CN114207488A - 偏振旋转器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种偏振旋转器。本发明偏振旋转器包括光耦合器，所述光耦合器包括波导，所述波导在一个第一端部处具有至少第一端口和第二端口，所述第一端口配置为偏振光的输入端口，所述第二端口配置为反射的偏振光的输出端口，所述波导具有与所述第一端部相对的第二端部。它还包括双折射波片，所述双折射波片在一侧上具有反射面，所述波片被布置成接收来自所述波导的所述第二端部的光，并将从所述耦合器发射出的光反射回所述耦合器中。根据本发明，波片还配置成使所述双折射材料旋转所述反射光的偏振，其旋转的量取决于所述双折射波片相对于所述光耦合器的旋转角度。

Description

偏振旋转器
背景技术
本发明涉及偏振旋转器，更特别地，涉及用于集成光学的偏振旋转器。集成光学中现有的偏振旋转解决方案基于模式演化，基于充当波片的不对称波导的“旋转器波导”，并且基于薄波片，所述薄波片由双折射材料制成，所述双折射材料插入穿过波导蚀刻而成的槽中。
偏振旋转器是将线偏振光束的偏振轴旋转一个选择角度的光学器件。在自由空间光学中，这些器件可以基于法拉第效应、基于双折射或基于全内反射。对于导波，旋转也可以通过模式演化完成。偏振旋转器是例如光隔离器和偏振分集接收机中的关键组件。
法拉第旋转器需要具有磁光效应的材料。当放置在磁场中时，该材料将旋转线偏振光的平面。这种效应是不可逆的，并因此可以用来制作光隔离器。在基于双折射的偏振旋转器中，线偏振光被分解为两个分量。材料的“慢”轴中的相位延迟导致线偏振光的平面旋转。双折射既可以是材料特性，在波导情况下也可以是几何诱导的。
集成偏振旋转器通常基于使用某种类型的旋转器波导。还提出了基于交叉偏振耦合或模式演化的方法。基于模式演化的旋转器的工作原理是绝热地修改波导的横截面，从而使光轴逐渐旋转所需的量。这种转变需要绝热，使得不同模式之间不发生功率耦合，使器件非常长，并且很难用传统波导工艺制造。此外，很难实现90°以外的旋转角度。
以特定方向顺序通过多个全内反射的光将具有其偏振旋转。这些器件是宽带的，因为操作不依赖于光的干扰。
已知的集成偏振旋转器对制造误差和工艺变化非常敏感，因为光轴的取向和双折射的量都需要精确控制。这限制了它们在商业器件中的应用。从制造和组装的角度来看，一些技术(如将薄波片插入蚀刻槽中的技术)都要求很高。
发明目的
本发明的目的是提供一种偏振旋转器，所述偏振旋转器可以使用对标准制造不敏感的波导组件制造，并且其组装要求不如已知解决方案中的严格。为了实现这一点，根据本发明的一个方面，提供一种光耦合器，其具有至少第一端口和第二端口以及具有反射表面的双折射波片。
本发明用于集成光学的偏振旋转器提供了相当大的优势，因为它使用标准的、对制造不敏感的波导组件与外部波片的组装相结合。与狭缝集成波片相比，所述组装不需要高的平移对准精度，仅需要角度对准来控制偏振的旋转。
因此，本发明偏振旋转器器件使用标准波导组件易于实现，并且不需要改变光子集成电路制造工艺。波片与光学芯片的组装很简单，因为仅需要精确的角度对准。
发明内容
根据本发明的主要方面，提供了一种偏振旋转器，其包括：
-光耦合器，所述光耦合器包括波导，所述波导在一个第一端部处具有至少第一端口和第二端口，所述第一端口配置为偏振光的输入端口，所述第二端口配置为反射的偏振光的输出端口，所述波导具有与所述第一端部相对的第二端部；
-双折射波片，所述双折射波片在一侧上具有反射面，所述波片被布置成接收来自所述波导的所述第二端部的光，并将从所述耦合器发射出的光反射回所述耦合器中。
根据本发明，该波片还配置成使双折射材料旋转所述反射光的偏振，其旋转的量取决于双折射波片相对于光耦合器的旋转角度。
波导具有由波导中的主要光传播方向确定的光轴。
在一些实施例中，双折射波片相对于所述波导竖直定向，使得所述波片的平面的法线垂直于所述波导的所述第二端部，并且其中，偏振旋转由所述波片绕与双折射波片的平面垂直的轴旋转的角度来确定。在这些实施例的一些变体中，可以通过围绕与所述双折射波片的平面垂直的轴旋转波片来调谐偏振旋转。
在一些其他实施例中，双折射波片相对于所述波导横向定位，使得所述波片的平面的法线垂直于所述波导的光轴，并且通过光学元件将光从所述波导的所述相对端部引导到所述双折射波片，所述光学元件例如是镜子或第二波导，并且其中，偏振旋转由所述波片绕与双折射波片的平面垂直的轴旋转的角度来确定。在这些实施例的一些变体中，当所述波片绕与双折射波片的平面垂直的所述轴旋转时，偏振旋转是可调谐的。
在一些其他实施例中，从所述波导的所述第二端部发射出的光通过布置在耦合器与波片之间的至少一个其他波导耦合回所述耦合器中。在一些实施例中，与所述双折射波片垂直的轴垂直于所述波片的光轴。
附图说明
图1示出了现有技术MMI耦合器；
图2A至图2C示出了本发明的基本偏振旋转器的一个实施例的各种基本方面；
