CN106461871A - 用于包括一系列弯曲的波导偏振器的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种用于包括一系列弯曲的波导偏振器的装置与方法适于用在光波导器件或电路中，其中，例如为了单偏振输出而需要偏振光。偏振器的设计不依赖光学器件的功能。光学偏振器包括：光波导，用于以指定偏振模式传播光，并且包括与被传播的光处于同一平面的弯曲。所述弯曲具有用于将所述被传播的光的所述指定偏振模式包含在所述光波导内并将所述被传播的光的第二偏振模式辐射到所述光波导外的几何形状。

Description

用于包括一系列弯曲的波导偏振器的装置与方法

相关申请交叉引用

本申请要求于2014年3月31日提交的申请号为14/231,429、名称为“用于包括一系列弯曲的波导偏振器的装置与方法”的美国专利申请的权益，其全部内容通过引用结合于在本申请中。

技术领域

本发明涉及光通信领域，在具体实施例中，涉及一种用于包括一系列弯曲的波导偏振器的装置与方法。

背景技术

硅线波导用作超小型光子集成电路(PIC)的平台。在典型结构中，高折射率的硅芯由诸如二氧化硅、或者有时为氮化硅、氮氧化硅或空气等低折射率材料(称为包层)包围。这种结构形成光的波导，通常用在例如1310纳米或1550纳米的通信波长的频带。硅PIC芯片包括单模和多模波导元件的光刻定义布局，这些波导元件形成光子电路。在一些光子集成电路中，光子单元的输出旨在包含单偏振(例如，相对于具有两个正交偏振的其它电路)。然而，由于制造公差或由于各单元的固有电磁物理，输出光除了所需的单偏振可能还包含一小部分不希望的偏振。因此，向波导结构或PIC芯片添加偏振组件是可取的。另外，采用同一制造平台来形成偏振组件和波导结构或PIC芯片是可取的。

发明内容

根据本公开内容的实施例，光学偏振器包括：光波导，用于以指定偏振模式传播光，并且包括与被传播的光处于同一平面的弯曲。所述弯曲具有用于将所述被传播光的所述指定偏振模式包含在所述光波导内并将所述被传播光的第二偏振模式辐射到所述光波导外的几何形状。

根据本公开内容的另一实施例，光学设备包括：光波导，用于以指定偏振模式传播光。所述光学设备还包括：弯曲波导，与所述光波导耦合，并且配置有弯曲几何形状以将被传播的光的所述指定偏振模式包含在所述光波导内并将所述被传播光的第二偏振模式辐射到所述弯曲波导外。

根据本公开内容的又一实施例，一种用于制造偏振器设备的方法包括：利用半导体制造工艺在基板上形成光波导。所述形成包括成形所述光波导的几何形状和尺寸，以根据期望的工作波长支持光传播的指定偏振模式。所述方法还包括：在所述半导体制造工艺过程中在所述波导中形成一系列弯曲。所述形成包括成形所述弯曲的几何形状和尺寸以将所述指定偏振模式包含在波导内并将第二偏振模式辐射到波导外。所述方法还包括：在基板上设置围绕所述波导和所述波导的所述弯曲的光吸收材料。

为了使本发明的以下详细描述可以更好地被理解，前述内容已相当广泛地概括了本发明实施例的特征。以下将对本发明实施例的附加特征和优点进行描述，其形成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应理解，所公开的概念和具体实施例可以轻而易举地用作修改或设计其它结构或过程的基础，以便执行与本发明相同的目的。本领域技术人员还应该理解，这种等效构造并不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优点，现结合说明书附图参考以下描述，其中：

图1示出了包含偏振器的光接收器的示例；

图2示出了包含偏振器的光子开关芯片的示例；

图3示出了偏振器设计的实施例；

图4为偏振器的弯曲设计的实施例的顶部平面视图；

图5示出了横向电场(TE)偏振器设计的实施例的横截面；

图6示出了横向磁场(TM)偏振器设计的实施例的横截面；以及

图7示出了包括一系列弯曲的偏振设备的制造方法的实施例。

除非另有说明，不同附图中的相应数字和符号通常指代相应的部件。对附图进行绘制以清楚说明各实施例的相关方面，并且不一定按比例进行绘制。

具体实施方式

以下将对当前优选实施例的形成和使用进行详细讨论。然而，应当理解，本发明提供了许多可以在各种特定背景下体现的适用性发明构思。所讨论的具体实施例仅仅用来说明用以形成和使用本发明的具体方式，并不用来限制本发明的范围。

