CN1869748A - 具有马赫－曾德干涉仪结构的可集成光隔离器 - Google Patents

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Abstract

一种光隔离器，包括设置在半导体电路芯片内的第一和第二光分离－组合器。光分离－组合器由同样配置在该半导体电路芯片上的第一和第二波导区一起耦合成干涉仪结构。非互易光学相移元件设置在该半导体电路芯片内，并包含通过该非互易光学相移元件的第一波导区。该光隔离器配置成使得正向传输波通过第二光分离－组合器相长地重新组合，而反向传输波通过第二光分离－组合器相消地重新组合。

Description

具有马赫-曾德干涉仪结构的可集成光隔离器
技术领域
本发明一般涉及光隔离器，尤其但不专门涉及使用偏振移相器的可集成光隔离器。
背景技术
光通信系统可用作以电子为基础的处理系统之间的高带宽互连。在发送器一端，电信号转换为光信号，进入传输介质(例如，光纤)，然后在接收器一端转换回电信号。
许多光子器件可在发送器侧和接收器侧之间与传输介质耦合，用于以多种方式处理光信号，例如聚焦、中继/放大、光路选择、分离、编码/加密等等。由于光波通过传输介质或光子器件的传播通常是双向的(即，光波能够以正向或反向传播)，这些光子器件由于例如在这些光子器件分界面处的折射率失配而可能引起反向传播反射。如果不阻止，这些反向传播反射可能会干扰光通信系统的工作。进入发送器侧的激光源的反向传播反射可能会干涉激光源谐振腔内的激励发射，并因此引起限制光通信系统运行的干扰噪声。
光隔离器通常同轴地插入在激光源和传输介质之间，以阻止反向传播反射进入谐振腔。目前，光隔离器是经由光纤与光源输出端耦合的独立器件。已知的独立光隔离器包括分立的、非集成的元件，例如偏振器和双折射晶体旋转器。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种光隔离器，包括：第一和第二光分离-组合器，设置在半导体电路芯片内；第一和第二波导区，设置在半导体电路芯片内，在干涉仪结构内与第一和第二光分离-组合器耦合；以及非互易光学相移元件，设置在半导体电路芯片内，第一波导区通过非互易光学相移元件，其中正向传输波通过第二光分离-组合器相长的重新组合，而反向传输波通过第一光分离-组合器相消地重新组合。
根据本发明另一个方面，一种方法，包括：将正向和反向传输光波分成第一和第二部分，该第一和第二部分沿着设置在半导体电路芯片内的波导结构的第一和第二波导区传播；将具有相反自旋极化的第一和第二载流子注入第一波导区；相长的重新组合正向传输光波的第一和第二部分；以及相消的重新组合反向传输光波的第一和第二部分。
根据本发明又一个方面，一种系统，包括：光源，被耦合而产生响应电子处理器件的光信号；光纤；以及光隔离器，耦合在光源和光纤之间，该光隔离器包括：第一和第二光分离-组合器，设置在半导体电路芯片内；第一和第二波导区，具有不同的长度，设置在半导体电路芯片内，在干涉仪结构内将第一和第二光分离-组合器耦合；以及非互易光学相移元件，设置在半导体电路芯片内，第一波导区通过非互易光学相移元件，其中正向传输波通过第二光分离-组合器相长地重新组合，同时反向传输波通过第一光分离-组合器相消地重新组合。
附图说明
参考下面的附图描述了本发明的非限制性和非完全的实施例，其中在多个视图中相同的参考数字表示相同的部件，除非另有规定。
图1是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了光隔离器的平面图。
图2A根据本发明的一实施例，示出了一般非互易旋转器的透视图。
图2B根据本发明的一实施例，示出了一般互易旋转器的透视图。
图3A是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了配置为偏振器/检偏器的瞬逝耦合器的平面图。
图3B是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了配置为偏振器/检偏器的瞬逝耦合器的剖面图。
图3C是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了串联耦合以提供更大偏振隔离的多个瞬逝耦合器的平面图。
图4根据本发明的一实施例，示出了非互易偏振旋转器的透视图。
图5是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了配置为互易旋转器的双折射波导的正视图。
图6是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了光隔离器的平面图。
图7是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了光隔离器的平面图。
图8根据本发明的一实施例，示出了非互易光学相移元件的透视图。
图9是一原理框图，根据本发明的一实施例，示出了用可集成光隔离器实现的示范性光通信系统。
