[发明专利]一种基于非对称垂直狭缝波导的偏振旋转器

说明书

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，尤其涉及一种基于非对称垂直slot波导的偏振旋转器，用于将波导中的一阶TE/TM模转化为一阶TM/TE模。

背景技术

在波导中，模式之间的相互转化会导致入射光脉冲的展宽，增加传输损耗，因此目前在片上互连器件中都采用单模波导。SOI单模波导一般在亚微米量级，其典型尺寸是400nm×220nm，由于其小尺寸和高折射率差，导致了波导内TE模和TM模的有效折射率相差很大，由此引起的偏振模式色散、损耗和对波长的敏感性限制了波导在通信中的应用，因此寻找有效的方法来消除或减小这种效应非常有必要。现在主要有三种办法解决这个问题：偏振无关波导，单偏振模式导通器和偏振分集系统。偏振无关波导对设计和工艺精度要求很高，在实验中难以实现；单偏振模式导通器只允许单一模式通过，抑制另一模式，然后对通过的模式进行处理；偏振分集系统是将一束TE/TM混合入射光经过偏振分束器变成两束不同偏振方向的光，其中一束光首先经过偏振旋转器再经过调制器，而另一束光首先经过调制器再经过偏振旋转器，最后两束光合束输出，由于两条臂的器件结构完全相同，并且两个模式之间相互正交，因此会达到偏振无关的效果。偏振分集系统是近些年提出来，主要包括偏振分束/合束器，偏振旋转器和电光调制器，其中偏振分束器和旋转器担负着将入射光进行分束和偏振模式转换的作用，是偏振分集系统的基本功能器件。

偏振旋转器的基本原理都是基于混合模式，但是从器件结构上分为三种：各种波导形状的偏振旋转器，基于锥形波导(Taper)的偏振旋转器和基于相位匹配的偏振旋转器。各种波导形状的偏振旋转器研究已经很久，前期主要是集中于三五族元素材料上，如，InGaAs，InP，InGaAsP等。现在基于SOI的偏振旋转器，由于器件尺寸小，结构设计简单，转换效率高，因此受到了很多研究人员的注意。基于各种波导形状的偏振旋转器主要是通过在波导上进行二次加工，打破波导的材料或者几何形状上的对称性，从而在波导中产生混合模式，实现模式的转换，但是一般需要多次刻蚀或者湿法腐蚀实现波导结构。基于Taper的偏振旋转器仅仅需要一次刻蚀，将波导宽度从恒定改变为渐变，在宽度改变过程中，由于混合模式的存在从而发生了模式的旋转，省去了多次刻蚀或者湿法腐蚀的过程，大大减小了工艺制作难度。基于位相匹配的偏振旋转器利用不对称的定向耦合器结构。定向耦合器包括两条波导：窄波导和宽波导。当宽波导TM模的有效折射率等于窄波导的TE模的有效折射率时，满足相位匹配的条件，从而使得入射宽波导TM模转化为窄波导TE模，同时保证宽波导TE模不变，该器件不仅实现了偏振转化的效果，而且可以实现偏振分束，简化了偏振分集系统，减小了处理偏振的难度。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种偏振旋转器的新型结构，采用该结构的偏振旋转器转换效率高、带宽大，适于集成。

本发明提供的基于非对称垂直狭缝波导的偏振旋转器，其包括：

入射端波导，其用于导入外部入射的光；

模式转换波导，其用于将TE/TM模入射光转化为TM/TE模出射光；

出射端波导，其用于导出TM/TE模；

其中，入射端波导、模式转换波导和出射端波导均为不对称狭缝波导。。

本发明是利用slot波导代替普通条型波导，使得纵向上材料不同和横向上波导宽度不同，从而打破了器件结构的对称性，使得波导中出现混合模式，实现模式之间的相互转换。与多次刻蚀条型波导的偏振旋转器相比，仅仅需要一次刻蚀就可以实现，省掉了工艺制作中的光刻板之间的精确对准问题；与基于Taper条波导的偏振旋转器相比，该器件模式转换发生在TE一阶模和TM一阶模之间，不支持高阶模的传输，可以避免光传输过程中的高阶模引起的损耗。

附图说明

图1是本发明中偏振旋转器的俯视结构示意图；

图2是本发明中偏振旋转器的横截面结构示意图；

图3是本发明中非对称垂直狭缝波导有效折射率随可变波导宽度的变化图；

图4是本发明中偏振旋转器的模式转换效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1示出了本发明中偏振旋转器的俯视结构图以及工作过程。如图1所示，该偏振旋转器包括：

入射端波导1，其用于导入外部入射的光；

模式转换波导2，其用于将TE/TM模入射光转化为TM/TE模的出射光；