CN107561646B - 光波导偏振分离器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种关于输入光信号的偏振状态分离装置，尤其涉及一种光波导偏振分离器及其制造方法，包括至少三根波导，每个波导均具有一个输入端口与一个输出端口，相邻光波导之间具有间隙通过倏逝波耦合；其中至少一根光波导为输入波导，其余波导为输出波导；输入波导输入端口位于输入平面，偏振光通过输入平面输入到输入波导中；输出波导的输出端口位于输出平面；其中至少一根输出波导支持TE偏振模式，输出TE偏振模式；至少一根输出波导支持TM偏振模式，输出TM偏振模式；输入平面与输出平面之间的区域为绝热渐变区域。其主要用途是在平面光波回路中，需要将输入光信号按横电模(TE)和横磁模(TM)进行几何分离和输出。

Description

光波导偏振分离器及其制造方法

技术领域

本发明是一种关于输入光信号的偏振状态分离装置，尤其涉及一种光波导偏振分离器，其主要用途是在平面光波回路中，需要将输入光信号按横电模(TE)和横磁模(TM)进行几何分离和输出。

背景技术

光是具有两个主要且正交的偏振态或矢量方向组成的矢量场。在自由空间光学中，它们有时被称作S和P偏振光，而在光波导中被称作TE(橫电场)和TM(横磁场))模式。光波导和光学器件通常是偏振敏感的，也就是说器件的光学响应会随光的偏振态而发生变化。在以绝缘体为基底的集成光学中这种现象尤为明显。

通常，我们希望光学器件具有偏振不敏感特性，即其性能对输入信号的偏振态不敏感。这是因为在光通信实际应用中，光信号沿光纤传输时其偏振态是不可知的，是随机且随时间而变化的(由于应用环境中的干扰)。在光学器件的设计和制造过程中会特别注意偏振不敏感特性。尽管如此，大多数器件或多或少会对偏振敏感，这影响到器件的最终性能、良率以及成本。另一方面，在某些特殊应用场合中，我们希望能够将光信号的两种偏振态在空间上将其分离并分别进行处理，比如在PMD(偏振模式色散)补偿器中就需要对两个偏振态的色散进行均衡。在需要对偏振态进行分离的应用中，偏振态的消光比即需要的偏振态和不需要的偏振态的能量之比必须很高。

另一种需要控制偏振态的情况是为实现偏振的不敏感，将输入光信号分成两路正交的偏振态进行分别处理，并对各路器件进行优化，最后再将两路信号合成一路。这种方案被称为“偏振分集”。该方案的优点是可以针对每路的偏振态进行专门的优化使其性能达到最佳，而不需要因兼顾两种偏振态的性能而采用折中的设计。其缺点是所需的器件数目会翻倍，并需要偏振分束器分离和合并两个偏振态。这自然会增加成本及系统的复杂度，但目标是生产性能更好良率更高的组件。

传统的光学器件尺寸较大，偏振分集方案并不受欢迎，这是因需要封装两倍的器件以及偏振分束器而增加组件的尺寸和成本。偏振分集方案在集成光学中是具有一定的应用前景的。集成光学的目的是缩小器件的尺寸，并把各种功能器件集成到同一芯片中，类似于集成电路。(在这种情况下，偏振分束器件和两套组件可以同时制作)。为进一步减小集成器件的尺寸，需要利用更高折射率差的波导，而高折射率差的波导意味着对偏振更加敏感，此时偏振分集方案可能是解决偏振不敏感的唯一途径。

大多数偏振分束器是分离器件，并且利用双折射波片原理。在这里，我们不会讨论分离光学偏振分离器，只强调集成光学版的偏振分束器。

美国专利5,946,434讨论了一种基于Y型耦合器的集成偏振分离器。利用两个正交偏振的波导到波导的耦合强度不同来实现偏振的分离。最佳结构是通过优化耦合长度来达到的。耦合长度和传播常数都是与波长相关的，因此偏振分离器将对波长敏感，这不是所希望的。

