金属‑类光子晶体混合波导耦合器的制作方法

本发明涉及光学和微波技术领域，具体涉及一种金属-类光子晶体混合波导耦合器。

背景技术：

光波导定向耦合器是光波导体系中的基础器件，具有光功率分配的功能，广泛运用在光分路器、光开关、波长选择滤波器、光调制器等中。近几年来，随着耦合器加工工艺水平的提高，定向耦合器逐渐成为集成光波导系统和通信系统中不可缺少的元件，定向耦合器对波长较为敏感,器件的带宽一般仅为10nm左右。相邻波导的最小间距限制了集成光学芯片的信道数。为获得较小尺寸的器件,通常采用强限制的波导结构,然而较小的模场直径降低了与光纤的耦合效率。目前波导耦合器主要有基于全介质光波导耦合器、基于光子晶体波导耦合器和基于表面等离子体激元(surface plasmon polaritons，SPPs)的金属波导耦合器，但由于全介质光波导和光子晶体波导相邻波导的横向间距较大，并且不具备亚波长模场束缚能力和趋肤效应，使得光子晶体波导耦合器具有较大的横向尺寸和不具备亚波长模场束缚能力。而金属-介质-金属波导(简称MDM波导或金属波导)则具有较大的传输损耗，不能实现较大的拐角，因此，其相应的波导耦合器无法实现在较大的拐角实现较低的传输损耗。目前应用普遍的这三种耦合器均不适用于大规模高密度集成，而近年提出的一种混合波导——金属-类光子晶体混合波导，结合了光子晶体和金属波导的优势，具有极低传输损耗特性、亚波长模场束缚能力、毫米级别传输的特点，打破了现今普遍存在的芯片级长程传输距离和亚波长模场束缚能力的相互制约，其结构如图1。但目前有关该混合波导的研究还不多，主要停留在对直型、弯曲型两类简单波导的结构传输特性、波导滤波器及其单波长开关的研究上,国内外尚无基于金属-类光子晶体混合波导耦合器的报道，因此开展金属-类光子晶体混合波导耦合器的研究具有重要的理论价值和实用价值。结合混合波导的特性，混合波导耦合器将兼具光子晶体波导耦合器和金属波导耦合器的优点，具有较高的集成度，亚波长模场束缚能力，大拐角低损耗的特点，实现光的有效耦合。

混合波导的结构如图1所示，将两列Z向上周期性分布的空气孔内嵌到MDM波导的硅芯层，或是用两列金属Ag壁代替光子晶体波导中横向延伸的三角或矩形晶格，仅仅保留线缺陷两旁的单列空气孔。这种设计可以使周期性空气孔和金属壁“协同”导光。其中具体参数有：d₁＝1.04um，d₂＝100nm，d₃＝745nm，Period＝430nm，R＝130nm，ε_a＝1和ε_s＝12.25。金属材料为Ag，基质为Si。

对于该波导，当入射光为TE模式，基于全内反射条件形成的导模将激发基模传输，模场被紧紧地束缚在两列周期性空气孔之间，同时金属-介质-金属(简称MDM)结构可以提供较强的模场束缚能力。这些属性使得波导具有亚波长模场束缚能力和毫米级长程传输能力。金属还具有趋肤效应，能够有效地阻挡相邻集成波导之间的耦合，从而减小波导芯-芯间距，增大片上集成度，但如何实现两列波导之间的有效耦合也成为金属-类光子晶体混合波导耦合器设计的难点。

技术实现要素：

因此，本发明提供一种新金属-类光子晶体混合波导耦合器，为实现高密度长距离低损耗的大规模光子集成回路中的高效分光和耦合功能，提供全新的技术解决方案。

本发明采用如下技术方案解决上述问题：

一种金属-类光子晶体混合波导耦合器，包括基质和设在基质两侧的第一金属片，在基质上表面和下表面分别设置有第一波导和第二波导，以及分别设置在第一波导两侧的第二输出端和第三输出端，分别设置在第二波导两侧的第一输入端和第四输出端；

第一波导和第二波导去掉了中间的金属材料和空气孔，且第一波导和第二波导相互向中间靠近，靠近后的重合区域形成耦合宽度为1282-1300nm的耦合区；第一波导、第二波导相邻的空气孔半径从两侧端部到中心逐渐缩小；

第一金属片的厚度不变，第一波导、第二波导与第一金属片内壁表面接触的空气孔半径不变。

进一步地，所述第一波导和第二波导相邻。

进一步地，所述第一波导和所述第二波导的相邻区域设有第二金属片；第二金属片的厚度从左右两侧向中部逐渐缩小，第一波导、第二波导相邻的空气孔与第二金属片侧壁表面接触，空气孔中心与第二金属片侧壁表面距离保持不变。

