CN113777705A - 一种光学偏振模式非对称转换方法及器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学偏振模式非对称转换方法及器件，属于光学偏振模式调控领域。该方法包括步骤：将波导内输入光波的偏振态分为两本征偏振模式的叠加；根据绝热近似演变原理将传播常数较大的本征偏振模式进行耦合吸收并损耗，传播常数较小的本征偏振模式转变为横电偏振模式或横磁偏振模式。本发明通过设计不同宽度和高度的全刻蚀区域和浅刻蚀区域的双刻蚀光波导，使得波导内偏振模式呈现出不同偏振方向，实现了偏振态的非对称转换，突破了环绕奇异点的偏振手性演变理论在实际应用过程中的诸多限制，在光波模场调控和偏振控制方面有广泛的应用前景。

Description

一种光学偏振模式非对称转换方法及器件
技术领域
本发明属于光学偏振模式调控领域，更具体地，涉及一种光学偏振模式非对称转换方法及器件。
背景技术
1998年，人们提出一种宇称-时间对称(PT对称)非厄米哈密顿量，它可以具有实数的本征值，打破了实数本征值需对应厄米哈密顿量这一传统认知。非厄米哈密顿量的本征值是否为实数的分界点称为奇异点，由此，奇异点的研究也开始进入人们的视野。随后人们便在PT对称光学波导中实验验证了奇异点的存在，并展示了损耗诱导的光波高透射现象。通过以准静态的方式控制哈密顿量参数环绕奇异点，得到大小为π的Berry相位，证明了奇异点周围具有自相交的黎曼面这一拓扑特性。
特别地，最近的研究发现构建动态环绕奇异点的光学波导系统，可实现光的非对称转换。相关的器件在片上光模式隔离、模式复用等方面存在潜在重要应用，引起了光学研究人员的广泛关注。与厄米系统中的绝热演变过程不同，缓慢动态环绕非厄米系统中的奇异点，会出现非绝热的状态跃迁，这一现象在光波导中也得到了验证。由此，研究人员首先以微波波导为载体，使波导模式正向输入和反向输入分别对应顺时针和逆时针环绕奇异点，利用动态环绕奇异点过程中的非绝热特性，实现了在任意模式输入时，正向输出总为TE0模式而反向输出总为TE1模式这一奇异的非对称转换现象。随后人们进一步通过硅基耦合光波导结构，实现了覆盖整个光通信波段的非对称模式传输。紧接着，非对称模式转换的诸多特性借助光波导平台被逐渐发现，包括动态环绕奇异点过程中起始位置和环绕路径对输出结果的影响，以及在反PT对称系统和高阶耦合系统中环绕奇异点的非对称转换的特征。在理论研究过程中，所构造的模式非对称转换器件的转换效率和传输效率低下，为了使相关器件具有更高的实用性能，人们提出通过移动奇异点的方法提高了非对称转换的转换效率，以及通过哈密顿量跳变的方法环绕奇异点，彻底摆脱路径依赖的损耗，在保持高转换效率的同时提高了非对称转换的传输效率。
尽管在环绕奇异点的非对称转换研究方面已取得丰硕成果，相关器件的性能逐渐得到改善，但是绝大多数研究只能实现光波导系统中同一偏振态的非对称模式转换，鲜有涉及不同偏振态的非对称转换。光子集成也亟需偏振态的非对称转换器满足偏振隔离、复用及锁定等重要需求。
在现有技术中，通过控制可变的增益或损耗的方法可实现不同偏振态的非对称偏振转换，但是对材料的加工非常苛刻，实现难度大；另外，利用光学偏振元件组合也可实现偏振态的非对称转换，但需要多种元件组合构建复杂的光学系统，系统整体尺寸庞大，同时偏振态在转换过程中始终存在能量损失，导致器件整体转换效率不高。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种光学偏振模式非对称转换方法及器件，通过设计不同宽度和高度的全刻蚀区域和浅刻蚀区域的双刻蚀光波导，使得波导内偏振模式呈现出不同偏振方向，实现了偏振态的非对称转换。
一种光学偏振模式非对称转换方法，包括步骤：
将波导内输入光波的偏振态分为两本征偏振模式的叠加；
根据绝热近似演变原理将传播常数较大的本征偏振模式进行耦合吸收并损耗，传播常数较小的本征偏振模式转变为横电偏振模式或横磁偏振模式。
