CN102224438A - 平面偏振分光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种包括平面光学结构的设备，所述平面光学结构包括：输入耦合器、第一和第二平面波导以及输出耦合器，全都位于平面衬底上。所述输入耦合器被配置为将输入光分为两个输入光束。第一和第二波导中的每一个被配置为接收两个输入光束之一。第一波导的第一芯的宽度大于第二波导的第二芯的宽度。第一或第二平面波导中的至少一个是双折射的。所述输出耦合器被配置为接收经过第一和第二波导之后的光束。来自所述输出耦合器的第一输出光束是基本上TE偏振光，来自所述输出耦合器的第二输出光束是基本上TM偏振光。

Description

平面偏振分光器
共同待审的相关专利申请
本专利申请与以下同时提交的临时专利申请相关：名称为“MONOLITHIC COHERENT OPTICAL DETECTORS”，Y.K.Chen，et al.，序号为61/189,557，于2008年8月19日提交，并作为非临时申请于2008年8月28日提交，序号为12/229,983，上述申请与本申请共同转让，其全部内容并入以供参考。
技术领域
本公开总体涉及偏振分光器以及使用该偏振分光器的方法和制造该偏振分光器的方法。
背景技术
本部分介绍了可能有助于便于更好地理解本发明的方面。相应地，由此应当阅读本部分的说明。本部分的说明不应被理解为关于哪些是现有技术的内容或哪些不是现有技术的内容的承认。
偏振分光器将偏振光分为横电(TE)和横磁(TM)偏振光。Mach-Zehnder干涉计型偏振分光器可以用在多个光电信应用中，例如偏振分集接收机、偏振移相键控和偏振分集复用。对于广播适用性，期望偏振分光器可在较宽的波长范围内操作，例如，在整个C频带波长范围内。然而，以低成本提供这种波长不敏感性以及提供紧凑设计的设备已经成了问题。例如，一些先前的工作需要选择性地在波导之一上或附近选择性地沉积金属层的附加处理步骤，以引起或改变波导的双折射属性，从而实现偏振光的划分。除了需要附加处理步骤以外，这种设计会具有实质的插入损耗。其他工作需要在一个波导附近沉积应力诱导(stress-inducing)材料，以引起或改变波导的双折射属性，从而实现所期望的偏振光的划分。同样，这需要将应力诱导材料置于波导附近的附加处理步骤。另外的工作需要纳米光刻，以创建非常小的特征。同样，这需要特殊的处理步骤和设备。
发明内容
一个实施例是一种包括平面光学结构的设备。所述平面光学结构包括输入耦合器、第一和第二平面波导以及输出耦合器。所述输入耦合器、所述第一和第二波导以及所述输出耦合器都处于平面衬底上。所述输入耦合器被配置为将输入光分为两个输入光束。所述第一和第二波导中的每一个被配置为接收所述两个输入光束之一。第一波导的第一芯的宽度大于第二波导的第二芯的宽度，第一或第二平面波导中的至少一个是双折射的。所述输出耦合器被配置为接收经过所述第一和第二波导之后的光束。来自所述输出耦合器的第一输出光束是基本上横电偏振光，来自所述输出耦合器的第二输出光束是基本上横磁偏振光。
另一实施例是一种使用设备的方法。所述方法包括：将输入光划分为分离的横电和横磁偏振输出光束。将输入光进行划分的步骤包括：将输入光的一部分传递至平面偏振分光器的第一平面波导。将输入光进行划分的步骤还包括：将输入光的其余部分传递至平面偏振分光器的第二平面波导。第一波导的第一芯的宽度大于第二波导的第二芯的宽度，第一或第二平面波导中的至少一个是双折射的。将输入光进行划分的步骤还包括：把来自第一和第二平面波导的输出光光混频(mixing)经过输出耦合器。
另一实施例是一种制造设备的方法，包括制造平面光学结构。形成平面光学结构包括：在平面衬底上形成半导体合金层；以及在所述半导体合金层上形成材料层。所述材料层和所述衬底的折射率小于所述半导体合金层的折射率。形成平面光学结构还包括：对所述材料层和所述半导体合金层进行图案化，以形成分离的第一和第二波导。第一波导的第一芯的宽度大于第二波导的第二芯的宽度，第一或第二平面波导中的至少一个是双折射的。
