一種單向磁化半導(dǎo)體波導(dǎo)集成多模干涉磁光隔離器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種單向磁化半導(dǎo)體波導(dǎo)集成多模干涉磁光隔離器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對傳輸帶寬日益增大的需求，光通信和光互連技術(shù)逐漸向高集成度，高帶寬，低能耗方向發(fā)展。為提高系統(tǒng)傳輸帶寬和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，光路中后向散射和反射已成為一個必須解決的重要問題。各種原因產(chǎn)生的后向傳輸光會對光源以及放大器等光學(xué)元器件的穩(wěn)定工作產(chǎn)生不利影響。由此出現(xiàn)了一種只允許光線沿光路正向傳輸?shù)姆腔ヒ仔詿o源器件一一光隔離器。
[0003]目前在光通信中廣泛使用的光隔離器為分立器件，器件尺寸大，成本高，封裝困難。隨著集成光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，日益需要將光隔離器實現(xiàn)單片集成，以減小器件尺寸，提高集成度和可靠性，并降低成本?；诓▽?dǎo)結(jié)構(gòu)磁光非互易性的光隔離器具有兼容性好，無源，成本低等特點，是集成光學(xué)系統(tǒng)研究的核心器件。
[0004]目前已報道的磁光波導(dǎo)隔離器，按其工作原理的不同主要可分為三種(I)模式轉(zhuǎn)換型，這類器件需通過模式匹配，實現(xiàn)TE和TM模式的非互易轉(zhuǎn)換，主要問題是制作容差小；
(2)非互易損耗型，這類器件需要利用高損耗磁光金屬，器件損耗高；(3)非互易相移(NRPS)型，利用基于半導(dǎo)體和磁光材料多層薄膜波導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)的相位傳輸非互易性，實現(xiàn)光隔離，具有工藝容差高，器件設(shè)計靈活等優(yōu)點。
[0005]多模干涉(MMI)磁光隔離器是上述非互易相移(NRPS)型磁光隔離器中的一種，它利用模式間非互易相移的不同實現(xiàn)光隔離，具有以下優(yōu)點:無須精確的相位匹配，結(jié)構(gòu)緊湊，制作工藝簡單。目前已提出的MMI磁光隔離器的問題主要在(I)器件結(jié)構(gòu)基于GGG基片上外延的磁光薄膜材料，不能實現(xiàn)半導(dǎo)體集成。(2)已提出的半導(dǎo)體集成MMI磁光隔離器需要多方向磁化磁光材料，難以實現(xiàn)磁場的集成或封裝，制備困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述存在問題或不足，為實現(xiàn)尺寸小，磁場易于施加，器件易于封裝和制備的需求。本發(fā)明提供了一種單向磁化半導(dǎo)體波導(dǎo)集成多模干涉磁光隔離器，該隔離器是基于半導(dǎo)體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和磁光薄膜材料的多模干涉型光隔離器。
[0007]上述單向磁化半導(dǎo)體波導(dǎo)集成多模干涉磁光隔離器由依次連接的單模波導(dǎo)單元、多模波導(dǎo)單元和單模波導(dǎo)單元組成，且隔離器各波導(dǎo)單元所有波導(dǎo)均采用同一片SOI基片作為底層，即低折射率層。隔離器的外加磁場方向垂直于光波導(dǎo)中光傳播方向。多模波導(dǎo)的寬度和單模波導(dǎo)一致。
[0008]單模波導(dǎo)單元，由至少一個單模波導(dǎo)構(gòu)成。單模波導(dǎo)從上到下依次為:厚度2um-3um的低折射率層、厚度400nm-700nm的半導(dǎo)體波導(dǎo)薄膜層和厚度2um-3um的低折射率層，結(jié)構(gòu)支持單模光傳輸。波導(dǎo)最下層的低折射率層寬度不小于500nm，其他各層的寬度為500nmo
