一种三维垂直耦合光模式转换‑隔离复合器件制造技术

本发明专利技术公开了一种三维垂直耦合光模式转换‑隔离复合器件及其制备方法，属于光通信技术领域，包括包层、上芯层波导及下芯层波导，包层覆盖上、下两芯层波导；包层、上芯层波导及下芯层波导的折射率分别为n、n

【技术实现步骤摘要】
一种三维垂直耦合光模式转换-隔离复合器件
本专利技术属于光通信
，具体涉及一种三维垂直耦合光模式转换-隔离复合器件。
技术介绍
采用光纤或波导作为传输媒介的光通信技术是满足当前飞速增长的通讯和数据传输的必要手段。与传统通信系统相比，光纤以及波导通信系统具有频带宽、传输容量大、传输损耗小、误码率低和抗电磁干扰能力强等优势。特别是波分复用技术(WDM)在光网络中的应用，有效地实现了光传输网络的扩容。光放大器与波分复用技术相结合的方式结构简单，具有良好的传输性能，为宽带和超长距离传输提供了基础。现有长距离传输系统大部分是基于单模光纤进行的，但预测单模光纤传输系统在2020年左右将会出现容量危机。随着信息流量爆炸式增长，利用这种方法的传输容量已经接近极限。由于时间、频率、偏振利用率已接近极限，因此，需采用新技术才有可能进一步提高光纤的传输容量。在一个空间正交的模式中增加一个自由度的方法，即模分复用技术，可有效增加带宽。模分复用技术是利用不同的光模式来传输更多的信息，目前为止，模分复用技术是在有线传输中唯一没有被有效利用的方法，己经成为了光纤与波导通信的发展方向之一，并被大量的相关文献报道。光隔离器又称光单向器，是一种非互易传输的光纤或波导无源器件。在光纤通讯系统中总是存在很多原因产生的反向光，例如光发射机中光源所发出的信号光，通常是以活动连接器的形式耦合到光纤线路中去，接头中光纤端面间隙会使约4％的反射光向着光源传输。这类反向光的存在，导致光路系统间产生自耦合效应，使激光器的工作变得不稳定和产生反射噪声，光放大器增益发生变化和产生自激，造成整个光纤通信系统无法正常工作。若在激光器输出端和光放大器输入或输出端连接上光隔离器，就可以使问题得到解决。因此，光隔离器的基本功能就是实现光信号的正向传输，同时抑制反向传输，即具有不可逆性。通常情况下，光在各向同性和各向异性介质中的光路是可逆的，因此，光隔离器的设计必须考虑如何打破其可逆性。目前所采用的光隔离器是利用磁光材料对光偏振态调整的非互易性实现光的不可逆传输。但其结构复杂，对磁光材料性能要求较高，工艺制作困难；由于大多采用永磁体，尺寸较大；并且仅能实现光隔离作用。目前，可同时实现光隔离和不同模式之间转换的器件还未被提出。随着信息技术的发展，结合模分复用技术与光隔离技术于一体，且制作工艺简单的器件具有很大发展潜力。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是设计紧凑的器件结构，利用低成本材料和简单工艺，制备可同时实现光隔离，以及光在不同模式之间转换的复合器件，在实现光隔离效果的同时拓展传输信息的容量。类似与电路中的二极管功能，并且由于模式的转化增加了光通信的传输容量。本专利技术通过如下技术方案实现：一种三维垂直耦合光模式转换-隔离复合器件，包括包层、上芯层波导及下芯层波导，包层覆盖上、下两芯层波导，波导上方包层覆盖的厚度为0.5—1μm；包层、上芯层波导及下芯层波导的折射率分别为n、n1、n2，其中n1>n2>n；上、下芯层波导的截面尺寸相同；上、下芯层波导呈X节垂直耦合结构，两芯层波导之间的垂直距离为0.5—0.8μm，两芯层波导之间的角度为0.8—1.0°。进一步地，所述的包层、上芯层波导、下芯层波导的材料均为聚合物材料。进一步地，该复合器件的长度为1000μm-3000μm。该复合器件的工作原理如下：根据已选定材料确定的n1，n2和n，通过有效折射率法可以确定上下两芯层波导两种模式发生谐振时两波导截面的尺寸(即附图2中的谐振点下对应的波导尺寸)，达到模式转换的目的。通过光束传播法可以计算出最佳的芯层间距和两波导之间的角度，使器件达到最大的耦合效率。本器件将下芯层波导的前端(即附图1中的InPortA)作为输入端(同时可作为反向传输时的输出端)，将上芯层波导中的后端(即附图1中的OutPortB)作为输出端(同时可作为反向传输时的输入端)。