一种偏振不敏感的波导器件设计方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种偏振不敏感的波导器件及系统的设计方法。

背景技术

光子集成，以光子作为信息传输的载体，具有低延时、低功耗和大带宽等特点，在数据通信中展现出巨大的发展潜力，引起国内外科研人员的广泛研究。光子集成平台可根据衬底分为磷化铟基、蓝宝石基和硅基等。为增加波导对光学模式的限制、提高集成度，芯层和包层材料间需满足一定的折射率差，不同方向应力的差别导致多数平台表现出较强的双折射效应和显著的偏振相关性，定向耦合器、调制器等典型器件往往只适用于一种偏振，否则会严重劣化器件性能。

然而，在光纤通信过程中，由于普通单模光纤的弯折及周围环境的改变，传输的光信号呈现出随机动态的变化，而并非只有单一的偏振态。采用保偏光纤可维持单一偏振态的稳定，但在较长距离传输中与现有基础设施不兼容，极大增加了运行成本。因此要适应光纤中光信号的随机偏振态，接收到完整信息，常常要在主流的光子集成平台上设计偏振不敏感的功能性器件或系统，主要包括以下几种方案。

第一种方案是采用对称波导结构、应力工程等手段实现各向同性波导，在此基础上设计偏振不敏感波导器件，但该波导结构通常对光学模式的束缚性弱、集成度低，很难实现与微电子器件的单片集成，且应力控制增大了操作难度。

第二种方案是偏振分集，利用具有偏振分离或偏振分离旋转功能的器件，如偏振分束器(PBS)、偏振分离旋转器(PSR)、二维光栅等等，将从光纤中耦合到的随机偏振态正交分解成两路或进一步将正交偏振态旋转为两路同种偏振态，随后分别经过一套功能性波导器件或系统，最后再通过反向放置的前述具有偏振分离或偏振分离旋转功能的光子器件，实现两路光的合束。该方案技术路线简单，但由于两套功能性波导器件或系统的加入，芯片面积至少增大一倍，并且随着功能性波导器件或系统的规模扩大，电极数目的增加也加大电学封装和驱动电路设计的难度。

第三种方案是在功能性波导器件或系统前加入主动偏振控制器件，将从光纤中耦合到光芯片中的随机偏振态转化为一路单一的偏振态。首先经过偏振分离旋转器，将随机偏振正交分解成两路并旋转为同种偏振，然后通过相位及强度调制，实现两路光的高效率合束，最后进入功能性波导器件或系统。在此过程中随机偏振正交分量的强度及相位都具有随机性，需借助反馈算法，找到最佳调制状态。因此主动偏振控制方案增加了系统功耗，操作复杂。

综上，如何实现设计简易、尺寸紧凑的片上偏振不敏感功能性器件或系统，成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种将波导中的正交偏振态转化为单一偏振态的不同模式从而实现偏振不敏感功能性波导器件或系统的方法。利用无源的转化器件将偏振无关转化为模式无关的要求，有效缓解了集成器件的设计难度，提高系统集成度，不增加额外功耗，不显著增加片上损耗，提供了一种全新的偏振不敏感功能性波导器件或系统的实现方案。

一种偏振不敏感的波导器件设计方法，包括以下步骤：

1)设置光子集成材料平台；

2)设置所述光子集成材料平台上用于信息处理的功能性波导器件或系统；

3)设置所述功能性波导器件或系统前的输入端转化器件；

4)设置所述功能性波导器件或系统后的输出端转化器件。

所述的材料平台包括硅基等具有双折射效应和偏振相关性的任意平台。

所述的输入端转化器件连接输入波导和功能性波导器件或系统前端，可将正交偏振态模式转变为单一偏振态的不同模式。

所述的单一偏振态的不同模式为单一偏振态的任意两种以上(包括两种)模式的组合，单一偏振态的任意两种以上(包括两种)模式的组合包括两种以上(包括两种)高阶模的组合或基模与一种以上(包括一种)高阶模的组合，如将TE

所述的输出端转化器件连接功能性波导器件或系统后端和输出波导；所述的输出端转化器件为反向放置的输入端转化器件，根据光路可逆性，所述的输出端转化器件将单一偏振态的不同模式转回对应的正交偏振态模式。

所述的功能性波导器件或系统用于光信号处理，包括但不限于交叉波导、光开关、调制器等，且能在所述的单一偏振的不同模式下工作。

当步骤2)中所述的功能性波导器件为光开关或调制器时，设置光子集成材料平台为薄膜铌酸锂(LNOI)平台；设置光开关或调制器为马赫-曾德干涉型(MZI)结构，包括分合束器和相移臂，均适用于TE