一种光学偏振模式非对称转换器，包括：
直通双刻蚀光波导，用于将输入光波的偏振态分为两本征偏振模式的叠加，以及将传播常数较小的本征偏振模式转变为横电偏振模式或横磁偏振模式；
弯曲双刻蚀光波导，位于直通双刻蚀光波导的一侧，用于对直通双刻蚀光波导内传播常数较大的本征偏振模式产生耦合吸收；
全刻蚀平板光波导，一侧和弯曲双刻蚀光波导两端相连，用于将弯曲双刻蚀光波导耦合吸收到的偏振模式进行发散损耗。
进一步地，所述直通双刻蚀光波导包括：
位于两端的第一宽度变化区域和第二宽度变化区域，及中间的宽度不变区域；
所述第一宽度变化区域，一端为完整浅刻蚀区域，波导的宽度大于高度；另一端与宽度不变区域相连接，波导宽度与宽度不变区域波导宽度相同；两端之间的波导沿光波正向传输方向全刻蚀宽度逐渐变大，浅刻蚀宽度逐渐变小；
所述宽度不变区域，波导整体宽度和全刻蚀区域的高度相同，全刻蚀区域的宽度和浅刻蚀区域的高度相同；
第二宽度变化区域，一端为完整全刻蚀区域，波导的宽度小于高度；另一端与宽度不变区域相连接，波导宽度与宽度不变区域波导宽度相同；两端面之间的波导沿光波正向传输方向全刻蚀宽度逐渐变大，浅刻蚀宽度逐渐变小。
进一步地，所述弯曲双刻蚀光波导由全刻蚀区域和浅刻蚀区域组成，波导宽度沿光波正向传播方向增大，与直通双刻蚀光波导之间的距离沿光波传播方向先变小后变大。
进一步地，所述全刻蚀平板光波导为完整全刻蚀区域，波导宽度不变。
进一步地，全刻蚀平板光波导的一侧和弯曲双刻蚀光波导两端通过两个宽度不变双刻蚀光波导相连，用于传递从弯曲双刻蚀光波导中耦合吸收到的偏振模式到平板光波导。
进一步地，还包括：
宽度渐变双刻蚀光波导，一端连接直通双刻蚀光波导，另一端作为光波正向传输的输入端或反向传输的输出端，匹配连接不同宽度的波导；
宽度渐变全刻蚀光波导，一端连接直通双刻蚀光波导，另一端作为正向传输的输出端或反向传输的输入端，匹配连接不同宽度的波导。
进一步地，所述宽度渐变双刻蚀光波导，一端为完整全刻蚀区域，另一端为完整浅刻蚀区域，完整全刻蚀区域和完整浅刻蚀区域之间通过沿波导中轴对称的渐变光波导相连接；完整全刻蚀波导的宽度大于波导高度。
进一步地，所述宽度渐变全刻蚀光波导由完整全刻蚀区域组成，其宽度沿光波正向传播方向逐渐变大；其中，沿光波正向传播方向逐渐变大的一端的波导宽度大于波导高度。
一种光学偏振模式非对称转换器芯片，包括位于最下方的底层硅，生长在底层硅上的衬底层，最上方的包层以及上述任意一项所述的一种光学偏振模式非对称转换器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过设计不同宽度和高度的全刻蚀区域和浅刻蚀区域的双刻蚀光波导，使得波导内偏振模式呈现出不同偏振方向，实现了偏振态的非对称转换。
(2)本发明利用基于哈密顿量跳变的环绕奇异点原理构造的非对称转换波导器件，将波导的结构参数和哈密顿量参数之间建立对应关系，仅在直通双刻蚀波导的宽度不变区域对偏振方向为负45度的偏振模式具有吸收损耗，相比传统的根据环形环绕奇异点非对称转换所设计的波导器件中所支持的所有波导模式在传输过程中均时刻遭受损耗，提高了非对称转换的转换效率和传输效率。
(3)本发明利用绝热近似演变原理，令波导宽度缓慢变化，使波导内偏振模式的偏振方向在转变过程中对偏振模式的传输相位不敏感，从而使得本装置工作波长范围广，能够覆盖光通信所应用的C波段和L波段，工作场景丰富。
(4)本发明利用标准SOI芯片加工制造，工艺较为成熟，器件尺寸小，方便大规模集成制造。
总而言之，本发明拓宽了对光波偏振态调控的原理和方案，在片上光偏振模式隔离、复用等方面有广泛应用前景，为新一代集成光子学和光通信器件的发展与升级提供良好的理论支撑与技术支持；同时，有较高的转换效率和传输效率，工作波长范围广，便于片上集成。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种光学偏振模式非对称转换器的结构示意图。
