CN101320113A - 一种波导型偏振模式转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导型偏振模式转换器。它由包含衬底层，覆盖层和芯层的常规的介质波导构成。芯层由一个L型转换波导首尾分别连接着一个矩形输入波导和一个尺寸不同于输入波导的矩形输出波导构成；也可以由一个L型转换波导首尾分别通过一个锥形过渡波导，连接着一个矩形输入波导和一个尺寸等同于输入波导的矩形输出波导构成。本发明可以实现不同尺寸或同种尺寸的矩形波导之间的偏振模式转换。被实施偏振转换的输入波导尺寸变化范围宽，很容易满足单模条件。本发明结构简单，所需制作工艺成熟，尺寸紧凑，偏振转换效率高，频带宽且易于集成，可在单偏振模式运行的光学集成回路中得到广泛应用。

Description

一种波导型偏振模式转换器

技术领域

本发明涉及偏振模式转换器，尤其涉及一种波导型偏振模式转换器。

背景技术

因为光波的矢量特性及电场和磁场在边界处的不同边界条件，波导中广泛存在着两种不同的偏振模式。实际波导中的两种模式往往是非简并的，有不同的传播常数，对外加激励有不同响应，因而产生了偏振模色散、偏振损耗依赖(相关)、波长偏振相关等问题。近来，针对波导的偏振问题，有两种不同的研究途径，其一是通过优化器件结构或补偿的方法来实现偏振无关特性；其二是让器件始终处于单偏振模工作状态(如H.Fukuda.et al，Opt.Exp，vol.16，4872-4880，2008)。光学偏振模式转换器(Polarization converter)是用于转换两种偏振模式的器件，广泛的应用于上述两种偏振光学回路。偏振转换器件以往采用电光或热应力等有源方法来制作，该方法便于调节但工艺复杂且成本较高。倾斜的波导结构是另一种被广泛讨论的偏振转换方法，其转换效率高，但倾斜的波导坡面的引入大大增加了工艺制作的难度。研究表明，多节无源波导交替连接可以被改进为单节波导，一次性实现偏振转换，其结构为有45°模式偏振光轴的倾斜截面型波导(B.M.A.Rahman et al，J.Lightwave.Technol.Vol.19，512-519，2001)和切角型波导(Z.C.Wang et al，J.Opt.Soc.Am.B，Vol.25，747-753，2008)，或是锥形过渡型波导(M.R.Watts et al，Opt.Lett.Vol.30，138-140，2005)。上述文献所提及的切角型波导制作简单、转换效率高，但限于两种偏振模式同时存在的、相同的输入输出波导。所提及的锥形过渡型波导因锥形结构的引入也增加了设计的困难。本发明继承了上述两种结构中的优点，提出了一种波导型偏振模式转换器，其输入和输出波导既可以各自支持一种不同的偏振模式，也可以同时支持两种偏振模式，设计简单，级联功能强，制作容差大，应用于单偏振模式运行的光学回路具很大优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波导型偏振模式转换器，是有关利用45°模式偏振光轴的L型波导来实现偏振模式转换的集成光学器件。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种波导型偏振模式转换器：

包括衬底层，覆盖层和芯层。所述的芯层是由L型转换波导首尾分别连接矩形输入波导和尺寸不同于矩形输入波导的矩形输出波导构成。

所述的矩形输入波导的高和宽分别等于L型转换波导的高和其截面左侧竖起部分的宽；矩形输出波导的宽和高分别等于L型转换波导的宽和其截面下侧水平部分的宽。

所述的覆盖层的折射率和L型转换波导的芯区截面尺寸使L型转换波导的模式偏振光轴方向角为45°。

所述的矩形输入波导和矩形输出波导只支持准TE模式、或只支持准TM模式、或同时支持准TE模式和准TM模式。

二、另一种波导型偏振模式转换器：

包括衬底层，覆盖层和芯层。所述的芯层是由L型转换波导首尾分别通过锥形过渡波导，连接着矩形输入波导和尺寸等同于矩形输入波导的矩形输出波导构成。

所述的覆盖层的折射率和L型转换波导的芯区截面尺寸使L型转换波导的模式偏振光轴方向角为45°。

所述的矩形输入波导和矩形输出波导只支持准TE模式、或只支持准TM模式、或同时支持准TE模式和准TM模式。

本发明具有的有益的效果是：

本发明所涉及的偏振转换器可以实现不同尺寸或同种尺寸的矩形波导之间的偏振模式转换，且仅用两步刻蚀工艺即可实现。此外，被实施偏振转换的输入波导尺寸变化范围宽，很容易满足单模条件，适合于单偏振模式运行的光学集成回路。本发明继承了使用L型转换波导实现偏振转换得优点，结构简单，所需制作工艺成熟，尺寸紧凑，偏振转换效率高，频带宽且易于集成，可在集成光学回路中得到广泛应用。

