CN104407415A - 一种基于mzi硅基可切换偏振器 - Google Patents

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徐超
郝寅雷
余辉
杨建义
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Abstract

本发明公开了一种基于MZI硅基可切换偏振器。包括两个结构相同的偏振不敏感2×2MMI；第一个偏振不敏感2×2MMI的一条S弯曲输出波导的输出端经第一锥形过渡波导与第一条波导的一端连接，其另一条S弯曲输出波导的输出端经第二锥形过渡波导、第一倒锥形过渡波导与第二条波导的一端连接；第二个偏振不敏感2×2MMI的一条S弯曲输入波导的输入端经第二倒锥形过渡波导与第一条波导的另一端连接，其另一条S弯曲输入波导的输入端与第二条波导的另一端连接；第一条波导上设有加热电极。本发明不仅可以分开TE、TM两种偏振状态，且通过调节调制臂上的外加电压，自由切换两个输出端口的TE/TM偏振状态；与CMOS工艺兼容。

Description

一种基于MZI硅基可切换偏振器
技术领域
本发明涉及可切换偏振器，特别是涉及建立在SOI材料上的一种基于MZI硅基可切换偏振器。
背景技术
偏振态是光波的一个最基本的特性，而对于光波偏振态的控制在集成光路中已经得到越加广泛的关注。众所周知，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，波导中广泛存在着不同的两种偏振模式，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，对外加激励有不同的响应，因而产生了偏振模色散，偏振相关损耗，波长相关损耗等问题。在某些系统，如光传感及光信号处理中，由于其对器件的灵敏度、相干性和带宽等要求都较高，波导中偏振问题的出现极大地影响了系统的性能。目前为止，有两种途径来尽可能的减弱偏振带来的不利影响，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。例如加入偏振光栅或偏振片等等。第一种方法往往增大了系统的复杂性，并且对于器件的容差要求较高。第二种方法所用分立元件，并不利于器件的集成。再者，上述提到的方法都仅仅只利用了一种偏振状态，并不能在两种偏振状态之间有效地切换。因此，需要一种方法来灵活、有效的切换偏振状态，不管是有源还是无源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MZI硅基可切换偏振器。通过两个MMI组成的MZI模式分离器件将TE/TM模式分成两束，调节MZI一臂上的电压，通过热光效应，改变MZI两臂上TE/TM模式的相位差，可达到同时切换两个输出端口偏振状态的目的。
本发明采用的技术方案如下：
本发明在SOI材料的顶层硅上刻蚀出两个结构相同的偏振不敏感2×2 MMI；第一个偏振不敏感2×2 MMI的一条S弯曲输出波导的输出端经第一锥形过渡波导与第一条波导的一端连接，第一个偏振不敏感2×2 MMI的另一条S弯曲输出波导的输出端经第二锥形过渡波导、第一倒锥形过渡波导与第二条波导的一端连接；第二个偏振不敏感2×2 MMI的一条S弯曲输入波导的输入端经第二倒锥形过渡波导与第一条波导的另一端连接，第二个偏振不敏感2×2 MMI的另一条S弯曲输入波导的输入端与第二条波导的另一端连接；在第一条波导上设有加热电极。
所述两个结构相同的偏振不敏感2×2 MMI的多模干涉区的两个边界均为抛物线型。
所述第一条波导和第二条波导其长度相同，但第一条波导宽度要小于第二条波导宽度；MZI第一条干涉臂由第一锥形过渡波导与第一条波导和第二倒锥形过渡波导构成，MZI第二条干涉臂由第二锥形过渡波导与第一倒锥形过渡波导和第二条波导构成。
本发明具有的有益效果是：
本发明在MZI的一臂上引入热电极之后，由于可以通过调节外加电压控制TE/TM模式在第二个MMI中传输的光程差，从而可以同时切换器件输出端口的偏振状态。相对于普通的偏振分离器件只能分离模式，不能自由调节的弊端。本发明的一种基于MZI硅基可切换偏振器，其输出两个端口可分离两种偏振状态，也可同时在两种偏振状态之间自由切换，设计简单，与CMOS工艺兼容，便于控制，在未来可用于偏振路由。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是偏振不敏感2×2 MMI示意图。
图3是图1的A-A’剖视图。
图4是基于MZI硅基可切换偏振器仿真效果示意图。
图中：1、S弯曲输入波导，2、S弯曲输出波导，3、多模干涉区，4、锥形过渡波导，4’、倒锥形过渡波导，5、条波导，6、条波导，7、热电极，8、二氧化硅衬底，9、底层硅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1、图2、图3所示，本发明在SOI材料的顶层硅上刻蚀出两个结构相同的偏振不敏感2×2 MMI；第一个偏振不敏感2×2 MMI的一条S弯曲输出波导2的输出端经第一锥形过渡波导4与第一条波导5的一端连接，第一个偏振不敏感2×2 MMI的另一条S弯曲输出波导2的输出端经第二锥形过渡波导4、第一倒锥形过渡波导4’与第二条波导6的一端连接；第二个偏振不敏感2×2 MMI的一条S弯曲输入波导1的输入端经第二倒锥形过渡波导4’与第一条波导5的另一端连接，第二个偏振不敏感2×2 MMI的另一条S弯曲输入波导1的输入端与第二条波导6的另一端连接；在第一条波导5上设有加热电极7。
所述两个结构相同的偏振不敏感2×2 MMI的多模干涉区3的两个边界均为抛物线型。
所述第一条波导5和第二条波导6其长度相同，但第一条波导5宽度要小于第二条波导6宽度；MZI第一条干涉臂由第一锥形过渡波导4与第一条波导5和第二倒锥形过渡波导4’构成，MZI第二条干涉臂由第二锥形过渡波导4与第一倒锥形过渡波导4’和第二条波导6构成。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明在SOI材料(它由底层硅9、二氧化硅衬底8和顶层硅组成)的顶层硅上分别刻蚀出由S弯曲输入波导1、S弯曲输出波导2和宽度边界为抛物线型的多模干涉区3构成的两个完全相同的偏振不敏感2×2 MMI以及锥形过渡波导4和倒锥形过渡波导4’及条波导5、条波导6组成的波导结构，第一个偏振不敏感2×2 MMI的S弯曲输出波导2通过锥形过渡波导4连接两个不同宽度相同长度的条波导5、6的一端，其中一个条波导5上加热电极7，两个条波导5、6的另一端通过宽度渐变的条波导4与第二个偏振不敏感2×2 MMI输入端口1相连。
第一个偏振不敏感2×2 MMI起到功分器的作用，信号光进入S弯曲输入波导1的任意一个输入端口到达S弯曲输出波导2理想功率比为50:50。采用S弯曲输入波导1、S弯曲输出波导2作为2×2 MMI的输入以及输出端口是为了增大端口之间的距离，尽量减小端口间的串扰。MMI的多模干涉区3采用边界为抛物线型的多模波导，是为了减小双折射效应导致的MMI输出端口功率分配不均衡。
第一个偏振不敏感2×2 MMI的 S弯曲输出波导2通过锥形过渡波导4、倒锥形过渡波导4’与条波导5、条波导6相连。因为S弯曲输出波导2和第二个MMI的S弯曲输入波导1的波导宽度与条波导5宽度不匹配，采用锥形过渡波导4、倒锥形过渡波导4’做连接，能有效的减小波导宽度不匹配带来的损耗。S弯曲输出波导2的波导宽度与条波导6宽度相同，仍然加入锥形过渡波导4、倒锥形过渡波导4’是为了保证光束在两个臂之间传输的距离相同。
第二个偏振不敏感2×2 MMI起到合束器的作用。信号光经过第一个MMI以及锥形过渡波导4、倒锥形过渡波导4’和条波导5、条波导6，由于TE/TM折射率不同，经过相同的路程，光程差不同，导致在进入第二个MMI的输入端口1时，两端口中TE/TM光相位相差π的奇数倍，使得TE/TM光从不同的端口输出，达到偏振分离的目的。
条波导5上加热电极7，调节外加电压，由于热光效应，条波导5上的材料折射率发生改变，导致该波导中TE/TM的有效折射率发生改变，于是在到达第二个MMI的 S弯曲输入波导1时，两端口TE/TM相位差也发生改变，当外加电压达到半波电压时，S弯曲输出波导2的偏振状态发生切换，从而达到控制输出端口偏振状态的目的。
如图4所示为基于MZI硅基可切换偏振器仿真效果示意图，采用高0.34微米、宽0.56微米的波导作为输入端，两个臂上条波导5、条波导6的宽度分别为0.404微米、0.56微米。通过对整体器件的仿真，看到外加电压对于器件输出端口偏振状态的控制作用。左图为未加电压之前TE/TM信号功率分布图，从左侧波导输入光信号，经过功分器、条型波导及合束器，TE光从左侧端口输出，TM光从右侧端口输出，达到模式分离的目的。在条波导上加电压，通过热光效应，改变波导中模式的有效折射率，从而改变两模式的相位差，导致TE从右侧端口输出，TM从左侧端口输出，达到偏振模式切换的目的。
本发明器件结构制作方法：
首先选取硅片，接着涂光刻胶，曝光显影，定义硅波导的图形，之后刻蚀，完成硅波导的制作，接着去胶，将P（MMA-GMA）上包层材料滴在下包层和芯层上，旋涂固化，得到上包层。在上包层用蒸发的方法镀一层铝膜，接着涂胶、曝光、显影，得到铝加热电极。

