[发明专利]一种硅基可调偏振旋转器件

说明书

本发明公开了一种硅基可调偏振旋转器件，硅基可调偏振旋转器的设计和制作基于平面光波导技术和半导体工艺，可实现波导中TEO和TMO偏振态之间的动态可调转换；该可调偏振旋转器主要包含三个功能器件：101.对称偏振旋转分离器件，102.相移臂，103.反向的对称偏振旋转分离器件；功能器件101结构上可以由绝热的耦合器或者非对称双层taper加对称分支实现，功能器件102结构上可以是电光的也可以是热光的，功能器件103可以由绝热的耦合器或者非对称双层taper加对称分支实现；相比以往的各种可调偏振旋转器件，该器件基于硅基平面光波导技术，具有CMOS兼容的优点，且器件结构简单，制作工艺简单。

技术领域

本发明属于光电子技术和平面光波导集成领域，涉及一种硅基可调偏振旋转器件。

背景技术

近年来，为了突破“电子瓶颈”的局限，光子作为新的信息的载体得到了广泛的重视。在长距离通信领域，光通信以高带宽、低损耗等优势取得了巨大的成功；随着技术的发展，光通信将朝着更高的集成密度和更短传输距离发展，即光器件的规模化和单片集成化。由于硅材料具有大的晶圆面积、CMOS工艺兼容等优势，利用硅波导体系实现集成光学的方案受到了越来越广泛的关注。目前，在SOI(Silicon on Insulator)材料上已经实现了多种无源器件以及有源的调制器、光开关等，具有良好的发展前景。

由于SOI材料大的折射率差，硅波导中TE0模和TM0模的有效折射率、损耗、色散特性都有较大的不同，硅基光波导器件一般具有高度的偏振敏感特性。尽管很多硅波导器件能够有效地工作在单一的TE0偏振态，在波导内实现动态的偏振控制对硅基光子学的发展具有重要意义。一方面，虽然目前在硅波导内很容易实现光场的振幅、相位、波长的动态控制，但是，实现对光场基本性质之一的偏振态的动态控制还非常的困难。另一方面，偏振调制、偏振复用、量子计算和偏振分集等应用亟需可调的偏振旋转器件，尽管市场上已经有商用的铌酸锂和砷化镓可调偏振旋转器件，硅基的可调偏振旋转器件由于其CMOS兼容、便于大规模生产等特性能够有效的降低成本。

硅基无源偏振旋转器件已经有多种实现方法，原理上可以分为基于模式演化的器件和基于模式干涉的器件，很多无源器件已经可以达到很好的性能，例如大制作容差、大光学带宽、低损耗、高消光比。但是，很少有关于CMOS工艺兼容、简单结构的动态可调偏振旋转器件的报道。文献“一种大制作容差的可调偏振旋转机制”(”Highly tolerant tunablewaveguide polarizationrotator scheme”，OL.37,3534-3536(2012))中提出的可调偏振旋转器件，需要可调的偏振相关相移器，但是硅波导的偏振相关相移特性较弱，导致这种机制的可调偏振旋转器件尺寸过长，不利于大规模集成。文献“Electrically tunableoptical polarization rotation on a silicon chip using Berry’s phase”(NC.5(2014))提出的硅基可调偏振旋转器件，并不是完全的平面波导结构。文献“一种基于标准有源硅基平台的偏振旋转分离器件”(“Polarization rotator-splitters in standardactive silicon photonics platforms”，OE.22,3777-3786(2014))提出了一种基于一般偏振分离旋转器件和2×23dB耦合器的可调偏振旋转器件，为实现TE0和TM0偏振态之间的动态可调变化，至少需要2个一般偏振分离旋转器件和2个3dB耦合器。

为实现波导内偏振态的动态可调变化，本发明拟提出一种基于对称偏振旋转分离器的机制。该机制具有CMOS工艺兼容、大宽带的、大消光比、低插损等特性，结构上只需要两个对称偏振旋转分离器件和一个相移臂，器件的可调性利用硅波导的热光或者电光效应，调节过程简单。

发明内容