一種基于波導結構的新型光隔離器的制造方法

一種基于波導結構的新型光隔離器的制造方法
【專利摘要】本發明是一種基于光波導結構的新型光隔離器，其無需采用任何磁光材料，由襯底(1)和位于該襯底(1)之上的兩部分波導層構成，其中：第一波導(2)為對波導層上通過第一次刻蝕形成的直波導進行第二次刻蝕時，保護一部分不被刻蝕而形成的有一段凸起的波導；第二波導(3)為二次刻蝕時不作保護而得到的普通直波導。本發明用以實現對某一特定波長的TE或TM偏振光進行隔離的功能，基于波導結構實現，與半導體工藝兼容，易于同其他光電子器件(如半導體激光器等)進行單片集成。本發明不依賴于特定的(例磁光)材料特性，因而可以在任意光波導材料上(例各種III-V族化合物半導體，硅基半導體，及SiO2等)實現。
【專利說明】一種基于波導結構的新型光隔離器

【技術領域】
[0001] 本發明屬于集成光電子器件領域，具體涉及一種基于波導結構的新型光隔離器 (Optical Isolator)。其中利用了普通鏡面反射的特性，使得反射光的偏振態與輸入線偏 振光的偏振態垂直，從而實現光隔離的效果。如果在特定的要求下，還需要實現光功率的隔 離，貝1J可以在隔離器前端設計一個同樣基于光波導結構的偏振分束器（Polarization Beam Splitter)來將反射光消除。本發明在降低器件成本以及光電子器件的單片集成等方面有 潛在的應用價值。

【背景技術】
[0002] 光隔離器是一種允許光正向通過而隔斷反射光的無源光器件，其作用是對光的方 向進行限制，使光只能單方向傳輸。
[0003] 光通信網絡中用半導體激光器作為光源，而半導體激光器對光纖的反射光噪聲非 常敏感，會嚴重影響光網絡的性能。光隔離器可以隔斷光纖反射光，從而有效地保護半導體 激光器。
[0004] 目前傳統光隔離器主要部件是具有非互異性的法拉第旋偏器。法拉第旋偏器基于 磁光晶體的法拉第效應，它可以將同一波長的正向入射光及反向入射光的偏振面都向同一 個方向旋轉同一個角度，而與光束傳播方向無關。
[0005] -種偏振相關的光隔離器由法拉第旋偏器以及兩個透光軸成45°夾角的偏振片 構成，其工作原理如下：
[0006] ①.入射光首先通過一個偏振片Pi變成線偏振光。
[0007] ②.該線偏光通過法拉第旋偏器，在外加磁場的作用下，其偏振方向旋轉45°，剛 好和第二個偏振片P2的透光軸重合，于是正向光可以順利通過。
[0008] ③.反射光在反向通過法拉第旋偏器的時候，偏振方向會和正向傳輸光沿相同的 方向旋轉45°。這樣，其偏振方向與Pi的透光軸成90°夾角，不能通過偏振片Pi，從而實 現隔離反射光的效果。
[0009] 另外還有偏振無關的隔離器設計以及若干集成器件設計方案。這些方案的原理均 為利用法拉第效應的非互易性實現光隔離。這種方案存在著一些不可克服的缺點，主要表 現在：
[0010] ①.需要額外加一個磁場來得到法拉第效應。
[0011] ②.器件體積大，結構復雜，價格高。
[0012] ③.磁光晶體不能在常用作光器件集成的材料上直接生長，需要采用沉積或粘合 的方法，工藝實現難度大，不適合與其他光電器件進行單片集成。