本文中的实施例提供了一种包括一系列弯曲的波导偏振器。所述波导偏振器可以用在光波导装置(或芯片/电路)中，其中，例如为了单偏振输出而需要偏振光。偏振器设计不依赖光学设备的功能。例如，偏振器可以用在光调制器、开关、多路复用器或多路分用器中。这些设备和其它偏振光设备可以包括单模波导，其中光只需要在具有横向电场(TE)偏振的模式下传播，例如，为最低阶波导模式的TE0模式。在这种情况下，偏振器设计成拒绝横向磁场TM偏振光，比如TM0模式。也提出了针对TM偏振模式的另一种偏振器设计。例如，偏振器可以通过拒绝分别为TM偏振或TE偏振的一部分光来将具有混合偏振，比如，45度偏振的模式，转换为线性偏振模式，比如，TE0模式或TM0模式。所有偏振器设计包括使光成为沿着所期望方向进行偏振的一个或多个弯曲，并且可以与光波导设备在所述光学设备的相同制造过程中，例如，同一基板或板(board)上的光刻工艺中制造。虽然各实施例根据基于硅的制造工艺进行描述，该方案也适用于其它材料系统，例如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、铌酸锂(LiNbO3)、锆钛酸铅镧(PLZT)和氮化硅(SiN)。

因为所述弯曲类似于可能在光子集成电路中需要的其它波导弯曲，所以可以采用光刻图案成形来建立偏振器设计，而不需要宽度非常窄的波导并且不用引入新的制造步骤。可以包括这种用于偏振的波导弯曲的偏振分集光子电路的例子包括在给定光载波上含有正交(X和Y)偏振光的光纤输入、将输入的X和Y偏振转换成两个相应光波导的TE模式的偏振分束单元、执行偏振分束单元的反函数的偏振合束输出单元以及具有两个TE模式光波导电路的偏振分集芯(polarization diverse core)，其中，这两个TE模式光波导电路一般相同并且每个执行诸如检测、调制或切换等光学功能。这两个电路分别作用在来自光纤中的正交(X和Y)偏振光。

图1示出了光接收器100，其可以包括根据本公开内容实施例的偏振器。入射光束105包含两个正交偏振X和Y的光。接收器100可以为包括偏振光束分束器(PBS)110的相干接收机。PBS 110包括偏振分束表层光栅耦合器，其将入射光束105，例如TE模式下的入射光束，分离成两个相应路径上的两个正交偏振部分(X和Y偏振光束)：第一路径与第一波导电路131耦合，第二路径与第二波导电路132耦合。各所述电路131和132包括配置用于TE模式的相似波导。然而，第二波导电路132中的波导相对于第一电路131中的波导旋转90度。这样，来自PBS 110的X偏振光可以在第一电路131的波导中与TE模式匹配，并且来自PBS 110的正交Y偏振光可以在第二波导电路132的波导中与TE模式匹配。这两个电路131和132与检测阵列140耦合以便将光信号转换成电信号。如果LO光106也处于TE模式，所述电路131和132还将来自本地振荡器激光(Lo In)的光106与信号光105混合。

由于光学组件的制造缺陷或固有的电磁物理，来自PBS 110的偏振输出光束可能含有一些不需要的偏振。因此，可以在第一路径上将第一偏振器121插入PBS 110和第一波导电路131之间，以实现仅包含最初被X偏振化的光的更纯的TE模式(不需要的偏振较少)。实现这种更纯的偏振模式或者去除光束中其它不希望的偏振在本文中称为清理偏振模式。类似地，可以在第二路径上将第二偏振器122插入PBS 110和第二波导电路132之间，以实现仅包含最初被Y偏振化的光的更纯的TE模式。第二偏振器122可以具有与第一偏振器121相同的设计。

