偏振旋转器的制作方法

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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(ey)，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。
8.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。
9.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。
10.发明目的
11.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。
12.本发明的一个重要优点是，它允许偏振旋转到任何方向，并且它支持在单个波导芯片上同时实现多个波导的偏振旋转，而不需要为每个波导单独组装必要的部件。


技术实现要素：

13.根据本发明，提供一种偏振旋转器，包括：
[0014]-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，
[0015]-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
[0016]-至少第一竖直镜元件，其布置在所述波导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。
[0017]
根据本发明，在其端部处具有竖直镜元件的第一波导或第二波导的光轴可以在其波导层中以第一角度旋转，以引起在第一波导与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。
[0018]
第一波导层可以具有：至少第三波导，其具有输入端和输出端；以及至少第二竖直镜元件，所述第二竖直镜元件布置在所述第二波导和所述第三波导中的至少一个的端部处，以在第二波导的输出端与第三波导的输入端之间耦合光。根据本发明，具有第二竖直镜元件的波导的光轴可以在其波导层中以第二角度旋转，以引起从所述第二波导耦合到所述第三波导的光的偏振旋转，旋转量对应于所述第二角度。
[0019]
在一些实施例中，第二波导层垂直于第一波导层，由此所述第一波导的光轴在第一波导层中以所述第一角度旋转，并且由此所述第一竖直镜元件耦合到所述第一波导的输出端，以将光从第一波导的输出端耦合到第二波导的输入端，并且所述第二竖直镜元件耦合到所述第三波导的输入端，以将光从第二波导的输出端耦合到第三波导的输入端，并且由此根据本发明，所述第三波导的光轴可以在第一波导层中以所述第二角度旋转，以引起光的偏振旋转。
[0020]
在其他实施例中，第二波导层垂直于第一波导层，由此所述第二波导的输入端中的光轴在第二波导层中以所述第一角度旋转，并且由此所述第一竖直镜元件耦合到所述第二波导的输入端，以将光从第一波导的输出端耦合到第二波导的输入端，并且所述第二竖直镜元件耦合到所述第二波导的输出端，以将光从第二波导的输出端耦合到第三波导的输入端，并且由此，所述第二波导的输出端中的光轴在第二波导层中以所述第二角度旋转，以进一步引起光的偏振旋转。
[0021]
在一些实施例中，第二波导层位于所述第一波导层上方或下方，并且所述第二波导层和所述第一波导层彼此平行，由此所述第一竖直镜元件耦合到所述第一波导的输出端，并且第三竖直镜元件耦合到所述第二波导的输入端，以将光从第一波导耦合到第二波导。在一些实施例中，第一波导层可以具有沉积在其上的至少第三波导，所述第三波导具有输入端和输出端，由此所述第二竖直镜元件耦合到所述第三波导的输入端，并且第四竖直