【發明內容】

[0013] 本發明所要解決的技術問題是：提供一種基于波導結構的新型光隔離器，不采用 任何磁光晶體。解決傳統利用法拉第效應設計的光隔離器的結構復雜，價格高，不利于與其 他光電器件單片集成等問題。以滿足目前光通信系統中對成本的控制以及與其它光電器件 進行單片集成的要求。
[0014] 本發明解決其技術問題采用以下的技術方案：
[0015] 本發明提供的基于光波導結構的新型光隔離器，其結構是：無需采用任何磁光材 料，由襯底和位于該襯底之上的兩部分波導層構成，其中，第一波導為對波導層上通過第一 次刻蝕形成的直波導進行第二次刻蝕時，保護一部分不被刻蝕而形成的有一段凸起的波 導；第二波導為二次刻蝕時不作保護而得到的普通直波導。
[0016] 所述襯底可以采用能夠形成平面光波導的介質材料。
[0017] 所述介質材料可以采用單晶硅、磷化銦、砷化鎵、藍寶石或碳化硅。
[0018] 所述波導層可以采用能夠形成平面光波導的介質材料。
[0019] 所述介質材料可以采用單晶硅，二氧化硅，磷化銦、銦鎵砷磷、鋁鎵銦砷、砷化鎵、 鋁鎵砷、氮化鎵、銦鎵氮或鋁鎵氮。
[0020] 作為輸入光源某特定波長的線偏振光通過隔離器時將被轉換為圓偏振光輸出，相 當于一個i波片的作用；而正向輸出的圓偏振光被反射回來之后反向再次通過隔離器，被 4 隔離器轉換為與最初輸入線偏振光垂直的線偏振光，從而實現反向光隔離的效果。
[0021] 本發明提供的基于光波導結構的新型光隔離器，其由上述基于光波導結構的新型 光隔離器在波導輸入端口前集成為基于光波導結構的偏振分束器構成。
[0022] 所述偏振分束器可使反射光導入到與入射光不同的端口，從而實現光功率的隔 離。
[0023] 本發明與現有光隔離器相比具有以下技術優點：
[0024] 1.結構簡單，制作工藝難度低。
[0025] 整個光隔離器僅需要兩次刻蝕：第一次刻蝕出直波導，第二次在直波導上做刻蝕 時保留一部分而形成第一波導和第二波導。而且不引入任何磁光晶體材料，不需要特殊的 沉淀或粘合技術。
[0026] 2.成本低廉：
[0027] 本發明所述光隔離器制作工藝與半導體工藝兼容，可以在設計光波導器件的時候 直接將本發明同光波導器件集成，在制作光波導器件的同時一并制作得到光隔離器。同時， 本發明無需依賴磁光晶體實現非互易性，所以在使用時無需任何外加磁場，大大簡化了工 作條件，節約使用成本。
[0028] 3.實用性強：
[0029] 本發明所述光隔離器能夠在不同材料平臺上實現，例如光電子器件中常用的SOI 或III-V族半導體材料上；同時，用于實現將線偏光轉化為圓偏光功能的尺寸參數并不唯 一，所以本發明所述光隔離器器件尺寸可以在幾百納米到若干微米之間的范圍內調整，以 適應各種不同的需求。這樣可以實現本發明與其他無源光器件或直接與半導體激光器進行 集成。
[0030] 4.性能良好：
[0031] 本發明所述的光隔離器具有尺寸小，隔離度高，帶寬大等特點。計算結果表明，在 單模SOI平臺上本發明所述第一種基于光波導結構的光隔離器尺寸僅有約0· 4umX4um， 所述二種基于光波導結構的光隔離器尺寸約〇· 9umX llum，隔離度超過30dB，在中心波長 1550nm的±50nm內都可以獲得超過15dB的隔離度。
[0032] 目前基于光波導的光隔離器暫時還未有商用產品，相對比較成熟的技術都是依賴 于磁光晶體材料和外加靜磁場來實現光隔離效果。
[0033] 日本Tokyo Institute of Technology的科研人員設計了 一種在SOI平臺上 利用〇6:￥16磁光晶體的光隔離器（參見￥.311；[四1:0，￥.3110」;[，311(11'.]\^2111]1〇1:〇，"]^區11 Isolation in Silicon Waveguide Optical Isolator Employing Nonreciprocal Phase Shift， ''presented at the Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference 2013, 2013, p. 0Tu2C. 5.)。文中提出的器件尺寸約為 1. 5mmX 1. 5mm，在制作工藝中需要采用特殊的粘合工藝將Ce:YIG磁光晶體和SOI平臺結 合，而且使用條件復雜，需要外加靜磁場才能工作。
[0034] 已經發表的不依賴于磁光晶體的基于光波導的光隔離器實現方案主要有利用材 料的非線性特征（如受激布里淵散射，受激拉曼散射，非線性布拉格光柵，光子晶體結構 等）和利用外加調制信號源兩種方案。
[0035] 澳大利亞 Centre for Ultrahigh bandwidth Devices for Optical Systems(CUDOS)，University of Sydney 和美國 Stanford University 的科研人員提出用 受激布里淵散射實現光隔離（參見 C. G. Poulton，R. Pant，A. Byrnes，S. Fan，M. J. Steel，and B.J. Eggleton，"Design for broadband on-chip isolator using stimulated Brillouin scattering in dispersion-engineered chalcogenide waveguides，，'Opt. Express，vol .20, no. 19, pp. 21235 - 21246, 2012.)這種方案存在有器件結構復雜、實現困難、尺寸過大 (2cm?10cm)和帶寬非常窄（小于0. lnm)等缺點。
[0036] 美國貝爾實驗室的研究人員提出了一種利用外加一組兩個相位調制器來實現光 隔離的方案（參見 C.R.Doerr，N.Dupuis，and L.Zhang，"Optical isolator using two tandem phase modulators，，'Opt. Lett.，vol. 36, no. 21，pp. 4293 - 4295, 2011.)。這種 方案在工作時無需外加磁場，但是需要相位調制器對光信號進行調制，制作工藝和使用方 法都很復雜。而且由于該結構的工作原理是利用相位調制，所以帶寬比較窄，如果要擴展 帶寬，則需要設計多組相位調制器同時工作，使得器件制作條件和使用條件更加苛刻（參 見 C. R. Doerr, L. Chen, and D.Vermeulen, uTandem-phase-modulator-based optical isolator in silicon，" in 39th European Conference and Exhibition on Optical Communication(EC0C 2013)，2013, pp. 1 - 3.)。該種隔離器的長度超過2mm，隔離度小于 10dB。
[0037]此外，加拿大 Polygrames Research Center 和 McGill University 的研究人員提 出用石墨烯材料代替YIG材料實現法拉第旋光效應（參見D. L. Sounas，H. S. Skulason，T. Szkopek,and C.Caloz, "Graphene non-reciprocal electromagnetic activity at microwave frequencies，，'Electromagnetic Theory (EMTS), Proceedings of 2013 URSI International Symposium on，pp. 1074 - 1077, May 2013.)，但是這種方案目前只能用于 微波波段，尚未拓展到光頻波段。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 圖1為本發明所述第一種基于波導結構的新型光隔離器的三維結構示意圖。
[0039] 圖2為本發明所述第一種基于光波導結構的光隔離器的第一波導2橫截面結構不 意圖。
[0040] 圖3是本發明所述第一種基于光波導結構的光隔離器的第二波導3橫截面結構示 意圖
[0041] 圖4為本發明所述第二種基于光波導結構的實現光功率隔離功能的新型光隔離 器的三維示意圖。
[0042] 圖5為圖4的俯視圖。
[0043] 圖6為本發明所述第二種基于光波導結構的實現光功率隔離功能的新型光隔離 器實現對TE模式光功率隔離功能的工作原理圖。
[0044] 圖7為本發明所述第二種基于光波導結構的實現光功率隔離功能的新型光隔離 器實現對TM模式光功率隔離功能的工作原理圖。
[0045] 圖8為第一波導2和第二波導3橫截面尺寸在某一確定的情況下，TE和TM模式 功率隨第一波導2的長度變化關系。
[0046] 圖9為固定第二波導3長度為2. 1 μ m的情況下，TE模式隔離度隨第一波導2長 度變化關系。第一波導2長度為1.4μπι時，隔離度達到最大。
[0047] 圖10為器件結構參數確定后，ΤΕ模式隔離度隨工作波長變化的關系圖。
[0048] 圖中：1.襯底層；2.第一波導；3.第二波導；4.基于光波導結構的偏振分束器； 5.反射鏡。

