基于GaAs混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器

基于gaas混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器
技术领域
1.本发明涉及集成光电子器件，尤其涉及基于gaas混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器。


背景技术：

2.随着光子集成电路的发展，绝缘体上硅（silicon-on-insulator，soi）与互补金属氧化物（complementary metal-oxide semiconductor，cmos）工艺具有兼容和易于集成的优点，吸引了人们对实现紧凑光子集成电路的大量关注。然而，由于 soi 波导中衬底硅和波导之间高折射率差，引起偏振相关的色散和损耗，使波导的偏振态随机变化，使 te 和 tm模式在 soi 波导中具有不同的传播特性。为了解决这个问题，近年来，各种实现偏振分束的波导结构被报道，如多模干涉仪（mmi）型、 mach-zehnder干涉仪（mzi）型、光子晶体、亚波长光栅型、slot型、定向耦合（dc）型等。然而，现有的这些偏振选择器还不成熟，基于多模干涉仪结构需要一个大的多模干涉区域来实现π相移。基于马赫-曾德干涉仪结构在不同臂中使用不同的模式传播常数，这增强了器件的占地面积。基于亚波长光栅结构具有很强的散射，会导致额外的损失。
3.所设计的偏振选择器采用三波导形式，使得te和 tm 基模模式的双折射率对比增强，可获得超紧凑的结构，同时可以提高偏振消光比。随着中红外的应用日益广泛，硅(si)、锗(ge)、铌酸锂（linbo3）等多种材料被用于制备中红外偏振器件。与si、sio2、linbo3和ge相比，砷化镓(gaas)具有较宽的透明范围，具体为0.9-17μm，是一种广泛应用于各种电子和光电器件的新型材料，特别是其高非线性磁化率、低吸收、高激光损伤阈值、高热导率以及成熟的材料技术，被认为是一种很有前途的中红外光学偏振器件材料。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种结构简单、紧凑、工艺容差大的基于gaas混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于gaas混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器，包括底衬，所述底衬上设置有波导芯，所述波导芯包括输入波导、te 模式耦合波导和tm 模式耦合波导，所述输入波导包括te模式集中层、tm模式集中层、金属层；所述te 模式耦合波导包括gaas层和氮化硅层；所述tm模式耦合波导包括gaas层；所述波导芯自输入端向输出端包括混合等离子输入波导、选择波导、分离波导、输出波导；所述混合等离子输入波导由输入波导组成；所述选择波导由相互平行的输入波导、te 模式耦合波导、tm 模式耦合波导组成；所述分离波导由te 模式耦合波导、tm 模式耦合波导组成，所述te 模式耦合波
导、tm模式耦合波导之间的间距值自输入端向输出端逐渐增加；所述输出波导由相互平行te 模式耦合波导、tm 模式耦合波导组成。
6.进一步地，所述混合等离子输入波导宽度w3=845nm。
7.进一步地，所述选择波导中耦合长度为8μm。
8.进一步地，所述分离波导中te 模式耦合波导、tm 模式耦合波导均为弧形，所在圆半径为120nm。
9.本发明的有益效果在于：本技术是得到一种基于gaas混合等离子体结构的三波导中红外基模偏振选择器，使用了gaas，通过改变波导的尺寸，使模式达到相位匹配，从而达到偏振分离的效果，本技术首先在为中红外波段，采用混合等离子体波导因具有较大的模式双折射效应可有效降低现有光集成器件尺寸，利于实现片上紧凑型密集集成，优化波导结构尺寸，使得仅有一种偏振态能耦合至波导交叉端而另一种偏振态因相位失配无法耦合将直接输出，此次采用三波导，输入波导为混合等离子体波导，能有效支持两种差异较大的偏振态模式，通过进一步对te 模式耦合波导和tm 模式耦合波导结构优化及倏逝场耦合可实现对输入偏振态的高效分离。最后为避免输出端产生额外的模式耦合并提高器件偏振消光比，在波导的输出端加入了一段ｓ弯型波导。
10.本发明的基模偏振选择器表现出良好的偏振特性，该基模偏振选择器不仅结构紧凑，而且可以实现工艺容差大、插入损耗低、消光比高、传输带宽等特性，本发明的偏振选择器结构能够通过光刻、电子束刻蚀、等离子体刻蚀工艺制作，其结构简单、紧凑、工艺容差大，本发明在光子集成中的偏振控制、光通信长距传输中的偏振复用等领域具有重要的研究和应用价值。
附图说明
