CN104155720A - 极化分离器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种极化分离器，包括基底层、非对称Y型光波导及一对电极。该非对称Y型光波导包括向双折射晶体材料内扩散第一材料而形成的输入段、扩散第二材料而形成的第一分支及扩散第三材料而形成的第二分支，该非对称Y型光波导形成于该基底层的表面。该第一分支及该第二分支自该输入段分岔出，该第一分支与该输入段之间形成直线信道，该第二分支与该输入段之间存在夹角，该输入段与该第一分支及该第二分支之间形成一介面；该对电极设置于该基底层的表面，平行于该输入段设置于该输入段两侧。本发明还涉及该极化分离器的制作方法。

Description

极化分离器及其制作方法

技术领域

本发明涉及集成光学，特别涉及一种极化分离器及其制作方法。

背景技术

在集成光学中，极化分离器是重要的组件，用来分离横电波及横磁波以分别对横电波(transverse electric wave, TE)及横磁波(transverse magnetic wave, TM)进行讯号处理。然而，极化分离器实际上并无法完全分离横电波及横磁波，也即是说，分离后的横电波仍会夹杂一小部分横磁波而横磁波会夹杂一小部分横电波。如此，若将分离后的横电波及横磁波作为开关讯号，讯熄比(extinction ratio)往往并不理想。极化分离器的极化分离效果亟待改善。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种极化分离效果改善的极化分离器。

一种极化分离器，其包括一基底层、一非对称Y型光波导及一对分离电极；该基底采用双折射晶体材料制成；该非对称Y型光波导包括向双折射晶体材料内扩散一第一材料而形成的一输入段、扩散一第二材料而形成的一第一分支及扩散一第三材料而形成的一第二分支，该非对称Y型光波导形成于该基底层的表面；该第一分支及该第二分支自该输入段分岔出，该第一分支与该输入段之间形成直线信道，该第二分支与该输入段之间存在夹角，该输入段与该第一分支及该第二分支之间形成一介面；该对分离电极设置于该基底层的表面，平行于该输入段设置于该输入段两侧。

一种极化分离器的制作方法，包括步骤：提供一基底，具有一顶面及与该顶面垂直相连的侧面，该基底为双折射晶体材料；自该基底的顶面扩散一第一材料形成一输入段、扩散一第二材料形成一第一分支及扩散一第三材料而形成一第二分支，该输入段、第一分支及第二分支构成非对称Y型光波导，该第一分支及该第二分支自该输入段分岔出，该第一分支与该输入段之间形成直线信道，该第二分支与该输入段之间存在夹角，该输入段与该第一分支及该第二分支之间形成一介面，该第一材料、第二材料及第三材料的扩散深度小于该基底厚度；蚀刻去除该基底相邻于该非对称Y型光波导的部分，蚀刻深度等于该第一材料、第二材料及第三材料的扩散深度以形成脊型的非对称Y型光波导，在垂直于该顶面方向上与该脊型的非对称Y型光波导相邻的基底构成基底层，该基底层的与该脊型的非对称Y型光波导远离该顶面的一侧相邻的面为该基底层的表面；及在该基底层的表面形成一对分离电极，该分离电极平行于该输入段设置于该输入段两侧。

由于双折射现象，经该输入段传输的横磁波及横电波在经过该介面时会分离而分别进入该第一分支及该第二分支。而在该对分离电极施加电压产生的电场可使该输入段沿平行于该顶面且垂直于该输入段的中心轴的方向的折射率发生变化，使得横电波的相位变化较横磁波的相位变化大，从而横电波更容易与横磁波分离进入该第二分支，改善极化分离效果。另外，本技术方案中的分离电极在该输入段的高度方向上均有覆盖，使分离电极的极间电场在该输入段内的电场分布均匀且有效电场增加，因此可更进一步地增强极化分离效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基底的立体示意图。

