基于光柵的偏振器和光學隔離器的制造方法
【專利摘要】公開了光學偏振器和光學隔離器以及包括光學偏振器和隔離器的系統(tǒng)。一個方面，光學隔離器包括具有第一表面和與第一表面相對的第二表面的法拉第晶體，設置在第一表面上的第一一維亞波長光柵，以及設置在第二表面上的第二一維亞波長光柵。隔離器接收第一光柵上的第一輸入光束，并輸出近似平行于第一輸入光束通過第二光柵的偏振的第一輸出光束。隔離器還接收第二光柵上的第二輸入光束，并且輸出通過第一光柵的偏振的第二輸出光束，其中第二輸出光束偏離于第二輸入光束。
【專利說明】基于光柵的偏振器和光學隔離器
【技術領域】
[0001]本公開涉及偏振器和光學隔離器。
【背景技術】
[0002]偏振器是其輸入為典型的自然光或非偏振光而其輸出為偏振光的器件。偏振器可以用在各種儀器中作為偏振濾光器。通常的市售偏振器包括雙折射濾光器和薄膜偏振器。最常用的雙折射濾光器是格蘭型偏振器，包括格蘭泰勒棱鏡和格蘭激光棱鏡。這些棱鏡通常由兩個方解石的直角棱鏡或另一雙折射材料制成，它們沿其長面彼此相鄰布置，并且由空氣隙隔開。這兩個直角三角形棱鏡被切割且取向為兩個棱鏡的光軸垂直。進入格蘭型棱鏡的光的偏振分量被稱為S偏振光和P偏振光。S偏振光指垂直于入射平面定向的電場分量，而P偏振光指平行于入射平面定向的電場分量。S偏振光在空氣隙處的全反射確保僅P偏振光被濾光器透射。盡管P偏振光經(jīng)常以大約100%的透鏡率被透射但S偏振光通常不是這樣。
[0003]另一方面，薄膜偏振器由設置在玻璃基板表面上的光涂層組成?；蹇梢允且蕴囟ń嵌炔迦敕瞧窆馐械牟ＡО?，或者基板可以是粘合到第二楔子的楔形玻璃棱鏡以形成立方體，其中涂層設置在這些楔子的鄰接的長面之間。涂層的組成被選擇為創(chuàng)建能夠使薄膜偏振器作為分束偏振器操作的干涉效果。薄膜偏振器性能通常不如格蘭型偏振器好，但是薄膜偏振器對于制造和提供兩個正交偏振束來說比較便宜。
[0004]盡管在開發(fā)能夠與微電子器件集成并制造在同一平臺上的低功率、小尺寸光子器件已取得了可觀的進步，但是由于典型的雙折射濾光器和薄膜偏振器比典型的微電子器件和其它光子器件昂貴、體積大并且制造耗時，因此將這些器件與微電子器件集成在一起的努力遇到了阻礙。因此，計算機工業(yè)繼續(xù)尋找能夠與典型的微電子器件和光子器件集成在一起的較小的低成本偏振器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1A — IB分別示出示例光學偏振器的立體圖和放大視圖。
[0006]圖2示出與入射光線相互作用的示例偏振器的立體圖。
[0007]圖3不出不例偏振器的入射光的TE和TM偏振分量相對于波長范圍的透射率圖。
[0008]圖4A — 4B分別示出示例光學隔離器的立體圖和分解立體圖。
[0009]圖5示出示例光學隔離器的立體圖，并且包括第一和第二亞波長光柵的放大立體圖。
[0010]圖6A — 6B不出與主光束的TE和TM偏振分量相互作用的不例光學隔尚器的分解立體圖和俯視圖。
[0011]圖7A — 7B不出與次級光束的TE和TM偏振分量相互作用的不例光學隔尚器的分解立體圖和俯視圖。
[0012]圖8A — 8B示出示例信道源的示意性表示?！揪唧w實施方式】
[0013]本公開致力于光學偏振器和隔離器以及包括光學隔離器的系統(tǒng)。圖1A示出示例光學偏振器100的立體圖。偏振器100包括設置在基板104上的平坦的亞波長光柵(SWG)102。圖1B示出偏振器100的俯視圖，并且包括區(qū)域108的放大視圖106和同一區(qū)域108的放大端視圖110。放大視圖106和110顯示SWG102包括稱作“線條” 112的SWG102材料的有規(guī)則地隔開的導線樣部分。線條112以寬度W、厚度t，在y方向上延伸，并且以周期P在X方向上周期性隔開。線條112由暴露基板104的表面的槽114間隔開。