11.图1为波导芯俯视示意图；图2为波导芯结构示意图；图3为波导芯左视示意图；图4为在输入波导两种基模的实部随宽度的变化而变化示意图；图5为在te耦合波导基模的实部随宽度的变化而变化示意图；图6为在tm耦合波导基模的实部随宽度的变化而变化示意图；图7在不同波导间距下输入te模式的归一化透射率曲线；图8在不同波导间距下输入tm模式的归一化透射率曲线；图9耦合长度l1的变化对te模式的传输在cross端口上归一化透射率影响曲线；图10耦合长度l1的变化对tm模式的传输在cross端口上归一化透射率影响曲线；图11耦合长度l1的对变化er的影响曲线；图12耦合长度l1的对变化il的影响曲线；图13为在3300-3700 nm内，波长 λ 的变化对te模式的传输在cross端口上归一化透射率影响曲线；图14为在3300-3700 nm内，波长 λ 的变化对tm模式的传输在cross端口上归一化透射率影响曲线；图15为在3300-3700 nm内，波长 λ 的变化对er的影响曲线；
图16为在3300-3700 nm内，波长 λ 的变化对il的影响曲线；图17为光在设计的三波导中红外基模选择器中的传播te-ey。
12.图18为光在设计的三波导中红外基模选择器中的传播tm-ez。
具体实施方式
13.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
14.下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.实施例1如图1-18所示，一种基于gaas混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器，包括底衬，底衬上安装有波导芯，波导芯包括输入波导、te 模式耦合波导和tm 模式耦合波导，具体为，底衬由sio2制成，硅基soi材料优点：材料折射率差高，对光场有极强的限制能力，利于实现光波导及其器件的小型化，它也是目前片上密集集成的首选材料平台。
16.输入波导宽度为845nm，包括te模式集中层，由gaas材料制成，w3在700-1200nm范围内，随着波导宽度的增加，模式的有效折射率实部也逐渐增加，模式的局域性更好，同时表面等离子体激元传播长度也越大，当 w3=845 nm时，输入波导中te模式的有效折射率为2.06，tm模式的有效折射率为2.42。
17.tm模式集中层，由sio2材料制成，tm 模式集中在 sio2夹层中传输，而 te 模式集中在gaas 波导中传输，因此，tm 模式的有效折射率对 sio2厚度的变化比较敏感，当 sio2夹层的厚度比较大时，模式被很好地约束在 sio2夹层和gaas波导中传输，金属层对模场几乎没有影响；然而，厚度越薄，光场分布在金属中的越多，损耗越明显，当 sio2夹层的厚度小于 120nm 时，金属层会对 tm 偏振模式的场分布产生明显的影响，此外，还考虑到 sio2夹层厚度的选取对波导损耗有影响，则 h5折中选择为 120 nm。
18.金属层，由ag材料制成，表面等离子体激元具有高度的局域性，可以将光场的限制在很小的区域内，当h6在60-110nm范围内时，te和tm模式的er都超过45db，te模式的il约为1.4db，tm模式的il约为0.3db。根据er和il的值以及制备工艺，取h6为90nm。
19.te 模式耦合波导宽度w2=900nm，包括gaas层，在700-1200nm范围内，随着波导宽度的增加，te模式的有效折射率实部也逐渐增加，当w2=900 nm时，te耦合波导中te模的折射率等于2.06，与hpw波导中的te模式的有效折射率相等。
20.和氮化硅层，氮化硅被认为是集成光电子器件领域极具潜力的材料，具有从可见光到中红外的透明波段，当h7在80-140nm范围内时，te和tm模式的er均大于35db，il分别低于1.6和0.5db，根据te和tm模式下er和il的变化，选择105nm作为h7的折中值。
21.tm模式耦合波导宽度w4=1300 nm，包括gaas层，在1150-1650nm范围内，随着波导宽度的增加，te模式的有效折射率实部也逐渐增加，当 w4=1300nm时，tm耦合波导中tm模的折射率与hpw波导相等为2.42，达到相位匹配。
22.在 3500 nm 波长下，当 hpw 中 te 偏振光发射到输入端口时，te 模式大部分集中在 hpw 的gaas层中，随着光场的传输，当te 模式传输至耦合区域，光从 hpw 耦合进 te 耦合波导，最终光场都已经交叉耦合到 te 耦合波导中，同理，当 hpw 中输入 tm 偏振模式时，tm 模式在 hpw 中高度集中在低折射率间隔层 sio2中，当tm 模式传输至耦合区域，有一大部分光从 hpw 耦合进 tm 耦合波导，最终几乎所有的光场都已经耦合到 tm 耦合波导中，实现了光场能量从输入 hpw 完全耦合到相邻波导中。
23.采用非对称结构，通过优化结构参数使一种偏振模式的光满足相位匹配原理，而另一种偏振模式的光根据双折射射效应并不满足相位匹配原理，从而在较短的长度内实现分离得功能，分别设计te模式耦合区和tm模式耦合区的波导结构，使得在te模式耦合区，te模式满足相位匹配条件发生相互耦合，tm模式则因相位不匹配而不发生耦合；在tm模式耦合区，tm模式满足相位匹配条件发生相互耦合，te模式则因相位不匹配而不发生耦合。
24.tm 耦合波导和hpw波导中的tm模式满足折射率相同为2.42，te 耦合波导和hpw波导中的te模式满足折射率相同为2.06。
