一种光偏振旋转器和一种光偏振旋转方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种光偏振旋转器和一种光偏振旋转方 法。
【背景技术】
[0002] 现有的集成光偏振旋转器多基于传统的条形介质波导，通过改变条形介质波导的 几何结构，例如刻蚀沟槽，构造倾斜侧壁等，实现不同偏振模式之间的相干、耦合，进而达到 偏振旋转的目的。然而目前这些方法大多存在这样或那样的问题，例如尺寸大，不适于集 成、需要复杂甚至是非标准的工艺步骤、工艺容差小。归结起来，其主要限制在于仅单纯依 靠对介质波导几何结构的改变，可调控的自由度及调控程度十分有限，难以达到高转换率、 小尺寸的需求。而偏振控制在许多应用领域如通信、生物传感、量子光学等非常关键，高效 率、小尺寸的光偏振旋转器作为独立元件也有非常重要的应用价值。
【发明内容】
[0003] 本发明提供一种光偏振旋转器和一种光偏振旋转方法，用于解决现有技术中的偏 转旋转器尺寸大，不适于集成、不能实现任意角度的偏振旋转的技术问题。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种光偏振旋转器，所述光偏振旋转器包括偏 振旋转结构，所述偏振旋转结构为在条形介质波导上横向非对称地覆盖负介电常数材料层 的结构，以对入射光实现任意角度的偏振旋转，其中所述负介电常数材料层为在所述光偏 振旋转器的工作电磁波段材料的介电常数实部为负数的材料层。
[0005] 进一步地，在所述条形介质波导和所述负介电常数材料层之间还包括：
[0006] 相对所述条形介质波导的波导材料折射率更低的薄层介质层。
[0007] 进一步地，
[0008] 所述偏振旋转结构的表面覆盖包层，所述包层为二氧化硅包层、III-IV族材料包 层或空气；
[0009] 和/或，所述负介电常数材料为：金、银、铜、铝、导电玻璃、碱金属、合金、金属间化 合物或石墨烯层。
[0010] 进一步地，
[0011] 所述条形介质波导采用介质材料，为绝缘体上硅、半导体材料或氮化硅。
[0012] 进一步地，
[0013] 所述负介电常数材料层部分覆盖所述条形介质波导，其覆盖截面为长方形或多边 形；
[0014] 和/或，所述负介电常数材料层覆盖所述条形介质波导的一个侧面。
[0015] 进一步地，
[0016] 所述负介电常数材料层部分覆盖所述薄层介质层，其覆盖截面为长方形或多边 形；
[0017] 和/或，所述负介电常数材料层覆盖所述条形介质波导和所述薄层介质层的一个 侧面。
[0018] 进一步地，
[0019]所述偏振旋转结构通过控制覆盖在所述条形介质波导上的所述负介电常数材料 层的位置和/或尺寸来控制波导本征模式的光轴的角度以及波导两个本征模式在输出端 的相位差，从而控制出射偏振光的性质。
[0020] 进一步地，所述光偏振旋转器还包括：
[0021] 与所述偏振旋转结构的一端或两端连接的第一端和/或第二端；
[0022] 所述第一端和/或第二端为直条形硅波导、锥形波导或光栅。
[0023]另一方面，本发明还提供一种光偏振旋转方法，通过几何结构或介电常数不同的 材料，构成横向非对称的波导，所述波导支持两个正交的本征模式，由于横向非对称性，两 个模式的光轴偏离0°或90°，且两个模式的传播常数不同，初始的入射光可分解为这两 个本征模式，并由于模式相干，在输出端形成相位差，进而实现偏振旋转，通过控制波导的 结构、尺寸，来控制本征模式光轴角度以及传播的相位差，进而控制偏振旋转的状态。
[0024]可见，在本发明提供的光偏振旋转器和光偏振方法中，采用在条形介质波导上横 向非对称覆盖负介电常数材料层的结构作为偏振旋转结构，实现了减小器件长度、降低工 艺难度、实现任意角度的偏振旋转的目的，同时还能够保持很高的偏转旋转率及较低的插 入损耗。本发明实施例适用于三五族、硅基等多种材料体系及多个电磁场工作波段，能够应 用于需要偏振旋转的片上集成光学系统，大大增加集成度并方便的与其他集成器件互联。 也可作为独立元件，广泛应用于需要偏振旋转的领域，如通信、生物、量子光学等领域。
【附图说明】
[0025]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根 据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1是本发明实施例光偏振旋转器的基本结构俯视图；
[0027]图2是本发明实施例光偏振旋转器的一个实施例的俯视图；
[0028]图3是本发明实施例光偏振旋转器的一个实施例的侧面剖面图；
[0029]图4是本发明实施例光偏振旋转器的一个实施例的侧面剖面图；
[0030]图5是本发明实施例光偏振旋转器的一个实施例的侧面剖面图；
[0031]图6是本发明实施例光偏振旋转器的一个实施例的结构示意图；
[0032] 图7是本发明实施例1光偏振旋转器的侧面剖面图。
【具体实施方式】
[0033]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034] 本发明实施例首先提供一种光偏振旋转器，如图1的俯视图所示，其包括偏振旋 转结构1，偏振旋转结构1为在条形介质波导2上横向非对称地覆盖负介电常数材料层3的 结构。
[0035] 其中，在条形介质波导2和负介电常数材料层3之间还可以包括：相对条形介质波 导2的波导材料折射率更低的薄层介质层4(图中未示出），负介电常数材料层3的宽度可 以小于薄层介质层4的宽度。
[0036] 可选地，偏振旋转结构1的表面可以覆盖包层，包层材料可以根据所述光偏振旋 转器的材料选择，可以为二氧化硅包层或III-IV族材料包层或空气。
[0037] 可选地，负介电常数材料层3可以为：金、银、铜、铝、导电玻璃（透明导电氧化 物）、碱金属、合金、金属间化合物（intermetallics)或石墨稀层等。
[0038] 可选地，条形介质波导2可以采用绝缘体上硅、半导体材料、氮化硅等非良导体材 料，其中，半导体材料可以优选为硅、锗或III-IV族半导体材料。
[0039] 可选地，负介电常数材料层3可以部分覆盖条形介质波导2,其覆盖截面可以为长 方形或多边形，参见图1、图2中的俯视图和图3中的截面图所示，其中5为衬底；和/或， 负介电常数材料层3还可以覆盖条形介质波导1的其中一个侧面，如图4的截面图所示，以 形成非对称结构。
[0040] 而当条形介质波导2和负介电常数材料层3之间还包括薄层介质层4时，相应地， 负介电常数材料层3可以部分覆盖薄层介质层4,其覆盖截面同样可以为长方形或多边形； 和/或，负介电常数材料层3还可以覆盖条形介质波导2和薄层介质层4的其中一个侧面， 如图5的截面图所示，以形成非对称结构。
[0041] 可选地，偏振旋转结构1可以通过控制覆盖在条形介质波导2上的负介电常数材 料层3的位置和/或尺寸来控制波导本征模式的光轴的角度以及波导两个本征模式在输出 端的相位差，从而控制出射偏振光的性质。其中，负介电常数材料层3的宽度、位置将影响 波导本征模式的光轴的角度，进而调控输出端的偏振