一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器的制作方法

本发明涉及一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器，属于集成光学技术领域。

背景技术：

近几年，绝缘硅片(SOI)材料系由于兼容成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺、能有效降低器件的尺寸等优点而广受关注。但是SOI材料中包层和芯层折射率差较大而带来的双折射现象大大制约了这种材料系在集成光子学中更广泛、更深入的应用，为了缓解双折射带来的负面影响，多种偏振处理器件被设计并制造出来。其中，检偏器因为能消除光路中不需要的偏振光而被广泛地应用到光子回路中；通常，模式检偏器分为TE和TM检偏器。其中，TE检偏器能通过TE偏振光而阻断TM偏振光。目前，基于混合等离子波导结构的模式检偏器逐渐成为研究的热点，因为基于该结构的器件与SOI材料系兼容且展现出较为优秀的性能，但是由于金属材料的引入，混合等离子波导的欧姆损耗相比介质波导的传输损耗要大很多，所以基于单一混合等离子波导结构的模式检偏器插入损耗普遍较高。因此，设计出一种具有紧凑结构、高消光比、工作带宽大且插入损耗较低的检偏器就很有必要。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器，该检偏器采用右路硅基水平槽式波导和左路混合等离子波导构成的非对称定向耦合器结构，将不同的偏振光分离开，其中TM光耦合到左路并完全耗散；这种方案有效降低了检偏器的插入损耗，提高了器件消光比，缩短了器件的尺寸。

技术方案：本发明提供了一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器，该检偏器由下至上依次为硅基衬底、掩埋氧化层、检偏部件和上包层，其中掩埋氧化层生长于硅基衬底的上表面，上包层覆盖掩埋氧化层的上表面，检偏部件水平生长于掩埋氧化层的上表面，并被上包层覆盖；

所述检偏部件包括输入通道、右路直通通道、输出通道、左路直通通道、左路弯曲通道和左路水平通道；

右路直通通道的一端和输入通道相连、另一端和输出通道相连接；

左路弯曲通道的一端和左路直通通道相连、另一端和左路水平通道相连接；其中，输出通道、左路弯曲通道位于同一端；

输入通道、右路直通通道和输出通道均为硅基水平槽式波导，左路直通通道、左路弯曲通道和左路水平通道均为混合等离子波导；

左路直通通道和右路直通通道平行且对齐摆放，两通道之间的距离为0.2～0.5μm，构成非对称定向耦合器结构。

其中：

所述的硅基水平槽式波导的结构为三明治结构，其中中间部分为低折射率材料层，上层和底层均为硅波导层；所述的混合等离子波导的结构为三明治结构，其中底层是硅波导层，中间部分为低折射率材料层，上层是金属覆盖层。

所述的低折射率材料层的材料为二氧化硅或氮化硅，所述的金属覆盖层的金属材料为介电常数虚部值大于40的高损耗金属；

所述的介电常数虚部值大于40的高损耗金属是指铬、铝、锌。

所述的硅基水平槽式波导与混合等离子波导两者的尺寸满足以下条件：

1)硅基水平槽式波导与混合等离子波导的TE模有效折射率实部相差大于0.2，相位失配；

2)硅基水平槽式波导与混合等离子波导的TM模有效折射率实部相等，相位匹配。

所述的左路弯曲通道的弯曲角度为30°～90°，弯曲半径为0.4～5μm，最优选弯曲角度为90°。

所述的非对称定向耦合器结构的耦合长度L_C满足下式：

式中：λ为自由空间波长，表示硅基水平槽式波导和混合等离子波导构成的整体结构所支持的第0阶TM模的有效折射率，表示硅基水平槽式波导和混合等离子波导构成的整体结构所支持的第1阶TM模的有效折射率，Re表示取实部值，m为一正奇数。

所述的硅基衬底为标准尺寸的硅晶元，所述的掩埋氧化层是在硅基衬底上热生长的厚的二氧化硅材料，所述的上包层的材料为二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或者空气。

所述掩埋氧化层的厚度为2～3μm。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、插入损耗低：TE偏振光因为相位失配而被限制在右路水平槽式波导中传输，并没有受到混合等离子波导欧姆损耗的影响，所以插入损耗较低，而且如调整结构参数，降低耦合距离，缩小器件尺寸，插入损耗能进一步地降低。