附图说明
在参照附图阅读时，通过以下具体实施方式来更好地理解本公开的实施例。对应的或类似的数字或字符指示对应的或类似的结构。各种特征可能不是以比例绘制的，并可能为了清楚讨论而任意增大或减小尺寸。现在参照结合附图而进行的以下描述，在附图中：
图1呈现了具有平面光学结构的示例设备的详细平面图；
图2呈现了图1的示例平面光学结构的横截面详细视图；
图3示出了TE和TM偏振光之间的折射率差(nte-ntm)与本文描述的波导的宽度(W)之间的典型关系的示例曲线图；
图4呈现了使用其中具有平面光学结构的设备(如图1-2中)的示例方法的流程图；以及
图5-7呈现了制造其中具有平面光学结构的设备(如图1-2中)的示例方法中的所选步骤中的横截面视图。
具体实施方式
已经发现，改变两个脊波导的宽度本身可以导致TM和TE偏振光的有效折射率的充分改变，以在适度的短传播距离内提供期望的相移。通过将两个波导置于干涉计中，可以针对紧凑偏振分光器设计，实现两个波导之间TE和TM光之间的累计相位差之间的180度相位差。例如，对于较短的平面波导长度(例如小于大约500微米)，具有合适的不同宽度的两个波导芯可以在两个波导之间的TE或TM光输出中提供180度相移。
在这种结构的偏振分光应用中，180度相移后的光可以经过耦合器从而提供两个输出：一个输出基本上是TE偏振光，另一输出基本上是TM偏振光。在偏振器应用中，仅可以使用基本上为TE和TM偏振光输出之一。在偏振组合器应用中，可以将这两个基本上为TE和TM偏振光进行组合。
不期望的是，针对长度较短的平面波导可能得到这种结果。最初认为，可能需要长得多的波导长度以实现折射率的显著改变，因此，用于实现该设计的偏振光束分光器、组合器或偏振器可能不是实际的设计。令人惊讶的是，使用具有薄芯的波导、以及使芯与波导的脊外部的覆层之间具有较大折射率差的组合给针对短平面波导长度的这些折射率带来了大于预期的改变。
芯的厚度使得在波导仅在垂直方向上引导一种模(mode)的约束下，光以近乎最大程度限于垂直方向。对于任何波导，随着芯厚度的减小，波导中的基本光模在垂直方向上变小，直到厚度达到最大限制厚度。进一步的减小导致光模在垂直方向上再次变大。使模在垂直方向上尽可能小的优点在于产生最大可能的双折射。其还沿水平方向向外挤压模，使模幅度在脊波导壁处变大。这两个效应使波导的双折射对于波导宽度的改变来说更敏感。双折射对于波导宽度来说越敏感，偏振分光器就可以越短。
本文使用的术语“TE偏振光”意味着：对于TE模的光，电场对于传播方向来说是横向的(transverse)。本文使用的术语“TM偏振光”意味着：对于TM模的光，磁场对于传播方向来说是横向的。在光经过本文描述的波导的一些实施例中，TE偏振光的电场主要与衬底平行地振荡，TM偏振光的磁场主要与衬底平行地振荡。本公开实现了在集成光学器件中通常使用不纯的TE和TM偏振光。例如，排除了圆形波导，典型地，仅限于一维的模具有纯TE或纯TM偏振光。在其他情况下，这些可以被称作准TE和准TM偏振光。因此，如本文所使用，对TE和TM偏振光的参考(例如在集成光学器件的上下文中)包括准TE和准TM偏振光。
对本公开的目的来说，术语“基本上TE偏振光”意味着TE与TM偏振光之比在功率上等于或大于大约20∶1。类似地，“基本上TM偏振光”意味着TM与TE偏振光之比在功率上等于或大于大约20∶1。本领域技术人员应当知道用于评估TE或TM偏振光的纯度的方法。例如，为了验证单独的(exclusive)TE或TM偏振光，可以将偏振器置于来自偏振分光器的输出端口的路径中，其中，该偏振器被对准以在最大程度上阻拦TE偏振光。如果来自端口的输出是基本上TE偏振光，则与被对准以允许TE偏振光全部通过的偏振器相比，如此对准的偏振器将阻拦至少大约95％的光。可以应用类似的验证以验证TM偏振光的单独存在，其中，该偏振器与完全阻拦或完全通过TE偏振光所需的对准相比旋转了90度。
图1呈现了具有平面光学结构105的示例设备100的详细平面图。在一些实施例中，设备100是光子集成电路或其一部分。未示出该设备的特定覆盖结构(如布线、电容器、平面化层等)，以便可以更清楚地示出平面偏振分光器105的特定组件。
