一种基于模式演变原理的硅基纳米线偏振分束器

摘要

本发明公开了一种基于模式演变原理的硅基纳米线偏振分束器，可用于集成光学和硅基光子学等领域。其中垂直混合等离子体波导(3)和水平混合等离子体波导(4)分别位于锥形过渡波导(2)的两侧，并且与锥形过渡波导(2)的间距保持一致；在锥形过渡波导(2)的下端连接有输入波导(1)，垂直混合等离子体波导(3)的上端连接第一S弯型波导(5)，在第一S弯型波导(5)的上端连接第一输出波导(7)；在水平混合等离子体波导(4)的上端连接第二S弯型波导(6)，在第二S弯型波导(6)的上端连接第二输出波导(8)。该器件具有偏振分束效率高、损耗低、制造公差大、工作带宽大等优点，同时能用于构建片上偏振分集方案，以实现偏振无关传输。

说明书

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种基于模式演变原理的硅基纳米线偏振 分束器。

背景技术

基于绝缘体上硅(Silicon-on-insulator,SOI)材料平台的硅光子集成回路技术近年来 受到了研究人员的广泛关注。借助SOI材料的高折射率差和CMOS兼容性，众多紧凑 型光子器件及系统可以被低成本批量化的制造，但是SOI材料固有的高折射率差特性将 不可避免的引入强烈的偏振相关性，这极大地限制了它在片上光通信中的应用。为此， 高效的片上偏振分集方案被提出，而偏振分束器和旋转器是其中两类重要的部件。目前， 研究人员已经提出了多种波导结构来设计和制造紧凑型、高性能的偏振分束器，包括： 定向耦合器、多模干涉耦合器、马赫-曾德尔干涉仪、光子晶体及阵列波导光栅等。其 中，基于模式耦合原理的定向耦合器因其结构简单、易于实现，成为设计偏振分束器的 首选结构，但是为保证定向耦合器的高效工作，需要满足精确的相位匹配条件，相应的 对波导的尺寸有严格的要求，这对器件的制造提出了较高的精度要求；同时器件的工作 带宽也有限。为此，模式演变原理被提出用于设计偏振分束器，但是所获得的器件长度 较长(比基于模式耦合原理的结构长了一个量级左右)，所以需要在保证较大工作带宽 的基础上采用新的结构以有效降低它的器件长度。

最近，随着一种新颖的波导结构—混合等离子体波导的提出，利用它优于硅基纳米 线的强偏振相关性，可以设计出结构更加紧凑的光子器件。混合等离子体波导是在普通 硅基纳米线上依次沉积一层薄的低折射率材料，如SiO₂，及一层金属材料所构成，使得 它所能承载的模式介于介质波导和金属等离子体波导之间，即同时具有介质波导的低损 耗特性和金属等离子体波导的强偏振相关性。据此，凭借混合等离子体波导的优异性能 及模式演变型结构的大带宽、大制造公差等优点，考虑设计一种具有尺寸小、工作带宽 大、偏振分束效率高的基于模式演变原理的硅基纳米线偏振分束器显得很重要。

发明内容

技术问题：为了解决现有技术的不足，本发明提供一种基于模式演变原理的硅基纳 米线偏振分束器，利用两个垂直和水平混合等离子体波导构建模式演变区，具有偏振分 束效率高，工作带宽大，克服了现有技术的不足。

技术方案：本发明的一种基于模式演变原理的硅基纳米线偏振分束器包括输入波 导、锥形过渡波导、垂直混合等离子体波导、水平混合等离子体波导、第一S弯型波导、 第二S弯型波导、第一输出波导、第二输出波导；其中垂直混合等离子体波导和水平混 合等离子体波导分别位于锥形过渡波导的两侧，并且与锥形过渡波导的间距保持一致； 在锥形过渡波导的下端连接有输入波导，垂直混合等离子体波导的上端连接第一S弯型 波导，在第一S弯型波导的上端连接第一输出波导；在水平混合等离子体波导的上端连 接第二S弯型波导，在第二S弯型波导的上端连接第二输出波导。

垂直混合等离子体波导和水平混合等离子体波导中靠近锥形过渡波导的一侧采用 锥形过渡结构，另一侧为普通的线性结构，并且锥形过渡波导、垂直混合等离子体波导 和水平混合等离子体波导的尖端最小宽度保持为80nm～120nm。

垂直混合等离子体波导中第一介质波导与金属层的间距为40nm～60nm，水平混合 等离子体波导中的第二介质波导与金属覆盖层的间距为20nm～30nm。

输入的横电模信号从与水平混合等离子体波导相连的第二S弯型波导及第二输出 波导进行输出，输入的横磁模信号从与垂直混合等离子体波导相连的第一S弯型波导及 第一输出波导进行输出。

