[发明专利]光学偏振变换器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，更进一步涉及微电子领域中光学元件制作技术的一种光学偏振变换器及其制作方法。本发明所提供的光学偏振变换器可用于光学偏振态的实时、精确变换。本发明的制作方法为偏振变换器和其他光电子器件的集成，提供了一种利用飞秒脉冲在硅基二氧化硅光子波导中直接写入和实现偏振变换器所需波导和微光学器件的简单、快速、造价低廉、制作精度高的方法。

背景技术

光纤通信系统中多个光器件的偏振相关损耗和多级掺铒放大器中的偏振相关增益的累积会产生严重的功率代价。在长距离波分复用光纤传输系统和可重构的光时分复用系统中，当光信号传输速度超过40Gb/S时，偏振模色散成为限制光信号传输质量的瓶颈之一。传统光学偏振变换器大多数是通过光学介质的电光效应、弹光效应、磁光效应和热光效应对材料的折射率的调制实现偏振变换。

电子科技大学提出的专利申请“一种偏振控制器”(申请号201110262016.4申请公布号CN1023140042A)公开了一种偏振控制器，包括光导入装置、偏振器、光导出装置、旋转磁光光纤结构和磁控装置。该偏振控制器利用磁光材料制成的旋转光纤结构，并利用磁控装置对旋转光纤结构进行控制，能够调节入射光的椭圆率和方位角的变化。该器件存在的不足之处是：其一，偏振控制器中变化的磁场会对穿过磁场的偏振光产生很大的散射损耗；其二，集成化度低。

C.K.Madsen等人在论文“Reset-Free Integrated Polarization Controller Using Phase Shifters”（IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,VOLUME11,NUMER2,MARCH/APRIL2005）一文中提出了一种利用相移器制成的免复位的集成化偏振变换器。该器件是由偏振分束器、半波片、基本路径的偏振模式变换器组成。该器件是一种热光型偏振变换器，通过改变温度来引入相位延迟单元，进而对光的偏振态进行控制。该器件存在的不足之处是：其一，该器件采用在硅中掺入锗来实现光波导，所需要的技术工艺复杂；其二，在硅中掺入锗会引起光的散射效应，增加器件的插入损耗；其三，基本路径的偏振模式变换器的组成器件复杂，会引起很大的插入损耗，集成化度低；

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种光学偏振变换器及其制作方法。

实现本发明目的的思路是，本发明的光学偏振变换器是一种热光型偏振变换器，通过改变二氧化硅光波导的温度来引入相位延迟单元，并通过可调节耦合器和相移器的组合器件对两束偏振光的光强进行任意比例分配，进而对光的偏振态进行实时精确变换。

本发明的光学偏振变换器包括基于硅基二氧化硅制作材料制成的均为三维2×2型的偏振分束器、第一个半波片、可调节耦合器和相移器的组合器件、第二个半波片、偏振合束器。

偏振分束器位于光学偏振变换器的最左端，用以将任意偏振态的入射光分解为两束偏振方向夹角为90°的线偏振光。

第一个半波片与偏振分束器通过光波导相连，用以将偏振分束器输出的两束线偏振光转换为两束偏振方向相同的线偏振光。

可调谐耦合器和相移器的组合器件通过光波导分别与偏振分束器和第一个半波片相连，用以对两束偏振方向相同的线偏振光的光强进行任意比例分配。

第二个半波片与可调谐耦合器和相移器的组合器件通过光波导相连，用以将入射进第二个半波片的线偏振光的偏振方向旋转90°，第二个半波片输出的线偏振光与第一个半波片输出的线偏振光的偏振方向夹角为90°。

偏振合束器位于光学偏振变换器的最右端，偏振合束器通过光波导分别与可调谐耦合器和相移器的组合器件和第二个半波片相连，用以将从第二个半波片和可调谐耦合器和相移器的组合器件输出的两束线偏振光合成一束任意所需偏振态的光。

本发明的制作方法，包括如下步骤：

（1）切割硅晶片：

采用激光切割技术，按照制作光学偏振器所需的大小切割硅晶片。

（2）清洗硅晶片：

采用化学清洗的方法，清洗切割后的硅晶片表面的污垢。

（3）热氧化硅晶片：

采用热氧化技术，在二氧化硅管式炉中对清洗后的硅晶片的单面进行局部热氧化,获得硅基二氧化硅。

（4）直写光波导和微光子器件：

4a)将热氧化后的硅晶片固定在三维电动平移台上，硅晶片的热氧化面朝上；

4b)调节显微物镜，使飞秒激光脉冲垂直聚焦于硅基二氧化硅中的二氧化硅层的内部；