一种波导型偏振模式转换器制造技术

本发明专利技术公开了一种波导型偏振模式转换器。它由包含衬底层，覆盖层和芯层的常规的介质波导构成。芯层由一个Ｌ型转换波导首尾分别连接着一个矩形输入波导和一个尺寸不同于输入波导的矩形输出波导构成；也可以由一个Ｌ型转换波导首尾分别通过一个锥形过渡波导，连接着一个矩形输入波导和一个尺寸等同于输入波导的矩形输出波导构成。本发明专利技术可以实现不同尺寸或同种尺寸的矩形波导之间的偏振模式转换。被实施偏振转换的输入波导尺寸变化范围宽，很容易满足单模条件。本发明专利技术结构简单，所需制作工艺成熟，尺寸紧凑，偏振转换效率高，频带宽且易于集成，可在单偏振模式运行的光学集成回路中得到广泛应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及偏振模式转换器，尤其涉及一种波导型偏振模式转换器。技术背景因为光波的矢量特性及电场和磁场在边界处的不同边界条件，波导中广泛 存在着两种不同的偏振模式。实际波导中的两种模式往往是非简并的，有不同 的传播常数，对外加激励有不同响应，因而产生了偏振模色散、偏振损耗依赖 (相关)、波长偏振相关等问题。近来，针对波导的偏振问题，有两种不同的研 究途径，其一是通过优化器件结构或补偿的方法来实现偏振无关特性；其二是 让器件始终处于单偏振模工作状态(如H. Fukuda. et al， Opt. Exp, vol. 16, 4872-4880,2008)。光学偏振模式转换器(Polarization converter)是用于转换两种 偏振模式的器件，广泛的应用于上述两种偏振光学回路。偏振转换器件以往采 用电光或热应力等有源方法来制作，该方法便于调节但工艺复杂且成本较高。 倾斜的波导结构是另一种被广泛讨论的偏振转换方法，其转换效率高，但倾斜 的波导坡面的引入大大增加了工艺制作的难度。研究表明，多节无源波导交替 连接可以被改进为单节波导， 一次性实现偏振转换，其结构为有45。模式偏振光 轴的倾斜截面型波导(B. M. A. Rahman et al， J. Lightwave. Technol. Vol. 19, 512-519， 2001)和切角型波导(Z. C. Wang et al， J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 25, 747-753: 2008)，或是锥形过渡型波导(M. R. Watts et al， Opt. Lett. Vol. 30, 138-140, 2005)。 上述文献所提及的切角型波导制作简单、转换效率高，但限于两种偏振模式同 时存在的、相同的输入输出波导。所提及的锥形过渡型波导因锥形结构的引入 也增加了设计的困难。本专利技术继承了上述两种结构中的优点，提出了一种波导 型偏振模式转换器，其输入和输出波导既可以各自支持一种不同的偏振模式， 也可以同时支持两种偏振模式，设计简单，级联功能强，制作容差大，应用于 单偏振模式运行的光学回路具很大优势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种波导型偏振模式转换器，是有关利用45°模式偏 振光轴的L型波导来实现偏振模式转换的集成光学器件。 本专利技术采用的技术方案如下一、 一种波导型偏振模式转换器包括衬底层，覆盖层和芯层。所述的芯层是由L型转换波导首尾分别连接 矩形输入波导和尺寸不同于矩形输入波导的矩形输出波导构成。所述的矩形输入波导的高和宽分别等于L型转换波导的高和其截面左侧竖 起部分的宽；矩形输出波导的宽和高分别等于L型转换波导的宽和其截面下侧 水平部分的宽。所述的覆盖层的折射率和L型转换波导的芯区截面尺寸使L型转换波导的 模式偏振光轴方向角为45°。所述的矩形输入波导和矩形输出波导只支持准TE模式、或只支持准TM模 式、或同时支持准TE模式和准TM模式。二、另一种波导型偏振模式转换器包括衬底层，覆盖层和芯层。所述的芯层是由L型转换波导首尾分别通过 锥形过渡波导，连接着矩形输入波导和尺寸等同于矩形输入波导的矩形输出波 导构成。所述的覆盖层的折射率和L型转换波导的芯区截面尺寸使L型转换波导的 模式偏振光轴方向角为45°。所述的矩形输入波导和矩形输出波导只支持准TE模式、或只支持准TM模 式、或同时支持准TE模式和准TM模式。