[發明專利]一種實現偏振分光與波導耦合的集成光子學器件

有效

• 申請號: 202210135027.6
• 申請日: 2022-02-14
• 公開（公告）號: CN114296184B
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 黎永前;余洋;劉金澤;喬大勇
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 云燕春

本發明提出一種微納粒子及其陣列與光波導集成的光子學器件結構。該光子學器件結構包括第一微納粒子，第二微納粒子，第一光波導，第二光波導，以及基底層。其特征在于第一微納粒子和第二微納粒子分別位于第一光波導和第二光波導的軸線延長線方向；第一微納粒子，第二微納粒子，第一光波導和第二光波導屬于橫向光散射層；橫向光散射層制備在基底層上。所述微納粒子和光波導的材料包括但不限于，硅、鍺、或者氮化硅等電介質材料。該光子學器件結構實現入射光束的正交偏振分量分別耦合進第一光波導和第二光波導。該集成光子學器件結構及其陣列可以實現分光器或傳感器功能。

技術領域

本發明涉及微納結構光子學與集成光子學器件領域，涉及一種基于微納粒子及其陣列和光波導的具有偏振分光功能和光波導耦合器功能的集成光子學器件。

背景技術

偏振分光器件將非偏振態光波分成兩束正交偏振態光波，在光通信、光學成像、生物傳感器等集成光子學器件領域有著重要應用。傳統的偏振分光器件是基于光波干涉原理。基于干涉原理的偏振分光器件包括多模干涉，定向耦合器以及馬赫曾德爾干涉儀等。

在光學儀器領域應用最廣泛的偏振分光器件是偏振分光棱鏡。偏振分光棱鏡實現分光的技術是：在直角棱鏡斜面鍍制多層膜，將兩個鍍制多層膜的直角棱鏡膠合成一個立方體結構。入射光波以布魯斯特角多次通過多層膜結構干涉以后，正交方向的兩種線偏振光沿著不同方向傳輸。如圖1所示，根據分光后兩正交偏振光傳輸方向和分光效果，偏振分光棱鏡包括Wollaston棱鏡、Rochon棱鏡、格蘭湯普森棱鏡等[1]。偏振分光棱鏡工作波長范圍是(420-1600)nm，可實現起偏器、檢偏器、光強分光器等功能。偏振分光棱鏡能實現的光束偏轉角小，體積較大，不適用于小型化、集成化的光子學器件應用。

當微納粒子的幾何結構尺寸在電磁波波長數量級時，微納粒子及其陣列具有新穎的光學特性，如改變入射在微納粒子上光場能量的輻射方向、形成具有折射率梯度的超平面材料、以及產生惠更斯微納粒子光輻射源等。這些新穎的光學特性可以用離散偶極子分析理論解釋，即外部入射光在微納粒子中激勵產生電偶極子、磁偶極子、以及電磁高階多極子；電磁多級子在微納粒子中產生相互干涉效應。這種相互干涉效應可以改變微納粒子的散射光輻射方向，使得微納粒子的輻射光場具有前向、后向、側向、甚至橫向散射特性。干涉效應的結果是入射光波長、偏振方向、以及微納粒子材料、結構形式、以及幾何尺寸的函數。這種微納粒子的形狀包括宏觀領域的幾何結構體，如圓柱體、球體、矩形塊、立方體，三棱體，以及V形結構等，其幾何結構尺寸在幾個微米到幾百納米范圍內。

基于微納粒子陣列實現的偏振分光器，具有體積小，厚度在光波長數量級，適用于光子學器件集成。實現偏振分光器的微納粒子包括硅材料和金屬材料。如圖2所示，采用硅材料的矩形塊微納粒子組成二維陣列，將波長1550nm的非偏振入射光分為偏振態正交的透射光和反射光[2]。該微納粒子陣列實現的偏振分光器，基于硅材料矩形塊微納粒子在透射和反射方向上，對正交偏振態光束產生的電磁多級子干涉效應不同，實現不同偏振態光波的透射和反射分光功能。基于該工作原理的光子學器件將非偏振光波沿著光束傳播方向實現了片外偏振分光，但沒有實現光波的片上光耦合功能。

基于微納粒子偏振分光的另外一個實現技術如圖3所示，非偏振態波長為1550nm的入射光從波導端口進入，當入射光傳輸到微納粒子陣列時，產生偏振分光，分光后的正交偏振光分別耦合到兩個具有偏置位移的波導中傳輸[3]。該技術將已經耦合進波導的非偏振光實現了偏振分光。沒有實現將片外的光源耦合進波導中的功能。同時，采用優化算法優化設計的微納粒子陣列是非規則的網格狀結構；器件的制備工藝誤差嚴重影響偏振分光效果。

微納粒子陣列的相位梯度是微納粒子結構尺寸、陣列形式的函數。設計不同相位梯度的微納粒子陣列，對入射偏振光產生前向側散射，并耦合進入微納粒子陣列下方波導中。如圖4所示，硅微納粒子陣列位于氮化硅波導上方，將1550nm波長的偏振入射光分光，并耦合進入相反方向的波導中，實現偏振分光與波導耦合功能。基于微納粒子相位梯度陣列的偏振分光器，其中優化設計的系列微納粒子尺寸，以及微納粒子間距尺寸相差很大；尤其是微納粒子陣列與光波導為兩層結構，這些要求對制備工藝帶來很大的挑戰。