【具體實施方式】
[0049] 本發明提供的基于波導結構的新型光隔離器，其用以實現對某一特定波長的ΤΕ 或ΤΜ偏振光進行隔離的功能，基于波導結構實現，與半導體工藝兼容，易于同其他光電子 器件（如半導體激光器等）進行單片集成。本發明利用電磁場的矢量特性通過波導設計而 控制光的偏振從而達到光的隔離效應，不依賴于特定的（例如磁光）材料特性，因而可以在 任意光波導材料上（例如各種III-V族化合物半導體，硅基半導體，及Si0 2玻璃等）實現。
[0050] 下面結合實施例和附圖對本發明作進一步的說明，但不限定本發明。
[0051] 實施例1.第一種基于光波導結構的新型光隔離器
[0052] 該光隔離器的結構如圖1至圖3所示，由襯底1和位于該襯底1之上的波導層構 成。所述波導層無需采用任何磁光材料，由兩部分波導構成，其中第一波導2為對波導層上 通過第一次刻蝕形成的直波導進行第二次刻蝕時，保護一部分不被刻蝕而形成的有一段凸 起的波導；第二波導3為二次刻蝕時不作保護而得到的普通直波導。
[0053] 所述襯底層1為二氧化硅。
[0054] 所述第一波導2為單晶硅。
[0055] 所述第二波導3為單晶硅。
[0056] 本發明的原理是基于鏡面反射的非互易性，通過操縱光的偏振態來實現光隔離的 功能。
[0057] 當一束線偏振光被鏡面反射后，反射光仍然是線偏振的，并且偏振方向與原來入 射光的偏振方向相同，因此無法將入射光和反射光區別開來，亦即無法實現隔離反射光的 效果。
[0058] 對于圓偏振光，根據通常規定，迎著光的傳播方向看去，光矢量順時針旋轉時，稱 偏振光為右旋；光矢量逆時針旋轉時，稱偏振光是左旋的。
[0059] 假設入射光是右旋圓偏光，在其被普通鏡面反射后，反射光的光矢量旋轉方向與 入射光相同，不因普通鏡面的反射而改變。但是由于光傳播方向反向，因此根據定義，反射 光為左旋圓偏光，反射光相對入射光其偏振態發生改變。可以利用該特性實現隔離反射光 的功能：首先，對于入射的線偏光，讓其通過一個透光軸與入射光偏振方向成45°夾角的