[0009]多模波導(dǎo)單元由至少一個第一多模波導(dǎo)和/或第二多模波導(dǎo)構(gòu)成。
[0010]第一多模波導(dǎo)從上到下依次為:厚度2um-3um的低折射率層、厚度200-350nm的磁光薄膜層、厚度400nm-600nm的半導(dǎo)體波導(dǎo)薄膜層和厚度2um-3um的低折射率層，且在垂直于薄膜表面方向上存在兩個或以上的模式傳播。波導(dǎo)最下層的低折射率層寬度不小于500nm，其他各層的寬度為500nm。
[0011]第二多模波導(dǎo)從上到下依次為:厚度2um-3um的低折射率層、厚度100nm-300nm的半導(dǎo)體波導(dǎo)薄膜層、厚度200-300nm的磁光薄膜層、厚度100nm-300nm的半導(dǎo)體波導(dǎo)薄膜結(jié)構(gòu)層和厚度2um-3um的低折射率層，且在垂直于薄膜表面方向上支持兩個或以上的模式傳播。波導(dǎo)最下層的低折射率層寬度不小于500nm，其他各層的寬度為500nmo
[0012]磁光薄膜層材料為:釔鐵石榴石(YIG)，鈰摻雜釔鐵石榴石(Ce:YIG)，鉍摻雜釔鐵石榴石他:￥16)，稀土離子摻雜釔鐵石榴石(如:￥16)力304 3203或0^204。且磁光薄膜層至少一層。
[0013]單模波導(dǎo)和多模波導(dǎo)的芯層為半導(dǎo)體波導(dǎo)薄膜層，其材料為:S1、Ge、Sil_xGex、GaAs、InP、InGaAsP、GaN、AlN、Gal-xAlxAs 或 Gel-xSnx。且半導(dǎo)體波導(dǎo)薄膜層至少一層。
[0014]包層即低折射率層，其材料為:S12、Si3N4、S1xNy、T12、HfO2、ZrO2、Ta2O5、Al2O3 或MgO。所述最上層的低折射率層還可選用空氣。且低折射率層至少一層。
[0015]多個隔離器之間通過串聯(lián)的連接方式進行使用，且各隔離器的最底層即低折射率層均采用同一片SOI基片作為底層。
[0016]對于兩種多模波導(dǎo)，由于磁光材料的磁光效應(yīng)，使光傳播常數(shù)與傳播的方向有關(guān)，即非互易相移。在多模干涉波導(dǎo)中存在兩個或者以上的導(dǎo)波模式，從單模波導(dǎo)傳輸過來的光會不同程度地激發(fā)這些模式，這些模式之間會發(fā)生干涉現(xiàn)象，由于這些模式的存在不同的非互易相移，正向傳輸時，兩個模式的相位差為2ηπ，η為整數(shù)，光與單模波導(dǎo)耦合效率很高，即正向通過;反向傳輸時，兩個模式的相位差為(2η+1)π，光與單模波導(dǎo)耦合效率很低，即反向隔離達到光隔離器的條件。本結(jié)構(gòu)中，由于多模干涉波導(dǎo)的寬度和單模波導(dǎo)一致，因此其模式呈縱向分布的特點。
[0017]在本發(fā)明設(shè)計的光隔離器結(jié)構(gòu)中，光波會依次經(jīng)過單模波導(dǎo)單元、多模波導(dǎo)單元和單模波導(dǎo)單元，其正向傳輸和反向傳輸不同模式的干涉模場分布不同，具有單向傳輸，反向隔離的特性。通過設(shè)計單模波導(dǎo)尺寸和與多模區(qū)波導(dǎo)相接位置，調(diào)節(jié)多模區(qū)各模式場強，實現(xiàn)高隔離和低插損。
[0018]本發(fā)明的有益結(jié)果是:
[0019]1、采用了半導(dǎo)體波導(dǎo)，可以實現(xiàn)器件在半導(dǎo)體基片上的集成
[0020]2、采用不同模式在半導(dǎo)體材料和磁光材料中的分布不同的原理，通過設(shè)計器件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了單向磁化下的MMI光隔離器結(jié)構(gòu)，簡化了磁場施加方法，使器件容易制備和封裝。
【附圖說明】
[0021]圖1為實施例1隔離器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為實施例2隔離器結(jié)構(gòu)示意結(jié)構(gòu)圖。
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