CN104040394A - 增加的容差的偏振转换器 - Google Patents

Abstract

光学偏振转换器设备包括第一偏振转换器段1100和第二偏振转换器段1102，它们具有彼此的镜像横截面且它们由共同材料制成并具有大小相等且符号相反的取向(即倾斜)误差。优选地，一段具有原始(单段、非容差)偏振转换器的一半长度而另一段是一倍半长度，即两段的长度具有1：3的比。其它实施例包括长度比3：5和5：7。除了校正制造误差外，偏振转换器也校正由温度和波长造成的误差，相对于操作条件改进的容差。

Description

增加的容差的偏振转换器

发明领域

本发明一般地涉及光学设备。更特定地，其涉及用在光子集成电路内的偏振转换器。

背景技术

将光学功能整合入光子集成电路(PIC或“光芯片”)是吸引研究者越来越多的注意的发展中的技术。在PIC中，通过将基本光学组件囊括到一起而创建光学功能。这些组件中的一个是偏振转换器(或偏振旋转器)，它用于控制芯片中的光的偏振状态。此举是重要的，因为平面几何形状通常导致依赖于偏振的操作，并且因为一些应用是基于偏振的(例如电信应用中的偏振复用)。PIC中的偏振操控对于集成电路芯片的无关偏振的操作、以及对于类似偏振复用和偏振切换的功能也是重要的。理想的偏振转换器将是短的低损失无源组件，可被实现在PIC的标准制造中。然而，为了实现这样的理想仍存在尚未解决的挑战。

对于偏振转换器已作出一些提议。这些提议中最有前途的看上去是斜侧壁设备，其作为类似于半波片的集成光学器件操作。然而，获得可接受的转换水平的容差是相对狭窄的。例如，对高于95％的转换效率来说，宽度偏差应当保持低于50nm。

因此，由于它们严格的制造容差，本领域已知的偏振转换器不足以使它们在商业上具有吸引力。

发明内容

本发明提供具有改进的制造容差的偏振转换器。发明人已发现，现有设备中的容差的根源以及如何在新颖的两段式偏振转换器设计中补偿制造误差。新的设备使制造容差和波长范围加倍，并允诺高于99％的转换效率。

发明人已发现，现有偏振转换器的有限容差的主要原因在于控制设备中的偏振状态(这里也称波导的偏振模)的困难，导致这些状态的取向误差。例如，现有的波导偏振转换器经常依赖于具有相对被转换的输入和输出偏振状态处于±45°的偏振状态的波导模。实践中，已发现这种偏振转换器的性能由与这个±45°条件的偏差(即倾斜误差)所主导。这些偏差可源自不理想的制造。由此，制造对这种角误差的影响是偏振转换器的制造诱发的性能变化的主要来源。

为了克服这些问题，本发明提供一种新颖的偏振转换器设计，它将常规的转换器段与镜像的横截面结合。因此，获得相同大小但具有相反符号的取向误差。换言之，包括是了彼此镜像的两段的偏振转换器将补偿取向误差。这两个段优选地在同一制造中制造，以同一材料制造，且同一温度和光波长下操作。因此，它们将具有相同大小的制造误差。

本发明提供一种光学偏振转换器设备，其包括第一偏振转换器段和第二偏振转换器段；其中第一偏振转换器段和第二偏振转换器段具有彼此的镜像横截面，并且其中第一偏振转换器段和第二偏振转换器段由共同材料制造并具有大小相等且符号相反的取向(例如倾斜)误差。本发明还涵盖包含这类光学偏振转换器设备的光子集成电路。

在根据本发明的偏振转换器的优选实施例中，一个段具有原始(单段，非容差)偏振转换器的长度的一半，而另一个段是原始偏振转换器长度的一倍半，即1：3的比例。如果L₀是单段偏振转换器的长度，则经补偿的偏振转换器中的相应长度是L₁＝0.5L₀和L₂＝1.5L₀。因此，总计地，设备长度被加倍。除去对制造误差的校正，新设备也校正由温度和波长造成的误差，这也意味着相对于操作条件的容差被大为改进。