图3示出了本发明偏振旋转器的另一个实施例；
图4示出了本发明偏振旋转器的进一步细节；
图5示出了本发明偏振旋转器的另一个实施例；
图6示出了本发明偏振旋转器的另一个实施例。
具体实施方式
图1示出了现有技术2x2多模干涉(MMI)耦合器10，所述耦合器在输入端口11a、11b与输出端口12a、12b之间具有一对一成像，这里具有到交叉端口(11a->12b)的100％光传输，并且具有不变的偏振。
图2A示出了可以在本发明偏振旋转器中使用的MMI耦合器20的基本结构。耦合器20类似于图1中的耦合器，但这里它仅为长度的一半，并用反射器23终止。因此，输入端口21和输出端口22位于同一侧上，在相反方向上接收和发射光，同时在输入端口与输出端口之间保持与图1中的器件相同的一对一成像。耦合器20优选地可以是偏振独立的，并且代替MMI，它也可以是例如定向耦合器。耦合器20的目的是将从波片24反射的光路由到与输入端口不同的端口中，因为将光反射回光源通常是不需要的，并且可能有害于例如激光器的光学操作。耦合器中的光的返回路径LP(光传播)由将光路由到输出端口22中的反射器23提供。耦合器的波导用附图标记27表示。波导27可以是整个耦合器，或者耦合器20可以包含未示出的附加层或材料。对于本说明的目的，耦合器20和波导27具有相同的功能。
图2B示出了本发明偏振旋转器的原理。将图2A中的反射器23替换为平行于MMI耦合器20的端面放置的反射波片24。波片24将在反射光场中引起偏振旋转。波片可以由具有第一折射率ηo的“快”轴和具有第二折射率ηe的“慢”轴的层25双折射材料组成。双折射材料在一侧上例如通过金属化覆盖有反射面26。通过使用反射波片24来反射光场，可以根据需要通过对准波片24光轴相对于耦合器20的角度来旋转光的偏振。
图2C示出了本发明的可调谐偏振旋转器，其具有在操作中可旋转的波片24。正如可见的，相对于输入端口21处的偏振，输出端口22处的偏振旋转R’的量取决于波片24的光轴相对于波导20的旋转R的量。
以其最简单的形式，耦合器可以位于光学芯片的边缘处，然后反射波片位于芯片的外部。反射波片也可以竖直地放置在光学芯片上的沟槽中。与前面的槽集成概念相反，在此沟槽尺寸并不重要，因为它只需足够大以容纳波片。此外，耦合器和波片可以物理分离并与波导连接(见图5)，使得耦合器可以自由地放置在光学芯片上，并且波片位于芯片边缘处，在那里组装是不重要的。
图3示出了本发明的另一个实施例，其中耦合器30终止于向上反射光的镜子33。这允许将双折射波片34放置在耦合器30的顶部上。馈入耦合器的输入端口31中的光通过双折射层35向上反射，并从反射面36向后反射，然后通过耦合器向前反射到输出端口32，其中，出射光具有偏振旋转R'，其角度对应于波片34在耦合器的顶部上转动的角度R。
图4更详细一些地示出了与图2A至图2C中的耦合器类似的耦合器40的实施例。耦合器40可以由典型SOI配置中的二氧化硅(SiO2)层42(硅衬底47位于下方)上的硅层41组成。例如，反射波片44可以由铌酸锂(LiNbO3)的双折射层45组成。例如，层45的厚度可以是5-10μm。例如，反射层46可以由高反射(HR)反射器组成。面向反射器44的SOI器件41、42、47的端部可以设置有抗反射(AR)涂层43。
图5示出了与图2C所示的耦合器类似的耦合器50的实施例，其具有输入端口51和输出端口52和波导53。在此，波片54不是直接位于耦合器之后，而是经由额外的波导55和56光学连接到耦合器。由于两个中间波导55、56布置在波导53与波片54之间，因此从波导53发射出的光耦合到两个中间波导55、56并通过相同的中间波导55、56返回到耦合器50。这种布置允许：例如，将耦合器定位在光学芯片57的中间和将波片定位在芯片的边缘58处。
离开波导管的光将以与光束大小成反比的速率开始扩展。为了减少光束发散并从而减少耦合损耗，可以在耦合器中波导的第二端部的边缘处设置宽模场。在横向上，扩展可以通过加宽波导来完成。然而，波导层通常很薄，并且光束将在竖直方向上开始快速扩展。当光束在自由空间中传播时，扩展得越多，如果反射来自平坦表面，则耦合回波导的功率越小。
由于竖直发散取决于波导厚度，波导厚度通常地是固定的，因此通过某种方式将反射之后竖直扩展的光聚焦回波导可以是有用的。例如，这可以通过圆柱形反射器来完成。圆柱形反射器的曲面是光始终垂直照射在其上的圆柱体的一部分。然后反射光将聚焦回SOI波导中。
减少耦合损耗的替代方式是用圆柱形透镜在竖直方向上准直离开波导的光，并将这准直光束反射到平坦的波片上。然后，通过圆柱形透镜减轻光束扩展。圆柱形透镜是只将光聚焦在一个方向上的透镜，它形成焦点线而不是点。
图6示出了与图2C和图4所示耦合器类似的耦合器的实施例。耦合器60可以由二氧化硅(SiO2)层62(硅衬底67位于下方)上的硅层61组成。反射波片64具有双折射层65和反射层66，并且面向反射器64的SOI器件61、62、67的端部可以设置有抗反射(AR)涂层63。
