CN114815324B - 一种基于硅基相变材料的偏振调控装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种基于硅基相变材料的偏振调控装置，光学系统技术领域。该偏振调控装置包括偏振旋转分束器、光分束器组件、移相器组件和偏振旋转合束器；偏振旋转分束器的输入端连接输入光纤；第一光分束器的输入端连接偏振旋转分束器的输出端，第一光分束器的第一输出端连接第一移相器、第一光分束器的第二输出端连接第二移相器；第二光分束器的输入端分别连接第一移相器、第二移相器，第二光分束器的第一输出端连接第三移相器、第二光分束器的第二输出端连接第四移相器；偏振旋转合束器的输入端分别连接第三移相器、第四移相器。该偏振调控装置可以实现与输入无关的基于硅波导的任意偏振光产生的技术效果。

Description

一种基于硅基相变材料的偏振调控装置
技术领域
本申请涉及光学系统技术领域，具体而言，涉及一种基于硅基相变材料的偏振调控装置。
背景技术
目前，随着互联网、物联网、高清视频业务的飞速发展，骨干网总数据流量每年以40%-60%的比例迅速增长，对于通信系统提出更高的要求；经过十几年的发展，人们逐渐意识到，硅基光电子集成器件已成为下一代光互连的关键性技术之一。然而，随着集成度的增加和器件尺寸的减小，硅波导的双折射效应越来越强，使得同样的硅基器件对不同偏振态的信号响应相差较大。另一方面，光信号一般是通过端面耦合或者光栅耦合器的方式从光纤进入片上集成器件进行处理，由于光纤本身容易受外力影响发生形变，光纤中传输的信号光偏振状态也随之不断变化，这二者使得偏振带来的功率损耗大的问题更为突出。目前，人们主要通过两种思路来降低硅基集成器件对信号光偏振态的影响，其一，设计偏振无关器件，比如将波导端面设计成对称的正方形，使其对任意偏振态都有相同的表现。然而现有的低损耗硅波导器件一般由商用绝缘衬底硅（SOI，Silicon-On-Insulator）片刻蚀得到，硅层厚度为220nm，倘若波导端面加工成正方形，220nm宽度不能支持光的单模传输，而且正完全对称结构对加工要求更苛刻。其二，利用偏振分集的方式，即先将入射偏振态分解到当前尺寸下硅波导支持的偏振态上，分别进行处理，后借助光路的可逆性，使用互易的结构将两个偏振信号合束进行输出，这涉及到片上偏振旋转、偏振分束、偏振合束的结构。
除此之外，偏振调制主要涉及到强度调制和相位调制两个方面。在硅波导中，实现强度调制需借助马赫曾德干涉结构（MZI，Mach-Zehnder interferometer），在MZI两臂引入相位差φ，使得MZI输出端两臂的光信号发生相干，干涉相长或相消，输出光强随相移φ发生变化；相位调制则更为直接，在上下两路光信号直接引入相位差即可并不涉及干涉结构。二者共同特征是都需要光学移相器。传统的硅基光子平台借助热光效应或自由载流子扩散效应可以实现硅波导有效模式折射率的改变，进而实现光学相移。但热光移相器速度慢且耗电，基于自由载流子扩散的掺杂型移相器可以显著降低功耗，将调制速率提高到GHz量级，但该类型移相器带来的折射率改变量较小，实现π相移需要毫米量级的尺寸，不利于高密度集成。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种基于硅基相变材料的偏振调控装置，可以实现与输入无关的基于硅波导的任意偏振光产生的技术效果。
本申请实施例提供了一种基于硅基相变材料的偏振调控装置，包括偏振旋转分束器、光分束器组件、移相器组件和偏振旋转合束器；
所述偏振旋转分束器的输入端连接输入光纤；
所述光分束器组件包括第一光分束器和第二光分束器，所述移相器组件包括第一移相器、第二移相器、第三移相器和第四移相器，所述第一移相器、所述第二移相器、所述第三移相器、所述第四移相器均为硅基相变材料的光学移相器，所述第一光分束器的输入端连接所述偏振旋转分束器的输出端，所述第一光分束器的第一输出端连接所述第一移相器、所述第一光分束器的第二输出端连接所述第二移相器；
所述第二光分束器的输入端分别连接所述第一移相器、所述第二移相器，所述第二光分束器的第一输出端连接所述第三移相器、所述第二光分束器的第二输出端连接所述第四移相器；
所述偏振旋转合束器的输入端分别连接所述第三移相器、所述第四移相器。
