CN104090375B - 光隔离装置和光隔离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种光隔离装置和光隔离方法。本发明光隔离装置，包括：第一偏振分束转换器、第二偏振分束转换器、TM模光隔离器；第一偏振分束转换器用于接收TE模信号光，将TE模信号光转换为TM模信号光，并将TM模信号光传输给TM模光隔离器；TM模光隔离器用于接收来自第一偏振分束转换器的TM模信号光，并将TM模信号光传输给第二偏振分束转换器；第二偏振分束转换器用于接收来自TM模光隔离器的TM模信号光，将TM模信号光还原为TE模信号光，并将TE模信号光从第二偏振分束转换器的输出端输出。本发明实施例实现了对TE模的光进行隔离，且器件尺寸小、工艺相对简单。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光通信技术，尤其涉及一种光隔离装置和光隔离方法。
背景技术
光隔离装置的基本工作原理为：允许光从一个方向通过，阻止光从另一个方向通过。光隔离装置的作用在于可以防止反射光对(如激光器等)有源光器件造成损害。目前在光通信领域中，没有提供一种用于对横电(Transverse Electric，TE)模的光进行隔离的光隔离装置。
发明内容
本发明实施例提供一种光隔离装置和光隔离方法，以实现对TE模信号光进行光隔离。
第一方面，本发明实施例提供一种光隔离装置，包括：
第一偏振分束转换器、第二偏振分束转换器、TM模光隔离器，所述第一偏振分束转换器的输出端与所述TM模光隔离器的输入端连接，所述TM模光隔离器的输出端与所述第二偏振分束转换器的输入端连接；
所述第一偏振分束转换器用于接收TE模信号光，将所述TE模信号光转换为TM模信号光，并将所述TM模信号光从所述第一偏振分束转换器的输出端传输给所述TM模光隔离器；
所述TM模光隔离器用于自所述TM模光隔离器的输入端接收来自所述第一偏振分束转换器的所述TM模信号光，并将所述TM模信号光通过所述TM模光隔离器的输出端传输给所述第二偏振分束转换器；
所述第二偏振分束转换器用于自所述第二偏振分束转换器的输入端接收来自所述TM模光隔离器的所述TM模信号光，将所述TM模信号光还原为所述TE模信号光，并将所述TE模信号光从所述第二偏振分束转换器的输出端输出，所述第二偏振分束转换器还用于接收从所述第二偏振分束转换器的输出端输入的所述TE模信号光，将所述TE模信号光转换为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光从所述第二偏振分束转换器的输入端传输给所述TM模光隔离器的输出端；
所述TM模光隔离器还用于阻断自所述TM模光隔离器的输出端输入的所述TM模信号光通过。
结合第一方面，在第一方面的第一种实现方式中：
所述第一偏振分束转换器包括第一光波导、第二光波导和第三光波导，所述第一光波导的TE模的有效折射率和所述第二光波导的TE1阶模的有效折射率相等，且所述第一光波导和所述第二光波导的间距位于0.2μm到0.35μm的范围内；
所述第一光波导用于接收所述TE模信号光，并将所述TE模信号光耦合到所述第二光波导，所述TE模信号光耦合到所述第二光波导后转化为TE1阶模信号光；
所述第二光波导用于将所述TE1阶模信号光传输到所述第三光波导；
所述第三光波导的输入端与所述第二光波导连接，输出端与所述TM模光隔离器连接，所述第三光波导用于将所述TE1阶模信号光转变成为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光传输给所述TM模光隔离器。
结合第一方面的第一种实现方式，在第一方面的第二种实现方式中：
所述第一光波导的宽度位于0.36μm到0.39μm的范围内；
所述第二光波导的宽度位于0.73μm到0.8μm的范围内。
结合第一方面的第一、第二种实现方式，在第一方面的第三种实现方式中：
所述第一光波导的宽度在所述第一光波导的整体长度方向上是相等的。
结合第一方面的第一至第三任一种实现方式，在第一方面的第四种实现方式中：
所述第二光波导的宽度在所述第二光波导的整体长度方向上是相等的。
结合第一方面的第一至第四任一种实现方式，在第一方面的第五种实现方式中：
所述第三光波导的上包层为空气；
所述第三光波导的输入端的宽度与所述第二光波导的宽度相等；
所述第三光波导的输出端的宽度位于0.38μm到0.6μm的范围内；
所述第三光波导的长度位于40μm到60μm的范围内，所述第三光波导从所述第三光波导的输入端到所述第三光波导的输出端的宽度的变化趋势为越来越小。
结合第一方面的第五种实现方式，在第一方面的第六种实现方式中：
所述第三光波导从所述第三光波导的输入端到所述第三光波导的输出端的宽度的变化趋势为均匀变小。
结合第一方面的第一至第六任一种实现方式，在第一方面的第七种实现方式中：
所述第二偏振分束转换器包括第四光波导、第五光波导和第六光波导，
所述第四光波导的输入端与所述TM模光隔离器连接，输出端与所述第五光波导连接，所述第四光波导用于将所述TM模信号光转变成为所述TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光传输给所述第五光波导；
所述第五光波导的TE1阶模的有效折射率和所述第六光波导的TM模的有效折射率相等，所述第五光波导和所述第六光波导的间距位于0.2μm到0.35μm的范围内；
所述第五光波导用于接收所述TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光耦合到所述第六光波导，所述TE1阶模信号光耦合到所述第六光波导后还原为所述TE模信号光；所述第六光波导用于将所述TE模信号光输出。
结合第一方面的第七种实现方式，在第一方面的第八种实现方式中：
所述第五光波导的宽度在0.73μm到0.8μm之间；
所述第六光波导的宽度在0.36μm到0.39μm之间。
结合第一方面的第七、第八种实现方式，在第一方面的第九种实现方式中：
所述第五光波导的宽度沿所述第五光波导的长度方向上是相等的。