图2为向图1的基底扩散第一材料、第二材料及第三材料后的示意图。

图3为在图2的基底表面形成图案化的遮挡层后的示意图。

图4为对图3的基底进行蚀刻并去除光致抗蚀剂层后的示意图。

图5为对图4的基底进一步蚀刻形成介质光栅后的示意图。

图6为图5中的介质光栅的结构示意图。

图7为在图5的基底上制作电极后形成的极化分离器的示意图。

图8为在图7的极化分离器的入光侧设置光源后的示意图。

图9为图8的极化分离器沿IX-IX的剖面示意图。

图10为图8的极化分离器沿X-X的剖面示意图。

主要元件符号说明

极化分离器 100

顶面 102

基底 10

第一预制平板光波导 31

输入段 21

第一分支 22

第二分支 23

非对称Y型光波导 20

介面 24

中心轴 212

侧面 104

底面 106

第二预制平板光波导 32

遮挡层 40

介质光栅 33

平板光波导 34

表面 342

表面 202

介质条 332

调制电极 50

分离电极 60

基底层 15

光束 210

激光器 70

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请参阅图1至图7，本发明实施例提供一种极化分离器100的制作方法，包括步骤：

第一步，请参阅图1和2，提供具有顶面102的基底10，并自该基底10的顶面102向该基底10内部扩散第一材料形成第一预制平板光波导31和输入段21，扩散第二材料而形成第一分支22，扩散第三材料而形成第二分支23，该输入段21、第一分支22及第二分支23共同构成非对称Y型光波导20，该第一分支22及第二分支23自该输入段21分岔出，该第一分支22与该输入段21之间形成直线信道，该第二分支23与该输入段21之间存在夹角，该输入段21与该第一分支22及该第二分支23之间形成一介面24，该第一预制平板光波导31与该输入段21背离于该第一分支22的一端对接。

该基底10采用双折射晶体制成，由于铌酸锂(                                               )晶体()具有较高的反应速度，因此，该基底10的材料采用铌酸锂晶体，以提高该极化分离器100的带宽。本实施例中，该顶面102为矩形，该基底10进一步包括与顶面102垂直连接且垂直于该输入段21的中心轴212的侧面104，该侧面104也为该第一预制平板光波导31的一侧面。

该第一材料为金属钛，也即是说通过在该基底10上扩散金属钛而形成能同时传输横电波及横磁波的该第一预制平板光波导31和输入段21。该第二材料为金属镓，也即是说通过在该基底10上扩散金属镓而形成能传输横磁波的该第一分支22。该第三材料为锌镍合金，也即是说通过在该基底10上扩散锌镍合金而形成能传输横电波的该第二分支23。需要说明的是，该第一预制平板光波导31和非对称Y型光波导20的扩散深度均小于该基底10的厚度，即第一预制平板光波导31和非对称Y型光波导20均未贯穿该基底10背离于该顶面102的底面106，本实施例中，第一预制平板光波导31和非对称Y型光波导20的扩散深度相同。

第二步，请参阅图3及图4，通过蚀刻的方法在基底10上形成脊型的第二预制平板光波导32和非对称Y型光波导20。

通过蚀刻的方法形成脊型的第二预制平板光波导32和非对称Y型光波导20具体包括以下步骤：

首先，提供一图案化的遮挡层40，该遮挡层40覆盖该顶面102，且除了对应于该非对称Y型光波导20及部分第一预制平板光波导31的其它部分均露出于该遮挡层40，该第一预制平板光波导31被覆盖的部分为以该输入段21的中心轴212轴对称的矩形，且该遮挡层40垂直于该中心轴212的两边分别与该第一预制平板光波导31的侧面104及对接于该输入段21的侧面共面，该遮挡层40平行于该中心轴212的两边分别与该第一预制平板光波导31平行于该中心轴212的另外两侧面分别具有预定距离，即该遮挡层40的垂直于该中心轴212方向上的宽度小于该第一预制平板光波导31的垂直于该中心轴212方向上的宽度，也即该第一预制平板光波导31露出于该遮挡层40的部分位于该遮挡层40平行于该中心轴212的两边的外侧。该遮挡层40采用铬金属。具体地，先在顶面102旋转镀上铬层，然后利用曝光显影的方法留下该遮挡层40。

