一种高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器

1.本发明属于集成光路设计领域，具体涉及一种高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器。


背景技术：

2.集成光路通常是由具有偏振敏感特性的光波导构成，因此光偏振控制一直是集成光路研究领域的热点问题。光波导材料的双折射特性会导致偏振相关的色散和损耗，在具有高对比度折射率的硅绝缘体(soi)材料中更为严重。soi基波导的制备工艺与互补金属氧化物半导体(cmos)工艺兼容，工艺成熟且成本低，被广泛应用于集成光路的制造。为了解决soi基波导偏振敏感特性带来的负面影响，采用偏振分离器和偏振转换器以实现偏振控制。
3.相比偏振分离器，实现soi基波导的偏振转换更为困难。常见的偏振转换器包括基于倾斜角结构的偏振转换器以及基于非对称槽型硅波导结构的偏转转换器。其中，基于倾斜角结构的偏振转换器的转换效率可达98％，工作频带可达100nm，但是其制作工艺复杂且对工艺水平要求高，因此加工成本高，难以实现大规模生产。基于非对称槽型硅波导结构的偏转转换器的转换效率为92％，工作频带为80nm，但是其性能适中，而且有限转换效率(92％)和工作带宽，限制了其应用。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
5.本发明提供了一种高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器，包括：自下而上依次层叠设置的硅基衬底、掩埋氧化硅层和偏振转换部件，其中，所述偏振转换部件包括平行设置的渐变式硅纳米线波导和均匀硅纳米线波导；
6.所述渐变式硅纳米线波导包括第一纳米线波导部和第二纳米线波导部；
7.所述第一纳米线波导部为长方体结构，所述第二纳米线波导部的第一端与所述第一纳米线波导部的一端连接；
8.所述第二纳米线波导部背向所述均匀硅纳米线波导的侧面为从所述第二纳米线波导部的第一端朝向所述均匀硅纳米线波导方向延伸并倾斜的斜面，且该斜面与所述第二纳米线波导部朝向所述均匀硅纳米线波导的侧面相交；
9.所述均匀硅纳米线波导为长方体结构，其一端位于所述第一纳米线波导部和所述第二纳米线波导部连接的对应位置处，所述均匀硅纳米线波导的长度大于所述第二纳米线波导部的长度。
10.在本发明的一个实施例中，所述第一纳米线波导部作为te模波导区，所述第二纳米线波导部以及与所述第二纳米线波导部等长的所述均匀硅纳米线波导的部分组成te向tm转换过渡区，所述均匀硅纳米线波导的剩余部分作为tm模波导区。
11.在本发明的一个实施例中，所述渐变式硅纳米线波导和所述均匀硅纳米线波导的
厚度为210～230nm。
12.在本发明的一个实施例中，所述第一纳米线波导部的横截面宽度为445～455nm。
13.在本发明的一个实施例中，所述均匀硅纳米线波导的横截面宽度为665～675nm。
14.在本发明的一个实施例中，所述渐变式硅纳米线波导和所述均匀硅纳米线波导之间的间隔为80nm。
15.在本发明的一个实施例中，所述te模波导区的长度为990～1010nm。
16.在本发明的一个实施例中，所述tm模波导区的长度为1990～2010nm。
17.在本发明的一个实施例中，在所述第二纳米线波导部的横截面宽度为250nm的位置处将所述te向tm转换过渡区划分为混合模生成区和tm模转换区，其中，
18.所述第二纳米线波导部的第一端至其横截面宽度为250nm的部分，以及该部分对应的所述均匀硅纳米线波导的部分组成所述混合模生成区。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
20.1.本发明的高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器，采用soi材料，在顶层硅薄膜构建由渐变式硅纳米线和均匀硅纳米线组成的偏振转换器。其中，渐变式硅纳米线通过操控有效模折射率发生非线性变化，而改变te模电场的振幅和方向，从而实现偏振态的转换，将耦合模理论应用于非均匀不对称波导，转换的tm模通过均匀硅纳米线耦合并输出。本发明的偏振转换器具有高转换效率(》98％)和宽工作频带(100nm)特性。
21.2.本发明的高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器，结构简单紧凑(纵向长度27μm)，制备方法简单，使用一步光刻和刻蚀技术即可实现。
22.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
23.图1是本发明实施例提供的一种高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器的三维结构示意图；