美国专利5,475,771讨论了一种Y分支型波导，其中一个分支采用各向异性材料。该结构需要将各向异性材料集成到衬底上。这种集成是不可取的，因为两种材料的折射率不能很好地匹配(导致散射损失)。此外，制造过程会额外增加加工工艺，并会影响到性能、成本和良率等并且大多数各向异性材料不能通过类似于介质波导的制作方法来沉积。

美国专利5,293,436讨论了一种集成光学马赫-曾德尔干涉仪，其中一个分支包含一种可极化材料。可极化材料不具有长期稳定性(也受环境条件影响)，在电信元器件中不被广泛使用。可极化材料在一定的时间内趋于松弛，并且随着时间的推移性能恶化。此外，只有某些材料是可极化的，并且这样的材料很少能制成良好的低损耗无源光波导。

美国专利5,151,957讨论了基于X切铌酸锂中的集成光学δ-β耦合器结构。该方法仅适用于铌酸锂，与通用的集成光波导和材料不兼容。

美国专利5,133,029讨论了一种集成光学2×2分束器，其中Y型耦合器是有不同宽度的波导组成。该Y型波导必须由各向异性材料组成，因此该发明的应用范围被限制在使用这种材料光波导上(该种材料很少)。

美国专利5,111,517讨论了X切割铌酸锂中的集成光学马赫-曾德尔。该方法仅适用于铌酸锂，与通用的集成光波导和材料不兼容。

美国专利5,056,883讨论了一个集成的光学Y分支波导，其中在一个分支中包含玻璃状可极化的聚合物。本发明类似于上述的5,475,771，其中一种特殊的各向异性聚合物材料(或聚合物材料)，它被仅沉积在Y分支波导的一个分支上。

同样这种集成是不可取的。

美国专利4,772,084讨论了一种集成光学3×3耦合器。该发明在与上述5,946,434中所述的用于偏振分离的物理机制相似，不同之处在于它使用三波导耦合器代替双波导耦合器，并且提供电极用于制造后热或电光修理。

美国专利申请10/661,891讨论了使用波导形双折射在Mach-Zehnder内引起偏振相关相位延迟，造成偏振态分离。该装置通常需要热光加热器来优化分束比，在需要纯无源器件的应用场合中，该方案并不被看好。

美国专利7,373,042描述了渐变偏振分类，输入波导被用作一个输出。

美国专利申请10/533,372(公开2005/0254128)讨论了使用传播常数几何相关所谓“垂直”和“水平”波导制成的无源偏振分离器。该器件中一个或多个波导需要多芯层结构，多芯层结构的实现会增加器件的制作难度。

发明内容

偏振分离器也称为偏振分束器，是集成光学和平面光回路中的重要单元构件。在偏振分离的光回路中，需要输入光信号的偏振状态独立分离和处理，偏振分离器是必不可少的。

偏振分离器将输入光信号中的两个正交偏振态分离到两个物理上独立的波导中输出。任意输入信号由两种主要的偏振状态组成。在平面光波电路和集成光学系统中，这些状态通常被称为横电场模或TE偏振态，以及横磁场或TM偏振状态。TE偏振的特征在于其电场分量平行于波导基底，而TM偏振态的特征在于其磁场分量平行于波导基底。(DietrichMarcuse，《介质光波导理论》，“NewYork，Academic 1974”)。对于任意输入信号，TE和TM的功率分量的相对值都是任意的，且可以是时变的。

图1是PLC中偏振分束器或分离器的功能示意图。任意输入信号具有TE偏振分量和TM偏振分量。器件在偏振分离器中被分开，信号从两个不同端口输出。在理想的分离器中，TE偏振信号仅从一个端口输出，而TM偏振信号仅从第二个端口输出。实际上TE端口有TM分量泄漏，同时TM端口也有TE分量泄漏。TE功率与所泄漏的TM功率在TE输出端口(当两个分量的功率在输入端口归一化)的比值被称为在TE端口偏振消光比(或简称为“消光比”)。同样，TM端口的偏振消光比(或简称为“消光比”)定义为TM端口TM功率与TE分量泄漏功率的比值。人们期望使该比率尽可能大，因为不需要的泄漏功率可能导致传输系统的整体劣化。

