CN110658587A - 一种偏振控制器和开关装置 - Google Patents

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Abstract

一种偏振控制器和开关装置，所述偏振控制器包括第一波导和加热器，所述第一波导的截面形状为非轴对称图形，所述加热器设置在所述第一波导上方，用于调谐所述第一波导的环境温度以改变输入光的偏振态。所述开关装置包括所述偏振控制器和偏振分束器，所述偏振控制器通过热调谐，将输入光转换为TE偏振光或TM偏振光后输出到所述偏振分束器，所述偏振分束器将所述TE偏振光和TM偏振光从不同的端口输出。本申请无需使用PSR和双偏光栅，可降低插损和热调谐压力。

Description

一种偏振控制器和开关装置
技术领域
本申请涉及偏振控制器件领域，更具体地，涉及偏振控制器和开关装置。
背景技术
由于光电联合集成的巨大应用前景，硅作为光的载体材料逐渐兴起。在 通信常用的O波段(O-band)和C波段(C-band)，因为硅是间接半导体材 料，它对光波几乎不吸收。硅的折射率较大，它与二氧化硅结合形成强束缚 波导，可以显著降低光学器件尺寸，有利于实现芯片级的集成，降低整体功 耗。但在另一方面，由于硅波导对光的强束缚效应，使得硅光的偏振问题变 得突出。不同的偏振态在硅波导中的性质差异巨大，同一器件难以同时满足 不同偏振的需求。这为基于硅材料的光学芯片带来了挑战。
偏振是硅光这种强束缚材料体系的一大难点，目前，处理偏振问题的基 本途径是采用偏振分离转换，最后再合成输出。这其中会用到偏振旋转分束 器等器件，任意偏振光，通过边耦合器输入到芯片，激发片上波导相应的TE 和TM模式。随后TE模式的光保持直通输出，而TM模式的光经过转换，变 成TE模式也输出到相应的功能器件部分；由于TE和TM性质的不同，它们 会经过两个相同结构的器件矩阵，最后再合束输出。此种架构的问题是，同一芯片上必须走两个具有相同结构的器件矩阵，由此带来芯片面积的浪费和 光束合成时的群速度延迟问题。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求 的保护范围。
偏振分束旋转器(PSR：polarization splitter and rotator)和双偏光栅这两种器 件均能处理不同的偏振态。其中，基于PSR的偏振控制结构为：输入光与PSR 相连，不同偏振的光经过PSR分离，随后经过相移器，分别对不同偏振的光 进行相位调节，完成相位调谐后的光通过3dB MMI合束；如此循环，级联多 个相移器以及3dB分束器，最终实现任意偏振输入到任意偏振输出的控制。 在光纤通信中，光的偏振态可以在100us内发生变化，而变化的幅度和相位呈 现随机性。在基于PSR的方案中，PSR本身不仅会带来偏振相关损耗，还会 带来不同偏振之间的相差，使得相移部分的调谐压力进一步加大。该种方案 对相移器有较高要求，单级相移器不能实现无限偏振可调。要实现对偏振的 全控制，需要较多的相移器，这加大了器件的功耗和复杂性。基于双偏光栅 的偏振控制架构通过衍射，将不同偏振的光转换成同一偏振，从不同的端口 输出。通过进一步的相位调谐，再将光束进行合成，从而实现偏振的控制转 换。该种方案消除了PSR引入的偏振相关损耗和偏振相位差。但双偏光栅由 于本身的物理原因，对光从光纤到芯片的耦合损耗较大，不能满足实际需求。
本发明实施例提供了一种偏振控制器，包括第一波导和加热器，所述第 一波导的截面形状为非轴对称图形，所述加热器设置在所述第一波导上方， 用于调谐所述第一波导的环境温度以改变输入光的偏振态。
本发明实施例提供了一种开关装置，包括如本发明实施例所述的偏振控 制器及偏振分束器，所述偏振控制器通过热调谐，将输入光转换为TE偏振光 或TM偏振光后输出到所述偏振分束器，所述偏振分束器将所述TE偏振光和 TM偏振光从不同的端口输出。
本发明实施例的偏振控制器在实现偏振控制时没有使用双偏光栅，降低 了偏振控制的插损。也没有使用PSR，从而降低了相位补偿部分的热调谐压 力，在实际调谐的时候，有更小的功耗和更快的调谐速度。