具体实施方式
于此描述可集成光隔离器的实施例。在下面的描述中，阐述了许多特定细节以便对实施例有透彻的理解。然而，相关技术领域的技术人员将认识到，如果没有一个或多个特定细节，或用其它方法、部件、材料等也能实施在此描述的技术。在其它例子中，公知的结构、材料或操作未示出或详细描述以避免模糊某些方面。
说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。
图1是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了光隔离器100的平面图。所示实施例的光隔离器100包括第一偏振器105、非互易旋转器110、互易旋转器115和第二偏振器120，全部集成在单个衬底125内。在一个实施例中，衬底125是多层半导体电路芯片，其具有单片集成在其中的光隔离器100各组成部分。
图1示出了从左至右的正传播方向，偏振器105作为输入偏振器，偏振器120作为输出偏振器。按照惯例，输出偏振器(例如，如所示的偏振器120)通常称为“检偏器”。然而，应该理解，本发明的一些实施例包括结构上难区别的偏振器105和120，并且此外，光隔离器100可配置为以从右至左为正的传播方向来操作，结果偏振器120成为输入偏振器而偏振器105成为检偏器。
光隔离器100的各部件如下互连。偏振器105包括被耦合而接收正向传输波130的端口P1以及被耦合而输出一部分正向传输波130的端口P2。端口P2耦合至非互易旋转器110的第一侧。非互易旋转器110的第二侧耦合至互易旋转器115的第一侧。互易旋转器115的第二侧耦合至偏振器120的端口P3。最后，偏振器120的端口P4被耦合而输出正向传输玻130的一部分至基底125内部集成的或是外部耦合的波导或是其它光学器件。
光隔离器100防止反向传输波135到达偏振器105的端口P1，从而在反向传播方向提供光隔离器。实际上，光隔离器100是一单向光链路(one wayoptical link)。反向传输波135可由在光隔离器100下游耦合的光学系统中的噪声产生。特别地，反向传输波135可由正向传输波130的反射引起。部分正向传输波130可由于各光子器件的耦合而反射至引导正向传输波130的下游光学介质。各种光子器件的界面可引起通信介质内有效折射率的失配，这又会引起有害反射，例如反向传输波135。
光隔离器100的各部件如下工作。正向传输波130可包括具有电场(E场)的水平偏振面(Ex)和垂直偏振面(Ey)的部分。偏振器105的作用在于使基本上整个Ex部分通过端口P2，同时使整个Ey部分基本上导向端口P5。当正向传输波130的Ex部分通过非互易旋转器110时，正向传输波130的偏振相对于x轴旋转+45度(参见正向传播旋转图140。注意，由于图1是光隔离器100在X-Z平面的二维视图，因此不可能示出X-Y平面的偏振旋转。从而，仅仅用于示例而将偏振面示出为在X-Z平面内的旋转，并不打算精确地描绘E场在X-Y平面内的旋转)。在正向传输波130通过互易旋转器115传播时，正向传输波130的E场相对于x轴旋转-45度，以将偏振面返回至Ex面。结果，偏振器120配置为使在端口P3接收的具有Ex偏振面的入射波通过端口P4，正向传输波130在端口P4输出。在偏振器120的端口P3接收的正向传输波130的任何剩余的Ey部分被导向端口P8，并因此与Ex部分分离。
尽管反向传输波135的大多数将会是正向传输波130的背反射，反向传输波135也可包括Ex和Ey两部分，并因此具有Ex偏振面。在偏振器120的端口P4接收的反向传输波135偏振成两部分。Ex部分基本上通过端口P3，同时Ey部分基本上通过端口P7。在反向传输波135的Ex部分通过互易旋转器115时，E场的偏振面从x轴旋转+45度(参见反向传播旋转图145)。在反向传输波135通过非互易旋转器110时，E场再次相对于x轴旋转另一+45度，导致E场此刻在偏振垂直面或Ey内偏振。结果，偏振器105将具有Ey偏振面的反向传输波135导向端口P6，使端口P1远离不利的反射或反向传输波135。
在另一个供选择的实施例中，非互易旋转器110和互易旋转器115的位置可交换，以使互易旋转器115耦合至偏振器105，而非互易旋转器110耦合至偏振器120。此外，在另一个供选择的实施例中，非互易旋转器110可配置为将正向和反向传输波130和135都相对于x轴旋转-45度，同时互易旋转器115配置为将正向传输波130相对于x轴旋转+45度，并将反向传输波135相对于x轴旋转-45度。尽管光隔离器100被描述为有选择地通过Ex偏振的正向传输波130，而阻止Ex偏振的反向传输波135，如下将讨论的，光隔离器100也可改变为有选择地通过Ey正向传输波130，同时阻止Ey反向传输波135。
图2A示出了一般非互易旋转器205的透视图，同时图2B示出了一般互易旋转器201的透视图。尽管图2A和2B仅示出了具有脊形波导的一般旋转器205和210，但其它波导结构(例如，平面、矩形、方形、圆形、椭圆形等等)和旋转结构都可用于实现一般非互易旋转器205和一般互易旋转器210。