图2示出了可以包括偏振器的光子开关芯片200的示例。光子开关芯片200包括多个光纤或波导210，其携带双偏振输入光束阵列(例如，TE和TM模式偏振光)和与光纤210耦合的相应阵列或偏振分束器212。芯片200还包括TE波导的第一开关矩阵225和TE波导的类似的第二开关矩阵225，两个矩阵均与偏振分束器212耦合。偏振分束器212将入射光分离为TE和TM模式并将每个模式的入射光转发给两个开关矩阵225中的一个。例如，偏振分束器212可以是定向耦合器、弯曲的定向耦合器或多模干涉仪元件。

偏振旋转器阵列202位于偏振分束器212和第二开关矩阵225的输入端之间。例如，偏振旋转器202可以为具有非对称横截面的波导。这使得能够将入射的TM模式偏振光旋转成适于与第二开关矩阵225中波导的TE模式耦合的正交偏振光。两个开关矩阵225的输出均与偏振合束器阵列213耦合，其将来自开关矩阵225的相应入射光束合为到另一光纤阵列211的双偏振输出光束。第二偏振旋转器阵列201位于偏振合束器213和第一偏振开关矩阵225的输出端之间。这使得能够将来自第一开关矩阵225的TE模式偏振光旋转成适于与偏振合束器213的TM模式耦合的正交偏振光。然后，在偏振合束器213中将TM模式与从第二开关矩阵225接收的TE模式合成。另外，可以将TE清理偏振器221添加在如图所示开关矩阵225的任何一个或多个输入端和输出端中。所添加的偏振器221清理开关矩阵225的输入端和输出端处的光束偏振。

如上所述，偏振器121，122，221清理光束的偏振模式并提高光学设备的性能。这些偏振器提供一种避免偏振串扰、不准确光功率检测、多路径传播串扰或其它不期望的光学代价的偏振清洁(polarization-clean)信号。图3示出了针对诸如偏振器121，122，221等偏振器的偏振设计300的实施例。所述设计300为包括具有一系列弯曲的单模光波导的低损耗波导偏振器。所述波导可以为绝缘体上的硅波导，例如，基板(比如硅基板)上的二氧化硅(也称作硅石)。所述弯曲设计成对于所期望偏振的期望光模式具有低损耗。此外，在实施例中，所述弯曲也可以设计成对于正交偏振模式或除所需偏振模式之外的其它模式具有高损耗。弯曲和弯曲间的波导部分均在期望模式的同一平面上。如图所示，波导包括一系列具有蛇形形状的弯曲。在其它实施例中，弯曲波导包括具有蛇形形状、双蛇形形状和螺旋形状中一种或其组合的一系列弯曲。

波导及其弯曲可以设计成对于TE偏振模式具有低损耗，对于TM偏振模式具有高损耗。这种模式选择可以通过对弯曲进行设计以将TE模式基本包含在波导内并将TM模式辐射到波导外来实现。弯曲和波导均与所包含的TE模式和所辐射的TM模式位于同一平面上。波导可以由合适的吸收材料进一步包围，以防止辐射的TM模式再进入波导(例如，在不同的波导部分)。弯曲的几何形状可以包括圆弧弯曲、贝塞尔弯曲、正弦状弯曲、其它合适的弯曲或曲线几何性状或其组合。波导可以包括在芯处的硅(其中，光进行传播)以及作为围绕硅芯的包层的二氧化硅。光在包层和芯之间的界面进行内反射，从而包层保证了光在波导芯内传播时对光的约束。在其它实施例中，其它芯片组件中使用的其它合适材料也可以用于波导偏振器的芯和包层。

弯曲可以设置成蛇形或之字形布局，包括90度弯曲或180度弯曲(如图3中所示)，其中，弯曲之间具有笔直的区域或平缓弯曲的区域。为了防止TM模式的光耦合回到设计300中蛇形布局的下一周期，在蛇形布局每个周期之间的间隔处设置吸收区域。吸收材料的例子包括锗和/或重掺杂硅层，其通常用在硅光子芯片的制造中。