附图说明

图1是一种偏振转换器的结构示意图。

图2是另一种偏振转换器的结构示意图。

图3是L型转换波导的截面图。

图4是不同尺寸下，折射率分布关于y＝x完全对称的L型转换波导完成一次模式转换所需长度。

图5是结合数值方法所解波动方程和经典解析公式得出的断面耦合损耗。

图6是基于时域有限差分方法验证器件的偏振转换功能的模拟图。

图6(a)是x-z平面中，光波的E_y场在器件中的的行进图。

图6(b)是x-z平面中，光波的E_x场在器件中的的行进图。

图7是在波导对称性破坏后，模式偏振光轴方向角随覆盖层折射率的变化关系图。

图7(a)是W＝H＝0.4μm情况下，W_e和H_e值不相等时，模式偏振光轴方向角随覆盖层折射率的变化关系。

图7(a)是W_e＝H_e＝0.15μm情况下，W和H值不相等时，模式偏振光轴方向角随覆盖层折射率的变化关系。

图8是两步刻蚀过程中所需的光刻版图型。

图8(a)是第一块光刻版图型。

图8(b)是第二块光刻版图型。

图中：1.衬底层，2.覆盖层，3.L型转换波导，4.矩形输入波导，5.矩形输出波导，6.锥形过渡波导，7.矩形输出波导。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括衬底层1，覆盖层2和芯层。所述的芯层是由L型转换波导3首尾分别连接矩形输入波导4和尺寸不同于矩形输入波导的矩形输出波导5构成。

所述的矩形输入波导4的高和宽分别等于L型转换波导3的高和其截面左侧竖起部分的宽；矩形输出波导5的宽和高分别等于L型转换波导3的宽和其截面下侧水平部分的宽。

所述的覆盖层2的折射率和L型转换波导3的芯区截面尺寸使L型转换波导3的模式偏振光轴方向角为45°。

所述的矩形输入波导4和矩形输出波导5只支持准TE模式、或只支持准TM模式、或同时支持准TE模式和准TM模式。

如图1所示，本发明包括衬底层1，覆盖层2和芯层。所述的芯层是由L型转换波导3首尾分别通过锥形过渡波导6，连接着矩形输入波导4和尺寸等同于矩形输入波导的矩形输出波导7构成。

所述的覆盖层2的折射率和L型转换波导3的芯区截面尺寸使L型转换波导3的模式偏振光轴方向角为45°。

所述的矩形输入波导4和矩形输出波导7只支持准TE模式、或只支持准TM模式、或同时支持准TE模式和准TM模式。

本发明提出了图1和图2所示的基于两步刻蚀工艺的波导型偏振转换器。

现简要叙述本发明实现偏振转换的工作机理。作为最常见的二维平面波导，矩形阶跃折射率波导的波导模式不存在纯粹的TE模和TM模，但有两类模式能近似的满足波动方程的边界条件，一类偏振方向近似为x方向的E^x _mn模，称作准TE模，其主要电场分量为E_x和H_y，而E_y和H_x相对很小；另一类与此正好相反，为偏振方向近似指向y轴方向的E^y _mn模，称作准TM模，其主要电场分量为E_y和H_x，而E_x和H_y相对很小。作为本征模式，这两种模式可在矩形波导中稳定传输下去，而不发生模式转换。当波导在水平方向和竖直方向上的轴对称性被破坏后，如波导被制作成斜坡状，或添加、或切除一块折射率区(如图3所示)等，波导原有的沿x轴和y轴的准偏振特性不再存在，而产生了新的混合模式(Hybrid modes)，这种模式沿x和y方向偏振的场分量的大小可以比拟。也可以认为这种混合模式的偏振方向指向的不再是x轴和y轴，而是有了新的偏振方向。其中的一个混合模式的偏振方向可以用模式偏振光轴来近似定义，本说明中借用文献(V.P.Tzolov et al，Opt.Commun，vol.127，7-13，1996)中的定义方法，即