镜元件耦合到所述第二波导的输出端，以将光从第二波导耦合到第三波导。
[0022]
在一些实施例中，其中第二波导是直波导，具有第三竖直镜元件和第四竖直镜元件，所述第三竖直镜元件耦合到所述第二波导的输入端，以将光从所述第一波导耦合到第二波导，所述第四竖直镜元件耦合到所述第二波导的输出端，以将光从第二波导耦合到所述第三波导。
[0023]
在一些实施例中，第二波导可以包括水平光转动元件，例如弯曲或水平tir镜，所述水平光转动元件在第二波导层中水平转动光，以允许光从所述第一波导的输出到所述第三波导的输入的耦合。水平光转动元件可以调整或补偿偏振旋转器中的偏振相关的相移。
[0024]
根据其他实施例，本发明的偏振旋转器可以包括以下一个或几个特征：
[0025]-第三波导在与所述第一波导相同的方向上在所述第一衬底上取向。
[0026]-第三波导在与所述第一波导相反的方向上在所述第一衬底上取向。
[0027]-第二波导包括直的和平行的输入部分和输出部分以及水平光转动元件，例如弯曲或水平tir镜，以将所述输入部分和所述输出部分耦合在一起。
[0028]-所述直波导段和/或所述水平光转动元件被选择为具有偏振相关的相移，所述偏振相关的相移补偿或补充由所述竖直镜元件引起的偏振相关的相移，从而允许将线性输入偏振旋转成线性输出偏振。
[0029]-第二波导层中的第二波导和任何镜元件通过增材制造(例如，3d打印或直接写入)来制造。
附图说明
[0030]
图1示出了使一个波导相对于另一个波导围绕它们的共同光轴旋转的构思，其不支持多个波导对之间的同时旋转；
[0031]
图2示出了根据本发明实施例的如何在两个直波导之间实现偏振旋转；
[0032]
图3示出了根据本发明实施例的如何在三个直波导之间实现偏振旋转；
[0033]
图4a和图4b示出了在本发明的至少一些实施例中采用的镜元件的示例；
[0034]
图5a和图5b示出了本发明偏振旋转器的示意性侧视图和俯视图；
[0035]
图6示出了本发明光子集成电路的另一个实施例的示意性侧视图；
[0036]
图7a、图7b、图7c和图7d示出了根据本发明其他实施例的如何在两个平行波导之间使用在它们之间的u形环波导实现偏振旋转；
[0037]
图8示出了本发明的另一个示例性光子集成电路的前视图和侧视图；
[0038]
图9列出了各种波导中使用的坐标系；
[0039]
图10示出了微米级soi平台上的一些基本构建块；
[0040]
图11示出了本发明集成隔离器的一个实施例的示意图；
[0041]
图12示出了两个波导之间的坐标系旋转的基本原理；
[0042]
图13示出了由两个波导之间的一个坐标系旋转引起的线性偏振旋转；
[0043]
图14示出了三个波导之间的坐标系旋转的基本原理；
[0044]
图15示出了由三个波导之间的两个坐标系旋转引起的线性偏振旋转；
[0045]
图16示出了两个波导之间的相反坐标系旋转的基本原理；
[0046]
图17示出了由三个波导之间的两个相反坐标系旋转和第二波导中的一个偏振反
射引起的线性偏振旋转；
[0047]
图18示出了由三个波导之间的两个辅助坐标系旋转引起的线性偏振旋转；
[0048]
图19示出了在两个波导之间的一个坐标系旋转和第二波导中的一个偏振反射的情况下的线性偏振旋转；以及
[0049]
图20示出了在两个坐标系旋转和第二波导中的一个偏振反射的情况下的线性偏振旋转。
具体实施方式
[0050]
当光从一个波导传播到另一个波导(或从一种双折射材料传播到另一种双折射材料中)时，偏振旋转自然发生，并且两种传播介质中的偏振本征模(或快轴方向和慢轴方向)的取向不同。在平面光波导中，使本征模相对于波导的衬底旋转是相当困难的。
[0051]
