[發明專利]一種片上集成型偏振分束器及其偏振分束方法

有效

• 申請號: 201610327845.0
• 申請日: 2016-05-17
• 公開（公告）號: CN105759355B
• 公開（公告）日: 2019-09-03
• 發明（設計）人: 肖金標;徐銀
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G02B6/126
• 分類號: G02B6/126;G02B6/122
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

本發明提出一種片上集成型偏振分束器及其偏振分束方法，包括混合等離子波導，位于混合等離子波導同一側、依次串聯且厚度相同的耦合波導、S彎型波導和輸出硅波導；混合等離子波導從上至下分為金屬覆蓋層、上二氧化硅層、氮化硅波導層、下二氧化硅層和硅波導層；耦合波導、S彎型波導和輸出硅波導的厚度與硅波導層的厚度相同；耦合波導為硅波導。包含有橫電模和橫磁模的輸入信號在進入耦合區后，橫電模光信號將被耦合至taper型耦合波導，進而通過S彎型波導及輸出硅波導進行輸出，而橫磁模光信號將直接沿著混合等離子波導傳輸并直接輸出，不發生波導耦合。本發明具有尺寸小、結構緊湊、偏振消光比高、插入損耗低、工作帶寬較大等優點。

技術領域

本發明涉及集成光學技術領域，具體涉及一種片上集成型偏振分束器及其偏振分束方法。

背景技術

近年來，光子集成回路技術受到了研究人員的廣泛關注，其中最為重要的材料平臺是基于高折射率差波導結構的絕緣體上硅(Silicon-on-insulator,SOI)。然而高折射率差的結構將會給器件和系統帶來強烈的偏振敏感性，特別是當光信號從光纖耦合至波導芯片時，由于光纖中的偏振態是隨機變化的，將使偏振問題變得尤為突出。目前，在片上主要采用偏振分集方案來解決高折射率差波導的偏振敏感性問題以實現偏振透明傳輸，其中偏振分束器和偏振旋轉器是其中的必備部件。偏振分束器主要用于將輸入的橫電模(TE)和橫磁模(TM)分離至不同的輸出波導，為此眾多的器件結構已經被報道可用于實現片上的偏振分束，包括采用非對稱定向耦合器、多模干涉耦合器、馬赫-曾德爾干涉儀、光子晶體、光柵等等，然而這些結構還存在一些的問題，如器件耦合長度較長、偏振消光比較低、工作帶寬窄和制造復雜等等。所以，作為一種重要的偏振控制器件仍然值得研究，以找尋新的方法或者器件工作原理來實現超緊湊、高性能的片上集成型偏振分束器。

隨著金屬材料被引入到介質波導的設計中，等離子波導(尤其是混合等離子波導)結構被提出，使得偏振分束器的尺寸有了很大的縮小，但因金屬材料較大的吸收損耗使得器件的插入損耗較高。值得注意的是：等離子波導的光場局限性、器件尺寸和損耗是一對矛盾，即光場局限性越強，器件尺寸越小、但損耗越大。另外，對于氮化硅材料，其制作工藝與CMOS工藝高度兼容，且熱穩定性比硅更好，近來也被廣泛應用于光子集成回路器件的設計。但因其較低的折射率(約為2.0)，使得光信號模場的局限性較低，導致需要較大的波導尺寸來承載光信號模式。若能將等離子波導結構和低折射率的氮化硅材料進行合理的優化設計，可以使得器件同時具備較小的尺寸和較低的插入損耗。

發明內容

發明目的：為解決上述技術問題，提供一種使得器件同時具備較小的尺寸和較低的插入損耗的偏振分束器，本發明提出一種片上集成型偏振分束器及其偏振分束方法。

技術方案：為實現上述技術效果，本發明提出的技術方案為：

一種片上集成型偏振分束器，它包括：襯底5，襯底5上設置有混合等離子波導1，厚度相同的耦合波導2、S彎型波導3和輸出硅波導4；耦合波導2、S彎型波導3和輸出硅波導4依次串聯并位于混合等離子波導1的同一側；混合等離子波導1從上至下分為金屬覆蓋層1-5、上二氧化硅層1-4、氮化硅波導層1-3、下二氧化硅層1-2和硅波導層1-1；耦合波導2、S彎型波導3和輸出硅波導4的厚度與硅波導層1-1的厚度相同；耦合波導2為硅波導。

進一步的，所述耦合波導2為taper型耦合波導；taper型耦合波導與混合等離子波導1平行設置，taper型耦合波導的寬度沿taper型耦合波導的輸入端至輸出端方向由小到大遞增；S彎型波導3和輸出硅波導4均為等寬條狀波導，S彎型波導3和輸出硅波導4的寬度均與taper型耦合波導輸出端的寬度相等。