增加的容差的偏振轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器設(shè)備包括第一偏振轉(zhuǎn)換器段1100和第二偏振轉(zhuǎn)換器段1102，它們具有彼此的鏡像橫截面且它們由共同材料制成并具有大小相等且符號(hào)相反的取向(即傾斜)誤差。優(yōu)選地，一段具有原始(單段、非容差)偏振轉(zhuǎn)換器的一半長度而另一段是一倍半長度，即兩段的長度具有1：3的比。其它實(shí)施例包括長度比3：5和5：7。除了校正制造誤差外，偏振轉(zhuǎn)換器也校正由溫度和波長造成的誤差，相對(duì)于操作條件改進(jìn)的容差。
【專利說明】喿控對(duì)于集成電路芯片的無關(guān)偏振的操作、I要的。理想的偏振轉(zhuǎn)換器將是短的低損失為了實(shí)現(xiàn)這樣的理想仍存在尚未解決的挑
妾提議中最有前途的看上去是斜側(cè)壁設(shè)備，I獲得可接受的轉(zhuǎn)換水平的容差是相對(duì)狹扁差應(yīng)當(dāng)保持低于5011111。
或已知的偏振轉(zhuǎn)換器不足以使它們?cè)谏虡I(yè)
辰轉(zhuǎn)換器。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有設(shè)備中的容乏計(jì)中補(bǔ)償制造誤差。新的設(shè)備使制造容差
容差的主要原因在于控制設(shè)備中的偏振狀伏態(tài)的取向誤差。例如，現(xiàn)有的波導(dǎo)偏振轉(zhuǎn):傳播之后的模之間的相移誤差。
段和第二偏振轉(zhuǎn)換器段分別具有長度擻 1、隊(duì) III，= (1+0.5) 10? 12 =(腳.5)
9實(shí)施例中，么9優(yōu)選地小于0.566弧度(對(duì)度(對(duì)于至少99%的轉(zhuǎn)換效率)。圖。
的操作。札和12是指傾斜模。
I度時(shí)偏振轉(zhuǎn)換器的操作的曲線圖。
弧度時(shí)偏振轉(zhuǎn)換器的操作的曲線圖。.米計(jì))的，傾斜角誤差八@和相移誤差八屮
！論(00理論，根據(jù)方程1)的值，因變于寬
「的曲妹図.鈷旅溈袞的亦仆氺白儷赳倉卜[0024]圖13.示出因變于寬度偏差A(yù)WPC(以微米計(jì))的轉(zhuǎn)換效率C的依賴性的曲線圖。C-POL指單段式偏振轉(zhuǎn)換器，C-TPOL指容差的兩段式設(shè)備。
[0025]圖14.示出單段式和兩段式設(shè)備的波長依賴性的曲線圖。C-POL指單段式偏振轉(zhuǎn)換器，C-TPOL指容差的段式設(shè)備。
[0026]圖15.示出偏振轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換vs寬度表現(xiàn)的曲線圖，其表示沒有獲得大寬度變化上的非常高的轉(zhuǎn)換(>0.99)。
[0027]圖16.示出圖15的表現(xiàn)的理由是由偏差(deviat1n)造成的第二誤差的影響的曲線圖:傾斜模之間的相位角。
[0028]圖17.示出當(dāng)段的長度增加達(dá)10%時(shí)的改進(jìn)的誤差曲線的曲線圖。
[0029]圖18A.長度調(diào)整達(dá)10%的轉(zhuǎn)換-寬度曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了完全理解本發(fā)明的創(chuàng)新性特征，本說明書從發(fā)明人關(guān)于發(fā)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的容差的起源的討論開始。簡言之，發(fā)現(xiàn)困難在于保持模的偏振角足夠靠近地最佳45°條件。然后本說明書公開了校正該角度的可能誤差的新的偏振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。因此，新的偏振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)不但對(duì)制造誤差具有高得多的容差，對(duì)環(huán)境條件和波長偏差也是如此。容差轉(zhuǎn)換器利用兩個(gè)斜側(cè)壁段，其橫截面是彼此的鏡像圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，新設(shè)備相對(duì)于常規(guī)單段式設(shè)備具有雙倍長度。