然而，波导的本征模相对于同一波导的衬底的旋转是在平面波导电路上实现偏振旋转器的常用方法。在波导中逐渐引入非对称性会逐渐旋转偏振本征模，而非对称波导中的双折射反射相对于其中一个偏振本征模方向的偏振。这对应于在自由空间光学中使用波片。具有倾斜本征模的非对称波导的其他示例是沿装置交替的非对称波导横截面的周期光栅，或具有逐渐变化形状的波导。
[0052]
图1示出了一个波导芯片2相对于另一个波导芯片1围绕波导对的公共光轴的旋转如何允许该一个波导对的偏振旋转，但不允许相同两个波导芯片上的任何其他波导对的偏振旋转。在图1中，两个波导芯片1、2围绕旋转轴r以角度β旋转，所述旋转轴被定义为两个芯片上的主要波导1a和2a的公共光轴。旋转之后，芯片1、2上的其他波导1b、2b、1c、2c不对准。
[0053]
本发明基于这样的想法，即通过从输入波导向上或向下转动光，可以通过旋转输出波导将偏振旋转到任何方向，所述输出波导位于作为输入波导的不同波导芯片或层上。这可以在任何方向上完成。这在图2中进行了演示，其示意性地示出了具有两个波导1和2的偏振旋转元件的俯视图和侧视图。波导用竖直镜元件4彼此光学耦合。反射镜4通过将光向上反射到波导2而在两个波导1、2之间耦合入射光，如粗体箭头所示。光的方向自然也可以反转。当光从输入波导1耦合到输出波导2时，当两个波导相对于彼此物理旋转任意角度β时，偏振旋转发生在该两个波导之间。
[0054]
在图2中，示出了本发明的基本构思，通过围绕两个波导之间的竖直光轴相对于输入波导1以角度β旋转输出波导2，使偏振在两个直波导1与2之间旋转。通过镜元件4使光在两个波导之间耦合，而当光竖直传播时，使偏振在反射镜之间旋转。
[0055]
更具体地，波导1和2位于两个单独的波导层中，所述两个单独的波导层已位于彼此的顶部上。波导层在公共衬底上和同一平面中包含光子集成电路或至少两个单独的波导。波导1和2的波导层可以沉积在两个单独的衬底上，使得它们在两个单独的波导芯片上，所述两个波导芯片位于彼此的顶部上并彼此平行(例如见图3)。替代地，波导1和2的两个单独的波导层可以沉积在公共衬底上，使得它们是在单个波导芯片上的两个波导层。第一或输入波导1具有光进入的输入端(如粗体箭头所示)和在其镜元件4处的输出端，如在侧视图中清楚可见。第二或输出波导2则相反。第一镜元件4耦合到第一或输入波导1的输出端，并且第二镜元件耦合到第二波导2的输入端。第一波导和第二波导的波导层对准，使得第一镜元件将光耦合到第二镜元件。
[0056]
如所示的，第二波导及其光轴相对于第一波导的光轴以角度β旋转，以引起从第一波导耦合到所述第二波导的光的偏振旋转，旋转量对应于第一角度β。在这个示例中，当光在两个波导层之间竖直行进时发生偏振旋转，并且两个波导的光轴可以在两个竖直镜之间的小间隙中相对于彼此旋转。
[0057]
根据本发明的重要方面，允许在两个平行波导层中集成多个输入和输出波导，同时将光从所有输入波导耦合到所有输出波导。优选地，竖直镜元件4将光向上或向下反射90
°
，在这种情况下，要转动的波导的旋转轴垂直于波导层的平面。
[0058]
在下文中，竖直镜元件被定义为将光反射出波导层(即，相对于反射之前光在波导中的传播方向向上或向下)的反射镜。水平镜被定义为在其波导层内反射光(即，相对于反射之前光在波导中的传播方向向左或向右)的反射镜。
[0059]
现在转到图3，它是具有三个波导的偏振旋转元件的俯视图和侧视图的示意图，所述三个波导通过竖直镜元件彼此光学耦合。在本发明的这个实施例中，偏振旋转分别由于转动角度β1和β2而作为波导1、2与3之间的两个偏振旋转的组合来实现。在这个实施例中，两个波导1和3沉积在第一衬底5上，并且它们是第一波导层的一部分。在图3的图示中，波导2可以沉积在第二衬底(未示出)上，并且它是单独的波导芯片上的第二波导层的一部分。然而，具有波导2的第二波导层也可以沉积在同一衬底5上的第一波导层的上方或下方。