当光从下芯层波导前端中被正对波导正向输入时，由于光被均匀的输入到波导中，下芯层波导中被激发出的光绝大部分为LP01模式，由于在设计的器件尺寸下(即附图2中的谐振点对应的波导尺寸)下芯层波导中被激发出的LP01模式的光的有效折射率与上芯层波导的LP21a模式的光具有相同的有效折射率，两波导中的光将发生谐振耦合，当两波导具有确定的垂直间距和夹角时，LP21a模式光信号从上层波导中输出，可实现模式转换；光由上层波导反向输入时，同样由于光被均匀的输入到上层波导中，上层波导中被激发出的光大部分为LP01模式的光，由于下芯层波导中各个模式的有效折射率与上层波导中被激发出的LP01模式有效折射率都不同，上下两层波导不发生耦合，光仍然从上芯层波导中输出，从而实现光的单向导通。与现有技术相比，本专利技术所提出的光模式转换-隔离复合器件工艺简单，采用聚合物材料通过湿法显影和刻蚀技术制作，不需要现有隔离器件所采用的复杂磁化材料；采用垂直耦合结构制作，便于三维集成。器件尺寸小，长度仅为2000μm，宽度20μm；可以实现从LP01模式到LP21a模式之间的转换，拓展了光通信的容量，同时反向光隔离度大于50dB。本专利技术适合于大批量生产，可应用于集成光子芯片，或作为分立元件使用。附图说明图1：本专利技术的三维垂直耦合光模式转换-隔离复合器件的结构示意图；其中，图1a为俯视图，图1b为三维立体图，图1c为芯层波导的底端剖面图；图2：光模式转换-隔离复合器件的工作原理；图3：光从InPortA输入时两波导光场分布图；从图中可以看出，此时光可以完全从下层波导耦合到上层波导并转换为LP21a模式的光。图4：光从OutPortB输入时两波导的光场分布图；从图中可以看出，此时上芯层波导中被激发出的LP01模式的光不被耦合到下芯层波导中。下芯层波导中的InPortA中没有光能量输出。图5：光模式转换-隔离复合器件制作流程图；图6：光模式转换-隔离复合器件测试装置图；从可调谐激光器输出的特定波长信号光，经过光纤输入至下层波导中，耦合到上层波导后，接收端通过CCD相机可以检测光正向传输和反向传输过程中光的模式。通过光纤输入光功率计可以检测正向传输的插入损耗；调节激光器输出光的波长范围，测试插入损耗随波长变化；测试完成后，将光纤适配器器件两端的光纤拔出，并转换方向，将输入端的光纤接入到输出端，用来检测反向传输的插入损耗变化；调节激光器输出波长，测量±10nm范围内反向传输时器件的插入损耗。图7：光正向和反向传播时输出光功率对比图(1550nm)；对比了信号光分别为从端口InPortA输入、端口OutPortB输出，以及信号光从端口OutPortB反向输入、端口InPortA输出时，在波长范围1540nm≤λ≤1560nm内，用光束传播法计算获得的输出光能量，隔离度为58dB。图8：光正向和反向传播时输出光功率对比图(650nm)；对比了信号光分别为从端口InPortA输入、端口OutPortB输出，以及信号光从端口OutPortB反向输入、端口InPortA输出时，在波长范围640nm≤λ≤660nm时输出光的能量，隔离度为50dB。具体的实施方式实施例1本专利技术涉及的光模式转换-隔离复合器件及其制作过程如图5所示，具体步骤如下：1)选用硅作为衬底，首先用丙酮溶液清洗硅片，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维垂直耦合光模式转换‑隔离复合器件，其特征在于，包括包层、上芯层波导及下芯层波导，包层覆盖上、下两芯层波导，包层覆盖的厚度为0.5—1μm；包层、上芯层波导及下芯层波导的折射率分别为n、n

【技术特征摘要】
1.一种三维垂直耦合光模式转换-隔离复合器件，其特征在于，包括包层、上芯层波导及下芯层波导，包层覆盖上、下两芯层波导，包层覆盖的厚度为0.5—1μm；包层、上芯层波导及下芯层波导的折射率分别为n、n1、n2，其中n1>n2>n；上、下芯层波导的截面尺寸相同，上、下芯层波导呈X节垂直耦合结构。2.如权利要求1所述的一种三维垂直耦合光模式转换-隔离复合器件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙小强，何国冰，张大明，王菲，姬兰婷，陈长鸣，衣云骥，王希斌，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22