结合第一方面的第七至第九任一种实现方式，在第一方面的第十种实现方式中：
所述第六光波导的宽度沿所述第六光波导的长度方向上是相等的。
结合第一方面的第七至第十任一种实现方式，在第一方面的第十一种实现方式中：
所述第四光波导的上包层为空气；
所述第四光波导的输入端的宽度位于0.38μm到0.6μm的范围内；
所述第四光波导的输出端的宽度与所述第五光波导的宽度相等；
所述第四光波导的长度位于40μm到60μm的范围内，所述第四光波导从所述第四光波导的输入端到所述第四光波导的输出端的宽度的变化趋势为越来越大。
结合第一方面的第十一种实现方式，在第一方面的第十二种实现方式中：
所述第四光波导从所述第四光波导的输入端到所述第四光波导的输出端的宽度的变化趋势为均匀变大。
第二方面，本发明实施例提供一种光模块，至少包括如第一方面中任一项所述的光隔离装置和激光器，所述激光器用于产生所述TE模信号光，所述光隔离装置用于对所述TE模信号光进行光隔离。
第三方面，本发明实施例提供光隔离方法，包括：
将所述TE模信号光转变为TM模信号光，并将所述TM模信号光通过TM模光隔离器的输入端传输给所述TM模光隔离器；
所述TM模光隔离器接收所述TM模信号光，并将所述TM模信号光通过所述TM模光隔离器的输出端输出；
将自所述TM模光隔离器的输出端输出的所述TM模信号光还原为所述TE模信号光并输出；
将输出的所述TE模信号光转变为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光通过所述TM模光隔离器的输出端传输给所述TM模光隔离器，所述TM模光隔离器阻断所述TM模信号光的传输。
结合第三方面，在第三方面的第一种实现方式中，所述将所述TE模信号光转变为TM模信号光，具体包括：
将所述TE模信号光转变为TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光转变为所述TM模信号光。
结合第三方面、或第三方面的第一种实现方式，在第三方面的第二种实现方式中，所述将所述TM模信号光还原为所述TE模信号光并输出，包括：
所述将所述TM模信号光还原为所述TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光还原为所述TE模信号光。
可知，采用本发明实施例提供的光隔离装置，包括：第一偏振分束转换器、第二偏振分束转换器和TM模光隔离器；其中，所述第一偏振分束转换器和所述第二偏振分束转换器分别与所述TM模光隔离器连接，所述TM模光隔离器位于所述第一偏振分束转换器和所述第二偏振分束转换器之间；入射的TE模信号光通过第一偏振分束转换器转化为TM模信号光，且第一偏振分束转换器将TM模信号光传输给TM光隔离器；TM光隔离器将TM模信号光输出给第二偏振分束转换器；第二偏振分束转换器将TM模信号光还原成TE模信号光并输出。反之，在入射的TE模信号光通过第一偏振分束转换器转化为TM模信号光，且第二偏振分束转换器将TM模信号光传输给TM光隔离器时，TM光隔离器将会阻断该TM模信号光的传输，阻断了该TM模信号光的传输也即阻断了转化为TM模信号光的TE模信号光的传输。所以，采用本发明实施例提供的技术方案，可以实现入射的TE模信号光通过第一偏振分束转换器、TM模光隔离器和第二偏振分束转换器传输出去，但是该TE模信号光沿着与其传输方向相反的方向回传的时候，将会被阻断，也即，采用本方案，可以实现对TE模信号光进行光隔离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明光隔离装置实施例一的结构示意图一；
图2为本发明光隔离装置实施例一的结构示意图二；
图3为本发明光隔离装置实施例二的第一偏振分束转换器结构示意图；
图4为波导有效折射率随波导宽度变化曲线图；
图5为本发明光隔离装置实施例三的第二偏振分束转换器结构示意图；
图6为本发明光隔离装置实施例的TM模光隔离器结构示意图；
图7为本发明光隔离装置实施例四的结构示意图一；
图8为本发明光隔离装置实施例四的第一偏振分束转换器结构示意图；
图9为本发明光隔离装置实施例四的结构示意图二；
图10为本发明光隔离装置实施例的波导结构组成示意图；
图11为本发明光隔离装置实施例的TM模光隔离器结构组成示意图一；
图12为本发明光隔离装置实施例的TM模光隔离器结构组成示意图二；
图13为本发明光模块实施例的结构示意图；
图14为本发明光隔离方法实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明光隔离装置实施例一的结构示意图一，图2为本发明光隔离装置实施例一的结构示意图二。如图1和图2所示，本实施例的光隔离装置20可以包括：
第一偏振分束转换器201、第二偏振分束转换器202、横磁(TransverseMagnetic，简称TM)模光隔离器203，所述第一偏振分束转换器201的输出端与所述TM模光隔离器203的输入端连接，所述TM模光隔离器203的输出端与所述第二偏振分束转换器202的输入端连接；
所述第一偏振分束转换器201用于接收TE模信号光，将所述TE模信号光转换为TM模信号光，并将所述TM模信号光从所述第一偏振分束转换器201的输出端传输给所述TM模光隔离器203；
所述TM模光隔离器203用于自所述TM模光隔离器203的输入端接收来自所述第一偏振分束转换器201的所述TM模信号光，并将所述TM模信号光通过所述TM模光隔离器203的输出端传输给所述第二偏振分束转换器202；
所述第二偏振分束转换器202用于自所述第二偏振分束转换器的输入端接收来自所述TM模光隔离器203的所述TM模信号光，将所述TM模信号光还原为所述TE模信号光，并将所述TE模信号光从所述第二偏振分束转换器202的输出端输出，所述第二偏振分束转换器还用于接收从所述第二偏振分束转换器的输出端输入的所述TE模信号光，将所述TE模信号光转换为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光从所述第二偏振分束转换器的输入端传输给所述TM模光隔离器的输出端；