在其他实施例中，第一偏振转换器段和第二偏振转换器段可具有其它长度。例如，在一些实施例中，它们具有3：5或5：7的长度比。例如L₁＝1.5L₀且L₂＝2.5L₀，或L₁＝2.5L₀且L₂＝3.5L₀。更一般地，在本发明的一些实施例中，第一偏振转换器段和第二偏振转换器段可分别具有长度L₁、L₂，其中对于非负整数M,N,m，L₁＝(M+0.5)L₀,L₂＝(N+0.5)L₀，|M-N|＝2m+1。所有这些配置校正倾斜误差。然而，由于相位误差没有被校正并且其效果随着总设备长度增加，因此优选实施例是具有校正倾斜误差的最小长度。优选地，设备被构造成使小于0.2弧度，其中是在沿L_O长度传播之后的模之间的相移误差。

在一些实施例中，第一偏振转换器段和第二偏振转换器段分别具有长度和其中对于非负整数M、N、m，L₁＝(M+0.5)L₀,L₂＝(N+0.5)L₀,|M-N|＝2m+1，并且其中是常数。在这样的实施例中，优选地小于0.566弧度(对于至少98％的转换效率)，更优选地小于0.4弧度(对于至少99％的转换效率)。

附图说明

图1.常规单段式斜侧壁偏振转换器的图。

图2.在庞加莱球上描绘的偏振转换器的操作。M₁和M₂是指倾斜模。

图3A、3B.示出如果相移不同于π弧度时偏振转换器的操作的曲线图。

图4A、4B.示出如果相移Θ不同于π/4弧度时偏振转换器的操作的曲线图。

图5.常规偏振转换器的设计图。

图6.示出因变于宽度偏差ΔWPC(以微米计)的，倾斜角误差ΔΘ和相移误差依赖性的曲线图。

图7.示出相比模拟的(DC-模拟)和理论(DC-理论，根据方程1)的值，因变于宽度偏差ΔWPC(以微米计)的转换效率的变化ΔC的曲线图，转换效率的变化来自倾斜角上的误差ΔΘ(DC-POL)和相移上的误差的贡献。DC-总是两误差贡献的组合。

图8.示出庞加莱球的赤道平面上的投影的曲线图。红线表示转轴，蓝线是旋转轨迹。

图9A、9B.导致具有相反符号的模的倾斜角的镜像横截面偏振转换器的图示。

图10.示出对于两段式容差偏振转换器的庞加莱球上用于TE至TM转换的SOP的轨迹的图。

图11.牵涉在构建容差偏振转换器的步骤的图示。为清楚起见，在不同的段之间留下一定空间，所述空间在现实中是不存在的。示出输入和输出波导，以及两个镜像的转换器段。

图12.示出当相移角为π弧度时，因变于倾斜角Θ的转换效率的曲线图。

图13.示出因变于宽度偏差ΔWPC(以微米计)的转换效率C的依赖性的曲线图。C-POL指单段式偏振转换器，C-TPOL指容差的两段式设备。

图14.示出单段式和两段式设备的波长依赖性的曲线图。C-POL指单段式偏振转换器，C-TPOL指容差的段式设备。

图15.示出偏振转换器转换vs宽度表现的曲线图，其表示没有获得大宽度变化上的非常高的转换(>0.99)。

图16.示出图15的表现的理由是由偏差(deviation)造成的第二误差的影响的曲线图：倾斜模之间的相位角。

图17.示出当段的长度增加达10％时的改进的误差曲线的曲线图。

图18A.长度调整达10％的转换-宽度曲线图。

具体实施方式

为了完全理解本发明的创新性特征，本说明书从发明人关于发现偏振转换器设计的容差的起源的讨论开始。简言之，发现困难在于保持模的偏振角足够靠近地最佳45°条件。然后本说明书公开了校正该角度的可能误差的新的偏振转换器设计。因此，新的偏振转换器设计不但对制造误差具有高得多的容差，对环境条件和波长偏差也是如此。容差转换器利用两个斜侧壁段，其横截面是彼此的镜像图像。在一个实施例中，新设备相对于常规单段式设备具有双倍长度。