[0060]
还可以使用添加剂制造、离子束刻蚀或其他3d制造方法，以在本发明的偏振旋转器中实现第二波导层。例如，第二波导层中的波导和反射镜可以通过3d打印或激光直接写入技术形成。通过这些方法，可以产生曲面镜，从而避免需要在第二波导层中的两个反射镜之间添加传统的直波导。添加剂制造、离子束刻蚀和其他3d制造方法的另一个优点是，第二波导层中的不同波导和反射镜可以具有不同的取向，这与通常与材料的公共晶体取向对准的湿刻蚀反射镜不同。在本发明的所有实施例中，可以在第二波导层中使用通过添加剂制造、离子束刻蚀或其他3d制造方法产生的使用反射镜的选项。
[0061]
第一镜元件4耦合到第一波导1的输出端，并且第二镜元件4耦合到第二波导2的输入端。另外，第三镜元件4耦合到第二波导2的输出端，并且第四镜元件4耦合到第三波导3的输入端。第一波导层和第二波导层对准，使得第一镜元件将光耦合到第二镜元件，并且第三镜元件将光耦合到第四镜元件。当将光从第一竖直镜耦合到第二竖直镜时，第二波导2的光轴相对于第一波导1的光轴以角度β1旋转。在这个示例中，第二波导层位于第一波导层的顶部上，并且两个波导层彼此平行。
[0062]
在图3的实施例中，当沿着光传播方向观看时，即，当光在第一旋转中向上行进和在第二旋转中向下行进时，两个偏振旋转在相同的顺时针方向上发生。在俯视图中，角度β1和β2的正旋转出现在相反方向上。
[0063]
在图3的实施例中，不需要波导弯曲或水平镜。然而，从组装角度来看，镜元件需要精确地制造(刻蚀)，因为镜元件处的光耦合对刻蚀误差敏感。这将在后面详细讨论。
[0064]
有多个选项来实现本发明所采用的镜元件，见图4a和图4b。例如，它可以基于图4a所示的全内反射(tir)镜或图4b所示的外部金属镜。
[0065]
图4a和图4b提供了本发明中使用的竖直镜元件的示意性3d图示。
[0066]
在图4a的示例中，镜面41从波导40的波导层向上(或向下)反射光，并且可以包括具有负角度并具有输出面42的tir镜面41。在镜面41上也可以具有金属涂层或其他反射涂
层。输出面可以是防反射涂层，以减少不必要的反射。
[0067]
在图4b的示例中，镜元件43可以由波导43的端部处的竖直透明波导面45组成，随后是外部(如虚线d所示)金属镜面44。竖直面45可以是防反射涂层，以减少不必要的反射。镜面44也可以具有一些非金属反射涂层。显然，来自图4a和图4b的相同技术可以用于产生水平镜元件，或用于向下而不是向上反射光。
[0068]
根据图4a或图4b的倾斜镜面可以通过使用倾斜角度的各向异性干法刻蚀(例如用离子束刻蚀机)或通过使用沿特定晶面产生平坦表面的各向异性湿法刻蚀来制造。对于soi波导，氢氧化钾(koh)或四甲基氢氧化铵(tmah)是常用的湿法刻蚀方法。通过向刻蚀化学品中添加合适的表面活性剂或在晶圆上使用特殊的晶体取向，可以精确地产生45
°
反射镜。采用最常见的晶体取向[100]，硅上具有55
°
角的反射镜是最容易产生的，并且在本发明的一些实施例中，可以使用这种反射镜。然而，45
°
的反射镜角度垂直向上或向下反射光，这是本发明的优选选项。
[0069]
如上所述，还可以使用添加剂制造或离子束刻蚀来制造任何反射镜。用这两种工艺中的任何一种，都可能在同一波导层中具有不同的反射镜取向，这允许在同一波导层或芯片中实现不同的偏振旋转。
[0070]
图3(和图5至图6)所示的设计的一个实际挑战是：在一些情况下，无法精确控制竖直镜元件的位置。例如，湿法刻蚀45
°
