CN107870456B - 一种mzi型磁光隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种MZI型磁光隔离器。本发明通过两臂波导段的设计:(1)两臂波导采用弯曲折叠的多U型波导结构，有效减小器件长度；(2)通过在两臂波导光传播方向不同的波导段覆盖磁光层即非互易波导的设置，实现在单向磁场下工作。两波导臂非互易波导处于不对称的位置，光波分别从不同方向经过非互易波导，这样就可以在施加单向磁场的情况下工作。本发明最终通过设计器件结构，实现了单向磁化下的MZI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；通过对波导的弯曲折叠，减小了器件的长度。

Description

一种MZI型磁光隔离器
技术领域
本发明属于集成光学领域，具体涉及一种MZI型磁光隔离器。
背景技术
集成光学近年来发展迅速，其优越的性能，与微细工艺相兼容的特点，使得它们在光通信领域越来越受人关注。在光通信系统中，系统中的反射光会影响激光光源的稳定性，进而影响整个器件的工作性能，所以硅光电技术的集成化遇到的一大问题就是隔离器的集成与设计。光隔离器对光有正向通过，反向截止的特性。在光纤通讯系统中光隔离器放置在激光器前端，用来控制系统中的反射光功率。
与传统的光学器件相比较，集成光隔离器具有许多优点，它体积小，性能稳定，可以进行批量生产。目前已报道波导隔离器主要有以下几类：(1)模式转换型。正向传输TM模时，可直接通过；但反向传输时，TM模转化为TE模而截止。这种隔离器需要精确的匹配，制作容差小。(2)非互易损耗型(NRL)。由于磁光效应的非互易性，光束正向传输与反向传输时的增益与损耗不同而实现隔离，但制作复杂。(3)非互易相移(NRPS)型。利用基于磁光材料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。基于非互易相移(NRPS)的马赫曾德尔干涉仪(MZI)型磁光隔离器，不需要精准的相位匹配，所以有较高的制作容差。通过设计两臂波导长度，使非互易相移相差为π/2；同时互易相移相差也为π/2。使正向传输的光的总相移为0，两光干涉相长；而反向传输的光的总相移为π，两光干涉相消。
目前已提出的MZI型磁光隔离器的问题主要在(1)非互易波导较长，导致器件尺寸较大。(2)已提出的半导体集成MZI磁光隔离器需要同时在两个方向对磁光材料进行磁化，难以实现磁场的集成，制备困难。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为减小尺寸，便于施加磁场和封装，实现器件易于制备的需求，本发明提供了一种MZI型磁光隔离器及其制备方法，该隔离器是基于半导体波导结构和磁光材料覆盖层的磁光隔离器。
本发明提供的MZI型磁光隔离器包括输入输出波导、1*2耦合器、波导臂1和波导臂2。
输入输出波导由半导体芯层材料和低折射率包层材料组成，用于支持单模光传输。
1*2耦合器共计2个，一个分别接输入波导和波导臂，另一个分别接波导臂和输出波导；将输入波导输入的入射光能量均匀地分成两束与入射模场分布相同的光,并输出至波导臂，再将经过两波导臂相位调制后的光经过干涉效应合成一束光并从输出波导输出。
波导臂(包括波导臂1和波导臂2)由非互易波导和互易波导组成，通过波导的弯曲折叠布置成含有N(N≥3)条平行边的多U型结构，以有效的减小器件的整体长度。
非互易波导同时在两波导臂存在，且两波导臂的非互易波导的总长度相等，以产生非互易相移，设置在两波导臂光传播方向不同的波导段，实现在单向磁场下工作，简化磁化控制。
互易波导同时在两波导臂存在，可通过调节两波导臂的互易波导长度使其产生需要的互易相移，两波导臂的互易相移之差为π/2+2nπ，n为整数。
非互易波导的磁光薄膜层材料为：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，过渡金属离子TM(Fe,Co,Ni…)掺杂SrTiO3，过渡金属离子TM(Fe,Co,Ni…)掺杂CeO2,HfO2,TiO2,ZnO或CoFe2O4。
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。
所述包层即低折射率层，其材料为SiO2、Si3N4、SiOxNy、TiO2、HfO2、ZrO2、Ta2O5、Al2O3、MgO或空气。
本发明通过两臂波导段的设计:(1)两臂波导采用弯曲折叠的多U型波导结构，有效减小了器件长度。(2)通过在两臂波导光传播方向不同的波导段覆盖磁光层即非互易波导的设置，实现在单向磁场下工作。两波导臂正向非互易相位差调整为π/2，两波导臂互易相位差调整到π/2+2nπ，n为整数。当正向传输时，发生相长干涉。而反向传输，发生相消干涉。因此，达到了“正向通过”和“反向隔离”的要求。而两波导臂非互易波导处于不对称的位置，光波分别从不同方向经过非互易波导，这样就可以在施加单向磁场的情况下工作。
本发明的有益结果是：通过设计器件结构，实现了单向磁化下的MZI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；通过对波导的弯曲折叠，减小了器件的长度。
附图说明
图1为实施例器件版图示意图；
图2为实施例互易波导结构材料以及TM0模式的模场分布；
图3为实施例非互易波导结构材料，及非互易波导中的TM0模式的场分布；
图4为实施例互易相移为50.5π时的传输特性。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步阐述。
实施例工作中心波长选取为1550nm，波导臂设计N＝5。通过微细加工方法，获得如图1版图所示器件结构。
其互易波导截面结构及TM0模式分布如图2。芯层材料为厚度为220nm宽度为500nm的Si，外部包裹一层SiO2作为低折射率包层，共同构成互易波导。
非互易波导截面结构及TM0模式分布如图3。芯层材料为厚度为220nm宽度为500nm的Si，上部是厚度为50nm的YIG作为缓冲层覆盖在Si上，之后是厚度为100nm的Ce：YIG，作为磁光层；底层SiO2及顶层空气作为低折射率包层，共同构成非互易波导。
在互易波导及非互易波导中，光的传播被限制为一种传输模式，即TM模式的基模TM0模式。
隔离带宽与互易段长度关系密切，互易段长度越长，隔离性能对波长约敏感，波长变化时隔离性能会快速下降，即可通过对互易段长度的调节，有效的调节隔离带宽。本实施例中我们选取互易相移位50.5π，其传输特性如图4。可以看出器件隔离性能优秀。
实施例器件通过对结构的优化实现了在施加单向磁场的情况下保持其隔离性能，同时减小了器件长度。但是每次弯曲都会造成损耗，正是这一部分损耗，限制了了器件的弯曲次数，所以我们不能通过过多的弯曲次数，无限制的减小器件尺寸。
综上可见，本发明通过设计波导臂的结构，实现了单向磁化下的MZI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；并减小了器件的整体长度。