在上述实现过程中，该偏振调控装置中由输入光纤输入的光信号，依次经过偏振旋转分束器、第一光分束器、第一移相器、第二移相器、第二光分束器、第三移相器、第四移相器和偏振旋转合束器的处理，且第一移相器、第二移相器、第三移相器、第四移相器均为硅基相变材料的光学移相器，从而实现了与输入无关的基于硅波导的任意偏振态的调制，可以在小尺寸、低损耗前提下实现任意偏振态的产生；其中，硅基相变材料的光学移相器可以使偏振调控装置的尺寸大大缩小，有利于大规模集成；从而，该基于硅基相变材料的偏振调控装置可以实现与输入无关的任意偏振光产生的技术效果。
进一步地，所述输入光纤传输正交偏振的两束光信号，所述偏振旋转分束器将所述输入光纤中的两束光信号转换成预设模式的两束光信号，所述预设模式的两束光信号分别传输至所述第一光分束器的输入端，所述预设模式的两束光信号的强度相同、相位相同。
进一步地，所述第一光分束器将所述预设模式的两束光信号进行合束，将合束后的光信号按照均分功率分别从所述第一光分束器的第一输出端、第二输出端输出。
在上述实现过程中，第一光分束器将输入的预设模式两路光信号进行干涉、合束，保持偏振态不变，按照50：50功率从上下两路输出，输出的两路光信号相同。
进一步地，所述第二光分束器将所述第一移相器传输的光信号和所述第二移相器传输的光信号进行合束，将合束后的光信号按照均分功率分别从所述第二光分束器的第一输出端、第二输出端输出。
进一步地，所述第一光分束器为多模干涉耦合器或定向耦合器，所述第二光分束器与所述第一光分束器的结构相同。
进一步地，所述光学移相器从下往上依次为硅波导、与所述硅波导等宽的相变材料薄膜、导电薄膜，所述光学移相器的两侧分别设置一个电极，所述电极与所述导电薄膜之间形成电通路。
在上述实现过程中，相变材料薄膜与硅波导等宽，上层生长的导电薄膜与两侧电极形成微型加热器，将热量传导至相变材料薄膜，使得相变材料薄膜上的相变材料在非晶态和非晶态之间切换，使相变材料薄膜的折射率发生改变。
进一步地，所述偏振旋转分束器为单一集成器件或级联器件中的一种，所述级联器件包括硅基偏振合束器和硅基偏振旋转器。
进一步地，所述偏振旋转合束器为所述单一集成器件或所述级联器件中的一种。
进一步地，所述偏振旋转合束器与所述偏振旋转分束器为中心对称结构。
在上述实现过程中，偏振旋转分束器与偏振旋转合束器中心对称，从而通过偏振旋转合束器将经过强度调制和相位调制的两路光合束输出。
进一步地，所述光分束器组件为2×2光分束器组件。
本申请公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请公开的上述技术即可得知。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的基于硅基相变材料的偏振调控装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的偏振旋转分束器的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的光学移相器的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的相变材料薄膜处于非晶态时的光学移相器截面电场分布图；
图5为本申请实施例提供的相变材料薄膜处于晶态时的光学移相器截面电场分布图；
图6为本申请实施例提供的相变材料薄膜厚度变化对光学移相器损耗影响的关系图；
图7为本申请实施例提供的导电薄膜厚度变化对光学移相器损耗影响的关系图。
图标：偏振旋转分束器100；绝热锥形硅波导110；非对称定向耦合器120；多模干涉模式滤波器130；上输出端模式过渡锥140；下输出端模式过渡锥150；光分束器组件200；第一光分束器210；第二光分束器220；移相器组件300；硅波导301；相变材料薄膜302；导电薄膜303；电极304；第一移相器310；第二移相器320；第三移相器330；第四移相器340；偏振旋转合束器400。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分（具体的种类和构造可能相同也可能不同），并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