反射镜通常在刻蚀区域的宽度中具有一些变化。然后，处于不同角度(例如，如图3中彼此面对)的任意两个镜元件之间的精确距离在晶圆上变化或从晶圆到晶圆变化。这导致波导的光轴之间错位。例如，如果制造缺陷导致图3中的所有反射镜移动靠近其相应的波导，则波导层1中的第一反射镜和第四反射镜移动彼此远离，而波导层2中的第二反射镜和第三反射镜移动彼此靠近。这使之不可能通过将波导层彼此对准来完全对准两个反射镜对。如果本发明的一些实施例基于在每个波导层中使用相同的反射镜(在完全相同的取向上)(见图7和图8)，则它们可以避免这个潜在挑战。
[0071]
当从整体上确定本发明波导的偏振旋转时，必须考虑由反射镜(并且特别是tir反射镜)引入s和p偏振的相移。对于介质镜，可以使用菲涅耳方程计算这些相移，其中s偏振和p偏振是指在入射面处具有垂直电场和磁场的偏振状态。对于向上反射tir反射镜，s偏振对应于波导的te模式，并且电场位于波导层的平面中，并沿波导的局部坐标系的x轴取向。相应地，p偏振对应于波导的tm模式，并且电场垂直于波导层的平面，并沿波导的局部坐标系的y轴取向。在本发明的一些实施例中，例如，可以通过使用金属镜来最小化竖直镜元件中的偏振相关的相移。
[0072]
偏振相关的相移也可以发生在水平镜、波导弯曲处，甚至在直波导中。如果te模式和tm模式的有效折射率不同，则这些模式以不同的速度传播，并随着传播距离的变化而在它们之间累积相移。这也开辟了在偏振旋转器的一部分中产生期望的偏振相关的相移以补偿同一装置的另一部分中不需要的相移的可能性。
[0073]
在理想情况下，偏振旋转器的每个部分的偏振相关的相移将为零或π的倍数，并且任何线偏振输入光在通过偏振旋转器传播时将保持线偏振。不是π的整数倍的偏振相关的相移通常将线性偏振转换成椭圆形偏振。为简单起见，以下假设线性偏振，因为椭圆形偏振的偏振旋转的详细分析非常复杂且难以图示。
[0074]
tir镜中的偏振相关的相移至少是光的入射角(α)、波导材料(硅)和包层材料(例
如，空气、二氧化硅或氮化硅)的函数。
[0075]
对于竖直镜元件中偏振相关的相移δφ不为零的情况，有几种解决方案。例如，一个解决方案可以在竖直镜元件附近使用具有非零偏振相关的相移
–
δφ的一个或多个补偿光学元件。例如，双折射波导段或水平tir镜可以集成到集成竖直镜元件的同一波导。这种方法适用于任何线性输入偏振。本领域技术人员可以计算偏振相关的相移对在此描述的任何偏振结构中的偏振的影响，并设计偏振旋转器，使得任何不需要的偏振相关的相移都会用另一个类似的相移补偿，以在需要时保持光的线偏振。这方面的一个示例是在每个竖直tir镜元件的附近添加一个水平tir镜，使得它们补偿彼此的偏振相关的相移(见例如图7c)。
[0076]
再次参见图3，示出了总共四个竖直镜元件4，即，在两个偏振旋转接口处的每个波导1、2、3的端部处的一个。然而，如果第二波导层相对于第一波导层转动到直立位置中，则可以通过第二波导层中的u形转弯来替换这些竖直镜元件中的一些。
[0077]
图5a是本发明偏振旋转器的示意性侧视图，其中两个波导层位于彼此正交的两个衬底(或波导芯片)5和7上。三个波导1、2和3彼此光学耦合，如在图3中，但在这种情况下只需要两个竖直镜元件4。在这个实施例中，第二波导2包括直输入部分2a和直输出部分2c以及将所述输入部分和输出部分连接在一起的中间弯曲波导部分2b。
[0078]
更具体地，中间波导2b在第二波导层中形成水平u形弯曲，以将向上传播的光向下转向波导3。基于波导弯曲的u形环通常导致偏振相关的相移，这需要在设计偏振旋转器时考虑。将波导2与波导1和3直接沉积在同一(第一)衬底5上将非常困难，因此实现图5a中所示结构的优选方法是将两个单独的波导芯片组装在一起。
[0079]