如图2A中所示，非互易旋转器是这样的一种旋转器，即，在固定坐标系统215中，其引起在传播的两个方向上E场的顺时针旋转(示出的)或在传播的两个方向上E场的逆时针旋转(未示出)。例如，当具有线性Ex偏振220的入射波沿着正的z轴方向传播通过一般非互易旋转器205时，相对于x轴旋转-45度，产生线性混合的Ex+Ey偏振225。当混合的Ex+Ey偏振225沿着负z轴向后传播通过一般非互易旋转器205时，在固定坐标215内，一般非互易旋转器205再次相对于x轴将E场旋转-45度(顺时针方向)，产生线性Ey偏振230。因此，当波以一个方向传播并以其它方向返回时，一般非互易旋转器205不以该波原始的偏振面将其返回。应该理解，选择向x轴下方旋转45度(或关于z轴顺时针方向旋转π/4弧度)仅是用于示例，并且一般非互易旋转器205也可结构为引起顺时针方向或逆时针方向的其它旋转角度。
如图213中所示，互易旋转器是这样的一种旋转器，即，在固定坐标系统215中，其引起在一个方向上E场的顺时针旋转而另一个方向上的逆时针旋转。例如，当具有线性Ex偏振240的入射波沿着正z轴传播通过一般互易旋转器210时，被相对于x轴旋转+45度(逆时针方向)，产生线性混合的Ex+Ey偏振245。当混合的Ex+Ey偏振245沿着负z轴方向返回通过一般互易旋转器210时，在固定坐标215内，一般互易旋转器210将E场相对于x轴旋转-45度(顺时针方向)，将E场返回线性Ex偏振250。因此，当波以一个方向传播并以其它方向返回时，一般非互易旋转器205以该波原始的偏振面将其返回。应该理解，可基于一般互易旋转器210的几何形状来选取正向或反向传播的旋转方向或旋转量。
图3A是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了由偏振器(或检偏器)105或120之一结构的瞬逝耦合器300的平面图。图3B是一示意图，示出了沿着图3A中的剖面3B-3B的瞬逝耦合器300的剖面图。图3B是一示意图，示出了沿图3A中的横截面3B-3B的瞬逝耦合器300的截面图。所示出的瞬逝耦合器300的实施例包括第一波导区305和第二波导区310，它们的光路选择为在总相互感应长度LT上互相平行。
在光波通过波导区305和310之一传播时，光波的E场瞬间在两波导区之间往复耦合。从一个波导区将所有光能基本耦合至下一个波导区所需的相互作用长度，取决于光波的波长λ、间隔距离D以及E场的偏振定向。因此，光波，例如具有Ex和Ey偏振分量的正向传输波130，应具有用于Ex偏振分量的耦合长度LX和用于Ey偏振分量的耦合长度LY。通过选择性地将总相互感应长度LT设置为LX的奇倍数，Ex分量将往复耦合奇数次，导致Ex分量的光路通至端口P2。通过选择性地将总相互感应长度LT设置为LY的偶倍数，Ey分量将往复耦合偶数次，导致Ey分量的光路通至端口P5。因此，在一个实施例中，LT、LX和LY可根据下面的关系式1相关联。
LT＝3LX＝4LY            (关系式1)
在一个实施例中，λ＝1.55μm，D＝4.25μm以及LX＝2.5mm。应该理解，通过将瞬逝耦合器300制造为LT基本上是LX的偶倍数和LY的奇倍数，该瞬逝耦合器300可被修改为使Ey分量通至端口P2以及Ex分量通至端口P5。
图3C是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了串联耦合以提供更大的隔离的多个瞬逝耦合器300的平面图。通过串联耦合多个瞬逝耦合器300，以使左瞬逝耦合器的端口P2耦合至右瞬逝耦合器的端口P1，Ex和Ey偏振面之间的分离程度增加。增加了的Ex和Ey的分离产生了对反向传输波135的更大抑制。
图4根据本发明的一实施例，示出了偏振旋转器400的透视图。偏振旋转器400是非互易旋转器110的一个可能的实施例。偏振旋转器400可与其它无源器件或有源器件或结构一起集成在一衬底层402上，或者可以是分立器件。衬底层402可包括一片材料，例如一片硅或其它材料。衬底层402可以是一种物理结构，一个作为通过多种工艺将其转换和/或添加其它材料而成为所需微电子结构的基本工件的层，或者一种或多种材料。衬底层402可包括导体层、绝缘体层、半导体层和其它多种材料或材料的组合。在一些实施例中，衬底层402可以是多层结构(例如，衬底125)。
在衬底层402上可具有一铁磁性半导体层404。该铁磁性半导体层404可以是半导电材料层，该半导电材料在磁场存在时变为被磁化，并且即使去掉该磁场也保持它的磁性。在第一实施例中，铁磁性半导体层404可包括锰、硅和锗。在第二实施例中，铁磁性半导体层404可包括锰、镓和砷。在其它实施例中，铁磁性半导体层404可包括其它材料。
