[发明专利]增加的容差的偏振转换器

说明书

发明领域

本发明一般地涉及光学设备。更特定地，其涉及用在光子集成电路内的偏振转换器。

背景技术

将光学功能整合入光子集成电路(PIC或“光芯片”)是吸引研究者越来越多的注意的发展中的技术。在PIC中，通过将基本光学组件囊括到一起而创建光学功能。这些组件中的一个是偏振转换器(或偏振旋转器)，它用于控制芯片中的光的偏振状态。此举是重要的，因为平面几何形状通常导致依赖于偏振的操作，并且因为一些应用是基于偏振的(例如电信应用中的偏振复用)。PIC中的偏振操控对于集成电路芯片的无关偏振的操作、以及对于类似偏振复用和偏振切换的功能也是重要的。理想的偏振转换器将是短的低损失无源组件，可被实现在PIC的标准制造中。然而，为了实现这样的理想仍存在尚未解决的挑战。

对于偏振转换器已作出一些提议。这些提议中最有前途的看上去是斜侧壁设备，其作为类似于半波片的集成光学器件操作。然而，获得可接受的转换水平的容差是相对狭窄的。例如，对高于95％的转换效率来说，宽度偏差应当保持低于50nm。

因此，由于它们严格的制造容差，本领域已知的偏振转换器不足以使它们在商业上具有吸引力。

发明内容

本发明提供具有改进的制造容差的偏振转换器。发明人已发现，现有设备中的容差的根源以及如何在新颖的两段式偏振转换器设计中补偿制造误差。新的设备使制造容差和波长范围加倍，并允诺高于99％的转换效率。

发明人已发现，现有偏振转换器的有限容差的主要原因在于控制设备中的偏振状态(这里也称波导的偏振模)的困难，导致这些状态的取向误差。例如，现有的波导偏振转换器经常依赖于具有相对被转换的输入和输出偏振状态处于±45°的偏振状态的波导模。实践中，已发现这种偏振转换器的性能由与这个±45°条件的偏差(即倾斜误差)所主导。这些偏差可源自不理想的制造。由此，制造对这种角误差的影响是偏振转换器的制造诱发的性能变化的主要来源。

为了克服这些问题，本发明提供一种新颖的偏振转换器设计，它将常规的转换器段与镜像的横截面结合。因此，获得相同大小但具有相反符号的取向误差。换言之，包括是了彼此镜像的两段的偏振转换器将补偿取向误差。这两个段优选地在同一制造中制造，以同一材料制造，且同一温度和光波长下操作。因此，它们将具有相同大小的制造误差。

本发明提供一种光学偏振转换器设备，其包括第一偏振转换器段和第二偏振转换器段；其中第一偏振转换器段和第二偏振转换器段具有彼此的镜像横截面，并且其中第一偏振转换器段和第二偏振转换器段由共同材料制造并具有大小相等且符号相反的取向(例如倾斜)误差。本发明还涵盖包含这类光学偏振转换器设备的光子集成电路。

在根据本发明的偏振转换器的优选实施例中，一个段具有原始(单段，非容差)偏振转换器的长度的一半，而另一个段是原始偏振转换器长度的一倍半，即1：3的比例。如果L₀是单段偏振转换器的长度，则经补偿的偏振转换器中的相应长度是L₁＝0.5L₀和L₂＝1.5L₀。因此，总计地，设备长度被加倍。除去对制造误差的校正，新设备也校正由温度和波长造成的误差，这也意味着相对于操作条件的容差被大为改进。

在其他实施例中，第一偏振转换器段和第二偏振转换器段可具有其它长度。例如，在一些实施例中，它们具有3：5或5：7的长度比。例如L₁＝1.5L₀且L₂＝2.5L₀，或L₁＝2.5L₀且L₂＝3.5L₀。更一般地，在本发明的一些实施例中，第一偏振转换器段和第二偏振转换器段可分别具有长度L₁、L₂，其中对于非负整数M,N,m，L₁＝(M+0.5)L₀,L₂＝(N+0.5)L₀，|M-N|＝2m+1。所有这些配置校正倾斜误差。然而，由于相位误差没有被校正并且其效果随着总设备长度增加，因此优选实施例是具有校正倾斜误差的最小长度。优选地，设备被构造成使小于0.2弧度，其中是在沿L_O长度传播之后的模之间的相移误差。