大多数偏振分离器也可以反向工作。也就是说，如果TE信号从TE输出端口输入，TM信号从TM输出端口输入，它们将在原输入端口上合并输出。当反向使用时，分离器通常被称为偏振光合波器，或简称为偏振合波器。这种可逆性将也适用于本发明。

绝热演变理论，也可以称之为绝热跟随，使得在波导或倏逝耦合波导的系统中其所支持的模式数和偏振态保持不变，即使当波导参数如宽度、厚度或折射率沿着波导长度缓慢变化，其所支持的模式数和偏振态均不变。绝热跟随的结果是，如果在绝热渐变波导系统的输入端入射“模式-1”，在终端输出处，无论“模式-1”在输出端其分布如何，信号仍然存在于“模式-1”中。类似的规则适用于其它任意模式，其输入的模式分布可以与输出波导及其模式形态显著不同，只要它们在输入和输出之间的转换是缓慢的，则绝热跟随原理成立。定量地讲，“缓慢”或绝热意味着功率不会从一种模式耦合或散射到另一种模式，实际中，如果器件足够长，并且无不连续，这种转换总可以被做成渐变的。模式数量被定义为整个波导耦合系统的特定偏振所有模式的有效折射率集合。有效折射率最大的TE偏振模式记做“模式-1-TE”。有效折射率次大的TE偏振模式记作“模式-2-TE”，等等。换而言之，根据我们这里的定义，这些模式按照它们的有效折射率进行排序，例如模式“模式-1-TE”>“模式-2-TE”>“模式-3-TE”等，TM偏振也是类似的。模式包括传导和辐射模式(尽管通常辐射模式在渐变结构中是无关紧要的)。其它标注可以描述排名，但概念是不变的。

本发明的目的是基于绝热演变原理，提供一种光波导偏振分离器，其中在输入平面上TE和TM状态被输入到同一波导中，即“模式-i-TE”和“模式-j-TM”。而输出波导是“模式-i-TE”和“模式-j-TM”在两个分开的波导上的几何形状。沿着偏振分离器从输入到输出，波导缓慢变化，以便以渐变的方式将输入结构转换成输出结构。渐变分类将导致这些模式进入不同的波导。

本发明的技术解决方案是提供一种光波导偏振分离器，其特殊之处在于：

包括至少三个光波导，每个光波导均具有一个输入端口与一个输出端口，相邻光波导之间具有间隙通过倏逝波耦合；

其中至少一个光波导为输入光波导，其余光波导为输出光波导；

输入光波导输入端口位于输入平面，偏振光通过输入平面输入到输入光波导中；

输出光波导的输出端口位于输出平面；其中一个输出光波导支持TE偏振模式，输出TE偏振模式；另一个输出光波导支持TM偏振模式，输出TM偏振模式；

输入平面与输出平面之间的区域为绝热渐变区域。

优选地，上述输入光波导的宽度沿偏振光传播方向从小变大，上述输出光波导的宽度沿偏振光传播方向从大变小；

或上述输入光波导的宽度沿偏振光传播方向从大变小，上述输出光波导的宽度沿偏振光传播方向从小变大；

定义偏振光传播方向即光波导的长度方向为Z方向，X方向为光波导的宽度方向且XZ平面与纸面平行，Y方向即为光波导的厚度方向。

优选地，输入光波导和/或输出光波导的宽度沿偏振光传播方向逐渐变小或变大，且能够变化至任意小；

优选地，输入光波导和/或输出光波导的厚度沿偏振光传播方向逐渐变小或变大；光波导间的间隙沿偏振光传播方向逐渐变大或变小。

优选地，输入光波导和输出光波导均包括芯层及包围芯层和填充间隙的包层，芯层的折射率大于包层的折射率。

优选地，光波导芯层材料包括硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、掺锗二氧化硅、磷化铟合金、砷化镓合金或有机聚合物；

包层材料包括二氧化硅、低折射率的氮氧化硅、低折射率的碳氧化硅、低折射率掺锗或掺磷二氧化硅、低折射率聚合物、低折射率磷化铟或砷化镓合金。此处的低折射率是针对芯层而言，只要低于芯层的折射率即可。