图1示出常规的偏振转换器设备，它具有InP上包覆层100、InP下包覆层102、以及夹在两者之间的InGaAsP芯层104。在该设备中，沿z轴传播的光的偏振转换是通过具有一个斜侧壁的窄波导获得的。由于电磁边界条件，这种设计使模的偏振旋转。通过仔细的设计，旋转将为45°。在那种情形下，来自对称的输入波导的TE(或TM)模相同地地激发两个旋转的正交的模。这些模通过不同的传播常数β₁和β₂传播。在拍长Lλ/2＝π/2|β₁-β₂|的一半之后，旋转的模在对称输出波导中重新组合为TM(或TE)模。如此，TE和TM之间的全转换是可能的。

偏振转换器的操作可表示在庞加莱球上。每个可能的偏振状态(SOP)由该球表面上的点表述，如图2所示。这个球与x轴的两个交点是TE和TM点，球与z轴的交点是左手和右手圆偏振，并且球与y轴的交点M1和M2是相对的45°倾斜的线偏振模。从TE至TM的偏振转换对应于绕通过转换器段中的两个稳定偏振态(它们理想地是相对45°的倾斜线偏振)的轴线的π弧度的旋转。该转动角是转换器中的两个模之间的相移。对于所实现的偏振转换器与最优设计的偏差，可出现两个不同的误差。第一个是，转动(相移)不同于所要求的π弧度。这示出于图3。其结果是椭圆形的SOP。第二种可能的误差是模的倾斜角Θ不同于45°(π/4弧度)。在那种情形下，最终SOP为线性的并相对于TM偏振旋转。这示出在图4中。注意线偏振状态全部位于庞加莱球的赤道上。这两个误差的相对重要性将在下文中予以描述。

偏振转换器的转换效率C通过下列公式给出：

其中Θ是模的倾斜角而是模间的相移，L是倾斜段的长度，并且β₁和β₂是传播常数。传播常数β₁和β₂描述了波导中的模的相位演进。如果模沿波导沿长度L传播，则其相位增加βL。由此对于L_O，其中我们设(β₁-β₂)L＝π，这两个模具有累加的π弧度的相差，这是为什么它们重新组合为相反的输出偏振，如图1所示。

显然，从方程1可以看出，对于完美的转换器，Θ＝π/4并且如果相对于这些相应的值出现偏差ΔΘ和由于制造误差、操作条件的变化、或材料参数的差异，转换的变化ΔC为：

方程2是从方程1的泰勒级数展开中获得的。由于展开中的一阶和三阶项为零，因此方程2向上修正至四阶。

方程2暗示倾斜角误差的影响远比由于相移中的可比较的误差造成的影响糟得多。当然，这依赖于偏差的实际值，但将在具有模拟和一般增量的下一段中表现为，倾斜角偏差事实上在减少转换效率方面是占主导地位的。

偏振转换器的操作是使用通过图5所示的模型设备结构模拟而研究的。设备具有InP上包覆层500、InP下包覆层502以及夹在两者之间的InGaAsP芯层504。在该转换器中，倾斜模不是通过斜侧壁获得的，而是通过三角形顶部包覆层获得的。这在设备的实现中具有特定优势。如下文中将要描述的那样，从该转换器获得的结果也代表了所有斜侧壁偏振转换器。

第一重要问题是两种可能的偏差的相对影响；倾斜角上的误差ΔΘ和相移上的误差方程2暗示前一误差是占主导地位的，但为了确认这一点，我们需要检查两者的大小。通过用薄膜模式匹配(FMM)波导求解器来分析偏振转换器段中的模，因变于宽度偏差，可确定ΔΘ和的值，如图6所示，图6是因变于宽度偏差ΔWPC(以微米计)倾斜角的误差ΔΘ和相移误差的依赖性的曲线图。

