CN1708707A

CN1708707A - 波长不敏感的集成偏振光学分束器

Info

Publication number: CN1708707A
Application number: CN 200380102378
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·R.·沃兹
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2003-10-30
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: CN100356213C

Abstract

一种集成偏振光学分束器(2)，包括一对波导管元件，其中第一波导管元件(10)为水平取向，第二波导管元件(12)为垂直取向且由多个波导管核心层构成。第一和第二波导管元件在结构的一端交叉或近乎交叉，在结构的另一端分离，在其间进行的转变是绝热的。该波导管元件被配置用于接收既具有TE分量又具有TM分量的光信号。TE分量沿着水平取向的波导元件(10)传播，而TM分量沿着垂直取向的波导管元件(12)传播。

Description

波长不敏感的集成偏振光学分束器

优先权信息

本申请请求来自2002年10月30日申请的临时申请No.60/422,413和2003年6月16日申请的60/478,767的优先权，在此对其全文引用作为参考。

技术领域

本发明涉及集成偏振光学分束器领域，更特别涉及一种基于水平和垂直取向的波导管的交叉或近似交叉的集成偏振光学分束器。

随着光纤通信渐渐流行，对更复杂的光信号处理的需求持续增长。因为集成光学设备使很多光学功能集成在一片芯片上，所以集成光学方法将有希望满足对更复杂的光学信号处理的需求。但是，为了提高功能性和减低每功能成本，必须增加芯片上元件的密度。

对于指定波长，电介质波导管中对一种模的限制是由核心和包层指数之间的对比决定的，对比越大，限制越紧。限制越紧的后果是能够将波导管更紧的组合在一起，在没有大的辐射损耗的情况下引导光绕过更急的转弯。因为这是影响设备密度的两个最关键参数，所以通常可以认为，指数对比越高，设备密度越大。但是，随着指数对比增高，在波导管中传播的横向电(TE)模和横向磁(TM)模开始显示出不同的特性。虽然在正方形波导管的直截面中，TE和TM模以相同的速度传播，但在弯管中TE和TM模以大不相同的速度传播。另外，当一对正方形高系数对比(HIC)的导管耦合在一起时，TE和TM模趋向于以不同的速度耦合。因为大多数集成光学元件对传播速度和导管到导管的耦合都敏感，所以这些影响导致性能与偏振相关，结果是与电信应用中使用的标准单模光纤发出的随机偏振状态不兼容。

一种补偿这些影响的方式是使用一种矩形波导管几何形状，并改变导管的纵横比来补偿在绕过弯管的传播中的自然差异和/或使导管到导管的耦合均衡。但是，虽然对于特定设备可以以这种方式补偿这些影响中的一种或另一种，但是随着系数对比的增高，如果不能以一种应用于于芯片上所有器件的方式同时补偿，将会变得困难。

另一种克服HIC集成光学器件偏振敏感的方法是用一个偏振分束器(PBS)分离单模(SM)光纤发出的随机输入偏振、将输出耦合到保偏(PM)光纤、将这些PM光纤中的一个扭转90°并将这两条光纤耦合到集成光学芯片上的分离路径。在这些路径的每一个上都使用相同的结构来独立地处理两个分量。在输出处，通过耦合到另一对PM光纤、将以前没有扭转的路径的PM光纤扭转并将两条光纤耦合到另一个具有一个SM输出的PBS，从而将这些分量重新组合。虽然这样一种通常称作“偏振分集”方案的方法是可行的，但是当用大量光学器件实现时，它也是笨重的。对准PM光纤是困难而且昂贵的。另外，为了保持信号完整性，路径长度必须匹配到一个位长的至少十分之一之内(即，假定系数为1.5，对于10Gb/s信号是～2mm，对于40Gb/s信号是～0.5mm)。

一种更好的方法是将PBS的分离功能和扭转的PM光纤的旋转功能集成到集成光学芯片上。这样作将会消除对对准PM光纤的需要，而且通过光刻法可以轻松的匹配路径长度。

已经提出了几种集成偏振光学分束器和旋转器(或转换器)。但是所提出的大多数设备至今依赖于一对波导管模的耦合。基于耦合模的设备一般呈现出一种波长敏感性，这是由结构中传播的超模的偏移差异引起的。此外，这种方法对制造误差非常敏感。即使是波导管几何形状或距离中的轻微变化都会显著影响到设备性能。

