CN100520498C - 可集成光学波导隔离器 - Google Patents

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Abstract

一种可集成光学隔离器包括偏振器，非互易旋转器，以及互易旋转器。偏振器包括第一和第二端口。所述偏振器被配置成在所述第一端口接收前向传播波，并且在所述第二端口输出偏振的前向传播波，所述偏振的前向传播波具有第一偏振面。所述非互易旋转器被耦合来从所述偏振器的所述第二端口接收偏振的前向传播波。所述非互易旋转器将所述偏振的前向传播波从第一偏振面旋转到第二偏振面。所述互易旋转器被耦合到所述非互易旋转器，以接收所述偏振的前向传播波。所述互易旋转器将偏振的前向传播波从第二偏振面旋转回第一偏振面。

Description

可集成光学波导隔离器
技术领域
本发明一般涉及光学隔离器，并且特殊地但不是排他地，涉及采用偏振旋转器(rotator)的可集成光学隔离器(isolator)。
背景技术
光通信系统可以用来在以电子设备为基础的处理系统之间作为互连。信号在发射侧从电领域被转换到光领域，被发送进入传输介质(例如光纤)，然后在接收侧被转换回到电领域。
许多光子设备(photonic device)在所述发射侧和接收侧之间与所述传输介质耦合，用来以各种方式处理光信号，所述各种方式包括聚焦，转发(repeating)/放大，路由，分路(splitting)，编码/加密，等等。因为光波通过传输介质或光子设备的传播通常是双向的(即光波可以前向(forward)或后向(backward)传播)，所以这些光子设备可以导致后向传播反射，例如由于在这些光子设备的界面处的折射率不匹配。如果这些后向传播的反射没有被阻挡，就会扰乱光通信系统的工作。进入发射机侧的激光源的后向传播反射会干扰该激光源的谐振腔内的受激辐射(stimulation emission)，并且由此导致限制光通信系统性能的不需要的噪声。
光学隔离器通常被串行地(inline)插入到激光源和传输介质之间，以阻挡后向传播反射进入谐振腔。当前，光学隔离器是通过光纤耦合到光源的输出的独立(standalone)器件。已知的独立光学隔离器包括分立的、非集成的组件，例如偏振器和双折射晶体旋转器。
发明内容
本发明一般涉及光学隔离器，并且特殊地涉及采用偏振旋转器的可集成光学隔离器。根据本发明的一个方面，提供了一种光学隔离器，包括：包括第一和第二端口的第一偏振器，所述第一偏振器被耦合来在所述第一端口接收前向传播波，并且在所述第二端口输出具有第一偏振面的偏振的前向传播波；非互易旋转器，所述非互易旋转器被耦合来从所述第一偏振器的所述第二端口接收所述偏振的前向传播波，并且将所述偏振的前向传播波从所述第一偏振面旋转角度到第二偏振面；以及，与所述非互易旋转器耦合的互易旋转器，所述互易旋转器接收所述偏振的前向传播波并且将所述偏振的前向传播波从所述第二偏振面旋转回所述第一偏振面。
根据本发明的一个方面，提供了一种方法，包括：将在半导体管芯中的输入端口接收到的前向传播波偏振成为具有第一偏振面的偏振的前向传播波；通过设置在所述半导体管芯中的非互易旋转器将所述偏振的前向传播波旋转角度到第二偏振面；通过设置在所述半导体管芯中的互易旋转器将所述偏振的前向传播波从所述第二偏振面旋转回所述第一偏振面；以及，将具有所述第一偏振面的所述偏振的前向传播波耦合到在所述半导体管芯中的输出端口。
根据本发明的再一个方面，提供了一种系统，包括：光源，所述光源被耦合来响应于电子处理设备产生光信号；光纤；以及，耦合在所述光源和所述光纤之间的光学隔离器，所述光学隔离器包括：包括第一和第二端口的第一消逝波耦合器，所述第一消逝波耦合器在所述第一端口接收前向传播波，并且在所述第二端口输出具有第一偏振面的偏振的前向传播波；非互易旋转器，所述非互易旋转器被耦合来从所述第一消逝波耦合器的所述第二端口接收所述偏振的前向传播波，并且将所述偏振的前向传播波从所述第一偏振面旋转到第二偏振面；与所述非互易旋转器耦合的互易旋转器，所述互易旋转器接收所述偏振的前向传播波并且将所述偏振的前向传播波从所述第二偏振面旋转回所述第一偏振面；以及，包括第三和第四端口的第二消逝波耦合器，所述第三端口被耦合到所述互易旋转器，以接收所述偏振的前向传播波并且将具有所述第一偏振面的所述偏振的前向传播波传递到所述第四端口。
附图说明
参照附图描述了本发明非限定性和非穷尽的实施方案，其中，除非另外说明，否则在各个视图中类似的标号表示类似的部分。
图1是根据本发明的实施方案示出光学隔离器的俯视图的示意图。
图2A根据本发明的实施方案示出了通用(generic)非互易旋转器的透视图。
图2B根据本发明的实施方案示出了通用互易旋转器的透视图。
图3A是根据本发明的实施方案、示出配置为偏振器/检偏器(analyzer)的消逝波耦合器(evanescent coupler)的俯视图的示意图。
图3B是根据本发明的实施方案示出被配置为偏振器/检偏器的消逝波耦合器的横截面图的示意图。
图3C是根据本发明的实施方案、示出多个消逝波耦合器串行耦合以提供更大的偏振隔离的俯视图的示意图。
图4根据本发明的实施方案示出非互易偏振旋转器的透视图。
图5是根据本发明的实施方案示出被配置为互易旋转器的双折射波导的正视图的示意图。
图6是根据本发明的实施方案示出光学隔离器的俯视图的示意图。
图7是根据本发明的实施方案示出光学隔离器的俯视图的示意图。
图8根据本发明的实施方案示出了非互易光学移相(phase shift)元件的透视图。
图9是根据本发明的实施方案、示出用可集成光学隔离器实现的示范性光通信系统的功能框图。