以下示例呈现了被配置为平面偏振分光器的平面光学结构105。然而，在其他实施例中，当被配置为平面偏振组合器时，可以在相反方向上使用相同的结构105。或者，当该结构105被配置为平面偏振器时，仅使用基本上TE或TM偏振光输出中的一个。
平面偏振分光器105包括输入耦合器110、第一和第二平面波导115、120以及输出耦合器125。输入耦合器110、第一和第二平面双折射波导115、120以及输出耦合器125均位于平面衬底130上。即，衬底130具有这些组件位于其上的平面表面135。如图1所示，这些组件110、115、120、125可以通过光导结构137(如波导)而光耦合。第一或第二平面波导115、120中的至少一个是双折射的。在一些实施例中，仅一个波导115、120是双折射的。即，两个波导115、120之一是双折射的，另一波导不是双折射的。
被配置为平面偏振分光器的平面光学结构105可以被配置为对输入光140进行偏振分离。输入耦合器110被配置为将输入光140(例如，横向偏振光或非偏振光)分为两个分离但相等的输入光束142、143。在一些实施例中，输入耦合器110是1对2(1-by-2)耦合器。示例类型的1对2耦合器是多模干涉(MMI)耦合器。在一些实施例中，输入光140处于C频带波长范围(例如大约1.52至1.56微米)内。然而，在期望时，可以使用在光通信中使用的其他输入波长的光。
输出耦合器125被配置为在输入光束142、143经过第一和第二波导115、120之后接收该输入光束。即，来自第一和第二波导的输出光束144、145充当输出耦合器125的输入光。来自第二耦合器125的第一输出光束150是基本上TE偏振光，来自第二耦合器125的第二输出光束152是基本上TM偏振光。备选地，第一输出光150可以是基本上TM偏振光，第二输出光152可以是基本上TE偏振光。在一些实施例中，输出耦合器125是2对2耦合器。示例类型的2对2耦合器是MMI耦合器。
图2呈现了图1的示例平面偏振分光器105沿视图线2-2的横截面详细视图。如图2所示，平面波导115、120的一些实施例是脊波导。本领域技术人员应当熟悉各种类型的脊波导或可使用的其他波导设计。
第一和第二平面双折射波导115、120分别包括第一和第二芯210、215。芯210、215对输入光140(图1)来说是透明的。本文使用的术语“透明”意味着芯210、215的带隙波长比输入光140的波长至少要小大约0.05微米。例如，由铟-镓-砷化物-磷化物(indium gallium arsenide phosphide，InGaAsP)构成的具有大约1.4微米带隙波长的芯210、215适于C频带波长范围内的输入光140。
如图1和2进一步所示，第一波导115的第一芯210的宽度147大于第二波导120的第二芯215的宽度148。第一和第二波导115、120中的每一个被配置为接收两个输入光束142、143之一。
如上所述，波导115、120是双折射的。构成波导115、120的材料(如芯和覆层材料)不必须是固有双折射的，尽管在期望时可以使用固有双折射的材料。然而，波导的非对称几何形状可以向波导赋予双折射。例如，使芯210、215基本上比其宽度薄可以向波导115、120赋予双折射。在一些情况下，例如，芯210、215的厚度220、222与宽度147、148之比可以从大约1∶5至1∶45变化。
提供薄芯的平面波导芯210、215便于向波导115、120赋予双折射属性，并便于根据芯宽度147、148来调整TM和TE偏振光的折射率。对于一些实施例，第一和第二芯210、215具有小于或等于在波导115、120中给出最大垂直限制的芯厚度的厚度220、222。例如，对于一些实施例，厚度220、222可以小于大约0.28微米的最大限制厚度。最大限制厚度向波导的宽度147、148提供了双折射的最大敏感度。然而，0.28微米的厚度对于高阶模可以具有低损耗，从而可能导致光路中的不期望的多模行为。因此，在一些实施例中，例如，芯层210、215可以具有从大约0.1至0.2微米变化的厚度220、222，更优选地，具有大约0.16微米的厚度220、222，作为最大模限制与高阶模抑制之间的良好折衷。在一些情况下，期望芯层210、215具有相同的厚度220、222，这是由于这些实施例比使用不同厚度220、222的实施例需要更少的步骤来制造。
