一种基于氧化硅基平面光波导的磁光非互易器件

摘要

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于氧化硅基平面光波导的磁光非互易器件。本发明采用氧化硅基平面光波导，利用氧化硅基平面光波导低折射率对比度的特点，并通过结合模斑耦合器设计端面波导尺寸，调节氧化硅基平面光波导的端面光斑尺寸，使其与入射模斑趋于一致，有效避免因较大耦合损耗导致的系统信噪比下降等问题。本发明大大降低了集成光学非互易器件与光纤的端面耦合损耗，有效避免了当前领域采用硅波导因较大的耦合损耗导致的系统信噪比下降等问题，并提供了进一步进行端面光纤封装，提高整体器件性能的更优的方案，对降低器件整体损耗，提高信噪比，降低集成光学系统的体积、重量、成本等具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于氧化硅基平面光波导的磁光非互易器件。

背景技术

非互易光学器件如光隔离器、光环行器等是光电子信息系统的核心组成部分。其中光隔离器通常被用来阻挡系统链路的反射光以保证激光器长时间稳定地工作。然而，分立的光隔离器尺寸大、成本高、难以与激光器、探测器等光学元件耦合。

在现有的硅基集成非互易光学器件的研究中，通过时空调制与光学非线性技术实现的片上光学非互易具有较大的功耗，而通过磁光效应实现的片上非互易光学器件则属于无源器件，可大大降低成本与能耗。然而这样的器件依旧存在显著的问题。首先，单片集成的硅基磁光隔离器与激光器及其后端链路进行封装耦合时会产生较大的耦合损耗。尽管多种模斑耦合器被提出，但由于硅基光波导具有较大的折射率对比度，对光斑的尺寸存在较强的限制，所以单片的耦合损耗依旧难以降低。该耦合损耗会导致系统的信噪比进一步下降，进而影响系统的稳定工作。其次，硅基磁光隔离器的系统集成虽然可以消除与后端链路的耦合损耗，然而由于硅基集成激光器难以实现，故其与激光器的耦合损耗依旧难以消除。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为了发展低损耗的集成非互易光学器件，避免因较大的耦合损耗导致的系统信噪比下降等问题，本发明提供了一种基于氧化硅基平面光波导的磁光非互易器件。

该基于氧化硅基平面光波导的磁光非互易器件由氧化硅基平面光波导磁光隔离器(环行器)以及氧化硅基平面光波导模斑转换器组成。

所述氧化硅基平面光波导磁光隔离器(环行器)包括氧化硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构以及氧化硅基集成磁光波导，由氧化硅基平面光波导作为基本的光传输单元。

对于氧化硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构而言：该结构的两个干涉臂借助180°的弯曲波导对传输进行转向处理，使得转向后的波导是朝相反方向传输的。氧化硅基集成磁光波导则分别设计在氧化硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构双臂的正反传输方向上，使得光波在其中一臂的氧化硅基集成磁光波导中的传输是正向的，而在另一臂中则是反向的。氧化硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的双臂中，通过延长单臂的平面光波导传输长度作为互易移相器使得双臂的互易相位差为π/2的奇数倍；设计氧化硅基集成磁光波导的长度，使得该结构的双臂的非互易相位差为π/2。马赫-曾德尔干涉结构的分光与合光部分分别由两个集成3dB耦合器构成。作为氧化硅基平面光波导磁光隔离器，在氧化硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的四个端口中，将同一端面的两个端口中的任意一个端口作为输入端口，并将另一个端口挂起；在另一端面中，将与输入端口传输相隔离的端口挂起，剩下的一个端口作为氧化硅基平面光波导磁光隔离器的输出端口。

所述氧化硅基平面光波导模斑转换器有两个，分别集成在氧化硅基平面光波导磁光非互易器件的输入与输出端口处。每个氧化硅基平面光波导模斑转换器均由渐变的平面脊形光波导组成，该平面脊形光波导的平板层宽度和高度以及脊宽脊高分别可设计。在耦合端面处，平面脊形光波导的截面为与光纤相适应连接的正方形，使得平面光波导的模斑趋于圆形，以匹配光纤的圆形光斑。平面脊形光波导的脊宽沿光纤至平面光波导的方向逐渐变小直至为零，且平面脊形光波导脊宽为零的一端与标准的氧化硅基平面光波导相适应连接。

基于氧化硅基平面光波导的磁光非互易器件工作时，由光纤输入的光斑经氧化硅基平面光波导模斑转换器低损地耦合进氧化硅基平面光波导磁光非互易器件。氧化硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的两个干涉臂间的总相位差在所设计器件的中心波长处分别达到0与π，其分别对应正向传输与反向隔离的工作状态，从而在较低的总体损耗下实现了片上光非互易效果。

进一步的，为了稳定耦合损耗，可对氧化硅基平面光波导磁光非互易器件进行端面光纤封装。此外，为了降低器件的本征损耗，磁光波导采用磁光材料的优值至少为45deg/dB。

本发明采用氧化硅基平面光波导，利用氧化硅基平面光波导平台制备的集成磁光非互易器件可有效降低该器件与激光器及光纤等光学元件的封装耦合损耗，其原理是利用氧化硅基平面光波导低折射率对比度的特点，并通过结合模斑耦合器设计端面波导尺寸，调节氧化硅基平面光波导的端面光斑尺寸，使其与入射模斑趋于一致，从而大大提高耦合效率，绕开本领域当前采用硅波导而因较大耦合损耗导致的系统信噪比下降等问题。