表1示出了针对具有多个弯曲的偏振器的设计示例。如下所述，表格数据比较了贝塞尔绝热弯曲和具有正弦-圆-正弦设计的自定义绝热弯曲。本文中所使用的术语，绝热弯曲或绝热部分表示弯曲结构或部分其曲率平稳而缓慢变化，没有任何不连续或者突然变化，这最大限度地减少了弯曲的光损耗。曲率半径不连续性的弯曲可以导致不连续处产生不希望的光散射。在表1的所有例子中，硅波导的宽度为0.45微米(μm)。采用表1中的设计参数，仿真结果表明，半径为3μm的正弦形弯曲对于TE将具有0.007分贝的损耗，对于TM将具有0.86分贝。这样，20个弯曲对于TE将具有0.14分贝的损耗，对于TM将具有17分贝的损耗，偏振器会有0.14分贝的插入损耗和17分贝的偏振消光。可以采用不同数量的弯曲、不同的弯曲半径以及不同的弯曲形状来实现插入损耗、偏振消光和物理尺寸的不同数值。弯曲可以全部相同，或者可以随着设备的长度而变化。

表1：贝塞尔绝热弯曲和自定义绝热弯的比较

图4为基板上偏振器的正弦-圆-正弦弯曲设计400的实施例的俯视平面图。弯曲设计400对应于上述自定义绝热弯曲。所述弯曲的不同部分可以包括不同的弯曲形状。所述形状包括在与波导接触的弯曲的边缘处的两个正弦形绝热弯曲部分，以及在两个正弦形绝热弯曲之间的圆形弯曲。得到的设计形成整体90度的弯曲。其它设计可以包括用于其它弯曲角度的弯曲形状部分的其它组合。

图5示出了TE偏振器设计500的实施例的横截面，例如，在底部具有基板(未示出)。所述偏振器为包括一个或多个弯曲的波导，以确保如上所述的TE0低损耗和TM0高损耗。横截面示出了宽度大于高度的矩形横截面轮廓波导。所述波导具有硅芯和二氧化硅包层。类似地，弯曲可以被设计以实现对于TM0具有低损耗，对于TE0具有高损耗，并且可被用作TM偏振器。图6示出了TM偏振器设计600的实施例的横截面。所述偏振器为包括一个或多个弯曲的波导，以确保TM0低损耗和TE0高损耗。横截面示出了高度大于宽度的矩形轮廓波导。所述波导具有硅芯和二氧化硅包层。

图7示出了包括一系列弯曲的偏振设备(波导偏振器)的制造方法700的实施例。所述方法700可用于形成上述偏振器，其作为整个光子电路或光学设备的制造过程的组成部分。在步骤710，利用半导体制造工艺形成光子电路或光学设备的波导。所述形成步骤包括：配置所述波导的几何形状和尺寸，以例如根据所需的操作波长支持TE、TM或其它期望的偏振模式。例如，可以利用光刻曝光和蚀刻工艺在硅或介电基板上形成带有二氧化硅包层的硅芯波导。在步骤720，在波导中形成一系列弯曲以对所需的波导偏振模式进行清理。如上所述，所述弯曲可以具有不同的形状。该步骤可以是波导形成步骤的一部分。例如，对包括波导和弯曲的整个设计进行曝光，然后显影，再进行蚀刻。在步骤730，例如，在光子电路的基板载体上，设置围绕波导和波导弯曲的光吸收材料(填充材料)。

虽然本公开内容中提供了几个实施例，但是应当理解，所公开的系统和方法在不脱离本公开内容的精神或范围的前提下可以体现为许多其它特定形式。本发明实施例应被认为是说明性而不是限制性的，其意图并不限于本文中所给出的细节。例如，可以将各种元件或组件组合或集成在另一系统中，或者可以忽略或不实施某些特定特征。

此外，可以将各实施例中描述并示意为分离或单独的技术、系统、子系统和方法与其它系统、模块、技术或方法进行组合或结合，而不脱离本公开内容的范围。所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信的其它术语可以是通过一些接口、设备或中间组件的间接耦合或通信，可以是电性、机械或其它的形式。本领域技术人员可以确定改变、替换和修改的其它例子，而不脱离本文中所公开的精神和范围。

Claims (21)