具体实施方式
这里描述了可集成光学隔离器的实施方案。在以下描述中，阐述了大量的细节以提供对这些实施方案的深入理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，无需这一个或更多个细节，或是用其他方法、组件、材料等就可以实现这里描述的技术。在其他实例中，没有示出或详细描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊了某些方面。
在整篇说明书中提及“一个实施方案”或“实施方案”是指关于该实施方案所描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，短语“在一个实施方案中”或者“在实施方案中”在整篇说明书中不同地方的出现不一定全是指相同的实施方案。此外，在一个或更多个实施方案中可以以任何适当的方式将具体的特征、结构或特性组合起来。
图1是根据本发明的实施方案示出光学隔离器100的俯视图的示意图。示出的光学隔离器100的实施方案包括第一偏振器105、非互易旋转器110、互易旋转器115和第二偏振器120，所有这些器件都被集成在单个衬底(substrate)125内。在一个实施方案中，衬底125是将光学隔离器100的组件以单片方式(monolithically)集成在其内的多层半导体管芯(die)。
图1将前向传播的方向示为从左到右，其中偏振器105为输入偏振器，偏振器120为输出偏振器。常规来说，输出偏振器(例如示出的偏振器120)通常被称为“检偏器”。然而，应该理解，本发明的一些实施方案包括偏振器105和120，它们在结构上不能区分，并且光学隔离器100还可以被配置为在前向传播方向是从右到左的情况下工作，这样偏振器120是输入偏振器而偏振器105是检偏器。
光学隔离器100的组件(component)以如下方式互连。偏振器105包括被耦合来接收前向传播波130的端口P1和被耦合来输出前向传播波130的部分(portion)的端口P2。端口P2被耦合到非互易旋转器110的第一侧。非互易旋转器110的第二侧被耦合到互易旋转器115的第一侧。互易旋转器115的第二侧被耦合到偏振器120的端口P3。最后，偏振器120的端口P4被耦合，以向波导或其他集成在衬底125内部或耦合到衬底125外部的光学设备输出前向传播波130的部分。
光学隔离器100防止后向传播波135到达偏振器105的端口P1，由此在后向传播方向上提供光学隔离。实际上，光学隔离器100是单向光学链路(optical link)。后向传播波135可以产生自耦合到光学隔离器100下游的光通信系统中的噪声。特别地，后向传播波135可以产生自前向传播波130的反射。由于光子设备耦合到引导前向传播波130的下游光介质，前向传播波130的部分会反射。各种光子设备的界面(interface)可能导致通信介质内的有效折射率不匹配，这一点又导致有害的反射，例如后向传播波135。
光学隔离器100的组件以如下方式工作。前向传播波130可以包括具有电场(“E场”)的水平偏振面(Ex)和垂直偏振面(Ey)的部分。偏振器105的作用是基本上将整个Ex部分传递给端口P2，而基本上将整个Ey部分引导向端口P5。当前向传播波130的Ex部分穿过非互易旋转器110时，前向传播波130的偏振关于x轴旋转+45度(见前向传播旋转图140。注意，因为图1是光学隔离器100在X-Z平面上的二维视图，所以不可能示出在X-Y平面上的偏振旋转。因此，偏振面被示为在X-Z平面旋转，仅仅是为了示例说明，而并非意图是对E场在X-Y平面上旋转的精确描绘)。当前向传播波130通过互易旋转器115传播时，前向传播波130的E场关于x轴旋转-45度，从而使偏振面回到Ex面。随后，偏振器120被配置为将在端口P3接收到的具有Ex偏振面的波传到端口P4，在端口P4输出前向传播波130。任何在偏振器120的端口P3接收到的前向传播波130剩余的Ey部分被引导到端口P8，并且由此与Ex部分分开。
后向传播波135也可以包括Ex和Ey两个部分，尽管大多数后向传播波135会是前向传播波130的后向反射，并且因此具有Ex偏振面。在偏振器120的端口P4接收到的后向传播波135被偏振为两个部分。Ex部分基本上被传递到端口P3，而Ey部分基本上被传递到端口P7。当后向传播波135的Ex部分穿过互易旋转器115时，E场的偏振面从x轴旋转+45度(见后向传播旋转图145)。当后向传播波135穿过非互易旋转器110时，E场被再次关于x轴旋转另一个+45度，导致E场现在在垂直偏振面或Ey上偏振。随后，偏振器105将具有Ey偏振面的后向传播波135引导向端口P6，使得端口P1不会接收到有害的反射或后向传播波135。
在替换性的实施方案中，非互易旋转器110和互易旋转器115的位置可以交换，从而互易旋转器115被耦合到偏振器105而非互易旋转器110被耦合到偏振器120。此外，在替换性的实施方案中，非互易旋转器110可以被配置为将前向传播波130和后向传播波135都关于x轴旋转-45度，而互易旋转器115被配置为将前向传播波130关于x轴旋转+45度，将后向传播波135关于x轴旋转-45度。尽管光学隔离器100被示为选择性地传递Ex偏振的前向传播波130而阻挡Ex偏振的后向传播波135，但是如下面将要讨论的，光学隔离器100可以被修改为选择性地传递Ey偏振的前向传播波130而阻挡Ey偏振的后向传播波135。
图2A示出了通用(generic)非互易旋转器205的透视图，而图2B示出了通用互易旋转器210的透视图。尽管图2A和2B示出在脊形(rib)波导内实施的通用旋转器205和210，但是其他波导结构(例如平面的、矩形的、正方形的、圆形的、椭圆形的，等等)和旋转器结构可以用来实现通用非互易旋转器205和通用旋转器210。