所述TM模光隔离器203还用于阻断自所述TM模光隔离器203的输出端输入的所述TM模信号光通过。
具体地，该光隔离装置20基于硅基平台，使用绝缘衬底上的硅(SiliconOn Insulator，简称SOI)波导，包含3部分：第一偏振分束转换器201、第二偏振分束转换器202和TM模光隔离器203。TE模信号光输入所述第一偏振分束转换器201，经所述第一偏振分束转换器201转换为TM模信号光，所述TM模信号光从所述第一偏振分束转换器201的输出端传输给所述TM模光隔离器203，并经所述TM模光隔离器203传输到所述第二偏振分束转换器202，所述TM模信号光经所述第二偏振分束转换器202后还原为所述TE模信号光，所述TE模信号光从所述第二偏振分束转换器202的输出端输出。
上述光隔离装置20能够保证TE模信号光正向通过并且保持了光的模式信息，对于反向入射的TE模信号光即从第二偏振分束转换器传输到TM模光隔离器的TE模信号光，可以实现隔离。
本实施例，光隔离装置包括：第一偏振分束转换器、第二偏振分束转换器和TM模光隔离器，所述第一偏振分束转换器的输出端与所述TM模光隔离器的输入端连接，所述TM模光隔离器的输出端与所述第二偏振分束转换器的输入端连接；所述第一偏振分束转换器用于接收TE模信号光，将所述TE模信号光转换为TM模信号光，并将所述TM模信号光传输给所述TM模光隔离器；所述TM模光隔离器用于接收来自所述第一偏振分束转换器的所述TM模信号光，并将所述TM模信号光传输给所述第二偏振分束转换器；所述第二偏振分束转换器用于接收来自所述TM模光隔离器的所述TM模信号光，将所述TM模信号光还原为所述TE模信号光，并将所述TE模信号光从所述第二偏振分束转换器的输出端输出。反之，在入射的TE模信号光通过第一偏振分束转换器转化为TM模信号光，且第二偏振分束转换器将TM模信号光传输给TM光隔离器时，TM光隔离器将会阻断该TM模信号光的传输，阻断了该TM模信号光的传输也即阻断了转化为TM模信号光的TE模信号光的传输。所以，采用本发明实施例提供的技术方案，可以实现入射的TE模信号光通过第一偏振分束转换器、TM模光隔离器和第二偏振分束转换器传输出去，但是该TE模信号光沿着与其传输方向相反的方向回传的时候，将会被阻断，也即，采用本方案，可以实现对TE模信号光进行光隔离。
图3为本发明光隔离装置实施例二的第一偏振分束转换器结构示意图，图4为波导有效折射率随波导宽度变化曲线图。在实施例一的基础上，本实施例中，进一步地，所述第一偏振分束转换器201包括第一光波导2010、第二光波导2011和第三光波导2012，所述第一光波导2010的TE模的有效折射率和所述第二光波导2011的TE1阶模的有效折射率相等，且所述第一光波导2010和所述第二光波导2011的间距位于0.2μm到0.35μm的范围内；
所述第一光波导2010用于接收所述TE模信号光，并将所述TE模信号光耦合到所述第二光波导2011，所述TE模信号光耦合到所述第二光波导2011后转化为TE1阶模信号光；
所述第二光波导2011用于将所述TE1阶模信号光传输到所述第三光波导2012；
所述第三光波导2012的输入端与所述第二光波导2011连接，输出端与所述TM模光隔离器连接，所述第三光波导2012用于将所述TE1阶模信号光转变成为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光传输给所述TM模光隔离器。
可选地，所述第一光波导的宽度位于0.36μm到0.39μm的范围内；
所述第二光波导的宽度位于0.73μm到0.8μm的范围内。
可选地，所述第一光波导的宽度在所述第一光波导的整体长度方向上是相等的。
可选地，所述第二光波导的宽度在所述第二光波导的整体长度方向上是相等的。
具体地，如图3所示，所述第一偏振分束转换器201由SOI上硅Si纳米线波导实现，所述TE模信号光输入所述第一光波导2010，并从所述第一光波导2010耦合到所述第二光波导2011，所述第一光波导2010的TE模的有效折射率和所述第二光波导2011的TE1阶模的有效折射率相等，发生耦合，所述TE模光信号耦合到所述第二光波导2011后转化为TE1阶模信号光，如图4中虚线箭头1所示；图4中TE0表示TE基膜的信号光也就是TE模的信号光，TE1表示TE1阶模信号光，TE2表示TE2阶模信号光，TM0表示TM基膜的信号光也就是TM模的信号光。本发明实施例中的波导的高度采用220nm的高度。
所述第一光波导2010和所述第二光波导2011相耦合部位的长度，即图3中l1的长度，以将输入到所述第一光波导2010内的所述TE模信号光全部耦合到所述第二光波导2011为准。
所述TE1阶模信号光经所述第二光波导2011传输到所述第三光波导2012，所述TE1阶模信号光经所述第三光波导2012转变为所述TM模信号光传输到所述TM模光隔离器203。所述第一光波导2010和所述第二光波导2011的耦合部分的间距，即图3中的的d1位于0.2μm到0.35μm的范围内。
第一光波导2010的宽度即图3中w1可以位于0.36μm到0.39μm的范围内；所述第二光波导2011的宽度即图3中w2可以位于0.73μm到0.8μm的范围内。所述第一光波导2010的宽度在所述第一光波导2010的整体长度方向上是相等的，即图3中从左到右的方向上宽度w1相等。所述第二光波导2011的宽度在所述第二光波导2011的整体长度方向上是相等的，即图3中从左到右的方向上宽度w2相等。波导的宽度决定了其传输的信号光的模式。第一光波导和第二光波导宽度不相等，第二光波导的宽度大于第一光波导的宽度，才能实现图4中虚线箭头1所示的所述TE模光信号由第一光波导耦合到所述第二光波导后转化为TE1阶模信号光。
可选地，所述第三光波导的上包层为空气，
所述第三光波导的输入端的宽度与所述第二光波导的宽度相等，
所述第三光波导的输出端的宽度位于0.38μm到0.6μm的范围内，
所述第三光波导的长度位于40μm到60μm大于或等于20μm的范围内，所述第三光波导从所述第三光波导的输入端到所述第三光波导的输出端的宽度的变化趋势为越来越小。
