光波導的製作方法

2023-05-02 20:52:32

本發明涉及光通信領域，更具體地講，涉及一種光波導。

背景技術：

光是信息傳遞的重要載體，可通過對光子的能量、線動量和偏振態進行分析解碼得到它所攜帶的信息。近年來，光子的另一物理量「軌道角動量」引起人們的廣泛關注。光的軌道角動量與螺旋形相位波前聯繫在一起，是與光的波長、偏振態等類似的獨立的光學屬性。因此，可採用將光的軌道角動量與波長、偏振態等復用的方式來編碼信息，從而大大提高光通信的帶寬。此外，具有軌道角動量的光在粒子操控等方面也具有很多的應用。

通常採用螺旋相位盤進行空間的光束相位調控來使光產生軌道角動量，然而，實現該方法的器件體積較大，不利於集成。為了減小器件的體積，也可採用特殊拉制的光纖來產生軌道角動量，但是，這樣的光纖結構複雜且不易製作。近來，可採用基於光波導定向耦合器的方法來在光波導中產生軌道角動量，然而，實現這樣的方法的器件結構也很複雜，並且器件體積大、插損大。

因此，現有的能夠使光產生軌道角動量的器件結構不簡單且不易集成。

技術實現要素：

本發明的示例性實施例在於提供一種光波導。所述光波導能夠克服現有技術中的能夠使光產生軌道角動量的器件結構複雜且不易集成的缺陷。

根據本發明示例性實施例，提供一種光波導，包括：輸入光波導、非對稱光波導和輸出光波導，輸入光波導，將輸入光輸入到非對稱光波導，其中，所述輸入光具有橫磁波(TM)模式或橫電波(TE)模式；非對稱光波導，從輸入 光波導接收輸入光並將接收到的輸入光的光軸旋轉預定角度，以產生具有軌道角動量的輸出光；輸出光波導，從非對稱光波導接收輸出光並將接收到的輸出光輸出。

可選地，輸入光波導、非對稱光波導和輸出光波導均為條形光波導或均為脊形光波導。

可選地，在沿光在光波導中的傳輸方向上的輸入光波導和輸出光波導的對稱軸重合，並且，非對稱光波導關於所述對稱軸非對稱。

可選地，輸入光波導、非對稱光波導和輸出光波導各自包括沿光在光波導中的傳輸方向上一體設置的芯層、二氧化矽層和襯底層。

可選地，輸入光波導、非對稱光波導和輸出光波導的所述一體設置的芯層具有預定高度範圍和預定寬度範圍。

可選地，所述預定高度範圍和所述預定寬度範圍均為[200納米，600納米]。

可選地，非對稱光波導還包括：介質包層和金屬包層，其中，非對稱光波導的介質包層覆蓋於非對稱光波導的芯層的上表面和一個側表面，非對稱光波導的金屬包層覆蓋於非對稱光波導的介質包層上，並且，非對稱光波導的金屬包層覆蓋於非對稱光波導的介質包層的上表面，或者非對稱光波導的金屬包層覆蓋於非對稱光波導的介質包層的側表面，或者非對稱光波導的金屬包層覆蓋於非對稱光波導的介質包層的整個表面。

可選地，非對稱光波導的介質包層具有預定折射率範圍和預定介質厚度範圍，非對稱光波導的金屬包層具有預定金屬厚度範圍。

可選地，所述預定折射率範圍為[1.35，2.2]，所述預定介質厚度範圍為[5納米，150納米]，所述預定金屬厚度範圍為[30納米，200納米]。

可選地，輸入光波導還包括介質包層，其中，輸入光波導的介質包層覆蓋 於輸入光波導的芯層的整個表面。

可選地，輸出光波導還包括介質包層，其中，輸出光波導的介質包層覆蓋於輸出光波導的芯層的整個表面。

可選地，輸入光波導、非對稱光波導和輸出光波導的一體設置的芯層表面覆蓋有二氧化矽。

可選地，非對稱光波導的芯層的橫截面呈臺階狀，其中，所述臺階狀通過在非對稱光波導的芯層的一個頂角切去一個長方體而形成。

可選地，輸出光波導對橫磁波模式的光的有效折射率與輸出光波導對橫電波模式的光的有效折射率之差小於預定值。

可選地，所述預定值為0.01。

可選地，所述輸入光的波長範圍為[1300納米，1600納米]。

可選地，所述預定角度為45度，且所述預定角度的允許誤差範圍為[-6％，6％]。

可選地，非對稱光波導的長度為：其中，L表示所述非對稱光波導的長度，Δβ表示所述非對稱光波導的橫磁波模式傳播常數和橫電波模式的傳播常數之差，並且，所述非對稱光波導的長度的允許誤差範圍為[-10％，10％]。