在铁磁性半导体层404上可具有第一掺杂半导体层406。在第一实施例中，第一掺杂层406可包括硅和锗。在第二实施例中，第一掺杂层406可包括铝、镓和砷。在其它实施例中，第一掺杂层406可包括其它材料。可将第一掺杂层406掺杂为与铁磁性半导体层404相一致的极性。例如，在一铁磁性半导体层404包括锰、镓和砷或者硅和锗的实施例中，第一掺杂层406可以是p掺杂。在其它实施例中，第一掺杂层406可以是n掺杂。
在第一掺杂层406上可具有异质结构408。该异质结构408可包括几种材料的多个交替薄层：包括第一种材料或第一组材料的一层与包括第二种或第二组材料的一层交替。这种分层过程形成一个或多个异质结。因此，异质结构408可形成量子阱或其它类型的异质结构408，其可限制图4的垂直方向Y上的载流子。这个限制可增强该材料的偏振度，其影响光通过偏振旋转器400在Z传播方向上的行进。(注意在此使用的术语“光”包括任何适合类型的电磁波，例如正向和反向传输波130和135。)在第一实施例中，异质结构408可包括与包含硅和锗的一层或多层交替的包含硅的一层或多层。在第二实施例中，异质结构408可包括与包含铝、氧、镓和砷的一层或多层交替的包含镓和砷的一层或多层。在其它实施例中，交替层可包括其它材料。
在异质结构208上可具有第二掺杂层410。在第一实施例中，第二掺杂层410可包括硅。在第二实施例中，第二掺杂层410可包括铝、镓和砷。在其它实施例中，第二掺杂层410可包括其它材料。可将第二掺杂层410掺杂到与第一掺杂层406相反的极性。例如，在一第一掺杂层406是p掺杂的实施例中，第二掺杂层410可以是n掺杂。在一第一掺杂层406是n掺杂的实施例中，第二掺杂层410可以是p掺杂。掺杂物极性的这种排列产生二极管结构，可提高一旦施加有电压后对偏振旋转器的高效率载流子注入。
偏振旋转器400可包括接触垫412、414、416。在所示的实施例中，偏振旋转器400包括第二掺杂层410上的第一接触垫412、邻近异质结构408的第一侧(在图4中的异质结构408的左侧)的第二接触垫414以及邻近异质结构408的第二侧(在图4中的异质结构408的右侧)的第三接触垫416。虽然全部三个接触垫412、414、416在图4的实施例中示出，接触垫414和416可执行相似的功能。在可替换的实施例中，可出现接触垫414和416中的任一个，而不是两者都出现。这些接触垫412、414、416可包含铁磁性金属，例如铁、钴、镍或另一导电材料。
工作时，光可沿着z轴通过偏振旋转器400传输。层406、408和410形成从铁磁性半导体层404垂直延伸的垂直结构。这样的垂直结构(例如，脊形波导)可使光在其传播方向被引导。这样的垂直结构也可使偏振旋转器与形成在衬底层402内的其它波导相兼容。可在第一和第二接触垫412、414之间和/或第一和第三接触垫412、416之间施加电压。例如，在一实施例中，约0.5伏特和约5伏特之间的电压可施加在第一和第二接触垫412、414之间以及第一和第三接触垫412、416之间。这可引起自旋极化载流子的注入，然后可将光的偏振旋转。通过改变施加的电压量，可改变偏振的旋转量。
更详细地说，偏振旋转器400可利用半导电材料中光与自旋极化电子的相互作用。一种产生自旋极化电子的方法是通过将载流子从铁磁性材料制成的接触垫注入到半导电材料中。导带中电子的状态可具有自旋＝+1/2或-1/2的量子态。在价带中可发生重空穴(自旋＝+3/2或-3/2)的量子态具有比轻空穴(自旋＝)低的能量。因此重空穴态的粒子数可增加得多于轻空穴态。在存在磁场的情况下，与自旋的+或-值有关的简并可被消除，导致相应能量的分裂：重空穴自旋＝-3/2与自旋＝+3/2分裂，轻空穴自旋＝-与自旋＝+分裂。由于量子力学选择定则Δm＝+/-1(角动量守恒)，仅允许由右旋偏振光(RCP)激发的电子-1/2到空穴-3/2的跃迁或由左旋偏振光(LCP)激发的电子+1/2到空穴+3/2的跃迁。当自旋极化载流子被注入到这种系统时，+和-自旋态可呈现不同的粒子数。因此LCP和RCP光会经历不同的折射率。当线性偏振光(RCP和LCP的组合)与这样的系统相互作用时，其偏振会发生旋转。这种现象一般称作法拉第效应。
在一个实施例中，第一接触垫412可以是注入自旋极化电子的铁磁性接触垫自旋极化。一个或多个第二和第三接触垫414、416可附着在铁磁性半导体层404上，其中载流子可以是空穴。可沿着波导方向(z轴)施加磁场以保持铁磁性半导体404的磁化方向。在正确磁化方向的影响下，具有主要为+3/2的自旋的空穴可被注入异质结构408。这样就可确保如前段所述的LCP和RCP的折射率不同。
偏振旋转器400可利用下述的材料和方法来制造。在一个实施例中，衬底层402可以是在所示的绝缘体基硅(SOI)衬底层402，尽管在其它实施例中，衬底层402可以是不同类型。衬底层402可包括处理层、处理层上的绝缘体层和绝缘体层上的器件层。在一个实施例中，处理层可包括硅，绝缘体层可包括二氧化硅，器件层可包括硅。在其它实施例中，衬底层402可以是与用于衬底层402之上的层中的材料相一致的不同类型的埋置绝缘体衬底。例如，在上述的第二实施例中，衬底层402可以是基于砷化镓的。在又一实施例中，可使用其它材料，并且衬底层402可以是没有埋置绝缘体层的类型，例如半导电材料的单层。