进一步地，所述第二金属片缩小的持续长度为4.3um，端部的空气孔半径为0.13um，逐渐缩小到最小半径为0.05um，第二金属片厚度由100nm减小为15nm，长度为2.58um。

进一步地，第一波导和第二波导在左侧的相邻区域设有向右侧厚度逐渐减小的第二金属片，所述第二金属片向下有一定的倾角；在右侧的相邻区域设有向左侧厚度逐渐减小的第三金属片，以指定厚度向中部延伸，所述第三金属片向下有一定的倾角；

第一波导中与第二金属片接触的空气孔从左向右逐渐缩小；第二波导中与第二金属片接触的空气孔从左向右逐渐缩小；

第一波导中与第三金属片接触的空气孔从右向左逐渐缩小；第二波导中与第三金属片接触的空气孔从右向左逐渐缩小。

进一步地，在第一波导与第二波导右侧逐渐分离的过程中，第一波导与第一金属片接触的空气孔之间引入新的空气孔，第二波导与第三金属片接触的空气孔之间引入新的空气孔。

进一步地，在左侧，所述第一波导和所述第二波导相互靠近的长度为3.01um，第二金属片的厚度逐渐减小为20nm；第一波导中与第二金属片接触的空气孔从左向右逐渐缩小，且缩小至的最小半径为0.05um；第二波导中与第二金属片接触的空气孔从左向右逐渐缩小，且缩小至的最小半径为0.08um；

在右侧，第一波导和第二波导相互靠近的长度为3.01um，第三金属片的厚度逐渐减小为20nm后以厚度15nm向中部延伸；第一波导中与第三金属片接触的空气孔从右向左逐渐缩小，且缩小至的最小半径为0.05um；第二波导中与第三金属片接触的空气孔从右向左逐渐缩小，且缩小至的最小半径为0.08um。

进一步地，所述引入新的空气孔的最小半径为30nm。

本发明的有益技术效果是：本发明对于混合波导和波导耦合器在实际应用中具有较大的推进作用，在实现高密度长距离低损耗的大规模光子集成回路中的高效分光和耦合功能方面，提供全新的技术解决方案，实现了大规模高密度集成。在国内外首次开展对金属-类光子晶体混合波导耦合器的研究，发明出两种不同结构的金属-类光子晶体混合波导耦合器，是本项目最主要的创新点和特色。相对于传统的光子晶体波导耦合器，金属-类光子晶体混合波导耦合器其相邻波导的间距小，具有超高集成度的特点，并且具有较强的亚波长模场束缚能力和趋肤效应。相对于金属波导耦合器，金属-类光子晶体混合波导耦合器可以实现大的拐角，并且在大的拐角处实现了低损耗甚至是零损耗，使其具有更高的集成度和低的传输损耗。并且，相对于传统耦合器，金属-类光子晶体混合波导耦合器还具有很高的定向性及耦合效率。本发明两种类型的耦合器均遵循传统耦合器的一般耦合规律，具有较低耦合损耗、高集成度的特点，并能与混合波导及其器件很好匹配，构成复杂的平面集成光功能系统，符合未来光电集成芯片的发展趋势。

附图说明

图1现有技术中的金属-类光子晶体混合波导结构图；

图2现有技术中的金属-类光子晶体混合波导耦合损耗与耦合宽度D的变化关系图；

图3实施例一中的混合波导耦合器结构示意图；

图4实施例一中的混合波导耦合器的光功率比与耦合长度的关系曲线图；

图5实施例二中的混合波导耦合器结构示意；

图6实施例二中的混合波导耦合器的光功率比与耦合长度的关系曲线图。

具体实施方式

金属-类光子晶体混合波导的基本结构如图1所示，将两列Z向上周期性分布的空气孔内嵌到MDM的硅基质层，或是用两列金属Ag壁代替光子晶体波导中横向延伸的三角或矩形晶格，仅仅保留线缺陷两旁的单列空气孔。首先选取适当的耦合宽度，即图3或图5中的宽度D，具体方法是：在单列波导的一段的一侧中心输入单模TE偏振光，波长为1.55um，在波导的另一端放置功率探测器，不断的改变D的大小，在输出端得到不同的光功率值，以此得到耦合损耗(Value)与耦合宽度D(Width)的变化关系图，见图2。在这个基础上，选取了耦合宽度D的宽度为1282-1300nm进行混合波导耦合器的下一步设计(宽度为1282-1300nm时，耦合损耗小，模场分布正常)。

实施例一：

如图3所示，本实施例中的混合波导耦合器包括基质和设在基质两侧的第一金属片11，在基质上表面和下表面分别设置有第一波导12和第二波导13，以及分别设置在第一波导12两侧的第二输出端Out.2和第三输出端Out.3，分别设置在第二波导13两侧的第一输入端In.1和第四输出端Out.4。

