TWI836717B

TWI836717B - 光學極化分光器

Info

Publication number: TWI836717B
Application number: TW111143078A
Authority: TW
Inventors: 陳民良; 林玲玲
Original assignee: 茂德科技股份有限公司
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2024-03-21
Also published as: TW202419929A

Abstract

本發明提出了一種光學極化分光器，其包含一多模干涉(MMI)耦合器、一第一偏振濾波器以及一第二偏振濾波器。多模干涉耦合器包含一入口、一第一出口及一第二出口，入口用以接收一原始光學訊號，第一出口用以輸出一第一分光訊號，第二出口用以輸出一第二分光訊號，第一分光訊號及第二分光訊號皆包含一橫電波與一橫磁波。第一偏振濾波器連接第一出口，且包含一第一次波長光柵，其用以濾除第一分光訊號中的橫磁波。第二偏振濾波器連接第二出口，且包含一第二次波長光柵，其用以濾除該第二分光訊號中的橫電波。

Description

光學極化分光器

本發明係關於一種光學極化分光器，尤其是指一種包含多模干涉耦合器及偏振濾波器的光學極化分光器。

矽光子技術(silicon photonics)使用矽作為光波導材料，結合半導體製程技術將各種光電元件整合到單一晶片上，達到縮小尺寸及操作光學訊號的目的。透過以光來傳輸信號，可以取代現今逐漸面臨瓶頸的銅導線，並且增加傳輸速率，以應付快速增長的高速運算的需求。

光學訊號同時存在TE(Transverse Electronic)偏振，或稱之為橫向電場模態，以及TM(Transverse Magnetic)偏振，或稱之為橫向磁場模態。矽的高折射率特性以及矽波導矩形結構垂直方向與水平方向的不對稱性，使得橫向電場極化的偏振光和橫向磁場極化的偏振光在矽波導中的表現有所不同，也就是具有很強的雙折射性及極化相依性。因此在矽光子技術中，極化控制元件十分重要，又因極化分光器能將兩種極化的光進行分離或耦合，適合用以同時對兩種極化的光波進行操作，因此常用以作為極化控制元件。

因此，多種極化分光器被提出，其中，多模干涉耦合器具有結構簡單、寬工作頻寬、對製程公差容忍度高等優點，成為最常用的極化分光器，但是其元件尺寸卻通常十分龐大(需要長達1000μm以上)。

為了解決上述問題，如第1圖所示，有使用兩種不同折射率n1、n2的材料週期排列形成的次波長光柵(subwavelength grating,SWG)所製作成整個多模干涉耦合器1，其藉由使光柵週期遠小於工作波長來抑制反射和繞射，最多可將多模干涉耦合器的長度縮短至100μm左右。然而，這樣的長度仍無法滿足業界追求微小尺寸的需求。

本發明之一目的在於提供一種極化分光器，其可以在維持有效的TE與TM偏振的情況下，具有較傳統極化分光器更小的尺寸。

為達上述目的，本發明所提供之極化分光器包含一多模干涉耦合器、一第一偏振濾波器及一第二偏振濾波器。多模干涉耦合器包含一入口、一第一出口及一第二出口，其中，該入口用以接收一原始光學訊號，該第一出口用以輸出一第一分光訊號，該第二出口用以輸出一第二分光訊號，該第一分光訊號包含一第一橫電波與一第一橫磁波，且該第二分光訊號包含一第二橫電波與一第二橫磁波。該第一偏振濾波器連接該第一出口，且包含一第一次波長光柵，其中，該第一次波長光柵用以濾除該第一分光訊號中的該第一橫磁波。該第二偏振濾波器連接該第二出口，且包含一第二次波長光柵，其中，該第二次波長光柵用以濾除該第二分光訊號中的該第二橫電波。

如上所述，本發明所提供之極化分光器是將分光與濾波工作分開，且二者是分別由多模干涉耦合器及偏振濾波器來執行。本發明的多模干涉耦合器不需要進行濾波作業(即，偏振作業)，故可以大幅縮小其長度，而用來進行濾波作業的二個偏振濾波器，也都是微型化(即，尺寸小)的偏振濾波器，故本發明所提供之極化分光器可以在維持有效的TE與TM偏振的情況下，具有較傳統極化分光器更小的尺寸。

