一种MMI型磁光隔离器及其制备方法技术

本发明专利技术属于集成光学领域，具体涉及一种MMI型磁光隔离器及其制备方法。本发明专利技术通过设计多模波导:沿多模波导长度方向开槽，且不开设在多模波导区域的物理中心位置，磁光材料分布于槽内，使TE模式产生非互易相移；槽的宽度小于多模波导区域的总宽度，长度使零阶模式和高阶模式的NRPS之差为π。非对称结构使高阶模式分布变得不对称，使得场分布集中在其中一侧，在单模波导激发时可以有效的提高激发效率；这一特殊结构，零阶模式和高阶模式的NRPS值反号，可以有效的减小器件尺寸。本发明专利技术有效提高了激发效率，减小了器件的插入损耗；增大了零阶模式和高阶模式的NRPS之差，减小了器件的尺寸。

【技术实现步骤摘要】
一种MMI型磁光隔离器及其制备方法
本专利技术属于集成光学领域，具体涉及一种MMI型磁光隔离器及其制备方法。
技术介绍
集成光学近年来发展迅速，由于其性能优越，与精细工艺特性相兼容的特点，使其在光通信领域逐渐受到重视。在光通信系统中，系统中的反射光将影响激光光源的稳定性，从而影响整个器件的性能。光隔离器具有正向导通反向截止的特点，在光纤通信系统中，光隔离器被放置在激光器的前面，以控制系统中的反射光功率，因此性能优秀的隔离器是目前所急需的。与传统光学器件相比，集成光隔离器具有许多优点：体积小，性能稳定，可批量生产。波导隔离器作为集成光隔离器的一种，主要分为以下几类：(1)模式转换型：正向传输TM模式，可直接通过；反向传输时，TM模式转换为TE模式并截止；该隔离器需要精确匹配，制作容差较小。(2)非互易损耗型(NRL)：由于磁光效应的非互易性，波束正向和反向传输的增益和损耗是不同的，从而实现隔离，但是器件制作复杂。(3)非互易相移型(NRPS)：利用基于磁光材料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。基于非互易相移(NRPS)的多模干涉(MMI)型磁光隔离器，不需要精准的相位匹配，所以有较高的制作容差。通过调节多模波导长度，使正向传输时各阶模式干涉相长；反向传输时各阶模式存在π的相位差，干涉相消，从而实现隔离。目前已提出的MMI型磁光隔离器的问题主要在(1)侧壁沉积磁光材料工艺困难，器件普遍工作在TM模式下。(2)为了保证反向各阶模式干涉相消，需要等效激发各阶模式，导致激发效率较低，器件插入损耗较大。(3)各模式非互易相移差较小，器件尺寸较长。
技术实现思路
针对上述存在问题或不足，为解决目前MMI型磁光隔离器存在的：侧壁沉积磁光材料工艺困难，器件普遍工作在TM模式下；需等效激发各阶模式，导致激发效率较低，器件插入损耗较大；各模式非互易相移差较小，器件尺寸较长这些技术问题。本专利技术提供了一种MMI型磁光隔离器及其制备方法。该MMI型磁光隔离器包括：衬底、输入输出波导和多模波导。衬底：用于承载输入输出波导和多模波导，其折射率低于波导的芯层材料。输入输出波导：由半导体芯层材料和低折射率包层材料组成的单模波导，波导结构为通道型、平板型或脊型波导，结构支持单模光传输。作为输入输出波导，等效激发多模波导中的各阶模式。多模波导：沿多模波导长度方向开槽，且不开设在多模波导区域的物理中心位置，磁光材料分布于槽内，使TE模式产生非互易相移，这正是TE模式隔离器所必须的；槽的宽度小于多模波导区域的总宽度，长度使零阶模式和高阶模式的NRPS之差为π。其次，非对称结构可以使高阶模式分布变得不对称，使得场分布集中在其中一侧，在单模波导激发时可以有效的提高激发效率。因为这一特殊结构，零阶模式和高阶模式的NRPS值反号，可以有效的减小器件尺寸。其制备方法为：步骤1、光刻及刻蚀基板，获得单模波导及多模波导结构。多模波导结构中预留有沉积磁光材料的槽。步骤2、生长一层低折射率包层，将整个步骤1所得半导体基板包覆。作为沉积磁光材料的阻挡层。步骤3、去除槽内的阻挡层，使槽暴露，用以沉积磁光材料。槽的宽度小于多模波导区域的总宽度，长度使零阶模式和高阶模式的NRPS之差为π。步骤4、在槽内生长磁光材料，构成多模波导部分。磁光材料为：钇铁石榴石YIG，铈掺杂钇铁石榴石Ce:YIG，铋掺杂钇铁石榴石Bi:YIG，稀土离子掺杂钇铁石榴石Re:YIG，Fe3O4,Fe2O3，过渡金属离子TM掺杂SrTiO3，过渡金属离子TM掺杂CeO2,HfO2,TiO2,ZnO或CoFe2O4。