本发明实施例基于偏振控制的开关装置，与普通开关相比，没有使用马 赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构和3dB的多模分束器(MMI)、方向耦合器(DC) 等分束器，从而缩短了器件的尺寸，能适应于更大规模的集成。
本发明实施例的偏振控制器和开关装置的制作与CMOS工艺兼容，不需 要额外的工艺步骤，适应于量产的需要。
阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部 分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明 技术方案的限制。
图1是本发明一示例性实施例的偏振控制器的使用示意图，所述偏振控 制器包括偏振分束器和相移器；
图2A和图2B是偏振控制器使用的第一波导的两种截面形状的示意图；
图2C是本发明一示例性实施例的偏振控制器的结构示意图；
图3A和图3B分别是在20℃和250℃时，使用本发明实施例偏振控制器 将线偏振光向任意偏振态转换的模场传输的示意图；
图4是本发明另一示例性实施例的偏振控制器的使用示意图，所述偏振 控制器除包括加热器和不对称结构波导外，还包括偏振分束器和相移器；
图5是基于本发明实施例偏振控制的开关装置的结构示意图。
具体实施方式
下文描述了本申请的多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制 性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述 的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出 了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特 征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实 施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合 使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
对于基于SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)材料的波导而言， 在对称的波导结构中，不会发生偏振态的转换。同一偏振态的光在对称波导 中，将会稳定传输。但当波导的对称性被打破的时候，此时波导的模式电场 便不再是原本的方向，而是发生了旋转。随着光场的传播，合成光场的电矢 量的方向会不断改变即发生旋转，即发生了偏振态的转换。
本发明实施例在不对称结构的波导上方施加加热器(Heater)，通过热场 改变偏振模式的相位，以调控偏振态。在该结构中，温度和输入光偏振态的 变化存在一个线性区域，通过调谐注入电流或温度，可以连续地改变输入光 的偏振态，可以实现输入的线偏振光(如TE偏振光或TM偏振光)向任意偏 振态的转换。
请参见图1，本发明一示例性实施例提供了一种偏振控制器，包括第一波 导1和加热器2，所述第一波导1的截面形状为非轴对称图形，所述加热器2 设置在所述第一波导上方，用于调谐所述第一波导1的温度以改变输入光的 偏振态。如图1所示，偏振控制器输出的偏振光可以经单模标准耦合器(SSC： Single mode standard coupler)进入光纤4传输。因为第一波导1的截面形状 具有不对称性，文中也称第一波导1具有不对称结构。这种不对称结构的波 导的两个波导模式(TE模式和TM模式)具有不同的热光系数差异，从而可 以在热调谐中产生相差。图1中的第一波导1用示意性的图例表示，不应视 为第一波导的实际形状。
图2A和图2B各自显示了一种示例性的波导截面。所示出的波导截面垂 直于波导的光传输方向(图2中光的传播方向垂直于纸面，图1中的光传播 方向如箭头所示)，第一波导1的波导截面可以是这些波导截面中的一种。
图2A所示是矩形截面的波导被刻蚀掉一部分形成的波导的波导截面，图 2B所示是矩形截面的波导再新增一部分形成的波导的波导截面。图2A和图 2B所示的波导截面形状为非轴对称图形。需要说明的是，本申请对矩形截面 的波导刻蚀掉一部分形成的波导并不一定具有图2A所示的特定截面形状，可 以是其他不对称的截面形状。同样，本申请在矩形截面的波导上再增加一部 分形成的波导也不一定具有图2B所示的特定截面形状，也可以是其他不对称 的截面形状，例如，被刻蚀掉的部分或增加部分的位置、大小、形状等都可以变化。
