專利名稱：基于磁光諧振腔的非互易器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學元器件，特別涉及一種基于磁光諧振腔的非互易器件。
背景技術：
為滿足全球光通信技術的產(chǎn)業(yè)需求，小型化、功能化、實用化和組件化是光學元件發(fā)展的必然趨勢。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大，基于集成光學的光隔離器和環(huán)形器為反向隔離、雙向傳輸、多路信道靈活交換提供了各種可能。然而，基于波分復用技術的系統(tǒng)容量升級對傳統(tǒng)單波長器件提出了新的要求，要求光學元件不僅能夠實現(xiàn)隔離功能，而且能夠對多個波長，尤其是等頻率間隔的光波可以同時進行處理。實現(xiàn)這些器件的一般方法是借助于磁光材料的非互易效應，讓光波的模式在前向傳輸和后向傳輸之間產(chǎn)生一個相位偏差，回避了光路的可逆性。與此同時，諧振腔結構很早用來構成全通濾波器和光的分插復用器件，對準周期性的多波長具有極好的濾波特性。結合磁光材料的非互易特性和諧振環(huán)的多波長濾波功能，可以有效地實現(xiàn)多波長隔離器和環(huán)路器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于磁光諧振腔的非互易器件，可以有效地實現(xiàn)隔離器和環(huán)路器。
本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是方案一含有磁光材料的光學微諧振結構通過一側的光學耦合結構，與光學耦合結構兩端的輸入端口和輸出端口進行功率耦合，構成隔離器。
方案二所述的含有磁光材料的光學微諧振結構通過兩側的光學耦合結構，與各光學耦合結構的兩個輸入端口和輸出端口間進行功率耦合，構成環(huán)路器。
所述的含有磁光材料的光學微諧振結構的磁光材料，為永久磁性或外加電磁場激勵所得。
所述的含有磁光材料的光學微諧振結構為任意形狀的微諧振環(huán)、任意形狀的微碟或任意形狀的各種晶格結構的光子晶體諧振腔結構。
所述的光學耦合結構為通過消逝場進行光功率耦合的并行設置的方向耦合結構。
所述的光學耦合結構為利用自映像原理實現(xiàn)光功率耦合的多模干涉結構。
本發(fā)明具有的有益效果是提供一種能同時處理多路頻率的隔離器與環(huán)路器。它利用磁光波導的非互易特性，結合磁光諧振腔的特殊性質，通過對結構參數(shù)的優(yōu)化，可以實現(xiàn)對多路頻率的光波同時進行處理。本發(fā)明具有結構通俗，工藝簡單，設計靈活，功能性強等特點，在光波分復用網(wǎng)絡、光雙向網(wǎng)絡、光信息處理等方面有廣泛的應用前景。


圖1是本發(fā)明的一種結構原理示意圖。
圖2是本發(fā)明的另一種結構原理示意圖。
圖3是圖1典型的結構示意圖；(a)是方向耦合微諧振環(huán)結構的磁光隔離器；(b)是基于多模干涉耦合器的微諧振環(huán)結構的磁光隔離器；(c)是方向耦合微碟結構的磁光隔離器；(d)是基于方向耦合的光子晶體諧振腔結構的磁光隔離器。
圖4是圖2典型的結構示意圖；(a)是方向耦合微諧振環(huán)結構的磁光環(huán)路器；(b)是是基于多模干涉耦合器的微諧振環(huán)結構的磁光環(huán)路器；(c)是方向耦合微碟結構的磁光環(huán)路器；(d)基于方向耦合的光子晶體諧振腔結構的磁光環(huán)路器。
圖5是基于磁光諧振圓環(huán)的光環(huán)路器的原理圖；(a)基于磁光諧振圓環(huán)的光環(huán)路器的平面示意圖；(b)在圖5(a)圖中A-A’處的剖視中1-含有磁光材料的光學微諧振結構；2-光學耦合結構；3-輸入輸出端口；3A-諧振環(huán)的Input端口；3B-諧振環(huán)的Through端口；3C-諧振環(huán)的Drop端口；3D-諧振環(huán)的Add端口；4-任意形狀的微諧振環(huán)；5-任意形狀的微碟；6-任意形狀的光子晶體諧振；7-方向耦合結構；8-多模干涉結構；9A-硅襯底；9B-二氧化硅層(BOX)；9C-表面硅層；10-Ce:YIG磁光膜；11A-Cr/Au電極；11B-交變電流；11C-垂直于波導傳輸方向的磁場。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1所示，含有磁光材料的光學微諧振結構1通過一側的光學耦合結構2，與光學耦合結構2兩端的輸入端口和輸出端口3進行功率耦合，構成隔離器。