24.图2是本发明实施例提供的一种高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器的侧视图；
25.图3是本发明实施例提供的偏振转换部件的俯视图；
26.图4是本发明实施例提供的一种te模波导内模场分布图；
27.图5是本发明实施例提供的偏振转换器平面简化图；
28.图6是本发明实施例提供的不同模式的有效模折射率与波导横截面宽度的关系图；
29.图7是本发明实施例提供的参数优化后的模场分布图；
30.图8是本发明实施例提供的偏振转换器的输出转换率的结果图。
31.图标：10-硅基衬底；20-掩埋氧化硅层；30-偏振转换部件；31-渐变式硅纳米线波导；32-均匀硅纳米线波导；311-第一纳米线波导部；312-第二纳米线波导部；
具体实施方式
32.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器进行详细说明。
33.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
34.实施例一
35.请结合参见图1-图3，图1是本发明实施例提供的一种高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器的侧视图；图3是本发明实施例提供的偏振转换部件的俯视图。如图所示，本实施例的高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器，包括自下而上依次层叠设置的硅基衬底10、掩埋氧化硅层20和偏振转换部件30，其中，偏振转换部件包括平行设置的渐变式硅纳米线波导31和均匀硅纳米线波导32。
36.如图3所示，渐变式硅纳米线波导31在掩埋氧化硅层20上的投影图为直角梯形结构。具体地，渐变式硅纳米线波导31包括第一纳米线波导部311和第二纳米线波导部312；第一纳米线波导部311为长方体结构，第二纳米线波导部312的第一端与第一纳米线波导部311的一端连接。
37.第二纳米线波导部312背向均匀硅纳米线波导32的侧面为从第二纳米线波导部312的第一端朝向均匀硅纳米线波导32方向延伸并倾斜的斜面，且该斜面与第二纳米线波导部312朝向均匀硅纳米线波导32的侧面相交。
38.进一步地，均匀硅纳米线波导32为长方体结构，其一端位于第一纳米线波导部311和第二纳米线波导部312连接的对应位置处，均匀硅纳米线波导32的长度大于第二纳米线波导部312的长度。
39.在本实施例中，第一纳米线波导部311作为te模波导区，第二纳米线波导部312以及与第二纳米线波导部312等长的均匀硅纳米线波导32的部分组成te向tm转换过渡区，均匀硅纳米线波导32的剩余部分作为tm模波导区。
40.如图4所示的te模波导内模场分布图，介质光波导支持准te模和准tm模，因此具有te偏振态的入射光在te模波导内激励起te基模和场强较弱的tm模，这为te模向tm模转换奠定了基础。具体地，本实施例的偏振转换器的工作过程为，te偏振态的入射光波在te模波导内激励并传输，经过te向tm转换过渡区域转换为tm偏振态的光波，最终从tm模波导输出。
41.进一步地，在本实施例中，渐变式硅纳米线波导31和均匀硅纳米线波导32的厚度与soi顶层硅薄膜的厚度一致，可选地，厚度为210～230nm。
42.进一步地，请参见图5，图5是本发明实施例提供的偏振转换器平面简化图，如图所示，在本实施例中，第一纳米线波导部311的横截面宽度，即，te模波导的横截面宽度w
te
为445～455nm。均匀硅纳米线波导32的横截面宽度，即，tm模波导的横截面宽度w
tm
为665～675nm。渐变式硅纳米线波导31和均匀硅纳米线波导32之间的间隔为80nm。te模波导区的长度为990～1010nm，tm模波导区的长度为1990～2010nm。
43.在本实施例中，在第二纳米线波导部312的横截面宽度为250nm的位置处将te向tm转换过渡区划分为混合模生成区和tm模转换区，其中，第二纳米线波导部312的第一端至其横截面宽度为250nm的部分，以及该部分对应的均匀硅纳米线波导32的部分组成混合模生成区。可选地，tm模转换区的长度lc为25μm
±
30nm。
44.进一步地，对te向tm转换过渡区的转换过程以及具体设计思路进行说明，在混合模生成区，通过沿传输方向改变硅纳米线宽度操控波导有效模折射率发生非线性变化，te基模的有效模折射率(neff_
te11
)呈指数衰减，衰减速率远大于tm基模(neff_
tm11
)的衰减速率。有效模折射率与电场直接相关，因此随着neff_
te10
减弱，电场y分量(ey)随之减少。根据能量守恒定律，减少的ey分量转换为ez分量，从而生成混合模。当wt＝250nm，te基模完全转换为混合模。在tm模转换区，渐变式硅纳米线中生成的混合模不稳定，且ez分量大于ey分量，容易发生使tm模式增强的转换。又因为wt《250nm，neff_
tm11
不再继续发生变化且大于混合模的有效模折射率。因此，在tm转换区，混合模开始向tm模转换。(如图6所示的不同模式的有效模折射率与波导横截面宽度的关系图)。