在图6的实施例中，用位于耦合器与波片64之间的圆柱形透镜69准直离开SOI器件61的光束68。光通过同一圆柱形透镜69返回到耦合器61。这种布置减少了由光束68的发散引起的耦合损耗。
应当理解，所公开的本发明的实施例不限于本文公开的特定结构、工艺步骤或材料，而是扩展到相关领域的普通技术人员将认识到的其等效物。还应当理解，本文采用的技术术语仅出于描述特定实施例的目的而使用，而非旨在进行限制。
在本说明书中对一个实施例或实施例的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明中各个位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指同一实施例。在使用“诸如”、“例如”、“大约”或“基本上”的术语来提及一个数值的情况下，也公开了准确的数值。
如本文所使用的，为方便起见，多个项目、结构元素、组成元素和/或材料可以呈现在公共列表中。然而，这些列表应被理解为：列表中的每个成员都被单独确定为单独的、唯一的成员。因此，这种列表上的任何单独成员都不应仅仅根据其在共同群体中的表现而被理解为同一列表上的任何其他成员的事实上的等同物，而没有相反的指示。此外，本发明的各种实施例和示例以及其各种组件的替代方案可以在本文中提及。应理解，这种实施例、示例和替代方案不应被解释为彼此的事实等同物，而应被理解为本发明的独立和自主表示。
此外，在一个或多个实施例中，所描述的特征、结构或特性可以任何适合的方式组合。在前面的描述中，提供了许多具体细节，例如长度、宽度、形状等的示例，以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本发明可以在没有一个或多个具体细节的情况下实施，或者用其他方法、组件、材料等实施。在其他情况下，未详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作，以避免模糊本发明的方面。
虽然上述示例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但对于本领域的普通技术人员显而易见的是，在形式、用法和实现细节方面可以进行大量修改，而无需运用创造性，并且不偏离本发明的原理和概念。因此，本发明不旨在受到除了以下权利要求的限制之外的限制。
本文件中的动词“包括”和“包含”用作开放限制，既不排除也不要求存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中所列举的特征可相互自由组合。此外，应当理解，在本文件中使用的“一”或“一个”(即，单数形式)并不排除复数形式。

Claims (7)

1.一种偏振旋转器，包括：
光耦合器，所述光耦合器包括波导，所述波导在一个第一端部处具有至少第一端口和第二端口，所述第一端口配置为偏振光的输入端口，所述第二端口配置为反射的偏振光的输出端口，所述波导具有与所述第一端部相对的第二端部；
双折射波片，所述双折射波片在一侧上具有反射面，所述波片被布置成接收来自所述波导的所述第二端部的光，并将从所述耦合器发射出的光反射回所述耦合器中，其中
所述波片还配置成使所述双折射材料旋转所述反射光的偏振，其旋转的量取决于所述双折射波片相对于所述光耦合器的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的偏振旋转器，其中，所述双折射波片相对于所述波导竖直定向，使得所述波片的平面的法线垂直于所述波导的所述第二端部，并且其中，所述偏振旋转由所述波片绕与所述双折射波片的平面垂直的轴旋转的角度来确定。
3.根据权利要求2所述的偏振旋转器，其中，当所述波片绕与所述双折射波片的平面垂直的所述轴旋转时，所述偏振旋转是可调谐的。
4.根据权利要求1所述的偏振旋转器，其中，所述双折射波片相对于所述波导横向定位，使得所述波片的平面的法线垂直于所述波导的光轴，并且通过光学元件将光从所述波导的所述相对端部引导到所述双折射波片，所述光学元件例如是镜子或第二波导，并且其中，所述偏振旋转由所述波片绕与所述双折射波片的平面垂直的轴旋转的角度来确定。
5.根据权利要求4所述的偏振旋转器，其中，当所述波片绕与所述双折射波片的平面垂直的所述轴旋转时，所述偏振旋转是可调谐的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的偏振旋转器，其中，从所述波导的所述第二端部发射出的光通过布置在所述耦合器与所述波片之间的至少一个其他波导耦合回所述耦合器中。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的偏振旋转器，其中，与所述双折射波片的平面垂直的轴垂直于所述波片的光轴。
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