综上所述，本发明提出的基于氧化硅基平面光波导的磁光非互易器件，大大降低了集成光学非互易器件与光纤的端面耦合损耗，有效避免了因较大的耦合损耗导致的系统信噪比下降等问题，并提供了进一步进行端面光纤封装，提高整体器件性能的更优的方案，对降低器件整体损耗，提高信噪比，降低集成光学系统的体积、重量、成本等具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例的氧化硅基平面光波导磁光隔离器的结构示意图；

图2为本发明实施例的氧化硅基集成磁光波导截面TM

图3为本发明实施例的氧化硅基集成磁光波导在满足π/2非互易移相时，所需的长度与相应的损耗随磁光材料Ce:YIG厚度的变化关系曲线；

图4为本发明实施例的氧化硅基平面光波导模斑转换器结构及相应渐变段的模斑示意图。

图5为本发明实施例的氧化硅基平面光波导磁光隔离器的仿真传输谱线。

具体实施方式

如背景技术部分中所述，单片集成的硅基磁光隔离器与激光器及其后端链路进行封装耦合时会产生较大的耦合损耗。尽管多种模斑耦合器被提出，但由于硅基光波导具有较大的折射率对比度，对光斑的尺寸存在较强的限制，所以单片的耦合损耗依旧难以降低，进而会影响系统的信噪比。

本发明提出的基于氧化硅基平面光波导的磁光非互易器件，可以显著改善集成磁光非互易器件的耦合损耗，降低集成光学系统的体积、重量以及成本。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：在氧化硅基平面光波导磁光非互易器件中引入氧化硅基平面光波导模斑转换器。在耦合端面处，将氧化硅基平面光波导模斑转换器中的平面脊形光波导的截面设计成方形以匹配光纤的圆形光斑。随着光波的传输，令平面脊形光波导的脊宽逐渐向中心渐变减小，并最终使平面脊形光波导渐变至标准的氧化硅基平面光波导尺寸。发明中所采用的氧化硅基平面光波导磁光非互易器件以及氧化硅基平面光波导模斑转换器由光刻刻蚀加工氧化硅基平面光波导结构以及沉积磁光材料制备而得。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步阐述。

一种基于氧化硅基平面光波导的磁光非互易器件，制备方法如下：

步骤1、光刻及刻蚀经掺杂的氧化硅薄膜，获得单模集成光波导及马赫-曾德尔干涉结构，用以结合互易与非互易移相对输出的信号进行相位调控，以及氧化硅基平面光波导模斑转换器结构。

步骤2、通过溅射等方法生长一层低折射率包层将整个器件包覆。并作为沉积磁光材料的阻挡层(氧化硅材料)。

步骤3、在设计的磁光波导上表面位置通过二次光刻得到沉积磁光材料的窗口，窗口宽度大于光波导宽度。在水平垂直于磁光波导的外加强磁场下，磁光材料可以使波导中的TM偏振模式产生非互易移相。在氧化硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构中，磁光波导的长度应使正反向传输光的非互易相位之差为π/2。

步骤4、在窗口处生长(包含但不限于脉冲激光沉积技术和晶圆键合技术)磁光材料(包含但不限于铈元素掺杂的钇铁石榴石)。

本实施例的氧化硅基平面光波导磁光隔离器的结构如图1所示，其中两个氧化硅基平面光波导模斑转换器分别集成在氧化硅基平面光波导磁光隔离器的输入与输出端口处。

氧化硅基集成的马赫-曾德尔干涉结构的两个干涉臂间的总相位差在所设计的中心波长处分别达到0与π，其分别对应正向传输与反向隔离的工作状态。由光纤输入的光斑经氧化硅基平面光波导模斑转换器可低损地耦合进氧化硅基平面光波导磁光隔离器。

本实施例的氧化硅基集成磁光波导截面TM

本实施例的氧化硅基集成磁光波导在满足π/2非互易移相时，所需的长度与相应的损耗随磁光材料Ce:YIG厚度的变化关系曲线如图3所示。仿真计算时，考虑了磁光材料的旋光值在1550nm波长处为-5000deg/cm，磁光材料的损耗为150dB/cm，平面光波导的传输损耗为0.15dB/cm。根据曲线图可见当Ce:YIG厚度为150nm时，氧化硅基集成磁光波导的损耗为2.1dB,对应的长度为3.65mm。

本实施例的氧化硅基平面光波导模斑转换器结构及相应渐变段的模斑示意如图4所示。在初始渐变处，端面宽度W为10μm，端面厚度H为10μm，平面光波导的端面模斑被设计成圆形以与光纤模斑相匹配。随着进一步的尺寸渐变，该模斑尺寸最终能够渐变成常规的氧化硅基平面光波导模斑，其厚度h为3.5μm。经仿真，该器件结构的理论损耗为0.15dB/coupler。

本实施例的氧化硅基平面光波导磁光隔离器仿真传输谱线如图5所示。可见该器件在1550nm波长处的总体损耗约为2.4dB。在反向传输方向上，器件取得了大于30dB的隔离度。

至此，实施例验证了本发明基于氧化硅基平面光波导的磁光非互易器件有效性，并在1550nm波长处达到了高于30dB的隔离度和2.4dB的器件总体损耗，实现了超低损耗的集成磁光非互易器件。