2、工作带宽大：本发明中的模式检偏器需要满足的重要条件是水平槽波导的TE模式不符合定向耦合器的相位匹配条件而TM模却符合。而由于水平槽波导和混合等离子波导结构以及TM的模场分布均具有一定的相似性，通过合理设计结构参数，可以使得上述条件在较大带宽范围内成立，即该模式检偏器能在较大带宽范围内正常工作。

3、消光比高：TE模式通过水平槽式波导几乎无损地传输，而TM模式能完全耦合到左路混合等离子波导中，然后经过弯曲波导和水平波导。选用损耗高的金属覆盖层材料，即金属的介电常数虚部值大于40，如铝、铬、锌，利用欧姆损耗，TM模式能量能在更短距离内完全耗散。所以，基于水平槽波导定向耦合器结构的TE模检偏器可以实现很高的消光比。

附图说明

图1为本发明实施例1中检偏部件结构示意图；

图2为本发明实施例1中非对称的定向耦合器结构的横截面结构示意图；

图3为本发明实施例1中混合等离子波导在低折射率材料层厚度不同的情况下TM₀模的传输损耗(dB/μm)与波导宽度(μm)的变化关系图；

图4为本发明实施例1中混合等离子波导(HPWG)和硅基水平槽式波导(SWG)在1.55μm处0阶模的有效折射率实部与波导宽度的变化关系图；

图5为本发明实施例1中混合等离子波导(HPWG)和硅基水平槽式波导(SWG)中0阶模的有效折射率实部与工作波长的变化关系图；

图6为本发明实施例1中非对称的定向耦合器结构在1.55μm处前两阶TM超级模的有效折射率实部和对应的耦合长度与波导间距之间的关系；

图7为本发明实施例1中1.55μm工作波长处TE₀模和TM₀模的主分量在偏振旋转器中的传输图；

图8为本发明实施例2改进的检偏部件的结构示意图；

图中：输入通道1、右路直通通道2、输出通道3、非对称定向耦合器结构4、左路直通通道5、左路弯曲通道6、左路水平通道7、硅基衬底8、掩埋氧化层9、上包层10、硅波导层11、低折射率材料层12、金属覆盖层13、检偏部件14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

实施例1

如图1和图2所示，该检偏器由下至上依次为硅基衬底8、掩埋氧化层9、检偏部件14和上包层10，其中掩埋氧化层9生长于硅基衬底8的上表面，上包层10覆盖掩埋氧化层9的上表面，检偏部件14水平生长于掩埋氧化层9的上表面，并被上包层10覆盖；

所述检偏部件14包括输入通道1、右路直通通道2、输出通道3、左路直通通道5、左路弯曲通道6和左路水平通道7；

右路直通通道2的一端和输入通道1相连、另一端和输出通道3相连接；

左路弯曲通道6的一端和左路直通通道5相连、另一端和左路水平通道7相连接；其中，输出通道3、左路弯曲通道6位于同一端；

输入通道1、右路直通通道2和输出通道3均为硅基水平槽式波导，左路直通通道5、左路弯曲通道6和左路水平通道7均为混合等离子波导；

左路直通通道5和右路直通通道2平行且对齐摆放，两通道之间的距离0.2～0.5μm，构成非对称定向耦合器结构4；

所述的左路弯曲通道6的弯曲角度为90°，弯曲半径为1.5μm。

图2是检偏器中非对称的定向耦合器结构的横截面结构示意图。耦合区域的左边是混合等离子波导，右侧是硅基水平槽式波导。硅基水平槽式波导的结构为三明治结构，其中中间部分为低折射率材料层12，上层和底层均为硅波导层11；混合等离子波导的结构也为三明治结构，其中底层是硅波导层11，中间部分为低折射率材料层12，一般采用二氧化硅，上层是金属覆盖层13。

合理设计混合等离子波导与硅基水平槽式波导的尺寸使之满足以下两个条件：(1)两种波导的TE模有效折射率实部相差大于0.2，相位失配；(2)两种波导的TM模式的有效折射率实部相等，满足相位匹配条件。这样，当输入端口输入TE模时，能量会被限制在右侧的硅基槽式波导中；而当TM模式进入输入端口时，由于满足了相位匹配条件，如果耦合长度L_C满足：

