CN105549145A - 芯片集成的多角度透光轴起偏器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种芯片集成的多角度透光轴的起偏器，包括入射波导部分、偏振选择性损耗部分以及出射波导部分，偏振选择性损耗部分由对称性打破部分与损耗部分组成。入射偏振态光首先经过入射波导部分输入，以本征模式的形式传播。进入偏振选择性损耗部分，由于波导结构的纵向对称性被打破，其本征模式的光轴会发生旋转，光轴旋转的角度可控。如果选择性对其中一个本征模式引入较大损耗，当偏振选择性损耗部分的长度选的足够长时，这一本征模式被完全损耗掉，从而过滤出特定偏振角度的偏振光。最后由出射波导部分耦合输出。本发明首次提出了多角度透光轴的芯片集成起偏器结构。

Description

芯片集成的多角度透光轴起偏器

技术领域

本发明是片上集成的偏振态高速检测系统的重要功能性器件，其在相干光通信领域、光纤传感领域与前沿的量子通信领域有着非常重要的作用。

背景技术

偏振光学作为标量光学的补充和深入，已经被看作为一门独立的学科分支，在天体物理学、化学、生物、通信等许多领域都着有广泛的应用。在通信领域中，偏振态的高速检测在相干光通信的偏振态补偿、偏振复用、偏振编码和偏振模色散的测量与补偿等方面有着重要的应用；在光纤传感领域，偏振光时域反射仪和偏振光频域反射仪等技术可以提高检测的精度、分辨率和实时性，还可以提高测量偏振模色散额分布；在量子通信领域中，量子密钥可以采用偏振调制的方式进行编码。因此，高速偏振态检测与控制技术的研究在许多领域都有重要的意义。

目前偏振态高速检测系统的商用解决方案主要来源于国外知名公司，如THORLABS、FIBERPRO和HINDSINSTRUMENTS公司等。然而这些商用产品大多是基于机械或电光调制、光纤、波片等分立结构，体积庞大、价格昂贵且不利于在线检测。如同电子集成技术，光电子器件的发展是朝着集成化和智能化的方向发展的。特别是在涉及到偏振态等敏感参数的研究和测量上，集成的芯片相较于分立器件不仅降低了系统功耗和复杂性，同时还具有更好的工作稳定性。因此，片上集成是高速偏振测量系统的发展趋势，也是实现实时在线检测的关键所在。

为了实现芯片集成的测量系统，一些利用分立器件实现的功能性单元需要在片上实现，如偏振无关的分光器、多角度检偏器和波片。其中，多角度检偏器在片上的实现是关键的科学难点。一般的片上波导结构支持两种模式：横电模(TE)和横磁模(TM)，分别对应0°和90°偏振角度。任意偏振态入射到片上，都会转换成这两种偏振态或这两者的组合。业界目前报道的片上检偏器原理基本都是采用特殊结构，使得TM(TE)模式的传输损耗远大于TE(TM)模式，从而实现0°(90°)的检偏器功能。由于片上的波导结构一般并不存在其他偏振角度的模式，无法对特定偏振角度的模式进行选择性损耗，因此其它角度透光轴的检偏器则鲜有报道。目前业界报道的片上起偏器的透光轴全部是0°或90°。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种芯片集成的多角度起偏器的解决方案，以弥补相关领域的研究空白。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种芯片集成的多角度起偏器，包括三个部分：入射波导部分、偏振选择性损耗部分以及出射波导部分，其中，所述偏振选择性损耗部分包括对称性打破部分和损耗部分；

所述对称性打破部分，用于打破光轴结构的对称性，使得结构的本征光轴发生旋转；

所述损耗部分，用于使特定的本征模式损耗增大，实现偏振选择损耗的功能。

所述对称性打破部分优选之一的，所述对称性打破部分通过在所述偏振选择性损耗部分的包层内刻蚀凹槽实现，具体为：所述偏振选择性损耗部分的波导侧上方的包层内设有与所述波导方向平行的长方体形凹槽，所述长方体形凹槽打破光轴结构的对称性，使得结构的本征光轴发生旋转；