【權利要求】
1. 一種基于光波導結構的新型光隔離器，其特征是無需采用任何磁光材料，由襯底 (1)和位于該襯底（1)之上的兩部分波導層構成，其中：第一波導（2)為對波導層上通過第 一次刻蝕形成的直波導進行第二次刻蝕時，保護一部分不被刻蝕而形成的有一段凸起的波 導；第二波導（3)為二次刻蝕時不作保護而得到的普通直波導。
2. 根據權利要求1所述的基于光波導結構的新型光隔離器，其特征是所述襯底（1)采 用能夠形成平面光波導的介質材料。
3. 根據權利要求2所述的基于光波導結構的新型光隔離器，其特征是所述介質材料采 用單晶硅、磷化銦、砷化鎵、藍寶石或碳化硅。
4. 根據權利要求1所述的基于光波導結構的新型光隔離器，其特征是所述波導層采用 能夠形成平面光波導的介質材料。
5. 根據權利要求4所述的基于光波導結構的新型光隔離器，其特征是所述介質材料采 用單晶硅，二氧化硅，磷化銦、銦鎵砷磷、鋁鎵銦砷、砷化鎵、鋁鎵砷、氮化鎵、銦鎵氮或鋁鎵 氮。
6. 根據權利要求1所述的基于光波導結構的新型光隔離器，其特征是作為輸入光源某 特定波長的線偏振光通過隔離器時將被轉換為圓偏振光輸出，相當于一個I波片的作用； 而正向輸出的圓偏振光被反射回來之后反向再次通過隔離器，被隔離器轉換為與最初輸入 線偏振光垂直的線偏振光，從而實現反向光隔離的效果。
7. -種基于光波導結構的新型光隔離器，其特征是由權利要求1至6中任一權利要求 所述基于光波導結構的新型光隔離器在波導輸入端口前集成為基于光波導結構的偏振分 束器⑷構成。
8. 根據權利要求7所述的基于光波導結構的新型光隔離器，其特征是所述偏振分束器 (4)可使反射光導入到與入射光不同的端口，從而實現光功率的隔離。
【文檔編號】G02B6/26GK104280823SQ201410532649
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月9日 優先權日:2014年10月9日
【發明者】李洵, 朱仲書 申請人:華中科技大學