光波导偏振分离器及其制造方法技术

本发明专利技术是一种关于输入光信号的偏振状态分离装置，尤其涉及一种光波导偏振分离器及其制造方法，包括至少三根波导，每个波导均具有一个输入端口与一个输出端口，相邻光波导之间具有间隙通过倏逝波耦合；其中至少一根光波导为输入波导，其余波导为输出波导；输入波导输入端口位于输入平面，偏振光通过输入平面输入到输入波导中；输出波导的输出端口位于输出平面；其中至少一根输出波导支持TE偏振模式，输出TE偏振模式；至少一根输出波导支持TM偏振模式，输出TM偏振模式；输入平面与输出平面之间的区域为绝热渐变区域。其主要用途是在平面光波回路中，需要将输入光信号按横电模(TE)和横磁模(TM)进行几何分离和输出。

【技术实现步骤摘要】
光波导偏振分离器及其制造方法
本专利技术是一种关于输入光信号的偏振状态分离装置，尤其涉及一种光波导偏振分离器，其主要用途是在平面光波回路中，需要将输入光信号按横电模(TE)和横磁模(TM)进行几何分离和输出。
技术介绍
光是具有两个主要且正交的偏振态或矢量方向组成的矢量场。在自由空间光学中，它们有时被称作S和P偏振光，而在光波导中被称作TE(橫电场)和TM(横磁场))模式。光波导和光学器件通常是偏振敏感的，也就是说器件的光学响应会随光的偏振态而发生变化。在以绝缘体为基底的集成光学中这种现象尤为明显。通常，我们希望光学器件具有偏振不敏感特性，即其性能对输入信号的偏振态不敏感。这是因为在光通信实际应用中，光信号沿光纤传输时其偏振态是不可知的，是随机且随时间而变化的(由于应用环境中的干扰)。在光学器件的设计和制造过程中会特别注意偏振不敏感特性。尽管如此，大多数器件或多或少会对偏振敏感，这影响到器件的最终性能、良率以及成本。另一方面，在某些特殊应用场合中，我们希望能够将光信号的两种偏振态在空间上将其分离并分别进行处理，比如在PMD(偏振模式色散)补偿器中就需要对两个偏振态的色散进行均衡。在需要对偏振态进行分离的应用中，偏振态的消光比即需要的偏振态和不需要的偏振态的能量之比必须很高。另一种需要控制偏振态的情况是为实现偏振的不敏感，将输入光信号分成两路正交的偏振态进行分别处理，并对各路器件进行优化，最后再将两路信号合成一路。这种方案被称为“偏振分集”。该方案的优点是可以针对每路的偏振态进行专门的优化使其性能达到最佳，而不需要因兼顾两种偏振态的性能而采用折中的设计。其缺点是所需的器件数目会翻倍，并需要偏振分束器分离和合并两个偏振态。这自然会增加成本及系统的复杂度，但目标是生产性能更好良率更高的组件。传统的光学器件尺寸较大，偏振分集方案并不受欢迎，这是因需要封装两倍的器件以及偏振分束器而增加组件的尺寸和成本。偏振分集方案在集成光学中是具有一定的应用前景的。集成光学的目的是缩小器件的尺寸，并把各种功能器件集成到同一芯片中，类似于集成电路。(在这种情况下，偏振分束器件和两套组件可以同时制作)。为进一步减小集成器件的尺寸，需要利用更高折射率差的波导，而高折射率差的波导意味着对偏振更加敏感，此时偏振分集方案可能是解决偏振不敏感的唯一途径。大多数偏振分束器是分离器件，并且利用双折射波片原理。在这里，我们不会讨论分离光学偏振分离器，只强调集成光学版的偏振分束器。美国专利5,946,434讨论了一种基于Y型耦合器的集成偏振分离器。利用两个正交偏振的波导到波导的耦合强度不同来实现偏振的分离。最佳结构是通过优化耦合长度来达到的。耦合长度和传播常数都是与波长相关的，因此偏振分离器将对波长敏感，这不是所希望的。美国专利5,475,771讨论了一种Y分支型波导，其中一个分支采用各向异性材料。该结构需要将各向异性材料集成到衬底上。这种集成是不可取的，因为两种材料的折射率不能很好地匹配(导致散射损失)。此外，制造过程会额外增加加工工艺，并会影响到性能、成本和良率等并且大多数各向异性材料不能通过类似于介质波导的制作方法来沉积。美国专利5,293,436讨论了一种集成光学马赫-曾德尔干涉仪，其中一个分支包含一种可极化材料。可极化材料不具有长期稳定性(也受环境条件影响)，在电信元器件中不被广泛使用。可极化材料在一定的时间内趋于松弛，并且随着时间的推移性能恶化。此外，只有某些材料是可极化的，并且这样的材料很少能制成良好的低损耗无源光波导。美国专利5,151,957讨论了基于X切铌酸锂中的集成光学δ-β耦合器结构。该方法仅适用于铌酸锂，与通用的集成光波导和材料不兼容。美国专利5,133,029讨论了一种集成光学2×2分束器，其中Y型耦合器是有不同宽度的波导组成。该Y型波导必须由各向异性材料组成，因此该专利技术的应用范围被限制在使用这种材料光波导上(该种材料很少)。美国专利5,111,517讨论了X切割铌酸锂中的集成光学马赫-曾德尔。该方法仅适用于铌酸锂，与通用的集成光波导和材料不兼容。美国专利5,056,883讨论了一个集成的光学Y分支波导，其中在一个分支中包含玻璃状可极化的聚合物。本专利技术类似于上述的5,475,771，其中一种特殊的各向异性聚合物材料(或聚合物材料)，它被仅沉积在Y分支波导的一个分支上。同样这种集成是不可取的。美国专利4,772,084讨论了一种集成光学3×3耦合器。该专利技术在与上述5,946,434中所述的用于偏振分离的物理机制相似，不同之处在于它使用三波导耦合器代替双波导耦合器，并且提供电极用于制造后热或电光修理。美国专利申请10/661,891讨论了使用波导形双折射在Mach-Zehnder内引起偏振相关相位延迟，造成偏振态分离。该装置通常需要热光加热器来优化分束比，在需要纯无源器件的应用场合中，该方案并不被看好。美国专利7,373,042描述了渐变偏振分类，输入波导被用作一个输出。然而，使用与输入不同的两个输出波导可以实现更高的性能和更好的制造不敏感性。美国专利申请10/533,372(公开2005/0254128)讨论了使用传播常数几何相关所谓“垂直”和“水平”波导制成的无源偏振分离器。该器件中一个或多个波导需要多芯层结构，多芯层结构的实现会增加器件的制作难度。
技术实现思路
偏振分离器也称为偏振分束器，是集成光学和平面光回路中的重要单元构件。在偏振分离的光回路中，需要输入光信号的偏振状态独立分离和处理，偏振分离器是必不可少的。偏振分离器将输入光信号中的两个正交偏振态分离到两个物理上独立的波导中输出。任意输入信号由两种主要的偏振状态组成。在平面光波电路和集成光学系统中，这些状态通常被称为横电场模或TE偏振态，以及横磁场或TM偏振状态。TE偏振的特征在于其电场分量平行于波导基底，而TM偏振态的特征在于其磁场分量平行于波导基底。(DietrichMarcuse，《介质光波导理论》，“NewYork，Academic1974”)。对于任意输入信号，TE和TM的功率分量的相对值都是任意的，且可以是时变的。图1是PLC中偏振分束器或分离器的功能示意图。任意输入信号具有TE偏振分量和TM偏振分量。器件在偏振分离器中被分开，信号从两个不同端口输出。在理想的分离器中，TE偏振信号仅从一个端口输出，而TM偏振信号仅从第二个端口输出。实际上TE端口有TM分量泄漏，同时TM端口也有TE分量泄漏。TE功率与所泄漏的TM功率在TE输出端口(当两个分量的功率在输入端口归一化)的比值被称为在TE端口偏振消光比(或简称为“消光比”)。同样，TM端口的偏振消光比(或简称为“消光比”)定义为TM端口TM功率与TE分量泄漏功率的比值。人们期望使该比率尽可能大，因为不需要的泄漏功率可能导致传输系统的整体劣化。大多数偏振分离器也可以反向工作。也就是说，如果TE信号从TE输出端口输入，TM信号从TM输出端口输入，它们将在原输入端口上合并输出。当反向使用时，分离器通常被称为偏振光合波器，或简称为偏振合波器。这种可逆性将也适用于本专利技术。绝热演变理论，也可以称之为绝热跟随，使得在波导或倏逝耦合波导的系统中其所支持的模式数和偏振态保持不变，即使当波导参数如宽度、厚度或折射率沿着本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光波导偏振分离器，其特征在于：包括至少三根光波导，每个光波导均具有一个输入端口与一个输出端口，相邻光波导之间具有间隙通过倏逝波耦合；其中至少一根光波导为输入光波导，其余光波导为输出光波导；输入光波导输入端口位于输入平面，偏振光通过输入平面输入到输入光波导中；输出光波导的输出端口位于输出平面；其中至少一根输出光波导支持TE偏振模式，输出TE偏振模式；至少一根输出光波导支持TM偏振模式，输出TM偏振模式；输入平面与输出平面之间的区域为绝热渐变区域。