25.在适当的金属与介质组成的波导结构中，由于其表面波特性，表面等离子体波可以被约束在几十纳米甚至更小的范围内，并且不再受衍射极限的限制。由于表面等离子体波导具有强烈的双折射特性，适合用来构成极小尺寸的偏振器件。然而由于金属在光波段的吸收特性，表面等离子体波导具有巨大的传输损耗，严重影响器件性能。而混合等离子体波导，即在硅和金属之间增加一层薄的二氧化硅缓冲层，以防止金属对能量的吸收，因此能够大大降低传输损耗，相比较传统的介质波导，hpw 有显著的双折射效应，其巨大的偏振多样性使得 te 和 tm 能够在两个不同的层中传输，有望突破光子器件尺寸的限制，并且与 soi 技术兼容，提供了在同一平台上集成硅光子学和等离子体的可能，混合表面等离子体光波导是介质波导和等离子体波导融为一体的混合模式，能量约束能力较强，以减小器件尺寸。
26.相比于纳米槽（slot）、等离子体波导等结构，三个耦合波导结构强烈的双折射能够大幅缩短耦合长度，进而减小器件尺寸,容易实现高消光比性能，已经成为一种非常好的偏振选择器实现方案。
27.波导芯自输入端向输出端包括混合等离子输入波导、选择波导、分离波导、输出波导；耦合区域波导由相互平行的输入波导、te 模式耦合波导、tm 模式耦合波导组成，要将hpw中的模式完全耦合到各自的波导上，hpw和耦合波导的相位必须相匹配，并选择最佳耦合长度，采用有限元方法优化了hpw波导与te/tm波导的耦合长度，耦合长度l1在5
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11μm范围内，随着l1的增大，对于输入te和tm模式的归一化透射率先增大后减小，而且te模式比tm变化趋势大，te和tm两种模式的er先增大后减小，而两种模式的il先减小后增大，综合考虑er和il的值，选择耦合长度l1为8μm。
28.hpw与耦合波导之间的间隙越窄，波导的耦合长度越短，器件越紧凑，然而，由于工艺制造过程中遇到的困难，两个波导之间的间隙不应该太窄，随着相邻两波导间距的增大，
波导透过率先增大后减小，在本设计中，g1选择为90 nm, g2选择为120 nm。
29.分离波导由te 模式耦合波导、tm 模式耦合波导组成， te 模式耦合波导、tm模式耦合波导之间的间距值自输入端向输出端逐渐增加，具体为，分离波导中te 模式耦合波导、tm 模式耦合波导均为弧形，当圆半径为9-12um时，te耦合的归一化透过率约为0.8。综合考虑，选择圆半径r1为10μm。当te模式时，er和il分别为48.9和1.36 db。当tm模式时，er和il分别为51.85和0.3 db。
30.输出波导由te 模式耦合波导、tm 模式耦合波导组成，设置l2为7um。
31.本实施例提供的基于gaas混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器，te和tm 基模模式的双折射率对比通过介质加载波导增强，可获得超紧凑的结构，耦合长度为8μm；在3.5μm 的中心波长处，te模式的偏振消光比为48.9db，插入损耗为1.36db，tm 模式的消光比为51.85db，插入损耗为0.3db。。所设计的偏振选择器具有高消光比，低插入损耗。在400nm工作带宽范围内，模式的消光比高于22db。
32.与单模耦合结构相比，该结构通过双模耦合提高偏振消光比，此外，它还削弱了 te 和 tm 模式对中间波导的依赖性，过优化波导长度，提高了te模的耦合效率，进而提升了te模的偏振消光比 (er)和降低tm模的偏振插入损耗(il)。
33.在 3500 nm 的波长下，基模偏振选择器的衬底材料为二氧化硅(折射率为1.45)。所提及的hpw波导结构的材料为gaas (折射率为3.34)、银（介电常数为-86.64+8.74i）和二氧化硅；te模式波导结构的材料为gaas和氮化硅（折射率为2）；tm模式波导结构的材料为gaas。
34.本实施例提供的基于gaas混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器，在
±
15nm hpw波导宽度的容差范围内，当输入 te 模式时，te 模式的 il 小于 4.5db，er 高于22db；当输入 tm 模式时，tm 模式的 il 小于 1.4db，er 高于30 db。在
±
15nm 的ag层厚度的容差范围内，当输入 te 模式时，te 模式的 il 小于 4.8db，er 高于23db；当输入 tm 模式时，tm 模式的 il 小于 1.5db，er 高于30db，在
±
15 nm si3n4波导厚度的容差范围内，当输入 te 模式时，te 模式的 il 小于 4.8db，er 高于24db；当输入 tm 模式时，tm 模式的 il 小于 1.4db，er 高于28db。因此，该器件具有相当大的制作容差，且在容差范围内，器件的性能良好。
35.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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。