如在图2A中所示，非互易旋转器是这样的旋转器，在固定坐标系统215中，它引起E场在两个传播方向上顺时针旋转(示出了)或在两个传播方向上逆时针旋转(未示出)。例如，当具有线性Ex偏振220的波沿正z轴传播通过通用非互易旋转器205时，它被关于x轴旋转-45度，产生线性地混合的(linearly hybrid)Ex+Ey偏振225。当所述混合Ex+Ey偏振225沿负z轴通过通用非互易旋转器205传播回时，在固定坐标215中，通用非互易旋转器205再次将E场关于x轴旋转-45度(顺时针方向)，产生线性Ey偏振230。因此，通用非互易旋转器205在波沿一个方向传播再又沿另一个方向传播回来时没有使波回到其原始的偏振面。应该理解，在x轴下旋转45度(或关于z轴顺时针π/4弧度)仅仅是为示例说明而选择的，并且通用非互易旋转器205可以被配置为包括其他旋转角度，顺时针或逆时针。
如在图2B中所示，互易旋转器是这样的旋转器，在固定坐标系统215中，它引起E场在一个方向上顺时针旋转而在另一个方向上逆时针旋转。例如，当具有线性Ex偏振240的波沿正z轴传播通过通用互易旋转器210时，它被关于x轴旋转+45度，产生线性地混合的Ex+Ey偏振245。当所述混合Ex+Ey偏振245沿负z轴通过通用互易旋转器210传播回时，在固定坐标215中，通用互易旋转器210将E场关于x轴旋转-45度(顺时针方向)，将E场转回到线性Ex偏振250。因此，通用互易旋转器210在波沿一个方向传播再又沿另一个方向传播回来时确实使波回到其原始的偏振面。应该理解，可以基于通用互易旋转器210的几何形状选择前向和后向传播的方向和旋转量。
图3A是根据本发明的实施方案示出被配置为偏振器(或检偏器)105或120中的一个的消逝波耦合器300的俯视图的示意图。图3B是示出沿图3A中的横截面3B-3B的消逝波耦合器300的横截面图的示意图。示出的消逝波耦合器300的实施方案包括第一波导部分(section)305和第二波导部分310，所述两个部分在总交互作用长度(interaction length)LT上被互相平行地排布(route)。
当光波通过波导部分305和310中的一个传播时，光波的E场在两个波导部分之间前后(back-and-forth)以消逝波的方式(evanescently)耦合。用来将来自一个波导部分的所有光能与下一个基本耦合所需的交互作用长度取决于光波的波长λ、间隔距离D和E场的偏振取向(orientation)。因此，具有Ex和Ey偏振分量(component)的光波(例如前向传播波130)将具有用于Ex偏振分量的耦合长度LX和用于Ey偏振分量的耦合长度LY。通过选择性地将总交互作用长度LT设置为LX的奇数倍(odd multiple)，Ex分量将前后耦合奇数次，导致Ex分量被路由到端口P2。通过选择性地将总交互作用长度LT设置为LY的偶数倍(even multiple)，Ey分量将前后耦合偶数次，导致Ey分量被路由到端口P5。因此，在一个实施方案中，LT、LX和LY可以根据下面的关系式1相关。
LT＝3Lx＝4LY     (关系式1)
在一个实施方案中，λ＝1.55μm，D＝4.25μm，以及LX＝2.5mm。应该理解，通过构造(fabricate)消逝波耦合器300使得LT基本是LX的偶数倍和LY的奇数倍，消逝波耦合器300可以被修改为将Ey分量传递给端口P2而将Ex分量传递给端口P5。
图3C是根据本发明的实施方案，示出多个串行耦合以提供更大的偏振隔离的消逝波耦合器300的俯视图的示意图。通过串行链接多个消逝波耦合器300，使得左边的消逝波耦合器的端口P2被耦合到右边的消逝波耦合器的端口P1，增加了Ex和Ey偏振面之间的分隔角度。Ex和Ey之间增加的分隔导致对后向传播波135的更大抑制。
图4根据本发明的实施方案示出了偏振旋转器400的透视图。偏振旋转器400是非互易旋转器110的一个可能的实施方案。偏振旋转器400可以与其他无源或有源器件或其他结构集成在衬底层402上，或者可以是分立器件。衬底层402可以包括一片材料，例如一片硅或其他材料。衬底层402可以是物理结构，经过各种处理被转换为和/或被增加到期望的微电子构造的基本工件层，或其他一种或更多种材料。衬底层402可以包括导电材料、绝缘材料、半导电材料，以及其他材料或材料的组合。在一些实施方案中，衬底层402可以是多层结构(例如衬底125)。
在衬底层402上可以有铁磁半导体层404。铁磁半导体层404可以是半导电材料层，它在磁场中被磁化，并且即使磁场被移除后仍保持其磁性。在第一实施方案中，铁磁半导体层404可以包括锰、硅和锗。在第二实施方案中，铁磁半导体层404可以包括锰、镓和砷。在其他实施方案中，铁磁半导体层404可以包括其他材料。
在铁磁半导体层404上可以有第一掺杂半导体层406。在第一实施方案中，第一掺杂层406可以包括硅和锗。在第二实施方案中，第一掺杂层406可以包括铝、镓和砷。在其他实施方案中，第一掺杂层406可以包括其他材料。第一掺杂层406可以被掺杂为与铁磁半导体层404的极性相容(compatible)。例如，在实施方案中，铁磁半导体层404包括锰、镓和砷，或包括硅和锗，则第一掺杂层406可以是p掺杂的。在其他实施方案中，第一掺杂层406可以是n掺杂的。
