[发明专利]光波导偏振分离器及其制造方法

说明书

本发明是一种关于输入光信号的偏振状态分离装置，尤其涉及一种光波导偏振分离器及其制造方法，包括至少三根波导，每个波导均具有一个输入端口与一个输出端口，相邻光波导之间具有间隙通过倏逝波耦合；其中至少一根光波导为输入波导，其余波导为输出波导；输入波导输入端口位于输入平面，偏振光通过输入平面输入到输入波导中；输出波导的输出端口位于输出平面；其中至少一根输出波导支持TE偏振模式，输出TE偏振模式；至少一根输出波导支持TM偏振模式，输出TM偏振模式；输入平面与输出平面之间的区域为绝热渐变区域。其主要用途是在平面光波回路中，需要将输入光信号按横电模(TE)和横磁模(TM)进行几何分离和输出。

技术领域

本发明是一种关于输入光信号的偏振状态分离装置，尤其涉及一种光波导偏振分离器，其主要用途是在平面光波回路中，需要将输入光信号按横电模(TE)和横磁模(TM)进行几何分离和输出。

背景技术

光是具有两个主要且正交的偏振态或矢量方向组成的矢量场。在自由空间光学中，它们有时被称作S和P偏振光，而在光波导中被称作TE(橫电场)和TM(横磁场))模式。光波导和光学器件通常是偏振敏感的，也就是说器件的光学响应会随光的偏振态而发生变化。在以绝缘体为基底的集成光学中这种现象尤为明显。

通常，我们希望光学器件具有偏振不敏感特性，即其性能对输入信号的偏振态不敏感。这是因为在光通信实际应用中，光信号沿光纤传输时其偏振态是不可知的，是随机且随时间而变化的(由于应用环境中的干扰)。在光学器件的设计和制造过程中会特别注意偏振不敏感特性。尽管如此，大多数器件或多或少会对偏振敏感，这影响到器件的最终性能、良率以及成本。另一方面，在某些特殊应用场合中，我们希望能够将光信号的两种偏振态在空间上将其分离并分别进行处理，比如在PMD(偏振模式色散)补偿器中就需要对两个偏振态的色散进行均衡。在需要对偏振态进行分离的应用中，偏振态的消光比即需要的偏振态和不需要的偏振态的能量之比必须很高。

另一种需要控制偏振态的情况是为实现偏振的不敏感，将输入光信号分成两路正交的偏振态进行分别处理，并对各路器件进行优化，最后再将两路信号合成一路。这种方案被称为“偏振分集”。该方案的优点是可以针对每路的偏振态进行专门的优化使其性能达到最佳，而不需要因兼顾两种偏振态的性能而采用折中的设计。其缺点是所需的器件数目会翻倍，并需要偏振分束器分离和合并两个偏振态。这自然会增加成本及系统的复杂度，但目标是生产性能更好良率更高的组件。

传统的光学器件尺寸较大，偏振分集方案并不受欢迎，这是因需要封装两倍的器件以及偏振分束器而增加组件的尺寸和成本。偏振分集方案在集成光学中是具有一定的应用前景的。集成光学的目的是缩小器件的尺寸，并把各种功能器件集成到同一芯片中，类似于集成电路。(在这种情况下，偏振分束器件和两套组件可以同时制作)。为进一步减小集成器件的尺寸，需要利用更高折射率差的波导，而高折射率差的波导意味着对偏振更加敏感，此时偏振分集方案可能是解决偏振不敏感的唯一途径。

大多数偏振分束器是分离器件，并且利用双折射波片原理。在这里，我们不会讨论分离光学偏振分离器，只强调集成光学版的偏振分束器。

美国专利5,946,434讨论了一种基于Y型耦合器的集成偏振分离器。利用两个正交偏振的波导到波导的耦合强度不同来实现偏振的分离。最佳结构是通过优化耦合长度来达到的。耦合长度和传播常数都是与波长相关的，因此偏振分离器将对波长敏感，这不是所希望的。

美国专利5,475,771讨论了一种Y分支型波导，其中一个分支采用各向异性材料。该结构需要将各向异性材料集成到衬底上。这种集成是不可取的，因为两种材料的折射率不能很好地匹配(导致散射损失)。此外，制造过程会额外增加加工工艺，并会影响到性能、成本和良率等并且大多数各向异性材料不能通过类似于介质波导的制作方法来沉积。