可選地，所述金屬包層的材料為以下項中的至少一個：金、鉑、銀、銅、鋁和鈦。

在根據本發明的光波導中，能夠使不攜帶軌道角動量的輸入光產生軌道角動量，不需要使用額外的設備來使輸入光的光軸發生偏轉，並且所述光波導的結構簡單、體積小，便於與其它光電器件集成。

附圖說明

通過下面結合示例性地示出實施例的附圖進行的描述，本發明示例性實施例的上述和其他目的和特點將會變得更加清楚，其中：

圖1示出根據本發明示例性實施例的輸入光波導中的輸入光的電場在輸入光波導的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖；

圖2示出根據本發明示例性實施例的光波導的結構圖；

圖3示出根據本發明示例性實施例的光波導的非對稱光波導的截面圖；

圖4示出根據本發明示例性實施例的當圖2或圖3的光波導的非對稱光波導的長度為4.7微米時輸出光波導中的輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖；

圖5示出根據本發明示例性實施例的當圖2或圖3的光波導的非對稱光波導的長度為1.55微米時輸出光波導中的輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖；

圖6示出根據本發明另一示例性實施例的光波導的非對稱光波導的截面圖；

圖7示出根據本發明另一示例性實施例的光波導的結構圖；

圖8示出根據本發明示例性實施例的圖7的光波導的輸出光波導中的輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖。

具體實施方式

以下，將參照附圖更充分地描述本發明的示例性實施例，示例性實施例在附圖中示出。然而，可以以許多不同的形式實施示例性實施例，並且不應被解釋為局限於在此闡述的示例性實施例。相反，提供這些實施例從而本公開將會徹底和完整，並將完全地將示例性實施例的範圍傳達給本領域的技術人員。

根據本發明示例性實施例的光波導包括輸入光波導、非對稱光波導和輸出光波導。具體說來，輸入光波導將輸入光輸入到非對稱光波導，其中，所述輸入光具有橫磁波(TM)模式或橫電波(TE)模式；非對稱光波導從輸入光波導接收輸入光並將接收到的輸入光的光軸旋轉預定角度，以產生具有軌道角動量 的輸出光；輸出光波導從非對稱光波導接收輸出光並將接收到的輸出光輸出。

這裡，輸入光波導、非對稱光波導和輸出光波導可均為條形光波導或均為脊形光波導。為了減小光波導的插損，作為示例，光波導的輸入光波導、非對稱光波導和輸出光波導可各自包括沿光在光波導中的傳輸方向上一體設置的芯層、二氧化矽層和襯底層。例如，可將一體設置的芯層製備於一體設置的SOI晶片(基於絕緣體的矽晶片)的頂層矽材料上。作為示例，一體設置的芯層的材料可以是矽。並且，一體設置的芯層可具有預定高度範圍和預定寬度範圍。優選地，根據實際需要，所述預定高度範圍和所述預定寬度範圍可均為[200納米，600納米]。

作為示例，所述輸入光的波長範圍可為[1300納米，1600納米]。這裡，當將三維坐標系的z軸的正方向定義為光在光波導中的傳輸方向，將y軸的方向定義為垂直於光波導的襯底的方向，並將x軸的方向定義為垂直於zy平面的方向時，輸入光的電場的偏振方向可為沿x軸方向或沿y軸方向。

圖1示出根據本發明示例性實施例的輸入光波導中的輸入光的電場在輸入光波導的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖。

圖1中的(a)為根據本發明示例性實施例的輸入光波導中的輸入光的電場在輸入光波導的橫截面上的幅值分布的示圖，圖1中的(b)為根據本發明示例性實施例的輸入光波導中的輸入光的電場在輸入光波導的橫截面上的相位分布的示圖。由圖1中的(a)可以看出輸入光的電場在輸入光波導的橫截面上均勻分布，並且由圖1中的(b)可以看出輸入光在輸入光波導的橫截面上不存在螺旋相位分布，即，輸入光不存在軌道角動量。

為了使不攜帶軌道角動量的輸入光產生軌道角動量，需要將輸入光的電磁場分布形成的光軸偏轉預定角度。作為示例，為了得到具有軌道角動量的輸出 光，所述預定角度為45度，並且，在實踐中，所述預定角度的允許誤差範圍為[-6％，6％]。這裡，可利用非對稱光波導結構上的非對稱性或形狀上的非對稱性使光軸發生偏轉。作為示例，根據本發明示例性實施例的光波導，在沿光在光波導中的傳輸方向上的輸入光波導和輸出光波導的對稱軸重合，並且，非對稱光波導可關於所述對稱軸非對稱。這裡，可通過改變非對稱光波導的形貌和尺寸來調控光軸的偏轉角度。以輸入光的磁場分布為例，光軸偏轉角的定義式為：