一个更好的构造偏振分束器或旋转器的方法是利用模演变(mode evolution)的原理。通过对波导管几何形状进行逐渐(或绝热)改变，可以规定导管中的模，并且分离或旋转偏振态。这样一种方法只要求模不交换功率，这可以通过波导管的正确设计和结构的缓慢演变来保证。因为防止模耦合是一个相对宽松的要求，所以基于模演变的设备倾向于是波长不敏感和制造容忍的。已经提出和说明了可以构造一种基于模演变的偏振分束器，但是这种方法的缺点是需要多种波导管材料。

概括的讲，本发明的目的是使用一种基于模演变原理的集成光学设备分离偏振态。

本发明的另一个目的是当设备反过来运行时可以用作一个偏振合束器。

本发明的又一个目的是使设备是波长不敏感的、容忍制造误差的，并且只要求构造一个单一材料系统。

通过下面的详细描述和附图，本发明的这些和其它目标对于那些熟悉该行技术的人将会变得显而易见。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种集成偏振光学分束器。该偏振分束器包括一个输入具有TE和TM分量的光信号的输入波导管元件。一个包括多个核心层的垂直取向波导管元件耦合到该输入波导管元件并传播光信号的TM分量。一个水平取向波导管元件耦合到该输入波导管元件并传播光信号的TE分量。

根据本发明的另一个方面，提供了一种构造集成偏振光学分束器的方法。该方法包括提供一个输入具有TE和TM分量的光学信号的输入波导管元件。此外，该方法包括构造一个耦合到输入波导管元件并传播光信号TM分量的垂直取向波导管元件。该垂直取向波导管元件包括多个核心层。此外，该方法还包括构造一个耦合到输入波导管元件并传播光信号TE分量的水平取向波导管元件。

根据本发明的另一个方面，提供了一种集成偏振光学分束器。该集成偏振光学分束器包括一对波导管元件，第一波导管元件为水平取向，第二波导管元件为垂直取向且包括多个波导管核心层。第一和第二波导管元件在结构的一端交叉或几乎交叉，且在结构的另一端分离，因此完成的转变是绝热的。波导管元件接收即具有TE分量又具有TM分量的光信号。TE分量沿着水平取向波导管元件传播，TM分量沿着垂直取向波导管元件传播。

附图说明

图1是根据本发明的一种偏振分束器的示意图；

图2A-2B是在图1中显示的偏振分束器中传播的TE和TM场的模散射计算的示意图；以及

图3A-3B是说明图1中显示的偏振分束器性能的图；以及

图4A-4C是使用了三个核心层、在垂直和水平取向波导管元件的中间核心层之间有一个间隙的偏振分束器的示意图；以及

图5是一种只使用了两个核心层、在垂直和水平取向波导管元件的中间核心层之间有一个间隙的偏振分束器的示意图；以及

图6A-6B是说明图5中显示的偏振分束器性能的图；以及

图7A-7B是使用了两个核心层、交替的转变区到结构中的偏振分束器的示意图。

具体实施方式

本发明的偏振分束器是通过一对波导管的交叉或几乎交叉来构造的。波导管最接近的区域是分束器输入，波导管分离最大的区域是分束器输出。对于要有效分离偏振态的设备，设备输入端组合结构的基TE(或准TE)模必须演变成导管之一的、标识为TE导管的基本模态，而基TM(或准TM)模演变成另一个导管的、标识为TM导管的基本模态。为了实现此，TM导管的TM模必须比TE导管的TM模被更加有力地引导(具有更高的有效折射率)。同样，TE导管的TE模必须比TM导管的TM模被更加有力地引导。