[0014]由組成SWG102的材料的折射率與基板104的折射率之間相對高的對比度，所以SWG102是強SWG或高對比度SWG。例如，SWG102可以由諸如硅(Si)和鍺(Ge)之類的單一元素的半導體組成，或者由諸如II1-V族化合物半導體之類的復合物半導體組成，其中羅馬數(shù)字III和V表示元素周期表中IIIa和Va列的元素。復合物半導體可以由諸如鋁(Al)、鎵(Ga)和銦(In)之類的列IIIa元素結合諸如氮(N)、磷(P)、砷(As)和銻(Sb)之類的列Va元素組成。復合物半導體還可以根據(jù)III族元素和V族元素的相對量進一步分類。例如，二元半導體復合物包括具有成分式GaAs、InP> InAs和GaP的半導體,三元復合物半導體包括具有成分式GaAsyPh的半導體，其中y在大于O小于I的范圍內(nèi)，并且四元化合物半導體包括具有成分式InxGahAsyPh的半導體，其中x和y均在大于O小于I的范圍內(nèi)。其他類型的合適的復合物半導體包括I1-VI族材料，其中II和VI表示周期表的IIb和VIa列的元素。例如，CdSe、ZnSe、ZnS和ZnO是二元I1-VI族復合物半導體的成分式。基板104可以由諸如石英、二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al3O2)或透明聚合物之類的合適的透明材料組成。
[0015]SWG102是“周期性” SWG。換言之，SWG102全部具有相同的周期性間隔P、線條寬度w和厚度t。SWG102還被稱為亞波長光柵,原因在于線條寬度w和周期P小于配置為與光柵進行相互作用的光的波長λ。例如，根據(jù)入射光的波長λ，線條寬度可以在大約IOnm到大約300nm的范圍內(nèi)，并且周期`可以在大約20nm到大約I μ m的范圍內(nèi)。
[0016]偏振器和隔離器是緊湊型，并且可以使用與用于制造CMOS微電子的技術相同的多種技術來制造。例如，偏振器可以通過使用晶片綁定或化學或物理氣相沉積在基板上沉積半導體層形成。SWG102的線條可以使用光刻法、納米壓印或反應離子刻蝕來形成。
[0017]為了將SWG設計為如以下詳細描述的那樣與特定波長的光相互作用，使用涉及統(tǒng)一尺度變換的麥克斯韋方程的屬性。具體來說，考慮被配置以特定線條寬度《、線條厚度t和周期P的、在自由空間波長λ ^處具有特定復數(shù)反射系數(shù)r(l的第一一維周期性SWG。通過制造具有線條寬度aw、線條厚度at和周期0?的第二5胃6，其中比例因子，第二 SWG可以具有近似相同的反射系數(shù)，但是是針對不同的波長λ。因此，第二 SWG具有反射系數(shù) r ( λ )=rQ( λ / a )=r0( λ 0)。
[0018]圖2不出與入射光線206相互作用的不例偏振器200的立體圖。偏振器200包括設置在基板204上的一維周期性SWG202。光線206具有波長λ ’，并且以非零的入射角照到SWG202上。如圖2的示例所示，光206可以分解為TE偏振分量208和TM偏振分量210。TE偏振208由具有平行于SWG202的線條而定向的電場分量的第一電磁波的正弦電場分量來表不，并且TM偏振210由具有垂直于SWG202的線條而定向的電場分量的第二電磁波的正弦電場分量來表示。通過配置SWG的厚度為t?λ ’ /mn, SWG202與TE偏振產(chǎn)生共振，其中m是正數(shù)，并且η是SWG202材料在波長λ’處的有效折射率。例如，針對多種合適的SWG材料，m通常具有值“4”。在共振時，TE偏振208以大約100%的反射率被反射，而TM偏振210大部分被透射。
[0019]圖3針對被配置為與波長為大約650nm的光的TE偏振建立強共振的不例偏振器，示出相對于波長范圍的透射率圖形式的仿真結果。偏振器包括以70/30%的空氣/硅設置在石英基板上的一維周期性Si SWG。換言之，SWG具有385nm的周期、115nm的線條寬度以及50nm的線條厚度。注意，Si SWG的厚度為大約50nm時是極小的。換言之，Si SWG的厚度可以通過t?λ ’/(4.3.5)=650/13來確定，其中與波長為650nm的光相互作用的Si的有效折射率為大約3.5。仿真結果由使用嚴格耦合波分析(RCWA)算法多模轉(zhuǎn)移矩陣產(chǎn)生的曲線302和304來表示。