1.一种光学偏振器，包括：

光波导，用于以指定偏振模式传播光，并且包括与被传播的光处于同一平面的弯曲，

其中，所述弯曲具有用于将所述被传播的光的所述指定偏振模式包含在所述光波导内并将所述被传播的光的第二偏振模式辐射到所述光波导外的几何形状。

2.根据权利要求1所述的光学偏振器，其中，所述第二偏振模式与所述指定偏振模式正交。

3.根据权利要求1所述的光学偏振器，其中，所述指定偏振模式为横向电场TE模式，并且其中所述第二偏振模式为横向磁场TM模式。

4.根据权利要求1所述的光学偏振器，其中，所述弯曲的几何形状为圆形，绝热，贝塞尔曲线形状，以及正弦曲线形状中的一种。

5.根据权利要求1所述的光学偏振器，其中，所述弯曲的几何形状包括耦合到直波导部分的绝热正弦曲线、耦合到所述绝热正弦曲线的恒定半径转弯以及耦合到所述恒定半径转弯和第二直波导部分的第二绝热正弦曲线。

6.根据权利要求1所述的光学偏振器，其中，所述弯曲为所述光波导中的约90度弯曲。

7.根据权利要求1所述的光学偏振器，其中，所述弯曲为所述光波导中的约180度弯曲。

8.根据权利要求1所述的光学偏振器，其中，包括所述弯曲的所述光导波包括由硅构成的芯。

9.根据权利要求8所述的光学偏振器，其中，包括所述弯曲的所述光波导包括围绕所述芯的氧化硅包层。

10.根据权利要求1所述的光学偏振器，其中，包括所述弯曲的所述光导波由绝缘基板上的硅构成。

11.一种光学设备，包括：

光波导，用于以指定偏振模式传播光；以及，

弯曲波导，与所述光波导耦合，并且配置有弯曲几何形状以将被传播的光的所述指定偏振模式包含在所述光波导内以及将所述被传播的光的第二偏振模式辐射到所述弯曲波导外。

12.根据权利要求11所述的光学设备，其中，所述指定模式为横向电场TE模式，并且其中所述弯曲波导具有宽度大于高度的矩形横截面轮廓。

13.根据权利要求11所述的光学设备，其中，所述指定模式为横向磁场TM模式，并且其中所述弯曲波导具有高度大于宽度的矩形横截面轮廓。

14.根据权利要求11所述的光学设备，其中，所述光波导和所述弯曲波导利用相同的半导体和介电材料通过同一顺序的光刻工艺制造。

15.根据权利要求11所述的光学设备，其中，所述弯曲波导包括具有蛇形形状、双蛇形形状和螺旋形状中一种的一系列弯曲。

16.根据权利要求11所述的光学设备，其中，所述弯曲波导被光吸收材料围绕。

17.根据权利要求16所述的光学设备，其中，所述光吸收材料为锗和掺杂硅中的一种，位于基板上。

18.根据权利要求11所述的光学设备，其中，所述光学设备为光学接收器，还包括：

偏振光束分束器PBS，通过所述弯曲波导与所述光波导耦合，所述弯曲波导为用于从所述PBS到所述光波导的第一光模式的偏振器；

第二光波导，类似于所述光波导，并且相对于所述光波导旋转约90度，其中所述第二光波导与所述PBS耦合；以及

第二弯曲波导，类似于所述弯曲波导，并且相对于所述弯曲波导旋转约90度，其中所述旋转的第二弯曲波导位于所述PBS和所述旋转的第二光波导之间，并且为用于从所述PBS到所述第二光波导的第二光模式的偏振器。

19.根据权利要求11所述的光学设备，其中，所述光学设备为光学开关，还包括：

偏振分束器；以及

开关矩阵，包括所述光波导，并通过所述弯曲波导与所述偏振分束器耦合，其中所述弯曲波导为所述偏振分束器和所述开关矩阵之间用于横向电场模式的偏振器。

20.根据权利要求19所述的光学设备，其中，所述光学开关还包括位于所述弯曲波导和所述偏振分束器之间的偏振旋转器。

21.一种用于制造偏振器设备的方法，所述方法包括：

利用半导体制造工艺在基板上形成光波导，其中，所述形成包括成形所述光波导的几何形状和尺寸，以根据期望的工作波长支持光传播的指定偏振模式；

在所述半导体制造工艺过程中，在波导中形成一系列弯曲，其中，所述形成包括成形所述弯曲的几何形状和尺寸，以将所述指定偏振模式包含在波导内并将第二偏振模式辐射到波导外；以及

在基板上设置围绕所述波导和所述波导的所述弯曲的光吸收材料。