<![CDATA[ tan θ = H x 2 ( x , y ) dxdy H y 2 ( x , y ) dxxy ]]>

其中，θ為光軸偏轉角，Hx(x,y)為輸入光的磁場在x軸方向的偏振分量，Hy(x,y)為輸入光的磁場在y軸方向的偏振分量。這裡的x軸方向和y軸方向為上述三維坐標系中的x軸方向和y軸方向。

綜上，非對稱光波導的傳播模式的電磁場分布形成的光軸可相對於輸入光波導的傳播模式的光軸偏轉45度，輸入光進入非對稱光波導後會發生模式耦合，輸入光的能量轉換到非對稱光波導的兩個本徵模式(橫磁波(TM)模式和橫電波(TE)模式)中，由於輸入光在這兩個本徵模式間存在雙折射，因此輸入光在非對稱光波導中傳輸的過程中在兩個本徵模式間會由於雙折射而產生相位差，從而產生具有軌道角動量的輸出光。

為了使輸入光在非對稱光波導中產生具有螺旋形分布的相位的軌道角動量，需要使輸入光在非對稱光波中傳輸的過程中在兩個本徵模式間產生的相位差。因此，非對稱光波導的長度為：

其中，L表示所述非對稱光波導的長度，Δβ表示所述非對稱光波導的橫磁 波模式傳播常數和橫電波模式的傳播常數之差，並且，在實踐中，所述非對稱光波導的長度的允許誤差範圍為[-10％，10％]。

根據本發明示例性實施例的光波導，可通過非對稱光波導來使輸入光的光軸偏轉預定的角度，而不需要額外的設備來使輸入光的光軸發生偏轉，從而能夠使不攜帶軌道角動量的輸入光產生軌道角動量。

圖2示出根據本發明示例性實施例的光波導的結構圖。

如圖2所示，圖2中的光波導為條形光波導。輸入光波導110、非對稱光波導120和輸出光波導130可各自具有一體設置的芯層12、二氧化矽層11和襯底層10。芯層12設置於襯底層10和二氧化矽層11上。

圖2中輸入光波導110的芯層沒有被介質包層覆蓋。

圖2中的非對稱光波導120還可包括：介質包層13和金屬包層14，其中，非對稱光波導120的介質包層13覆蓋於非對稱光波導120的芯層的上表面右側表面，非對稱光波導120的金屬包層14覆蓋於非對稱光波導120的介質包層13上，並且，非對稱光波導120的金屬包層14覆蓋於非對稱光波導120的介質包層13的整個表面。

這裡，為了縮短非對稱光波導的長度L(即，使光波導的尺寸儘量小，以利於集成)，可儘量增大Δβ。例如，可通過改變非對稱光波導120的形貌和尺寸來調整非對稱光波導的傳播模式的傳播常數β。由於對於特定波長的輸入光，傳播模式的傳播常數β正比於該傳播模式的有效折射率(neff)，因此，可通過控制介質包層的折射率和厚度以及金屬包層的厚度來控制非對稱光波導的傳播模式間的有效折射率(neff)之差，從而控制Δβ。作為示例，可使非對稱光波導的介質包層具有預定折射率範圍和預定介質厚度範圍，使非對稱光波導的金屬包層具有預定金屬厚度範圍。優選地，所述預定折射率範圍為[1.35，2.2]，所述預定介質 厚度範圍為[5納米，150納米]，所述預定金屬厚度範圍為[30納米，200納米]。

這裡，介質包層的材料可以是折射率滿足上述折射率範圍的各種材料，例如，介質包層的材料可以是：二氧化矽、氮化矽、氟化鎂、氧化鋁和氧化鋅等。另外，介質包層的材料還可以是滿足上述折射率範圍的有機聚合物。這裡，金屬包層的材料可為以下項中的至少一個：金、鉑、銀、銅、鋁和鈦。例如，金屬包層可以是由上述任一金屬構成的單層結構，或者金屬包層可以是由上述至少兩種金屬構成的多層結構，或者金屬包層還可以是由上述至少兩種金屬的合金構成的單層結構。應該理解，實際應用中優選傳播損耗低的介質包層材料和金屬包層材料。

