一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器的制作方法

文档序号:14686251发布日期:2018-06-15 00:09

本发明涉及集成光学技术领域,具体涉及一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器。



背景技术:

硅基光子学是一门新兴的学科,它在实现片上超紧凑光子集成回路方面具有巨大的应用潜力,并在不断促进光互连、光计算、量子光子学及非线性光子学等领域的快速发展。其中在实现片上超紧凑光子集成回路方面,由于采用高折射率差的绝缘体上硅(Silicon-on-insulator,SOI)材料平台,使得片上偏振控制器成为一类必不可少的功能部件。目前,比较成熟的片上偏振控制器包括偏振分束器、旋转器和起偏器。如果不考虑偏振复用传输,起偏器将是一种成本更低、尺寸更小、结构更简单的片上偏振控制器,它的功能主要是在输出端获得一个拥有高消光比和低插入损耗的线偏振光。为此,研究人员已经提出了众多的器件方案,例如:采用taper型过渡波导、浅刻蚀脊型波导、亚波长光栅、混合等离子波导和石墨烯材料等。它们的工作原理可以分为两种:模式衰减和模式截止,前者需要很长的器件长度以此来衰减不需要的偏振态模式,而后者可以获得较小的器件尺寸,但是器件的插入损耗较大,主要源于结构的不连续性,特别是采用混合等离子波导结构(金属材料引入的欧姆损耗很大)。所以,在实现超紧凑、高性能的起偏器方面,仍然需要探索新的结构及工作原理。

对于硅基光子学的器件制造工艺,目前发展迅速,已经不再局限于单一的平面工艺,正在向三维立体制造工艺演进,这主要得益于微电子CMOS工艺的成熟。基于此,器件的设计也可以向着厚度方向的第三个维度展开,对应于构建垂直耦合结构,这将利于实现硅光子器件的高密度三维集成。此外,目前起偏器的设计或者制造几乎都是围绕普通的硅基条形波导(或者纳米线)展开,最近一种新颖的波导结构—硅基槽波导被提出,因其具有较强的场增强效应和场局域特性,同时偏振相关性也特别显著,已受到研究人员的广泛关注。大量的应用器件被相继设计或者制造出来,但是关于偏振控制方面的起偏器却鲜见报道。据此,针对硅基槽波导,设计一种尺寸小、偏振消光比高、插入损耗低的起偏器显得十分重要,用于提高基于槽波导构建的片上光子集成回路器件/系统的整体性能。



技术实现要素:

发明目的:为解决上述技术问题,提供一种尺寸小、偏振消光比高、插入损耗低的起偏器,本发明提出一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器。

技术方案:为实现上述技术效果,本发明提出的技术方案为:

一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器,包括由两根平行设置在衬底3上的硅基纳米线构成的槽波导1和上层条形波导2;所述槽波导1沿长度方向分为信号输入段、中间传输段和信号输出段,上层条形波导2设置在中间传输段的正上方,与槽波导1之间的高度间距为D;上层条形波导2的宽度大于槽波导1的宽度;上层条形波导2与中间传输段形成垂直耦合区;

包含横磁模和横电模的输入信号从所述槽波导1的信号输入段输入,在进入垂直耦合区后,输入的横磁模信号被耦合至上层条形波导2并在上层条形波导2的输出端因上层条形波导2与槽波导1的信号输出段之间的光场衍射而损耗;输入的横电模信号直接在槽波导1中传输并在信号输出段输出。

具体的,所述上层条形波导2为矩形波导,其长度为3μm~4μm,宽度为1μm~1.2μm,厚度为200nm;所述槽波导(1)宽度为500nm~550nm,厚度为250nm,中间微槽的宽度为70nm~100nm;上层条形波导2与槽波导1之间的高度间距D为250nm~280nm。

进一步的,所述上层条形波导2沿长度方向均分为两段,其中,靠近槽波导1信号输入段的一段为矩形波导,另一段为等腰梯形波导;等腰梯形波导的两个平行边中,较短的一边与矩形波导相连且该边长度与矩形波导宽度相等。

有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下优势:

1、结构简单、偏振消光比高、插入损耗低。本发明在槽波导的上层加入一段宽度较宽的条形波导,利用垂直耦合原理,将槽波导中传输的横磁模(TM模)高效的耦合至上层条形波导,而传输的横电模(TE模)却不发生耦合,使得在槽波导的输出端只能得到拥有高偏振消光比的TE模。同时因TE模不发生垂直耦合以及器件长度较短,使得器件的插入损耗较低。

2、尺寸小、耦合区长度短。在前述基础上,器件的耦合区长度仅为3~4μm(取决于上层条形波导与底部槽波导之间的间距),使得器件的整体尺寸也较小,利于实现片上的紧凑型设计和密集集成。