图5a还图示了在两个波导层之间具有无源机械对准螺柱8和配合插座8a的可能性，这在衬底(或波导芯片)5、7彼此垂直的实施例中特别有用。然而，这种机械对准构思可以应用于使用两个单独的波导芯片的任何偏振旋转器。
[0080]
图5b示出了图5a的实施例的俯视图，图示了波导1和3在衬底5上的各种放置选项，如由双箭头所示。当然，随后需要相应地调整衬底(或波导芯片)7的位置。可以认为图5a中的波导1和3向外倾斜到观察平面，但只有图5b中的投影显示了这一点。在这里示出的两个示例中，波导1和3彼此平行，但这不是必需的。
[0081]
在图6中示出了另一个实施例，在波导2中使用四个水平tir镜10，所述波导是衬底(或波导芯片)7上的波导层2的一部分。这里，第二波导2包括直输入部分和直输出部分以及中间波导部分，所述中间波导部分进一步包括tir镜10和连接这些反射镜的直波导段。中间波导部分有效地形成用于将所述输入部分和输出部分连接在一起的u形环的等效物。
[0082]
在此，反射镜10在波导2中水平转动光。为了缓解由tir镜引起的偏振相移的问题，可以使用具有适当反射镜角度的适当数量的反射镜10来有效地形成u形环，同时在te和tm偏振之间产生大约2π的相移。因此，水平tir镜不能有效地改变偏振状态。图6(和图7b)中的反射镜的数量(四个)及其角度(90
°
)仅用于示意图，并且可以对其进行优化，以实现波导2中两个偏振模式之间的任何期望相移。这种优化的一个示例是实现te与tm偏振之间的π相移，以形成u形环，所述u形环相对于波导的偏振轴反射线性偏振。
[0083]
显然，只要波导2可以光学耦合到波导1和3，就可以使用具有任何反射角的任意数量的反射镜。关于衬底(或波导芯片)5和7上波导的放置，见图5b。图5和图6所示实施例的一
个共同优点是能够减少竖直镜元件的数量。
[0084]
水平弯曲、水平镜和竖直镜元件之间的选择可以受到其光学损耗和偏振相关的相移的影响。如前面解释的，tir镜通常具有有限的相移δφ，但直波导和波导弯曲也可以产生有限元δφ。有时，可以在直波导、弯曲或水平镜中使用有限元δφ，以补偿竖直镜元件中的有限元δφ，或者相对于其中一个偏振轴反射线性偏振。
[0085]
在本发明的一个实施例中，可以使用多个弯曲或tir镜来在第二波导中的两个偏振模式之间产生π相移，以相对于其中一个偏振本征态反射偏振。在一些其他实施例中，可以使用多个弯曲或tir镜来在第二波导中的两个偏振模式之间产生2π相移，以避免不能减小到零的δφ的净效应。这在图6中用四个tir镜10示意性地图示，但对于所用波导、反射镜和弯曲结构，应优化水平镜(或弯曲)的数量和角度。
[0086]
为了减少波导的光轴之间的任何错位，根据本发明的一些实施例，可以将同一波导层(或波导芯片)中的所有反射镜布置为具有相同的取向，使得波导是反平行的。这简化了波导层之间的对准，尤其是当竖直镜元件的位置具有有限的制造公差时。
[0087]
在图7a中图示了一个这样的实施例，其是具有三个波导1、2和3的偏振旋转器的示意性俯视图，所述三个波导用所有三个波导中的竖直镜元件4(总共四个反射镜)彼此光学耦合。在这个实施例中，两个偏振旋转在相同方向上发生，并且波导2包括水平u形环弯曲2b。如果角度β1＝β2并且u形环转动180
°
，则波导1和3是反平行的(180
°
)。
[0088]
同样，重要的是，要注意偏振相关的相移，所述偏振相关的相移通常发生在波导u形转弯时。一种方法是有意将有限相移δφ增加至2π(即，360
°
)或其倍数，使得有效地使波导2及其竖直镜元件不导致任何偏振相关的相移。
[0089]
图7b是具有三个波导的偏振旋转器的示意性俯视图，所述三个波导用所有三个波导1、2、3中的竖直镜元件4彼此光学耦合。在这个示例中，两个偏振旋转发生在同一方向上，并且波导2具有与水平tir镜10连接的两个直波导，所述水平tir镜10转动光，使波导1和3反平行。在此仅示意性地将四个90