在一些实施例中，铁磁性半导体层404可包括锰、硅和锗，或者锰、镓和砷，尽管在其它实施例中可使用其它材料。在一个实施例中，铁磁性半导体层404可包括Mn0.05Ga0.95As。在另一实施例中，铁磁性半导体层404可包括Mn0.05S0.1Ge0.75。在一实施例中，铁磁性半导体层404通过原子层外延处理形成在衬底层402上。在一些实施例中，这样的处理在例如约400摄氏度的低温下执行，虽然也可使用其它温度。在一些实施例中，铁磁性半导体层404可具有约50纳米和约300纳米之间的厚度。在一个实施例中，铁磁性半导体层404可具有约50纳米和约150纳米之间的厚度。在其它实施例中，铁磁性半导体层404可具有不同的厚度。
在一些实施例中，第一掺杂层406可以是基于铁磁性半导体层404的导电类型的掺杂类型。在其中的铁磁性半导体层404包括MnSiGe的实施例中，第一掺杂层406可包括SiGe。在这种实施例中，第一掺杂层406可具有基于p型导电类型的MnSiGe铁磁性半导体层404的p型掺杂。类似地，在其中的铁磁性半导体层404包括MnGaAs的实施例中，第一掺杂层406可包括AlGaAs，具有p掺杂。在其它实施例中，第一掺杂层406可包括不同材料并被不同地掺杂。在一些实施例中，第一掺杂层406可具有约50纳米和约300纳米之间的厚度。在一实施例中，第一掺杂层406可具有约50纳米和约150纳米之间的厚度。在一实施例中，第一掺杂层406可具有约50纳米和约100纳米之间的厚度。在其它实施例中，第一掺杂层406可具有不同的厚度。
如上讨论，异质结构408可包括多种材料的多个交替薄层：包括第一种材料或第一组材料的一层与包括第二种材料或第二组材料的一层交替。包括第一种材料或第一组材料的第一类型层与包括第二种材料或第二组材料的第二类型层交替。在一个实施例中，各例第一类型层基本上与其它的第一类型层相同。相似地，在一个实施例中，各例第二层类型基本上与其它的第二类型层相同。异质结构408可以少至两层，其中一个是第一类型层，一个是第二类型层，或可具有二十至五十层，或者甚至更多。
在一个实施例中，异质结构408中的每一层可以很薄。在一个实施例中，每一层可具有约一纳米的厚度。在一些实施例中，层可具有约0.5纳米和约3纳米之间的厚度，尽管可使用其它厚度。因此，在每一类型包括约二十五层的实施例中，异质结构408基于层数和每一层的厚度可具有约50纳米至约100纳米的厚度，虽然在其它实施例中异质结构408可具有不同的厚度。
在一个实施例中，第一类型层可包括硅和锗而第二类型层可包括硅。在另一实施例中，第一类型层可包括镓和砷而第二类型层可包括铝、氧、镓和砷。在其它实施例中，第一和第二类型层可包括其它材料。
在一些实施例中，第二掺杂层410可具有与第一掺杂层406的掺杂类型相反的掺杂类型。例如，在一个其中第一掺杂层406为p掺杂的实施例中，第二掺杂层410可以是n掺杂。在一些实施例中，第二掺杂层410可具有约50纳米和约300纳米之间的厚度。在一实施例中，第二掺杂层410可具有约50纳米和约150纳米之间的厚度。在一实施例中，第二掺杂层410可具有约50纳米和约100纳米之间的厚度。在其它实施例中，第二掺杂层410可具有不同的厚度。
在一个其中铁磁性半导体层404包括MnSiGe而第一掺杂层406包括SiGe的实施例中，第二掺杂层410可包括的硅，具有n型掺杂。相似地，在一个其中铁磁性半导体层404包括MnGaAs而第一掺杂层406包括AlGaAs的实施例中，第二掺杂层410可包括铝、镓和砷，具有n型掺杂。在一个实施例中，第二掺杂层410可包括Al0.3Ga0.7As。在另一实施例中，第二掺杂层410可包括Si0.6Ge0.4。在又一实施例中，第二掺杂层410可用磷掺杂。在其它实施例中，第二掺杂层410可包括不同材料并被不同地掺杂。
如上所述，在所示的实施例中，偏振旋转器400包括第二掺杂层410上的第一接触垫412、邻近异质结构408第一侧(在图4中的异质结构408左侧)的第二接触垫414以及邻近异质结构408第二侧(在图4中的异质结构208的右侧)的第三接触垫416。在其它实施例中，可具有不同数目的接触垫，并且将接触垫可设在不同的位置。在一些实施例中，层406、408和410的宽度可以不同，以限定波导模内不同的光强分布。接触垫412、414、416可包括导电材料，例如铁、钴、镍或另外的导电材料。
在一个实施例中，其它器件和/或结构也可在衬底层402上形成。例如，一个或多个波导可在衬底层402上形成。在另一实施例中，例如微处理器的电路芯片可通过在衬底层402上制成器件和/或结构而形成。这种电路芯片可具有许多互连层，其包括介质材料层、迹线(traces)层以及通过介质材料的通孔。当介质材料、迹线和通孔在形成微处理器的器件和/或结构上形成时，一个或多个介质材料层也被形成在偏振旋转器400上。连接至接触垫412、414、416的导电通孔可通过介质材料形成以允许通过接触垫412、414、416来施加电压。因此，偏振旋转器400可集成在具有一个或多个波导、无源和/或有源器件(包括在衬底层402上形成微处理器的器件或其它微电子器件)或其它结构的单片衬底上。