优选地，输入光波导和输出光波导的输入端口与输入平面位于一个平面上，输入光波导和输出光波导的输出端口与输出平面位于一个平面上；也可以是：输入光波导的输入端口位于输入平面，输出光波导的输出端口位于输出平面上，输出光波导的输入端口与输入平面不共面，输入光波导的输出端口与输出平面不共面。

优选地，三个光波导位于同一平面内，或输入光波导与输出光波导分别位于不同的平面内，输入光波导和输出光波导垂直耦合，使得光波导间的耦合更强。

本发明还提供一种制造上述光波导偏振分离器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过常规方法制造基础光波导；

步骤二：对光波导沉积包层材料之后作平坦化处理；

步骤三：然后在平坦化的光波导上涂覆光刻胶；

步骤四：在光刻胶上开设具体需要的图案；

步骤五：将暴露的图案区域刻蚀至所需深度。

优选地，步骤五之后还包括将包层材料重新沉积在整个光波导结构上的步骤。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于绝热演变理论，通过改变输入波导中TE模式与TM模式的折射率，沿着偏振分离器从输入到输出，波导缓慢变化，TE模式从输入波导传播到其中一个输出波导中，而TM模式从输入波导传播到另外一个输出波导中，在输出端处，两个偏振态基本上处于两个不同的波导中；使用了与输入波导不同的两个输出波导，提高输出的消光比，实现更高的性能和更好工艺误差与制造不敏感性。

2、在US7,373,042中，我们知道输入波导应该逐渐变细到输出平面处特定的宽度。如果输出过大(由于设计差或由于制造扰动)，则输入波导的两个偏振光将耦合到相同的输出波导。本发明避免了这种限制，在本发明中，输入波导可以渐变至任意小。

3、输入波导和输出波导不需要都位于同一平面内，可以垂直耦合，两个平面层可以由不同的材料组成；第一层和第二层之间的耦合更强，这可以使器件更短。

4、本发明不需要多芯层特殊波导，结构简单。

5、偏振态从输入波导耦合至输出波导，近似实现完全耦合。

附图说明

图1是偏振分离器的功能示意图；

图2a是平面光波结构中偏振分离器典型横截面图；

图2b是偏振分离器输入端口截面图；

图2c是偏振分离器输出端口截面图；

图3是横电模(TE)和橫磁模(TM)偏振态转化示意图；

图4显示了在三波导偏振分离器的输入/输出平面上最高排列的TE和TM模式的场分布；

图5a显示了在示例偏振分离器中，从输入平面到输出平面TM模拟示意图；

图5b显示了在示例偏振分离器中，从输入平面到输出平面TE模拟示意图；

图6显示的是从输入波导输入时，每个波导中TE和TM模式的有效折射率随偏振分离器长度变化的曲线，虚线表示从输入波导输入信号时，TE和TM分量演变路径；

图7描绘了本发明的第二实施例，其中波导是垂直耦合的；

图8示出了用于降低波导高度的制造方法(俯视图)；

图9示出了用于降低波导高度的制造方法。

图中：1-输入波导，2，3-输出波导，4，5-耦合间隙，6-输入平面，7-输出平面。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做进一步的描述。

实施例一

从图2a可以看出，该实施例由三个光波导(或波导)组成，每个波导具有一个输入端口和一个输出端口，各波导之间具有间隙，间隙足够小使每个波导的光学模场可产生相互倏逝耦合作用，也就是说，各波导间通过倏逝波耦合。标记任意一根波导为输入波导1，一根波导为输出波导2，第三根波导为输出波导3。在这里，输入波导1用作分离器的输入，输出波导2和输出波导3用作分离器的输出。并定义如图2b及图2c所示的输入平面6和输出平面7。器件的总长度定义为L。图2a显示了光路向下看的结构，页面被光路的基底占据。截面图图2b与图2c显示了在输入平面6和输出平面7处的波导的横截面。在输入和输出平面处，每个波导具有一定的几何形状，其宽度为W，厚度为H。厚度、宽度和间隔都可以随器件的长度变化(长度方向沿着z轴如图所示)。定义偏振光传播方向即波导的长度方向为Z方向，X方向为波导的宽度方向且XZ平面与纸面平行，Y方向即为波导的厚度方向。