曲線302顯示針對波長范圍在大約550nm到大約800nm的入射光，幾乎全部TM偏振被透射。另一方面，曲線304顯示針對波長為大約650nm的入射光，幾乎全部TE偏振被反射。換言之，對于波長為650nm的入射光，透射率為大約“O”。曲線304還顯示波長范圍從大約640nm到大約660nm的區(qū)間306，在該區(qū)間306中，入射光具有接近于零的透射率。對于波長在區(qū)間306之外的光，曲線304指示TE偏振與SWG具有部分共振，其隨著入射光的波長遠離區(qū)間306而降低得越多。例如，對于波長為750nm的入射光，TM偏振以大約為“ I ”的透射率被透射，而TE偏振與SWG僅具有部分共振，其對應于大約0.2的透射率和大約0.8的反射率。
[0020]以上所述的偏振器可以與法拉第晶體組合，以形成光學隔離器。這里所公開的光學隔離器是依賴于偏振的隔離器，其可以接收一個方向入射的光束，并且輸出具有特定偏振并且與入射光束基本沒有束偏離的輸出光束。另一方面，當同一光學隔離器從相對的方向接收入射光束時，產(chǎn)生具有特定偏振的輸出光束，但是輸出光束偏離于入射光束。
[0021]圖4A — 4B分別示出示例光學隔離器400的立體圖和分解立體圖。隔離器400包括法拉第晶體402，其具有第一平坦表面404和位于與第一表面404相對的位置處并且間隔開距離L的第二平坦表面406。隔離器400還包括設置在第一表面404上的第一 SWG408和設置在第二表面406上的第二 SWG410。
[0022]圖5示出示例光學隔離器400的立體圖，并且包括第一 SWG408的部分504的放大立體圖502以及第二 SWG410的部分508的放大立體圖506。圖5還包括與第一 SWG408關聯(lián)的第一單位圓510和與第二 SWG410關聯(lián)的第二單位圓512。單位圓510和512位于笛卡爾坐標系514的xy平面內(nèi)，并且表示組成第一 SWG408和第二 SWG410的線條的相對角取向。具體來說，雙向虛線箭頭516指示組成SWG408的線條平行于y軸定向，并且雙向虛線箭頭518指示組成SWG410的線條相對于組成SWG408的線條具有非零角度的取向β。
[0023]SWG408和410被配置為作為針對特定波長的入射光的偏振器而操作，如以上圖3的示例中所述。入射到SWG408上的第一光束可以分解為具有平行于SWG408的線條而定向的電場分量的TE1偏振以及具有垂直于SWG408的線條而定向的電場分量的TM1偏振。在單位圓524中，TE1偏振由雙向箭頭520表示，并且TM1偏振由雙向箭頭522表示。入射到SWG410上的第二光束可以分解為具有平行于SWG410的線條而定向的電場分量的TE2偏振以及具有垂直于SWG410的線條而定向的電場分量的TM2偏振。在單位圓530中，TE2偏振由雙向箭頭526表示，并且TM2偏振由雙向箭頭528表示。
[0024]在施加合適幅度和極性的磁場時，法拉第晶體402被整形并被取向為使輸入到晶體402的線性偏振光的偏振旋轉(zhuǎn)。具體來說，當施加平行于傳播方向的磁場時，傳播通過晶體402的線性偏振光的平面旋轉(zhuǎn)角度β。旋轉(zhuǎn)的角度由下式給出:
[0025]β =VBd
[0026]其中β是旋轉(zhuǎn)的角度，B是傳播方向上的磁通密度，d是光與磁場相互作用的情況下的傳播路徑的長度，并且V是晶體402的費爾德比例常數(shù)。費爾德常數(shù)V隨著波長和晶體402的溫度而變化，并且針對各種材料形成表格。合適的法拉第晶體的示例包括諸如MOS-4、M0S-10和鋱鎵石榴石單晶(Tb3Ga5O12)之類的玻璃。
[0027]圖6A — 6B示出隔離器400的分解立體圖和沿y軸的視圖。主光束602以非零的入射角α入射到SWG408上，并且被分解為TE1偏振520和TM1偏振522的組合。組成SWG408和410的線條寬度、厚度、周期和材料被選擇為與主光束602的波長具有強共振，如以上參考圖3所述。結果，TE1偏振520以大約為“I”的高反射率被反射，并且TM1偏振522以大約為“I”的高透射率被透射到晶體402中。由于TM1偏振522進入晶體402，如單位圓608所表不,波沿著從表面404到表面406的路徑606傳播。外部磁場B由磁場源(未不出)施加到晶體402，并且大約平行于路徑606定向。磁場源可以是諸如釤鈷(例如，SmCo5)之類的任意永磁體。在波沿著路徑606傳播時,外部磁場使波從TM1偏振522旋轉(zhuǎn)角度β ,成為TM2偏振528，如單位圓610所表示。因此，輸出光束604以TM2偏振離開隔離器400。