°
反射镜4用于图示实现β1＝β2的想法。如果tir镜10在te与tm偏振之间产生约360
°
的相移，则它们不有效地改变波导2中的偏振状态。这种水平tir镜还可以补偿由竖直镜元件引起的不需要的相移。例如，波导2的端部处的两个竖直tir镜4(90
°
转动角度)的偏振依赖性可以通过波导2中的两个水平tir镜(90
°
转动角度)进行补偿。通过在波导1和3中添加水平tir镜，可以对波导1和3中的竖直tir镜进行相同的补偿。这在图7c和图7d中示出。
[0090]
在图5a的实施例中，先前示出了如何通过使用u形弯曲来消除波导2中的竖直镜元件。在一些实施例中，可以从波导1和3中省略镜元件。这在图8中示出。在这种情况下，波导2的芯片12被转动到直立位置，并且耦合到该波导芯片的所有竖直镜元件4对准同一芯片并位于同一芯片上。将第二波导2的衬底或芯片12放置到制造波导1和3的衬底或芯片5的边缘，或放置到刻蚀在衬底或芯片5中的空腔中。可以自由选择两个坐标系旋转(β1和β2)，但是根据本发明的一个实施例，两个反射镜4可以具有相同的取向，使得波导2再次形成u形环2b。
[0091]
在这个实施例中，两个偏振旋转发生在与波导1和3反平行相同的方向上，并且波导2形成水平弯曲2b。波导2的芯片12相对于位于同一芯片5上的波导1和2旋转。前视图沿波导1中的光传播方向，并且侧视图是波导1和3的侧视图(波导1位于波导3的后面)。
[0092]
在这个配置中，如果δφ＝0，则偏振旋转为β1 β2。然而，如果竖直镜元件4或波导2及其u形弯曲2b导致任何有限相移δφ，则优选方法是调整各个元件的偏振相关的相移，使得其净效应为零或2π的倍数，例如，如图7b、图7c和图7d所示。
[0093]
这些实施例的优点包括需要较少的上反射镜和对镜刻蚀不敏感。
[0094]
图9解释了各种波导示例和竖直镜元件中使用的局部坐标系。粗体箭头表示波导之间的光耦合，z轴(z1–
z3)表示光传播的主要方向，即，波导1-3的光轴。x轴和y轴表示波导中及其对应的镜元件中偏振本征模的主要电场方向。为了清晰的视觉效果，将波导2移动远离其目标位置。
[0095]
图10示出了微米级soi平台上的一些基本构建块。示出了金属化上反射波导镜13；单模脊波导14及其模拟模场分布14a、水平tir镜15、用于脊波导与条波导之间绝热耦合的脊条转换器16以及两个波导厚度之间的竖直锥度17。
[0096]
图11示出了本发明集成隔离器或环行器的一个实施例的示意图，所述隔离器或环行器包括两个偏振分束器(pbs)18、两个45
°
法拉第旋转器(fr)19和两个45
°
(相互的)偏振旋转器20。
[0097]
各种坐标系旋转和产生的偏振旋转如图12至图20中图示。所有附图均表示坐标轴、(线性)偏振状态及其在横截面和光传播的主方向上观察到的旋转。只要系统是相互的，光也可以在相反方向上自然地传播。
[0098]
图12示出了输入波导与输出波导(例如，图2或图9中的波导1和2)之间的坐标系旋转(β)的基本原理。如果将竖直镜元件集成到波导的端部中，则相对于镜元件的坐标系发生旋转。
[0099]
图13示出了在坐标系旋转(β)之后原始坐标系(x
in
，y
in
)和新坐标系(x
out
，y
out
)中的线性偏振及其方向(α)的示例。偏振本征模通常沿波导的x轴和y轴对准。偏振角在第一(输入)波导的坐标系中为α
in
，并且在第二(输出)波导的坐标系中为α
out
。
[0100]
图14中示出了波导1、2与3之间向着相同方向的连续坐标系旋转(β1 β2)。索引(indice)1、2和3指的是波导1、2和3。产生的偏振角旋转在图15中图示，其中示出了两次连续坐标系旋转β1 β2之后的线性偏振，并且偏振旋转角分别为：在两次旋转之前的α1和在两次旋转之后的α3。