45.在tm模转换区内，混合模转换为tm模的同时向宽度为w
tm
的均匀硅纳米线波导耦合。尝试将此区域沿传播方向(即x方向)分割成n个小段区域，当n值取得足够大，从而每个小段区域沿x方向的长度足够小，以至于可以近似为上下宽度不等(一个宽度为w
iu
，另一个宽度为w
id
)的两个平行介质波导。因此，每小段区域都可被视为长度各不相等的均匀不对称波导定向耦合器(如图5所示)。
46.设第i段区域的长度为li，当li等于第i段区域的半拍长时，那么，在第i段区域可实现宽度为w
iu
内的tm模完全地耦合到宽度为w
id
的tm波导。其中，第i段的半拍长定义为：
[0047][0048]
式中，k0＝2π/λ表示自由空间中的波数，λ表示工作波长，和分别表示不规则硅纳米线波导(w
iu
)和均匀硅纳米线波导(w
id
)内支持的两个不同tm基模的有效折射率。
[0049]
如果通过将每一分割段的长度调整至合适的长度，则各部分的结合将促使不规则硅纳米线内传输的tm模完美地耦合到宽度为w
tm
的均匀纳米线波导。
[0050]
进一步地，根据如下的优化设计方程组对偏振转换器的几何参数进行优化，以得到高效率的偏振转换。优化设计方程组为：
[0051][0052]
式中，pce为偏振转换率，p
te-tm
表示te模至tm模的耦合效率，p
te-te
表示te模至te模的耦合效率，lc表示tm模转换区的耦合长度，g表示耦合间距，λ表示工作波长。
[0053]
具体地，在本实施例中，首先，利用基于有限元算法的comsol multiphysics仿真软件，求解上述优化设计方程，获得最大偏振转换效率的偏振转换器几何参数。波动光学模块下建立soi基硅波导二维截面的物理模型，添加“电磁波-频域”接口，预设研究中添加“参数扫描”和“模分析”功能，基于物理场划分网格，求解w
t
改变对应的有效模折射率。分析硅纳米线尺寸对te基模、tm基模和混合模的有效模折射率的控制作用，以及有效模折射率对模场特性(包括场幅值和偏振方向)的操控作用，从而确定w
t
＝250nm这一关键尺寸。
[0054]
其次，建立偏振转换器的三维物理模型，添加“电磁波-包络波数”接口，边界条件(端口边界条件，散射边界条件和完美匹配层)，基于物理场划分网格，预设研究中添加“参数化扫描”、“边界模式分析”和“频域”，通过使用硅纳米线有效模折射率作为初始值来实现快速收敛，探究耦合长度和耦合间距对偏振转换效率和适用频谱范围的作用。对结果进行逐次细化，获得参数的最优解，从而提取产生最高偏振转换效率和最宽频谱范围的特征参量，如图7所示的参数优化后的模场分布图。
[0055]
请结合参见图8，图8是本发明实施例提供的偏振转换器的输出转换率的结果图，如图所示，图8中的(a)图为输出端口光波透射率，其中，实线表示te-tm模透射率(即te基模入射，tm基模输出)，虚线表示te-te模透射率(即te基模入射，te基模输出)；图8中的(b)图为具有te偏振态的入射光波经过偏振转换器后的转换效率，其中，实线表示以tm偏振态输出的转换率，虚线表示以te偏振态输出的转换率。从图中可以看出，本实施例的偏振转换器在1450nm到1550nm频谱范围内的te-tm模的透射率接近-1db，转换效率大于-0.08db(大于98％)。1515nm到1550nm波段，该偏振转换器的转换效率可达-0.0004db(相当于99.997％)。
[0056]
本实施例的高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器，采用soi材料，在顶层硅薄膜构建由渐变式硅纳米线和均匀硅纳米线组成的偏振转换器。其中，渐变式硅纳米线通过操控有效模折射率发生非线性变化，而改变te模电场的振幅和方向，从而实现偏振态的转换，将耦合模理论应用于非均匀不对称波导，转换的tm模通过均匀硅纳米线耦合并输出。本实施例的偏振转换器具有高转换效率(》98％)和宽工作频带(100nm)特性。
[0057]
需要说明的是，本实施例的高转换效率和宽频带简单结构硅纳米线光偏振转换器，可以采用商品化的soi片(规格：硅衬底700μm,氧化硅掩埋层2μm，顶层硅薄膜220nm)制备得到，首先在soi片上涂覆hsq光刻胶，利用电子束光刻技术在顶层硅薄膜上书写出偏振转换器图形，然后用聚焦离子束刻蚀技术将多余的光刻胶和多余的顶层硅刻蚀除去，得到偏振转换器光路。本实施例的偏振转换器，结构简单紧凑(纵向长度27μm)，制备方法简单，使用一步光刻和刻蚀技术即可实现。
[0058]
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须
具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0059]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。