式中ε(x，y)是电介常数分布；H_x(x，y)和H_y(x，y)为x和y偏振方向的磁场分量；

为模式偏振光轴方向角。当R＜＜1，光磁场的偏振方向近似为y方向；当R＞＞1，光磁场的偏振方向近似为x方向。光场在L型转换波导3中的偏振特性随传输方向可以用公式表示为：

式中的L_π为实现一次偏振转换所需的偏振转换波导的长度L_π，它与波导的两个最低模式的有效折射率n_eff，1和n_eff，2的关系可以表示为L_π＝λ/2/(n_eff，1-n_eff，2)。可以看出，要用单节波导实现100％的偏振转换，理论上需要偏振转换波导的模式偏振光轴为45°。显然折射率分布关于直线导y＝x轴对称的波，可以满足45°模式偏振光轴的要求。

图3所示的L型转换波导3不为本发明的创新之处，上文提及的M.R.Wattset al和Z.C.Wang et al等文献中均采纳了类似结构，而像它们一样，L型转换波导的尺寸设计也是本偏振转换器的重点。如图4所示，本说明利用非均匀网格划分的有限差分数值求解波动方程来计算两个最低阶模式的折射率n_eff，1和n_eff，2，进而得出发生100％偏振转换的L型转换波导所需长度L_π与波导结构的关系，以供设计参考。计算中取Si作为芯层，折射率为3.477；取SiO₂作为衬底层和覆盖层，折射率为1.444。鉴于此图表征的是关于y＝x轴对称的折射率分布，L型转换波导的外宽度W和刻蚀宽度W_e决定了器件的尺寸。

本发明采取两种技术方案，分别对应于相同结构和不同结构的输入输出波导之间的偏振转换。L型转换波导的尺寸与输入输出波导的偏差越大，损耗越大。图5利用下列公式近似给出了光场在两个断面的额外损耗，其中计入了光场交叠失配损耗和菲涅尔反射损耗。

$\mathrm{Loss}(\mathrm{dB}/\mathrm{facet})=-101g\left\{{\left(\frac{2\sqrt{n_1{n}_2}}{n_1+n_2}\right)}^2\frac{{\left|{\∫\∫E}_1\left(x\right)E_2^{*}\left(x\right)\mathrm{dxdy}\right|}^2}{\∫\∫{\left|E_1\left(x\right)\right|}^2\mathrm{dxdy}\·\∫\∫{\left|E_2\left(x\right)\right|}^2\mathrm{dxdy}}\right\}$

式中E和n分别为接入波导和L型波导中模式的场分布和折射率。本方法与商业软件模拟结果吻合较好，具指导性意义。实际设计过程中需与L型转换波导的转换效率之间加以权衡。在第二方案中加入锥形过渡波导的目的在于减少矩形输入波导4和矩形输出波导5和7与L型波导衔接处的附加损耗。此外，锥形过渡波导的模式偏振光轴方向并非45°，因而它的引入将会一定程度上影响到器件的最大转换效率，因而也需与其抑制损耗的大小加以权衡，或通过改变L型转换波导沿传输方向的结构来进行补偿。然而，两种技术方案的偏振转换机理相同，下文仅以第一种方案为例，对本发明的工作特征和制作方案加以描述。

由矩形输入波导4输入的模式的混合程度很少，可以近似为纯偏振模式，以准TM模为例。当光场输入L型转换波导3后，来自矩形输入波导4的准TM模式分解为L型转换波导3中的x和y方向分量权重相当的两个最低阶偏振模式。这两个模式在传输过程中相互干涉，在传输L_π后相对相位发生了π的改变，而合成的新的模式偏振方向为沿x轴，即在矩形输出波导5或矩形输出波导7中呈现准TE模，于是，完成了从准TM模到TE模的转换。从准TE模到TM模的转换机理相同。设波导的结构为W＝0.4μm，H＝0.4μm，W_e＝0.1μm，H_e＝0.1μm，采用0.02um和0.01的空间和时间步长，利用Rsoft公司的Fullwave模块模拟出了图6所示的偏振转换器的工作效果图。以矩形输入波导的准TM模输入，经过9.5μm的L型转换波导的传输后，如图6(b)所示的E_y分量消失，转换成了如图6(a)所示的E_x分量，最终以输出波导的准TE模输出。这一转换长度与图4所示的有限差分数值求解波动方程所得结果非常相近。