第一波导12和第二波导13去掉了中间的金属材料和空气孔，且彼此中心相互靠近，靠近后的重合区域形成耦合宽度D为1282-1300nm的耦合区14。第一波导12和第二波导13的相邻区域设有第二金属片15。第二金属片15的厚度从左右两侧向中部逐渐缩小，第一波导12、第二波导13与第二金属片15侧壁表面接触的空气孔半径从端部向中部逐渐缩小，空气孔中心与第二金属片15侧壁表面距离保持不变。为了减少转角引起的固定损耗，第二金属片缩小的持续长度为10Period(4.3um)，端部的空气孔半径为0.13um，逐渐线性缩小到最小半径为0.05um，第二金属片15厚度由100nm减小为15nm，长度为6Period(2.58um)。

第一金属片11的厚度不变，第一波导12、第二波导13与第一金属片11内壁表面接触的空气孔半径不变。

在第一输入端In.1中输入波长为1.55um的TE偏振光，在Out.3、Out.4可以得到随耦合区14长度L变化的功率输出，如图4所示。从图4中可以看出，本实施例中的混合波导耦合器符合一般光子晶体波导的耦合规律，可以实现光在两个波导中的周期性转换，其耦合周期(能量耦合到邻近波导再耦合回来的长度)为20Period(8.6um)，耦合损耗约为0.155dB。而且从图4中还可以看出，本实施例中的混合波导耦合器对1.55um入射波长的光基本无能量损耗。实验证明，本实施例中的混合波导耦合器具有超高集成度、低耦合损耗、高输入输出角度的特点。本实施例中的混合波导耦合器形状接近字母“X”，简称X型混合波导耦合器。

实施例二：

如图5所示，本实施例中的混合波导耦合器包括基质和设在基质两侧的第一金属片21，在基质上表面和下表面分别设置有第一波导22和第二波导23，以及分别设置在第一波导22两侧的第二输出端Out.2和第三输出端Out.3，分别设置在第二波导23两侧的第一输入端In.1和第四输出端Out.4。

第一波导22和第二波导23去掉了中间的金属材料和空气孔，且第一波导22向第二波导23靠近，靠近后的重合区域形成耦合宽度D为1282-1300nm的耦合区24。第一波导22和第二波导23在左侧的相邻区域设有向右侧厚度逐渐减小的第二金属片25，在右侧的相邻区域设有向左侧厚度逐渐减小的第三金属片26。

在左侧，第一波导22和第二波导23相互靠近的长度为7个Period(3.01um)，第二金属片25的厚度逐渐减小为20nm，并向下有一定的倾角。第一波导22中与第二金属片25接触的空气孔从左向右逐渐缩小，且缩小至的最小半径为0.05um；第二波导23中与第二金属片25接触的空气孔从左向右逐渐缩小，且缩小至的最小半径为0.08um。

在右侧，第一波导22和第二波导23相互靠近的长度为7个Period(3.01um)，第三金属片26的厚度逐渐减小为20nm后以厚度15nm向中部延伸，并有向下一定的倾角；第三金属片26延伸的长度能使在耦合区24传播的光场得到分离。第一波导22中与第三金属片26接触的空气孔从右向左逐渐缩小，且缩小至的最小半径为0.05um；第二波导23中与第三金属片26接触的空气孔从右向左逐渐缩小，且缩小至的最小半径为0.08um。在第一波导22与第二波导23右侧逐渐分离的过程中，第一波导22与第一金属片21接触的空气孔之间引入新的空气孔，第二波导23与第三金属片26接触的空气孔之间引入新的空气孔，可以减少光波长在转角处的谐振现象；空气孔的最小半径为30nm。

第一金属片21的厚度不变，第一波导22、第二波导23与第一金属片21内壁表面接触的空气孔半径不变。

在第一输入端In1中输入波长为1.55um的TE偏振光，在第三输出端Out3、第四输出端Out4可以得到随耦合区24长度L变化的功率输出，如图6所示。其耦合周期约为19Period，一个耦合周期的损耗为0.22dB。并且该混合波导耦合器对1.55um入射波长的光基本无能量损耗。实验证明，本实施例中的耦合器具有超高集成度、低耦合损耗、高输入输出角度的特点。本实施例中的混合波导耦合器形状接近字母“K”，简称K型混合波导耦合器。

上述两个实施例基质材料硅，金属片材料为Ag。上述两个实施例的技术方案还有其他变形，如改变基质和金属片的材料，或者去掉第二波导和第三波导靠近区域的第二金属片或者第三金属片；或者第一波导与第二波导靠近但非相邻的两波导。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。