图2是本发明实施例中的直通双刻蚀光波导和弯曲双刻蚀光波导横截面示意图。
图3是本发明实施例提供的偏振模式非对称转换的偏振方向控制原理示意图。
图4是本发明实施例提供的偏振模式非对称转换的环绕奇异点原理示意图。
图5是本发明实施例提供的直通双刻蚀光波导和弯曲双刻蚀光波导的波导整体宽度、全刻蚀波导宽度及波导所支持的第1本征模式偏振方向之间的关系。
图6是本发明实施例提供的直通双刻蚀光波导和弯曲双刻蚀光波导的波导整体宽度和全刻蚀波导宽度与波导所支持的第2本征模式偏振方向之间的关系。
图7是本发明实施例提供的弯曲双刻蚀光波导的波导宽度变化量与波导所支持的本征模式传播常数之间的关系。
图8是本发明实施例提供的弯曲双刻蚀光波导的波导宽度变化量与波导所支持的本征模式光场分布之间的关系。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-直通双刻蚀光波导，2-弯曲双刻蚀光波导，3-锥形双刻蚀光波导，4-宽度渐变全刻蚀光波导，5-第一弧形双刻蚀光波导，6-第二弧形双刻蚀光波导，7-全刻蚀平板光波导，8-第一宽度变化区域，9-宽度不变区域，10-第二宽度变化区域，21-底层硅，22-衬底层，23-包层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位关系为基于附图所示的方位关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
首先对本发明中的正向传输和反向传输进行说明：定义光波从左向右传输为正向传输，即光波从锥形双刻蚀光波导输入时为正向传输；定义光波从右向左传输为反向传输，即光波从宽度渐变全刻蚀光波导输入时为反向传输。
如图1所示，本发明提供了一种光学偏振模式非对称转换器，包括：宽度渐变双刻蚀光波导，作为光波正向传输的输入端或反向传输的输出端，用于匹配连接不同宽度的波导；其中，宽度渐变双刻蚀光波导优选为锥形双刻蚀光波导3；其中，双刻蚀光波导是指波导由全刻蚀区域和浅刻蚀区域组成。
宽度渐变全刻蚀光波导4，作为正向传输的输出端或反向传输的输入端，用于匹配连接不同宽度的波导。
直通双刻蚀光波导1，两端分别连接宽度渐变双刻蚀光波导和宽度渐变全刻蚀光波导4，根据绝热近似演变原理，当波导宽度缓慢变化时，波导内的偏振模式将始终是波导所支持的本征偏振模式，因此，通过改变全刻蚀区域和浅刻蚀区域的波导宽度使其所支持的本征偏振模式改变，进而实现偏振模式的转变。
弯曲双刻蚀光波导2，位于直通双刻蚀光波导1的一侧，利用绝热近似演变原理，通过改变波导宽度和与直通双刻蚀光波导1之间的距离，对直通双刻蚀光波导1内支持的两本征偏振模式之一产生耦合吸收。
两个宽度不变双刻蚀光波导，用于连接弯曲双刻蚀光波导2和全刻蚀平板光波导7，传递从弯曲双刻蚀光波导2中耦合吸收到的偏振模式到全刻蚀平板光波导7；其中，两个宽度不变双刻蚀光波导优选为第一弧形双刻蚀光波导5和第二弧形双刻蚀光波导6。
全刻蚀平板光波导7，一侧和两个宽度不变双刻蚀光波导相连，用于将两个宽度不变双刻蚀光波导传递的耦合吸收到的偏振模式进行发散损耗。
直通双刻蚀光波导1包括：最左侧的第一宽度变化区域8，最右侧的第二宽度变化区域10，中间通过宽度不变区域9相连接；其中，第一宽度变化区域8的一端为完整浅刻蚀区域，该区域内全刻蚀区域宽度为0，波导的宽度大于高度，使波导内横电偏振模式的传播常数大于横磁偏振模式的传播常数；另一端与宽度不变区域9相连接，波导宽度与宽度不变区域9波导宽度相同；两端面之间的波导沿光波正向传输方向全刻蚀宽度逐渐变大，浅刻蚀宽度逐渐变小，使完整浅刻蚀区域端口的横电偏振模式和宽度不变区域9相连接端口的负45度方向偏振模式相互转换，横磁偏振模式与宽度不变区域9相连接端口的正45度方向偏振模式相互转换。