上面的分析都基于完全对称的折射率分布，覆盖层折射率与衬底折射率相同，且波导芯区关于y＝x轴对称。一般情况下，波导芯区因为实际需要并不关于y＝x轴对称。这种波导结构对称性的破坏，可以通过调整覆盖层的折射率来维持45°的模式偏振光轴方向角。图7给出了在波导对称性破坏后，模式偏振光轴方向角随覆盖层折射率的变化关系图。图6(a)对应的结构中，W＝H＝0.4μm，而W_e和H_e分别递增和递减的在区间[0.1，0.25]μm内变化。图7(b)对应的结构中，W_e＝H_e＝0.15μm，而W和H分别递增和递减的在区间[0.3，0.45]μm内变化。所取覆盖层的折射率的变化范围为[1.8，3]，对应于不同组分的SiN_x材料。从图7可以看出，改变覆盖层的折射率可以一定程度的补偿W/H＜1或W_e/H_e＜1情况下光场的不对称性，进而维持模式偏振光轴方向角为45°。

本发明的制作仅需两步刻蚀工艺，其实施方式有多种，只要采用通常制作半导体器件的平面工艺过程及条件就可制成。在此以常见的硅基材料为例，但决非仅限于此实施例。制作W＝0.4μm，H＝0.4μm，W_e＝0.1μm，H_e＝0.1μm的偏振转换器的具体实施方式如下：准备好下限制层厚于1微米、上硅层厚度为0.4μm的SOI基片；转移图8(a)所示的第一块光刻版图型中0.3μm宽的波导到掩模材料，刻蚀掩膜外部区域至0.1μm深的平板；再转移图8(b)第二块光刻版图型到掩模材料，刻蚀新的掩膜外部区域至0.3μm深，即到下限制层；最后，在波导的表面溅射一层SiN_x膜作为覆盖层2即完成工艺制作。

Claims (7)

1、一种波导型偏振模式转换器，包括衬底层(1)，覆盖层(2)和芯层，其特征在于：所述的芯层是由L型转换波导(3)首尾分别连接矩形输入波导(4)和尺寸不同于矩形输入波导的矩形输出波导(5)构成。

2、根据权利要求1所述的一种波导型偏振模式转换器器，其特征在于：所述的矩形输入波导(4)的高和宽分别等于L型转换波导(3)的高和其截面左侧竖起部分的宽；矩形输出波导(5)的宽和高分别等于L型转换波导(3)的宽和其截面下侧水平部分的宽。

3、根据权利要求1所述的基于两步刻蚀工艺的波导型偏振转换器，其特征在于：所述的覆盖层(2)的折射率和L型转换波导(3)的芯区截面尺寸使L型转换波导(3)的模式偏振光轴方向角为45°。

4、根据权利要求1所述的一种波导型偏振模式转换器器，其特征在于：所述的矩形输入波导(4)和矩形输出波导(5)只支持准TE模式、或只支持准TM模式、或同时支持准TE模式和准TM模式。

5、一种波导型偏振模式转换器，包括衬底层(1)，覆盖层(2)和芯层，其特征在于：所述的芯层是由L型转换波导(3)首尾分别通过锥形过渡波导(6)，连接着矩形输入波导(4)和尺寸等同于矩形输入波导的矩形输出波导(7)构成。

6、根据权利要求5所述的一种波导型偏振模式转换器，其特征在于：所述的覆盖层(2)的折射率和L型转换波导(3)的芯区截面尺寸使L型转换波导(3)的模式偏振光轴方向角为45°。

7、根据权利要求5所述的一种波导型偏振模式转换器，其特征在于：所述的矩形输入波导(4)和矩形输出波导(7)只支持准TE模式、或只支持准TM模式、或同时支持准TE模式和准TM模式。

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