一种低损耗大带宽的光学隔离器

本发明涉及光学隔离器，尤其是涉及一种低损耗大带宽的光学隔离器。

背景技术：

1、随着光通信系统的发展及光电互联在实际中的应用日益广泛，为解决光通信系统中出现的复杂问题，对无源光器件的研究也在不断深入。在光的传输过程中，经常会出现与正向光传输方向相反的反向光，而反向光的存在会破坏光通信系统的传输稳定性并给其内器件带来各种不良影响。为解决此类问题，以磁光效应为原理的光学隔离器作为非互易器件受到了越来越多的关注。光学隔离器，是一种让光路单向导通的非互易器件，为满足器件的小型化及与cmos工艺兼容等要求，人们在光学隔离器的集成化方面做了众多研究。目前，主要有晶圆键合式的光学隔离器和单片集成式的光学隔离器两种。

2、晶圆键合式的光学隔离器是先在石榴石基底上方外延生长出磁光薄膜，再让磁光薄膜覆盖在波导上，与波导键合形成磁光波导。此种光学隔离器无法融入半导体工业生产线，并不适用于工业大规模生产。另外，若想将磁光薄膜仅覆盖在波导的某段上，这需要精确控制石榴石基底上生长的磁光薄膜位置，且对键合时磁光薄膜和波导的对准精度要求较高，难度较大。因此，常见的晶圆键合式的光学隔离器一般是用磁光薄膜将波导进行整体覆盖。此种情况下，因为光学隔离器中波导整体覆盖有磁光薄膜，如果光学隔离器整体尺寸长度较大，其波导长度也会较大，此时磁光薄膜和波导键合形成的磁光波导也具有较长的长度，从而使光学隔离器具有较大的隔离带宽，但是由于形成磁光薄膜的磁光材料损耗较大，一般为50～80db/cm，磁光波导的损耗也会较大，进而导致光学隔离器的损耗大大增加，影响器件整体性能；如果光学隔离器整体尺寸长度较小时，其波导长度也会较小，此时磁光薄膜和波导键合形成的磁光波导也具有较小的长度，虽然光学隔离器的损耗得到了降低，但是与此同时其隔离带宽也会变窄。

3、单片集成式的光学隔离器是直接在波导上生长yig种子层，对yig种子层退火结晶后，再在yig种子层上生长磁光薄膜，如ce:yig、bi:yig等。此种光学隔离器可融入半导体工业生产线，适用于工业大规模生产。同时，可通过控制yig种子层及磁光薄膜只生长在波导的某段上，以此来控制磁光波导长度。但是，单片集成式的光学隔离器的损耗和隔离带宽同时受限于器件整体尺寸以及磁光薄膜的生长范围。

4、由此可知，晶圆键合式的光学隔离器和单片集成式的光学隔离器均受到其自身尺寸的限制，在自身尺寸较大时，磁光波导能够具有较大的长度，从而能够具有较宽的隔离带宽，但是同时其损耗也会随着磁光波导长度的增加而变大。相反，若减小磁光波导的长度，其损耗在降低的同时隔离带宽也会变窄。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种在可融入半导体工业生产线，能够适用于工业大规模生产的同时，采用较小的尺寸同时实现较低损耗和较大隔离带宽的低损耗大带宽的光学隔离器。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种低损耗大带宽的光学隔离器，包括基底和光学隔离器主体结构，所述的光学隔离器主体结构包括一根总线波导、两个环形跑道形波导、yig种子层及磁光薄膜，所述的基底为长方体结构，将所述的基底的长度方向作为左右方向，宽度方向作为前后方向，厚度方向作为上下方向，所述的总线波导为直波导，所述的总线波导的长度方向沿左右方向，宽度方向沿前后方向，厚度方向沿上下方向，所述的总线波导的下端面附着在所述的基底的上端面上，每个所述的环形跑道形波导均包括两个半圆形波导和两个直波导，两个直波导前后间隔设置，且长度方向均沿左右方向，宽度方向均沿前后方向，厚度方向均沿上下方向，两个直波导呈前后对称，两个半圆形波导分别位于两个直波导的两侧，两个半圆形波导的厚度方向沿上下方向，两个半圆形波导相对于所述的基底沿前后方向的对称面所在平面呈左右对称，且任意一个半圆形波导沿左右方向平移后能与另一个半圆形波导对接形成一个横截面是圆环的圆环形波导，两个半圆形波导和两个直波导依次连接形成环形，两个半圆形波导和两个直波导的下端面均附着在所述的基底的上端面上，两个半圆形波导和两个直波导的厚度相同；两个环形跑道形波导呈前后对称，所述的总线波导和两个环形跑道形波导的上端面位于同一平面；将两个环形跑道形波导分别称为第一环形跑道形波导和第二环形跑道形波导，所述的总线波导、所述的第一环形跑道形波导和所述的第二环形跑道形波导按照从前到后的顺序间隔分布；所述的yig种子层附着在所述的第二环形跑道形波导中位于后侧的直波导的上端面上，且将其完全覆盖住，所述的磁光薄膜附着在所述的yig种子层上且将其完全覆盖住。