【技术特征摘要】
1.一种光波导偏振分离器，其特征在于：包括至少三根光波导，每个光波导均具有一个输入端口与一个输出端口，相邻光波导之间具有间隙通过倏逝波耦合；其中至少一根光波导为输入光波导，其余光波导为输出光波导；输入光波导输入端口位于输入平面，偏振光通过输入平面输入到输入光波导中；输出光波导的输出端口位于输出平面；其中至少一根输出光波导支持TE偏振模式，输出TE偏振模式；至少一根输出光波导支持TM偏振模式，输出TM偏振模式；输入平面与输出平面之间的区域为绝热渐变区域。2.根据权利要求1所述的光波导偏振分离器，其特征在于：所述输入光波导的宽度沿偏振光传播方向从小变大，所述输出光波导的宽度沿偏振光传播方向从大变小；或所述输入光波导的宽度沿偏振光传播方向从大变小，所述输出光波导的宽度沿偏振光传播方向从小变大；定义偏振光传播方向即光波导的长度方向为Z方向，X方向为光波导的宽度方向且XZ平面与纸面平行，Y方向即为光波导的厚度方向。3.根据权利要求2所述的光波导偏振分离器，其特征在于：输入光波导和/或输出光波导的宽度沿偏振光传播方向线性变小或变大，且能够变化至任意小。4.根据权利要求2或3所述的光波导偏振分离器，其特征在于：输入光波导和/或输出光波导的厚度沿偏振光传播方向线性变小或变大；光波导间的间隙沿偏振光传播方向线性变大或变小。5.根据权利要求1或2所述的光波导偏振分离器，其特征在于：输入光波导和输出光波导均包括芯层及包...

【专利技术属性】
技术研发人员：布兰特·埃弗雷特·李特尔，
申请(专利权)人：西安奇芯光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61