波导管的演变起到一种对模结构的扰动作用，促使系统中模之间的耦合，演变越快，耦合越强。为了确保结构起到一个偏振分束器的作用，必须禁止系统中基本模态之中以及基本模态与其它模之间的耦合。结构中模的全频谱包括TE和TM基导模、非导(或辐射)模和表现为水平取向和垂直取向的截面分离的二次TE和TM导模。非导模以远远大于基本模态的速度传播。因此，当转变足够弱时，模有机会在大量功率交换发生之前将相位后移。因此，通过使转变缓慢(或绝热)，能够大大降低基本模态和辐射模之间的功率交换。通过确保二次模也以非常高的速度传播，同样能够禁止基本模态和二次导模之间的耦合。通过用一对正交定向的主轴从一对导管构造该结构可以实现这一点。在电磁学含义上，主轴由波导管基本模态的电场偏振限定。对于一个矩形埋入波导管，主轴是沿着规定矩形的两个尺寸中较长的那个。在本描述中，当定义波导管的一个方向时，要参照波导管的主轴。例如，语句“垂直取向波导管截面”是要表示一个主轴是垂直的，即与波导器件的一个主平面(例如基底表面)是垂直的波导管截面，而语句“水平取向波导管截面”是表示一个主轴是水平的，即与波导器件的一个主平面(例如基底表面)是平行的波导管截面。

最后，通过进一步确保基本模态以不同的速度传播和/或通过定位导管以便禁止通过模对称性耦合，能够防止基本模态之间的耦合。

作为最后一个通用性，要重点提到的是，一个作为有效的偏振分束器的设备，按照可逆性原理，当反向工作时将作为一个有效的偏振合束器。

设备的实际实现典型地要求要通过微型制造技术来构造，这通常要求通过一种利用按光刻法限定的特性的分层处理来构造结构。因此希望以尽可能少的层来构造该结构。这里，一个层定义为一个通过波导管横截面的水平薄片，它在垂直取向上的折射率没有变化。

构造本发明的偏振分束器的光学波导管典型地是由不同折射率的介质材料构造的。通常，折射率较高的材料被认为是核心材料，而折射率较低的材料被认为是包层材料。明确的讲，这里包层材料定义为一层内折射率最低的材料。因此层内的其它所有材料都是核心材料。一个核心层定义为一个包含一种核心材料的层。

对作为一个偏振分束器操作的结构的基本要求非常宽松，主要的要求是该结构由一对正交波取向的导管的交叉或接近交叉而构造，因此将正交取向的模分成各个正交取向的波导管截面。下面描述了几种可能的几何形状。

图1是根据本发明的偏振分束器2的示意图。分束器2开始是一对正交取向的矩形波导管14，它们中心交叉，然后逐渐分开成一对矩形波导管10、12，一个具有水平取向10，另一个具有垂直取向12，最后相距s，如图1所示。一个折射率低于核心层的包层典型地环绕核心层以提供光限制。图1中的偏振分束器使用中心交叉的波导管来禁止基导模之中的耦合。因此，该结构将典型需要最少三个核心层4、6和8，高度为h₁、h₂和h₃，其中h₁和h₃优选是设计成相等。水平取向波导管10的宽度为w₂，高度为h₂，垂直取向波导管12宽度为w₁，高度是h₁、h₂和h₃之和。在偏振分束器的输入，只存在两种导模(guidedmode)，一个TE基本模态和一个TM基本模态。在水平取向和垂直取向截面间隔大的地方，TE基本模态几乎完全限制到水平取向截面，TM基本模态限制到垂直取向截面。因此，基本模态的自然演变导致TE和TM分量的分离。

要重点提到的是，所描述的实施方案的很多变化是可能的。波导管在几何形状上不需要是矩形的，核心层不需要具有相同的折射率或几何形状。

图2A-2B是在图1的偏振分束器中传播的TE和TM场的模散射仿真的示意图。模散射技术利用在沿着该结构长度的每个横截面处的局部模之间的重叠，并在横截面之间传播场。因为典型地使用一个简化了的模集合来使计算时间最小化，所以模散射仿真只在需要用每波导管截面几个模来表示系统的时候是特别有用的建模工具。因为辐射模不会实质影响基于模演变的方法的运行，所以模散射技术非常适合于这些问题。在进行这些仿真所使用的实施方案中，核心折射率是2.2，包层折射率是1.445。水平取向和垂直取向波导管核心的尺寸分别是0.25×0.75μm和0.75×0.25μm，表示一个层的厚度为0.25μm。分束器的长度是30μm，并且在设备输出处分开水平取向矩形波导管22和垂直取向矩形波导管20的距离是1μm。但是，在其它实施方案中可以使用其它尺寸。

图2A显示了分束器2中传播的TE场。特别是，TE场在水平取向矩形波导管22而不在垂直取向矩形波导管20中传播。

图2B显示了分束器中传播的TM场。特别是，TM场在垂直取向矩形波导管20而不在水平取向矩形波导管22中传播。因此，图2A-2B说明了分束器分离一个随机偏振输入信号的TE和TM分量的能力。