於一實施例中，經該多模干涉耦合器之該原始光學訊號之一原始橫電波之一拍頻長度與一原始橫磁波之一拍頻長度大致相同。

在一實施例中，該原始光學訊號包含一原始橫電波以及一原始橫磁波，該第一橫電波佔該原始橫電波的一比例以及該第二橫電波佔該原始橫電波的一比例相同，且該第一橫磁波佔與該原始橫磁波的一比例以及該第二橫磁波佔該原始橫磁波的一比例相同。也就是於此實施例中，原始光學訊號是被平均的分配為第一分光訊號及第二分光訊號。

在一實施例中，該第一橫電波佔該原始橫電波的該比例為45%~50%，且該第一橫磁波佔該原始橫磁波的該比例為45%~50%。

在一實施例中，該多模干涉耦合器具有一多模態波導區域，該多模態波導區域的一端包含該入口，該多模態波導區域的另一端包含該第一出口與該第二出口，該入口、該第一出口與該第二出口各自具有一個錐型輪廓。

在一實施例中，該入口的一長度可為0.9~1.1μm，較佳地例如為1μm，該第一出口與該第二出口各自的一長度可為4.8~5.2μm，較佳地例如為5μm，該多模態波導區域的一長度可為2.84~2.86μm，較佳地例如為2.85μm，該多模態波導區域的一寬度可為2.06~2.065μm，較佳地例如為2.062μm。

在一實施例中，該多模干涉耦合器具有一總長度，該總長度可為8.64~9.06μm，較佳地例如為8.85μm。

在一實施例中，該第一偏振濾波器還包含二個分離的波導芯，該二個波導芯分別設置在該第一次波長光柵之兩側，其中一側之該波導芯與該第一出口連接，至少其中之一側之該波導芯具有一個錐型輪廓。

在一實施例中，該第二偏振濾波器還包含一個連續的波導芯，該波導芯相交地貫穿該第二次波長光柵，該波導芯之其中一側與該第二出口連接，該波導芯之至少其中一側具有一個錐型輪廓。

在一實施例中，該第一次波長光柵的一寬度之範圍1.1μm至1.3μm。

在一實施例中，該第二次波長光柵的一寬度之範圍為450nm至550nm，且該連續的波導芯的一寬度之範圍為195nm至240nm。

在一實施例中，該光學極化分光器具有一總長度，該總長度可為40~50μm，較佳地例如為45μm。

在一實施例中，更包含一空氣包覆層，其中，該空氣包覆層用以包覆該多模干涉耦合器、該第一偏振濾波器及該第二偏振濾波器。

以上內容並非為了限制本發明，而只是概括地敘述了本發明可解決的技術問題、可採用的技術手段以及可達到的技術功效。根據檢附的圖式及以下的實施方式所記載的內容，本發明所屬技術領域中具有通常知識者便可進一步瞭解本發明的各種實施例的細節。

1:多模干涉耦合器

10:光學極化分光器

20:絕緣層

100:多模干涉耦合器

101:多模態波導區域

110:入口

120:第一出口

130:第二出口

200:第一偏振濾波器

210:第一次波長光柵

211:第一波導結構

212:第一左側區域

213:中間區域

214:第一右側區域

215:波導芯

300:第二偏振濾波器

310:第二次波長光柵

311:第二波導結構

312:第二左側區域

313:中間區域

314:第二右側區域

315:波導芯

400:包覆層

H:高度

L1、L2、L3:長度

S:原始光學訊號

S1:第一分光訊號

S2:第二分光訊號

W1、W2、W3、W4:寬度

W₂₁₀、W₃₁₀、W_min:寬度

500:原始橫電波

502:第一橫電波

504:第二橫電波

600:原始橫磁波

602:第一橫磁波

604:第二橫磁波

n1、n2:折射率

Λ₂₁₀、Λ₃₁₀:光柵週期

L_π:拍頻長度

第1圖係為一種傳統極化分光器之俯視示意圖；第2圖係為本發明之一實施例之光學極化分光器之示意圖；第3圖及第4圖係為光學訊號於不同多模干涉耦合器中自我成象之示意圖；第5A圖及第5B圖係為第2圖所示之光學極化分光器之第一偏振濾波器之俯視示意圖及場型模擬圖；第6A圖及第6B圖係為第2圖所示之光學極化分光器之第二偏振濾波器之俯視示意圖及場型模擬圖；第7圖係為本發明之一實施例之光學極化分光器之前視示意圖；以及第8圖係為本發明之一實施例之光學極化分光器之兩個極化的波段極化消光比圖。

