基于空间结构螺旋特性的集成光学偏振转换器制造技术

一种集成光学偏振转换器，包括：多个芯层，用于模拟逐渐扭曲的波导，且其中从初始偏振态绝热变换传播模式到不同的最终偏振态。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及集成光学偏振转换器领域，具体涉及基于模式演变或空间结构螺旋特性的集成光学偏振转换器。
技术介绍
随着光纤通信普及的增长，更精致处理光信号的要求连续地增长。由于集成光学器件可以在单个芯片上集成许多光学功能，集成光学方法有可能满足更精致光信号处理的要求。然而，为了提高功能性和降低每个功能的成本，必须增大芯片上元件的密度。在给定的波长下，介质波导中的模限制是由芯层折射率与包层折射率的对比度确定。对比度越高，模限制就越紧密。紧密限制的结果能够使波导更密集和引导光围绕锐角而没有很大的辐射损耗。由于这些是影响器件密度的两个最重要参数，大致可以这样说，折射率对比度越高，器件密度就越大。然而，随着折射率对比度增大，波导中传播的横电波(TE)模和横磁波(TM)模开始表现不同的特性。在方形波导的平直部分，TE模和TM模以相同的速度传播，而在弯曲部分，TE模和TM模以很不相同的速度传播。此外，在耦合一对方形高折射率对比度(HIC)波导时，TE模和TM模往往以不同的速度耦合。由于大多数集成光学元件对于传播速度和波导-波导耦合是灵敏的，这些效应导致偏振有关的性能，这是一个与远程通信应用中从标准单模光纤射出随机偏振态不相容的结果。补偿这些效应的一种方法是，利用矩形波导结构并改变波导的纵横比以补偿围绕锐角传播的自然差别和/或均衡波导-波导耦合。然而，虽然按照这种方法可以对特定器件补偿这些效应中的某个效应，但随着折射率对比度的增大，就很难或不可能同时补偿芯片上所有的器件。克服HIC集成光路中偏振灵敏度的另一种方法是，利用偏振光分束器(PBS)分割从单模(SM)光纤中射出的随机输入偏振光，耦合输出光到保偏(PM)光纤，扭曲这些PM光纤中的一条光纤90°，和耦合两条光纤到集成光路芯片上的分开路径。在这些路径中的每条路径上，相同的结构用于独立地处理两个分量。在输出端，通过耦合到另一对PM光纤，扭曲以前没有扭曲的路径上PM光纤，和耦合这两条光纤到有SM光纤输出端的另一个PBS，使这些分量被重新组合。这种方法通常称之为“偏振分集”方案，虽然这种方法在体光学元件上是可行的，但它是麻烦的。对准PM光纤是困难和昂贵的。此外，为了保留信号的完整性，路径长度必须匹配到至少1/10的位长内(即，假设折射率为1.5，则对于10Gb/s信号约为2mm，对于40Gb/s信号约为0.5mm)。较好的一种方法是，集成PBS的分束功能和扭曲PM光纤的旋转功能到集成光学芯片上。这样做可以免除对准PM光纤的需要，且利用光刻法可以容易地匹配光程长。人们已提出几种集成光学偏振光分束器和旋转器(或转换器)。然而，至今提出的大多数器件依靠一对波导模的耦合。基于耦合模的器件一般具有波长灵敏度，这是波导结构中传播的超模色散差造成的。此外，这种方法对于加工误差非常灵敏。即使波导几何结构或间隔有微小的变化，它对器件性能产生重大的影响。一种制成偏振光分束器或旋转器的较好方法是利用模式演变原理。通过对波导几何结构作逐渐(或绝热)变化，可以调节波导中的模式以及分开或旋转偏振态。这种方法仅要求模式之间不交换功率，通过正确设计波导和结构的缓慢演变可以确保不交换功率。由于防止模式耦合是相对宽松的要求，基于模式演变的器件往往是波长不灵敏的并允许加工误差。人们已提出和演示可以制成基于模式演变的偏振光分束器，然而，这种方法的缺点是需要多种波导材料，此外，至今还没有建议利用模式演变原理的偏振转换器。一般地说，本专利技术的一个目的是利用基于模式演变或空间结构螺旋特性(slructuralchirality)的集成光学器件把TM输入偏振光转换成TE输出偏振光或相反的过程。本专利技术的另一个目的是，这种器件是波长不灵敏的，容许加工误差，以及仅要求构造单种材料系统。根据以下的详细描述和附图，本专利技术的这些和其他目的对于本领域专业人员是显而易见的。