除了将宽度147、148调整为大于赋予双折射的厚度220、222以外，针对芯210、215选择的特定宽度147、148可以取决于多个其他因素。这些因素包括：输入光140的波长(λ)、波导115、120的长度(L)以及构成波导115、120的材料的折射率(n)。一般地，经过两个波导115、120的TE和TM偏振光的折射率差由Δnte-tm＝nte-ntm(第一波导)-nte-tm(第二波导)给出。由L＝λ/2·Δnte-tm给出L、λ和Δnte-tm之间的关系以创建偏振分光器。
考虑这样的示例实施例，其中，λ等于C频带波长，波导的长度155、157(图1)均等于大约460微米，波导115、120两者包括磷化铟衬底130上的InGaAsP平面芯210、215，芯210、215两者具有大约0.2微米的厚度220、222。为了实现所期望的来自第二耦合器125的TE和TM偏振光输出150、152的划分，第一芯宽度147可以处于大约3.0至4.5微米的范围内，第二芯宽度148可以处于大约1.0至2.5微米的范围内。在一些实施例中，芯宽度147、148分别是大约2.0微米和大约3.5微米。在一些情况下，这种芯宽度147、148可以使TE和TM偏振光(如nte-ntm)在两个波导115、120之间的折射率差(如Δnte-tm)等于大约1.7x10-3。
当在经过波导115、120之后如上所述调整输入光束142、143时，第二耦合器125可以在输出光束144、145之间实现相长和相消干涉，使得一个第二耦合器输出光150是基本上TE偏振光，而另一第二耦合器输出光152是基本上TM偏振光。例如，对于一个第二耦合器输出光150，对第一和第二输入光束142、143中的TE偏振光进行相长干涉，而对TM偏振光进行相消干涉。相反，对于另一第二耦合器输出光152，对第一和第二输入光束142、143中的TE偏振光进行相消干涉，而对TM偏振光进行相长干涉。
尽管上述设计造成了TE和TM输出光束150、152之间的相位差，但是还期望经过两个波导115、120的光144、145的TE部分的相位差大约等于0度(同样地，光144、145的TM部分的对应相位差大约等于180度)。然而，结构105的波导115、120或其他组件中的小的制造瑕疵可能使该约束难以实现。因此，在一些实施例中，移相器(未示出)位于波导115、120中的一个或两个上。移相器可以便于对两个波导115、120之间的总体相对相位进行制造后(post-fabrication)调整，以在第二耦合器输出光束150和152中实现期望的相长干涉和相消干涉。示例类型的移相器是电流注入移相器，但也可以使用其他类型的移相器(如热光移相器)。
宽度147、148的多种不同组合可以用于实现所期望的偏振光分裂。例如，图3示出了TE和TM偏振光之间的折射率差(nte-ntm)与本文描述的波导宽度(W)之间的示例理论关系的示意曲线图310。在一些情况下，期望针对两个波导的较宽芯(w1)(例如，图1中的第一波导115的第一芯宽度147)使用最大实际芯宽度。在这种情况下，可以达到所期望的Δnte-tm(图3)，而两个波导的较窄芯(w2)(例如，图1中的第二波导120的第二芯宽度148)不必处于曲线图310的较陡部分上。
可以期望避免过度窄的芯宽度(例如在一些实施例中小于大约0.5微米)，这是由于芯的侧壁240的表面粗糙度的制造变化可能导致不期望的光插入损耗。然而，如图3进一步所示，随着芯宽度增大，nte-ntm的增加可以变为最小。例如，可以存在nte-ntm实质上最大的特定最大芯宽度(例如，在渐近线界限的90％内)。另外，最大芯宽度可能受到实际设计约束的限制，例如需要避免激励波导115、120的高阶波导模。
