一种基于反向耦合原理的光栅辅助型起偏器的制作方法

本发明属于集成光学和硅基光子学技术领域，特别涉及一种基于反向耦合原理的光栅辅助型起偏器。

背景技术：

近年来，基于硅光子学的片上光互联技术(photonicintegratedcircuits，pics)受到了研究人员的广发关注。pics能够将不同功能的光子器件集成在同一衬底材料上，使得芯片的尺寸减小、功耗降低，从而实现片上超紧凑光子回路。硅基集成光子器件作为硅光子学的一个重要研究方向，其研究取得了长足的进步，各种新型的不同功能的硅基集成光子器件被不断报道出来。

起偏器是硅光子集成领域一个重要的光学器件，目前起偏器的设计主要采用以下几种方案：定向耦合器，亚波长光栅，等离子体波导等。然而这些结构的起偏器插入损耗较大，带宽较小，这将会降低整个光子集成系统的性能。因此，设计一种尺寸紧凑、插入损耗低、偏振消光比高且具有超宽带宽的起偏器用于提高光子集成系统的整体性能显得十分必要，本案由此产生。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种基于反向耦合原理的光栅辅助型起偏器，其结构简单，尺寸紧凑，工作带宽大且易于制备。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于反向耦合原理的光栅辅助起偏器，包括衬底、光栅条波导和两个结构相同的混合等离子体波导，其中，光栅条波导和两个结构相同的混合等离子体波导均设于衬底上；所述两个结构相同的混合等离子体波导对称位于光栅条波导的两侧，且由上而下均包含金属覆盖层、二氧化硅层和硅波导层；光栅条波导的厚度与硅波导层的厚度相同，且光栅条波导在面对混合等离子体波导的两个侧面分别形成光栅齿，两个侧面的光栅齿具有半个周期的位移差。

上述光栅齿为矩形齿。

上述光栅条波导两个侧面的光栅齿的大小、周期以及占空比相同。

采用上述方案后，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)结构简单、插入损耗低，偏振消光比高，带宽大。本发明结合光栅辅助反向耦合器和混合等离子体波导，将光栅条波导中传输的tm模高效的反耦合至两侧的混合等离子体波导并最终被混合等离子体条波导上层金属层所吸收；而传输的te模却直接通过光栅条波导不发生耦合，使得在光栅条波导输出端得到高偏振消光比的te模。且te模距离混合等离子体波导金属层较远，则器件的插入损耗较低；

(2)无拍长、结构紧凑，制作公差大。在耦合区，本发明采用了光栅辅助反向耦合器，该结构具有无拍长，结构紧凑，制作公差大等特点；

(3)该器件制造工艺具与现有成熟的cmos工艺兼容，易于集成和扩展。

基于这些有益效果，该器件在硅基光子学领域具有较高的应用价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的输入端左视图；

图3是本发明中光栅辅助型起偏器的插入损耗、反射损耗以及消光比与工作波长的变化关系示意图；

图4是本发明的模场传输分布图；

其中，横坐标表示器件在传输方向上的尺寸，纵坐标表示器件在横向上的尺寸。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明为一种基于反向耦合原理的光栅辅助起偏器，包括衬底4，衬底4上设置有光栅条波导3；结构相同的混合等离子体波导1和2；混合等离子体波导1和2从上至下分别为金属覆盖层1-3和2-3、二氧化硅层1-2和2-2；硅波导层1-1和2-1；光栅条波导3两侧的光栅齿有半个周期的位移差；光栅条波导3为硅波导；光栅条波导3的厚度与硅波导层1-1以及2-1的厚度相同。

其中，光栅条波导3两侧的光栅齿的大小、周期以及占空比相同，两侧的光栅齿有二分之一周期的位移差。混合等离子体波导1和2对称分布在光栅条波导3的两侧，共同组成了光栅辅助反向耦合器5。

具体的，光信号在上述结构的起偏器中的传输特征如下：包含te和tm模的输入信号从光栅条波导3左侧输入端输入，进入由光栅条波导3和混合等离子体波导1和2组成的光栅辅助反向耦合器的耦合区域，通过模式特性及相位匹配条件优化设计的光栅辅助型耦合器(输入光栅辅助反向耦合器的tm模满足反向耦合原理的相位匹配条件)使得在光栅条波导3中传输的tm模逐渐反耦合至两侧混合等离子体波导1和2中并限制在中间的二氧化硅层1-2和2-2中传输，在二氧化硅层1-2和2-2中传输的tm模逐渐被上层的金属覆盖层1-3和2-3吸收损耗掉。相比之下，te模因相位不匹配，故其只能沿着光栅条波导3传输并最终从光栅条波导3的右侧输出端输出而不受影响，从而实现了起偏器的功能。与采用其他结构的起偏器相比，本实施例具有结构简单，尺寸紧凑，插入损耗低，高消光比，带宽大等优点。

图2为器件在输入端口处的左视图。对于输入的te模，其模式主要分布于中间光栅条波导的芯层；对于输入的tm模，其模式将从中间的光栅条波导反向耦合至两侧的等离子体波导中并限制在等离子波导中间的二氧化硅层。

图3为本发明光栅辅助型起偏器的插入损耗、反射损耗以及消光比与工作波长的变化关系。在1430nm到1700nm的计算波长范围内，插入损耗低于1db，反射损耗低于16db，消光比低于20db，工作带带宽明显高于目前报导出来的起偏器。此外，在1550nm处，插入损耗和消光比分别为0.269db和27.7db，显示出较好的器件性能。

图4为本发明器件的模场传输图。输入的te模直接通过中间的光栅条波导；输入的tm经过光栅辅助反向耦合器时被反耦合到两侧的等离子体波导中，并最终被等离子体波导上层的金属覆盖层所吸收损耗掉。该器件具有插入损耗低、消光比高、工作带宽大等优点。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于反向耦合原理的光栅辅助起偏器，其特征在于：包括衬底、光栅条波导和两个结构相同的混合等离子体波导，其中，光栅条波导和两个结构相同的混合等离子体波导均设于衬底上；所述两个结构相同的混合等离子体波导对称位于光栅条波导的两侧，且由上而下均包含金属覆盖层、二氧化硅层和硅波导层；光栅条波导的厚度与硅波导层的厚度相同，且光栅条波导在面对混合等离子体波导的两个侧面分别形成光栅齿，两个侧面的光栅齿具有半个周期的位移差。

2.如权利要求1所述的基于反向耦合原理的光栅辅助起偏器，其特征在于：所述光栅齿为矩形齿。

3.如权利要求1所述的基于反向耦合原理的光栅辅助起偏器，其特征在于：所述光栅条波导两个侧面的光栅齿的大小、周期以及占空比相同。

技术总结
本发明公开一种基于反向耦合原理的光栅辅助起偏器，包括衬底、光栅条波导和两个结构相同的混合等离子体波导，其中，光栅条波导和两个结构相同的混合等离子体波导均设于衬底上；所述两个结构相同的混合等离子体波导对称位于光栅条波导的两侧，且由上而下均包含金属覆盖层、二氧化硅层和硅波导层；光栅条波导的厚度与硅波导层的厚度相同，且光栅条波导在面对混合等离子体波导的两个侧面分别形成光栅齿，两个侧面的光栅齿具有半个周期的位移差。此种起偏器结构简单，尺寸紧凑，工作带宽大且易于制备。

技术研发人员：孙小菡;许正英;吕涛
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2019.12.19
技术公布日：2020.04.10