可选地，所述第三光波导从所述第三光波导的输入端到所述第三光波导的输出端的宽度的变化趋势为均匀变小。
具体地，为了实现由TE1阶模信号光转化为TM模信号光，所述第三光波导2012的上包层可以为空气，如果上包层为SiO2则不能实现由TE1阶模信号光转化为TM模信号光，即如图4所示，虚线圆圈表示模式混淆区域，即可以进行模式转化，上包层不为SiO2(比如用空气)才有这个区域，才能实现虚线箭头2所示的模式转化的功能。
由图4中可以看出，所述第三光波导2012的输出端的宽度可以位于0.38μm到0.6μm的范围内，由于所述第二光波导2011的宽度即图3中w2可以位于0.73μm到0.8μm的范围内，则所述第三光波导2012从所述第三光波导2012的输入端到所述第三光波导2012的输出端的宽度的变化趋势为越来越小，即如图3中从左到右宽度逐渐变小，具体可以是均匀变化的。
所述第三光波导2012的长度即图3中l2可以位于40μm到60μm的范围内。
图3中的第一偏振分束转换器201仅为示意性的一种实现方式，其中，TE模信号光输入所述第一光波导2010与第二光波导耦合之前的第一光波导可以为直线型波导，即与第二光波导的距离相同，耦合之后的第一光波导可以没有，或者远离第三光波导这样可以避免光信号产生耦合。
本实施例，所述第一偏振分束转换器包括第一光波导、第二光波导和第三光波导，所述第一光波导的TE模的有效折射率和所述第二光波导的TE1阶模的有效折射率相等，所述第一光波导用于接收所述TE模信号光，并将所述TE模信号光耦合到所述第二光波导，所述TE模信号光耦合到所述第二光波导后转化为TE1阶模信号光；所述第二光波导用于将所述TE1阶模信号光传输到所述第三光波导；所述第三光波导的输入端与所述第二光波导连接，输出端与所述TM模光隔离器连接，所述第三光波导用于将所述TE1阶模信号光转变成为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光传输给所述TM模光隔离器，实现了将TE模信号光转化为TM模信号光。
图5为本发明光隔离装置实施例三的第二偏振分束转换器结构示意图，在实施例二的基础上，本实施例中，进一步地，所述第二偏振分束转换器202包括第四光波导2020、第五光波导2021和第六光波导2022；
所述第四光波导2020的输入端与所述TM模光隔离器连接，输出端与所述第五光波导2021连接，所述第四光波导2020用于将所述TM模信号光转变成为所述TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光传输给所述第五光波导2021；
所述第五光波导2021的TE1阶模的有效折射率和所述第六光波导2022的TM模的有效折射率相等，所述第五光波导2021和所述第六光波导2022的间距位于0.2μm到0.35μm的范围内；
所述第五光波导2021用于接收所述TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光耦合到所述第六光波导2022，所述TE1阶模信号光耦合到所述第六光波导2022后还原为所述TE模信号光；所述第六光波导2022用于将所述TE模信号光输出。
可选地，所述第五光波导的宽度在0.73μm到0.8μm之间；
所述第六光波导的宽度在0.36μm到0.39μm之间。
可选地，所述第五光波导的宽度沿所述第五光波导的长度方向上是相等的。
可选地，所述第六光波导的宽度沿所述第六光波导的长度方向上是相等的。
可选地，所述第四光波导的上包层为空气；
所述第四光波导的输入端的宽度位于0.38μm到0.6μm的范围内；
所述第四光波导的输出端的宽度与所述第五光波导的宽度相等；
所述第四光波导的长度位于40μm到60μm的范围内，所述第四光波导从所述第四光波导的输入端到所述第四光波导的输出端的宽度的变化趋势为越来越大。
可选地，所述第四光波导从所述第四光波导的输入端到所述第四光波导的输出端的宽度的变化趋势为均匀变大。
具体地，如图5所示，所述第二偏振分束转换器202由SOI上硅Si纳米线波导实现，所述TM模信号光从所述第四光波导2020的输入端输入，经所述第四光波导2020后转变为所述TE1阶模信号光，所述TE1阶模信号光从所述第四光波导2020的输出端传递到所述第五光波导2021，并从所述第五光波导2021耦合到所述第六光波导2022，所述TE1阶模信号光耦合到所述第六光波导2022后还原为所述TE模信号光。
为了实现由TM模信号光转化为TE1阶模信号光，所述第四光波导2020的上包层可以为空气，如果上包层为SiO2则不能实现由TM模信号光转化为TE1阶模信号光，即如图4所示，虚线圆圈表示模式混淆区域，即可以进行模式转化，上包层不为SiO2(比如用空气)才有这个区域，才能实现虚线箭头2所示的模式转化的功能。
由图4中可以看出，所述第四光波导2020的输入端的宽度可以位于0.38μm到0.6μm的范围内，由于所述第五光波导2021的宽度即图5中w2在0.73μm到0.8μm之间，则所述第四光波导2020从第四光波导2020的输入端到所述第四光波导2020的输出端的宽度的变化趋势为越来越大，即如图5中从左到右宽度逐渐变大，具体可以是均匀变化的。
所述第四光波导2020的长度即图5中l2位于40μm到60μm的范围内。
所述TE1阶模信号光输入所述第五光波导2021，所述第五光波导2021的TE1阶模的有效折射率和所述第六光波导2022的TE模的有效折射率相等，发生耦合，所述TE1阶模信号光耦合到所述第六光波导2022后还原为所述TE模信号光，如图4中虚线箭头1所示，所述第五光波导2021和所述第六光波导2022的耦合部分的间距，即图5中的d1位于0.2μm到0.35μm的范围内。
所述第五光波导2021和所述第六光波导2022相耦合部位的长度，即图5中l1的长度，以将输入到所述第五光波导2021内的所述TE1阶模信号光全部耦合到所述第六光波导2022为准。
