[发明专利]一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器

说明书

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器。该隔离器由依次连接的单模波导单元、多模波导单元和单模波导单元组成，且光波沿其传输，隔离器各波导单元所有波导均采用同一片SOI基片作为底层。各波导单元由至少一个对应的波导构成。多模波导单元中：第一多模波导从上到下依次为低折射率层、磁光薄膜层、半导体波导薄膜层和低折射率层；第二多模波导从上到下依次为低折射率层、半导体波导薄膜层、磁光薄膜层、半导体波导薄膜结构层和低折射率层。通过使多模干涉波导的宽度和单模波导一致，实现模式呈纵向分布。本发明实现了单向磁化下的MMI光隔离器结构，简化了磁场施加方法，使器件容易制备和封装。

技术领域

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器。

背景技术

随着通信网络系统对传输带宽日益增大的需求，光通信和光互连技术逐渐向高集成度,高带宽,低能耗方向发展。为提高系统传输带宽和数据稳定性，光路中后向散射和反射已成为一个必须解决的重要问题。各种原因产生的后向传输光会对光源以及放大器等光学元器件的稳定工作产生不利影响。由此出现了一种只允许光线沿光路正向传输的非互易性无源器件——光隔离器。

目前在光通信中广泛使用的光隔离器为分立器件,器件尺寸大,成本高，封装困难。随着集成光学技术的发展，日益需要将光隔离器实现单片集成，以减小器件尺寸，提高集成度和可靠性，并降低成本。基于波导结构磁光非互易性的光隔离器具有兼容性好,无源,成本低等特点,是集成光学系统研究的核心器件。

目前已报道的磁光波导隔离器,按其工作原理的不同主要可分为三种(1)模式转换型,这类器件需通过模式匹配，实现TE和TM模式的非互易转换,主要问题是制作容差小；(2)非互易损耗型,这类器件需要利用高损耗磁光金属,器件损耗高；(3)非互易相移(NRPS)型,利用基于半导体和磁光材料多层薄膜波导器件结构的相位传输非互易性，实现光隔离，具有工艺容差高，器件设计灵活等优点。

多模干涉(MMI)磁光隔离器是上述非互易相移(NRPS)型磁光隔离器中的一种，它利用模式间非互易相移的不同实现光隔离，具有以下优点:无须精确的相位匹配,结构紧凑,制作工艺简单。目前已提出的MMI磁光隔离器的问题主要在(1)器件结构基于GGG基片上外延的磁光薄膜材料，不能实现半导体集成。(2)已提出的半导体集成MMI磁光隔离器需要多方向磁化磁光材料，难以实现磁场的集成或封装，制备困难。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为实现尺寸小，磁场易于施加，器件易于封装和制备的需求。本发明提供了一种单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器，该隔离器是基于半导体波导结构和磁光薄膜材料的多模干涉型光隔离器。

上述单向磁化半导体波导集成多模干涉磁光隔离器由依次连接的单模波导单元、多模波导单元和单模波导单元组成，且隔离器各波导单元所有波导均采用同一片SOI基片作为底层，即低折射率层。隔离器的外加磁场方向垂直于光波导中光传播方向。多模波导的宽度和单模波导一致。

单模波导单元，由至少一个单模波导构成。单模波导从上到下依次为：厚度2um-3um的低折射率层、厚度400nm-700nm的半导体波导薄膜层和厚度2um-3um的低折射率层，结构支持单模光传输。波导最下层的低折射率层宽度不小于500nm，其他各层的宽度为500nm。

多模波导单元由至少一个第一多模波导和/或第二多模波导构成。

第一多模波导从上到下依次为：厚度2um-3um的低折射率层、厚度200-350nm的磁光薄膜层、厚度400nm-600nm的半导体波导薄膜层和厚度2um-3um的低折射率层，且在垂直于薄膜表面方向上存在两个或以上的模式传播。波导最下层的低折射率层宽度不小于500nm，其他各层的宽度为500nm。