单模波导和多模波导的芯层为半导体波导薄膜层，其材料为:Si、Ge、Si1-xGex、GaAs、InP、InGaAsP、GaN、AlN、Ga1-xAlxAs或Ge1-xSnx。包层即低折射率层，其材料为：SiO2、Si3N4、SiOxNy、TiO2、HfO2、ZrO2、Ta2O5、Al2O3、MgO或空气。本专利技术通过设计多模波导:(1)磁光材料分布在波导中预留的槽内，以使TE模式产生非互易相移。(2)不对称的多模波导结构使得高阶模式场分布集中在其中一侧芯层，以有效提高高阶模式的激发效率。(3)零阶模式的NRPS与高阶模式NRPS反号，以有效提高其NRPS之差，进而减小器件尺寸。多模波导长度的选取，使零阶模式和高阶模式正向传输是相差为π的偶数倍，模式之间干涉相长，光可以正常通过；反向传输时零阶模式和高阶模式的相位差为π的奇数倍，模式之间干涉相消，使得反向传输的光截止。综上所述，本专利技术提出了一种TE模式MMI型隔离器的新型结构；有效提高了激发效率，减小了器件的插入损耗；增大了零阶模式和高阶模式的NRPS之差，减小了器件的尺寸。附图说明图1器件光传播方向与磁场方向示意图；图2实施例多模波导结构示意图；图3实施例多模波导模式模场分布示意图；图4实施例传输特性曲线；附图标记:X-多模波导宽度方向,Y-多模波导厚度方向,Z-多模波导长度方向,H-磁场方向。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步阐述。实施例采用底层SiO2及顶层空气作为低折射率包层，工作中心波长选取为1550nm。通过微细加工方法，获得如图1所示制器件。其互易波导截面结构及模式分布如图2、图3所示。多模波导厚度为220nm宽度为800nm，外部底层SiO2及顶层空气作为低折射率包层。其中Ce：YIG宽度为200nm，偏离多模波导中心50nm。两侧Si的总宽度为600nm，共同构成多模波导。在输入输出波导中，光的传播被限制为一种传输模式，即TE模式的基模TE0模式，并通过调节连接多模波导的位置，等效激发多模波导TE0和TE1模式。本实施例传输特性如图4，可以看出器件隔离性能优秀。实施例器件通过对结构的优化实现了TE模式的非互易相移。同时不对称的多模波导结构使得高阶模式场分布集中在其中一侧芯层，可以有效提高高阶模式的激发效率；且有效提高各阶模式NRPS之差，进而减小器件尺寸。综上可见本专利技术提供了一种TE模式MMI型隔离器的新型结构；有效提高了激发效率，减小了器件的插入损耗；增大了零阶模式和高阶模式的NRPS之差，减小了器件的尺寸。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MMI型磁光隔离器，包括衬底、输入输出波导和多模波导，其特征在于：衬底：用于承载输入输出波导和多模波导，其折射率低于波导的芯层材料；输入输出波导：由半导体芯层材料和低折射率包层材料组成的单模波导，结构支持单模光传输，等效激发多模波导中的各阶模式；多模波导：沿多模波导长度方向开槽，且不开设在多模波导区域的物理中心位置，磁光材料分布于槽内，使TE模式产生非互易相移；槽的宽度小于多模波导区域的总宽度，长度使零阶模式和高阶模式的NRPS之差为π。

【技术特征摘要】
1.一种MMI型磁光隔离器，包括衬底、输入输出波导和多模波导，其特征在于：衬底：用于承载输入输出波导和多模波导，其折射率低于波导的芯层材料；输入输出波导：由半导体芯层材料和低折射率包层材料组成的单模波导，结构支持单模光传输，等效激发多模波导中的各阶模式；多模波导：沿多模波导长度方向开槽，且不开设在多模波导区域的物理中心位置，磁光材料分布于槽内，使TE模式产生非互易相移；槽的宽度小于多模波导区域的总宽度，长度使零阶模式和高阶模式的NRPS之差为π。2.如权利要求1所述MMI型磁光隔离器，其特征在于：所述输入输出波导的结构为通道型、平板型或脊型波导。3.如权利要求1所述MMI型磁光隔离器，其特征在于：所述磁光材料为钇铁石榴石YIG，铈掺杂钇铁石榴石Ce:YIG，铋掺杂钇铁石榴石Bi:YIG，稀土离子掺杂钇铁石榴石Re:YIG，Fe3O4,Fe2O3，过渡金属离子TM掺杂SrTiO3，过渡金属离子TM掺杂CeO2，HfO2,TiO...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕磊，聂立霞，刘书缘，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51