第二宽度变化区域10的一端为完整全刻蚀区域，该区域内浅刻蚀区域宽度为0，波导的宽度小于高度，使波导内横磁偏振模式的传播常数大于横电偏振模式的传播常数；另一端与宽度不变区域9相连接，波导宽度与宽度不变区域9波导宽度相同；两端面之间的波导沿光波正向传输方向全刻蚀宽度逐渐变大，浅刻蚀宽度逐渐变小，使完整全刻蚀区域端口的横电偏振模式和宽度不变区域9相连接端口的正45度方向偏振模式相互转换，横磁偏振模式与宽度不变区域9相连接端口的负45度方向偏振模式相互转换。
由于在绝对的绝热演变过程中光波偏振模式的传播常数大小关系不会发生变化，因此偏振模式在直通双刻蚀光波导内传播过程中，横电偏振模式和横磁偏振模式之间能够相互转换。
中间部分为宽度不变区域9，波导整体宽度和全刻蚀区域的高度相同，全刻蚀区域的宽度和浅刻蚀区域的高度相同，使波导分别沿正45度方向和负45度方向成轴对称，光波在波导内能够以本征偏振模式为正45度的偏振模式和偏振方向为负45度的偏振模式两种正交偏振模态传输。记正45度的偏振模式为模式a，负45度的偏振模式为模式b，则模式a和模式b偏振方向相互垂直，可以使这两个偏振模式的在传播过程中相互间的串扰为0。
弯曲双刻蚀光波导2位于直通双刻蚀光波导1的一侧，由全刻蚀区域和浅刻蚀区域组成，两者位于内测相邻区域均为全刻蚀区域，两者之间由包层隔开，包层优选二氧化硅包层；弯曲双刻蚀光波导2和直通双刻蚀光波导1之间的距离沿光波传播方向先变小后变大，两者之间的耦合强度随着间距的变小而增强，随着间距的变大而减弱，在两者最近接的中间区域两者波导耦合最强，在弯曲双刻蚀光波导2的两端处，波导不再与直通双刻蚀光波导1耦合。弯曲双刻蚀光波导2的波导宽度沿光波正向传播方向缓慢增大的设计，波导宽度变化导致的波导侧壁和中轴线之间的夹角足够小，本实施例波导侧壁和中轴线之间的夹角优选小于4度，从而使波导宽度变化足够缓慢，以保证波导内模式传输的稳定性。弯曲双刻蚀光波导2内支持的两种偏振方向不同的本征偏振模式的传播常数随波导宽度的增大而逐渐增大，记这两种本征偏振模式分别为模式c和模式d，且模式c的传播常数大于模式d的传播常数；通过设计弯曲双刻蚀光波导2的波导宽度大于直通双刻蚀光波导1的波导宽度，使模式c的传播常数远大于直通双刻蚀光波导1内的模式a和模式b的传播常数，由于传播常数相差过大的模式间不会产生耦合，因此模式c不参与波导间的耦合。模式d的传播常数远大于直通双刻蚀光波导1内的模式a的传播常数，但与模式b的传播常数比较接近，且在正向传输时，随着弯曲双刻蚀光波导2的波导宽度变大，模式d的传播常数由小于模式b的传播常数变为大于模式b的传播常数，从而使得直通双刻蚀光波导1内的模式b被弯曲双刻蚀光波导2所耦合吸收，并在弯曲双刻蚀光波导2内变为模式d。
锥形双刻蚀光波导3的一端为完整全刻蚀区域，另一端为完整浅刻蚀区域，完整全刻蚀区域和完整浅刻蚀区域之间通过一个锥形渐变区域相连接，在其它实施例中，也可以是由其它形状的渐变光波导相连接；其中，完整浅刻蚀波导与直通双刻蚀光波导1的完整浅刻蚀波导端口相连接，完整全刻蚀波导的宽度大于波导高度，防止出现波导宽度和高度相等而导致横电偏振模式和横磁偏振模式之间的相互转化，由于锥形双刻蚀光波导3沿波导中轴线对称，且波导的宽度是缓慢变化的，可以使输入光波的偏振模式在锥形双刻蚀光波导3中传输时，偏振方向不变。波导宽度变化导致的波导侧壁和中轴线之间的夹角足够小，本实施例波导侧壁和中轴线之间的夹角优选小于4度，从而使波导宽度变化足够缓慢，以保证波导内模式传输的稳定性。锥形双刻蚀光波导3的完整全刻蚀波导的宽度可根据其连接端器件的宽度进行调整，方便匹配不同波导宽度的前端和后端器件。