[0101]
图16中图示了在相反方向上发生的两个连续且相反的坐标系旋转β1》0和β2《0。为清楚起见，两个偏振旋转被示出为具有不同的幅度，尽管在许多情况下可以设计为具有两个同样大但相反的旋转。
[0102]
图17示出了一种将两个偏振旋转相加的方法，即使两个坐标系旋转发生在相反方向上。这是基于偏振相对于y(或x)轴的反射，这可以通过在波导2中的两个偏振本征模之间引起δφ＝π相位差来实现。分别以角度α1处的粗体实线来图示原始偏振(op)和以角度α3处的双线来图示反射最终偏振(fp)。角度α2和α'2表示波导2中偏振反射之前和之后的偏振。
[0103]
在图18中示出了图15的特殊情况，其中两个坐标系旋转是补充的，即，β1 β2＝π。在这种情况下，有效偏振旋转为零，但如果偏振旋转器是相敏波导电路的一部分，则必须考虑光的绝对相位。在两个偏振之间没有任何相位变化的情况下，总偏振旋转为π，即，有效地为零。
[0104]
图19和图20图示了当偏振在两个旋转之间反射时在辅助旋转的情况下的偏振旋
转。这些附图提供了两个旋转和一个反射的逐步图示，这在单个附图中很难看见。
[0105]
在图19中，示出了波导1与2之间第一次坐标系旋转角度β1之后的线性偏振，以及偏振相对于y2轴的后续反射。原始偏振op角和最终偏振fp角分别为α1和α'2。
[0106]
在图20中，示出了波导1、2与3之间连续两次坐标系旋转(β1和β2)之后的线性偏振，以及旋转之间相对于y2轴的偏振反射。初始偏振角为α1，而最终偏振角为α3。在这个示例中，两个旋转是互补的(β2＝π
–
β1)。
[0107]
应当理解，所公开的本发明的实施例不限于本文公开的特定结构、工艺步骤或材料，而是扩展到由相关领域的普通技术人员将认识到的其等效物。还应当理解，本文采用的技术术语仅出于描述特定实施例的目的而使用，而非旨在进行限制。对任何现有技术的引用(如有)不是也不应被视为承认或任何形式的建议，即该现有技术构成任何国家公共常识的一部分。
[0108]
在本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着：结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各个位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指相同的实施例。
[0109]
本发明的各种实施例和示例连同其各种组件的替代方案可以在本文中提及。应理解，这种实施例、示例和替代方案不应被认为彼此的事实等价物，而应被认为本发明的独立和自主表示。
[0110]
此外，在一个或多个实施例中，所描述的特征、结构或特性可以任何适合的方式组合。在描述中，提供了许多具体细节，例如长度、宽度、形状等的示例，以提供对本发明实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本发明可以在没有一个或多个具体细节的情况下实施，或者用其他方法、组件、材料等实施。在其他情况下，未详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作，以避免模糊本发明的方面。
[0111]
虽然上述示例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但对于本领域的普通技术人员显而易见的是，在形式、用法和实现细节方面可以进行大量修改，而无需运用创造性，并且不偏离本发明的原理和构思。因此，除了受到以下权利要求的限制之外，本发明不旨在受到限制。