3、器件的可扩展性高。本发明中上层条形波导中耦合的模式是TM模,若能够采用其它有效的方式将其转为可输出的波导模式,而不至于在末端因光场衍射而损耗,可以进一步构成基于垂直耦合原理的偏振分束器等。另外在上层条形波导的基础上可以再次进行结构设计,合理构建多重的垂直耦合结构,以进一步提高器件的整体性能,从而满足不同应用的需求。

附图说明

图1为本发明第一个实施例的结构示意图;

图2为第一个实施例中耦合区的横截面图;

图3为第一个实施例中器件的插入损耗、消光比和反射损耗与工作波长的变化关系;

图4为本发明第二个实施例的结构示意图。

图中:1、槽波导,2、上层条形波导,3、衬底,4、包层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1:如图1至图2所示为本发明第一个实施例的结构图,它包括:它包括由两根平行设置在衬底3上的硅基纳米线构成的槽波导1和上层条形波导2;所述槽波导1沿长度方向分为信号输入段、中间传输段和信号输出段,上层条形波导2设置在中间传输段的正上方,与槽波导1之间的高度间距为D;上层条形波导2与中间传输段形成垂直耦合区;所述衬底外覆盖有包层4,槽波导1和上层条形波导2包裹在衬底1和包层4之间。

在本实施例中,各部分的尺寸为:

上层条形波导2为矩形波导,其长度为3μm~4μm,宽度为1μm~1.2μm,厚度为200nm;所述槽波导(1)宽度为500nm~550nm,厚度为250nm,中间微槽的宽度为70nm~100nm;上层条形波导2与槽波导1之间的高度间距D为250nm~280nm。

包含横磁模和横电模的输入信号从所述槽波导1的信号输入段输入,在进入垂直耦合区后,输入的横磁模信号被耦合至上层条形波导2并在输出端因光场衍射而损耗;输入的横电模信号直接在槽波导1中传输并在信号输出段输出,而不受上层条形波导2的影响,故对于混合输入信号(包含横磁模和横电模),通过该器件后,输出端只能得到横电模输出信号。

具体的,光信号在上述结构的硅基槽波导起偏器中的传输特征如下:基于槽波导1显著的偏振相关性,其TE模主要限制在中间的微槽中并伴有明显的场增强效应,而TM模的场分布则与普通硅基纳米线的TM模类似,分布于整个波导芯层区及芯包分界面处,具有相对较弱的场限制能力。包含有TE和TM模的入射光信号从槽波导1进入,接着进入垂直耦合区,在该区域中因TM模较弱的场限制能力及通过模式特性优化设计的上层条形波导2(槽波导的TM模与上层条形波导的TM模完美匹配),使得底部槽波导1中传输的TM模将被逐渐耦合至上层条形波导2,并在输出端因光场衍射而损耗;相比之下,TE模因极大的被限制在底部槽波导1的微槽中且模式特性与上层条形波导相差较大,故其只能沿着底部的槽波导1传输并最终输出,而不受耦合区上层条形波导2的影响。最终,在槽波导1的输出端可以得到高偏振消光比的TE模,实现了槽波导1起偏器的功能。与采用其它结构的起偏器相比,本实施例具有结构简单、尺寸小、性能优越等优点,此外利用垂直耦合结构还可进一步提高光子集成回路的集成密度,为硅基光子学向着三维高密度集成发展打下基础。图2为实施例中垂直耦合区的横截面图,上层条形波导2位于槽波导1的正上方,同时考虑到垂直耦合效率及器件的整体长度,两者之间的垂直间隔D设为250nm~280nm。条形波导的长度及厚度主要通过模式特性的分析予以确定,以保证TM模能产生高效的耦合,TE模则因模式特性差异较大而无法直接耦合。

图3为本实施例所述起偏器的插入损耗、消光比和反射损耗与工作波长的变化关系。在图示的计算波长范围内(1.50μm~1.60μm),插入损耗小于0.7dB,偏振消光比高于11.5dB,反射损耗也较低。其中,在中心波长1.55μm处,偏振消光比甚至高于16.5dB,同时TE模的反射损耗呈现出周期性的波动行为,这主要是由于耦合区两端近似的F-P腔谐振效应所致。

图4为本发明的第二个实例,主要改进了上层条形波导的几何结构,由单一的矩形变为“矩形+梯形”的混合结构。其工作方式可以分为两部分:首先是在前半部分的矩形结构中产生TM模的高效垂直耦合;接着在后半部的梯形结构中将前半部分耦合的TM模进行模式转换,转变为拥有更高模式有效折射率的TM模式,从而在输出端可以有效增加两垂直波导(上层条形波导2与槽波导1)之间的模式差异,进而减少模式的反向耦合,进一步提高器件的偏振消光比。

以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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