波导由至少两种不同的材料形成。较高的折射率材料用作波导芯层，其中大部分光被限制在芯层中。芯层周围是用低折射率材料作为包层。典型的波导芯层材料包括硅，氮化硅，碳化硅，氮氧化硅，碳氧化硅，掺锗二氧化硅，磷化铟合金，砷化镓合金和聚合物等。典型的包层材料包括二氧化硅，低折射率的氮氧化硅，低折射率的碳氧化硅，低折射率掺锗或掺磷二氧化硅，低折射率有机聚合物，低折射率磷化铟和砷化镓合金。

图2a、图2b及图2c中的阴影区域表示波导的芯区域。折射率沿着器件的长度是可变的(z方向上)，但是在平面光波导工艺中，这既不是典型结构也不容易实现的。三个波导芯可以具有不同的折射率，但是通常它们是相同的以便于制造。波导支持所谓的特征模式或简称“模式”(参见例如DietrichMarcuse，“Theory of dielectric opticalwaveguides”，New York，Academic 1974)。每个沿波导传播的偏振光，其模式是电场和磁场的特定分布。光功率是通过模式或一组模式在波导中进行的。每个模式与它的特征有效模场折射率或简称有效折射率相关。特定波导所支持的特定模式的有效折射率可以通过各种方法(包括数值方法)来计算求得。商业计算机辅助设计包通常(参见例如ApolloPhotonics Inc，Hamilton，Ontario Canada www.apollophoton.com或C2V Inc.，Enschede，TheNetherlands，www.c2v.nl)可用于计算模式及在复杂光回路中的传播。

绝热演变理论工作，也可以称之为绝热跟随。绝热演变理论使得在波导或倏逝耦合波导的系统中其所支持的模式数和偏振态保持不变，即使当波导参数如宽度、厚度或折射率沿着波导系统长度缓慢变化，其所支持的模式数和偏振态均不变。绝热跟随的结果是，如果在渐变波导系统的输入端入射“模式-1”，在终端输出处，无论“模式1”在输出端分布如何，信号仍然存在于“模式-1”中。类似的规则适用于其它任意模式的输入。输入波导和它们的模式分布可以与输出波导及其模式形态显著不同，只要它们的在输入和输出之间的转换是缓慢的，则绝热跟随原理成立。定量地讲，“缓慢”或“绝热”意味着功率不会从一种模式耦合或散射到另一种模式，实际中，如果器件足够长，并且无不连续，转换总可以被做成渐变的。模式数量定义为整个波导耦合系统的特定偏振所有模式的有效折射率集合。对于TE模式，有效折射率最大的TE偏振模式记做“模式-1-TE”。有效折射率次大的TE偏振模式记作“模式-2-TE”等等。换而言之，根据我们这里的定义，这些模式按照它们的有效折射率进行排序，例如模式“模式-1-TE”>“模式-2-TE”>“模式-3-TE”等，TM偏振也是类似的。模式包括传导和辐射模式(尽管通常辐射模式在渐变结构中是无关紧要的)。其它标注可以描述排名，但概念是不变的。

图3描绘了图2a的结构中的渐变结构的作用。光信号被输入到三波导系统中。一个或两个波导是从输入面渐变到输出面。在这种特定情况下，“模式-j-TM”从输入波导1转换到输出波导3，而“模式-i-TE”从输入波导1转换到输出波导2。随着波导从输入平面缓慢变换到输出平面，在一些交界点上，“模式-i-TE”的模式排序从与输入波导1相关转变为与输出波导2相关。就这点而言，TE模式按照模式顺序进入到相邻的波导。同样，在另一些交界点上，“模式-j-TM”模式排序从与输入波导相关转变为与波导3相关。同样，“模式-j-TM”的模式排序从与输入波导相关在某个其他中间点转变为与波导3相关。因此，在公共输入端上的偏振状态被分离或分类成另外两个输出波导。