如圖2所示，所述的含有磁光材料的光學微諧振結構1通過兩側的光學耦合結構2，與各光學耦合結構2的兩個輸入端口和輸出端口3間進行功率耦合，構成環(huán)路器。
所述的含有磁光材料的光學微諧振結構1的磁光材料，為永久磁性或外加電磁場激勵所得。
所述的含有磁光材料的光學微諧振結構1為任意形狀的微諧振環(huán)4、任意形狀的微碟5或任意形狀的各種晶格結構的光子晶體諧振腔6結構。
所述的光學耦合結構為通過消逝場進行光功率耦合的并行設置的方向耦合結構7。
所述的光學耦合結構為利用自映像原理實現(xiàn)光功率耦合的多模干涉結構8。
圖1所示的隔離器具有圖3所示四種典型的具體結構即(a)是方向耦合微諧振環(huán)結構的磁光隔離器；(b)是基于多模干涉耦合器的微諧振環(huán)結構的磁光隔離器；(c)是方向耦合微碟結構的磁光隔離器；(d)是基于方向耦合的光子晶體諧振腔結構的磁光隔離器。
圖2所示的環(huán)路器具有圖4所示四種典型的具體結構即(a)是方向耦合微諧振環(huán)結構的磁光環(huán)路器；(b)是是基于多模干涉耦合器的微諧振環(huán)結構的磁光環(huán)路器；(c)是方向耦合微碟結構的磁光環(huán)路器；(d)基于方向耦合的光子晶體諧振腔結構的磁光環(huán)路器。
根據(jù)磁光波導理論，當外加磁場方向垂直于光波傳輸方向時，磁光材料中的光波模式發(fā)生非互易效應。當磁場方向平行于基片，波導中的TM模在往返傳輸中，傳播常數(shù)不相同；相應的，當磁場方向垂直于基片時，波導中的TE模具有傳播常數(shù)的非互易特性。通過內(nèi)建磁疇或調(diào)整外加磁場的偏置方向可以同時實現(xiàn)TE模和TM模相同大小的偏振無關的非互易特性。
形如諧振環(huán)，微碟，光子晶體結構等的諧振腔具有很好的濾波功能，而且靈敏度很高，頻率間隔呈現(xiàn)出準周期性，具有光分插復用功能，被廣泛的用于波分復用網(wǎng)絡。這里以如圖5的方向耦合型的基于磁光微諧振圓環(huán)的光環(huán)路器為例，對其原理進行說明，其它幾種結構具有類似的分析方法。
光波在諧振環(huán)中有順時針和逆時針兩種繞行模式，這里用磁光材料取代常規(guī)材料，并激勵出其模式的非互易特性。相對于原有效折射率，光波在兩種繞行方向上的有效折射率分別發(fā)生nclockwise-n0和n0-ncounter-clockwise的變化。在特定頻率v0下，優(yōu)化諧振環(huán)的周長L，既讓兩種繞行方向的相位差非常接近π，即(nclockwise-ncounter-clockwise)v0L/c≈π，又使順時針繞行方向上滿足諧振條件，即nclockwisev0L/c＝2mπ，則光從3A輸入，將從3C輸出。確定L值的一般方法是，先根據(jù)順逆時針繞行相位差初步確定L的大致范圍，然后選出合適的振蕩模式級數(shù)m，對應諧振條件確定L。此時，在逆時針方向上處于失諧狀態(tài)，ncounter-clockwisev0L/c＝(2m-1)π，光從3C輸入，將從3D輸出，因此實現(xiàn)了往返路徑不同的環(huán)路器的功能。上述nclockwise和ncounter-clockwise分別為順時針和逆時針下材料中光傳輸?shù)挠行д凵渎剩琧為真空中的光速。如果采用的是二端網(wǎng)絡，即只與一個波導發(fā)生耦合，則實現(xiàn)的是圖2(a)所示的隔離器。各種有效波長的光從3A，3B，3C，3D輸入時，其輸出特性依此類推。眾所周知，諧振環(huán)在中心波長附近的每個自由譜寬區(qū)FSR內(nèi)的濾波特性是相同的。因此，在的波長下情況則正好相反，逆時針繞行方向上滿足諧振條件ncounter-clockwise(v0±FSR/2)L/c≈2mπ，而在順時針方向上處于失諧狀態(tài)nclockwise(v0±FSR/2)L/c≈(2m±1)π。因此對于v0±m(xù)(FSR)和v0±(2m+1)FSR/2兩類波長正好具有相反的傳輸特性。因此，這種結構可用來形成了準周期間隔的多波長隔離器和環(huán)路器。本發(fā)明的實施方式很多，只要采用通常制作半導體器件的平面工藝過程及條件就可制成，在此以針對TM模的Ce:YIG/SOI互易波導為實施例，如圖5(b)所示，但決非僅限于此實施例。