在第一掺杂层406上可以有异质结构(heterostructure)408。异质结构408可以包括多个交替的材料薄层：包括第一材料或材料组(set)的层和包括第二材料或材料组的层相交替。这种分层形成一个或更多个异质结(heterojunction)。因此，异质结构408可以形成量子阱，或能将载流子(carrier)约束在图4的垂直Y方向上的其他类型的异质结构408。这种约束可以增强材料的偏振，所述材料的偏振会影响光在传播方向Z上通过偏振旋转器400的传播。(注意，这里使用术语“光(light)”包括任何适当类型的电磁波，例如前向和反向传播波130和135。)在第一实施方案中，异质结构408可以包括一个或更多个包括硅的层与一个或更多个包括硅和锗的层相交替。在第二实施方案中，异质结构408可以包括一个或更多个包括镓和砷的层与一个或更多个包括铝、氧、镓和砷的层相交替。在其他实施方案中，交替的层可以包括其他材料。
在异质结构408上可以有第二掺杂层410。在第一实施方案中，第二掺杂层410可以包括硅。在第二实施方案中，第二掺杂层410可以包括铝、镓和砷。在其他实施方案中，第二掺杂层410可以包括其他材料。第二掺杂层410可以被掺杂为与第一掺杂层406相反的极性。例如，在一个实施方案中，第一掺杂层406是p掺杂的，则第二掺杂层410可以是n掺杂的。在一个实施方案中，第一掺杂层406是n掺杂的，则第二掺杂层410可以是p掺杂的。掺杂物极性的这种安排产生二级管结构，一旦向偏振旋转器施加电压，二级管结构可以促进载流子有效地注入该偏振旋转器。
偏振旋转器400可以包括触点(contact)412、414、416。在示出的实施方案中，偏振旋转器400包括第二掺杂层410上的第一触点412、与异质结构408的第一侧相邻的第二触点414(在图4中在异质结构408的左侧)，以及与异质结构408的第二侧相邻的第三触点416(在图4中在异质结构408的右侧)。虽然三个触点412、414、416全部在图4的实施方案中示出时，触点414和416可以执行类似的功能。在替换性实施方案中，可以只存在触点414和416中的一个，而不是两个都存在。这些触点412、414、416可以包括铁磁金属，例如铁、钴、镍，或其他导电材料。
在工作中，光可以沿z轴传播通过偏振旋转器400。层406、408和410形成从铁磁半导体层404垂直延伸的垂直结构。该垂直结构(例如脊形波导)可以导致光在其传播方向上被引导。该垂直结构还可以使得偏振旋转器与在衬底层402中形成的其他波导相容。可以在第一触点412和第二触点414之间，和/或在第一触点412和第三触点416之间施加电压。例如，在实施方案中，可以在第一触点412和第二触点414之间，以及在第一触点412和第三触点406之间施加大约0.5伏到大约5伏的电压。这可以导致注入自旋极化(spin-polarized)的载流子，接着所述自旋极化的载流子旋转光的偏振。通过改变施加的电压量，可以改变偏振旋转量。
更详细地，偏振旋转器400可以利用(exploit)光和半导体材料中自旋极化的电子之间的交互作用。一种产生自旋极化的电子的方法是通过从铁磁材料形成的触点将载流子注入半导体材料来实现。导带中的电子状态可以具有量子态，其中自旋＝+或-1/2。在价电子带中，重空穴的量子态(自旋＝+或-3/2)具有比轻空穴(自旋＝1/2)更低的能量，这种情况可能发生。因此，重空穴态被布居(populated)，而不是轻空穴态。在磁场存在的情况下，与+或-的自旋值相关的简并度(degeneracy)可能被提高，导致相应能级的分裂：从自旋＝+3/2的重空穴中分裂出自旋＝-3/2的重空穴，从自旋＝+1/2的轻空穴中分裂出自旋＝-1/2的轻空穴。由于量子力学选择法则Δm＝+/-1(角动量守恒)，只允许由右旋圆偏振光(right circularly polarized light，RCP)驱动的电子-1/2向空穴-3/2的跃迁(transition)或由左旋圆偏振光(left circularly polarized light，LCP)驱动的电子+1/2向空穴+3/2的跃迁。当自旋极化的载流子被注入到这样的系统中时，+和-的自旋态可以呈现不同的布居数(population)。因此，LCP和RCP光可能经历不同的折射率。当线性偏振光(RCP和LCP的组合)与这样的系统交互作用时，它的偏振可能旋转。这种现象通常被称作法拉第效应(Faraday Effect)。
在一个实施方案中，第一触点412可以是注入自旋极化的电子的铁磁触点。第二和第三触点414、416中的一个或更多个可以附着在铁磁半导体层404上，在铁磁半导体层404中载流子可以是空穴。可以沿波导方向(z轴)施加磁场，以维持铁磁半导体404的磁化方向。服从于磁化的正确方向，空穴(自旋初始为+3/2)被注入异质结构408。这可以保证如上面段落中的LCP和RCP的不同折射率。
偏振旋转器400可以被构造为使用下面的材料和技术。在一个实施方案中，衬底层402可以是如示出的硅绝缘体(SOI)衬底层，尽管在其他实施方案中，衬底层402可以是不同类型。衬底层402可以包括处理层、在处理层上的绝缘层，以及在绝缘层上的器件层。在一个实施方案中，处理层可以包括硅，绝缘层可以包括二氧化硅，器件层可以包括硅。在其他实施方案中，衬底层402可以是与在衬底层402之上的层所使用的材料相容的不同类型的埋式(buried)绝缘衬底。例如，在上面描述的第二实施方案中，衬底层402可以是基于砷化镓的。在其他实施方案中，可以使用其他的材料，并且衬底层402可以具有缺乏埋式绝缘层的类型，例如单层半导体材料。