[0028]如圖6Β所示，輸出光束604與主光束602平行地離開隔離器400，但是由于晶體402的第一表面404和第二表面406處的折射,主光束602偏離于輸出光束604。
[0029]圖7Α —7Β示出隔離器400的分解立體圖和沿y軸的視圖。在圖7中，隔離器400以非零的入射角α接收次級光束702，并且將其分解為TE2偏振526和TM2偏振528的組合。結果，TE2偏振526以大約為“I”的高反射率被反射，并且TM2偏振528以大約為“I”的高透射率被透射到晶體402中。由于TM2偏振528進入晶體，如單位圓706所表示，波沿著從表面406到表面404的路徑708傳播。外部磁場B使得波旋轉(zhuǎn)角度β，成為TE1偏振520，如單位圓710所表示。SWG408將TE1偏振520反射回晶體402中，以沿路徑712傳播，并在以TE2偏振526到達表面406時旋轉(zhuǎn)角度β，如單位圓714所表示。最后，SWG410將TE2偏振526反射回晶體402中，以沿路徑716傳播，并在以TM1偏振522到達表面404時再次旋轉(zhuǎn)角度β，如單位圓718所表示。返回光束704以TM1偏振離開隔離器400。
[0030]如圖7Β所示，返回光束704與次級光束702平行地離開隔離器400，但是由于晶體402的第一表面404和第二表面406處的折射，并且由于在晶體402內(nèi)、在SWG408和410處發(fā)生的非零反射角的兩次內(nèi)部反射，因此返回光束704偏離于次級光束702。
[0031]光學隔離器可以集成在信道源中，以便允許激光器所產(chǎn)生的信道的傳輸在一個方向上發(fā)射，并防止到激光器腔中不希望的反饋?！靶诺馈笨梢允菃我徊ㄩL的電磁輻射，或者是以特定波長為中心的窄帶電磁輻射。圖8Α — SB示出示例信道源800的示意性表示。源800包括激光器802、光學隔離器400和磁場發(fā)生器804。在圖8Α的示例中，激光器802產(chǎn)生作為主光束806輸出的信道。SWG408和410被配置為與信道具有強共振。因此，主光束806的一部分以TE1偏振被反射,并且輸出光束801以TM2偏振尚開隔尚器400,如以上參考圖6所述。另一方面，在圖8Β的示例中，次級光束812沿與輸出光束810基本相同的路徑，向回導向激光器802。次級光束812由向回朝激光器802反射輸出光束810的至少一部分的調(diào)制器或其它光學器件來建立。SWG410以TE2偏振反射次級光束812的一部分814，并且返回光束816以TM1偏振離開隔離器400，如以上參考圖7所述。隔離器400以一定角度布置，使得返回光束814不被透射到激光器802中，以防止在激光器802中產(chǎn)生不希望的噪聲。
[0032]前述描述以解釋為目的使用特定的術語提供了本公開的完整理解。然而，對于本領域技術人員很明顯，為實現(xiàn)這里所描述的系統(tǒng)和方法，不需要具體的細節(jié)。前述特定示例的描述是為了圖示和描述的目的而呈現(xiàn)。這們并不意在窮盡或?qū)⒈竟_限制為所描述的精確形式。顯而易見的是，考慮到以上教導，諸多修改和變化是可能的。這些示例是為了最好地解釋本公開的原理和實際應用而示出并描述，從而使本領域技術人員使用適合于所預期的特定使用的各種修改最好地利用本公開。旨在由所附的權利要求及其等同物來限定本公開的范圍。
【權利要求】