其次，将设置有遮挡层40的基底10采用第一种蚀刻液中进行湿式蚀刻形成脊型的第二预制平板光波导32和非对称Y型光波导20。由于该基底10为铌酸锂晶体，则该第一种蚀刻液为氢氟酸。在蚀刻过程中，由于该基底10的顶面102部分被该遮挡层40所覆盖，被覆盖的部分以及该遮挡层40均不会被蚀刻掉。

最后，采用第二种蚀刻液，将遮挡层40蚀刻去除，本实施例中，该第二种蚀刻液为含有硝酸的铬蚀刻液。

第三步，请参阅图5和图6，在该第二预制平板光波导32的表面进一步蚀刻，形成介质光栅33。

本步骤中的蚀刻方法与第二步的蚀刻方法类似，不同之处在于遮挡层的形状，本步骤中，遮挡层遮挡该基底10背离于底面106的一侧表面的对应于该第二预制平板光波导32预形成介质光栅33的部分及除该第二预制平板光波导32和非对称Y型光波导20的其它表面。经过此蚀刻步骤后，该第二预制平板光波导32的部分厚度的部分材料被蚀刻去除，形成介质光栅33，该介质光栅33以该中心轴212对称分布。该第二预制平板光波导32未被蚀刻的厚度部分构成平板光波导34，该介质光栅33形成于该平板光波导34的表面342，该介质光栅33与该平板光波导34构成衍射型光波导透镜。由于本步骤中该非对称Y型光波导20也被蚀刻了与介质光栅33的高度相等的厚度，因此，该非对称Y型光波导20的表面202与该平板光波导34的表面342平齐。该基底10未被扩散和蚀刻的部分即该基底10相连于平板光波导34和脊型非对称Y型光波导20的部分构成基底层15，该基底层15用于支撑该平板光波导34和脊型非对称Y型光波导20。

本实施例中，该介质光栅33包括复数矩形的、平行设置的介质条332，该复数介质条332平行于该中心轴212设置，且高度基本相同。该复数介质条332的数目为奇数，且沿该中心轴212到远离该中心轴212的方向，该介质条332的宽度越来越小，而相邻两个该介质条332的间隙也越来越小。

如图6所示，以该介质光栅33的宽度方向(即平行于该表面342与该侧面104的方向)为轴，该中心轴212与轴的相交点为原点，沿该中心轴212到远离该中心轴212一侧的方向为轴正向，以该光束21在处与原点处的相位差为轴，根据平板光波导波动理论可得：

，

其中。

该多个介质条332的第个边界满足如下条件：

，

其中，为正整数，(为构成该绕射型光波导透镜)，及为常数且与该绕射型光波导透镜的焦距相关。

如此，可推得：

。

而的情况，即该中心轴212另一侧的该多个介质条332的边界可通过对称性获得。

第四步，请参阅图7，在该平板光波导34的垂直于中心轴212方向上的相对两侧形成一对平行于该介质光栅33的调制电极50，及在输入段21垂直于中心轴212方向上的相对两侧形成一对平行于该输入段21的分离电极60，从而形成极化分离器100。

该对调制电极50形成于基底层15的表面且厚度略大于该平板光波导34的厚度，且该对调制电极50分别包覆该平板光波导34的表面342相邻于对应调制电极50的边缘，且该调制电极50凸出于该平板光波导34的表面342部分的高度及长度分别大于该介质光栅33的高度及长度。该对分离电极60均形成于基底层15表面且厚度略大于该平板光波导34的厚度，且该对分离电极60分别包覆该输入段21的顶面相邻于对应分离电极60的边缘。该调制电极50和分离电极60可以通过蒸镀等方法形成。