所述长方体形凹槽的长度满足某一本征模式能被完全损耗，宽度大于等于0.9微米，长方体凹槽从包层的顶部开始，所述长方体形凹槽的最底面距离波导上表面有一定的垂直间距，所述长方体形凹槽与波导之间有一定的水平间距，所述垂直间距、水平间距，均由所需透光轴的角度所决定。

所述对称性打破部分优选之二的，所述对称性打破部分通过对所述偏振选择性损耗部分的波导部分刻蚀实现，具体为：在所述偏振选择性损耗部分的波导的一个角上刻蚀出一个长方体型凹槽，所述长方体形凹槽打破光轴结构的对称性，使得结构的本征光轴发生旋转；所述长方体形凹槽的刻蚀的深度、宽度以及相对位置决定了透光轴的旋转角度。

所述对称性打破部分优选之三的，所述对称性打破部分通过在所述偏振选择性损耗部分的波导上沉积介质实现。

所述损耗部分优选之一的，所述损耗部分通过在所述偏振选择性损耗部分的包层内设置沉积金属，具体为：在靠近所述偏振选择性损耗部分的波导的一侧的斜上方的角上，设有长条形金属，所述长条形金属使特定的本征模式损耗增大，实现偏振选择损耗的功能；所述长条形金属的长度与所述述长方体型凹槽相同，所述长条形金属的宽度大于等于0.1微米。

所述损耗部分优选之二的，所述损耗部分通过在所述偏振选择性损耗部分的波导上一个角掺入N型离子或P型离子，掺杂区域的坐标以及大小由所需的透光轴角度所决定，掺杂的波导长度由掺杂的浓度以及掺杂区域的大小所决定；掺杂后的波导对光的吸收会大幅增强，从而增大对光的传输损耗。

优选的，所述长方体形凹槽的宽度为1～2微米。

更优的，所述长方体凹槽的长度等于所述偏振选择性损耗部分的波导的长度。

所述长条形金属的宽度和高度均为0.1微米。所述输入波导、输出波导均采用倒锥结构。

本发明的原理是，入射的偏振态首先经过入射波导部分输入到结构中，其会激励起波导中的本征模式(TE模式或TM模式)并以本征模式的形式传播，这时波导结构的本征光轴为图1中的X轴和Y轴。在偏振选择性损耗部分，本征模式经过对称性打破部分，波导结构的本征光轴发生旋转，原本的本征模式的偏振角度也随之发生旋转，这时的本征光轴变成了X'轴和Y'轴。旋转的角度θ可以通过控制部分刻蚀(包括包层刻蚀及波导刻蚀)的参数(刻蚀宽度，刻蚀深度以及刻蚀的相对位置)或沉积介质材料的厚度和形状的特征参数的方式来人为地控制。接着，通过损耗部分，可以使得某一旋转后的本征模式损耗增大，当损耗部分的长度足够长时，这一本征模式可以被完全损耗掉。最后在输出波导部分，没有损耗的另一本征模式重新耦合到输出波导的本征模式并输出。本发明的核心思想是通过改变波导结构，导致本征光轴的旋转，接着利用引入的损耗，达到理想的起偏效果。

本发明首次提出了多角度透光轴的芯片集成起偏器结构。

附图说明

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1本征光轴旋转θ角度原理示意图；

图2本发明具体实施方式三维结构图，图中，101—入射波导部分、102—偏振选择性损耗部分、103—出射波导部分；

图3本发明具体实施方式横截面图，图中，104—偏振选择性损耗部分的波导、105—偏振选择性损耗部分的金属、106—包层部分刻蚀。

图4(a)本征光轴旋转45°时本征模式1；

图4(b)本征光轴旋转45°时本征模式2；

图4(c)在金属存在的条件下，本征模式1变为表面等离子模式3；

图4(d)在金属存在的条件下，本征模式2变为本征模式4。

具体实施方式

本发明的多角度起偏器结构包括三个部分：入射波导部分、偏振选择性损耗部分以及出射波导部分，其中偏振选择性损耗部分又由对称性打破部分与损耗部分共同组成。

对称性打破部分有三种实现方法，包括：

由包层部分刻蚀凹槽实现的对称性打破部分的结构为：波导侧上方的包层内设有与所述波导方向平行的长方体形凹槽，长方体形凹槽的长度满足某一本征模式能被完全损耗，宽度大于等于0.9微米，长方体凹槽从包层的顶部开始，所述长方体形凹槽的最底面距离波导上表面有一定的垂直间距，所述长方体形凹槽与波导之间有一定的水平间距，所述垂直间距、水平间距，均由所需透光轴的角度所决定；长方体形凹槽用于打破光轴结构的对称性，使得结构的本征光轴发生旋转。