图2C示出了一示例实施例中的偏振控制器的整体结构，如图所示，所述 偏振控制器包括硅基衬底10、设置在硅基衬底10上的缓冲层20和上包层30， 第一波导1设置在缓冲层20上，上包层30设置在缓冲层20上且覆盖第一波 导1，加热器1设置在上包层30上，加热器1在第一波导的上方且间隔一设 定的距离。缓冲层20和上包层30可以用二氧化硅或其他材料，波导1可以 使用氮化硅、Si或其他波导材料。加热器2可以使用氮化钛或金属。
本发明实施例的偏振控制器采用非对称结构的波导，使得该波导的两个 波导模式(即TE模式和TM模式)具有不同的热光系数，从而可以通过热调 谐偏振控制器(即偏振旋转部分)，实现输入的线偏振光(如TE偏振光或 TM偏振光，图中表示为TE/TM)向任意偏振态的转换，例如，输入TE偏振 光，输出可以是TE偏振光，也可以是TM偏振光；输入TM偏振光，输出可 以是TE偏振光，也可以是TM偏振光。
在一示例中，所述加热器用于调谐所述第一波导的温度，以实现输入的 线偏振光向任意偏振态的转换。所述加热器包括氮化钛或金属材料制成的加 热层，所述加热层位于所述第一波导上方，与所述第一波导之间间隔设定的 距离，例如1μm至2μm。所述加热层可连接电源实现发热，通过调节电流的 大小可以改变发热量，进而改变波导的环境温度。
在一示例中，所述偏振控制器还可以包括在所述第一波导两端设置的两 个锥形宽度渐变波导(taper)，所述锥形宽度渐变波导用于实现第一波导到 对称结构波导的连接和转换。
在一个示例中，使用本发明实施例的偏振控制器，当输入光为TE偏振光 时，器件在20℃的模场传输情况如图3A所示，器件在250℃时的模场传输情 况如图3B所示。从图中可以看出，在20℃时，输入的TE偏振光经过偏振控 制器时，电场方向保持TM输出；而在250℃的情况下，由于温度使得模式的 相位发生改变，相应的输出偏振态也发生变化，变成TE偏振光输出。图3A 和图3B所示是软件仿真的结果，其中图3A示出的是x方向上的电场强度Ex， 图3B示出的是y方向上的电场强度Ey。图中大致为点状的区域的灰度用于 表示电场强度，灰度值越小(颜色越黑)表示电场强度越大。两个图中的横 坐标x和纵坐标的单位均为微米(microns),
本发明实施例的偏振控制器对偏振旋转器(由不对称结构的波导构成) 进行热调谐设计(即在不对称结构的波导上施加Heater)，可以实现偏振态 之间的转换。
本发明实施例的偏振控制器的制作工艺与CMOS工艺兼容，不需要额外 的工艺步骤，适应于量产的需要。
本发明实施例的偏振控制器没有使用双偏光栅，降低了偏振控制的插损。
本发明实施例的偏振控制器没有使用PSR进行偏振控制，从而降低了相 位补偿部分的热调谐压力，在实际调谐的时候，将会有更小的功耗和更快的 调谐速度。
本发明一示例性实施例还提供了一种偏振控制器，如图4所示，除了包 括第一波导1和加热器2外，还包括第一偏振分束器5、第一相移器7、第二 相移器8和第二偏振分束器6，第一偏振分束器5输出的TE偏振光和TM偏 振光分别在第一相移器7和第二相移器8进行相移后，在第二偏振分束器合 束，再输出到第一波导1进行偏振态的转换。
如图4所示，光纤4传输的光信号经SSC3进入第一偏振分束器5，该结 构添加的PBS和相移器，可以调节输入光的相位，可以实现任意偏振向TE 偏振光或TM偏振光的转变，以满足偏振控制器的需求。偏振分束器(PBS： polarization beam splitter)本身尺寸较短，相对于PSR，其引入的偏振相差较 小，减轻了相移器的调谐压力。
本发明一示例性实施例还提供了一种开关装置，也可以称之为光开关装 置，如图5所示，包括本发明上述实施例所述的偏振控制器，该偏振控制器 包括第一波导1和加热器2。该开关装置还包括偏振分束器5，偏振控制器通 过热调谐，将输入光转换为TE偏振光或TM偏振光后，输出到偏振分束器5， 偏振分束器5将TE偏振光和TM偏振光从不同的端口输出。