本专利技术具有的有益的效果是本专利技术所涉及的偏振转换器可以实现不同尺寸或同种尺寸的矩形波导之间 的偏振模式转换，且仅用两步刻蚀工艺即可实现。此外，被实施偏振转换的输 入波导尺寸变化范围宽，很容易满足单模条件，适合于单偏振模式运行的光学 集成回路。本专利技术继承了使用L型转换波导实现偏振转换得优点，结构简单， 所需制作工艺成熟，尺寸紧凑，偏振转换效率高，频带宽且易于集成，可在集 成光学回路中得到广泛应用。 附图说明图1是一种偏振转换器的结构示意图。 图2是另一种偏振转换器的结构示意图。 图3是L型转换波导的截面图。图4是不同尺寸下，折射率分布关于y=;c完全对称的L型转换波导完成一 次模式转换所需长度。图5是结合数值方法所解波动方程和经典解析公式得出的断面耦合损耗。 图6是基于时域有限差分方法验证器件的偏振转换功能的模拟图。图6(a)是x-z平面中，光波的五y场在器件中的的行进图。 图6(b)是x-z平面中，光波的&场在器件中的的行进图。 图7是在波导对称性破坏后，模式偏振光轴方向角随覆盖层折射率的变化 关系图。图7(a)是『=//=0.4|11111情况下，『e和i/e值不相等时，模式偏振光轴方向角随覆盖层折射率的变化关系。图7(a)是『^//f0.15^im情况下，『和//值不相等时，模式偏振光轴方向 角随覆盖层折射率的变化关系。图8是两步刻蚀过程中所需的光刻版图型。图8(a)是第一块光刻版图型。图8(b)是第二块光刻版图型。图中1.衬底层，2.覆盖层，3.L型转换波导，4.矩形输入波导，5.矩形输 出波导，6.锥形过渡波导，7.矩形输出波导。具体实施方式如图1所示，本专利技术包括衬底层l，覆盖层2和芯层。所述的芯层是由L型 转换波导3首尾分别连接矩形输入波导4和尺寸不同于矩形输入波导的矩形输 出波导5构成。所述的矩形输入波导4的高和宽分别等于L型转换波导3的高和其截面左侧 竖起部分的宽；矩形输出波导5的宽和高分别等于L型转换波导3的宽和其截 面下侧水平部分的宽。所述的覆盖层2的折射率和L型转换波导3的芯区截面尺寸使L型转换波导 3的模式偏振光轴方向角为45°。所述的矩形输入波导4和矩形输出波导5只支持准TE模式、或只支持准 TM模式、或同时支持准TE模式和准TM模式。如图1所示，本专利技术包括衬底层l，覆盖层2和芯层。所述的芯层是由L型 转换波导3首尾分别通过锥形过渡波导6，连接着矩形输入波导4和尺寸等同于 矩形输入波导的矩形输出波导7构成。所述的覆盖层2的折射率和L型转换波导3的芯区截面尺寸使L型转换波导 3的模式偏振光轴方向角为45°。所述的矩形输入波导4和矩形输出波导7只支持准TE模式、或只支持准TM 模式、或同时支持准TE模式和准TM模式。本专利技术提出了图1和图2所示的基于两步刻蚀工艺的波导型偏振转换器。现简要叙述本专利技术实现偏振转换的工作机理。作为最常见的二维平面波导，矩形阶跃折射率波导的波导模式不存在纯粹的TE模和TM模，但有两类模式能 近似的满足波动方程的边界条件， 一类偏振方向近似为x方向的K皿模，称作 准TE模，其主要电场分量为仏和/^,而A和/^相对很小；另一类与此正好相 反，为偏振方向近似指向^轴方向的F皿模，称作准TM模，其主要电场分量为 &和/&而&和i/y相对很小。作为本征模式，这两种模式可在矩形波导中稳 定传输下去，而不发生模式转换。当波导在水平方向和竖直方向上的轴对称性 被破坏后，如波导被制作成斜坡状，或添加、或切除一块折射率区(如图3所示) 等，波导原有的沿x轴和y轴的准偏振特性不再存在，而产生了新的混合模式 (Hybrid modes),这种模式沿x和>;方向偏振的场分量的大小可以比拟。也可以 认为这种混合模式的偏振方向指向的不再是x轴和;本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导型偏振模式转换器，包括衬底层（１），覆盖层（２）和芯层，其特征在于：所述的芯层是由Ｌ型转换波导（３）首尾分别连接矩形输入波导（４）和尺寸不同于矩形输入波导的矩形输出波导（５）构成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周海峰，江晓清，王婉君，孙一翎，杨建义，郝寅雷，王明华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]