对称性的打破还可以通过波导的部分刻蚀实现。其中波导刻蚀与包层刻蚀类似，其实施方法是在波导的一个角上刻蚀出一个长方体型凹槽，长方体形凹槽用于打破光轴结构的对称性，使得结构的本征光轴发生旋转；长方体型凹槽的刻蚀的深度、宽度以及相对位置决定了透光轴的旋转角度。这一技术为本领域现有的技术手段，故不予赘述。

对称性的打破还可以通过沉积其他介质材料实现。沉积其他介质材料一般是沉积一层材料(单晶硅，氮化硅等)后，对这层介质材料进行刻蚀，形成长条形凹槽或长条形块状介质。当光在波导中传播时，光感知到这层介质材料后，由于波导结构不同部位的折射率不同，其对称性被打破，因此本征光轴会发生旋转。光轴的旋转角度由介质材料的厚度以及其形状的特征参数决定。这一技术为本领域现有的技术手段，故不予赘述。

损耗部分有两种实现方法，包括：

损耗部分由沉积金属实现的损耗部分的结构为：在靠近波导的一侧的斜上方的角上，设有长条形金属，所述长条形金属的长度与所述述长方体型凹槽相同，所述长条形金属的宽度大于等于0.1微米。长条形金属使特定的本征模式损耗增大，实现偏振选择损耗的功能。

所述损耗部分还可以利用掺杂的方式来实现。其实施方法是，在波导的一个角(掺杂区域的坐标以及大小由所需的透光轴角度所决定)掺入N型离子或P型离子，掺杂后的波导对光的吸收会大幅增强，从而增大光的传输损耗，如图所示。其掺杂的波导长度由掺杂的浓度以及掺杂区域的大小所决定。

对称性打破部分与损耗部分二者相互作用，对称性打破部分负责旋转光轴，产生所需透光轴角度的本征模式，损耗部分位于垂直于这一透光轴角度的另一本征模式的延长线上，对这一本征模式进行损耗。

考虑到实际制作的难度，本具体实施方式选择包层部分刻蚀以及沉积金属来实现偏振选择损耗部分。多角度透光轴起偏器的输入波导、输出波导均采用倒锥结构。包层部分刻蚀的长方体凹槽的长度等于所述偏振选择性损耗部分的波导的长度。长方体形凹槽宽度为1～2微米。长方体凹槽的长度等于偏振选择性损耗部分的波导的长度。长条形金属的宽度和高度均为0.1微米。

图2和图3分别为透光轴为135°为例的起偏器三维结构示意图与横截面图。输入波导部分采用倒锥结构，波导宽度逐渐减少，这样入射光的模场会部分弥散到包层中。在对称性打破部分，本实施例采用了包层的部分刻蚀结构，这样从入射波导输入的光见到的折射率对称性被打破，通过控制包层刻蚀的深度、宽度以及相对位置，由公式

$tan\mathrm{\θ}=\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫}{n}^2(x,y){\left|H_x(x,y)\right|}^{2}dkdy/\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫}{n}^2(x,y){\left|H_y(x,y)\right|}^{2}dkdy---\left(1\right)$

公式(1)中，n为折射率分布，H为磁场分量，积分区域为模场区域。x、y分别代表没有发生旋转时，两个本征光轴的方向。

得到光轴旋转45°的本征模式，如图4(a)和(b)所示，图中的箭头是本征模式的电场方向。本发明之所以采用包层刻蚀，是因为目前业界的套刻精度在10nm量级，而这样的套刻误差对波导的部分刻蚀影响是非常巨大的。为了弥补工艺误差带来的影响，本发明采用了刻蚀深度和宽度尺寸相对更大的包层刻蚀，这样套刻误差造成的劣化则相对小得多。接着在包层刻槽的靠近波导的角沉积了一层金属，这样图4(a)中的本征模式1会受到金属的影响，形成传输损耗非常大的表面等离子模式，如图4(c)。其传输损耗可以用公式