所述第六光波导2020的宽度即图5中w1可以位于0.36μm到0.39μm的范围内；所述第五光波导2021的宽度即图3中w2可以位于0.73μm到0.8μm的范围内。所述第六光波导2020的宽度在所述第六光波导2020的整体长度方向上是相等的，即图5中从左到右的方向上宽度w1相等。所述第五光波导2021的宽度在所述第五光波导2021的整体长度方向上是相等的，即图5中从左到右的方向上宽度w2相等。波导的宽度决定了其传输的信号光的模式。第五光波导和第六光波导宽度不相等，第五光波导的宽度大于第六光波导的宽度，才能实现图4中虚线箭头1所示的所述TE1阶模光信号由第五光波导耦合到所述第六光波导后转化为TE模信号光。
图5中的第二偏振分束转换器202仅为示意性的一种实现方式，所述第二偏振分束转换器202和所述第一偏振分束转换器201的结构可以是对称结构；其中，TE模信号光耦合到所述第六光波导2022之后的光波导可以为直线型波导输出所述TE模信号光，耦合之前的第六光波导可以没有，或者远离第五光波导和第四光波导这样可以避免光信号产生耦合。
本实施例，所述第二偏振分束转换器包括第四光波导、第五光波导和第六光波导，所述第四光波导的输入端与所述TM模光隔离器连接，输出端与所述第五光波导连接，所述第四光波导用于将所述TM模信号光转变成为所述TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光传输给所述第五光波导；所述第五光波导的TE1阶模的有效折射率和所述第六光波导的TM模的有效折射率相等，所述第五光波导用于接收所述TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光耦合到所述第六光波导，所述TE1阶模信号光耦合到所述第六光波导后还原为所述TE模信号光；所述第六光波导用于将所述TE模信号光输出，将TM模信号光转化为TE模信号光，实现了TE模信号光的还原。
图6为本发明光隔离装置实施例的TM模光隔离器结构示意图，进一步地，在上述实施例的基础上，TM模光隔离器203可以采用马赫-曾德尔干涉仪型器件(Mach-Zehnder Interferometer，简称MZI)，原理如下：采用掺Ce的钇铁石榴石Ce:YIG键合到绝缘衬底上的硅(Silicon On Insulator，简称SOI)波导上施加磁场，即由硅线波导制作而成，MZI上覆盖有磁光材料。
磁光材料可以通过键合集成到MZI上，包括直接键合和使用苯并环丁烯BCB的粘接键合。在MZI两臂施加有平行反向的磁场(图6中箭头所指的方向)，施加磁场这部分为非互易相移器，上下通路通过光程差实现互易相移器。在硅线波导中，TM模信号光的模场有一部分处于波导的外面，因此TM模信号光的模场在磁光材料中有一定的能量分布。对于单个的TM模光隔离器203来说，无磁场施加时的TM模信号光的传播常数为β，有磁场施加时，正向传播的TM模信号光和反向传播的TM模信号光的传播常数为β1和β2，其满足关系δβ＝β1-β＝β-β2；正向工作时，因磁场导致的传播常数变化，使得上臂和下臂产生磁光相移Φ-和Φ+，通过设置非互易臂长LN，得到上臂相对下臂的非互易相移为(β1-β2)×LN＝-π/2，通过设置TM模光隔离器203上路和下路的长度差LR，可以得到互易相移为β×LR＝(4n+1)×π/2(n为整数)。因此传播两路TM模信号光的总相位差为0，发生相长干涉，实现正向通过。对于反向传播的TM模信号光，对于TM模光隔离器203来说，上下臂的磁光相移互换，上路相对下路的非互易相移为π/2，互易相移仍为π/2，总相位差为π。因此实现干涉相消，实现TM模信号光隔离的功能。
图7为本发明光隔离装置实施例四的结构示意图一，图8为本发明光隔离装置实施例四的第一偏振分束转换器结构示意图，图9为本发明光隔离装置实施例四的结构示意图二。如图7-图9所示，本实施例的光隔离装置70可以包括：第一偏振分束转换器701、第二偏振分束转换器702、第一TM模光隔离器703和第二TM模光隔离器704；其中，所述第一偏振分束转换器701的第一输出端与所述第一TM模光隔离器703连接，所述第一偏振分束转换器701的第二输出端与所述第二TM模光隔离器703连接；所述第二偏振分束转换器702的第一输入端与所述第一TM模光隔离器连接，所述第二偏振分束转换器702的第二输入端与所述第二TM模光隔离器连接。
所述第一偏振分束转换器701用于接收TE模信号光和TM模信号光的混合光，将所述TE模信号光转换为TM模信号光，并将由所述TE模信号光转换的所述TM模信号光从所述第一偏振分束转换器701的输出端传输给所述第一TM模光隔离器703；将原本输入的所述TM模信号光传输给所述第二TM模光隔离器704。
所述第一TM模光隔离器703用于自所述TM模光隔离器703的输入端接收来自所述第一偏振分束转换器701的第一输出端的所述TM模信号光；所述第二TM模光隔离器704用于接收来自所述第一偏振分束转换器701的第二输出端的所述TM模信号光，并将所述TM模信号光通过所述TM模光隔离器703的输出端传输给所述第二偏振分束转换器202。
所述第二偏振分束转换器702的第一输入端用于接收来自所述第一TM模光隔离器703的所述TM模信号光，并将所述来自所述第一TM模光隔离器703的所述TM模信号光还原为所述TE模信号光，所述第二偏振分束转换器702的第二输入端用于接收来自所述第二TM模光隔离器704的所述TM模信号光，并将所述TE模信号光和来自所述第二TM模光隔离器704的所述TM模信号光的混合光从所述第二偏振分束转换器702的输出端输出。
所述第二偏振分束转换器702还用于接收从所述第二偏振分束转换器702的输出端输入的所述TE模信号光，将所述TE模信号光转换为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光从所述第二偏振分束转换器702的第一输入端传输给所述TM模光隔离器703的输出端；所述TM模光隔离器703还用于阻断自所述TM模光隔离器703的输出端输入的所述TM模信号光通过。