图3A-3B分别是模散射和全三维有限差分时域法(FDTD)仿真图，说明了图1中偏振分束器的性能。这里也是核心折射率是2.2，包层折射率是1.445。波导管核心的尺寸分别是0.25×0.75μm和0.75×0.25μm，表示一个层的厚度为0.25μm。波导管元件在输出处分开距离s＝1μm。图3A显示了对于TE和TM模，本发明的偏振分束器的长度和归一化输出模功率之间的相互关系。特别是，图3A显示，对于大于25μm的长度，归一化输出模功率对于TE₁₁(基TE)模和TM₁₁(基TM)模都是接近于1，在整个1.45μm到1.65μm波段上串扰(TE₁₁到TE₂₁和TM₁₁到TM₂₁耦合)非常小。本发明的分束器的性能随着转变变得更为绝热而提高。

图3B使用全三维FDTD仿真说明设备(从1.45μm到1.65μm)的波长不敏感特性，该波长包括电信波长。FDTD方法是Maxwell等式的一种数学实现，只有那些由网格离散化引起的误差。与模散射技术相比，考虑了系统的所有模。对于该仿真，设备长度是25μm。在这个范围内，归一化输出模功率对于TE₁₁模和TM₁₁模都是接近于1，在整个1.45μm到1.65μm波段上串扰(TE₁₁到TE₂₁和TM₁₁到TM₂₁耦合)非常小。这表明发明的分束器设备在电信波长域内没有任何明显的波长敏感性。

图4A-4C是偏振分束器100、102和104的简图，其中垂直取向波导管106、108和110与水平取向波导管112、114和116没有一个交叉点。虽然在理论上，图1中显示的设备的性能是近乎理想的，但是当制造时，在两个波导管交叉的区域可能会发生一些圆化(rounding)。这种圆化只发生在中间层118、120和122中，是光刻法分辨率有限的结果。

但是，因为这会在图1的波导管10和12中产生一个相当的阶跃结，所以对性能的影响会很大。因此希望去掉交叉点。这可以通过使垂直取向波导管106、108和110的中间层118、120和122与水平取向波导管112、114和116分开一个小间隙s₁来实现。只要间隙s₁大于光刻系统的分辨率界限，就会消除制造误差。请注意，垂直取向波导管106、108和110与水平取向波导管112、114和116的尺寸类似于那些关于图1中垂直取向波导管12和水平取向波导管10描述的尺寸。请注意，垂直取向波导管106、108和110与水平取向波导管112、114和116分开距离s₂。

图4A-4C说明了用于转变到本发明的、在中间层118、120和122之间有一个间隙的偏振分束器的多种方式中的几种。特别是，图4A使垂直取向波导管106逐渐变细，以将输入模态绝热转变到偏振分束器中。在图4B中，构成垂直取向波导管108的层130、120和134中的各个核心件分离且绝热地到达水平取向波导管114附近，以便确保在水平取向波导管114中产生TE和TM基本模态。最后，在图4C中，宽度减小的垂直取向波导管110到达水平取向波导管116附近，随后逐渐变细成全宽结构，再次确保在输入水平取向波导管116中产生基本模态。

所有这些方法都依据相同的原理工作。输入波导管的模必须在本发明的偏振分束器中绝热转变，其中正交取向的波导管相互接近。这些方法典型地依赖于使用的制造技术。这些几何形状只表示了耦合本发明的偏振分束器的很多可能方式中的几种。波导管截面在几何形状上不需要是矩形的，核心层不需要具有相同的折射率或几何形状。

图5显示了一种只需要制造两个核心层60、62的偏振分束器54。在该实施方案中，垂直取向波导管58和水平取向波导管56不再是中央交叉的。因此TE和TM基本模态彼此耦合。但是，通过确保基本模态以不同的速度传播并有机会在实质功率交换发生之前将相位移后，可以再次减轻这个耦合。这是通过使水平取向波导管56和垂直取向波导管58具有不同的尺寸来达到的。设备的性能不受层的顺序(即，哪一层在上方)影响。请注意，两个核心层60、62的长度是h₁、h₂。该结构还在正交取向的波导管之间于输出处留出一个间隙s₁以便于制造。在输出处，垂直取向波导管58和水平取向波导管56相隔距离s₂。此外，水平波导管56的宽度是w₂，高度是h₂，垂直波导管58的宽度是w₁，高度是h₁和h₂之和。

