一種基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dǎo)層構(gòu)成，其中：第一波導(dǎo)(2)為對(duì)波導(dǎo)層上通過第一次刻蝕形成的直波導(dǎo)進(jìn)行第二次刻蝕時(shí)，保護(hù)一部分不被刻蝕而形成的有一段凸起的波導(dǎo)；第二波導(dǎo)(3)為二次刻蝕時(shí)不作保護(hù)而得到的普通直波導(dǎo)。本發(fā)明用以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一特定波長(zhǎng)的TE或TM偏振光進(jìn)行隔離的功能，基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，與半導(dǎo)體工藝兼容，易于同其他光電子器件(如半導(dǎo)體激光器等)進(jìn)行單片集成。本發(fā)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(dǎo)材料上(例各種III-V族化合物半導(dǎo)體，硅基半導(dǎo)體，及SiO2等)實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】一種基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成光電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(tài)與輸入線偏 振光的偏振態(tài)垂直，從而實(shí)現(xiàn)光隔離的效果。如果在特定的要求下，還需要實(shí)現(xiàn)光功率的隔 離，貝1J可以在隔離器前端設(shè)計(jì)一個(gè)同樣基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振分束器（Polarization Beam Splitter)來將反射光消除。本發(fā)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(yīng)用價(jià)值。

【背景技術(shù)】
[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(duì)光的方 向進(jìn)行限制，使光只能單方向傳輸。
[0003] 光通信網(wǎng)絡(luò)中用半導(dǎo)體激光器作為光源，而半導(dǎo)體激光器對(duì)光纖的反射光噪聲非 常敏感，會(huì)嚴(yán)重影響光網(wǎng)絡(luò)的性能。光隔離器可以隔斷光纖反射光，從而有效地保護(hù)半導(dǎo)體 激光器。
[0004] 目前傳統(tǒng)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(yīng)，它可以將同一波長(zhǎng)的正向入射光及反向入射光的偏振面都向同一 個(gè)方向旋轉(zhuǎn)同一個(gè)角度，而與光束傳播方向無關(guān)。
[0005] -種偏振相關(guān)的光隔離器由法拉第旋偏器以及兩個(gè)透光軸成45°夾角的偏振片 構(gòu)成，其工作原理如下：
[0006] ①.入射光首先通過一個(gè)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(chǎng)的作用下，其偏振方向旋轉(zhuǎn)45°，剛 好和第二個(gè)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(shí)候，偏振方向會(huì)和正向傳輸光沿相同的 方向旋轉(zhuǎn)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(shí) 現(xiàn)隔離反射光的效果。
[0009] 另外還有偏振無關(guān)的隔離器設(shè)計(jì)以及若干集成器件設(shè)計(jì)方案。這些方案的原理均 為利用法拉第效應(yīng)的非互易性實(shí)現(xiàn)光隔離。這種方案存在著一些不可克服的缺點(diǎn)，主要表 現(xiàn)在：
[0010] ①.需要額外加一個(gè)磁場(chǎng)來得到法拉第效應(yīng)。
[0011] ②.器件體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)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(zhǎng)，需要采用沉積或粘合 的方法，工藝實(shí)現(xiàn)難度大，不適合與其他光電器件進(jìn)行單片集成。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器，不采用 任何磁光晶體。解決傳統(tǒng)利用法拉第效應(yīng)設(shè)計(jì)的光隔離器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)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(tǒng)中對(duì)成本的控制以及與其它光電器件 進(jìn)行單片集成的要求。
[0014] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案：
[0015] 本發(fā)明提供的基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器，其結(jié)構(gòu)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(dǎo)層構(gòu)成，其中，第一波導(dǎo)為對(duì)波導(dǎo)層上通過第一 次刻蝕形成的直波導(dǎo)進(jìn)行第二次刻蝕時(shí)，保護(hù)一部分不被刻蝕而形成的有一段凸起的波 導(dǎo)；第二波導(dǎo)為二次刻蝕時(shí)不作保護(hù)而得到的普通直波導(dǎo)。
[0016] 所述襯底可以采用能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料。
[0017] 所述介質(zhì)材料可以采用單晶硅、磷化銦、砷化鎵、藍(lán)寶石或碳化硅。
[0018] 所述波導(dǎo)層可以采用能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料。
[0019] 所述介質(zhì)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(zhǎng)的線偏振光通過隔離器時(shí)將被轉(zhuǎn)換為圓偏振光輸出，相 當(dāng)于一個(gè)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(zhuǎn)換為與最初輸入線偏振光垂直的線偏振光，從而實(shí)現(xiàn)反向光隔離的效果。
[0021] 本發(fā)明提供的基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器，其由上述基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型 光隔離器在波導(dǎo)輸入端口前集成為基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振分束器構(gòu)成。