那么，TM模式的能量会完全耦合到左侧混合等离子波导中。(1)式中λ为自由空间波长，表示硅基水平槽式波导和混合等离子波导构成的整体结构所支持的第0阶TM模的有效折射率，表示硅基水平槽式波导和混合等离子波导构成的整体结构所支持的第1阶TM模的有效折射率，Re表示取实部值，m为一正奇数。显然，当m＝1时，L_C距离最短。利用TM模在左路混合等离子波导中传输损耗较大的特性可以将耦合至左路的能量完全耗散掉。显然，此处选用高损耗的金属如铬、铝、锌作为金属覆盖层的材料能使单位长度传输损耗更大，可以有效降低器件长度，使结构更紧凑。而左路90°弯曲混合等离子波导不仅因为弯曲损耗而加快TM的耗散，而且还能有效阻止能量耦合回右路波导中。

图3给出了在1.55μm工作波长、不同低折射率材料层12厚度下混合等离子波导中TM₀模的传输损耗(dB/μm)与波导宽度(μm)的变化关系图。其中硅波导层11高度为0.22μm，低折射率材料层12的材料为二氧化硅，金属覆盖层13为铬，厚度为0.22μm。从图中可以看出，在相同波导宽度条件下，二氧化硅层越薄，TM模式传输损耗越大，越有利于降低器件的长度。而同一二氧化硅层厚度情况下，宽度越小，TM模式的单位长度损耗越大。

图4给出了混合等离子波导和水平槽波导中基模的有效折射率实部与工作波长的变化关系图。这里硅波导层11高度均为0.22μm，低折射率材料层12(二氧化硅)的厚度为0.15μm，金属覆盖层13为铬，厚度为0.22μm，工作波长1.55μm。从图中可以看出，当混合等离子波导宽度为0.3μm，槽式波导宽度为0.32μm时，TM₀模能满足相位匹配条件而TE₀模相位失配。

图5给出了混合等离子波导和水平槽波导中0阶模的有效折射率实部与工作波长的变化关系图。可以看出，在较大的带宽范围内，TM₀模相位匹配而TE₀模相位失配的条件都能基本满足。因此，偏振旋转器能在较大的带宽内正常工作。

图6给出了非对称定向耦合器结构4在1.55μm工作波长处前两阶TM超级模的有效折射率实部和对应的耦合长度与波导间距之间的关系。其中，TM超级模是指硅基水平槽式波导和混合等离子波导构成的整体结构所支持的TM模式。从图中可知，当混合等离子波导和中路带状波导间距小于0.3μm时，耦合长度都小于10μm，可以实现紧凑的TE模检偏器。

图7分别给出了TE₀模E_x分量和TM₀模E_y分量在偏振旋转器中的传输变化图。可以看出，TE₀模式在传输过程中始终被限制在中间带状波导中，且几乎没有损耗。而TM₀模式会耦合到左侧混合等离子波导中，且能量随着传输距离的增加而逐渐减小，并最终完全耗散。

实施例2:

如图8改进的检偏部件14示意图所示(硅基衬底8、掩埋氧化层9和上包层10与实施例1完全相同)，该改进的检偏部件14包括输入通道1、右路直通通道2、输出通道3、左路直通通道5、左路弯曲通道6和左路水平通道7；

右路直通通道2的一端和输入通道1相连、另一端和输出通道3相连接；

左路弯曲通道6的一端和左路直通通道5相连、另一端和左路水平通道7相连接；其中，输出通道3、左路弯曲通道6位于同一端；

输入通道1、右路直通通道2和输出通道3均为硅基水平槽式波导，左路直通通道5、左路弯曲通道6和左路水平通道7均为混合等离子波导；

左路直通通道5和右路直通通道2平行且对齐摆放，两通道之间的距离0.2～0.5μm，构成非对称定向耦合器结构4；

所述的左路弯曲通道6弯曲角度为90°，弯曲半径为1.5μm；

所述的左路水平通道7为锥形，这样的设计能将左侧波导中剩余的TM模转换成锥形结构中的辐射模，更快速地将能量耗散掉，有利于缩短器件的尺寸。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。