[發明專利]金屬-類光子晶體混合波導耦合器

有效

• 申請號: 201710091564.4
• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN106646737B
• 公開（公告）日: 2023-03-21
• 發明（設計）人: 黃旭光;周維康;梁曉;林燦彬;劉林濤
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/125
• 代理公司: 廣州容大知識產權代理事務所(普通合伙) 44326
• 代理人: 劉新年

本發明的金屬?類光子晶體混合波導耦合器，包括基質和設在基質兩側的第一金屬片，在基質上上下設置的第一波導和第二波導，以及分別設置在第一波導左、右兩側的第二輸出端和第三輸出端，分別設置在第二波導左、右兩側的第一輸入端和第四輸出端；第一波導和第二波導去掉了中間的金屬材料和空氣孔，且上方的第一波導向下方的第二波導靠近，靠近后的重合區域形成耦合寬度為1282?1300nm的耦合區；第一波導、第二波導相鄰的空氣孔半徑從兩側端部到中心逐漸縮小；第一金屬片的厚度不變，第一波導、第二波導與第一金屬片內壁表面接觸的空氣孔半徑不變。其具有大角度輸入和輸出的特點；通過去除中間金屬和空氣孔，減小金屬厚度和調節空氣孔大小形成耦合。

技術領域

本發明涉及光學和微波技術領域，具體涉及一種金屬-類光子晶體混合波導耦合器。

背景技術

光波導定向耦合器是光波導體系中的基礎器件，具有光功率分配的功能，廣泛運用在光分路器、光開關、波長選擇濾波器、光調制器等中。近幾年來，隨著耦合器加工工藝水平的提高，定向耦合器逐漸成為集成光波導系統和通信系統中不可缺少的元件，定向耦合器對波長較為敏感,器件的帶寬一般僅為10nm左右。相鄰波導的最小間距限制了集成光學芯片的信道數。為獲得較小尺寸的器件,通常采用強限制的波導結構,然而較小的模場直徑降低了與光纖的耦合效率。目前波導耦合器主要有基于全介質光波導耦合器、基于光子晶體波導耦合器和基于表面等離子體激元(surface plasmon polaritons，SPPs)的金屬波導耦合器，但由于全介質光波導和光子晶體波導相鄰波導的橫向間距較大，并且不具備亞波長模場束縛能力和趨膚效應，使得光子晶體波導耦合器具有較大的橫向尺寸和不具備亞波長模場束縛能力。而金屬-介質-金屬波導(簡稱MDM波導或金屬波導)則具有較大的傳輸損耗，不能實現較大的拐角，因此，其相應的波導耦合器無法實現在較大的拐角實現較低的傳輸損耗。目前應用普遍的這三種耦合器均不適用于大規模高密度集成，而近年提出的一種混合波導——金屬-類光子晶體混合波導，結合了光子晶體和金屬波導的優勢，具有極低傳輸損耗特性、亞波長模場束縛能力、毫米級別傳輸的特點，打破了現今普遍存在的芯片級長程傳輸距離和亞波長模場束縛能力的相互制約，其結構如圖1。但目前有關該混合波導的研究還不多，主要停留在對直型、彎曲型兩類簡單波導的結構傳輸特性、波導濾波器及其單波長開關的研究上,國內外尚無基于金屬-類光子晶體混合波導耦合器的報道，因此開展金屬-類光子晶體混合波導耦合器的研究具有重要的理論價值和實用價值。結合混合波導的特性，混合波導耦合器將兼具光子晶體波導耦合器和金屬波導耦合器的優點，具有較高的集成度，亞波長模場束縛能力，大拐角低損耗的特點，實現光的有效耦合。

混合波導的結構如圖1所示，將兩列Z向上周期性分布的空氣孔內嵌到MDM波導的硅芯層，或是用兩列金屬Ag壁代替光子晶體波導中橫向延伸的三角或矩形晶格，僅僅保留線缺陷兩旁的單列空氣孔。這種設計可以使周期性空氣孔和金屬壁“協同”導光。其中具體參數有：d₁＝1.04um，d₂＝100nm，d₃＝745nm，Period＝430nm，R＝130nm，ε_a＝1和ε_s＝12.25。金屬材料為Ag，基質為Si。

對于該波導，當入射光為TE模式，基于全內反射條件形成的導模將激發基模傳輸，模場被緊緊地束縛在兩列周期性空氣孔之間，同時金屬-介質-金屬(簡稱MDM)結構可以提供較強的模場束縛能力。這些屬性使得波導具有亞波長模場束縛能力和毫米級長程傳輸能力。金屬還具有趨膚效應，能夠有效地阻擋相鄰集成波導之間的耦合，從而減小波導芯-芯間距，增大片上集成度，但如何實現兩列波導之間的有效耦合也成為金屬-類光子晶體混合波導耦合器設計的難點。

發明內容

因此，本發明提供一種新金屬-類光子晶體混合波導耦合器，為實現高密度長距離低損耗的大規模光子集成回路中的高效分光和耦合功能，提供全新的技術解決方案。

本發明采用如下技術方案解決上述問題：