CN105549154B - 一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器 - Google Patents

一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器 Download PDF

Info

Publication number
CN105549154B
CN105549154B CN201610125818.5A CN201610125818A CN105549154B CN 105549154 B CN105549154 B CN 105549154B CN 201610125818 A CN201610125818 A CN 201610125818A CN 105549154 B CN105549154 B CN 105549154B
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
low
layer
index layer
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610125818.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105549154A (zh
Inventor
毕磊
税科弋
邓龙江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201610125818.5A priority Critical patent/CN105549154B/zh
Publication of CN105549154A publication Critical patent/CN105549154A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105549154B publication Critical patent/CN105549154B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
    • G02B6/2746—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means comprising non-reciprocal devices, e.g. isolators, FRM, circulators, quasi-isolators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器。该隔离器由依次连接的单模波导单元、多模波导单元和单模波导单元组成，且光波沿其传输，隔离器各波导单元所有波导均采用同一片SOI基片作为底层。各波导单元由至少一个对应的波导构成。多模波导单元中：第一多模波导从上到下依次为低折射率层、磁光薄膜层、半导体波导薄膜层和低折射率层；第二多模波导从上到下依次为低折射率层、半导体波导薄膜层、磁光薄膜层、半导体波导薄膜结构层和低折射率层。通过使多模干涉波导的宽度和单模波导一致，实现模式呈纵向分布。本发明实现了单向磁化下的MMI光隔离器结构，简化了磁场施加方法，使器件容易制备和封装。