本申请实施例的目的在于提供一种基于硅基相变材料的偏振调控装置，可以应用于光信号的偏振调制过程中；该偏振调控装置中由输入光纤输入的光信号，依次经过偏振旋转分束器、第一光分束器、第一移相器、第二移相器、第二光分束器、第三移相器、第四移相器和偏振旋转合束器的处理，且第一移相器、第二移相器、第三移相器、第四移相器均为硅基相变材料的光学移相器，从而实现了与输入无关的基于硅波导的任意偏振态的调制，可以在小尺寸、低损耗前提下实现任意偏振态的产生；其中，硅基相变材料的光学移相器可以使偏振调控装置的尺寸大大缩小，有利于大规模集成；从而，该基于硅基相变材料的偏振调控装置可以实现与输入无关的任意偏振光产生的技术效果。
请参见图1，图1为本申请实施例提供的基于硅基相变材料的偏振调控装置的结构示意图，该基于硅基相变材料的偏振调控装置包括偏振旋转分束器100、光分束器组件200、移相器组件300和偏振旋转合束器400。
示例性地，偏振旋转分束器100的输入端连接输入光纤。
示例性地，输入光纤内传输正交偏振的两束光信号给偏振旋转分束器100；可选地，偏振旋转分束器100将输入光纤中正交偏振的两束光信号转换为相位相同、强度相同的TE 0模式。
示例性地，光分束器组件200包括第一光分束器210和第二光分束器220，移相器组件300包括第一移相器310、第二移相器320、第三移相器和第四移相器340，第一移相器310、第二移相器320、第三移相器330、第四移相器340均为硅基相变材料的光学移相器，第一光分束器210的输入端连接偏振旋转分束器100的输出端，第一光分束器210的第一输出端连接第一移相器310、第一光分束器210的第二输出端连接第二移相器320。
示例性地，第二光分束器220的输入端分别连接第一移相器310、第二移相器320，第二光分束器220的第一输出端连接第三移相器330、第二光分束器220的第二输出端连接第四移相器340。
示例性地，第一光分束器210，将偏振旋转分束器100的两束光信号合束后再进行功率均分，即按50：50功率从第一光分束器210的两个输出端（第一输出端和第二输出端）输出，其中一路光信号经过第一移相器310，另外一路光信号经过第二移相器320。
示例性地，第一移相器310，为相变材料移相器，通过外加电脉冲将该路的光信号进行θ度相移；第二移相器320，与第一移相器310具有相同结构，不进行相位调制，以消除移相器本身产生的相位差。
示例性地，第二光分束器220，将经过第一移相器310和第二移相器320移相后的两路光信号合束后再进行功率均分，即按50：50的功率进行分束；第三移相器330、第四移相器340，与第一移相器310具有相同结构，第二光分束器220输出的两路光光信号，一路经第三移相器330在外加电脉冲作用下产生φ相移，另外一路经第四移相器340，不加电脉冲因而不产生额外相移。
示例性地，偏振旋转合束器400的输入端分别连接第三移相器330、第四移相器340。
示例性地，偏振旋转合束器400，将经过第四移相器340的光先旋转后与经过第三移相器330的光进行合束并输出；通过上述方式，实现与输入无关的基于硅波导的任意偏振态的调制。
在一些实施方式中，除了偏振旋转分束器100和偏振旋转合束器400之外，其余结构（光分束器组件200和移相器组件300）均为TE 0单模传输波导。
在一些实施方式中，该偏振调控装置中由输入光纤输入的光信号，依次经过偏振旋转分束器100、第一光分束器210、第一移相器310、第二移相器320、第二光分束器220、第三移相器330、第四移相器340和偏振旋转合束器400的处理，且第一移相器310、第二移相器320、第三移相器330、第四移相器340均为硅基相变材料的光学移相器，从而实现了与输入无关的基于硅波导的任意偏振态的调制，硅基相变材料的光学移相器可以使偏振调控装置的尺寸大大缩小，有利于大规模集成；从而，该基于硅基相变材料的偏振调控装置可以实现与输入无关的任意偏振光产生的技术效果。
请参见图2，图2为本申请实施例提供的偏振旋转分束器的结构示意图。