[0031]圖1示出常規(guī)的偏振轉(zhuǎn)換器設(shè)備，它具有InP上包覆層100、InP下包覆層102、以及夾在兩者之間的InGaAsP芯層104。在該設(shè)備中，沿z軸傳播的光的偏振轉(zhuǎn)換是通過具有一個(gè)斜側(cè)壁的窄波導(dǎo)獲得的。由于電磁邊界條件，這種設(shè)計(jì)使模的偏振旋轉(zhuǎn)。通過仔細(xì)的設(shè)計(jì)，旋轉(zhuǎn)將為45°。在那種情形下，來自對(duì)稱的輸入波導(dǎo)的TE(或TM)模相同地地激發(fā)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的正交的模。這些模通過不同的傳播常數(shù)^和β2傳播。在拍長?λ/2 =^/2 I 的一半之后，旋轉(zhuǎn)的模在對(duì)稱輸出波導(dǎo)中重新組合為TM(或TE)模。如此，TE和TM之間的全轉(zhuǎn)換是可能的。
[0032]偏振轉(zhuǎn)換器的操作可表示在龐加萊球上。每個(gè)可能的偏振狀態(tài)(SOP)由該球表面上的點(diǎn)表述，如圖2所示。這個(gè)球與X軸的兩個(gè)交點(diǎn)是TE和TM點(diǎn),球與ζ軸的交點(diǎn)是左手和右手圓偏振，并且球與I軸的交點(diǎn)Ml和M2是相對(duì)的45°傾斜的線偏振模。從TE至TM的偏振轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)于繞通過轉(zhuǎn)換器段中的兩個(gè)穩(wěn)定偏振態(tài)(它們理想地是相對(duì)45°的傾斜線偏振)的軸線的η弧度的旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)動(dòng)角是轉(zhuǎn)換器中的兩個(gè)模之間的相移。對(duì)于所實(shí)現(xiàn)的偏振轉(zhuǎn)換器與最優(yōu)設(shè)計(jì)的偏差，可出現(xiàn)兩個(gè)不同的誤差。第一個(gè)是，轉(zhuǎn)動(dòng)(相移φ)不同于所要求的η弧度。這示出于圖3。其結(jié)果是橢圓形的S0P。第二種可能的誤差是模的傾斜角?不同于45° U/4弧度)。在那種情形下，最終SOP為線性的并相對(duì)于TM偏振旋轉(zhuǎn)。這示出在圖4中。注意線偏振狀態(tài)全部位于龐加萊球的赤道上。這兩個(gè)誤差的相對(duì)重要性將在下文中予以描述。
[0033]偏振轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率C通過下列公式給出:
[0034]
C= P 轉(zhuǎn)換/P 總=2cos20 sin20 (1-cos(p) (I)
[0035]其中O是模的傾斜角而(P=L^1-P2)是模間的相移，L是傾斜段的長度，并且β 3口莫擬和一般增量的下一段中表現(xiàn)為，傾斜角勺。
印勺模型設(shè)備結(jié)構(gòu)模擬而研究的。設(shè)備具有5者之間的1成“8？芯層504。在該轉(zhuǎn)換器險(xiǎn)形頂部包覆層獲得的。這在設(shè)備的實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)換器獲得的結(jié)果也代表了所有斜側(cè)壁偏
時(shí)影響；傾斜角上的誤差八0和相移上的，但為了確認(rèn)這一點(diǎn)，我們需要檢查兩者的民分析偏振轉(zhuǎn)換器段中的模，因變于寬度偏因變于寬度偏差八1？“以微米計(jì))傾斜角