发现ΔΘ与宽度偏差ΔWPC的线性依赖性，但是相移具有二次依赖性，导致与WPC的设计点的最小接近。结果，对于ΔWPC的较大的负值，即当转换器波导远小于设计时，我们可预期成为占主导地位的误差(如果大于4倍ΔΘ，根据方程2)。然而，在紧接着ΔWPC＝0的区域内，并对于正ΔWPC值，倾斜误差显然占主导地位。

这种分析引出疑问在于是否这种表现，即接近设计宽度的最小值，是斜侧壁偏振转换器的一般性质、或者它是否是这种特殊设计的特征。对其它设计的模拟展示出类似的表现，由此确认了普遍性。这可通过考虑在模倾斜之后的机制来理解。模偏振是通过在波导横截面的材料边界处的电磁边界条件所确定的。由于这些大多数要么是水平的要么是垂直的，因此通常发现类似TE和TM的模型。在偏振转换器中，如果界面之一处于一角度下，将产生模倾斜的诱因。然而，为了克服其它界面的影响以获得期望的45°倾斜角，需要TE和TM模的混合。这类混合模要求模的传播常数靠近在一起，这因此是任何偏振转换器的必要条件。由于当沿波导长度传播时，模之间的相移与传播常数的差异成比例，这暗示相移的最小值将被发现为接近任何斜侧壁偏振转换器的最佳设计宽度。基于这种考虑，可预期其中倾斜角误差对宽度容差占主导地位的相对宽的宽度范围。

图7示出两种误差对模拟转换的影响。该图绘出相比模拟的(DC-模拟)和理论(DC-理论，根据方程1)的值，因变于宽度偏差ΔWPC(以微米计)的转换效率的变化ΔC的曲线图，转换效率的变化来自倾斜角上的误差ΔΘ(DC-POL)和相移上的误差的贡献。DC-总是两误差贡献的组合。该图示出这种模拟，理论和相加的误差贡献(根据方程2)全部彼此非常接近，强调上述分析的有效性。相移误差的贡献是可忽略的，除了大于30nm的负的宽度偏差外。在其它各处，倾斜角误差具有大(得多)的影响。

得益于上面的分析，发明人已发现，改进偏振转换器的容差需要对尤其由于与设计的偏差而发生的倾斜角Θ的误差进行校正。图8中的图表示出对于这种校正的可能性。该图示出庞加莱球的俯视图，其中偏振转换由绕其发生SOP旋转的轴和旋转轨迹(其表现为在该投影中垂直于转轴800、802的直线804、806)所指示。这里，我们使用从TE至TM的转换为例，但对于逆转换(TM至TE)，任何事物都是完全颠倒的。如果我们允许旋转到一半，即π/2弧度左右，则可通过绕在TE-TM轴中成镜像的轴的旋转来补偿倾斜角误差。这种第二旋转将在跨过TM点的圆上。为了实现此举，使用第二转换器段，其中倾斜角为–Θ，由此模在这里是相反倾斜的。对于具有镜像横截面的两个偏振转换器段获得精确地这样的关系。这样的设备的两段的横截面示出于图9A、9B。设备具有上包覆层900、下包覆层902、以及夹在这两个包覆层之间的芯层904。芯层904的折射率高于包覆层900、902的折射率，即n_膜>n_包覆且n_膜>n_衬底。这种镜像横截面偏振转换器导致具有相反符号的模的倾斜角。

在实践性实现中，获得镜像段是相当直接的，因为这两段可用相同材料同时地制造。宽度和材料成分的任何偏差因此在这两段中是相同的。然而，由于镜像第二段将给出SOP沿相反方向在庞加莱球的表面之上的旋转，为了到达TM点需要3π/2的转角。根据本发明的一个实施例的容差偏振转换器由此包括不同长度的两段：一个具有长度Lλ/4＝π/2(β₁-β₂)，而另一个具有三倍的长度：L3λ/4＝3π/2(β₁-β₂)。设备的总长度因此是单段式设备长度的两倍。图10示出当传播通过包括两个镜像段的设备时SOP在庞加莱球上的总路径，这两个镜像截面的长度可被调整至要求的相移。图11示出根据本发明一个实施例的两段式偏振转换器设计，包括定位在输入波导1106和输出波导1104之间的镜像偏振转换器段1100、1102。