在实际中，由于扰动或长度有限，一个或两个偏振态中的一小部分输入功率可能残留在输出端口处的输入波导1中。如果输入波导被用作偏振分离器的输出之一(例如US7,373,042中所提到的)，则这将导致串扰减少方面性能的下降。正是由于这个原因，本发明使用了与输入波导不同的两个输出波导，以提高输出的消光比。

此外，在US7,373,042中，我们知道输入波导应该逐渐变细到输出平面处特定的宽度。如果输出波导过大(由于设计差或由于制造扰动)，则输入波导的两个偏振光将耦合到相同的输出波导。本发明避免了这种限制。在本发明中，输入波导可以渐变至任意小。

考虑使用传统的平面光回路(PLC)制造技术制造偏振分离器。传统的PLC制造技术利用集成电子电路(所谓的“IC”)中可以很好控制线路的量产工具。这种技术通常涉及薄膜沉积和蚀刻。在这种情况下，电介质材料沉积或生长在衬底上，然后光学回路随后被图案化并蚀刻到电介质材料上。(参见RobertG.Hunsperger，1995年春季第4版的“IntegratedOptics，Theory and Technology”或者“Optical Integrated Circuit”，HiroshiNishihar，Masamitsu Haruna，ToshiakiSuhara，McGraw-Hill 1989)

波导的有效折射率是波导芯层和包层的折射率以及波导的厚度和宽度(或者更一般地，若波导不是矩形结构，其几何尺寸)的函数。在常规PLC制造技术中，特别是利用IC制造设备的PLC制造技术中，平面层的折射率是均匀的，并且难以沿着光学回路传播方向进行变化。因此，我们仅考虑改变波导几何尺寸的技术。改变波导的宽度相对简单，并且可以在用于“打印”回路的光掩模设计中完成。光掩模版(或有时称为光罩版)描绘了所有的波导边界，并且是定义光回路图案比较常用的方法之一。通过在光路的规定区域中蚀刻部分波导原有厚度来逐步地改变波导的高度。通常，当波导的高度或宽度增加时，由波导支持的任何模式的有效折射率随着增大。此外，改变波导的高度或宽度对TE和TM偏振的影响是不一样的。因此，原则上我们可以仅仅通过改变波导几何尺寸来实现满足偏振分离的目标(通过改变波导的几何尺寸容易实现，改变波导的折射率分布相对比较难实现，但本发明不排除改变折射率分布的实现方法)。

图2中，由三个波导组成的偏振分离器。输入波导1和输出波导3的厚度始终为1.5μm(即H1in＝H1out＝H3in＝H3out＝1.5μm)，而输出波导2的厚度为0.75μm(即H2in＝H2out＝0.75μm)。在输入平面上，输入波导1是正方形，其宽度和高度相等W1in＝H1in＝1.5μm。在输入平面，输出波导2也是宽度等于其高度的正方形，W2in＝H2in＝0.75μm。输出波导3是宽度为W3in＝W3out＝0.75μm的矩形。所有三个波导芯层的折射率是均匀分布的，且为1.70。并且包围芯层和填充间隙的包层的折射率为1.45。在输出平面波导1的宽度为W1out＝0.4μm。也就是说，输入波导1的宽度是渐变的，而输出波导2和输出波导3的宽度保持不变。(根据所选择的参数，输出波导2和输出波导3的宽度也可以是渐变的，上述图示仅用于示例)。

本实施例中的三个波导支持TE模式和TM模式。也就是说，共有六种导模。数值方法的模式求解器(例如，加拿大安大略省汉密尔顿的阿波罗光子学公司，www.apollophoton.com)可以用来计算所有模式的有效折射率，从而获得所有模式的排序。在两波导耦合结构中，输入平面和输出平面所支持的排在最靠前的偏振模式的分布如图4所示。图4显示了最高级次TE和TM模式的光场强度的灰度图。在输入平面上，最高级次的TE和TM偏振模式均在输入波导1中。另一方面，在输出平面，最高级次的TE偏振模式在输出波导2上，而最高级次TM模式在输出波导3上。绝热跟随原理可以预测到从输入波导1输入的TM模式将转移到输出波导3中，而从输入波导1输入的TE模式将转移到输入波导2中。仿真结果也说明了这两种情况。器件的长度为L＝750μm。仿真使用众所周知的波束传播方法(BPM)，可利用商业软件实现该方法(例如，C2V Inc.，Enschede，The Netherlands，www.c2v.nl)。