所述第一TM模光隔离器703和所述第二TM模光隔离器704包括设置在衬底上的两段平行的硅线波导，所述波导上附有磁光材料；所述第一TM模光隔离器703和所述第二TM模光隔离器704光隔离装置用于通过正向传播的TM模信号光，并隔离反向传播的TM模信号光，具体结构如图6所示。
所述第一偏振分束转换器701包括：
第一光波导7010、第二光波导7011、第三光波导7012和第四光波导7013，如图8所示，所述第一偏振分束转换器701由SOI上硅Si纳米线波导实现，所述TE模信号光和所述TM模信号光的混合光输入所述第一光波导7010，由于所述TE模信号光和所述TM模信号光的有效折射率不同，所述第一光波导7010和所述第四光波导7013上的TM模的有效折射率相等，则所述第一光波导7010上传输的所述TM模信号光耦合到所述第四光波导7013上传输，所述TE模信号光从所述第一光波导7010耦合到所述第二光波导7011，所述第一光波导7010的TE模的有效折射率和所述第二光波导7011的TE1阶模的有效折射率相等，发生耦合，所述TE模光信号耦合到所述第二光波导7011后转化为TE1阶模信号光。
所述第一光波导7010和所述第二光波导7011相耦合部位的长度，即图8中l1的长度，以将输入到所述第一光波导7010内的所述TE模信号光全部耦合到所述第二光波导7011为准。
所述第一光波导7010和所述第四光波导7013相耦合部位的长度，即图8中l3的长度，以将所述第一光波导7010内的所述TM模信号光全部耦合到所述第四光波导7013为准。
所述TE1阶模信号光经所述第二光波导7011传输到所述第三光波导7012，所述TE1阶模信号光经所述第三光波导7012转变为所述TM模信号光传输到所述第一TM模光隔离器703。所述第一光波导7010和所述第二光波导7011的间距，即图8中的d1位于0.2μm到0.35μm的范围内。
第一光波导7010的宽度即图8中w1可以位于0.36μm到0.39μm的范围内；所述第二光波导7011的宽度即图8中w2可以位于0.73μm到0.8μm的范围内。所述第一光波导7010的宽度在所述第一光波导7010的整体长度方向上是相等的，即图8中从左到右的方向上宽度w1相等。所述第二光波导7011的宽度在所述第二光波导7011的整体长度方向上是相等的，即图8中从左到右的方向上宽度w2相等。所述第四光波导7013的宽度在所述第四光波导7013的整体长度方向上是相等的，即图8中从左到右的方向上宽度w3相等波导的宽度决定了其传输的信号光的模式。第一光波导和第二光波导宽度不相等，第二光波导的宽度大于第一光波导的宽度，才能实现图4中虚线箭头1所示的所述TE模光信号由第一光波导耦合到所述第二光波导后转化为TE1阶模信号光。
具体地，为了实现由TE1阶模信号光转化为TM模信号光，所述第三光波导7012的上包层可以为空气，如果上包层为SiO2则不能实现由TE1阶模信号光转化为TM模信号光，即如图4所示，虚线圆圈表示模式混淆区域，即可以进行模式转化，上包层不为SiO2(比如用空气)才有这个区域，才能实现虚线箭头2所示的模式转化的功能。
由图4中可以看出，所述第三光波导7012的输出端的宽度可以位于0.38μm到0.6μm的范围内，由于所述第二光波导7011的宽度即图8中w2可以位于0.73μm到0.8μm的范围内，则所述第三光波导7012从所述第三光波导7012的输入端到所述第三光波导7012的输出端的宽度的变化趋势为越来越小，即如图8中从左到右宽度逐渐变小，具体可以是均匀变化的。
所述第三光波导7012的长度即图8中可以l2位于40μm到60μm的范围内。
所述第一偏振分束转换器701和所述第二偏振分束转换器702的结构可以是对称结构，此处不再赘述。
本实施例，光隔离装置包括：第一偏振分束转换器、第二偏振分束转换器、第一TM模光隔离器和第二TM模光隔离器；其中，所述第一偏振分束转换器用于接收TE模信号光和TM模信号光的混合光，将所述TE模信号光转换为TM模信号光，并将由所述TE模信号光转换的所述TM模信号光传输给所述第一TM模光隔离器；将原本输入的所述TM模信号光传输给所述第二TM模光隔离器；所述第一TM模光隔离器用于接收来自所述第一偏振分束转换器的第一输出端的所述TM模信号光；所述第二TM模光隔离器用于接收来自所述第一偏振分束转换器的第二输出端的所述TM模信号光，并将所述TM模信号光传输给所述第二偏振分束转换器；所述第二偏振分束转换器的第一输入端用于接收来自所述第一TM模光隔离器的所述TM模信号光，所述第二偏振分束转换器的第二输入端用于接收来自所述第二TM模光隔离器的所述TM模信号光，并将所述来自所述第一TM模光隔离器的所述TM模信号光还原为所述TE模信号光，并将所述TE模信号光和来自所述第二TM模光隔离器的所述TM模信号光的混合光从所述第二偏振分束转换器的输出端输出，允许通过正向传输的TE模信号光和TM模信号光的混合光，并隔离反向传输的TE模信号光和TM模信号光的混合光，以实现对TE模信号光和TM模信号光的混合光进行光隔离，进一步的，所述第二偏振分束转换器还用于接收从所述第二偏振分束转换器的输出端输入的所述TE模信号光，将所述TE模信号光转换为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光从所述第二偏振分束转换器的输入端传输给所述TM模光隔离器的输出端；所述TM模光隔离器还用于阻断自所述TM模光隔离器的输出端输入的所述TM模信号光通过。
图10为本发明光隔离装置实施例的波导结构组成示意图，图11为本发明光隔离装置实施例的TM模光隔离器结构组成示意图一，图12为本发明光隔离装置实施例的TM模光隔离器结构组成示意图二。
可选地，上述实施例中的光波导为在绝缘衬底上通过电子束曝光EBL或者深紫外曝光DUV制作的硅Si纳米线波导。
可选地，所述平行的硅线波导为在绝缘衬底上通过电子束曝光EBL或者深紫外曝光DUV制作的硅Si纳米线波导。
具体地，本发明实施例的光隔离装置20、光隔离装置70可以首先通过电子束曝光EBL或深紫外曝光DUV制作Si纳米线波导(如图10所示)，磁光材料可以选择在非磁性石榴石结晶衬底SGGG衬底上生长的掺Ce的钇铁石榴石(Ce：YIG)，该磁光材料对1550nm波长的光有-4500°/cm的法拉第旋转角。如图11和图12所示，磁光材料通过直接键合或者粘接键合覆盖至两个TM模光隔离器区域。