如图2所示，波导芯210、215以距离245彼此分离，距离245足以防止穿过每个波导115、120的光142、143之间的相互作用。例如，在一些实施例中，芯210、215以大约1.5微米或更大的距离245而分离。
同样如图2所示，衬底130可以被配置为具有波导芯210、215位于其上的分离的提升(raised)部分250。例如，当执行蚀刻以形成芯210、215时，可以存在过度蚀刻以移除衬底130中未被芯210、215覆盖的暴露部分，从而形成提升部分250。然而，在其他情况下，可以存在与衬底130具有不同成分的沉积提升部分。期望地，对于波导芯210、215的宽度147、148的给定差异，形成提升部分250可以增加双折射的改变。这进而可以缩短实现输出光150、152的期望相位差所需的波导长度155、157，从而提出更紧凑的结构105。要避免过分深的衬底130蚀刻，这是由于在这种情况下，对光相位的波导宽度控制可能变得不太精确，并且波导115、120的高阶模中的多余能量可能不如所期望的那样快地在衬底130中耗散。在一些实施例中，提升部分250的高度252在大约0.3至1.5微米的范围内。
提升部分250可以是波导115、120的覆层的一部分。在这种情况下，不论提升部分250是衬底130的一部分还是分离的沉积材料，提升部分250的折射率都小于芯210、215的折射率。
如图2进一步所示，在波导芯210、215上还可以存在材料层255。在一些情况下，材料层255的成分与衬底130相同。例如，衬底130和材料层255均由InP构成。然而，在其他情况下，材料层255可以与衬底130具有不同成分。对于图2所示的实施例，材料层255直接位于芯210、215的顶部257的上方，并覆盖芯210、215的顶部257。材料层255可以是波导115、120的覆层的一部分。在这种情况下，芯210、215的折射率大于共形(conformal)材料层255的折射率。
因此，在一些实施例中，波导115、120均可以包括：提升部分250和材料层255，两者之间是芯210、215，提升部分250和材料层255分别充当下覆层和上覆层。
在一些情况下，波导芯210、215的侧壁240(或脊)与空气相邻。在其他情况下，如图2所示，侧壁240可以与平面化材料层260相邻。与芯210、215相邻的空气或平面化材料层260可以是波导115、120的覆层的一部分。有时期望与侧壁240相邻的材料(如空气或平面化材料层260)的折射率基本上小于芯210、215的折射率，这是由于这可以有助于增加波导115、120中的双折射。例如，在一些情况下，芯210、215的折射率与空气或平面化材料层260的折射率之比是大约1.5或更大。
如图所示，平面化材料层260可以填充衬底130中与波导115、120相邻的侧面区域，使得结构105的上表面265一致地为平面。提供一致的平面表面265可以便于形成结构105的附加组件，如金属线或电容器(未示出)表面265。此外，平面化材料层260有助于防止在波导115、120附近累积可能影响其功能的灰尘或其他材料。
在一些实施例中，平面化材料层260的折射率处于空气的折射率与芯210、215的折射率之间。具有空气和芯210、215之间的折射率可以有助于通过最小化由于波导壁粗糙度而引起的光学损耗来减小进入波导115、120的插入损耗。
作为示例，在一些情况下，当芯210、215由InGaAsP构成时，平面化材料层260可以由折射率处于InGaAsP的折射率(大约3.3)与空气的折射率(大约1)之间的聚合物构成。在一些情况下，平面化材料层260包括或者是苯并环丁烯(benzocyclobutene，BCB)聚合物(折射率大约1.7)。