图5是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了配置为互易旋转器的双折射波导500的正视图。双折射波导500是图1中的互易旋转器115的一个可能的实施例。双折射波导500是一具有脊形区505和平板区510的脊形波导。在一个实施例中，双折射波导500由在二氧化硅层上形成的硅(绝缘体基硅层)制成。尺寸宽度W和高度H可选取为使得双折射波导500表现出几何异向性效应。因而，沿着双折射波导500传播的电磁(“EM”)场515的模在偏振水平面和垂直面的情况下将经历不同的有效折射率。这些定向依赖折射率引起EM场515的线性偏振中的互易旋转。在一个实施例中，宽度W是2μm，高度H是0.3μm，平板区510的厚度T是1.2μm。
图6是一示意图，根据本发明的一实施例，示出了光隔离器600的平面图。光隔离器600的所示的实施例包括光分离-组合器605和610，波导区615和620以及非互易光学相移元件625(下文称为非互易元件625)。在所示的实施例中，光分离-组合器605和610是Y分支波导；然而，也可由其它光分离/组合元件取代，包括瞬逝耦合器、光束分离器等等。
光隔离器600的各部件与马赫-曾德干涉仪(“MZI”)结构结合在一起。波导区615和620各自在正向/反向传输波中引起互易光学相移，同时非互易元件625在正向/反向传输波中引起非互易光学相移。由光隔离器600各部件一起引入的各种光学相移的增加，导致了正向传播方向上的相长干涉，并允许正向传输波630通过光隔离器600。然而，给予反向传输波730(参见图7)的各种光学相移的增加，导致了相消干扰并防止反向传输波730通过光隔离器600。
如图所示，波导区615具有长度L1而波导区620具有长度L2。在示出的实施例中，L2比L1大一个长度ΔL，其中ΔL通过：
ΔL＝L2-L1             (关系式2)
ΔL = λ vac 4 n eff (关系式3)
给出。其中λvac是真空中正向/反向传输波的波长，neff是在波导区615和620中的波导模的有效折射率。通过制造，在波导区615和620之间包含遵循关系式3的长度差ΔL，在两波导区615和620之间包含π/2或90度的互易光学相移差。非互易元件625配置为仅在波导区615中引起附加的π/2或90度的非互易光学相移。
图6示出了正向传输波630通过光隔离器600的传播。正向传输波630通过光分离-组合器605后分离成分量631和633，并具有基本上相等的E场幅值Eo。分量631和633分别通过波导区615和620传播，导致分量631和633二者的正45度或π/4弧度的净光学相移。分量631和633随后被光分离-组合器610相长地组合。
方程式650(参见图6)描述了由光隔离器600的各区对正向传输波630引起的光学相移。项1对应于由波导区620引起的相移，同时项2和3分别对应于由波导区615和非互易元件625引起的相移。
图7示出了反向传输波730通过光隔离器600的传播。反向传输波730通过光分离-组合器610后形成分量731和733，具有基本相等的E场幅值Eo。分量731和733分别通过波导区615和620传播。波导620引起-45度或-π/4弧度的互易光学相移，如相图760所示。然而，波导区615引起+45度或+π/4弧度的光学相移且非互易元件625相对于+135度或+3π/4弧度的净光学相移(如相图765所示)，引起+90度或+π/2弧度的光学相移。由于分量731和733是180度异相，光分离-组合器605为达到零净电场而相消地重组分量731和733。
方程式750(参见图7)描述了由光隔离器600的各区对反向传输波730引起光学相移。项4对应于由波导区620引起的相移，而项5和6分别对应于由波导区615和非互易元件625引起的相移。
如相图760和765所示，分量731和733具有投影在x轴上的相等的，但相反的Ex分量。由于多数光源发射具有线性Ex偏振的光，光隔离器600基本防止所有反向传输波通过该器件。应该注意，光隔离器600可修改为阻止Ey反向传输波，如下所述。此外，两个光隔离器600可串联耦合，以将Ex和Ey反向传输波都阻止，其中一个光隔离器用于阻止线性Ex偏振反向传输波而另一个用于阻止线性Ey偏振反向传输波。
在一个实施例中，光分离-组合器605和610以及波导区615和620是由硅(或其它光学透射材料)形成的脊形波导，该脊形波导与非互易元件625一起单片集成在一硅半导体电路芯片(或其它半导电材料电路芯片)上。与光隔离器100的情况一样，光隔离器600与多种其它光子器件或电子器件一起集成在单片半导体电路芯片上。