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、偏振分束效率高、工作带宽大。与常规硅基纳米线设计的偏振分束器相比，本 发明采用偏振相关性更强的混合等离子体波导，使得在模式演变区，输入的不同偏振态 信号与相应的两个垂直和水平混合等离子体波导间的耦合更易发生，并且在输出端的串 扰更低(由于模式间存在着较大差异)。此外，由于耦合区采用模式演变型结构设计， 使得该器件对波导尺寸的变化不敏感，且工作带宽较大。

2、耦合长度相对较短。相比于硅基纳米线，由于模式演变区采用了两个垂直和水 平混合等离子体波导结构，相应的混合模式的有效折射率差较大，使得耦合长度降低， 利于实现器件的紧凑型设计和密集集成。

3、制造方便。在模式演变区，本发明采用了锥形过渡波导结构，使得模式在不同 波导间更易于耦合，同时锥形波导尖端的最小宽度保持为80nm～120nm，这将放宽对 器件的制造要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中模式演变区波导结构的横截面图；

图中有：输入波导1、锥形过渡波导2、垂直混合等离子体波导3、水平混合等离子 体波导4、第一S弯型波导5、第二S弯型波导6、第一输出波导7、第二输出波导8、 第一介质波导31、金属层32、第二介质波导41、金属覆盖层42、衬底9、包层10。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明的一种基于模式演变原理的硅基纳米线偏振分束器包括输入波 导1、锥形过渡波导2、垂直混合等离子体波导3、水平混合等离子体波导4、第一S弯 型波导5、第二S弯型波导6、第一输出波导7、第二输出波导8；其中垂直混合等离子 体波导3和水平混合等离子体波导4分别位于锥形过渡波导2的两侧，并且与锥形过渡 波导2的间距保持一致；在锥形过渡波导2的下端连接有输入波导1，垂直混合等离子 体波导3的上端连接第一S弯型波导5，在第一S弯型波导5的上端连接第一输出波导 7；在水平混合等离子体波导4的上端连接第二S弯型波导6，在第二S弯型波导6的 上端连接第二输出波导8。

输入的横电模信号从与水平混合等离子体波导4相连的第二S弯型波导6及第二输 出波导8进行输出，输入的横磁模信号从与垂直混合等离子体波导3相连的第一S弯型 波导5及第一输出波导7进行输出。

具体的，光信号在上述结构的硅基纳米线偏振分束器中的传输特征如下：包含横电 模(TE)和横磁模(TM)的入射光信号从输入波导1进入，接着进入锥形过渡波导2， 输入的光信号模式开始逐渐向包层中扩展(由于波导芯层的宽度越来越小，无法有效地 支持波导模式)；同时位于锥形过渡波导2两侧的垂直混合等离子体波导3、水平混合等 离子体波导4因其模式偏振态刚好正交(一个TM，一个TE)，因此在模式演变区，输 入的TE模将逐渐耦合至水平混合等离子体波导4，输入的TM模将逐渐耦合至垂直混 合等离子体波导3，而相反的模式耦合行为因模式间存在较大的差异(模式正交性)将 无法产生。紧接着在垂直混合等离子体波导3、水平混合等离子体波导4的末端分别连 接第一S弯型波导5、第二S弯型波导6，从而将两个不同的偏振态(TM和TE)进一 步分离，以提高偏振消光比，并最终从各自的输出端口，即第一输出波导7、第二输出 波导8进行输出。其中，为了更好的匹配锥形过渡波导2，垂直混合等离子体波导3、 水平混合等离子体波导4的结构也采用部分锥形过渡的结构，使得它们与锥形过渡波导 2的间距保持不变。通过这种结构可以很好的实现输入TE、TM偏振态的分离，与传统 基于模式耦合型的定向耦合器相比本发明器件基于模式演变原理，因而具有更大的工作 带宽，同时对器件尺寸的变化不敏感具有较大的制造公差；另外与一般的模式演变型波 导结构相比本发明由于采用了偏振相关性更强的混合等离子体波导构建模式演变区因 而具有更小的器件尺寸，易于与其它紧凑型器件集成。

图2为本发明硅基纳米线偏振分束器模式演变区波导结构的横截面图，中间为连接 输入波导1的锥形过渡波导2，右侧为垂直混合等离子体波导3，包括第一介质波导31 和金属层32，左侧为水平混合等离子体波导4，包括第二介质波导41和金属覆盖层42， 所有的波导均在衬底9上进行生长并覆盖有上包层10。对于混合等离子体波导，其介质 波导与金属层之间的间隔填充低折射率的包层材料(一般为SiO₂)，且间距为40nm～60nm (垂直混合等离子体波导)和20nm～30nm(水平混合等离子体波导)。从图2中可以看 出，采用这种非对称波导结构(垂直、水平混合等离子体波导)及由此设计的器件，因 存在较强的偏振相关性，对于任一输入偏振态(TE或TM)的信号在传输过程中只能 耦合至特定的波导端(TE至水平混合等离子体波导，TM至垂直混合等离子体波导)， 而无法耦合至另外一端(由于所采用的非对称波导结构明显增强了器件整体的偏振相关 性)，因而具有偏振分束效果好、消光比高、串扰低等优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。