宽度渐变全刻蚀光波导4由完整全刻蚀区域组成，其宽度沿光波正向传播方向逐渐变大，波导宽度变化导致的波导侧壁和中轴线之间的夹角足够小，本实施例波导侧壁和中轴线之间的夹角优选小于4度，从而使波导宽度变化足够缓慢，以保证波导内模式传输的稳定性。其中，沿光波正向传播方向逐渐变大的一端的波导宽度大于波导高度，作为正向输入的输出端或反向输入的输入端，以在保证波导模式稳定传输的前提下匹配不同波导宽度的前端和后端器件；另一端与直通双刻蚀光波导1相连。第一弧形双刻蚀光波导5和第二弧形双刻蚀光波导6由全刻蚀区域和浅刻蚀区域组成，波导整体宽度保持不变，全刻蚀区域宽度沿光波传播方向逐渐变大；两个弧形双刻蚀光波导的一端分别与弯曲双刻蚀光波导2的两端分别相连接，另一端分别与全刻蚀平板光波导7相连接，其中与全刻蚀平板光波导7连接端的全刻蚀区域宽度沿光波传播方向逐渐变大，浅刻蚀区域宽度沿光波传播方逐渐变小到0，防止连接端面对偏振模式进行反射形成驻波而影响偏振模式的转换。
全刻蚀平板光波导7为完整全刻蚀区域，波导宽度不变；一侧和两个弧形双刻蚀光波导相连，用于波导模式的发散损耗；其区域面积应尽量大，使波导模式经过两个弧形双刻蚀光波导进入全刻蚀平板光波导7区域后，无法再返回弧形双刻蚀光波导，实现对模式的耗散；全刻蚀平板光波导7，除了与弧形双刻蚀光波导的连接端，其它区域具有发散的边界。
正向传输时，输入光波通过锥形双刻蚀光波导3输入至直通双刻蚀光波导1，光波通过锥形双刻蚀光波导3时光学偏振模式主电场分量的偏振方向不变，在第一波导宽度变化区域8发生偏振态的转变，此时波导内传播的光波偏振模式可以分解为偏振方向为正45度的本征偏振模式和偏振方向为负45度的本征偏振模式的叠加，即模式a和模式b的叠加，这两种偏振态的模式在直通双刻蚀光波导1内的宽度不变区域9传输过程中，由于设计中该区域波导截面的负45度对称轴落在波导内的长度大于正45度对称轴落在波导内的长度，因此模式b的传播常数较大，模式a的传播常数较小，传播常数较大的模式b被一侧的弯曲双刻蚀光波导2所耦合吸收，留下传播常数较小的模式a，随后模式a经过直通双刻蚀光波导1右侧的第二宽度变化区域10后转变为横电偏振模式，即偏振方向为0度的偏振模式，并最终从宽度渐变全刻蚀光波导4输出。
反向传输时，输入光波从宽度渐变全刻蚀光波导4较宽的一端输入，与正向传输时相同，在宽度渐变全刻蚀光波导4中光波的偏振方向不变，经过直通双刻蚀光波导1，在第二宽度变化区域10偏振态变为模式a和模式b的叠加，经过宽度不变区域9后，传播常数较大的模式b被一侧的弯曲双刻蚀光波导2所耦合吸收，留下传播常数较小的模式a，由于直通双刻蚀光波导1两端的宽度变化区域的宽度变化方式不同，即在正向传输时，经过第二宽度变化区域10一端的完整全刻蚀区域，波导的宽度小于高度，而在反向传输时，经过第一宽度变化区域8一端的完整浅刻蚀区域，波导宽度大于高度，使得模式a经过直通双刻蚀光波导1右侧的第一宽度变化区域8后转变为横磁偏振模式，即偏振方向为90度的偏振模式，并最终从锥形双刻蚀光波导3输出。
被弯曲双刻蚀光波导2耦合吸收的偏振模式通过第一弧形双刻蚀光波导5或第二弧形双刻蚀光波导6进入全刻蚀平板光波导7，并发散损耗掉。
如图2所示，直通双刻蚀光波导1、弯曲双刻蚀光波导2、锥形双刻蚀光波导3、宽度渐变全刻蚀光波导4、第一弧形双刻蚀光波导5，第二弧形双刻蚀光波导6和全刻蚀平板光波导7采用标准的340nm高SOI芯片加工制作，包括位于最下方的底层硅21，生长在底层硅21上的衬底层22，最上方的包层23以及上述所述的光学偏振模式非对称转换器，所述光学偏振模式非对称转换器单片集成在衬底层22上；衬底层优选二氧化硅。为保证光能够在较窄的完整浅刻蚀波导内传输，浅刻蚀区域的刻蚀深度优选120nm，留下220nm高的浅刻蚀波导；为保证光学模式在波导内模场分布的对称性，并防止器件在使用过程中遭到损伤，在硅波导上覆盖上包层，优选和衬底相同的二氧化硅作为上包层材料。波导整体宽度包括浅刻蚀区域波导宽度和全刻蚀区域波导宽度。