在一些实施方案中，铁磁半导体层404可以包括锰、硅和锗，或包括锰、镓和砷，尽管在其他实施方案中可以使用其他材料。在一个实施方案中，铁磁半导体层404可以包括Mn0.05Ga0.95As。在另一个实施方案中，铁磁半导体层404可以包括Mn0.05Si0.1Ge0.75。在实施方案中，铁磁半导体层404是在衬底层402上经过原子层外延工艺形成的。在一些实施方案中，该工艺是在低的温度下进行的，例如大约400摄氏度下，尽管可以使用其他温度。在一些实施方案中，铁磁半导体层404可以具有大约50纳米到大约300纳米的厚度。在一些实施方案中，铁磁半导体层404可以具有大约50纳米到大约150纳米的厚度。在其他实施方案中，铁磁半导体层404可以具有不同的厚度。
在一些实施方案中，第一掺杂层406可以具有基于铁磁半导体层404的传导类型的掺杂类型。在实施方案中，铁磁半导体层404包括MnSiGe，则第一掺杂层406可以包括SiGe。在这样的实施方案中，第一掺杂层406可以具有基于MnSiGe铁磁半导体层404的p型传导类型的p型掺杂。类似地，在实施方案中，铁磁半导体层404包括MnGaAs，则第一掺杂层406可以包括AlGaAs，具有p型掺杂。在其他实施方案中，第一掺杂层406可以包括不同的材料，并被不同地掺杂。在一些实施方案中，第一掺杂层406可以具有大约50纳米到大约300纳米的厚度。在实施方案中，第一掺杂层406可以具有大约50纳米到大约150纳米的厚度。在实施方案中，第一掺杂层406可以具有大约50纳米到大约100纳米的厚度。在其他实施方案中，第一掺杂层406可以具有不同的厚度。
如上面所讨论的，异质结构408可以包括多个交替的材料薄层：包括第一材料或材料组的层和包括第二材料或材料组的层相交替。包括第一材料或材料组的第一层类型和包括第二材料或材料组的第二层类型相交替。在一个实施方案中，第一层类型的每个实例基本与第一层类型的其他实例相同。类似地，在一个实施方案中，第二层类型的每个实例基本与第二层类型的其他实例相同。异质结构408可以具有如少至两层这样的层数(第一层类型一层和第二层类型一层)，或可以具有二十到五十层，或甚至更多层。
在一个实施方案中，异质结构408中的每一层可以是薄的。在一个实施方案中，每一层可以具有约1纳米的数量级的厚度。在一些实施方案中，所述层可以具有大约0.5纳米和大约3纳米之间的厚度，尽管可以使用其他厚度。因此，在每个层类型包括大约二十五层的实施方案中，异质结构408可以具有大约50纳米到大约100纳米的厚度，尽管在其他实施方案中异质结构408可以具有不同的厚度，该厚度基于层的数目和每层的厚度。
在一个实施方案中，第一层类型可以包括硅和锗，而第二层类型可以包括硅。在另一个实施方案中，第一层类型可以包括镓和砷，而第二层类型可以包括铝、氧、镓和砷。在其他实施方案中，第一和第二层类型可以包括其他材料。
在一些实施方案中，第二掺杂层410可以具有与第一掺杂层406的掺杂类型相反的掺杂类型。例如，在实施方案中，第一掺杂层406是p掺杂的，则第二掺杂层410可以是n掺杂的。在一些实施方案中，第二掺杂层410可以具有在大约50纳米和大约300纳米之间的厚度。在一些实施方案中，第二掺杂层410可以具有在大约50纳米和大约150纳米之间的厚度。在实施方案中，第二掺杂层410可以具有在大约50纳米和大约100纳米之间的厚度。在其他实施方案中，第二掺杂层410可以具有不同的厚度。
在实施方案中，铁磁半导体层404包括MnSiGe，第一掺杂层406包括SiGe，则第二掺杂层410可以包括以n型掺杂的硅。类似地，在实施方案中，铁磁半导体层404包括MnGaAs，第一掺杂层406包括AlGaAs，则第二掺杂层410可以包括以n型掺杂的铝、镓和砷。在一个实施方案中，第二掺杂层410可以包括Al0.3Ga0.7As。在另一个实施方案中，第二掺杂层410可以包括Si0.6Ge0.4。在又一个实施方案中，第二掺杂层410可以用磷掺杂。在另一个实施方案中，第二掺杂层410可以包括不同的材料，并且被不同地掺杂。
如上面所描述的，在示出的实施方案中，偏振旋转器400包括第二掺杂层410上的第一触点412，与异质结构408的第一侧相邻的第二触点414(在图4中在异质结构408的左侧)，以及与异质结构408的第二侧相邻的第三触点416(在图4中在异质结构408的右侧)。在其他实施方案中，可以有不同数目的触点，并且这些触点可以被不同地放置。在一些实施方案中，层406、408和410的宽度可以是不同的，以定义在波导模中的不同光强度分布。触点412、414和416可以包括导电材料，例如铁、钴、镍，或其他导电材料。
在一个实施方案中，还可以在衬底层402上形成其他器件和/或结构。例如，可以在衬底层402上形成一个或更多个波导。在另一个实施方案中，可以通过在衬底层402上制作器件和/或结构来形成管芯(例如微处理器)。这样的管芯可以包括多个互连层，所述互连层包括介电(dielectric)材料层、迹线(trace)层和通过所述介电材料的通路(via)。因为介电层、迹线和通路是在形成微处理器的器件和/或结构上形成的，所以还可以在偏振旋转器400上形成一个或更多个介电材料层。连接到触点412、414、416的导电通路可以穿过介电材料而形成，以允许通过触点412、414、416施加电压。因此，偏振旋转器400可以与一个或更多个波导、无源和/或有源器件(包括在衬底层402上形成微处理器或其他微电子设备的器件)或其他结构集成在单个衬底上。