Description

一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器
技术领域
本发明属于集成光学领域，具体涉及一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器。
背景技术
随着通信网络系统对传输带宽日益增大的需求，光通信和光互连技术逐渐向高集成度,高带宽,低能耗方向发展。为提高系统传输带宽和数据稳定性，光路中后向散射和反射已成为一个必须解决的重要问题。各种原因产生的后向传输光会对光源以及放大器等光学元器件的稳定工作产生不利影响。由此出现了一种只允许光线沿光路正向传输的非互易性无源器件——光隔离器。
目前在光通信中广泛使用的光隔离器为分立器件,器件尺寸大,成本高，封装困难。随着集成光学技术的发展，日益需要将光隔离器实现单片集成，以减小器件尺寸，提高集成度和可靠性，并降低成本。基于波导结构磁光非互易性的光隔离器具有兼容性好,无源,成本低等特点,是集成光学系统研究的核心器件。
目前已报道的磁光波导隔离器,按其工作原理的不同主要可分为三种(1)模式转换型,这类器件需通过模式匹配，实现TE和TM模式的非互易转换,主要问题是制作容差小；(2)非互易损耗型,这类器件需要利用高损耗磁光金属,器件损耗高；(3)非互易相移(NRPS)型,利用基于半导体和磁光材料多层薄膜波导器件结构的相位传输非互易性，实现光隔离，具有工艺容差高，器件设计灵活等优点。
多模干涉(MMI)磁光隔离器是上述非互易相移(NRPS)型磁光隔离器中的一种，它利用模式间非互易相移的不同实现光隔离，具有以下优点:无须精确的相位匹配,结构紧凑,制作工艺简单。目前已提出的MMI磁光隔离器的问题主要在(1)器件结构基于GGG基片上外延的磁光薄膜材料，不能实现半导体集成。(2)已提出的半导体集成MMI磁光隔离器需要多方向磁化磁光材料，难以实现磁场的集成或封装，制备困难。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为实现尺寸小，磁场易于施加，器件易于封装和制备的需求。本发明提供了一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器，该隔离器是基于半导体波导结构和磁光薄膜材料的多模干涉型光隔离器。
上述单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器由依次连接的单模波导单元、多模波导单元和单模波导单元组成，且隔离器各波导单元所有波导均采用同一片SOI基片作为底层，即低折射率层。隔离器的外加磁场方向垂直于光波导中光传播方向。多模波导的宽度和单模波导一致。
单模波导单元，由至少一个单模波导构成。单模波导从上到下依次为：厚度2um-3um的低折射率层、厚度400nm-700nm的半导体波导薄膜层和厚度2um-3um的低折射率层，结构支持单模光传输。波导最下层的低折射率层宽度不小于500nm，其他各层的宽度为500nm。
多模波导单元由至少一个第一多模波导和/或第二多模波导构成。
第一多模波导从上到下依次为：厚度2um-3um的低折射率层、厚度200-350nm的磁光薄膜层、厚度400nm-600nm的半导体波导薄膜层和厚度2um-3um的低折射率层，且在垂直于薄膜表面方向上存在两个或以上的模式传播。波导最下层的低折射率层宽度不小于500nm，其他各层的宽度为500nm。
第二多模波导从上到下依次为：厚度2um-3um的低折射率层、厚度100nm-300nm的半导体波导薄膜层、厚度200-300nm的磁光薄膜层、厚度100nm-300nm的半导体波导薄膜结构层和厚度2um-3um的低折射率层，且在垂直于薄膜表面方向上支持两个或以上的模式传播。波导最下层的低折射率层宽度不小于500nm，其他各层的宽度为500nm。
磁光薄膜层材料为：钇铁石榴石(YIG)，铈掺杂钇铁石榴石(Ce:YIG)，铋掺杂钇铁石榴石(Bi:YIG)，稀土离子掺杂钇铁石榴石(Re:YIG)，Fe3O4,Fe2O3或CoFe2O4。且磁光薄膜层至少一层。
单模波导和多模波导的芯层为半导体波导薄膜层，其材料为:Si、Ge、Si1-xGex、GaAs、InP、InGaAsP、GaN、AlN、Ga1-xAlxAs或Ge1-xSnx。且半导体波导薄膜层至少一层。
包层即低折射率层，其材料为：SiO2、Si3N4、SiOxNy、TiO2、HfO2、ZrO2、Ta2O5、Al2O3或MgO。所述最上层的低折射率层还可选用空气。且低折射率层至少一层。
多个隔离器之间通过串联的连接方式进行使用，且各隔离器的最底层即低折射率层均采用同一片SOI基片作为底层。
对于两种多模波导，由于磁光材料的磁光效应，使光传播常数与传播的方向有关，即非互易相移。在多模干涉波导中存在两个或者以上的导波模式，从单模波导传输过来的光会不同程度地激发这些模式，这些模式之间会发生干涉现象，由于这些模式的存在不同的非互易相移,正向传输时,两个模式的相位差为2nπ,n为整数，光与单模波导耦合效率很高，即正向通过；反向传输时，两个模式的相位差为(2n+1)π,光与单模波导耦合效率很低，即反向隔离达到光隔离器的条件。本结构中，由于多模干涉波导的宽度和单模波导一致，因此其模式呈纵向分布的特点。
在本发明设计的光隔离器结构中，光波会依次经过单模波导单元、多模波导单元和单模波导单元，其正向传输和反向传输不同模式的干涉模场分布不同，具有单向传输，反向隔离的特性。通过设计单模波导尺寸和与多模区波导相接位置，调节多模区各模式场强，实现高隔离和低插损。
本发明的有益结果是：
1、采用了半导体波导，可以实现器件在半导体基片上的集成
2、采用不同模式在半导体材料和磁光材料中的分布不同的原理，通过设计器件结构，实现了单向磁化下的MMI光隔离器结构，简化了磁场施加方法，使器件容易制备和封装。
附图说明
图1为实施例1隔离器结构示意图。
图2为实施例2隔离器结构示意结构图。
图3为实施例1隔离器正向和反向传输功率与波长关系的仿真图。
图4为实施例2隔离器正向和反向传输功率与波长关系的仿真图。
具体实施方式
实事例1
如图1所示，这种结构采用SOI基片作为低折射率层，并在上面生长磁光薄膜层，低折射率层和半导体波导层来组成器件。其中单模波导的低折射率层为SiO2,其厚度为2um，半导体波导层为硅，其宽度为500nm，厚度为350nm，最上层的低折射率层选用空气。在单模波导中，光的传播被限制为一种传输模式，即TM模式的基模TM00模和TE模式的基模TE00模。
隔离器的第二部分为第一多模波导，波导结构从下到上和各层厚度依次为SiO2(2um)/Si(500nm)/CeYIG(300nm)/空气，波导宽度为500nm，其支持TM00模式和TM01模式。由于TM00模式主要分布在Si里而TM01有部分分布在Ce:YIG中，因此结构的非互易相移相比其他结构更高，多模波导的长度较短，仅769μm。但由于两模式的电场分布和磁场分布的缘故，使得TM00模式比TM01模式的功率高，造成反向的功率不能完全相消，使得整个器件的隔离度偏低，相对应的，其对尺寸误差的容忍度即容差较大。由于隔离度较低，在实际应用中，往往需要串联多个隔离器以达到较高的隔离效果，图3为经过串联5个隔离器，正向和反向传输功率与波长关系的仿真图。
实事例2
图2为经过改进的隔离器结构，其多模波导单元由第二多模波导组成，从上往下依次为空气/Si/Ce:YIG/Si结构，其中Si/Ce:YIG/Si各层厚度为200nm/200nm/300nm,相比于图1的结构，这种结构可以使两种模式的非互易相移符号相反，从而大幅度地降低器件尺寸。为了和多模波导的模式相匹配，单模波导的半导体波导层(硅)高度为440nm,由于两个波导之间的模式匹配较好，使得多模干涉器中两个模式的功率较为接近，因此这种结构的隔离度和带宽较高，如图4所示。但是由于其性能对于器件尺寸的敏感度较大，所以其容差比图1所示结构相对较低。