请参阅图8和9，该平板光波导34背离于该输入段21的一侧即侧面104用于接收一沿中心轴212的光束210，该介质光栅33与该平板光波导34构成一衍射型光波导透镜以会聚该光束210，该对调制电极50用于载入一调制电场以通过电光效应改变该平板光波导34的折射率从而改变该绕射型光波导透镜的焦距。如此，该绕射型光波导透镜可以控制该光束210会聚入该输入段21的程度(如完全会聚或不同程度的不完全会聚)从而控制该光束210输入该输入段21的功率大小。

具体的，根据集成光学理论，该介质光栅33与该平板光波导34构成载入型光波导，该平板光波导34载入该介质光栅33的部分的等效折射率变大。如此，通过合理设置该介质光栅33的结构，例如设置成啁啾光栅便可构成一啁啾光栅类型的绕射型光波导透镜。而该对调制电极50可以加载调制电压从而通过电光效应改变该平板光波导34的折射率，从而改变该绕射型光波导透镜的焦距。在加载该介质光栅33后，该平板光波导34的折射率发生渐变，是产生啁啾光栅类型的衍射型光波导透镜的有利条件。

该对调制电极50在加载调制电场后产生的极间电场将横穿该平板光波导34，从而可以进一步改变该平板光波导34的等效折射率，等效地改变啁啾光栅类型的绕射型光波导透镜的折光能力(即焦距)；另，因为该调制电极50在该平板光波导34的高度方向均有覆盖，所以该平板光波导34内的极间电场分布均匀，从而避免横电波和横磁波之间的相互干扰，而且该调制电极50的极间电场与该平板光波导34内的横电波重迭面更大，即有效电场增加，则更进一步地提高绕射型光波导透镜的折光能力。

具体地，该光束210为一与侧面104对接的激光器70发出的激光束。该激光器70采用分布式回馈激光器(distributed feedback laser, DFB)，其属于侧面发射的半导体激光器，可以通过芯片焊接(die bond)方式将发光的侧面直接焊接到该侧面104上，以使该光束210沿该中心轴212入射。当然，该激光器70也可以采用其它类型激光光源，并通过其它方式设置，只要保证其可沿该中心轴212出射该光束210即可。

请进一步参阅图10，由于双折射现象，经该输入段21传输的横磁波及横电波在经过该介面24时会分离而分别进入该第一分支22及该第二分支23。而在该对分离电极60施加电压产生的电场可使该输入段21沿平行于该顶面104且垂直于该输入段21的中心轴212的方向的折射率发生变化，使得横电波的相位变化较横磁波的相位变化大，从而横电波更容易与横磁波分离进入该第二分支23，改善极化分离效果。另，本实施例中的分离电极60在该输入段21的高度方向上均有覆盖，使分离电极60的极间电场在该输入段21内的电场分布均匀且有效电场增加，因此可更进一步地增强极化分离效果。

总之，本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种极化分离器，其包括一基底层、一非对称Y型光波导及一对分离电极；该基底采用双折射晶体材料制成；该非对称Y型光波导包括向双折射晶体材料内扩散一第一材料而形成的一输入段、扩散一第二材料而形成的一第一分支及扩散一第三材料而形成的一第二分支，该非对称Y型光波导形成于该基底层的表面；该第一分支及该第二分支自该输入段分岔出，该第一分支与该输入段之间形成直线通道，该第二分支与该输入段之间存在夹角，该输入段与该第一分支及该第二分支之间形成一介面；该对分离电极设置于该基底层的表面，平行于该输入段设置于该输入段侧两侧。

2.如权利要求1所述的极化分离器，其特征在于，该非对称Y型光波导为形成于该基底层表面的脊型非对称Y型光波导。

3.如权利要求1所述的极化分离器，其特征在于，该极化分离器还包括一平板光波导、一介质光栅及一对调制电极；该平板光波导形成于该基底层的表面且与该输入段与该第一分支相背一端对接；该介质光栅形成于该平板光波导上且以该输入段的中心轴对称分布；该对调制电极设置于该基底层的表面且平行于该介质光栅设置于该平板光波导和介质光栅的两侧；该平板光波导与该输入段相背一侧用于接收一沿该中心轴的光束；该介质光栅与该平板光波导构成一绕射型光波导透镜以会聚该光束；该对调制电极用于载入一调制电场以通场电光效应改变该平板光波导的折射率从而改变该绕射型光波导透镜的焦距。