[0022] 所述偏振分束器可使反射光導(dǎo)入到與入射光不同的端口，從而實(shí)現(xiàn)光功率的隔 離。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有光隔離器相比具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作工藝難度低。
[0025] 整個(gè)光隔離器僅需要兩次刻蝕：第一次刻蝕出直波導(dǎo)，第二次在直波導(dǎo)上做刻蝕 時(shí)保留一部分而形成第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)。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(shù)。
[0026] 2.成本低廉：
[0027] 本發(fā)明所述光隔離器制作工藝與半導(dǎo)體工藝兼容，可以在設(shè)計(jì)光波導(dǎo)器件的時(shí)候 直接將本發(fā)明同光波導(dǎo)器件集成，在制作光波導(dǎo)器件的同時(shí)一并制作得到光隔離器。同時(shí)， 本發(fā)明無需依賴磁光晶體實(shí)現(xiàn)非互易性，所以在使用時(shí)無需任何外加磁場(chǎng)，大大簡(jiǎn)化了工 作條件，節(jié)約使用成本。
[0028] 3.實(shí)用性強(qiáng)：
[0029] 本發(fā)明所述光隔離器能夠在不同材料平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，例如光電子器件中常用的SOI 或III-V族半導(dǎo)體材料上；同時(shí)，用于實(shí)現(xiàn)將線偏光轉(zhuǎn)化為圓偏光功能的尺寸參數(shù)并不唯 一，所以本發(fā)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(nèi)調(diào)整，以 適應(yīng)各種不同的需求。這樣可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明與其他無源光器件或直接與半導(dǎo)體激光器進(jìn)行 集成。
[0030] 4.性能良好：
[0031] 本發(fā)明所述的光隔離器具有尺寸小，隔離度高，帶寬大等特點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果表明，在 單模SOI平臺(tái)上本發(fā)明所述第一種基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光隔離器尺寸僅有約0· 4umX4um， 所述二種基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光隔離器尺寸約〇· 9umX llum，隔離度超過30dB，在中心波長(zhǎng) 1550nm的±50nm內(nèi)都可以獲得超過15dB的隔離度。
[0032] 目前基于光波導(dǎo)的光隔離器暫時(shí)還未有商用產(chǎn)品，相對(duì)比較成熟的技術(shù)都是依賴 于磁光晶體材料和外加靜磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)光隔離效果。
[0033] 日本Tokyo Institute of Technology的科研人員設(shè)計(jì)了 一種在SOI平臺(tái)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(qū)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(tái)結(jié) 合，而且使用條件復(fù)雜，需要外加靜磁場(chǎng)才能工作。
[0034] 已經(jīng)發(fā)表的不依賴于磁光晶體的基于光波導(dǎo)的光隔離器實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu) 等）和利用外加調(diào)制信號(hào)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(guó) Stanford University 的科研人員提出用 受激布里淵散射實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)困難、尺寸過大 (2cm?10cm)和帶寬非常窄（小于0. lnm)等缺點(diǎn)。
[0036] 美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種利用外加一組兩個(gè)相位調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)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(shí)無需外加磁場(chǎng)，但是需要相位調(diào)制器對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，制作工藝和使用方 法都很復(fù)雜。而且由于該結(jié)構(gòu)的工作原理是利用相位調(diào)制，所以帶寬比較窄，如果要擴(kuò)展 帶寬，則需要設(shè)計(jì)多組相位調(diào)制器同時(shí)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)法拉第旋光效應(yīng)（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(fā)明所述第一種基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039] 圖2為本發(fā)明所述第一種基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光隔離器的第一波導(dǎo)2橫截面結(jié)構(gòu)不 意圖。
[0040] 圖3是本發(fā)明所述第一種基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光隔離器的第二波導(dǎo)3橫截面結(jié)構(gòu)示 意圖
[0041] 圖4為本發(fā)明所述第二種基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)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(fā)明所述第二種基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)光功率隔離功能的新型光隔離 器實(shí)現(xiàn)對(duì)TE模式光功率隔離功能的工作原理圖。
[0044] 圖7為本發(fā)明所述第二種基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)光功率隔離功能的新型光隔離 器實(shí)現(xiàn)對(duì)TM模式光功率隔離功能的工作原理圖。