如图1所示，在一些情况下，波导115、120的长度155、157基本上相同。即，两个长度155、157的任何差异促成的只不过是两个波导115、120之间TE和TM偏振光的最多大约1％的相位差。在一些情况下，期望具有基本上相同的长度155、157，这是由于具有相等长度155、157使结构105对波长的变化(例如，输入光140中的波长变化)较不敏感。此外，构成具有基本上相同长度155、157的波导115、120的过程比构造具有不同长度155、157的波导115、120需要较少的步骤。然而，在其他情况下，不同长度155、157可以例如有利地用于改变来自第二耦合器125的输出中的哪一个发射基本上TE或TM偏振光束150、152。
在一些实施例中，第一和第二芯210、215包括相同半导体合金的层。在一些情况下，半导体合金是复合物半导体。在一些情况下，第一和第二芯210的层本质上由相同半导体合金构成。即，合金的构成元素的差异小于大约1％。例如，当芯210、215由InGaAsP构成时，两个芯210、215具有相同的In∶Ga∶As∶P比率，对于每种元素，在±1％之内。具有由相同合金构成的芯210、215可以有利地减少波导制造所需的步骤的数目。在其他情况下，第一和第二波导115、120可以由不同合金制成。例如，两个波导115、120可以具有不同的In∶Ga∶As∶P比率，或可以包括诸如铝之类的其他元素。
在一些实施例中，衬底130可以由诸如InP之类的第二合金(如半导体合金)构成。在如上所讨论衬底130充当覆层的一部分的一些实施例中，衬底130可以由关于输入光140具有比芯210、215的第一合金的折射率低的折射率的第二合金构成。
尽管以上提出的示例实施例以InGaAsP芯和InP衬底为特征，但本领域技术人员应当理解，本公开的偏振分光器105如何能够将不同类型的合金用于芯210、215和衬底130。
如上所述，在设备100的其他实施例中，平面光学结构105可以被配置为平面偏振组合器。在这种情况下，图1所示的结构105具有基本上相同的组件，然而这些组件可以被配置为对沿与图1所示相反的方向传递的光进行处理。例如，平面偏振组合器105包括：输入耦合器125、第一和第二波导115、120和输出耦合器110，全部位于平面衬底130上。输入耦合器125(如2对2耦合器)被配置为传送两个分离的输入光束150、152，其中，第一输入光150是基本上横电偏振光，第二输入光152是基本上横磁偏振光。在其他情况下，第一和第二输入光150、152分别是基本上横电磁和电偏振光。第一和第二波导115、120中的每一个被配置为接收两个输入光束150、152之一，第一波导115的第一芯210的宽度147大于第二波导120的第二芯的宽度145。输出耦合器110(如2对1耦合器)被配置为接收经过第一和第二波导115、120之后的输入光142、143。来自输出耦合器110的单个输出光140具有横电偏振光和横磁偏振光两者。
本公开的另一方面是使用上述设备的方法。图4呈现了使用其中具有平面光学结构(例如被配置为如图1-2中的分光器)的设备的示例方法400的流程图。
继续参照图1-2，方法400包括：步骤405，将输入光140(例如相干或非相干光)划分为分离的TE和TM偏振光输出150、152。将输入光140进行划分(步骤405)包括：步骤410，将输入光150的一部分传递至平面偏振分光器105的第一平面波导115；以及步骤415，将输入光152(例如，在一些情况下，互相干光)的其余部分传递至平面偏振分光器105的第二平面波导120。第一或第二平面波导115、120中的至少一个是双折射的。第一波导115的第一芯210的宽度145(如第一芯宽度)大于第二波导120的第二芯215的宽度147(如第二芯宽度)。在一些实施例中，通过使输入光140经过输入耦合器(如1对2耦合器)来便于执行步骤410、415，该输入耦合器将输入光140的相等部分分发给两个波导115、120。
将输入光140进行划分(步骤405)还包括：步骤420，对来自第一和第二平面波导115、120的输出光148、149光混频至分光器105的输出耦合器125。如上所讨论，在输出耦合器125中，不同相位的TE和TM偏振光之间存在相长干涉和相消干涉。因此，来自输出耦合器125的输出光150的一部分是基本上所期望的TE偏振光，来自输出耦合器125的输出光152的其余部分是基本上所期望的TM偏振光。