图1为该方法的原理图。其工作主要包括如下几个过程：

1.单模光纤中的随机偏振态经偏振不敏感的端面耦合器耦合进输入波导后，可被分解为一对正交偏振态光学模式的组合，如A

2.经过输入端转化器件后，正交偏振态模式转变为单一偏振态的不同模式，如C

3.同一偏振态的不同模式经功能性波导器件或系统，实现信号切换、交叉传输、相位及强度调制等特定功能。

4.输出端转化器件为反向放置的输入端转化器件，由于光路可逆性，C

基于此原理图，可设计偏振不敏感交叉波导、调制器等偏振不敏感的功能性波导器件或系统。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.相比各向同性波导，本设计方案适用于硅基、铟磷基等具有双折射效应的光子集成材料平台，对加工工艺无特殊要求，降低成本。

2.相比主动控制方案，本方案只引入无源转化器件，不额外引入功耗；

不显著增加片上损耗。

3.相比偏振分集方案，本方案只需在偏振不敏感功能性系统的输入、输出端各进行一次偏振及模式的转化，极大节省面积，显著提高系统集成度，降低成本。尤其对于大规模偏振不敏感功能性系统，如在构建大规模阵列光开关时，只需在阵列输入和输出级有一次正交偏振与单一偏振不同模式的互换，中间级均只涉及一种偏振，该方案利于集成的效果更为显著。

4.不同于多种偏振态，同偏振不同模式的主电场方向相同，受波导结构的限制更小，因此同偏振下模式不敏感更容易实现。本发明借助模式不敏感实现偏振不敏感器件，降低设计难度，缓解工艺限制。

附图说明

图1是本发明原理图；

图2是偏振不敏感光开关单元结构示意图；

其中，[1]为硅衬底，[2]为二氧化硅埋氧层，[3]为薄膜铌酸锂材料平板层，[4][14]为输入、输出单模脊波导，[5][13]为输入端、输出端偏振及模式转化器，[6]和[12]为模式不敏感的3dB耦合器(以MMI为例，也可选择DC等其他类型的分束器)，[7][11]为相移臂，[8][10]为地电极，[9]为信号电极。

图3是偏振及模式转化器的仿真光场图：(a)输入为TE

图4是模式不敏感多模干涉耦合器的仿真光场图：(a)输入为TE

图5为相移臂截面电场线分布示意图；

图6为TE

具体实施方式

实施例：

作为光路切换和变更的核心器件，光开关可有效打破电域切换的局限性，更好适应高速、大容量、低损耗的光传输网络需求，受到广泛研究；薄膜铌酸锂平台作为一种新型材料平台，具有优异的线性电光效应、极高的调制速度、极低的传输损耗等特性。下面以x切y传绝缘体上铌酸锂(LNOI)平台的偏振不敏感光开关单元为例，进行详细阐述。

图2为光开关单元的三维示意图，光开关单元包括硅衬底1、二氧化硅埋氧层2、薄膜铌酸锂材料平板层3、输入单模脊波导4、输出单模脊波导14、输入端偏振及模式转化器5、输出端偏振及模式转化器13、模式不敏感的3dB耦合器6和12(以MMI为例，也可选择DC等其他类型的分束器)、相移臂7和11、地电极8和10、信号电极9。

这里以单端口输入的情况介绍具体工作过程。首先利用端面耦合器将光纤中随机偏振态的光信号耦合进单模波导4，可分解为一对正交偏振的基模TE

光开关单元采取GSG差分电极8、9、10，施加电压后两相移臂上的电场大小相等，方向相反，相位差为单个相移臂相位改变量的两倍。对于MZI结构，两个相移臂的相位差分别为0及π时，光开关实现交叉态和直通态。

5、13可采取绝热楔形结构。根据铌酸锂(LN)波导结构的色散曲线，在一定的波导宽度范围内存在TM

多模干涉耦合器[6][12]具有自映像效应，基于一般干涉原理，可仿真得到对TE

铌酸锂材料具有各向异性，为负单轴晶体。当偏振方向与外加电场方向相同时，调制效率最高。在x切y传LNOI平台上，TE偏振方向与外加电场方向一致，其对应的LN主轴比TM偏振对应主轴的电光系数大，调制臂对TE偏振的调制效率约是TM偏振的3倍左右。对于宽度为微米级、高度为亚微米级的LN波导，可选取特殊的电极厚度及电极到波导的距离，从而使波导内电场可近似为均匀电场。

据此，下图5为光电仿真软件COMSOL仿真图，其中201为上包层，202为下包层，203为LN波导层，204、205为金电极。TE偏振方向与光轴方向相同，其不同模式对应材料的同一电光系数，那么根据线性电光效应，施加同一偏压时TE偏振不同模式的有效折射率变化基本一致，即可得到对TE

图6为TE

综上，通过在模式无关的光开关前后加入转化器件，提供了偏振不敏感光开关的全新实现方案，相比传统的设计方法，在集成度、操作复杂度、功耗、偏振相关损耗等方面具有显著的有益效果。