具体地，在本实施例中，直通双刻蚀光波导1全刻蚀区域的高度优选340nm，浅刻蚀区域的高度优选220nm，第一宽度变化区域8的波导整体宽度优选从(340nm，400nm)变化到340nm，全刻蚀区域波导宽度优选从0变化到220nm；宽度不变区域9的波导整体宽度优选340nm，全刻蚀区域波导宽度优选220nm；第二宽度变化区域10的波导整体宽度优选从340nm变化到(220nm，250nm)，全刻蚀区域波导宽度优选从220nm变化到(220nm，250nm)。弯曲双刻蚀光波导2，全刻蚀区域的高度优选340nm，浅刻蚀区域的高度优选220nm，沿光波正向传播方向，波导整体宽度优选从(360nm，370nm)变化到480nm；全刻蚀区域波导宽度优选从(230nm，240nm)变化到350nm；弯曲双刻蚀光波导2与直通双刻蚀光波导1之间的间隙距离优选从(600nm，1000nm)变化到(100nm，200nm)，再变至(600nm，1000nm)。
锥形双刻蚀光波导3，完整全刻蚀区域的高度优选340nm，完整浅刻蚀区域的高度优选220nm。
宽度渐变全刻蚀光波导4的高度优选340nm，宽度优选从(220nm，250nm)变化到大于340nm。
第一弧形双刻蚀光波导5和第二弧形双刻蚀光波导6，全刻蚀区域的高度优选340nm，浅刻蚀区域的高度优选220nm。
全刻蚀平板光波导7的区域宽度优选大于200微米。
如图3所示，本发明实施例提供的偏振模式非对称转换的偏振方向控制原理示意图。在正45度方向和负45度方向所组成的参考坐标系下，利用琼斯矢量
Figure BDA0003196343230000121
描述偏振光，E+和E-分别表示正45度方向和负45度方向电场的复振幅。如果偏振态为
Figure BDA0003196343230000122
的偏振光入射到两正交光轴折射率分别为n1和n2的双折射元件，其中n1光轴和负45度方向夹角为θ，则光的偏振模式沿传播方向(z方向)的变化可以表述为
Figure BDA0003196343230000123
其中M(z)为该双折射元件的琼斯矩阵，由光轴方向和光轴折射率所确定。首先假设该双折射元件无增益和损耗，偏振光传播的动态演变方程为
Figure BDA0003196343230000131
此时哈密顿量参数矩阵
Figure BDA0003196343230000132
考虑双折射元件在正45度方向和负45度方向分别具有大小为γ1和γ2的增益/损耗系数，则描述偏振光动态演变的非厄米哈密顿量参数矩阵可以表述为H＝H'+i(γ1-γ2)σ3/2+i(γ1+γ2)I/2，其中i为虚数单位，σ3为泡利矩阵，I为单位矩阵。如图4所示，根据描述偏振光动态演变的非厄米哈密顿量，在参数θ和γ1-γ2所构建的参数空间内，构建基于哈密顿量跳变的低损耗环绕奇异点参数路径，正向输入和反向输入分别对应顺时针环绕奇异点和逆时针环绕奇异点，根据环绕奇异点的手性转换原理，正向输入和反向输入将得到不同的输出偏振态。基于该原理，为了实现波导内偏振模式的非对称转换，需计算直通双刻蚀光波导1内本征偏振模式的偏振方向作为等效光轴方向，本征偏振模式的等效折射率作为光轴折射率，并利用弯曲双刻蚀光波导2对直通双刻蚀光波导1内偏振模式的耦合吸收来引入损耗，使等效光轴方向、光轴折射率和损耗大小沿光波传播方向符合图4所示的参数空间环绕奇异点路径。
如图5、图6所示，是本发明实施例提供的直通双刻蚀光波导1和弯曲双刻蚀光波导2波导整体宽度和全刻蚀波导宽度与波导所支持的本征模式偏振方向之间的关系。本发明所述的直通双刻蚀光波导1和弯曲双刻蚀光波导2内均支持两种偏振方向不同的本征偏振本征模式，即直通双刻蚀光波导1内的模式a和模式b，弯曲双刻蚀光波导2内的模式c和模式d，它们的偏振方向作为波导的双折射等效光轴方向，随波导宽度的不同而改变，沿两个光轴方向的折射率等于正交本征偏振模式的模式等效折射率。