示例性地，本申请实施例中偏振旋转分束器100包括绝热锥形硅波导110、非对称定向耦合器120、多模干涉模式滤波器130、上输出端模式过渡锥140、下输出端模式过渡锥150。可选地，偏振旋转分束器100的输入端宽500nm，高220nm，为单模传输硅波导；绝热锥形硅波导110保证TE 0模式稳定传输，而TM 0模式演化为TE 1模式；非对称定向耦合器120则使TE 0模式继续沿下面波导传输不发生耦合，TE 1模式发生耦合进入上方波导，同时模式转变为TE 0模式沿上方波导传输；多模干涉模式滤波器130主要是使TE 0模式以较低损耗通过而未耦合的TE 1模式在此以较高的消光比发生截断。上输出端模式过渡锥140和下输出端模式过渡锥150是为了匹配偏振旋转分束器100输出端波导尺寸与后续器件输入端波导尺寸。
示例性地，本申请实施例中预设模式可以是TM 0模式。
示例性地，输入光纤传输正交偏振的两束光信号，偏振旋转分束器100将输入光纤中的两束光信号转换成预设模式的两束光信号，预设模式的两束光信号分别传输至第一光分束器210的输入端，预设模式的两束光信号的强度相同、相位相同。
示例性地，第一光分束器210将预设模式的两束光信号进行合束，将合束后的光信号按照均分功率分别从第一光分束器210的第一输出端、第二输出端输出。
示例性地，第一光分束器210将输入的预设模式两路光信号进行干涉、合束，保持偏振态不变，按照50：50功率从上下两路输出，输出的两路光信号相同。
示例性地，第二光分束器220将第一移相器310传输的光信号和第二移相器320传输的光信号进行合束，将合束后的光信号按照均分功率分别从第二光分束器220的第一输出端、第二输出端输出。
示例性地，第一光分束器为多模干涉耦合器或定向耦合器，第二光分束器与第一光分束器的结构相同。
请参见图3，图3为本申请实施例提供的光学移相器的结构示意图。
示例性地，光学移相器从下往上依次为硅波导301、与硅波导301等宽的相变材料薄膜302、导电薄膜303，光学移相器的两侧分别设置一个电极304，电极304与导电薄膜303之间形成电通路。
在一些实施方式中，电极304为金电极；导电薄膜303可以是氧化铟锡薄膜或石墨烯薄膜；相变材料薄膜302可以是Sb 2 Se 3薄膜。
示例性地，相变材料薄膜302与硅波导301等宽，上层生长的导电薄膜303与两侧电极304形成微型加热器；将热量传导至相变材料薄膜302，使得相变材料薄膜302上的相变材料在非晶态和非晶态之间切换，使相变材料薄膜302的折射率发生改变。
示例性地，偏振旋转分束器100为单一集成器件或级联器件中的一种，级联器件包括硅基偏振合束器和硅基偏振旋转器。
示例性地，偏振旋转合束器400为单一集成器件或级联器件中的一种。
示例性地，偏振旋转合束器400与偏振旋转分束器100为中心对称结构。
示例性地，偏振旋转分束器100与偏振旋转合束器400中心对称，从而通过偏振旋转合束器400将经过强度调制和相位调制的两路光合束输出。
可选地，经过第三移相器330的TE 0模式的光信号直接输出，经过第四移相器的TE 0模式的光信号先旋转为TM 0模式再合束输出。
示例性地，光分束器组件200为2×2光分束器组件。
示例性地，移相器组件300采用硅基相变材料的光学移相器，其中光学移相器的相变材料薄膜302可以是SB 2 S 3相变材料薄膜，由于其晶态-非晶态折射率实部差异较大、虚部差异较小的特点，可将之应用于硅基光子平台加工出小尺寸、低损耗的功能器件。
示例性地，根据电极304接收到的电脉冲信号，受制于焦耳定律，由于导电薄膜303（氧化铟锡或石墨烯材料）本身存在一定的电导率，电流流经导电薄膜303产生热量、并将热量传导至相变材料薄膜302，使得相变材料薄膜302上的相变材料在非晶态和非晶态之间切换，使相变材料薄膜302的折射率发生改变。具体地，对于相变材料薄膜302，由非晶态到晶态的触发需要多个3V左右的低电压长脉冲累计激发，使其温度达到结晶温度，而晶态到非晶态的转变只需一个相对而言的高电压（6
Figure F_220623131940440_440576001
10V）短脉冲使其升温到融化温度后快速退火，两个过程脉冲宽度均为纳秒量级，通过控制电脉冲电压和脉冲宽度，相变材料薄膜302将处于晶态、非晶态或中间任一状态，从而可控制折射率连续变化。第一光分束器210的第一输出端输出的光信号经第一移相器310可以实现θ的相移（0≤θ≤2π），后进入第二光分束器220。
示例性地，第二移相器320与第一移相器310具有相同的结构, 第二移相器320的电极307不外接电压源；因此，第一光分束器210的第二输出端输出的光信号经第二移相器320，除移相器本身带来光程差的变化外不额外产生相移，后进入第二光分束器220。