对于具有两段的容差偏振转换器，转换效率由如下给出：

同样，对于最佳转换器，Θ＝π/4且像以前一项，通过偏差ΔΘ和来执行泰勒级数展开，我们可得到C的变化：

方程4示出Θ的误差被补偿达两阶，而只留下小得多的误差。如果我们忽略φ的误差，则可对于偏振转换器的原始版本和容差版本(从方程1和方程3)绘出因变于Θ的转换效率的依赖性，如图12所示，图12示出当相移角为π弧度时因变于倾斜角Θ的转换效率。

这些曲线图展现了容差表现的来源：对于两段式设备，平稳区出现在最佳值附近，这表示对于相对大的偏差，可补偿偏差角的误差。为了研究新的两段式设备的容差，我们模拟宽度偏差对图5中引入的设备的转换的影响。

图13示出单段式和两段式偏振转换器两者的转换，其示出因变于宽度偏差ΔWPC(以微米计)的转换效率C的依赖性。C-POL指单段式偏振转换器，C-TPOL指容差的两段式设备。可以看到，对于两段式设备，出现平稳区，这指示可存在可获得非常高的转换的非常宽的宽度范围。如果考虑100nm的宽度范围，单段式设备将具有高于90％的转换，但两段式设备对于这个范围将示出高于99％的转换。对于需要95％或更高的转换效率的一些应用，这只能通过本发明的设备提供。附图示出，由于这些转换效率，两段式偏振转换器的宽度容差相对于单段式转换器被加倍。

容差区尤其延伸至正侧(即对于较宽的转换器)，而对于较窄转换器，改进则小得多。当相比图7时，其原因变得清楚。对于较窄的转换器，相位角的误差开始起作用。由于容差改进取决于补偿倾斜角误差ΔΘ，因此其中没有影响的区域(对于较宽转换器)展示出最好的表现。为了瞄准平稳区的中央，设计者可通过将两段式偏振转换器的宽度设计地稍大来利用这个。

偏振转换器的性能不仅由制造误差确定，还由来自设计中采取的那些操作条件的偏差确定。因此，也可使用与用于改进制造公差的相同理念来改进波长范围或操作温度范围。这示出于图14，其示出单段式和两段式设备的波长依赖性。

在两段式偏振转换器的转换效率的波长依赖性中，也获得平稳区，这表示此处也存在对倾斜角的误差的校正。大于95％的转换效率的波长范围几乎相对于单段式设备加倍。对于重要的C带，原始偏振转换器给出大于95％的转换，但新的容差设备有望在99％以上。这表示转换器的性能急剧提高，支持其中偏振纯粹性较为重要的应用，比如偏振复用或偏振转换。

概括地说，单段式斜侧偏振转换器的制造中的有限容差的起源被标识为是维持转换器波导中的模的45°倾斜角困难。提供新的偏振转换器设计来校正该误差。它是两段式设备，其中两段具有带相反倾斜角的模。两个截面相对彼此成镜像。这是制造中容易达成的。在优选实施例中，两段可如下地连接在一起。优选的连接允许光的最大部分从一段转移至下一段。这意味着两段之间的间隙优选地小于操作波长的10％。此外，为使两段合适地对准，它们优选地沿同一方向对准并被定位为使两段中的波导中央(模在那里传播)在直线上。

两个镜像段优选地在同一制造工艺中使用相同的加工步骤(比如光刻和蚀刻)同时实现，以使来自这些步骤的任何偏差在两段中是相同的。镜像本身可通过光刻中的图案定义来获得。斜侧被制造在两段的波导的相对两侧。斜侧壁的一种技术包括：为两段一起制造掩模带，然后覆盖该带在第一段内的一侧(即“南”侧)以及在第二段内的另一侧(即“北”侧)。使这种组合的掩模图案暴露于化学蚀刻，在脊的相对两侧形成斜侧壁，由此创建所需的两个镜像横截面。