图5a及图5b显示了TM模式和TE模式场强度演变的灰度图。需注意，随着输入波导1宽度的减小，TE模式是如何从输入波导1传播到输出波导2中，而TM模式从输入波导1跨越传播到输出波导3中。还需注意，在输出端处，两个偏振态基本上处于两个不同的波导中，这与输入波导不同。这些波导不需要分离，并且在本实例中不分离，以发生实质的偏振分离。

在该实施例中，所有三个波导都存在于输入平面上。实际上，只需要一个波导，即用作输入的波导在输入平面上即可。第二个波动可能在输入平面之后开始一段距离开始。

对模式有效折射率演化的定性描述可以进一步阐明绝热跟随原理。图6使用上述示例的大部分参数，绘制了六种模式的有效模式折射率随图2所示的耦合距离变化曲线。其中，H1in＝H1out＝H3in＝H3out＝1.5μm，H2in＝H2out＝0.75μm，W1in＝1.5μm，W1out＝0.75μm。在这种情况下，输出波导2和输出波导3的宽度不是渐变的，而是从输入到输出保持不变，W2in＝W2out＝1.5μm，W3in＝W3out＝0.75μm，我们将输入波导1中的TE和TM模式标记为TE-1和TM-1，输出波导2中的TE和TM模式为TE-2和TM-2，输出波导3中的TE和TM模式为TE-3和TM-3(数字表示不同的波导，而不是模式级次)。

由于输出波导2和输出波导3的尺寸在这种情况下不改变，所以输出波导2中的TE-2和TM-2以及输出波导3中的TE-3和TM-3的有效折射率沿器件传播方向保持不变。在输入平面上，输入波导1是正方形的，因此TE和TM偏振模式开始相同。由于输入波导1在输入平面上的尺寸大于输出波导2和输出波导3的尺寸，TE-1和TM-1的有效折射率分别大于输出波导2的TE-2和TM-2的有效折射率，也大于输出波导3中的TE-3和TM-3的有效折射率。在前面定义的模式排序命名中，我们有“模式-1-TE”＝TE-1，“模式-2-TE”＝TE-2，“模式-1-TM”＝TM-1和“模式-2-TM”＝TM-2等。随着输入波导1宽度的逐渐减小，TE-1和TM-1的有效折射率逐渐减小。由于宽度的改变对TE模式影响更显著，使得TE-1的有效折射率变化比TM-1快。在输出平面中，从图6可以看出，输入波导1的TM模式的有效折射率仍大于输出波导2中的TM模式的有效折射率，而输入波导1的TE模小于TE输出波导2的TE模式。在偏振分离器的渐变的某一点，TE-1和TE-2的有效折射率互换。在输入端TE-1具有较高级次，但随着输入波导1的宽度逐渐减小，其有效折射率会小于输出波导2的有效折射率。在模式级次命名中，输入端的“模式-1-TE”＝TE-1，但在输出端的“模式-1-TE”＝TE-2。输入端TE-1模式的能量将转移到输出端TE-2模式。同样，“模式-1-TM”＝TM-1在输入端的能量将会转移到输出端的“模式-1-TM”＝TM-3。然后，在输入端以TM-1输入的光将以TM-3模式在输出端出现。这些现场演变如图5a及图5b仿真所示。

图6中的虚线显示了系统中最高级次的TE和TM模式的转换路径。如果输入信号在从输入波导1中输入，则如果结构绝热变化的，信号将沿虚线所示路径进行演化。在如图6的曲线中，当两个相似偏振的线交叉时，功率从一个波导耦合到另一个波导。在绝热结构中，这些功率可以实现完全耦合(即接近100％)。

实施例二

与实施例一不同的是其中输入波导1位于第一层中，并且输出波导，输出波导2和输出波导3位于第二层中，如图7。通常这种布置被称为“垂直耦合”。垂直耦合的优点是两个平面层可以由不同的材料组成。另一个优点是第一层和第二层之间的耦合更强，这可以使器件更短。