[0045] 圖8為第一波導(dǎo)2和第二波導(dǎo)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(dǎo)2的長(zhǎng)度變化關(guān)系。
[0046] 圖9為固定第二波導(dǎo)3長(zhǎng)度為2. 1 μ m的情況下，TE模式隔離度隨第一波導(dǎo)2長(zhǎng) 度變化關(guān)系。第一波導(dǎo)2長(zhǎng)度為1.4μπι時(shí)，隔離度達(dá)到最大。
[0047] 圖10為器件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，ΤΕ模式隔離度隨工作波長(zhǎng)變化的關(guān)系圖。
[0048] 圖中：1.襯底層；2.第一波導(dǎo)；3.第二波導(dǎo)；4.基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振分束器； 5.反射鏡。

【具體實(shí)施方式】
[0049] 本發(fā)明提供的基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器，其用以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一特定波長(zhǎng)的ΤΕ 或ΤΜ偏振光進(jìn)行隔離的功能，基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，與半導(dǎo)體工藝兼容，易于同其他光電子 器件（如半導(dǎo)體激光器等）進(jìn)行單片集成。本發(fā)明利用電磁場(chǎng)的矢量特性通過波導(dǎo)設(shè)計(jì)而 控制光的偏振從而達(dá)到光的隔離效應(yīng)，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(dǎo)材料上（例如各種III-V族化合物半導(dǎo)體，硅基半導(dǎo)體，及Si0 2玻璃等）實(shí)現(xiàn)。
[0050] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但不限定本發(fā)明。
[0051] 實(shí)施例1.第一種基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器
[0052] 該光隔離器的結(jié)構(gòu)如圖1至圖3所示，由襯底1和位于該襯底1之上的波導(dǎo)層構(gòu) 成。所述波導(dǎo)層無需采用任何磁光材料，由兩部分波導(dǎo)構(gòu)成，其中第一波導(dǎo)2為對(duì)波導(dǎo)層上 通過第一次刻蝕形成的直波導(dǎo)進(jìn)行第二次刻蝕時(shí)，保護(hù)一部分不被刻蝕而形成的有一段凸 起的波導(dǎo)；第二波導(dǎo)3為二次刻蝕時(shí)不作保護(hù)而得到的普通直波導(dǎo)。
[0053] 所述襯底層1為二氧化硅。
[0054] 所述第一波導(dǎo)2為單晶硅。
[0055] 所述第二波導(dǎo)3為單晶硅。
[0056] 本發(fā)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(tài)來實(shí)現(xiàn)光隔離的 功能。
[0057] 當(dāng)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(qū)別開來，亦即無法實(shí)現(xiàn)隔離反射光的 效果。
[0058] 對(duì)于圓偏振光，根據(jù)通常規(guī)定，迎著光的傳播方向看去，光矢量順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，稱 偏振光為右旋；光矢量逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，稱偏振光是左旋的。
[0059] 假設(shè)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(zhuǎn)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(jù)定義，反射 光為左旋圓偏光，反射光相對(duì)入射光其偏振態(tài)發(fā)生改變?？梢岳迷撎匦詫?shí)現(xiàn)隔離反射光 的功能：首先，對(duì)于入射的線偏光，讓其通過一個(gè)透光軸與入射光偏振方向成45°夾角的

【權(quán)利要求】
1. 一種基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dǎo)層構(gòu)成，其中：第一波導(dǎo)（2)為對(duì)波導(dǎo)層上通過第 一次刻蝕形成的直波導(dǎo)進(jìn)行第二次刻蝕時(shí)，保護(hù)一部分不被刻蝕而形成的有一段凸起的波 導(dǎo)；第二波導(dǎo)（3)為二次刻蝕時(shí)不作保護(hù)而得到的普通直波導(dǎo)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dǎo)的介質(zhì)材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器，其特征是所述介質(zhì)材料采 用單晶硅、磷化銦、砷化鎵、藍(lán)寶石或碳化硅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器，其特征是所述波導(dǎo)層采用 能夠形成平面光波導(dǎo)的介質(zhì)材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器，其特征是所述介質(zhì)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器，其特征是作為輸入光源某 特定波長(zhǎng)的線偏振光通過隔離器時(shí)將被轉(zhuǎn)換為圓偏振光輸出，相當(dāng)于一個(gè)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(zhuǎn)換為與最初輸入 線偏振光垂直的線偏振光，從而實(shí)現(xiàn)反向光隔離的效果。
7. -種基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器，其特征是由權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求 所述基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的新型光隔離器在波導(dǎo)輸入端口前集成為基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振分 束器⑷構(gòu)成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dǎo)入到與入射光不同的端口，從而實(shí)現(xiàn)光功率的隔離。
【文檔編號(hào)】G02B6/26GK104280823SQ201410532649
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】李洵, 朱仲書 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)