如图8所示，第一偏振分束转换器仅给出一组可以实现分束转换功能的参数：第一光波导宽度w1为0.37μm，第四光波导宽度w3为0.37μm，第二光波导的宽度w2为0.751μm，第三光波导的长度l2为30μm，第三光波导的窄端宽度w4为0.37μm，第一光波导的和第四光波导组成的耦合器耦合长度l3取5.6μm，第一光波导与第四光波导的耦合部分的波导间距d2为0.33μm，第一光波导和第二光波导的耦合部分的耦合长度l1为10.5μm，第一光波导和第二光波导耦合部分的波导间距d1为0.1395μm。上述参数可以实现第一偏振分束转换器的功能，但是并非性能最优参数。
以直接键合为例，第一TM模光隔离器703和第二TM模光隔离器704波导宽度设置为450nm时，需要的非互易臂长LN为410μm。互易臂长可以根据相位条件调整，影响器件带宽性能。
本发明实施例实现了偏振无关工作，且工艺难度较低，可操作性强。隔离度与TM模光隔离器几乎一致，所以该性能指标很好。带宽特性上，TM模光隔离器可以通过调节互易相移光程差增大自由光谱区域(Free SpectralRange，简称FSR)以增大带宽，偏振分束转换器为宽带器件，所以可以实现宽带工作。器件尺寸上，偏振分束转换器尺寸相比磁光材料覆盖区域很小，即本发明偏振无关型硅基光隔离装置的尺寸近似等于TM模光隔离器。
本发明实施例偏振无关型硅基光隔离装置，包括：两个偏振分束转换器和两个磁横模TM模光隔离器；其中，所述两个偏振分束转换器分别与两个所述TM模光隔离器连接；所述TM模光隔离器位于所述两个偏振分束转换器之间；所述两个偏振分束转换器的结构对称设置；所述偏振分束转换器用于将入射光分成电横模TE模和TM模，并在所述TE模和所述TM模之间互相转化；所述TM模光隔离器包括设置在衬底上的两段平行的硅线波导，所述波导上附有磁光材料；所述TM模光隔离器用于通过正向传播的入射光，并隔离反向传播的入射光，实现了偏振无关的高隔离度、带宽大、工作稳定的光隔离装置，且器件尺寸小、工艺相对简单，以解决现有技术的制作工艺较复杂，且改变了入射光的模式的问题。
图13为本发明光模块实施例的结构示意图。如图13所示，本实施例的光模块130，至少包括如光隔离装置实施例所述的任一光隔离装置和激光器，所述激光器用于产生所述TE模信号光，所述光隔离装置用于对所述TE模信号光进行光隔离。
所述激光器还用于产生所述TE模信号光和所述TM模信号光的混合光，所述光隔离装置用于对所述TE模信号光和所述TM模信号光的混合光进行光隔离。
本实施例中的光隔离装置，可以采用如光隔离装置实施例中任一所述的光隔离装置实现，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
图14为本发明光隔离方法实施例的流程图，如图14所示，本实施例的方法可以包括：
步骤1401、将所述TE模信号光转变为TM模信号光，并将所述TM模信号光通过TM模光隔离器的输入端传输给所述TM模光隔离器；
步骤1402、所述TM模光隔离器接收所述TM模信号光将所述TM模信号光通过所述TM模光隔离器的输出端输出；
步骤1403、将自所述TM模光隔离器的输出端输出的所述TM模信号光还原为所述TE模信号光并输出；
步骤1404、将输出的所述TE模信号光转变为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光通过TM模光隔离器的输出端传输给所述TM模光隔离器，所述TM模光隔离器阻断所述TM模信号光的传输。
可选地，所述将所述TE模信号光转变为TM模信号光，具体包括：
将所述TE模信号光转变为TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光转变为所述TM模信号光。
可选地，所述将所述TM模信号光还原为所述TE模信号光并输出，包括：
所述将所述TM模信号光还原为所述TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光还原为所述TE模信号光。
本实施例的方法，可以采用如光隔离装置实施例中任一所述的光隔离装置实现，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (17)
1.一种光隔离装置，其特征在于，包括：
第一偏振分束转换器、第二偏振分束转换器、横磁TM模光隔离器，所述第一偏振分束转换器的输出端与所述TM模光隔离器的输入端连接，所述TM模光隔离器的输出端与所述第二偏振分束转换器的输入端连接；
所述第一偏振分束转换器用于接收横电TE模信号光，将所述TE模信号光转换为TM模信号光，并将所述TM模信号光从所述第一偏振分束转换器的输出端传输给所述TM模光隔离器；
所述TM模光隔离器用于自所述TM模光隔离器的输入端接收来自所述第一偏振分束转换器的所述TM模信号光，并将所述TM模信号光通过所述TM模光隔离器的输出端传输给所述第二偏振分束转换器；
所述第二偏振分束转换器用于自所述第二偏振分束转换器的输入端接收来自所述TM模光隔离器的所述TM模信号光，将所述TM模信号光还原为所述TE模信号光，并将所述TE模信号光从所述第二偏振分束转换器的输出端输出，所述第二偏振分束转换器还用于接收从所述第二偏振分束转换器的输出端输入的所述TE模信号光，将所述TE模信号光转换为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光从所述第二偏振分束转换器的输入端传输给所述TM模光隔离器的输出端；
所述TM模光隔离器还用于阻断自所述TM模光隔离器的输出端输入的所述TM模信号光通过。
2.根据权利要求1所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第一偏振分束转换器包括第一光波导、第二光波导和第三光波导，所述第一光波导的TE模的有效折射率和所述第二光波导的TE1阶模的有效折射率相等，且所述第一光波导和所述第二光波导的间距位于0.2μm到0.35μm的范围内；