以下將具體地描述根據本發明的具體實施例；惟，在不背離本發明之精神下，本發明尚可以多種不同形式之實施例來實踐，不應將本發明保護範圍解釋為限於說明書所陳述者。

除非上下文中清楚地另外指明，否則本文所用之單數形式「一」亦包含複數形式，而用語「第一」、「第二」等在本文中係用以闡述各元件或組件，而非該等元件或組件具備必要順序或優先性。此外，所述之方位(如前、後、上、下、兩側、內、外等)係為相對方位，可依據光學極化分光器的使用狀態而定義，並非指示或暗示光學極化分光器需有特定方向之構造或操作，亦不能理解為對本發明的限制。

各圖中標示尺寸比例、大小為方便示意所繪示，不以此作為限制。

請參閱第2圖所示，其為本發明之一實施例之光學極化分光器10的示意圖。光學極化分光器10可包含一多模干涉耦合器100、一第一偏振濾波器200及一第二偏振濾波器300，各組件之技術內容將依序說明如下。

多模干涉耦合器100可包含一入口110、一第一出口120、一第二出口130。多模干涉耦合器100更可具有一多模態波導區域101，設置於入口110以及一第一出口120與一第二出口130之間，其輪廓可例如為矩形。入口110設置於多模態波導區域101的一端，而第一出口120和第二出口130則設置於多模態波導區域101的另一端，其中，多個模態的光學訊號可在多模態波導區域101之中傳遞。

自我成像為多模干涉耦合器的一種特性，當一原始光學訊號S進入多模態波導區域101後，會先分裂而後耦合再分裂，也就是原始光學訊號S的輪廓會不斷在不同拍頻長度處沿傳播方向週期性地再現。當多模態波導區域101較短時，便可在耦合前取得分裂的光學訊號。

本發明之多模干涉耦合器100之入口110用以接收一原始光學訊號S，而當多模態波導區域101的長度L1短於原始光學訊號S的第一次耦合長度時，可從第一出口120輸出第一分光訊號S1，且從第二出口130輸出第二分光訊號S2。在某些實施例中，可使第一分光訊號S1與第二分光訊號S2的能量趨於相同，而在某些實施例中，可使第一分光訊號S1與第二分光訊號S2的能量不趨於相同，可根據實際需求來調整。

原始光學訊號S包含一原始橫電波500以及一原始橫磁波600，經過多模干涉耦合器100的分光處理後，第一分光訊號S1包含一第一橫電波502及一第一橫磁波602，第二分光訊號S2包含一第二橫電波504及一第二橫磁波604。

根據自我成像的原理，當使用不同的多模干涉耦合器，原始光學訊號分裂後第一次耦合的距離也會有所不同。例如參考第3圖所示，若採一般干涉的多模干涉耦合器，原始光學訊號S在進入多模態波導區域101後，會在與入口110相距三倍的拍頻長度L_π的位置上耦合形成完全相同的自我成像，此時若將多模態波導區域101設置為具有二分之三的拍頻長度L_π，便能取得對等分能量的原始光學訊號S。又例如參考第4圖所示，若採對稱干涉的多模干涉耦合器，原始光學訊號S在進入多模態波導區域101後，會在與入口110相距四分之三的拍頻長度L_π的位置上耦合形成完全相同的自我成像，此時若將多模態波導區域101設置為具於八分之三的拍頻長度L_π，即能取得對等分能量的原始光學訊號S。再例如，若採成對干涉的多模干涉耦合器(圖未示出)，則將多模態波導區域101設置為具於二分之一的拍頻長度L_π，即能取得對等分能量的原始光學訊號S。因此，在不同的實施例中，選用適合的多模干涉耦合器，例如對稱干涉及成對干涉的多模干涉耦合器，便可以得知於何種長度L1可於第一出口120及第二出口130取得對等分能量的原始光學訊號S，且相較於一般干涉的多模干涉耦合器具有更小的尺寸。對等分能量的意思是指原始光學訊號S分光後之第一分光訊號S1與第二分光訊號S2的能量理想上相同。此時，第一分光訊號S1中第一橫電波502的能量佔原始光學訊號S中原始橫電波500的能量的一比例(未損耗的能量比率)與第二分光訊號S2中第二橫電波504的能量佔原始光學訊號S中原始橫電波500的能量的一比例(未損耗的能量比率)可以相同或不同，第一分光訊號S1中第一橫磁波602的能量佔原始光學訊號S中原始橫磁波600的能量的一比例(未損耗的能量比率)與第二分光訊號S2中第二橫磁波604的能量佔原始光學訊號S中原始橫磁波600的能量的一比例(未損耗的能量比率)可以相同或不同，可視實際情況來調整。

