[发明专利]偏振旋转器

说明书

本发明涉及一种偏振旋转器，其包括：包含至少第一波导的第一波导层，所述第一波导具有输入端和输出端；具有至少第二波导的第二波导层，所述第二波导具有输入端和输出端；以及至少第一竖直镜元件，其布置在所述波导中的至少一个的端部处，以在第一波导的输出端与第二波导的输入端之间耦合光。在其端部处具有竖直镜元件的所述第一波导或所述第二波导的光轴在其波导层中以第一角度旋转，以引起在所述第一波导与所述第二波导之间耦合的光的偏振旋转，旋转量对应于所述第一角度。

技术领域

本发明涉及光学组件，例如使用偏振旋转器的光子集成电路和系统。

背景技术

本发明涉及偏振旋转器，更特别地，涉及用于光子集成电路(PIC)(即，用于平面波导电路)的偏振旋转器。形成光子集成电路的波导通常形成在芯片(例如，硅芯片)的表面上。在这种平面波导中，光沿着芯片的表面在局部z轴的方向上传播。

偏振旋转器是将线偏振光束的偏振轴旋转一个选择角度的光学装置，是光隔离器、偏振分离器旋转器和环行器中的关键组件。尽管线性偏振的旋转是本公开的主要主题，但相同或类似的构思也可以应用于圆形偏振或椭圆形偏振。

在自由空间光学中，这些偏振旋转装置可以基于法拉第效应、基于双折射或基于反射。法拉第旋转器需要具有磁光效应的波导材料。在双折射偏振旋转器中，线偏振光被分解成两个分量，并且这些分量之间的相位差由于双折射而发生，并改变偏振。双折射可以是一种材料特性，并且在波导的情况下，它通常由波导几何结构、波导材料中的应力或两者引起。通过一次或多次反射的光也可以经历偏振分量之间的相移，因此，它也可以使其偏振旋转。

集成偏振操纵器通常基于使用某种类型的双折射波片，所述波片由或者不对称波导段或者双折射材料制成的单独波片制成，并插入穿过波导刻蚀的槽中。基于波片的偏振旋转器通常基于偏振模式之间的干扰，这使得它们与波长相关，并且不适合非常宽带的应用。

在波导电路中，交叉偏振耦合或模式演化也已被提出。基于模式演化的旋转器的工作原理是绝热修改波导的横截面，使得偏振本征模的取向逐渐旋转所需的量。这种转变需要绝热，使得不发生不同模式之间的功率耦合，使装置非常长，并且很难用传统波导工艺制造。用这些类型的偏振旋转器也很难实现非正交偏振旋转，即，除了90°旋转之外。

光的光功率可以分成两个偏振本征模，每个偏振本征模以其特征速度沿波导传播。平面波导中的偏振模式通常可以近似为纯TE和TM模式，其中当光沿波导的光轴(即，局部z轴)传播时，电场沿波导芯片的表面(TE，x轴)或沿波导芯片的法线(TM，y轴)取向。所述速度由所述模式的有效折射率(n_eff)定义。在双折射波导中，两种偏振模式具有不同的n_eff。因此，两种模式之间的相位差以及因此光的偏振，将沿波导变化。因此，可以认为光的总电场由两个分量组成：一个分量(E_x)，其沿x轴定向；一个分量(E_y)，其沿y轴定向。该近似用于解释本发明，但本发明不限于使用纯TE和TM模式。

微米级绝缘体上硅(SOI)波导中的偏振很难旋转到90度的倍数以外的其他角度。目前在SOI波导中，需要45度偏振旋转以实现基于法拉第旋转的全集成光隔离器。

已知的集成偏振旋转器对制造误差和工艺变化非常敏感，因为偏振本征模的取向和双折射的量都需要精确控制。这限制了它们在商业装置中的应用。一些技术(像使用将薄波片插入刻蚀槽中的技术)从组装的角度来看要求很高。许多已知的方法(特别是依赖于波导模式之间的干涉效应的那些方法)本质上也是波长相关的。

发明目的

本发明的目的是通过使用一个或多个平面波导芯片来实现任意期望旋转角度的偏振旋转和宽波长范围的偏振旋转。这一个目的源于在使用微米级SOI平台开发波导芯片时出现的需求。然而，下面给出的解决方案可以应用于许多其他平面波导平台。