圖2中的輸出光波導130的還可包括介質包層15。輸出光波導130的介質包層15覆蓋於輸出光波導130的芯層的整個表面。

這裡，由於耦合到輸出光波導130中的輸出光具有軌道角動量，因此，為了儘量避免輸出光的進一步旋轉，需儘量減小輸出光波導對橫磁波模式的光的有效折射率與輸出光波導對橫電波模式的光的有效折射率的差。因此，輸出光波導還可包括覆蓋於輸出光波導130的芯層的整個表面的介質包層15。為了使輸出光在輸出光波導中的旋轉較小，可使輸出光波導對橫磁波模式的光的有效折射率與輸出光波導對橫電波模式的光的有效折射率之差小於預定值。優選地，在實踐中，所述預定值可為0.01。

應該理解，圖2中的光波導的結構僅為示例性結構，根據本發明示例性實施例的光波導還可具有其他結構。例如，輸入光波導110可還包括介質包層。當輸入光波導110包括介質包層時，輸入光波導110的介質包層可覆蓋於輸入光波導110的芯層的整個表面。或者，非對稱光波導120的介質包層13還可覆蓋於非對稱光波導120的芯層的上表面左側表面。並且，非對稱光波導120的 金屬包層14可僅覆蓋介質包層13的一部分，例如，非對稱光波導的金屬包層14可僅覆蓋於非對稱光波導120的介質包層13的上表面，或者非對稱光波導120的金屬包層14可僅覆蓋於非對稱光波導120的介質包層13的側表面。

此外，在實際生產中，由於工藝限制或為了便於生產，可將圖2中的介質包層13和金屬包層14生產為其它形狀。

圖3示出根據本發明示例性實施例的光波導的非對稱光波導的截面圖。

如圖3所示，為了生產方便，可按照圖3所示的形狀來在芯層12上覆蓋介質包層13和金屬包層14。可以看出，對比於圖2所示的「倒L」形的介質包層和金屬包層，圖3中的介質包層還可具有平行於襯底層10和二氧化矽層11的部分。

參照圖2或圖3，在一實施例中，輸入光的波長為1550納米，光波導的一體設置的芯層12的材料為矽，介質包層13和介質包層15的材料為二氧化矽，金屬包層14的材料為銀。一體設置的芯層12的高度和寬度均為310納米，介質包層13的厚度為50納米，金屬包層14的厚度為80納米，非對稱光波導120對橫磁波模式的光的有效折射率與輸出光波導對橫電波模式的光的有效折射率之差為0.08，覆蓋於輸出光波導130的芯層的上表面的介質包層15的厚度為100納米，覆蓋於輸出光波導130的芯層的側面的介質包層15的厚度為130納米。

通過上述非對稱光波導長度的等式可以得到：針對所述一實施例的非對稱光波導的理論長度為4.48微米。

由於在實踐中，實際生產出來的非對稱光波導的長度可能不會嚴格等於理論長度，因此，在實踐中，存在上述提到的非對稱光波導的長度的允許誤差範圍。

下面結合圖4和圖5來說明：當所述一實施例中的光波導的非對稱光波導 120的長度在允許誤差範圍內(例如，非對稱光波導120的長度為4.7微米)和超出允許誤差範圍(例如，非對稱光波導120的長度為1.55微米)時，輸出光的電場在輸出光波導130的橫截面上的幅值分布和相位分布情況。

圖4示出根據本發明示例性實施例的當圖2或圖3的光波導的非對稱光波導120的長度為4.7微米時輸出光波導130中的輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖。

圖4中的(a)為輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的幅值分布的示圖，圖4中的(b)為輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的相位分布的示圖。由圖4中的(a)可看出輸出光的電場幅值在輸出光波導的橫截面內均勻分布，且電場方向相對於圖1中的(a)所示的電場方向偏轉了45度；由圖4中的(b)可以看出相位呈螺旋形的一階軌道角動量分布。因此，可通過長度在允許誤差範圍內的非對稱光波導產生具有理想的螺旋形相位分布的軌道角動量的輸出光。

圖5示出根據本發明示例性實施例的當圖2或圖3的光波導的非對稱光波導的長度為1.55微米時輸出光波導中的輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖。

圖5中的(a)為輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的幅值分布的示圖，圖5中的(b)為輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的相位分布的示圖。由圖5中的(a)可以看出電場方向相對於圖1中的(a)的偏轉角度不在預定偏轉角度45度的誤差範圍內；由圖5中(b)可以看出相位分布非常不均勻，相位在很大的範圍內幾乎沒有變化，只有小部分區域存在相位的漸變。因此，該超出允許誤差範圍的非對稱光波導不能產生具有理想螺旋形相位分布的軌道角動量的輸出光。