4.如权利要求3所述的极化分离器，其特征在于，该平板光波导为形成于基底层表面的脊型平板光波导。

5.如权利要求3所述的极化分离器，其特征在于，该介质光栅为啁啾光栅，并包括多个矩形的、平行设置的介质条，该多个介质条平行于该中心轴设置，且高度基本相同；该多个介质条的数目为奇数，且沿该中心轴到远离该中心轴的方向，该介质条的宽度越来越小，而相邻两个该介质条的间隙也越来越小，以该介质光栅的宽度方向为                                               轴，该中心轴与轴的相交点为原点，沿该中心轴到远离该中心轴一侧的方向为轴正向，该多个介质条的第个边界满足如下条件：

；

为正整数，及为常数且与该绕射型光波导透镜的焦距相关。

6.如权利要求5所述的极化分离器，其特征在于，该介质光栅是形成于该平板光波导表面上的扩散有金属钛的双折射晶体。

7.一种极化分离器的制作方法，包括步骤：

提供一基底，具有一顶面及与该顶面垂直相连的侧面，该基底为双折射晶体材料；

自该基底的顶面扩散一第一材料形成一输入段、扩散一第二材料形成一第一分支及扩散一第三材料而形成一第二分支，该输入段、第一分支及第二分支构成非对称Y型光波导，该第一分支及该第二分支自该输入段分岔出，该第一分支与该输入段之间形成直线通道，该第二分支与该输入段之间存在夹角，该输入段与该第一分支及该第二分支之间形成一介面，该第一材料、第二材料及第三材料的扩散深度小于该基底厚度；

蚀刻去除该基底相邻于该非对称Y型光波导的部分，蚀刻深度等于该第一材料、第二材料及第三材料的扩散深度以形成脊型的非对称Y型光波导，在垂直于该顶面方向上与该脊型的非对称Y型光波导相邻的基底构成基底层，该基底层的与该脊型的非对称Y型光波导远离该顶面的一侧相邻的面为该基底层的表面；及

在该基底层的表面形成一对分离电极，该分离电极平行于该输入段设置于该输入段侧两侧。

8.如权利要求7所述的极化分离器的制作方法，其特征在于，在自该基底的顶面扩散一第一材料形成一输入段、扩散一第二材料形成一第一分支及扩散一第三材料而形成一第二分支的步骤中，进一步自该基底的顶面扩散一第一材料形成一第一预制平板光波导，该第一预制光波导与该输入段背离该第一分支的端部对接，且垂直于该顶面的该侧面也为该第一预制平板光波导的一侧面；

在蚀刻去除该基底相邻于该非对稱Y型光波导的部分的步骤中，进一步蚀刻去除在垂直于该输入段的中心轴方向上的两侧的部分该第一预制平板光波导以形成以该输入段的中心轴对称的第二预制平板光波导，并进一步蚀刻该第二预制平板光波导的部分厚度的部分该第二预制平板光波导以形成与该基底层相邻的平板光波导及形成于平板光波导表面的介质光栅；及

在该基底层的表面形成一对分离电极的步骤中，进一步在该平板光波导的垂直于该中心轴方向上的两侧形成一对调制电极，该调制电极平行于该介质光栅且位于第一预制平板光波导被蚀刻去除部分的位置。

9.如权利要求8所述的极化分离器的制作方法，其特征在于，该第一预制平板光波导的第一材料的扩散深度与该非对称Y型光波导的第一材料、第二材料及第三材料的扩散深度相等，蚀刻部分该第一预制平板光波导的深度等于该第一预制平板光波导的第一材料的扩散深度。

10.如权利要求9所述的极化分离器的制作方法，其特征在于，该调制电极凸出于该平板光波导的表面的高度大于该介质光栅的高度。