負(fù)性，但是相移具有二次依賴性，導(dǎo)致與:大的負(fù)值，即當(dāng)轉(zhuǎn)換器波導(dǎo)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)時(shí)，0大于4倍八0，根據(jù)方程2)。然而，在緊是完全顛倒的。如果我們?cè)试S旋轉(zhuǎn)到一半，3象的軸的旋轉(zhuǎn)來補(bǔ)償傾斜角誤差。這種第吏用第二轉(zhuǎn)換器段，其中傾斜角為-@，由丨的兩個(gè)偏振轉(zhuǎn)換器段獲得精確地這樣的關(guān)。設(shè)備具有上包覆層900、下包覆層902、以的折射率高于包覆層900、902的折射率，即器導(dǎo)致具有相反符號(hào)的模的傾斜角。
[接的，因?yàn)檫@兩段可用相同材料同時(shí)地制戶是相同的。然而，由于鏡像第二段將給出,為了到達(dá)II點(diǎn)需要3 1/2的轉(zhuǎn)角。根據(jù)5不同長度的兩段:一個(gè)具有長度[入/4 =/4 = 3 1/2(13「13》。設(shè)備的總長度因此過包括兩個(gè)鏡像段的設(shè)備時(shí)30？在龐加萊至要求的相移。圖11示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè):入波導(dǎo)1106和輸出波導(dǎo)1104之間的鏡像
就泰由加下洽,屮，.勺轉(zhuǎn)換器)，而對(duì)于較窄轉(zhuǎn)換器，改進(jìn)則小得的轉(zhuǎn)換器，相位角9的誤差開始起作用。由:中八9沒有影響的區(qū)域(對(duì)于較寬轉(zhuǎn)換器)計(jì)者可通過將兩段式偏振轉(zhuǎn)換器的寬度設(shè)
巨，還由來自設(shè)計(jì)中采取的那些操作條件的的相同理念來改進(jìn)波長范圍或操作溫度范-的波長依賴性。
長依賴性中，也獲得平穩(wěn)區(qū)，這表示此處也效率的波長范圍幾乎相對(duì)于單段式設(shè)備加95%的轉(zhuǎn)換，但新的容差設(shè)備有望在99%扁振純粹性較為重要的應(yīng)用，比如偏振復(fù)用
造中的有限容差的起源被標(biāo)識(shí)為是維持轉(zhuǎn)I振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)來校正該誤差。它是兩段式面相對(duì)彼此成鏡像。這是制造中容易達(dá)成效率。容差偏振轉(zhuǎn)換器具有比傳統(tǒng)單段式設(shè)備更長的波長，并還包括一個(gè)額外的波導(dǎo)接合部。
[0060]還提供了本發(fā)明的附加實(shí)施例，其在某些情形下提供進(jìn)一步的改進(jìn)。具體地說，對(duì)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換器，考慮圖15所示的轉(zhuǎn)換相對(duì)于寬度表現(xiàn)。這里，藍(lán)色曲線相關(guān)于原始單段式轉(zhuǎn)換器，紅色相關(guān)本發(fā)明的兩段式設(shè)計(jì)。事實(shí)上，平穩(wěn)區(qū)出現(xiàn)，但紅色曲線的平坦部分不是水平的而是傾斜的。由此，獲得非常高的轉(zhuǎn)換(超過0.99)，但沒有在較大的寬度變化上。發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，離開水平的原因是由于偏差(傾斜模之間的相位角)引起的第二誤差的影響，如圖16所示。。可以看到，在相位角誤差最小值周圍的區(qū)域(這是其中平穩(wěn)區(qū)出現(xiàn)的區(qū)域)，相位誤差Δφ相對(duì)大。由于其效果隨著其值二次地縮放，因此影響是相當(dāng)可觀的。然而，通過增加兩段的長度達(dá)預(yù)定倍數(shù)，這種誤差可減小。因此，傾斜模之間的相位差增加，并且由于相位誤差Δφ是負(fù)的，其絕對(duì)值減小，因此減小對(duì)轉(zhuǎn)換的影響。例如，如果我們將該段的長度增加10%，則誤差曲線如圖17所表現(xiàn)的那樣?？梢钥闯?，此時(shí)在原始設(shè)計(jì)點(diǎn)(△寬度=0)處出現(xiàn)相位差Δφ。然而，該相位差是相對(duì)小的。通過這些調(diào)整的長度，轉(zhuǎn)換-寬度曲線圖如圖18所示。同樣出現(xiàn)平穩(wěn)區(qū)，該平穩(wěn)區(qū)不在原始設(shè)計(jì)點(diǎn)周圍。設(shè)計(jì)者可通過找到(aim for)具有調(diào)整的寬度的轉(zhuǎn)換器來調(diào)整。
