，再经含有磁光材料的偏振无关波导结构，产生非互易相移，通过调整偏振无关波导参数可使非互易相移刚好与互易相位差反向抵消，此时两个干涉臂中的传输光相位一致，最后发生加强干涉，从Y分叉波导6输出；反向传输时，光从Y分叉波导6输入，能量均分至两个干涉臂2，经两个不同长度的干涉臂后，产生一定的互易相位差，再经含有磁光材料的偏振无关波导结构，产生与正向传输时大小相等而方向相反的非互易相移，与互易相位差同向叠加，使得两个干涉臂中的传输光相位相反，最后发生相消干涉，无功率从Y分叉波导1输出，从而实现对反向光的隔离。

上述设计中输入输出Y分叉波导结构是偏振无关的，这一目的通过优化Y分叉处截面结构很容易达到，在此不作赘述。

上述设计的关键之处在于含有磁光材料的偏振无关波导结构的设计，此结构特点是两个干涉臂2之间的第一层磁光薄膜3和其中一条干涉臂上表面覆盖的第二层磁光薄膜4是回转矢量γ＜0的磁光薄膜，另一条干涉臂上表面覆盖的第三层磁光薄膜5是回转矢量γ＞0的磁光薄膜。

根据磁光波导理论，当外加磁场方向垂直于光波传输方向时，磁光中的光波模式发生非互易效应。当磁场方向平行于基片平面，波导中的TM模在往返传输中，传播常数不相同；相应地，当磁场方向垂直于基片平面时，波导中的TE模具有传播常数的非互易特性。通过设计横纵向不对称结构和调整外加磁场的偏置方向，可以同时实现TE模和TM模的非互易特性。由微扰理论可得TE模和TM模的非互易相移表达式：

对TE模： ${\mathrm{\δ\β}}_{\mathrm{TE}}=\frac{{\mathrm{\ω\ϵ}}_o}{{\mathrm{N\β}}_{\mathrm{TE}}}\∫\∫{\mathrm{\γ}}_x{E}_y^{*}{\∂}_y{E}_y\mathrm{dxdy}---\left(1\right)$

对TM模： ${\mathrm{\δ\β}}_{\mathrm{TM}}=-\frac{{\mathrm{\ω\ϵ}}_o}{{\mathrm{N\β}}_{\mathrm{TM}}}\∫\∫{\mathrm{\γ}}_y{E}_x^{*}{\∂}_x{E}_x\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

下面简要说明TE模和TM模非互易相移的产生机理。对TE模而言，非互易相移源于结构在水平方向上的不对称性，包括场强，场强在水平方向上的导数和磁光材料的回转矢量。第一层磁光薄膜3位于两干涉臂之间，对两臂TE模的非互易相移的贡献大小相等，方向相反；再比较第二层磁光薄膜4和第三层磁光薄膜5中的TE模分布，场强相同，场强在水平方向上的导数符号相反，回转矢量符号相反，则第二层磁光薄膜4和第三层磁光薄膜5对两臂的非互易相移贡献的大小和方向均相同。因而，TE模在两臂贡献的非互易相移差主要是由两臂分别位于第一层磁光薄膜3的两侧引起的不对称所造成的。对TM模而言，非互易相移源于结构在竖直方向上的不对称性，与之相关的是场强在竖直方向上的导数而非场强在水平方向上的导数。来自两臂的TM模在第一层磁光薄膜3中的场强和场强在竖直方向上的导数均相同，因而对两臂非互易相移的贡献大小和方向都相同；再比较第二层磁光薄膜4和第三层磁光薄膜5中的TM模分布，场强和场强在竖直方向上的导数也都相同，但回转矢量符号相反，因而第二层磁光薄膜4和第三层磁光薄膜5对两臂的非互易相移贡献的大小相同，方向相同反。因而，TM模对两臂贡献的非互易相移差主要是由第二层磁光薄膜4和第三层磁光薄膜5中符号相反的回转矢量所造成的。总之，波导结构和磁光材料分布的这种设计使TE模和TM模均产生推挽工作的非互易效应，可通过适当调整个的结构参数获得相等的TE模和TM模非互易相移。当外加磁场与基片平面平面成45°，非互易相移随脊波导(假设为硅)高度h的变化如图3所示，h约为0.32μm时，图2结构是偏振无关的。

本发明的实施只需采用半导体器件平面工艺过程及条件。可以通过多种方案实现，这里只例举一种实现方案。如图2、图4所示，波导的具体结构为，采用SOI基片，顶层硅厚h为0.32μm，波导宽0.3μm，第二层磁光薄膜4和第三层磁光薄膜5的厚度为0.5μm，第三层磁光薄膜3的宽度为5μm，下SiO₂绝缘层厚度大于1.5μm；第一步：在SOI基片上刻蚀出硅波导MZI结构，由1、2、6组成；第二步：溅射一层γ＜0的磁光薄膜，γ＜0的磁光介质可通过控制磁光Lu₂Bi₁Fe_5-xGa_xO₁₂中Ga离子的浓度(x＝1.3)得到，第三步：利用反应离子刻蚀的方法除去其余γ＜0的磁光介质，只剩下两个干涉臂之间的γ＜0的第一层磁光薄膜3，第四步：键合，先通过控制磁光Lu₂Bi₁Fe_5-xGa_xO₁₂中Ga离子的浓度(x＝1.45)得到γ＞0的磁光介质，再把第二层磁光薄膜4和第三层磁光薄膜5分别溅射至钆镓石榴石(GGG)基片上，最后把第二层磁光薄膜4和第三层磁光薄膜5键合到两个干涉臂2上，第五步：采用永磁体提供与基片平面成45°的外加磁场9。

Claims (3)

1、一种偏振无关磁光波导光隔离器，其特征在于：包括输入Y分叉波导(1)、两个干涉臂(2)、三层磁光薄膜(3、4、5)、输出Y分叉波导(6)；输入Y分叉波导(1)分别接两个干涉臂(2)的一端，在两个干涉臂(2)之间填充第一层磁光薄膜(3)，第一层磁光薄膜(3)的上表面覆盖第二层磁光薄膜(4)和第三层磁光薄膜(5)，其中，第二层磁光薄膜(4)还覆盖在一个干涉臂的上表面，第三层磁光薄膜(5)还覆盖在另一个干涉臂的上表面，两个干涉臂(2)的另一端再与输出Y分叉波导(6)连接，外加磁场方向与光传播方向垂直且与基片平面成30°～60°的角度。

2、根据权利要求1所述一种偏振无关磁光波导光隔离器，其特征在于：所述的第一层磁光薄膜和第二层磁光薄膜是回转矢量γ＜0的磁光薄膜，所述的第三层磁光薄膜是回转矢量γ＞0的磁光薄膜。

3、根据权利要求1所述一种偏振无关磁光波导光隔离器，其特征在于：所述的输入波导(1)、输出波导(6)和两干涉臂(2)与光波的偏振状态无关，两个含磁光薄膜的干涉臂产生的非互易相移为推挽方式，同样与光波的偏振态无关。

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