1.一種光學隔離器，包括: 法拉第晶體，具有第一表面和與所述第一表面相對的第二表面； 設置在所述第一表面上的第一一維亞波長光柵；以及 設置在所述第二表面上的第二一維亞波長光柵，其中所述隔離器接收所述第一光柵上的第一輸入光束，并輸出近似平行于所述第一輸入光束通過所述第二光柵的偏振的第一輸出光束，并且其中所述隔離器接收所述第二光柵上的第二輸入光束，并輸出經(jīng)由所述晶體內(nèi)的兩次內(nèi)部反射通過所述第一光柵的偏振的第二輸出光束，所述第二輸出近似平行于所述第二輸入光束并偏離于所述第二輸入光束。
2.根據(jù)權利要求1所述的隔離器，其中所述第一光柵進一步包括高對比度周期性光柵，所述第二光柵進一步包括高對比度周期性光柵，并且其中所述第一光柵的線條相對于所述第二光柵的線條具有非零取向角。
3.根據(jù)權利要求1所述的隔離器，其中所述第一光柵和所述第二光柵各自具有與所述第一光束和所述第二光束的波長分別除以光柵材料有效折射率成比例的厚度。
4.根據(jù)權利要求1所述的隔離器，進一步包括所述第一光柵反射所述第一輸入光束的第一部分并透射所 述第一輸入光束的第二部分，所述第一部分關于所述第一光柵的線條具有TE偏振，并且所述第二部分關于所述第一光柵的線條具有TM偏振。
5.根據(jù)權利要求1所述的隔離器，進一步包括所述第二光柵反射所述第二輸入光束的第一部分并透射所述第二輸入光束的第二部分，所述第一部分關于所述第二光柵的線條具有TE偏振，并且所述第二部分關于所述第二光柵的線條具有TM偏振。
6.根據(jù)權利要求1所述的隔離器，其中所述隔離器輸出偏振的第一輸出光束進一步包括:在向所述晶體施加磁場時，所述晶體輸出關于所述第二光柵的線條具有TM偏振(528)的所述第一輸出光束。
7.根據(jù)權利要求1所述的隔離器，其中所述隔離器輸出偏振的第二輸出光束進一步包括:在向所述晶體施加磁場時，所述晶體輸出關于所述第一光柵的線條具有TM偏振(522)的所述第二輸出光束。
8.一種信道源，包括: 激光器，用于發(fā)射主光束； 磁場源；以及 光學隔離器，被設置在所述磁場源所產(chǎn)生的磁場內(nèi)，并且成一角度布置，以接收具有非零入射角的所述主光束，并輸出近似平行于所述主光束的輸出光束，接收與所述主光束具有相同波長并與所述輸出光束相對定向的次級光束，并輸出經(jīng)由所述隔離器內(nèi)的兩次內(nèi)部反射且偏離于所述次級光束以防止與所述激光器相互作用的返回光束。
9.根據(jù)權利要求7所述的源，其中所述光學隔離器輸出所述輸出光束進一步包括:所述光學隔離器使所述輸出光束偏振，并且其中所述光學隔離器輸出所述返回光束進一步包括:所述光學隔離器使所述返回光束偏振。
10.根據(jù)權利要求7所述的源，其中所述光學隔離器進一步包括: 法拉第晶體，具有第一表面和與所述第一表面相對的第二表面； 設置在所述第一表面上的第一一維亞波長光柵；以及 設置在所述第二表面上的第二一維亞波長光柵，其中所述第一光柵的線條相對于所述第二光柵的線條具有非零取向角，并且其中所述第一光柵和所述第二光柵各自具有與所述主光束的波長除以光柵材料有效折射率成比例的厚度。
11.根據(jù)權利要求10所述的源，其中所述第一光柵進一步包括高對比度的周期性光柵，并且所述第二光柵進一步包括高對比度的周期性光柵。
12.根據(jù)權利要求7所述的源，其中所述隔離器輸出所述輸出光束進一步包括:所述隔離器使所述輸出光束偏振。
13.根據(jù)權利要求7所述的源，其中所述隔離器輸出所述返回光束進一步包括:所述隔離器使所述返回光束偏振。
14.一種偏振器,包括: 具有平坦表面的透明基板；以及 布置在所述平坦表面上的一維亞波長光柵，所述光柵具有與作用于所述光柵的光的波長除以光柵材料有效折射率成比例的厚度，使得所述光的TE偏振分量的至少一部分被反射，并且所述光的TM偏振分量的大部分被透射。
15.根據(jù)權利要求14所述的偏振器，其中所述光柵具有由下式確定的厚度:
【文檔編號】G02B5/30GK103430059SQ201180069227
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2011年2月10日 優(yōu)先權日:2011年2月10日
【發(fā)明者】戴維·A·法塔勒, 馬科斯·菲奧倫蒂諾, 雷蒙德·G·博索雷 申請人:惠普發(fā)展公司，有限責任合伙企業(yè)