[0061]由此，如果對(duì)于特定轉(zhuǎn)換器類型，在其最小值周圍的相位角誤差太大以至于獲得期望水平平穩(wěn)區(qū)，則可使用對(duì)長度的小校正來校正這個(gè)。特定地，如果在最小值處的相位誤差(其遵循著因變于制造或操作參數(shù)的反拋物線)被發(fā)現(xiàn)相對(duì)于具有長度L1和L2的原始設(shè)計(jì)為4φ，則可使用長度L1U+ Δφ/2π)和L2(l+ Δφ/2π)來改進(jìn)偏振轉(zhuǎn)換器。以此方式，
由于相位誤差引起的轉(zhuǎn)換效率的最大減小在可使用容差區(qū)內(nèi)可減少4倍。
[0062]對(duì)于至少轉(zhuǎn)換效率的要求而言，因此可考慮下面三種情形:
[0063]情形1:在要求的容差范圍上，ΔφΟΑΙΟΟ-.Χ)1'不需要任何長度調(diào)整，原始的兩段式設(shè)計(jì)導(dǎo)致具有較寬容差的高性能設(shè)備。
[0064]情形2:在要求的公差范圍上，ΟΑΙΟΟ-χ,^ΔφΟ.?ΟΟ-χ)1'2。通過如前所述
的長度調(diào)整，兩段式設(shè)計(jì)導(dǎo)致具有較寬容差的高性能設(shè)備。
[0065]情形3:在要求的容差范圍上，ΔφΧλΜΙΟΟ-χ)1'兩段式設(shè)計(jì)不同時(shí)提供高性能
設(shè)備和較寬容差范圍；則存在轉(zhuǎn)換效率和公差范圍之間的折衷，這是取決于特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)選擇。
[0066]一般來說，為使長度調(diào)整有用，Δφ的值應(yīng)當(dāng)不超過0.4 (100-χ)1/2。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器設(shè)備，包括: 第一偏振轉(zhuǎn)換器段以及第二偏振轉(zhuǎn)換器段； 其中所述第一偏振轉(zhuǎn)換器段和第二偏振轉(zhuǎn)換器段具有彼此的鏡像橫截面； 其中所述第一偏振轉(zhuǎn)換器段和第二偏振轉(zhuǎn)換器段由共同材料制成并具有大小相等且符號(hào)相反的取向/傾斜誤差。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于， 所述第一偏振轉(zhuǎn)換器段和第二偏振轉(zhuǎn)換器段具有長度比1:3、3:5或5:7。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于， 所述第一偏振轉(zhuǎn)換器段和第二偏振轉(zhuǎn)換器段分別具有長度L1和L2，其中對(duì)于非負(fù)整數(shù)M、N、m，L1 = (M+0.5) L0, L2 = (N+0.5) L0, M-N = 2m+10
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于， △Φ小于0.2弧度，其中Δφ是在沿Ltj長度傳播之后的模間相移誤差。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于， 所述第一偏振轉(zhuǎn)換器段和第二偏振轉(zhuǎn)換器段分別具有長度Ι^(1+Δφ/2π)和Ι_41+Δφ/2π)，其中對(duì)于非負(fù)整數(shù) M、N、m，L1 = (M+0.5) L0, L2 = (N+0.5) L0, M-N = 2m+l,并且其中Δφ是常數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于， Δφ小于0.4弧度。
7.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于， Δφ小于0.566弧度。
【文檔編號(hào)】G02B6/27GK104040394SQ201280066891
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月5日
【發(fā)明者】J·J·G·范德托爾 申請(qǐng)人:埃因霍溫科技大學(xué)