示例性地，第二光分束器220与第一光分束器210的结构相同，其作用是将第一移相器310、第二移相器320的两路光信号合束后按照50：50的功率输出，保持偏振态不变。因两路光信号经过第一移相器310、第二移相器320时进行了移相处理，二者存在θ的相位差，因此在第二光分束器220合束过程中会发生干涉，干涉相长或相消，光强发生变化，故所述第一光分束器210、第一移相器310、第二移相器320、第二光分束器220实际上构成强度调制器。
示例性地，第三移相器330与第一移相器310的结构相同，经第二光分束器220的第一输出端输出的光信号通过第三移相器330时，在外加电脉冲的控制下实现φ的相移（0≤φ≤2π），后进入偏振旋转合束器400。
示例性地，第四移相器340与第一移相器310的结构相同，第四移相器340的电极不外加电压，除第四移相器340本身带来光程差的变化外不额外产生相移，后进入偏振旋转合束器400。
示例性地，偏振旋转合束器400与偏振旋转分束器100为中心对称结构。偏振旋转合束器400功能是：将经过强度调制和相位调制的两路光信号合束输出。可选地，经过第三移相器330的TE 0模式光信号直接输出，经过第四移相器的TE 0模式光信号先旋转为TM 0模式再合束输出。
可选地，上述方案中，移相器组件的结构中，相变材料可以为SB 2 S 3、Ge 2 Sb 2 Te 6、Sb 2 Se 3、Ge 2 Sb 2 Se 4 Te 6中的一种。
示例性地，若经过偏振旋转分束器100后同相位、同强度的两路光电场为E 1，经第一移相器310、第二移相器320的两路光信号产生的总相位差为θ，经第三移相器330、第四移相器340两路光产生的总相移为φ，输入偏振旋转合束器的两路光电场为E x、E y，则有：
Figure P_220623131943245_245259001
；
Figure P_220623131943276_276495001
；
Figure F_220623131940715_715486002
；
上式中，
Figure F_220623131940797_797051003
为光分束器组件200对应的琼斯矩阵，
Figure F_220623131940859_859522004
为第一移相器310、第二移相器320构成的琼斯矩阵，
Figure F_220623131940922_922034005
为第三移相器330、第四移相器340构成的琼斯矩阵。
进一步可得到：
Figure F_220623131940986_986969006
；
Figure P_220623131943307_307751001
；
用斯托克斯矢量可表示为：
Figure P_220623131943323_323394001
；
Figure P_220623131943356_356063001
；
Figure P_220623131943387_387825001
；
Figure P_220623131943403_403461001
；
即：
Figure P_220623131943434_434749001
；
且满足：
Figure P_220623131943466_466002001
；
因此，上述方案所述结构在邦加莱球上可以覆盖整个球面，亦即可以实现与输入无关的片上任意偏振态的产生。
在一些实施方式中，移相器组件使用为相变材料薄膜302为SB 2 S 3、导电薄膜303为氧化铟锡薄膜的光学移相器；受制于焦耳定律，由于氧化铟锡材料本身电导率为2×105 s m -1，电流流经氧化铟锡覆盖层产生热量传导至SB 2 S 3薄膜，使得SB 2 S 3在非晶态和非晶态之间切换，相应地，折射率发生改变。具体地，对于SB 2 S 3材料，由非晶态到晶态的触发需要多个低电压（3V左右）长脉冲累计使其温度上升到600K进行激发，而晶态到非晶态的转变只需一个相对而言的高电压（6
Figure F_220623131941065_065121007
10V）短脉冲使其升温到800K后快速退火，两个过程脉冲宽度均为纳秒量级，通过控制电脉冲电压和脉冲宽度，SB 2 S 3薄膜将处于晶态、非晶态或中间任一状态，从而可控制折射率连续变化。第一光分束器210上路输出的光经该移相器可以实现θ的相移
Figure P_220623131943497_497218002