方法400的一些实施例还包括：步骤430，在光子集成电路100中对基本上TE偏振光150和基本上TM偏振光152进行混频，与参考信号进行拍频(beat)，从而从输入信号140解调(例如，解码)出信息(例如，解调出参考信号的相位)。例如，在步骤430中对相位进行调制可以包括诸如偏移正交相移键控(OQPSK)之类的偏振复用。本领域技术人员应当理解，这些步骤或附加过程如何可以用于发送或接收在经过电路100的光中编码的信息，例如在Doerr等中所描述。
本公开的另一方面是制造上述设备的方法。图5-7呈现了制造其中具有平面光学结构(如图1-2中的分光器)的设备的示例方法中的所选步骤中的横截面视图。为了清楚，相同的参考标记用于示出相同的结构。具体地，图5-7示出了示例光学结构105的制造中的所选步骤。
与图2所示的视图类似，图5示出了部分制造的平面光学结构105(如分光器、组合器或偏振器)的横截面视图。图5示出了在平面衬底130上形成半导体合金层510之后的部分制造的结构105。图5还示出了在合金层510上形成材料层520之后的结构105。为了便于形成双折射波导115、120，材料层520和衬底130的折射率小于合金层510的折射率。例如，InGaAsP合金层510可以生长在InP衬底130的平面表面135上，InP材料层520可以生长在平面InGaAsP层510上。在一些实施例中，合金层510具有大约0.1至0.2微米范围内的厚度525，材料层520具有大约1至3微米范围内的厚度530。
本领域技术人员应当熟悉可用于形成这种层510、520的各种传统的晶体生长技术(如金属有机气相外延)。例如，以InP晶片衬底130的衬底130开始，在使用例如金属有机化学气相淀积(MOCVD)机器的过程中，InP下覆层522、InGaAsP芯510和InP上覆层520可以连续地生长在衬底130上。
图6示出了在对材料层520和合金层510进行图案化(图5)以形成其上具有芯210、215和材料层255的分离的第一和第二波导115、120之后，图5的部分制造的结构105的横截面视图。第一芯宽度145(例如第一波导115的第一芯宽度145)大于第二芯宽度147(例如第二波导120的第二芯宽度147)。所述第一或第二平面波导115、120中的至少一个是双折射的。可以使用任何传统的光刻图案化过程(例如，形成图案化的掩模以及湿法或干法蚀刻)来将层510、520图案化为波导的形状。例如，可以对硬掩模层(如硅石)进行沉积，然后对其进行图案化和蚀刻，以针对波导的蚀刻提供硬掩模，然后移除该硬掩模。然后，可以由衬底130(和可选层522)形成双折射波导115、120，可以使用反应离子蚀刻(RIE)或感应耦合等离子蚀刻(ICP)来对材料层520和合金层510(图5)进行蚀刻。如图6所示，图案化的材料层255可以共形地覆盖图案化的芯210、215。即，图案化的材料层255与图案化的芯210、215具有基本上相同的周边(perimeter)。
如图6进一步所示，在一些实施例中，图案化过程包括：移除衬底130(和可选层522)中未被芯210、215覆盖的部分，以形成衬底130的直接位于第一和第二波导芯210、215之下的提升部分250。即，第一和第二芯210、215位于分离的提升部分250上。例如，可以继续进行上述蚀刻过程，以蚀刻掉衬底130的大约0.3至1.5微米的厚度610。
图7示出了在将平面化层260沉积在材料层255和波导芯210、215上以使得偏振结构105的上表面265为平面之后，图6的部分制造的结构105的横截面视图。在一些实施例中，平面化层260是被旋涂在衬底130上然后被加热以均匀地覆盖共形材料层255、波导芯210、215和相邻空间的聚合物层(例如，苯并环丁烯聚合物层)。