Claims (5)

1.一种MZI型磁光隔离器，包括输入输出波导、1*2耦合器、波导臂1和波导臂2，其特征在于：
输入输出波导由半导体芯层材料和低折射率包层材料组成，用于支持单模光传输；
1*2耦合器共计2个，一个分别接输入波导和波导臂，另一个分别接波导臂和输出波导；将输入波导输入的入射光能量均匀地分成两束与入射模场分布相同的光,并输出至波导臂，再将经过两波导臂相位调制后的光经过干涉效应合成一束光并从输出波导输出；
所述波导臂包括波导臂1和波导臂2，由非互易波导和互易波导组成，通过波导的弯曲折叠布置成含有N条平行边的多U型结构，N≥3；
非互易波导同时在两波导臂存在，且两波导臂的非互易波导的总长度相等，以产生非互易相移，设置在两波导臂光传播方向不同的波导段，实现在单向磁场下工作，简化磁化控制；
互易波导同时在两波导臂存在，两波导臂的互易相移之差为π/2+2nπ，n为整数。
2.如权利要求1所述MZI型磁光隔离器，其特征在于：所述波导臂的互易波导长度可调，以调节隔离带宽。
3.如权利要求1所述MZI型磁光隔离器，其特征在于：所述非互易波导的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)或稀土离子掺杂钇铁石榴石(Re:YIG)。
4.如权利要求1所述MZI型磁光隔离器，其特征在于：所述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。
5.如权利要求1所述MZI型磁光隔离器，其特征在于：所述包层即低折射率层，其材料为SiO2、Si3N4、SiOxNy、TiO2、HfO2、ZrO2、Ta2O5、Al2O3、MgO或空气。
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