於一實施例中，第一分光訊號S1與第二光學訊號S2總和之能量，仍至少可有原始光學訊號S之總能量之75%~80%，但於其他實施例中，可視實際情況來調整。

更進一步地，透過以下公式之原理，可藉由調整多模干涉耦合器100的寬度W1及選擇適當的包覆材料(關於包覆材料將於後面說明)，使多模干涉耦合器100被設置為極化不敏感。其中，n _r為導光材料折射率，n _c為包覆材料折射率，W _MMI(於圖中示為W1)為多模干涉耦合器的寬度，W _eff為多模干涉耦合器的等效寬度，λ為原始光學訊號S在自由空間中的波長：

方程式(1)為對最低兩階模態時的拍頻長度，方程式(2)適用於橫電波，方程式(3)適用於橫磁波，當使n _r與n _c具有高折射率差，橫電波與橫磁波的有效折射率差距縮小，W _eff便會近似於寬度W1，且使橫電波之拍頻長度L_π與橫磁波之拍頻長度L_π大致相同，多模干涉耦合器於此條件時，其對於入射光之極化不敏感。如此，分光後之第一橫電波502與第二橫電波504的能量相同，第一橫磁波602與第二橫磁波604的能量相同，且第一分光訊號S1包含之第一橫電波502與第一橫磁波602的能量彼此趨於相同，第二分光訊號S2包含之第二橫電波504與第二橫磁波604的能量彼此趨於相同。

於一實施例中，入口110、第一出口120和第二出口130可各自具有一個錐型輪廓，以作為寬度轉換結構，且分別用以改變原始光學訊號S之寬度、第一分光訊號S1之寬度以及第二分光訊號S2之寬度，以減少原始光學訊號S、第一分光訊號S1以及第二分光訊號S2通過的損失。

於一實施例中，當入口110具有錐形輪廓時，錐形輪廓的長度L2可以大約為1μm，而當第一出口120及第二出口130具有錐形輪廓時，錐形輪廓的長度L3可以大約為5μm。第一出口120及第二出口130的長度L3可以相同或不同，視實際應用情況而定。

於一實施例中，多模干涉耦合器100的一總長度可設置為8.64~9.06μm，較佳地例如為8.85μm，長度L1可設置可以大約為2.84~2.86μm，較佳地例如為2.85μm，寬度W1可設置可以大約為2.06~2.065μm，較佳地例如為2.062μm，包覆層可選為空氣。如此，第一橫電波502與第二橫電波504的能量佔原始橫電波500的能量的比例可分別大約為45%~50%，且彼此趨於相同；第一橫磁波602與第二橫磁波604的能量佔原始橫磁波600的能量的比例可分別大約為45%~50%，且彼此趨於相同。於一實施例中，多模波導區域101與入口110連接處的寬度W2可以大約為0.9~1.1μm，較佳地例如為1μm，多模波導區域101與第一出口120連接處的寬度W3可以大約為0.9~1.1μm，較佳地例如為1μm，而多模波導區域101與第二出口130連接處的寬度W4可以大約為0.9~1.1μm，較佳地例如為1μm。

接著再同時參考第2圖以及第5A圖，第5A圖為第一偏振濾波器200的示意圖。第一偏振濾波器200可包含第一次波長光柵210以及二個分離的波導芯215。第一次波長光柵210包含第一左側區域212、中間區域213及第一右側區域214，該二個波導芯215分別設置在第一次波長光柵210之兩側，波導芯215可以與第一左側區域212重疊或未重疊，波導芯215可以與第一右側區域214重疊或未重疊，其中一側之波導芯215與該第一出口120連接。至少其中之一側之波導芯215可具有一個錐型輪廓，以減少光學訊號通過的損失。第一次波長光柵210可由複數第一波導結構211週期性的排列形成，通過調整第一波導結構211的排列週期與寬度，可使第一次波長光柵210只支持第一橫電波502通過，以達成分極化。也就是，當第一分光訊號S1通過第一偏振濾波器200時，將使第一橫磁波602消散，僅第一橫電波502被繼續傳導，其場型模擬圖如第5B圖所示。