本发明实施例开关装置是一种基于偏振控制的光开关，通过改变光的偏 振态，来实现光在不同路径的切换，假定，TE偏振光或TM偏振光从左边输 入，经过偏振控制器，变成某一偏振态(TE或TM)，传播至偏振分束器5 后，由于偏振分束器5对偏振输出的选择性，即输入光是TE偏振光时，从其 中一端口如图中的上端口51输出，若输入光是TM偏振光时，则从另外一端 口如图中的下端口52输出。通过偏振控制器上施加的加热器(Heater)，其 产生的热量会改变偏振控制器模式的相位，从而改变其输出光的偏振态。而 在输出端口，由于其偏振态的变化，其输出端口也因此被切换，即可以将输 入光有选择性地输出到某一个端口，起到了光的开关的功能，可以实现不同 端口的光切换。
本发明实施例的开关装置，与普通开关相比，没有使用MZI结构，没有 分束器，从而缩短了器件的尺寸，能适应于更大规模的集成。
在本申请的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等均应做广 义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接； 可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人 员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含 于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性 表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材 料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明 而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人 员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细 节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利 要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种偏振控制器，其特征在于，包括第一波导和加热器，所述第一波导的截面形状为非轴对称图形，所述加热器设置在所述第一波导上方，用于调谐所述第一波导的温度以改变输入光的偏振态。
2.根据权利要求1所述的偏振控制器，其特征在于，所述第一波导是矩形截面的波导被刻蚀掉一部分而形成。
3.根据权利要求1所述的偏振控制器，其特征在于，所述第一波导是在矩形截面的波导上再增加一部分而形成。
4.根据权利要求1所述的偏振控制器，其特征在于，所述加热器包括氮化钛或金属材料制成的加热层，所述加热层位于所述第一波导上方，与所述第一波导之间间隔设定的距离。
5.根据权利要求1所述的偏振控制器，其特征在于，所述偏振控制器还包括在所述第一波导两端设置的两个锥形宽度渐变波导，所述锥形宽度渐变波导用于实现所述第一波导到对称结构波导的连接和转换。
6.根据权利要求1所述的偏振控制器，其特征在于，所述加热器用于调谐所述第一波导的温度，以实现输入的线偏振光向任意偏振态的转换。
7.根据权利要求1所述的偏振控制器，其特征在于，所述偏振控制器还包括硅基衬底、所述硅基衬底上的缓冲层和上包层，所述第一波导设置在所述缓冲层上，所述上包层设置在所述缓冲层上且覆盖所述第一波导，所述加热器设置在所述上包层上。
8.根据权利要求1至7中任一所述的偏振控制器，其特征在于，所述偏振控制器还包括第一偏振分束器、第一相移器、第二相移器和第二偏振分束器，所述第一偏振分束器输出的TE偏振光和TM偏振光分别在所述第一相移器和第二相移器进行相移后，在所述第二偏振分束器合束，再输出到所述第一波导进行偏振态的转换。
9.一种开关装置，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一所述的偏振控制器，还包括偏振分束器，所述偏振控制器通过热调谐，将输入光转换为TE偏振光或TM偏振光后输出到所述偏振分束器，所述偏振分束器将所述TE偏振光和TM偏振光从不同的端口输出。
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