图5是根据本发明的实施方案，示出被配置为互易旋转器的双折射波导500的正视图的示意图。双折射波导500是图1中互易旋转器115的一个可能的实施方案。双折射波导500是具有脊形部分505和板条形部分510。在一个实施方案中，双折射波导500是由在二氧化硅层(绝缘层上的硅层)上形成的硅所构造的。可以选择尺寸宽度W和高度H，使得双折射波导500呈现出几何学各向异性(geometric anisotropy behavior)。这样，沿双折射波导500传播的电磁(“EM”)场模515将在水平偏振面和垂直偏振面情形中经历不同的有效折射率。这些取决于取向的折射率导致在EM场515的线性偏振上的互易旋转。在一个实施方案中，宽度W是2μm，高度H是0.3μm，并且板条形部分510的厚度是1.2μm。
图6是根据本发明的实施方案示出光学隔离器600的俯视图的示意图。示出的光学隔离器600的实施方案包括光学分路器-合并器(splitter-combiner)605和610、波导部分615和620、以及非互易光学移相元件625(在下文中为互易元件625)。在示出的实施方案中，光学分路器-合并器605和610是Y分支的波导；然而，包括消逝波耦合器、分束器等的其他光学分路/合并元件可以替代。
光学隔离器600的部件被耦合在一起形成马赫-泽德干涉仪(Mach-Zehnderinterferometer，“MZI”)配置。波导部分615和620各自产生在前向/反向(reverse)传播波中的互易光学相移，而非互易元件625包括在前向/反向传播波中的非互易光学相移。增加由光学隔离器600的多个组件一起引起的光学相移导致前向传播方向上的相长干涉(constructive interference)，并且允许前向传播波630穿过光学隔离器600。然而，增加给予反向传播波730(见图7)的各种光学相移导致相消干涉(destructive interference)，并且防止后向(backward)传播波730穿过光学隔离器600。
如示出的，波导部分615具有长度L1，而波导部分620具有长度L2。在示出的实施方案中，L2比L1长ΔL，其中ΔL由下式给出：
ΔL＝L2-L1          (关系式2)
ΔL = λ vac 4 n eff            (关系式3)
其中λvac是前向/反向传播波在真空中的波长，neff是在部分615和620上波导模的有效折射率。通过构造波导部分615和620间的ΔL的长度不同来遵循关系式3，在两个波导部分615和620之间引起π/2或90度的互易光学相移差。非互易元件625被配置为只在波导部分615中引起π/2或90度的附加非互易光学相移。
图6示出前向传播波630通过光学隔离器600的传播。通过光学分路器-合并器605，前向传播波630被分路为具有基本相等的E场场强EO的分量631和633。分量631和633分别通过波导部分615和620传播，产生对分量631和633正45度或π/4弧度的净光学相移。随后由光学分路器-合并器610将分量631和633相长地重新合并。
方程(equation)650(见图6)描述由光学隔离器600的每一个部分对前向传播波630所引起的光学相移。项1与由波导部分620引起的相移相对应，而项2、3分别与由波导部分615和非互易元件625引起的相移相对应。
图7示出了反向传播波730通过光学隔离器600的传播。通过光学分路器-合并器610，反向传播波730被分路为具有基本相等的E场场强EO的分量731和733。分量731和733分别通过波导部分615和620传播。波导部分620引起-45度或-π/4弧度的互易光学相移，如相位图760所示出。然而，波导部分615引起+45度或+π/4弧度的光学相移，非互易元件625引起+90度或+π/2的光学相移，故产生+135度或+3π/4弧度的净光学相移，如相位图765所示出。因为分量731和733是180度异相的，所以光学分路器-合并器605相消地重新组合分量731和733，净E场场强为零。
方程750(见图7)描述由光学隔离器600的每一个部分对反向传播波730所引起的光学相移。相4与与由波导部分620引起的相移相对应，而项5、6分别与由波导部分615和非互易元件625引起相移相对应。
如相位图760和765所示出的，分量731和733具有相等但是相反的投影到x轴上的Ex分量。因为大多数光源发射(emit)具有线性Ex偏振的光学光，光学隔离器600基本上防止所有反向传播波穿过该器件。应该理解，光学隔离器600可以被修改为阻挡Ey反向传播波，如下面的描述。此外，两个光学隔离器600可以串行耦合以阻挡Ex和Ey反向传播波两者，其中一个光学隔离器被设计为阻挡线性Ex偏振的反向传播波，并且另一个被设计为阻挡线性Ey偏振的反向传播波。
在一个实施方案中，光学分路器-合并器605和610以及波导部分615和620是由硅(或其他光传输材料)形成的、与非互易元件625一起以单片形式集成到单个硅半导体管芯(或其他半导体材料管芯)中的脊形波导。在以光学隔离器100的形式时，光学隔离器600可以与各种其他光子和电子器件集成在单个半导体管芯内。
图8根据本发明的实施方案示出非互易光学偏振移相元件800(之后称为偏振移相器800)的透视图。偏振移相器800是非互易元件600的一个可能的实施方案。示出的偏振移相器800的实施方案包括衬底层802、铁磁半导体层804、第一掺杂半导体层806、异质结构808、第二掺杂层810、触点812，以及磁化的触点814和816。
偏振移相器800的结构与偏振旋转器400的结构类似，并且可以用类似的材料以类似的方式来制造，除了下面的例外以外。磁化的触点814和816不是统一地沿z轴的磁化，而是通过偏振移相器800沿与传播方向相垂直的y轴方向磁化。在示出的实施方案中，磁化的触点814沿+y轴磁化，而磁化的触点816沿-y轴相反地磁化。当电压施加到触点812和磁化的触点814及816之间时，载荷子(charge carrier)穿过类脊形波导的结构被注入到光路中。被注入到靠近磁化的触点814这侧的载荷子具有匹配(align with)磁性触点814产生的磁场M+Y的自旋极化。类似地，被注入到靠近磁化的触点816这侧的载荷子具有匹配磁性触点816产生的磁场M-Y的自旋极化。
