[发明专利]硅基偏振旋转器转换光信号偏振态的方法

说明书

本发明提出了硅基偏振旋转器转换光信号偏振态的方法，该硅基偏振旋转器包括依次级联的模式转换器和非对称多模波导光栅，所述的模式转换器由三级锥形波导级联而成；所述模式转换器，将输入光信号的磁场方向与传播方向垂直的横磁模基模即TM₀模式转换为电场方向与传播方向垂直的一阶横电模即TE₁模式输出到非对称多模波导光栅，以及将从非对称多模波导光栅反射回来的TE₁模式转换为TM₀模式，而输入光信号的电场方向与传播方向垂直的横电模基模即TE₀模式的传输不改变偏振态；所述非对称多模波导光栅，将从模式转换器输出的TE₀模式反射为TE₁模式输入回模式转换器，转换为TM₀模式，并将从模式转换器输出的TE₁模式反射为TE₀模式，输入回模式转换器，偏振态不变。

技术领域

本发明涉及一种硅基光子集成偏振转换技术，属于集成光子学技术领域。

背景技术

近年来，由于具有高集成性、CMOS工艺兼容等特性，基于绝缘体上硅(SOI)工艺的硅基光子集成技术被认为最有希望实现大规模光子集成，有望在光通信、数据中心、高性能计算机、生物传感、量子信息处理等多个领域发挥重要作用。在硅基集成光无源器件中，集成偏振旋转器由于可以实现偏振态的调控，在许多方面具有重要的意义。

一方面，硅基光波导中通常支持TE(电场方向与传播方向垂直的横电模)和TM(磁场方向与传播方向垂直的横磁模)偏振态传输，但是很多片上集成硅基光子器件要求工作在特定的TE或者TM偏振态，因此就需要针对需求在片上特定位置加入偏振旋转器来实现TE和TM偏振态的转换，从而保证片上器件正常工作所需的偏振条件。另一方面，随着通信速率的提高，人们对于偏振复用技术的需求越来越高，这类系统需要利用偏振旋转器对信号的偏振态进行转换，从而实现偏振复用。另外，在新兴的硅基量子器件中，偏振纠缠对的产生和调控是这类器件的基本任务，因而偏振旋转器在这类器件中发挥着核心作用。可以看出，硅基偏振旋转器在相干光通信、片上光互联、光信号处理以及量子信息处理上发挥着重要作用，因此该器件一直是人们研究的重点。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于模式转换器和非对称多模波导光栅的硅基偏振旋转器，可以解决相关技术中偏振旋转器工艺复杂的问题。

技术方案：本发明的硅基偏振旋转器转换光信号偏振态的方法为：该硅基偏振旋转器包括依次级联的模式转换器和非对称多模波导光栅，所述的模式转换器由三级锥形波导级联而成；

所述模式转换器，将输入光信号的磁场方向与传播方向垂直的横磁模基模即TM₀模式转换为电场方向与传播方向垂直的一阶横电模即TE₁模式输出到非对称多模波导光栅，以及将从非对称多模波导光栅反射回来的TE₁模式转换为TM₀模式，而输入光信号的电场方向与传播方向垂直的横电模基模即TE₀模式的传输不改变偏振态；

所述非对称多模波导光栅，将从模式转换器输出的TE₀模式反射为TE₁模式输入回模式转换器，转换为TM₀模式，并将从模式转换器输出的TE₁模式反射为TE₀模式，输入回模式转换器，偏振态不变。

所述的硅基偏振旋转器自下而上依次由层叠的二氧化硅下包层、单晶硅芯层、氮化硅上包层构成，芯层由所设计的依次级联的模式转换器和非对称多模波导光栅构成。