重点提到的是，所描述实施方案的很多变化是可能的。波导管截面在几何形状上不需要是矩形的，核心层不需要具有相同的折射率或几何形状。

图6A-6B分别是图5中显示的设备性能的模散射和FDTD仿真图。在该特别实施方案中，核心折射率是2.2，包层折射率是1.445。对于垂直取向和水平取向波导管，层厚度各是0.4μm，导管宽度分别是0.35μm和0.8μm。导管的输入和输出间隔分别选定是s₁＝0.25μm和s₂＝1.0μm。

特别是，图6A显示在1.55μm波长时，图5中显示的设备性能是设备长度的函数。该图显示对于超过150μm的长度，这个两层的偏振分束器的性能是近乎理想的。图6B说明对于143μm的设备长度，图5中显示的设备性能是波长的函数。图6B显示设备基本上是波长不敏感的，在整个1.45μm到1.65μm范围上串扰(TE₁₁到TE₂₁和TM₁₁到TM₂₁耦合)非常小。

图7A-7B说明了用于转变到本发明的、在中间层82、84中的导管之间有一个间隙s₁的两层偏振分束器的很多方式中的两种。这些方法与三层设备中采用的那些方法类似。在图7A中，一个宽度减少的垂直取向波导管68到达水平取向波导管66附近，随后逐渐变细为全宽结构。在图7B中，构成垂直取向波导管76的各个层72、74分离并绝热地到达水平取向波导管80附近。此外，这些方法关于制造都各有优点和缺点，但都依据相同的原理工作。必须通过将正交取向的波导管逐渐靠近，而将输入波导管的模绝热地转变到本发明的偏振分束器中。这些方法典型地依赖于使用的制造技术。这些几何形状只表示耦合到本发明的偏振波导管的众多可能方式中的几种。波导管截面在几何形状上不需要是矩形的，核心层不需要具有相同的折射率或几何形状。

重要的是，互逆性原理确保前面提到的所有实施方案当反向工作时都可以起到偏振合束器的作用。

虽然已经关于本发明的几个优选实施方案对其进行了显示和描述，但是在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对其形式和细节进行各种改变、省略和添加。

Claims

1、一种集成偏振光学分束器，包括：

输入波导管元件，其输入一个具有TE和TM分量的光信号；

耦合到所述输入波导管元件的垂直取向波导管元件，其传播所述光信号的TM分量，所述垂直取向波导管元件包括多个核心层；以及

耦合到所述输入波导管元件的水平取向波导管元件，其传播所述光信号的TE分量。

2、如权利要求1的集成偏振光学分束器，其中，所述垂直取向波导管元件和所述水平取向波导管元件在垂直取向和水平取向波导管截面分离之前交叉或几乎交叉。

3、如权利要求1的集成偏振光学分束器，其中，所述核心层包括两个核心层。

4、如权利要求1的集成偏振光学分束器，其中，所述核心层包括三个核心层。

5、一种制造集成偏振光学分束器的方法，该方法包括：

提供一个输入波导管元件，其输入具有TE和TM分量的光信号；以及

构造一个耦合到所述输入波导管元件、用于传播所述光信号TM分量的垂直取向波导管元件，所述垂直取向波导管元件包括多个核心层；以及

构造一个耦合到所述输入波导管元件、用于传播所述光信号的TE分量的水平取向波导管元件。

6、如权利要求5的方法，其中，所述垂直取向波导管元件和所述水平取向波导管元件在垂直取向和水平取向分量分离之前交叉或几乎交叉。

7、如权利要求5的方法，其中，所述核心层包括两层。

8、如权利要求5的方法，其中，所述核心层包括三层。

9、一种光学波导管分束器，包括：

一对波导管元件，第一波导管元件为水平取向，第二波导管为垂直取向并由多个波导管核心层构成，其中，所述第一和第二波导管元件在结构的一端交叉或近乎交叉，并且在该结构的另一端分离，在其中进行的转变是绝热的；

所述波导管元件接收既具有TE分量又具有TM分量的光信号，其中，所述TE分量沿着水平取向波导元件传播，并且所述TM分量沿着垂直取向波导管传播。