，后进入第二光分束器220。
请参见图4和图5，图4为本申请实施例提供的相变材料薄膜处于非晶态时的光学移相器截面电场分布图；图5为本申请实施例提供的相变材料薄膜处于晶态时的光学移相器截面电场分布图；可选地，图4和图5中相变材料薄膜采用Sb 2 Se 3薄膜。
在一些实施场景中，移相器组件300中相变材料薄膜302（Sb 2 Se 3薄膜）处于非晶态、晶态电场分布如图4和图5，有效模式折射率相差0.06，这首先意味着该结构可以在硅波导301中形成良好的通路，信号传输过程中并不会被截断，其次，0.06的有效模式折射率差使得在1550nm中心波长下该移相器欲实现π相移仅需12.915um，与铌酸锂调制器几个毫米的尺寸相较而言可集成性大大提升。再者，相变过程中，波导折射率虚部k始终很小，使得移相器整体损耗变化不大。
请参加图6和图7，图6为本申请实施例提供的相变材料薄膜厚度变化对光学移相器损耗影响的关系图；图7为本申请实施例提供的导电薄膜厚度变化对光学移相器损耗影响的关系图；可选地，图6和图7中相变材料薄膜采用SB 2 S 3薄膜，导电薄膜采用氧化铟锡薄膜。
可选地，相变材料薄膜302厚度以及导电薄膜303的厚度变化对移相器整体损耗的影响仿真结果如图6和图7，本实施例中选定相变材料薄膜302厚度以及导电薄膜303的厚度均为30nm，相应相变材料薄膜302处于非晶态和晶态时的移相器损耗只有0.29dB和0.279dB。
示例性地，本申请实施例提供的基于硅基相变材料的偏振调控装置为硅基片上的偏振调控器件，至少具有如下有益效果：
（1）能实现与光信号输入无关的任一片上偏振态的产生；
（2）与传统的CMOS加工工艺兼容，且结构简单、紧凑，借助硅波导的高折射率以及相变材料薄膜晶态-非晶态的高折射率变化将器件尺寸进一步缩小，适于大规模集成。
在本申请所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本申请实施例不再多加赘述。
应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
在本申请的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应与权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于硅基相变材料的偏振调控装置，其特征在于，包括偏振旋转分束器、光分束器组件、移相器组件和偏振旋转合束器；
所述偏振旋转分束器的输入端连接输入光纤；
所述光分束器组件包括第一光分束器和第二光分束器，所述移相器组件包括第一移相器、第二移相器、第三移相器和第四移相器，所述第一移相器、所述第二移相器、所述第三移相器、所述第四移相器均为硅基相变材料的光学移相器，所述第一光分束器的输入端连接所述偏振旋转分束器的输出端，所述第一光分束器的第一输出端连接所述第一移相器、所述第一光分束器的第二输出端连接所述第二移相器；
所述第二光分束器的输入端分别连接所述第一移相器、所述第二移相器，所述第二光分束器的第一输出端连接所述第三移相器、所述第二光分束器的第二输出端连接所述第四移相器；
所述偏振旋转合束器的输入端分别连接所述第三移相器、所述第四移相器。
2.根据权利要求1所述的基于硅基相变材料的偏振调控装置，其特征在于，所述输入光纤传输正交偏振的两束光信号，所述偏振旋转分束器将所述输入光纤中的两束光信号转换成预设模式的两束光信号，所述预设模式的两束光信号分别传输至所述第一光分束器的输入端，所述预设模式的两束光信号的强度相同、相位相同。
3.根据权利要求2所述的基于硅基相变材料的偏振调控装置，其特征在于，所述第一光分束器将所述预设模式的两束光信号进行合束，将合束后的光信号按照均分功率分别从所述第一光分束器的第一输出端、第二输出端输出。
4.根据权利要求1所述的基于硅基相变材料的偏振调控装置，其特征在于，所述第二光分束器将所述第一移相器传输的光信号和所述第二移相器传输的光信号进行合束，将合束后的光信号按照均分功率分别从所述第二光分束器的第一输出端、第二输出端输出。
5.根据权利要求1所述的基于硅基相变材料的偏振调控装置，其特征在于，所述第一光分束器为多模干涉耦合器或定向耦合器，所述第二光分束器与所述第一光分束器的结构相同。