$\mathrm{\σ}=e^{-n_{eff}{k}_{0}z}---\left(2\right)$

来表征，其中neff是模式的有效折射率的虚部，k是波矢。同时图4(b)中的本征模式则会变成图4(d)中的模式，基本不会受到金属的影响。当偏振选择性损耗部分的长度足够长(损耗大于或等于99％，长度由上述公式(2)确定)时，这种表面等离子体模式可以完全损耗，这样相当于把垂直于透光轴的光滤出掉，而平行与透光轴的光保留下来，从而实现135°检偏器的功能。最后，经过损耗的光经过输出波导部分耦合输出。

需要注意的是，以上实施示例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.芯片集成的多角度透光轴起偏器，其特征在于，包括三个部分：入射波导部分、偏振选择性损耗部分以及出射波导部分，其中，所述偏振选择性损耗部分包括对称性打破部分和损耗部分；

所述对称性打破部分，用于打破光轴结构的对称性，使得结构的本征光轴发生旋转；

所述损耗部分，用于使特定的本征模式损耗增大，实现偏振选择损耗的功能。

2.根据权利要求1所述的芯片集成的多角度透光轴起偏器，其特征在于，所述对称性打破部分通过在所述偏振选择性损耗部分的包层内刻蚀凹槽实现，具体为：所述偏振选择性损耗部分的波导侧上方的包层内设有与所述波导方向平行的长方体形凹槽，所述长方体形凹槽打破光轴结构的对称性，使得结构的本征光轴发生旋转；

所述长方体形凹槽的长度满足某一本征模式能被完全损耗，宽度大于等于0.9微米，长方体凹槽从包层的顶部开始，所述长方体形凹槽的最底面距离波导上表面有一定的垂直间距，所述长方体形凹槽与波导之间有一定的水平间距，所述垂直间距、水平间距，均由所需透光轴的角度所决定。

3.根据权利要求1所述的芯片集成的多角度透光轴起偏器，其特征在于，所述对称性打破部分通过对所述偏振选择性损耗部分的波导部分刻蚀实现，具体为：在所述偏振选择性损耗部分的波导的一个角上刻蚀出一个长方体型凹槽，所述长方体形凹槽打破光轴结构的对称性，使得结构的本征光轴发生旋转；所述长方体形凹槽的刻蚀的深度、宽度以及相对位置决定了透光轴的旋转角度。

4.根据权利要求1所述的芯片集成的多角度透光轴起偏器，其特征在于，所述对称性打破部分通过在所述偏振选择性损耗部分的波导上沉积介质实现。

5.根据权利要求1-4之一所述的芯片集成的多角度透光轴起偏器，其特征在于，所述损耗部分通过在所述偏振选择性损耗部分的包层内设置沉积金属，具体为：在靠近所述偏振选择性损耗部分的波导的一侧的斜上方的角上，设有长条形金属，所述长条形金属使特定的本征模式损耗增大，实现偏振选择损耗的功能；所述长条形金属的长度与所述述长方体型凹槽相同，所述长条形金属的宽度大于等于0.1微米。

6.根据权利要求1-4之一所述的芯片集成的多角度透光轴起偏器，其特征在于，所述损耗部分通过在所述偏振选择性损耗部分的波导上一个角掺入N型离子或P型离子，掺杂区域的坐标以及大小由所需的透光轴角度所决定，掺杂的波导长度由掺杂的浓度以及掺杂区域的大小所决定；掺杂后的波导对光的吸收会大幅增强，从而增大对光的传输损耗。

7.根据权利要求2所述的芯片集成的多角度透光轴起偏器，其特征在于，所述长方体形凹槽的宽度为1～2微米。

8.根据权利要求2或7所述的芯片集成的多角度透光轴起偏器，其特征在于，所述长方体凹槽的长度等于所述偏振选择性损耗部分的波导的长度。

9.根据权利要求5所述的芯片集成的多角度透光轴起偏器，其特征在于，所述长条形金属的宽度和高度均为0.1微米。

10.根据权利要求1所述的芯片集成的多角度透光轴起偏器，其特征在于，所述输入波导、输出波导均采用倒锥结构。