图8根据本发明的一实施例，示出了非互易光学相移元件800(后文称作偏振相移器800)的透视图。偏振相移器800是非互易元件600的一个可能的实施例。所示的偏振相移器800的实施例包括衬底802、铁磁性半导体层804。第一掺杂半导体层806、异质结构808、第二掺杂层810、接触垫812以及磁化的接触垫814和816。
偏振相移器800的结构类似于偏振旋转器400的结构，并能够以相似的方式用相似的材料制造，但有以下的例外。磁化的接触垫814和816沿着垂直于通过偏振相移器800的传播方向的y轴磁化，而不是沿着z轴均匀磁化。在所示的实施例中，磁化的接触垫814沿着+y轴磁化，同时磁化的接触垫816沿着-y轴反向磁化。当在接触垫812和磁化接触垫814和816之间施加电压时，载流子通过与脊形波导类似的结构注入光路。注入接近磁化接触垫814侧的载流子具有自旋极化自旋极化与由磁化接触垫814产生的磁场M+Y一致的自旋极化。类似的，注入接近磁化接触垫816侧的载流子具有自旋极化自旋极化与由磁化接触垫816产生的相反磁场M-Y一致的自旋极化。
在一个实施例中，自旋极化载流子是自旋极化空穴。由于通过偏振相移器800的光路的左侧和右侧具有相反的自旋极化的自由载流子的粒子束增加，因法拉第效应而产生非互易光学相移。非互易光学相移是这样一种感应相移，即，它与通过器件或材料的传播方向无关而具有一致的符号。换句话说，不论光波是否沿着+z轴或-z轴通过偏振相移器800传播，相移或者都是正的，或者都是负的。相反，互易相移是取决于通过器件或材料的传播方向来改变符号的感应相移。
异质结构808之包含约束并集聚了通过偏振相移器800的光路内的注入载流子。这种约束增加了材料的光学磁化率，并提高了器件的效率。在一个实施例中，偏振相移器800沿着z轴有约100m的长度，以引起90度的非互易相移。
磁化接触垫814和816可用多步工序在制造期间磁化。首先，可在铁磁性半导体层804上形成接触垫814，并通过沿着+y轴施加外部磁场来磁化。其次，可设置在磁化接触垫814的顶部设置抗铁磁性层。磁化的铁磁性层与抗铁磁性层的密切接触导致势垒势垒用于抵抗铁磁性层的磁化改变的高能势垒。铁磁性层与抗铁磁性层的接触称为“闭合(pinning)”。接着，可在铁磁性半导体层804上形成接触垫816，并通过沿-y轴施加外部磁场而磁化。设置在磁化接触垫814上的抗铁磁性层抵消在接触垫816的磁化期间施加的外部磁场，由此防护进入磁化接触垫814的相反磁化感应。
偏振相移器800的实施例配置为非互易相移Ex偏振波。然而，通过将偏振相移器800的结构关于z轴旋转90度，偏振相移器800可改变为相移Ey偏振波。
图9是一原理框图，根据本发明的一实施例，示出了用可集成光隔离器实现的示范性光通信系统900。光通信系统900包括发送器侧电子器件905、光发送器910、光隔离器915、波导920、光接收器925和接收器侧电子器件930。如上所述，光隔离器915可用光隔离器100或光隔离器600的实施例实现。
电子器件905可包括各种处理部件，包括处理器、存储器、各种逻辑单元等等。在工作中，电子器件905可产生一电信号，该电信号通过光发送器910转换为光信号，例如激光。光发送器910耦合至光隔离器915从而使光信号通过光隔离器910发送，以防止背反射干扰光发送器910。光信号然后通过波导920传播至光接收器925。光接收器925将光信号转换回电信号，然后提供给电子器件930。
通信系统900的各部件可全部包括在单个器件940内。例如，器件940可以是具有集成到单个半导体电路芯片上的通信系统900的集成电路。可选择地，器件900可以是其上安装有通信系统900的各部件的电路板。在一个实施例中，器件950是电子器件905、光发送器910和光隔离器915的一些或全部单片地集成在其上的单个半导体电路芯片。通过将光隔离器915与电子器件905和/或光发送器910集成在一起，与先前的系统相比，器件950的总尺寸可大大减小和/或器件950的成本降低(尽管如果需要，一些实施例可能比一些先前的系统大)。在一个实施例中，波导920是将光隔离器915连接到光接收器925的光纤。
上面公开的器件可实施为含有硬件描述语言(“HDL”)的机器可读数据介质，该硬件描述语言描述光隔离器100和600的各子部件与其它电路元件的集成。例如，光隔离器100和600可包括在专用集成电路(“ASIC”)等等内，由HDL描述，例如Verilog、VHDL(VHSIC(超高速集成电路)硬件描述语言)或其它HDL。电路描述可以包括性能级、寄存器转移级、网表级和/或其它布局级的各种抽象级来描述。
本发明所示实施例的上述描述，包括摘要里所描述的，并不欲将本发明详尽限制到所公开的确切形式。当出于实例目的在此描述本发明的具体实施方式以及实施例时，作为相关技术领域内的技术人员将认识到，在本发明的范围内可有各种等同的修改。
根据上面的详细描述，可对本发明作出这些修改。在随后的权利要求中使用的术语不应解释为将本发明的限制于说明书和权利要求书中公开的具体实施方式。本发明的范围完全由后附的权利要求书确定，根据权利要求阐述的既定原则作出解释。