利用常規(guī)硅工藝500微米厚的硅襯底9A上制作0.2微米厚表面硅層9C的SOI基片，并掩埋1微米二氧化硅層(BOX)9B作為波導的下限制層。在Si材料表面濺射一層厚為0.5微米的Ce:YIG磁光膜10，這一步也可以采用成熟的磁光材料-硅鍵合工藝。利用光刻進行輸入輸出波導及其諧振環(huán)的圖形轉移，利用濕法腐蝕和干法刻蝕相結合的方法依次腐蝕磁光材料和Si，得到寬為0.5微米的光波導，其下限制層為二氧化硅。最后在磁光膜上鍍上Cr/Au金屬膜，并進行二次光刻，轉移電極圖形，腐蝕出Cr/Au電極11A。通交變電流11B產(chǎn)生垂直于波導傳輸方向的磁場11C，以達到材料的磁飽和。這樣在TM模在順時針和逆時針方向傳輸時將產(chǎn)生非互易相移。
上述具體實施方式
用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.基于磁光諧振腔的非互易器件，其特征在于含有磁光材料的光學微諧振結構(1)通過一側的光學耦合結構(2)，與光學耦合結構(2)兩端的輸入端口和輸出端口(3)進行功率耦合，構成隔離器。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于磁光諧振腔的非互易器件，其特征在于所述的含有磁光材料的光學微諧振結構(1)通過兩側的光學耦合結構(2)，與各光學耦合結構(2)的兩個輸入端口和輸出端口(3)間進行功率耦合，構成環(huán)路器。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于磁光諧振腔的非互易器件，其特征在于所述的含有磁光材料的光學微諧振結構(1)的磁光材料，為永久磁性或外加電磁場激勵所得。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的基于磁光諧振腔的非互易器件，其特征在于所述的含有磁光材料的光學微諧振結構(1)為任意形狀的微諧振環(huán)(4)、任意形狀的微碟(5)或任意形狀的各種晶格結構的光子晶體諧振腔(6)結構。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的基于磁光諧振腔的非互易器件，其特征在于所述的光學耦合結構為通過消逝場進行光功率耦合的并行設置的方向耦合結構(7)。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的基于磁光諧振腔的非互易器件，其特征在于所述的光學耦合結構為利用自映像原理實現(xiàn)光功率耦合的多模干涉結構(8)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于磁光諧振腔的非互易器件。含有磁光材料的光學微諧振結構通過一側的光學耦合結構，與光學耦合結構兩端的輸入端口和輸出端口進行功率耦合，構成隔離器；或含有磁光材料的光學微諧振結構通過兩側的光學耦合結構，與各光學耦合結構的兩個輸入端口和輸出端口間進行功率耦合，構成環(huán)路器。它利用磁光波導的非互易特性，結合磁光諧振腔的特殊性質，通過對結構參數(shù)的優(yōu)化，可以實現(xiàn)對多路頻率的光波同時進行處理。本發(fā)明具有結構通俗，工藝簡單，設計靈活，功能性強等特點，在光波分復用網(wǎng)絡、光雙向網(wǎng)絡、光信息處理等方面有廣泛的應用前景。
文檔編號G02F1/01GK101067673SQ20071006915
公開日2007年11月7日 申請日期2007年5月31日 優(yōu)先權日2007年5月31日
發(fā)明者周海峰, 江曉清, 楊建義, 郝寅雷, 陶棟杰, 王明華 申請人:浙江大學