所述第一光波导用于接收所述TE模信号光，并将所述TE模信号光耦合到所述第二光波导，所述TE模信号光耦合到所述第二光波导后转化为TE1阶模信号光；
所述第二光波导用于将所述TE1阶模信号光传输到所述第三光波导；
所述第三光波导的输入端与所述第二光波导连接，输出端与所述TM模光隔离器连接，所述第三光波导用于将所述TE1阶模信号光转变成为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光传输给所述TM模光隔离器。
3.根据权利要求2所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第一光波导的宽度位于0.36μm到0.39μm的范围内；
所述第二光波导的宽度位于0.73μm到0.8μm的范围内。
4.根据权利要求2或3所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第一光波导的宽度在所述第一光波导的整体长度方向上是相等的。
5.根据权利要求2或3所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第二光波导的宽度在所述第二光波导的整体长度方向上是相等的。
6.根据权利要求2或3任一项所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第三光波导的上包层为空气；
所述第三光波导的输入端的宽度与所述第二光波导的宽度相等；
所述第三光波导的输出端的宽度位于0.38μm到0.6μm的范围内；
所述第三光波导的长度位于40μm到60μm的范围内，所述第三光波导从所述第三光波导的输入端到所述第三光波导的输出端的宽度的变化趋势为越来越小。
7.根据权利要求6所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第三光波导从所述第三光波导的输入端到所述第三光波导的输出端的宽度的变化趋势为均匀变小。
8.根据权利要求1所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第二偏振分束转换器包括第四光波导、第五光波导和第六光波导；
所述第四光波导的输入端与所述TM模光隔离器连接，输出端与所述第五光波导连接，所述第四光波导用于将所述TM模信号光转变成为所述TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光传输给所述第五光波导；
所述第五光波导的TE1阶模的有效折射率和所述第六光波导的TM模的有效折射率相等，所述第五光波导和所述第六光波导的间距位于0.2μm到0.35μm的范围内；
所述第五光波导用于接收所述TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光耦合到所述第六光波导，所述TE1阶模信号光耦合到所述第六光波导后还原为所述TE模信号光；所述第六光波导用于将所述TE模信号光输出。
9.根据权利要求8所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第五光波导的宽度在0.73μm到0.8μm之间；
所述第六光波导的宽度在0.36μm到0.39μm之间。
10.根据权利要求8或9所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第五光波导的宽度沿所述第五光波导的长度方向上是相等的。
11.根据权利要求8或9所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第六光波导的宽度沿所述第六光波导的长度方向上是相等的。
12.根据权利要求8或9所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第四光波导的上包层为空气；
所述第四光波导的输入端的宽度位于0.38μm到0.6μm的范围内；
所述第四光波导的输出端的宽度与所述第五光波导的宽度相等；
所述第四光波导的长度位于40μm到60μm的范围内，所述第四光波导从所述第四光波导的输入端到所述第四光波导的输出端的宽度的变化趋势为越来越大。
13.根据权利要求12所述的光隔离装置，其特征在于：
所述第四光波导从所述第四光波导的输入端到所述第四光波导的输出端的宽度的变化趋势为均匀变大。
14.一种光模块，其特征在于，至少包括如权利要求1至13任一项所述的光隔离装置和激光器，所述激光器用于产生所述TE模信号光，所述光隔离装置用于对所述TE模信号光进行光隔离。
15.一种光隔离方法，其特征在于：
将TE模信号光转变为TM模信号光，并将所述TM模信号光通过TM模光隔离器的输入端传输给所述TM模光隔离器；
所述TM模光隔离器接收所述TM模信号光，并将所述TM模信号光通过所述TM模光隔离器的输出端输出；
将自所述TM模光隔离器的输出端输出的所述TM模信号光还原为所述TE模信号光并输出；
将输出的所述TE模信号光转变为所述TM模信号光，并将所述TM模信号光通过所述TM模光隔离器的输出端传输给所述TM模光隔离器，所述TM模光隔离器阻断所述TM模信号光的传输。
16.根据权利要求15所述的光隔离方法，其特征在于，所述将所述TE模信号光转变为TM模信号光，具体包括：
将所述TE模信号光转变为TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光转变为所述TM模信号光。
17.根据权利要求15或16所述的光隔离方法，其特征在于，所述将所述TM模信号光还原为所述TE模信号光并输出，包括：
所述将所述TM模信号光还原为所述TE1阶模信号光，并将所述TE1阶模信号光还原为所述TE模信号光。
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