Claims (5)

1.一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器，由依次连接的单模波导单元、多模波导单元和单模波导单元组成，其特征在于：所述隔离器各波导单元中的波导均采用同一片SOI基片的SiO2层作为底层，即低折射率层；隔离器的外加磁场方向垂直于光波导中光传播方向；多模波导的宽度和单模波导一致；
单模波导单元，由至少一个单模波导构成；单模波导从上到下依次为：厚度2um-3um的低折射率层、厚度400nm-700nm的半导体波导薄膜层和厚度2um-3um的低折射率层，且支持单模光传输；最下层的低折射率层宽度不小于500nm，其他各层的宽度为500nm；
多模波导单元由至少一个第一多模波导和/或第二多模波导构成；
第一多模波导从上到下依次为：厚度2um-3um的低折射率层、厚度200-350nm的磁光薄膜层、厚度400nm-600nm的半导体波导薄膜层和厚度2um-3um的低折射率层，且在垂直于薄膜表面方向上存在两个或以上的模式传播；波导最下层的低折射率层宽度不小于500nm，其他各层的宽度为500nm；
第二多模波导从上到下依次为：厚度2um-3um的低折射率层、厚度100nm-300nm的半导体波导层、厚度200-300nm的磁光薄膜层、厚度100nm-300nm的半导体波导薄膜结构层和厚度2um-3um的低折射率层，且在垂直于薄膜表面方向上支持两个或以上的模式传播；波导最下层的低折射率层宽度不小于500nm，其他各层的宽度为500nm。
2.如权利要求1所述单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器，其特征在于：所述磁光薄膜层采用钇铁石榴石YIG、铈掺杂钇铁石榴石Ce:YIG、铋掺杂钇铁石榴石Bi:YIG、稀土离子掺杂钇铁石榴石Re:YIG、Fe3O4、Fe2O3或CoFe2O4制备，且至少一层。
3.如权利要求1所述单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器，其特征在于：所述最上层的低折射率层选用空气。
4.如权利要求1所述单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器，其特征在于：光波会依次经过单模波导单元、多模波导单元和单模波导单元，其正向传输和反向传输不同模式的干涉模场分布不同，具有单向传输，反向隔离的特性。
5.如权利要求1-3任一所述单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器，其特征在于：多个隔离器之间通过串联的连接方式进行使用，且各隔离器的最底层即低折射率层均采用同一片SOI基片作为底层。
CN201610125818.5A 2016-03-03 2016-03-03 一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器 Active CN105549154B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610125818.5A CN105549154B (zh) 2016-03-03 2016-03-03 一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610125818.5A CN105549154B (zh) 2016-03-03 2016-03-03 一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105549154A CN105549154A (zh) 2016-05-04
CN105549154B true CN105549154B (zh) 2019-05-10