6.根据权利要求1所述的基于硅基相变材料的偏振调控装置，其特征在于，所述光学移相器从下往上依次为硅波导、与所述硅波导等宽的相变材料薄膜、导电薄膜，所述光学移相器的两侧分别设置一个电极，所述电极与所述导电薄膜之间形成电通路。
7.根据权利要求1所述的基于硅基相变材料的偏振调控装置，其特征在于，所述偏振旋转分束器为单一集成器件或级联器件中的一种，所述级联器件包括硅基偏振合束器和硅基偏振旋转器。
8.根据权利要求7所述的基于硅基相变材料的偏振调控装置，其特征在于，所述偏振旋转合束器为所述单一集成器件或所述级联器件中的一种。
9.根据权利要求8所述的基于硅基相变材料的偏振调控装置，其特征在于，所述偏振旋转合束器与所述偏振旋转分束器为中心对称结构。
10.根据权利要求1所述的基于硅基相变材料的偏振调控装置，其特征在于，所述光分束器组件为2×2光分束器组件。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115308837A (zh) * 2022-08-30 2022-11-08 浙江大学 一种基于相变材料-硅混合集成波导的片上起偏器
CN115421245B (zh) * 2022-11-03 2023-03-28 之江实验室 一种基于soi上氮化硅平台的o波段3d模式分束器
CN116149086B (zh) * 2023-04-23 2023-08-11 中山大学 一种面向片上光学矩阵计算的多阶光学调制器及调制方法
CN117096722A (zh) * 2023-09-08 2023-11-21 之江实验室 混合集成的窄线宽激光器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015176311A1 (zh) * 2014-05-23 2015-11-26 华为技术有限公司 偏振控制器件和偏振控制的方法
CN108279511A (zh) * 2017-12-28 2018-07-13 宁波大学 一种基于相变材料的电光调制器
CN109962771A (zh) * 2017-12-14 2019-07-02 科大国盾量子技术股份有限公司 硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构及其封装结构
CN112394542A (zh) * 2020-11-16 2021-02-23 浙江大学 基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器
US11092745B1 (en) * 2020-02-14 2021-08-17 Nokia Solutions & Networks Oy Polarization controller

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016134323A1 (en) * 2015-02-19 2016-08-25 Coriant Advanced Technology, LLC Integrated polarization splitter and rotator

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015176311A1 (zh) * 2014-05-23 2015-11-26 华为技术有限公司 偏振控制器件和偏振控制的方法
CN109962771A (zh) * 2017-12-14 2019-07-02 科大国盾量子技术股份有限公司 硅基单片集成量子密钥分发接收方芯片结构及其封装结构
CN108279511A (zh) * 2017-12-28 2018-07-13 宁波大学 一种基于相变材料的电光调制器
US11092745B1 (en) * 2020-02-14 2021-08-17 Nokia Solutions & Networks Oy Polarization controller
CN112394542A (zh) * 2020-11-16 2021-02-23 浙江大学 基于二维材料/相变材料/半导体的集成光相移器

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