如图5所示，为等效折射率较大(传播常数较大)的第1本征模式的偏振角度，偏振角度由颜色的深浅表示，具体数值与图中的颜色条相对应，随着全刻蚀波导宽度W1和波导整体宽度W2的变化情况，图6为等效折射率较小(传播常数较小)的第2本征模式的偏振角度，随着全刻蚀波导宽度W1和波导整体宽度W2的变化情况。第1本征模式的偏振角度覆盖负90度到0，第2本征模的偏振角度覆盖0到90度，构成双折射元件的两条光轴。为了实现偏振模式的非对称转换，需使波导内本征偏振模式的偏振方向变化规律满足图4所示的环绕奇异点参数路径，为此选取路径A→B→C→D→E，对应图4中顺时针环绕奇异点，相应的E→D→C→B→A对应逆时针环绕奇异点。其中，图5的A→B→C描述了在正向传输时，第1本征偏振模式在直通双刻蚀光波导1中的第一宽度变化区域8的变化情况，下方的箭头表示偏振方向的角度，A处为横电偏振模式(偏振方向0度)变为C处偏振方向为负45度的偏振模式(模式b)；C→D→E描述了在正向传输时，第1本征偏振模式在直通双刻蚀光波导1中的第二宽度变化区域10的变化情况，C处偏振方向为负45度的偏振模式(模式b)变为E处的横磁偏振模式。同理，从E→D→C→B→A则反应了反向传输时第1本征偏振模式的偏振角度在直通双刻蚀光波导1中的随着全刻蚀波导宽度W1和波导整体宽度W2的变化情况。
图6中的A→B→C描述了在正向传输时，第2本征偏振模式在直通双刻蚀光波导1中的第一宽度变化区域8的变化情况，A处的横磁偏振模式(偏振方向90度)变为C处偏振方向为正45度的偏振模式(模式a)；C→D→E描述了在正向传输时，第2本征偏振模式在直通双刻蚀光波导1中的第二宽度变化区域10的变化情况，C处偏振方向为正45度的偏振模式(模式a)变为E处的横电偏振模式。同理，从E→D→C→B→A则反应了反向传输时第2本征偏振模式的偏振角度在直通双刻蚀光波导1中的随着全刻蚀波导宽度W1和波导整体宽度W2的变化情况。
如图7所示，是本发明实施例提供的弯曲双刻蚀光波导2的波导宽度变化量与波导所支持的本征偏振模式传播常数之间的关系。直通双刻蚀光波导1宽度不变区域9的全刻蚀波导宽度优选220nm，波导整体宽度优选340nm，通过计算得到其本征偏振模式，即模式a和模式b等效折射率分别为na＝2.07，nb＝2.25。弯曲双刻蚀光波导2的全刻蚀波导基准宽度优选270nm，波导整体基准宽度优选400nm，其本征偏振模式，即模式c和模式d等效折射率为nc＝2.44，nd＝2.25，从而满足nb＝nd，使直通双刻蚀光波导中模式b可以向弯曲双刻蚀光波导中模式d耦合，由于直通双刻蚀光波导模式a的等效折射率小于弯曲双刻蚀光波导内所有模式的等效折射率，因此直通双刻蚀光波导模式a并不会向弯曲双刻蚀光波导耦合。由于弯曲双刻蚀光波导2仅对直通双刻蚀光波导中的模式b具有耦合效应，可认为直通双刻蚀光波导中模式b是具有损耗的，而模式a是无损的。如果直通双刻蚀光波导1和弯曲双刻蚀光波导2的宽度不变，则两者会形成定向耦合器，直通双刻蚀光波导1中模式b仍会从弯曲双刻蚀光波导2中耦合回来，因此需要构建弯曲双刻蚀光波导宽度渐变的绝热耦合器，实现弯曲双刻蚀光波导对直通双刻蚀光波导中模式b的单向耦合吸收。如图7所示是弯曲双刻蚀光波导中模式等效折射率与波导宽度变化量之间的关系，波导宽度变化量越大，弯曲双刻蚀光波导中模式等效折射率也越大。如图8所示，设定全刻蚀波导宽度270nm、波导整体宽度400nm为基准宽度，波导宽度变化量指在基准宽度下全刻蚀波导宽度和波导整体宽度同时增加或减小的数值，通过使弯曲双刻蚀光波导相对基准宽度的宽度变化量沿正向传播方向从负30纳米变化到正80纳米，即对应图7中的F→G→H，可以实现直通双刻蚀光波导中模式b向弯曲双刻蚀光波导中模式d的单向转移，从而实现图4中环绕奇异点过程中所需的对偏振模式的损耗。
本发明提出了一种光学偏振模式非对称转换方法，包括步骤：
将波导内输入光波的偏振态分为两本征偏振模式的叠加；