新的两段式设备表现出大为改进的制造容差和波长范围，并有望明显更高的转换效率。容差偏振转换器具有比传统单段式设备更长的波长，并还包括一个额外的波导接合部。

还提供了本发明的附加实施例，其在某些情形下提供进一步的改进。具体地说，对根据本发明的一个偏振转换器，考虑图15所示的转换相对于宽度表现。这里，蓝色曲线相关于原始单段式转换器，红色相关本发明的两段式设计。事实上，平稳区出现，但红色曲线的平坦部分不是水平的而是倾斜的。由此，获得非常高的转换(超过0.99)，但没有在较大的宽度变化上。发明人已发现，离开水平的原因是由于偏差(倾斜模之间的相位角)引起的第二误差的影响，如图16所示。。可以看到，在相位角误差最小值周围的区域(这是其中平稳区出现的区域)，相位误差相对大。由于其效果随着其值二次地缩放，因此影响是相当可观的。然而，通过增加两段的长度达预定倍数，这种误差可减小。因此，倾斜模之间的相位差增加，并且由于相位误差是负的，其绝对值减小，因此减小对转换的影响。例如，如果我们将该段的长度增加10％，则误差曲线如图17所表现的那样。可以看出，此时在原始设计点(Δ宽度＝0)处出现相位差然而，该相位差是相对小的。通过这些调整的长度，转换-宽度曲线图如图18所示。同样出现平稳区，该平稳区不在原始设计点周围。设计者可通过找到(aim for)具有调整的宽度的转换器来调整。

由此，如果对于特定转换器类型，在其最小值周围的相位角误差太大以至于获得期望水平平稳区，则可使用对长度的小校正来校正这个。特定地，如果在最小值处的相位误差(其遵循着因变于制造或操作参数的反抛物线)被发现相对于具有长度L₁和L₂的原始设计为则可使用长度和来改进偏振转换器。以此方式，由于相位误差引起的转换效率的最大减小在可使用容差区内可减少4倍。

对于至少x％转换效率的要求而言，因此可考虑下面三种情形：

情形1：在要求的容差范围上，不需要任何长度调整，原始的两段式设计导致具有较宽容差的高性能设备。

情形2：在要求的公差范围上，通过如前所述的长度调整，两段式设计导致具有较宽容差的高性能设备。

情形3：在要求的容差范围上，两段式设计不同时提供高性能设备和较宽容差范围；则存在转换效率和公差范围之间的折衷，这是取决于特定应用的设计选择。

一般来说，为使长度调整有用，的值应当不超过0.4(100-x)^1/2。

Claims (7)

1.一种光学偏振转换器设备，包括：

第一偏振转换器段以及第二偏振转换器段；

其中所述第一偏振转换器段和第二偏振转换器段具有彼此的镜像横截面；

其中所述第一偏振转换器段和第二偏振转换器段由共同材料制成并具有大小相等且符号相反的取向/倾斜误差。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述第一偏振转换器段和第二偏振转换器段具有长度比1：3、3：5或5：7。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述第一偏振转换器段和第二偏振转换器段分别具有长度L₁和L₂，其中对于非负整数M、N、m，L₁＝(M+0.5)L₀,L₂＝(N+0.5)L₀,|M-N|＝2m+1。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

小于0.2弧度，其中是在沿L_O长度传播之后的模间相移误差。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，

所述第一偏振转换器段和第二偏振转换器段分别具有长度和其中对于非负整数M、N、m，L₁＝(M+0.5)L₀,L₂＝(N+0.5)L₀,|M-N|＝2m+1，并且其中是常数。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，

小于0.4弧度。

7.如权利要求5所述的设备，其特征在于，

小于0.566弧度。