Claims (20)

1.一种光隔离器，包括：
第一和第二光分离-组合器，设置在半导体电路芯片内；
第一和第二波导区，设置在半导体电路芯片内，在干涉仪结构内与第一和第二光分离-组合器耦合；以及
非互易光学相移元件，设置在半导体电路芯片内，第一波导区通过非互易光学相移元件，其中正向传输波通过第二光分离-组合器相长的重新组合，而反向传输波通过第一光分离-组合器相消地重新组合。
2.权利要求1的光隔离器，其中第二波导区比第一波导区长一个等于λ/4n的倍数的量，其中λ表示真空中正向和反向传输波的波长，n表示第一和第二波导区的有效折射率。
3.权利要求1的光隔离器，其中第一和第二光分离-组合器包括第一和第二Y分支波导。
4.权利要求1的光隔离器，其中非互易光学相移元件包括：
第一接触垫，在邻近第一波导区的第一侧设置的第一方向上磁化，以将注入到第一波导区的第一载流子的自旋极化；以及
第二接触垫，在基本上与第一方向相反的邻近第一波导区的第二侧设置的第二方向上磁化，以将注入到第一波导区的第二载流子的自旋相反地偏振。
5.权利要求4的光隔离器，其中非互易光学相移元件包括：
铁磁性半导体层；
第一掺杂层，设置在铁磁性半导体层之上；
第二掺杂层，设置在第一掺杂层之上；以及
第三接触垫，设置在第二掺杂层之上，并且其中第一波导区通过第一和第二掺杂层至少之一。
6.权利要求4的光隔离器，其中第一和第二方向基本上垂直于正向和反向传输波在通过非互易延迟元件的光路上的传播方向。
7.权利要求5的光隔离器，其中非互易光学相移元件还包括多层异质结构，其设置在第一掺杂层和第二掺杂层之间以约束载流子。
8.一种方法，包括：
将正向和反向传输光波分成第一和第二部分，该第一和第二部分沿着设置在半导体电路芯片内的波导结构的第一和第二波导区传播；
将具有相反自旋极化的第一和第二载流子注入第一波导区；
相长的重新组合正向传输光波的第一和第二部分；以及
相消的重新组合反向传输光波的第一和第二部分。
9.权利要求8的方法，其中注入第一和第二载流子之操作包括用非互易光学相移元件将第一和第二载流子注入，以使非互易光学相位移至第一波导区范围内的正向和反向传输光波的第一部分。
10.权利要求9的方法，还包括用第一和第二波导区将正向和反向传输光波的第一和第二部分互易地相移，其中由第一和第二波导区之一的互易相移比另一个的长。
11.权利要求10的方法，其中相长地重新组合正向传输光波的第一和第二部分之操作包括将正向传输光波的第一和第二部分相移基本上相等的量，并且其中相消地重新组合反向传输光波的第一和第二部分之操作包括将反向传输光波的第一和第二部分相移基本上相差π/2弧度的相位。
12.权利要求9的方法，其中用非互易光学相移元件将具有相反的自旋极化的第一和第二载流子注入第一波导区之操作还包括：
向第一波导区的第一侧施加第一磁场；
将第一载流子注入具有通过第一磁场排列好的自旋极化的第一波导区的第一侧；
向第一波导区的第二侧施加与第一磁场相反方向的第二磁场；以及
将第二载流子注入具有由第二磁场排列好的自旋极化的第一波导区的第二侧。
13.权利要求12的方法，其中第一和第二磁场垂直于正向和反向传输光波通过非互易光学相移元件的传播方向。
14.权利要求8的方法，其中波导结构包括经由干涉仪结构在第一光分离-组合器和第二光分离-组合器之间耦合结构的第一和第二波导区。
15.一种系统，包括：
光源，被耦合而产生响应电子处理器件的光信号；
光纤；以及
光隔离器，耦合在光源和光纤之间，该光隔离器包括：
第一和第二光分离-组合器，设置在半导体电路芯片内；
第一和第二波导区，具有不同的长度，设置在半导体电路芯片内，在干涉仪结构内将第一和第二光分离-组合器耦合；以及
非互易光学相移元件，设置在半导体电路芯片内，第一波导区通过非互易光学相移元件，其中正向传输波通过第二光分离-组合器相长地重新组合，同时反向传输波通过第一光分离-组合器相消地重新组合。
16.权利要求15的系统，其中第一波导区比第二波导区长一个等于λ/4n的倍数的量，其中λ表示真空中正向和反向传输波的波长，以及n表示第一和第二波导区的材料的有效折射率。
17.权利要求16的系统，其中非互易光学相移元件包括：
铁磁性半导体层；
第一掺杂层，设置在铁磁性半导体层之上；
第二掺杂层，设置在第一掺杂层之上；
第一接触垫，设置在第二掺杂层之上；
在第一方向上磁化的第二接触垫，设置在邻近通过非互易光学相移元件的光路的第一侧；以及
在与第一方向相反的第二方向上磁化第三接触垫，设置在邻近该光路的第二侧。
18.权利要求17的系统，其中第一和第二方向基本上垂直于正向和反向传输波通过非互易延迟元件的光路上的传播方向。
19.权利要求18的系统，其中第二和第三接触垫各自被磁化，以将注入到第一和第二掺杂层之间的光路的载流子的自旋相反地极化。
20.权利要求15的系统，其中光隔离器、光源和电子处理器件集成在同一半导体芯片上。
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