根据绝热近似演变原理将传播常数较大的本征偏振模式进行耦合吸收并损耗，传播常数较小的本征偏振模式转变为横电偏振模式或横磁偏振模式。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学偏振模式非对称转换方法，其特征在于，包括步骤：
将波导内输入光波的偏振态分为两本征偏振模式的叠加；
根据绝热近似演变原理将传播常数较大的本征偏振模式进行耦合吸收并损耗，传播常数较小的本征偏振模式转变为横电偏振模式或横磁偏振模式。
2.一种光学偏振模式非对称转换器，其特征在于，包括：
直通双刻蚀光波导(1)，用于将输入光波的偏振态分为两本征偏振模式的叠加，以及将传播常数较小的本征偏振模式转变为横电偏振模式或横磁偏振模式；
弯曲双刻蚀光波导(2)，位于直通双刻蚀光波导(1)的一侧，用于对直通双刻蚀光波导(1)内传播常数较大的本征偏振模式产生耦合吸收；
全刻蚀平板光波导(7)，一侧和弯曲双刻蚀光波导(2)两端相连，用于将弯曲双刻蚀光波导(2)耦合吸收到的偏振模式进行发散损耗。
3.根据权利要求2所述的一种光学偏振模式非对称转换器，其特征在于，所述直通双刻蚀光波导(1)包括：
位于两端的第一宽度变化区域(8)和第二宽度变化区域(10)，及中间的宽度不变区域(9)；
所述第一宽度变化区域(8)，一端为完整浅刻蚀区域，波导的宽度大于高度；另一端与宽度不变区域(9)相连接，波导宽度与宽度不变区域(9)波导宽度相同；两端之间的波导沿光波正向传输方向全刻蚀宽度逐渐变大，浅刻蚀宽度逐渐变小；
所述宽度不变区域(9)，波导整体宽度和全刻蚀区域的高度相同，全刻蚀区域的宽度和浅刻蚀区域的高度相同；
第二宽度变化区域(10)，一端为完整全刻蚀区域，波导的宽度小于高度；另一端与宽度不变区域(9)相连接，波导宽度与宽度不变区域(9)波导宽度相同；两端面之间的波导沿光波正向传输方向全刻蚀宽度逐渐变大，浅刻蚀宽度逐渐变小。
4.根据权利要求3所述的一种光学偏振模式非对称转换器，其特征在于，所述弯曲双刻蚀光波导(2)由全刻蚀区域和浅刻蚀区域组成，波导宽度沿光波正向传播方向增大，与直通双刻蚀光波导(1)之间的距离沿光波传播方向先变小后变大。
5.根据权利要求4所述的一种光学偏振模式非对称转换器，其特征在于，所述全刻蚀平板光波导(7)为完整全刻蚀区域，波导宽度不变。
6.根据权利要求5所述的一种光学偏振模式非对称转换器，其特征在于，全刻蚀平板光波导(7)的一侧和弯曲双刻蚀光波导(2)两端通过两个宽度不变双刻蚀光波导相连，用于传递从弯曲双刻蚀光波导(2)中耦合吸收到的偏振模式到全刻蚀平板光波导(7)。
7.根据权利要求2-6任意一项所述的一种光学偏振模式非对称转换器，其特征在于，还包括：
宽度渐变双刻蚀光波导，一端连接直通双刻蚀光波导(1)，另一端作为光波正向传输的输入端或反向传输的输出端，匹配连接不同宽度的波导；
宽度渐变全刻蚀光波导(4)，一端连接直通双刻蚀光波导(1)，另一端作为正向传输的输出端或反向传输的输入端，匹配连接不同宽度的波导。
8.根据权利要求7项所述的一种光学偏振模式非对称转换器，其特征在于，所述宽度渐变双刻蚀光波导，一端为完整全刻蚀区域，另一端为完整浅刻蚀区域，完整全刻蚀区域和完整浅刻蚀区域之间通过沿波导中轴对称的渐变光波导相连接；完整全刻蚀波导的宽度大于波导高度。
9.根据权利要求8项所述的一种光学偏振模式非对称转换器，其特征在于，所述宽度渐变全刻蚀光波导(4)由完整全刻蚀区域组成，其宽度沿光波正向传播方向逐渐变大；其中，沿光波正向传播方向逐渐变大的一端的波导宽度大于波导高度。
10.一种光学偏振模式非对称转换器芯片，其特征在于，包括位于最下方的底层硅(21)，生长在底层硅(21)上的衬底层(22)，最上方的包层(23)以及权利要求2-9任意一项所述的一种光学偏振模式非对称转换器。
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