技术实现思路
按照本专利技术的一个特征，提供一种集成光学偏振转换器。集成光学偏振转换器包括多个芯层，用于模拟逐渐扭曲的波导，且其中从初始偏振态绝热变换传播模式到不同的最终偏振态。按照本专利技术的另一个特征，提供一种形成集成光学偏振转换器的方法。该方法包括接收初始偏振态。此外，该方法包括形成多个芯层，用于模拟逐渐扭曲的波导，且其中从初始偏振态绝热变换传播模式到不同的最终偏振态。附图说明图1是扭曲波导的示意图；图2是利用三个绝热变细芯层的偏振转换器示意图；图3A-3B是在本专利技术波导中传播的基模电场灰阶图像；图4是具体实施图2中器件的性能作为该器件长度的函数曲线图；图5是具体实施图2中器件的性能作为电磁场波长的函数曲线图；图6是利用三个绝热变细和分开芯层的偏振转换器示意图；图7是利用绝热变细中层和绝热分开上、下芯层的偏振转换器示意图；图8是具体实施图7中器件的性能作为该器件长度的函数曲线图；图9是具体实施图7中器件的性能作为电磁场波长的函数曲线图； 图10是仅利用绝热变细和分开的两个芯层的偏振转换器示意图；图11是具体实施图10中器件的性能作为该器件长度的函数曲线图；和图12是具体实施图10中器件的性能作为电磁场波长的函数曲线图。具体实施例方式一般矩形介质波导的模式结构是由最小两个导向电磁模，即，TE(或准TE)模和TM(或准TM)模，和非导向(或辐射)电磁模的无限和构成。若矩形波导旋转90°，则它的模式结构也类似地旋转，其中TE模变成TM模，而TM模变成TE模。所以，矩形波导与它的旋转波导之间平滑过渡通过模式演变应能实现偏振转换。然而，对初始结构的一些扰动可以诱发模式之间的耦合。为了使模式演变方法有效，必须禁止模式之间的功率交换。一种使矩形波导与它的旋转波导之间过渡的方法是扭曲它的初始结构。图1是绝热扭曲介质波导100的示意图，它有输入端102和输出端104。扭曲波导100的作用是对矩形波导模式结构的扰动，从而诱发各个导模之间和导模与辐射模之间的耦合。由于导模与辐射模之间的耦合要求强烈的扰动，与辐射模的耦合在慢演变结构中通常是可以忽略的。然而，导模之间的耦合仍保持重要的影响。若图1中的波导100是方形，则导模是退化的，所以它们是以相同的速度传播。扭曲诱发的场耦合沿结构长度的方向相干叠加，且各个模式之间的功率交换是显著的。这是多余的结果，因为扭曲波导100的作用是基于模式演变原理而不是模式耦合。为了防止耦合，利用有很大纵横比的矩形波导，因此，导模以不同的速度传播。在这种情况下，沿结构长度的方向，从一个模式到另一个模式耦合的功率是非相干叠加，只要该结构足够长可以使模式发生移相。当折射率对比度，纵横比，和过渡长度增大时，非相干度也增大，且可以使沿结构长度方向累积的功率交换任意地低。仅在过渡长度变得太短或波导纵横比太小而不能发生移相的情况下，其性能偏离理想的状态。图1中的结构100是波导完全扭曲的理想结构。然而，在实际的器件中，所有这种几何结构应当利用微加工技术制成，它通常要求利用分层过程制成这种结构，其特征是通过光刻法确定。所以，理想的是利用有限层数模拟这种扭曲的波导。此处，层定义为通过波导横截面的水平薄片，它沿垂直方向没有折射率变化。光波导通常是由不同折射率的介质材料制成。一般地说，有较高折射率的材料用作芯层材料，而有较低折射率的材料用作包层材料。具体地说，包层材料定义本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·R·沃茨，赫曼·A·豪斯，马泰奥·凯尔基，
申请(专利权)人：麻省理工学院，皮雷利C有限公司，
类型：发明
国别省市：