[發明專利]一種硅基偏振旋轉器及其控制光信號偏振態的方法

在審

• 申請號: 201710806627.X
• 申請日: 2017-09-08
• 公開（公告）號: CN109471273A
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 李漁;陳明華;華鋒
• 申請（專利權）人: 中興光電子技術有限公司;清華大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 李紅爽;龍洪

本發明公開了一種硅基偏振旋轉器及其控制光信號偏振態的方法，涉及集成光子學領域。本發明公開的硅基偏振旋轉器，包括，依次級聯的第一錐形波導結構、非對稱定向耦合結構和第二錐形波導結構，所述非對稱定向耦合結構包括以設定間距平行設置的兩個寬度不同的波導臂，其中，所述非對稱定向耦合結構的兩個波導臂中寬度較窄的波導臂為第一波導臂，與所述第一錐形波導結構直接連接，寬度較寬的波導臂為第二波導臂，與所述第二錐形波導結構直接連接。

技術領域

本發明涉及集成光子學領域，尤其涉及一種SOI工藝平臺上的硅基光子集成偏振旋轉器。

背景技術

近年來，由于具有高集成性、CMOS工藝兼容等特性，基于SOI工藝的硅基光子集成技術被認為最有希望實現大規模光子集成，有望在光通信、數據中心、高性能計算機、生物傳感、量子信息處理等多個領域發揮重要作用。在硅基光子技術的無源器件中，集成偏振旋轉器由于可以實現偏振態的調控，在許多方面都具有重要的意義。

一方面，很多片上硅基光子系統要求工作在單模狀態，即要求僅有一種偏振態存在。然而外部輸入光不可避免的存在兩種方向的偏振態，此時就需要在系統的前端加入偏振旋轉器來調控輸入的偏振態，從而保證單模工作的條件。另一方面，隨著通信速率的提高，人們對于偏振復用技術的需求越來越高，這類系統需要利用偏振旋轉器對信號的偏振態進行控制，從而實現偏振復用。另外，在新興的硅基量子器件中，偏振糾纏對的產生、操作和控制是這類器件的基本任務，因而偏振旋轉器在這類器件中發揮著核心作用。可以看出，硅基偏振旋轉器在相干光通信、片上光互聯、光信號處理中以及量子信息處理上發揮著重要作用，因此該器件一直是人們研究的重點。

目前，對于硅基光波導技術平臺上，實現偏振模式旋轉的器件，主要基于兩種方法。一種方法是基于模式絕熱演化的原理，通過逐漸改變光波導截面的幾何尺寸比例的方式，例如將截面尺寸為400nm(寬)x 200nm(高)的波導逐漸變化為截面尺寸為200nm(寬)x400nm(高)的波導，輸入為TE0模式的就會逐漸旋轉為TM0模式輸出。反過來則實現TM0模式輸入，TE0模式的輸出；其存在的問題是，器件需要進行至少兩次刻蝕，因而工藝復雜度較高和器件的制造成本也較高。另一種方法則是在波導中引入偏振敏感材料進行輔助，例如在波導側壁加入金納米線或銅納米線等金屬材料構成的納米線，利用金屬材料的表面等離子體激元(SPP)效應來實現模式的旋轉。這種方法存在的問題是，金屬材料的引入增加了加工復雜度，導致器件損耗較大，對工藝的容差較小。

發明內容

本文提供一種硅基偏振旋轉器及其控制光信號偏振態的方法，可以解決相關技術中偏振旋轉器工藝復雜的問題。

本文公開了一種硅基偏振旋轉器，包括，依次級聯的第一錐形波導結構、非對稱定向耦合結構和第二錐形波導結構，所述非對稱定向耦合結構包括以設定間距平行設置的兩個寬度不同的波導臂，其中，所述非對稱定向耦合結構的兩個波導臂中寬度較窄的波導臂為第一波導臂，與所述第一錐形波導結構直接連接，寬度較寬的波導臂為第二波導臂，與所述第二錐形波導結構直接連接；

所述第一錐形波導結構，用于將輸入光信號的TE0模式變換為有效折射率與所述非對稱定向耦合結構中第二波導臂的TE1和TM0混合模式的有效折射率相同的光信號；

所述非對稱定向耦合結構，用于將通過所述第一錐形波導結構變換后的光信號的TE0模式，耦合到非對稱定向耦合結構的TE1和TM0混合模式中；

所述第二錐形波導結構，用于將耦合到所述非對稱定向耦合結構的TE1和TM0混合模式的光信號變換到TM0模式輸出。

可選地，上述硅基偏振旋轉器中，所述第一錐形波導結構的輸入側的寬度大于輸出側的寬度，所述輸入側的寬度與硅基光子片上系統的標準波導的寬度相匹配，所述第一錐形波導結構的輸出側的寬度與所述非對稱定向耦合結構中第一波導臂的寬度相同。