波导厚度一致的波导耦合系统可以通过多种众所周知的方法来制造。参见RobertG.Hunsperger，1995年春季第4版的“Integrated Optics，Theory andTechnology”或者“Optical Integrated Circuit”，Hiroshi Nishihar，Masamitsu Haruna，ToshiakiSuhara，McGraw-Hill 1989。

在制造包含偏振分离器的基本波导之后，可以通过图8及图9所示的方法来减小其中一根波导中的厚度。对于要“减薄”的特定波导，起始结构如图a所示，是经过平坦化的掩埋型波导。然后用光刻胶涂覆平坦化后的波导上。在光刻胶层上开设所需的图案，如图b所示(显示任意图案)。如图c所示，通过将暴露的区域蚀刻到合适的深度，将图案转移到波导中。蚀刻后，如果需要，将包层材料重新沉积在整个结构上并进行平坦化处理。

Claims (10)

1.一种光波导偏振分离器，其特征在于：

包括至少三根光波导，每个光波导均具有一个输入端口与一个输出端口，相邻光波导之间具有间隙通过倏逝波耦合；

其中至少一根光波导为输入光波导，其余光波导为输出光波导；

输入光波导输入端口位于输入平面，偏振光通过输入平面输入到输入光波导中；

输出光波导的输出端口位于输出平面；其中至少一根输出光波导支持TE偏振模式，输出TE偏振模式；至少一根输出光波导支持TM偏振模式，输出TM偏振模式；

输入平面与输出平面之间的区域为绝热渐变区域。

2.根据权利要求1所述的光波导偏振分离器，其特征在于：

所述输入光波导的宽度沿偏振光传播方向从大变小，所述输出光波导的宽度沿偏振光传播方向从小变大；

定义偏振光传播方向即光波导的长度方向为Z方向，X方向为光波导的宽度方向且XZ平面与纸面平行，Y方向即为光波导的厚度方向。

3.根据权利要求2所述的光波导偏振分离器，其特征在于：输入光波导的宽度沿偏振光传播方向线性变小，且能够变化至任意小；

输出光波导的宽度沿偏振光传播方向从任意小线性变大。

4.根据权利要求2或3所述的光波导偏振分离器，其特征在于：输入光波导和/或输出光波导的厚度沿偏振光传播方向线性变小或变大；光波导间的间隙沿偏振光传播方向线性变大或变小。

5.根据权利要求1或2所述的光波导偏振分离器，其特征在于：输入光波导和输出光波导均包括芯层及包围芯层和填充间隙的包层，芯层的折射率大于包层的折射率。

6.根据权利要求5所述的光波导偏振分离器，其特征在于：光波导芯层材料包括硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、碳氧化硅、掺锗二氧化硅、磷化铟合金、砷化镓合金或有机聚合物；

包层材料包括二氧化硅、低折射率的氮氧化硅、低折射率的碳氧化硅、低折射率掺锗或掺磷二氧化硅、低折射率聚合物、低折射率磷化铟或砷化镓合金。

7.根据权利要求5所述的光波导偏振分离器，其特征在于：输入光波导和输出光波导的输入端口与输入平面位于一个平面上，输入光波导和输出光波导的输出端口与输出平面位于一个平面上；或输入光波导的输入端口位于输入平面，输出光波导的输出端口位于输出平面上，输出光波导的输入端口与输入平面不共面，输入光波导的输出端口与输出平面不共面。

8.根据权利要求7所述的光波导偏振分离器，其特征在于：三个光波导位于同一平面内，或输入光波导与输出光波导分别位于不同的平面内，输入光波导和输出光波导垂直耦合。

9.一种制造权利要求7-8任一所述的光波导偏振分离器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：通过常规方法制造基础光波导；

步骤二：对光波导沉积包层材料之后作平坦化处理；

步骤三：然后在平坦化的光波导上涂覆光刻胶；

步骤四：在光刻胶上开设具体需要的图案；

步骤五：将暴露的图案区域刻蚀至所需深度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：步骤五之后还包括将包层材料重新沉积在整个光波导结构上的步骤。

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