在一个实施方案中，自旋极化的载荷子是自旋极化的空穴。随着具有相反的自旋极化的自由载流子在通过偏振移相器800的光路的左侧和右侧布居(populate)，法拉第效应(Faraday effect)会造成非互易光学相移。非互易光学相移是一种具有一致正负号(sign)的感应(induced)相移，它与经过器件或材料的传播方向无关。换言之，不管光波沿+z轴还是-z轴通过偏振移相器800传播，相移将都是正的或都是负的。相反，互易相移是一种改变正负号、取决于通过器件或材料的传播方向的感应相移。
包括异质结构808，这将被注入的载荷子约束和集中在通过偏振移相器800的光路中。这种约束增加了材料的光学极化率(optical susceptibility)，并且增加了器件的效率。在一个实施方案中，偏振移相器800沿z轴长约100μm，以引起90度的非互易相移。
磁化的触点814和816可以在构造期间用多步骤的工艺进行磁化。首先，触点814可以在铁磁半导体层804上形成，并且通过应用沿+y轴的外部磁场进行磁化。接着，可以在磁化的触点814之上设置反铁磁(anti-ferromagnetic)层。磁化的铁磁层和反铁磁层之间的密切接触产生一个高能势垒(barrier)来阻止铁磁层的磁性改变。磁化的铁磁层和反铁磁层之间的接触被称作“锁定”(pinning)。随后，触点816可以在铁磁半导体层804上形成，并且通过应用沿-y轴的外部磁场进行磁化。设置在磁化的触点814上的反铁磁层抵消(counteract)了在触点816的磁化期间施加的外部磁场，由此保护了在磁化的触点814中起作用的相反磁性。
偏振移相器800的实施方案被配置成以非互易方式对Ex偏振的波进行移相。然而，通过将偏振移相器800的结构关于z轴旋转90度，偏振移相器800可以被修改为对Ey偏振的波进行移相。
图9是根据本发明的实施方案，示出用可集成光学隔离器实现的示范性光通信系统900的功能框图。光通信系统900包括发射侧电子设备905、光发射器910、光学隔离器915、波导920、光接收器925和接收侧电子设备930。光学隔离器915可以用如上面所描述的光学隔离器100或光学隔离器600的实施方案来实现。
电子设备905可以包括各种处理组件(component)，包括处理器、存储器、各种逻辑单元等。在工作期间，电子设备905可以产生电信号，电信号通过光发射器910(例如激光器)被转换为光信号。光发射器910被耦合到光学隔离器915，使得光信号通过光学隔离器915发送，以防止后向反射扰乱光发射器910。接着光信号通过波导920传播到光接收器925。光接收器925将光信号转换回电信号，然后所述电信号被提供给电子设备930。
通信系统900的组件可以都被包括在单个设备940中。例如，设备940可以是将通信系统900集成到单个半导体管芯中的集成电路。可替换地，设备940可以是将通信系统900的组件安装在其上的电路板。在一个实施方案中，设备950是将电子设备905、光发射器910和光学隔离器915中一些或全部以单片的方式集成在其中的单个半导体管芯。通过把光学隔离器915与电子设备905和/或光发射器910集成，设备950的总体尺寸可以明显比先前的系统小，并且/或者更便宜(尽管如果需要，一些实施方案可以比一些现有的系统大)。在一个实施方案中，波导920是将光学隔离器915链接到光接收器925的光纤。
上面所公开的设备可以在机器可读介质中实施，其中包含硬件描述语言(“HDL”)来描述光学隔离器100和600的各种子组件与其他电路元件的集成。例如，光学隔离器100和600可以被包括在用例如Verilog、VHDL(VHSIC(甚高速集成电路)硬件描述语言)的HDL语言或其他HDL语言描述的专用集成电路(“ASIC”)等中。对电路的描述可以在各种抽象级别上，包括行为级、寄存器转换级、网络表(net list)级，和/或布图级。
上面对于示出的本发明的实施方案的描述，包括在摘要中进行的描述，并非意图要穷举或将所要求保护的发明限制为公开的具体形式。这里描述的本发明的具体实施方案和实施例是用于示例说明的意图，相关领域的技术人员将认识到，在本发明的范围内可能有各种等同的修改。
根据上面详细的描述可以对本发明进行这些修改。在所附权利要求书中使用的术语不是要将本发明限制到在说明书和权利要求书中所公开的具体实施方案。相反，本发明的范围完全由所附权利要求书来确定，所附权利要求书是根据已制定的权利要求解释的法条来构建的。

Claims (18)

1.一种光学隔离器，包括：
包括第一和第二端口的第一偏振器，所述第一偏振器被耦合来在所述第一端口接收前向传播波，并且在所述第二端口输出具有第一偏振面的偏振的前向传播波；
非互易旋转器，所述非互易旋转器被耦合来从所述第一偏振器的所述第二端口接收所述偏振的前向传播波，并且将所述偏振的前向传播波从所述第一偏振面旋转角度到第二偏振面，所述非互易旋转器包括：
衬底层；
设置在所述衬底层上的MnSiGe层；
设置在所述MnSiGe上的第一掺杂层；
设置在所述第一掺杂层上的异质结构；以及
设置在所述异质结构上的第二掺杂层；以及
与所述非互易旋转器耦合的互易旋转器，所述互易旋转器接收所述偏振的前向传播波并且将所述偏振的前向传播波从所述第二偏振面旋转回所述第一偏振面，
其中，所述第一偏振器、所述非互易旋转器和所述互易旋转器以单片方式被集成在单个管芯上。