形成平面光学结构105还可以包括：在衬底上形成输入耦合器110(例如，对于分光器或偏振器实施例，1对2耦合器)和输出耦合器125(例如，对于分光器或偏振器实施例，2对2耦合器)(图1)。将耦合器110、125形成为使得输入耦合器110的一端170光连接至第一和第二波导115、120的输入端171、172，以及使得2对2耦合器125的一端175光连接至第一和第二波导115、120的输出端176、177。可以与形成波导115和120同时、并使用与上文所述的形成波导115、120相同的过程来形成耦合器110、125。
本领域技术人员应当熟悉完成平面光学结构105的制造的附加过程，包括：在偏振结构105的平面上表面265上形成形成移相器以及金属线和电容器(未示出)(图1)。形成平面光学结构105可以是形成被配置为光子集成电路的设备100的一部分。
尽管详细描述了实施例，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离本公开的范围的前提下，可以对实施例进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种设备，包括：
平面光学结构，包括：
平面衬底上的输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将输入光分为两个光束；
所述平面衬底上的第一和第二平面波导，所述第一和第二波导中的每一个被配置为接收所述两个波束之一，其中，所述第一波导的第一芯的宽度大于所述第二波导的第二芯的宽度，所述第一或第二平面波导中的至少一个是双折射的；以及
所述平面衬底上的输出耦合器，所述输出耦合器被配置为接收经过所述第一和第二波导之后的所述光束，其中，来自所述输出耦合器的第一输出光束是基本上横电偏振光，来自所述输出耦合器的第二输出光束是基本上横磁偏振光。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述平面光学结构被配置为从由以下构成的组中选择的一项：平面偏振分光器、平面偏振组合器、以及平面偏振器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一和第二芯的厚度基本上小于所述第一芯宽度和所述第二芯宽度。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一和第二芯均由铟-镓-砷化物-磷化物构成，所述衬底由磷化铟构成。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述波导芯的侧壁与材料相邻，其中，所述第一和第二波导的折射率与所述相邻材料的折射率之比是大约1.5或更大。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一和第二波导具有基本上相同的长度。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一和第二平面波导都是双折射的。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述被配置为平面偏振分光器的平面光学结构被配置为对C频带波长范围内的所述输入光进行偏振分离。
9.一种使用方法，包括：
将输入光划分为分离的横电和横磁偏振输出光束，包括：
将所述输入光的一部分传递至平面偏振分光器的第一平面波导；
将所述输入光的其余部分传递至所述平面偏振分光器的第二平面波导，其中，所述第一波导的第一芯的宽度大于所述第二波导的第二芯的宽度，所述第一或第二平面波导中的至少一个是双折射的；以及
把来自所述第一和第二平面波导的输出光光混频至所述偏振分光器的输出耦合器。
10.一种制造方法，包括：
制造平面光学结构，包括：
在平面衬底上形成半导体合金层；
在所述半导体合金层上形成材料层，其中，所述材料层和所述衬底的折射率小于所述半导体合金层的折射率；以及
对所述材料层和所述半导体合金层进行图案化，以形成分离的第一和第二波导，其中，所述第一波导的第一芯的宽度大于所述波导的第二芯的宽度，所述第一或第二平面波导中的至少一个是双折射的。
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