圖6示出根據本發明另一示例性實施例的光波導的非對稱光波導的截面圖。

如圖6所示，所述光波導為脊形光波導。雖然未示出，但應理解，圖6的光波導的輸入光波導、非對稱光波導和輸出光波導可各自具有一體設置的芯層12、二氧化矽層11和襯底層10，芯層12設置於襯底層10和二氧化矽層11上。

圖6中的非對稱光波導的還包括：介質包層13和金屬包層14，其中，非對稱光波導的介質包層13覆蓋於非對稱光波導的芯層的上表面右側表面，非對稱光波導的金屬包層14覆蓋於非對稱光波導的介質包層13上，並且，非對稱光波導的金屬包層14覆蓋於非對稱光波導的介質包層13的整個表面。

這裡，可將芯層12的脊高定義為上面描述的芯層12的高度，或者可將芯層12的脊高與芯層12的平板層的厚度之和定義為芯層12的高度，並且芯層12的寬度為脊寬。

應該理解，圖6所示的非對稱光波導的截面圖僅為示例，根據本發明示例性實施例的光波導還可具有其他結構。例如，非對稱光波導的金屬包層14可僅覆蓋介質包層13的一部分，例如，非對稱光波導的金屬包層14可僅覆蓋於非對稱光波導的介質包層13的上表面，或者非對稱光波導的金屬包層14可僅覆蓋於非對稱光波導的介質包層13的側表面。

此外，可按照類似於圖2所示的條形光波導的輸入光波導和輸出光波導的結構，來設置圖6所示的脊形光波導的輸入光波導和輸出光波導的結構。例如，可使脊形光波導的輸入光波導的芯層不被介質包層覆蓋，使輸出光波導的介質包層覆蓋於輸出光波導的芯層的整個表面。並且，脊形光波導的介質包層的特性(例如，材料、折射率、厚度)和金屬包層的特性(例如，材料和厚度)可參照圖2中對介質包層13、介質包層15和金屬包層14的描述，這裡將不再贅述。

圖7示出根據本發明另一示例性實施例的光波導的結構圖。

圖7中的光波導為條形光波導，輸入光波導110、非對稱光波導120和輸出光波導130可各自具有一體設置的芯層12、二氧化矽層11和襯底層10，芯層12設置於襯底層10和二氧化矽層11上。並且，一體設置的芯層12表面可覆蓋有二氧化矽(未示出)。

由圖7可以看出，非對稱光波導120的芯層的橫截面呈臺階狀，其中，所述臺階狀可通過在非對稱光波導的芯層的一個頂角切去一個長方體121而形成。這裡，可通過控制切去的長方體121的寬度和高度來在輸入光的光軸偏轉角度和非對稱光波導的兩個傳播模式的有效折射率之差之間取得最優平衡。

這裡，作為另一實施例，圖7的輸入光的波長為1550納米，芯層12的材料為矽，且芯層12的高度和寬度(指未切去長方體121時的芯層12的高度和寬度)均為500納米。所切去的長方體的寬度和高度均為240納米。非對稱光波導120對橫磁波模式的光的有效折射率與輸出光波導對橫電波模式的光的有效折射率之差為0.108。通過上述非對稱光波導長度的等式可以得到：針對所述另一實施例的非對稱光波導的理論長度為3.6微米。

下面結合圖8來說明：當所述另一實施例中的光波導的非對稱光波導120的長度為理論長度(3.6微米)時，輸出光的電場在輸出光波導130的橫截面上的幅值分布和相位分布情況。

圖8示出根據本發明示例性實施例的圖7的光波導的輸出光波導中的輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的幅值分布和相位分布的示圖。

圖8中的(a)為輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的幅值分布的示圖，圖8中的(b)為輸出光的電場在輸出光波導的橫截面上的相位分布的示圖。由圖8中的(a)可看出輸出光的電場幅值在輸出光波導的橫截面內非均勻分布， 這是由於圖7的非對稱光波導120的芯層切去了長方體121從而造成了輸入光的能量損耗，因而導致了輸入光的能量分布不均勻；由圖8中的(b)可看出相位呈螺旋形的一階軌道角動量分布。因此，可通過圖7所示的非對稱光波導產生具有理想的螺旋形相位分布的軌道角動量的輸出光。

在根據本發明的光波導中，能夠使不攜帶軌道角動量的輸入光產生軌道角動量，不需要使用額外的設備來使輸入光的光軸發生偏轉，並且所述光波導的結構簡單、體積小(例如，針對波長為1550納米的輸入光，非對稱光波導的長度可小於5微米)，便於與其它光電器件集成。

儘管已經參照其示例性實施例具體顯示和描述了本發明，但是本領域的技術人員應該理解，在不脫離權利要求所限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對其進行形式和細節上的各種改變。