2.如权利要求1的光学隔离器，还包括：
包括第三和第四端口的第二偏振器，所述第三端口被耦合到所述互易旋转器，以接收所述偏振的前向传播波并且将具有所述第一偏振面的所述偏振的前向传播波传递到所述第四端口。
3.如权利要求2的光学隔离器，
其中所述第二偏振器还被耦合来在所述第四端口接收反向传播波，并且从所述第三端口输出具有所述第一偏振面的偏振的反向传播波，
其中所述互易旋转器还被耦合到所述第二偏振器的所述第三端口，以接收所述偏振的反向传播波并且将所述偏振的反向传播波旋转与所述角度大小相等的角度；
其中所述非互易旋转器还被耦合到所述互易旋转器，以接收所述偏振的反向传播波并且将所述偏振的反向传播波旋转到与所述第一偏振面正交的第三偏振面，并且
其中所述第一偏振器还被耦合到所述非互易旋转器，以防止具有所述第三偏振面的所述偏振的反向传播波传到所述第一端口。
4.如权利要求1的光学隔离器，其中所述非互易旋转器通过将自旋极化载流子注入到所述偏振的前向和反向传播波的光路中来旋转所述偏振的前向和反向传播波。
5.如权利要求4的光学隔离器，其中所述光路通过所述第一和第二掺杂层中的至少一个。
6.如权利要求1的光学隔离器，其中所述互易旋转器包括双折射脊形波导。
7.如权利要求2的光学隔离器，其中所述第一和第二偏振器分别包括第一和第二消逝波耦合器。
8.如权利要求7的光学隔离器，还包括串行耦合在所述第一消逝波耦合器的所述第二端口和所述非互易旋转器之间的第三消逝波耦合器，以提供更大的偏振隔离。
9.一种方法，包括：
将在半导体管芯中的输入端口接收到的前向传播波偏振成为具有第一偏振面的偏振的前向传播波；
通过产生自旋极化的电子，通过设置在所述半导体管芯中的非互易旋转器将所述偏振的前向传播波旋转角度到第二偏振面，其中，通过从所述非互易旋转器的铁磁触点将载流子注入所述非互易旋转器的MnSiGe半导体材料，产生所述自旋极化的电子；
通过设置在所述半导体管芯中的互易旋转器将所述偏振的前向传播波从所述第二偏振面旋转回所述第一偏振面；以及
将具有所述第一偏振面的所述偏振的前向传播波耦合到在所述半导体管芯中的输出端口。
10.如权利要求9的方法，还包括：
在所述输出端口接收后向传播波；
将所述后向传播波偏振成为具有第一偏振面的偏振的后向传播波；
通过所述互易旋转器将所述偏振的后向传播波旋转与所述角度大小相等的幅度；
通过所述非互易旋转器将所述偏振的后向传播波从所述第二偏振面旋转到第三偏振面；以及
将具有所述第三偏振面的所述后向传播波与所述输入端口隔离。
11.如权利要求10的方法，其中所述第一和第三偏振面是正交的偏振面。
12.如权利要求10的方法，其中所述通过所述非互易旋转器将所述偏振的前向传播波旋转以及将所述偏振的后向传播波旋转的步骤包括将自旋极化载流子注入到所述偏振的前向和后向传播波的光路中。
13.如权利要求10的方法，其中通过所述互易旋转器将所述偏振的前向传播波旋转以及将所述偏振的后向传播波旋转的步骤包括引导所述偏振的前向和后向传播波通过设置在所述半导体管芯中的双折射波导。
14.如权利要求10的方法，其中所述后向传播波包括所述前向传播波的后向反射。
15.如权利要求9的方法，其中将所述前向传播波偏振成为具有第一偏振面的偏振的前向传播波的步骤包括：
以消逝波的方式将具有所述第一偏振面的所述前向传播波的第一部分在相邻波导之间耦合奇数次；以及
以消逝波的方式将具有第三偏振面的所述前向传播波的第二部分在相邻波导之间耦合偶数次，以将所述第一部分和所述第二部分分开。
16.一种系统，包括：
光源，所述光源被耦合来响应于电子处理设备产生光信号；
光纤；以及
耦合在所述光源和所述光纤之间的光学隔离器，所述光学隔离器包括：
包括第一和第二端口的第一消逝波耦合器，所述第一消逝波耦合器在所述第一端口接收前向传播波，并且在所述第二端口输出具有第一偏振面的偏振的前向传播波；
非互易旋转器，所述非互易旋转器被耦合来从所述第一消逝波耦合器的所述第二端口接收所述偏振的前向传播波，并且将所述偏振的前向传播波从所述第一偏振面旋转到第二偏振面，所述非互易旋转器包括：
衬底层；
设置在所述衬底层上的MnSiGe层；
设置在所述MnSiGe上的第一掺杂层；
设置在所述第一掺杂层上的异质结构；以及
设置在所述异质结构上的第二掺杂层；
与所述非互易旋转器耦合的互易旋转器，所述互易旋转器接收所述偏振的前向传播波并且将所述偏振的前向传播波从所述第二偏振面旋转回所述第一偏振面；以及
包括第三和第四端口的第二消逝波耦合器，所述第三端口被耦合到所述互易旋转器，以接收所述偏振的前向传播波并且将具有所述第一偏振面的所述偏振的前向传播波传递到所述第四端口，
其中，所述第一和第二消逝波耦合器，所述非互易旋转器，以及所述互易旋转器被集成在单个半导体管芯中。
17.如权利要求16的系统，
其中所述第二消逝波耦合器还被耦合来在所述第四端口接收反向传播波，并且从所述第三端口输出具有所述第一偏振面的偏振的反向传播波，
其中所述互易旋转器还被耦合到所述第二消逝波耦合器的所述第三端口，以接收所述偏振的反向传播波并且将所述偏振的反向传播波旋转回所述第二偏振面；
其中所述非互易旋转器还被耦合到所述互易旋转器，以接收所述偏振的反向传播波并且将所述偏振的反向传播波从所述第二偏振面旋转到与所述第一偏振面正交的第三偏振面，并且
其中所述第一消逝波耦合器还被耦合到所述非互易旋转器，以防止具有所述第三偏振面的所述偏振的反向传播波传到所述第一端口。
18.如权利要求17的系统，其中光路通过所述MnSiGe、第一和第二掺杂层。
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