[發明專利]一種基于垂直耦合原理的硅基槽波導起偏器

有效

• 申請號: 201610328026.8
• 申請日: 2016-05-17
• 公開（公告）號: CN105759351B
• 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: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12
• 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

本發明提出一種基于垂直耦合原理的硅基槽波導起偏器，它包括由兩根平行設置在襯底上的硅基納米線構成的槽波導和上層條形波導；所述槽波導沿長度方向分為信號輸入段、中間傳輸段和信號輸出段，上層條形波導設置在中間傳輸段的正上方，與槽波導之間的高度間距為D；上層條形波導與中間傳輸段形成垂直耦合區；包含橫磁模和橫電模的輸入信號從所述槽波導的信號輸入段輸入，在進入垂直耦合區后，輸入的橫磁模信號被耦合至上層條形波導并在輸出端因光場衍射而損耗；輸入的橫電模信號直接在槽波導中傳輸并在信號輸出段輸出。本發明具有尺寸小、偏振消光比高、插入損耗低等優點。

技術領域

本發明涉及集成光學技術領域，具體涉及一種基于垂直耦合原理的硅基槽波導起偏器。

背景技術

硅基光子學是一門新興的學科，它在實現片上超緊湊光子集成回路方面具有巨大的應用潛力，并在不斷促進光互連、光計算、量子光子學及非線性光子學等領域的快速發展。其中在實現片上超緊湊光子集成回路方面，由于采用高折射率差的絕緣體上硅(Silicon-on-insulator,SOI)材料平臺，使得片上偏振控制器成為一類必不可少的功能部件。目前，比較成熟的片上偏振控制器包括偏振分束器、旋轉器和起偏器。如果不考慮偏振復用傳輸，起偏器將是一種成本更低、尺寸更小、結構更簡單的片上偏振控制器，它的功能主要是在輸出端獲得一個擁有高消光比和低插入損耗的線偏振光。為此，研究人員已經提出了眾多的器件方案，例如：采用taper型過渡波導、淺刻蝕脊型波導、亞波長光柵、混合等離子波導和石墨烯材料等。它們的工作原理可以分為兩種：模式衰減和模式截止，前者需要很長的器件長度以此來衰減不需要的偏振態模式，而后者可以獲得較小的器件尺寸，但是器件的插入損耗較大，主要源于結構的不連續性，特別是采用混合等離子波導結構(金屬材料引入的歐姆損耗很大)。所以，在實現超緊湊、高性能的起偏器方面，仍然需要探索新的結構及工作原理。

對于硅基光子學的器件制造工藝，目前發展迅速，已經不再局限于單一的平面工藝，正在向三維立體制造工藝演進，這主要得益于微電子CMOS工藝的成熟。基于此，器件的設計也可以向著厚度方向的第三個維度展開，對應于構建垂直耦合結構，這將利于實現硅光子器件的高密度三維集成。此外，目前起偏器的設計或者制造幾乎都是圍繞普通的硅基條形波導(或者納米線)展開，最近一種新穎的波導結構—硅基槽波導被提出，因其具有較強的場增強效應和場局域特性，同時偏振相關性也特別顯著，已受到研究人員的廣泛關注。大量的應用器件被相繼設計或者制造出來，但是關于偏振控制方面的起偏器卻鮮見報道。據此，針對硅基槽波導，設計一種尺寸小、偏振消光比高、插入損耗低的起偏器顯得十分重要，用于提高基于槽波導構建的片上光子集成回路器件/系統的整體性能。

發明內容

發明目的：為解決上述技術問題，提供一種尺寸小、偏振消光比高、插入損耗低的起偏器，本發明提出一種基于垂直耦合原理的硅基槽波導起偏器。

技術方案：為實現上述技術效果，本發明提出的技術方案為：

一種基于垂直耦合原理的硅基槽波導起偏器，包括由兩根平行設置在襯底3上的硅基納米線構成的槽波導1和上層條形波導2；所述槽波導1沿長度方向分為信號輸入段、中間傳輸段和信號輸出段，上層條形波導2設置在中間傳輸段的正上方，與槽波導1之間的高度間距為D；上層條形波導2的寬度大于槽波導1的寬度；上層條形波導2與中間傳輸段形成垂直耦合區；

包含橫磁模和橫電模的輸入信號從所述槽波導1的信號輸入段輸入，在進入垂直耦合區后，輸入的橫磁模信號被耦合至上層條形波導2并在上層條形波導2的輸出端因上層條形波導2與槽波導1的信號輸出段之間的光場衍射而損耗；輸入的橫電模信號直接在槽波導1中傳輸并在信號輸出段輸出。

具體的，所述上層條形波導2為矩形波導，其長度為3μm～4μm，寬度為1μm～1.2μm，厚度為200nm；所述槽波導(1)寬度為500nm～550nm，厚度為250nm，中間微槽的寬度為70nm～100nm；上層條形波導2與槽波導1之間的高度間距D為250nm～280nm。