於一實施例中，第一次波長光柵210之光柵週期Λ₂₁₀可以大約為245~255nm，較佳地例如為250nm，工作週期(Duty cycle)可以大約為0.5，第一左側區域212及第一右側區域214分別涵蓋的第一波導結構211的排列週期數量可以大約為34，中間區域213涵蓋的第一波導結構211的排列週期數量可以大約為60。第一次波長光柵210的寬度W₂₁₀之範圍可以大約為1.1μm至1.3μm，以維持較佳地消光比(Extinction ratio,ER)，也就是，最終輸出所要的極化波的能量和不要的極化波的能量的比值較佳。較佳地，在某些實施例中，W₂₁₀可以大約為1.15μm。

接著再請同時參考第2圖及第6A圖，第6A圖為第二偏振濾波器300的示意圖。第二偏振濾波器300可包含第二次波長光柵310以及一個連續的波導芯315。波導芯315相交地貫穿第二次波長光柵310，波導芯315之其中一側與第二出口130連接。波導芯315之至少其中一側可具有一個錐型輪廓，以減少光學訊號通過的損失。第二次波長光柵310可由複數第二波導結構311週期性的排列形成，此結構對於第二橫電波504而言為一布拉格光柵(Bragg gratings)。

詳細而言，第二次波長光柵310包含第二左側區域312、中間區域313及第二右側區域314，波導芯315貫穿此三個區域。第二左側區域312或第二右側區域與第二出口130連接。如此，第二次波長光柵310只支持第二橫磁波604通過，以實現與第一偏振濾波器200不同的分極化。也就是，當第二分光訊號S2通過第二偏振濾波器300時，第二橫電波504將被反射，僅第二橫磁波604通過波導芯315繼續傳導，其場型模擬圖如第6B圖所示。

於一實施例中，第二次波長光柵310之光柵週期Λ₃₁₀可以大約為410~420nm，較佳地例如為415nm，工作週期可以大約為0.6。第二左側區域312及第二右側區域314分別涵蓋的第二波導結構311的排列週期數量可以大約為15，中間區域313涵蓋的第二波導結構311的排列週期數量可以大約為30。第二次波長光柵310的寬度W₃₁₀之範圍可以大約為450nm至550nm，而波導芯315的寬度W_min之範圍可以大約為195nm至240nm，以維持較佳地消光比。較佳地，在某些實施例中，W₃₁₀可以大約為500nm，寬度W_min可以大約為200nm。

接著，請參閱第7圖所示，其為根據本發明之一實施例之光學極化分光器10之前視示意圖。光學極化分光器10具有一高度H，可以大約為250nm。光學極化分光器10可設置於一絕緣層20上，絕緣層20可由二氧化矽組成。另外，一包覆層400用以包覆多模干涉分光器100、第一偏振濾波器200及第二偏振濾波器300。如前所述，包覆層400可為空氣包覆層，但也可替換為其他折射率小於波導折射率之材料，配合寬度W1的調整使第一橫電波502與第一橫磁波602在第一分光訊號中S1的能量趨於相同、第二橫電波504與第二橫磁波604在第二分光訊號中S2的能量趨於相同的效果。

根據上述，可以理解多模干涉耦合器100的長度L1會影響第一分光訊號S1及第二分光訊號S2的能量大小。多模干涉耦合器100的寬度W1及包覆層400的折射率會影響第一分光訊號S1及第二分光訊號S2中第一橫磁波602/第一橫電波502佔原始橫磁波600/原始橫電波500的比例，並間接影響第一偏振濾波器200及第二偏振濾波器300的消光比。第一偏振濾波器200及第二偏振濾波器300的排列週期、波導寬度及工作週期亦直接地影響消光比。傳統的極化分光器是極化與分光同時進行，因此尺寸無法進一步縮減，而本發明所提供的光學極化分光器是由多模干涉耦合器及二個包含不同次波長光柵的偏振濾波器結合而成，可以在維持有效的TE與TM偏振的情況下，具有較傳統極化分光器更小的尺寸。例如，根據本發明之一實施例，光學極化分光器10的總長度可以縮小到45μm，顯著小於傳統極化分光器的尺寸。另外，本發明光學極化分光器10在C波段(1530nm~1565nm)的工作波長中仍維持在極好的消光比，例如第8圖所示之實施例中，橫電波消光比接近15db，而橫磁波之消光比接近17db。

上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。