3、所述的yig种子层通过利用单片集成法沉积后形成，所述的磁光薄膜由所述的yig种子层高温快速退火结晶后二次沉积形成。

4、所述的基底的材料为sio2，所述的总线波导和两个环形跑道形波导的材料均为氮化硅，所述的磁光薄膜材料为ce:yig或者bi:yig。

5、所述的基底的长度为1200um，宽度为400um，厚度为3um，所述的总线波导的长度为1200um，宽度为1000nm，厚度为400nm，每个所述的环形跑道形波导中，两个直波导的长度均为996.7um，宽度均为1000nm，厚度均为400nm，两个半圆形波导的的内径均为92.09um，外径均为93.09um，厚度均为400nm，所述的yig种子层的厚度为30nm，所述的磁光薄膜的厚度为150nm。

6、与现有技术相比，本发明的优点在于通过一根总线波导、两个环形跑道形波导、yig种子层及磁光薄膜构成光学隔离器主体结构，每个环形跑道形波导均包括两个半圆形波导和两个直波导，两个直波导前后间隔设置，两个半圆形波导分别位于两个直波导的两侧，两个半圆形波导和两个直波导依次连接形成环形，将两个环形跑道形波导分别称为第一环形跑道形波导和第二环形跑道形波导，总线波导、第一环形跑道形波导和第二环形跑道形波导按照从前到后的顺序间隔分布，yig种子层附着在第二环形跑道形波导中位于后侧的直波导的上端面上，且将其完全覆盖住，磁光薄膜附着在yig种子层上且将其完全覆盖住，yig种子层及磁光薄膜覆盖长度和宽度均与第二环形跑道形波导的直波导的长度和宽度一致，即yig种子层及磁光薄膜并不覆盖整个第二环形跑道形波导，由于磁光材料覆盖第二环形跑道形波导的长度较短，因此可以大大降低损耗，yig种子层、磁光薄膜和第二环形跑道形波导中位于后侧的直波导构成磁光波导，通过给磁光波导施加与光传播方向相垂直的横向磁场，使磁光波导具有非互易相移特性，基于磁光波导的非互易相移物理特性，两个环形跑道形波导形成双跑道型微环串联结构，因此构建了二阶非厄米系统，实现正向入射光和反向入射光呈现不同的谱线特性，当光以不同的方向在磁光波导中传输时，将会具有不同的相移特性，以此实现正向光和反向光的谐振锋的偏移，产生隔离效果，实现较大的隔离带宽，由此本发明通过减少磁光材料覆盖面积来减少损耗，构建二阶非厄米系统来实现较大的隔离带宽，从而采用较小的尺寸同时实现较低损耗和较大隔离带宽，在具有低损耗大隔离带宽的特点时，可以允许激光源波长一定程度上的偏移，这增大了集成光学系统的容错率，从而可以采用最普通的soi硅波导实现各个波导以及单片集成生长yig种子层和磁光薄膜的工艺，具有良好的cmos工艺兼容性，可融入半导体工业生产线，能够适用于工业大规模生产。