Claims (3)

1.一种基于MZI硅基可切换偏振器，在SOI材料的顶层硅上刻蚀出两个结构相同的偏振不敏感2×2 MMI；其特征在于：第一个偏振不敏感2×2 MMI的一条S弯曲输出波导的输出端经第一锥形过渡波导与第一条波导的一端连接，第一个偏振不敏感2×2 MMI的另一条S弯曲输出波导的输出端经第二锥形过渡波导、第一倒锥形过渡波导与第二条波导的一端连接；第二个偏振不敏感2×2 MMI的一条S弯曲输入波导的输入端经第二倒锥形过渡波导与第一条波导的另一端连接，第二个偏振不敏感2×2 MMI的另一条S弯曲输入波导的输入端与第二条波导的另一端连接；在第一条波导上设有加热电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于MZI硅基可切换偏振器，其特征在于：所述两个结构相同的偏振不敏感2×2 MMI的多模干涉区的两个边界均为抛物线型。
3.根据权利要求1所述的一种基于MZI硅基可切换偏振器，其特征在于：所述第一条波导和第二条波导其长度相同，但第一条波导宽度要小于第二条波导宽度；MZI第一条干涉臂由第一锥形过渡波导与第一条波导和第二倒锥形过渡波导构成，MZI第二条干涉臂由第二锥形过渡波导与第一倒锥形过渡波导和第二条波导构成。
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