Family

ID=55828451

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610125818.5A Active CN105549154B (zh) 2016-03-03 2016-03-03 一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105549154B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9897827B1 (en) * 2016-07-27 2018-02-20 Intel Corporation Feedback controlled closed loop on-chip isolator
CN106154415B (zh) * 2016-08-31 2021-05-04 深圳大学 低损磁光空隙磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导
CN106249444A (zh) * 2016-08-31 2016-12-21 欧阳征标 无泄漏磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管
CN107870456B (zh) * 2017-11-30 2020-08-11 电子科技大学 一种mzi型磁光隔离器
CN108107507B (zh) * 2017-12-19 2019-12-10 电子科技大学 一种mmi型磁光隔离器及其制备方法
CN111856791B (zh) * 2019-04-29 2021-10-08 中国科学院半导体研究所 基于模式滤波器的硅基磁光隔离器及制备方法
CN111505766B (zh) * 2020-05-08 2021-08-06 电子科技大学 一种基于硅基集成磁光环行器的光学全双工收发组件

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3054707B1 (ja) * 1999-03-19 2000-06-19 東京大学長 光アイソレ―タ
CN101672987B (zh) * 2008-09-12 2013-01-02 华为技术有限公司 光隔离器、光分插复用器和光合束器
CN104238009B (zh) * 2014-09-12 2017-07-18 北京大学 利用模式耦合的非互易性实现光隔离的方法及光隔离器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
An Integrated Optical Waveguide Isolator Based on Multimode Interference by Wafer Direct Bonding;J.S.Yang et al.;《IEEE》;20051231;第41卷(第10期);3520-3522 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105549154A (zh) 2016-05-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105549154B (zh) 一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器
CN105829933B (zh) 波导偏振分离和偏振转换器
CN107870456A (zh) 一种mzi型磁光隔离器
Shoji et al. Waveguide magneto-optical devices for photonics integrated circuits
US8855449B1 (en) Adiabatic waveguide polarization converter
Pintus et al. Integrated TE and TM optical circulators on ultra-low-loss silicon nitride platform
CN105759357B (zh) 一种基于槽式波导的紧凑式模阶数转换器
US8396337B2 (en) Ring resonator based optical isolator and circulator
CN103513333A (zh) 一种硅基纳米线混合十字交叉器
US10036905B2 (en) Compact six-port photonic crystal circulator
CN100371775C (zh) 波导型非互易光分束器件
CN103116202B (zh) 可见光合波器
US8078021B2 (en) Waveguide connecting structure
CN102866461A (zh) 光子芯片与光纤的耦合方法
CN106707657B (zh) 一种基于微环谐振器的控制交换门光学逻辑器件
US20160341981A1 (en) Nonreciprocal Coupler Isolator
CN105865433B (zh) 单片集成的消偏型光纤陀螺光学芯片
CN105137623A (zh) 基于光子晶体非对易单向波导的波分解复用器
CN103558661A (zh) 一种基于硅基l形波导结构的集成偏振转换器
CN108107507B (zh) 一种mmi型磁光隔离器及其制备方法
CN111830627B (zh) 偏振分束器及其形成方法
CN104932058A (zh) 一种光隔离器
CN111458795B (zh) 一种基于硅波导的全波段起偏器
Shui et al. Design of a compact waveguide optical isolator based on multimode interferometers using magneto-optical oxide thin films grown on silicon-on-insulator substrates
CN115857098B (zh) 一种硅基片上光学环行器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant