本發(fā)明涉及一種基于非對(duì)稱(chēng)定向耦合器的硅基TE模檢偏器，屬于集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近幾年，絕緣硅片(SOI)材料系由于兼容成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝、能有效降低器件的尺寸等優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注。但是SOI材料中包層和芯層折射率差較大而帶來(lái)的雙折射現(xiàn)象大大制約了這種材料系在集成光子學(xué)中更廣泛、更深入的應(yīng)用，為了緩解雙折射帶來(lái)的負(fù)面影響，多種偏振處理器件被設(shè)計(jì)并制造出來(lái)。其中，檢偏器因?yàn)槟芟饴分胁恍枰钠窆舛粡V泛地應(yīng)用到光子回路中；通常，模式檢偏器分為T(mén)E和TM檢偏器。其中，TE檢偏器能通過(guò)TE偏振光而阻斷TM偏振光。目前，基于混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式檢偏器逐漸成為研究的熱點(diǎn)，因?yàn)榛谠摻Y(jié)構(gòu)的器件與SOI材料系兼容且展現(xiàn)出較為優(yōu)秀的性能，但是由于金屬材料的引入，混合等離子波導(dǎo)的歐姆損耗相比介質(zhì)波導(dǎo)的傳輸損耗要大很多，所以基于單一混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的模式檢偏器插入損耗普遍較高。因此，設(shè)計(jì)出一種具有緊湊結(jié)構(gòu)、高消光比、工作帶寬大且插入損耗較低的檢偏器就很有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是提供一種基于非對(duì)稱(chēng)定向耦合器的硅基TE模檢偏器，該檢偏器采用右路硅基水平槽式波導(dǎo)和左路混合等離子波導(dǎo)構(gòu)成的非對(duì)稱(chēng)定向耦合器結(jié)構(gòu)，將不同的偏振光分離開(kāi)，其中TM光耦合到左路并完全耗散；這種方案有效降低了檢偏器的插入損耗，提高了器件消光比，縮短了器件的尺寸。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種基于非對(duì)稱(chēng)定向耦合器的硅基TE模檢偏器，該檢偏器由下至上依次為硅基襯底、掩埋氧化層、檢偏部件和上包層，其中掩埋氧化層生長(zhǎng)于硅基襯底的上表面，上包層覆蓋掩埋氧化層的上表面，檢偏部件水平生長(zhǎng)于掩埋氧化層的上表面，并被上包層覆蓋；

所述檢偏部件包括輸入通道、右路直通通道、輸出通道、左路直通通道、左路彎曲通道和左路水平通道；

右路直通通道的一端和輸入通道相連、另一端和輸出通道相連接；

左路彎曲通道的一端和左路直通通道相連、另一端和左路水平通道相連接；其中，輸出通道、左路彎曲通道位于同一端；

輸入通道、右路直通通道和輸出通道均為硅基水平槽式波導(dǎo)，左路直通通道、左路彎曲通道和左路水平通道均為混合等離子波導(dǎo)；

左路直通通道和右路直通通道平行且對(duì)齊擺放，兩通道之間的距離為0.2～0.5μm，構(gòu)成非對(duì)稱(chēng)定向耦合器結(jié)構(gòu)。

其中：

所述的硅基水平槽式波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，其中中間部分為低折射率材料層，上層和底層均為硅波導(dǎo)層；所述的混合等離子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，其中底層是硅波導(dǎo)層，中間部分為低折射率材料層，上層是金屬覆蓋層。

所述的低折射率材料層的材料為二氧化硅或氮化硅，所述的金屬覆蓋層的金屬材料為介電常數(shù)虛部值大于40的高損耗金屬；

所述的介電常數(shù)虛部值大于40的高損耗金屬是指鉻、鋁、鋅。

所述的硅基水平槽式波導(dǎo)與混合等離子波導(dǎo)兩者的尺寸滿(mǎn)足以下條件：

1)硅基水平槽式波導(dǎo)與混合等離子波導(dǎo)的TE模有效折射率實(shí)部相差大于0.2，相位失配；

2)硅基水平槽式波導(dǎo)與混合等離子波導(dǎo)的TM模有效折射率實(shí)部相等，相位匹配。

所述的左路彎曲通道的彎曲角度為30°～90°，彎曲半徑為0.4～5μm，最優(yōu)選彎曲角度為90°。

所述的非對(duì)稱(chēng)定向耦合器結(jié)構(gòu)的耦合長(zhǎng)度L_C滿(mǎn)足下式：

式中：λ為自由空間波長(zhǎng)，表示硅基水平槽式波導(dǎo)和混合等離子波導(dǎo)構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)所支持的第0階TM模的有效折射率，表示硅基水平槽式波導(dǎo)和混合等離子波導(dǎo)構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)所支持的第1階TM模的有效折射率，Re表示取實(shí)部值，m為一正奇數(shù)。

所述的硅基襯底為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的硅晶元，所述的掩埋氧化層是在硅基襯底上熱生長(zhǎng)的厚的二氧化硅材料，所述的上包層的材料為二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或者空氣。

所述掩埋氧化層的厚度為2～3μm。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

1、插入損耗低：TE偏振光因?yàn)橄辔皇涠幌拗圃谟衣匪讲凼讲▽?dǎo)中傳輸，并沒(méi)有受到混合等離子波導(dǎo)歐姆損耗的影響，所以插入損耗較低，而且如調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低耦合距離，縮小器件尺寸，插入損耗能進(jìn)一步地降低。

2、工作帶寬大：本發(fā)明中的模式檢偏器需要滿(mǎn)足的重要條件是水平槽波導(dǎo)的TE模式不符合定向耦合器的相位匹配條件而TM模卻符合。而由于水平槽波導(dǎo)和混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及TM的模場(chǎng)分布均具有一定的相似性，通過(guò)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使得上述條件在較大帶寬范圍內(nèi)成立，即該模式檢偏器能在較大帶寬范圍內(nèi)正常工作。

3、消光比高：TE模式通過(guò)水平槽式波導(dǎo)幾乎無(wú)損地傳輸，而TM模式能完全耦合到左路混合等離子波導(dǎo)中，然后經(jīng)過(guò)彎曲波導(dǎo)和水平波導(dǎo)。選用損耗高的金屬覆蓋層材料，即金屬的介電常數(shù)虛部值大于40，如鋁、鉻、鋅，利用歐姆損耗，TM模式能量能在更短距離內(nèi)完全耗散。所以，基于水平槽波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)的TE模檢偏器可以實(shí)現(xiàn)很高的消光比。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中檢偏部件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中非對(duì)稱(chēng)的定向耦合器結(jié)構(gòu)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中混合等離子波導(dǎo)在低折射率材料層厚度不同的情況下TM₀模的傳輸損耗(dB/μm)與波導(dǎo)寬度(μm)的變化關(guān)系圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中混合等離子波導(dǎo)(HPWG)和硅基水平槽式波導(dǎo)(SWG)在1.55μm處0階模的有效折射率實(shí)部與波導(dǎo)寬度的變化關(guān)系圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中混合等離子波導(dǎo)(HPWG)和硅基水平槽式波導(dǎo)(SWG)中0階模的有效折射率實(shí)部與工作波長(zhǎng)的變化關(guān)系圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中非對(duì)稱(chēng)的定向耦合器結(jié)構(gòu)在1.55μm處前兩階TM超級(jí)模的有效折射率實(shí)部和對(duì)應(yīng)的耦合長(zhǎng)度與波導(dǎo)間距之間的關(guān)系；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中1.55μm工作波長(zhǎng)處TE₀模和TM₀模的主分量在偏振旋轉(zhuǎn)器中的傳輸圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例2改進(jìn)的檢偏部件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：輸入通道1、右路直通通道2、輸出通道3、非對(duì)稱(chēng)定向耦合器結(jié)構(gòu)4、左路直通通道5、左路彎曲通道6、左路水平通道7、硅基襯底8、掩埋氧化層9、上包層10、硅波導(dǎo)層11、低折射率材料層12、金屬覆蓋層13、檢偏部件14。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

實(shí)施例1

如圖1和圖2所示，該檢偏器由下至上依次為硅基襯底8、掩埋氧化層9、檢偏部件14和上包層10，其中掩埋氧化層9生長(zhǎng)于硅基襯底8的上表面，上包層10覆蓋掩埋氧化層9的上表面，檢偏部件14水平生長(zhǎng)于掩埋氧化層9的上表面，并被上包層10覆蓋；

所述檢偏部件14包括輸入通道1、右路直通通道2、輸出通道3、左路直通通道5、左路彎曲通道6和左路水平通道7；

右路直通通道2的一端和輸入通道1相連、另一端和輸出通道3相連接；

左路彎曲通道6的一端和左路直通通道5相連、另一端和左路水平通道7相連接；其中，輸出通道3、左路彎曲通道6位于同一端；

輸入通道1、右路直通通道2和輸出通道3均為硅基水平槽式波導(dǎo)，左路直通通道5、左路彎曲通道6和左路水平通道7均為混合等離子波導(dǎo)；

左路直通通道5和右路直通通道2平行且對(duì)齊擺放，兩通道之間的距離0.2～0.5μm，構(gòu)成非對(duì)稱(chēng)定向耦合器結(jié)構(gòu)4；

所述的左路彎曲通道6的彎曲角度為90°，彎曲半徑為1.5μm。

圖2是檢偏器中非對(duì)稱(chēng)的定向耦合器結(jié)構(gòu)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。耦合區(qū)域的左邊是混合等離子波導(dǎo)，右側(cè)是硅基水平槽式波導(dǎo)。硅基水平槽式波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，其中中間部分為低折射率材料層12，上層和底層均為硅波導(dǎo)層11；混合等離子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)也為三明治結(jié)構(gòu)，其中底層是硅波導(dǎo)層11，中間部分為低折射率材料層12，一般采用二氧化硅，上層是金屬覆蓋層13。

合理設(shè)計(jì)混合等離子波導(dǎo)與硅基水平槽式波導(dǎo)的尺寸使之滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：(1)兩種波導(dǎo)的TE模有效折射率實(shí)部相差大于0.2，相位失配；(2)兩種波導(dǎo)的TM模式的有效折射率實(shí)部相等，滿(mǎn)足相位匹配條件。這樣，當(dāng)輸入端口輸入TE模時(shí)，能量會(huì)被限制在右側(cè)的硅基槽式波導(dǎo)中；而當(dāng)TM模式進(jìn)入輸入端口時(shí)，由于滿(mǎn)足了相位匹配條件，如果耦合長(zhǎng)度L_C滿(mǎn)足：

那么，TM模式的能量會(huì)完全耦合到左側(cè)混合等離子波導(dǎo)中。(1)式中λ為自由空間波長(zhǎng)，表示硅基水平槽式波導(dǎo)和混合等離子波導(dǎo)構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)所支持的第0階TM模的有效折射率，表示硅基水平槽式波導(dǎo)和混合等離子波導(dǎo)構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)所支持的第1階TM模的有效折射率，Re表示取實(shí)部值，m為一正奇數(shù)。顯然，當(dāng)m＝1時(shí)，L_C距離最短。利用TM模在左路混合等離子波導(dǎo)中傳輸損耗較大的特性可以將耦合至左路的能量完全耗散掉。顯然，此處選用高損耗的金屬如鉻、鋁、鋅作為金屬覆蓋層的材料能使單位長(zhǎng)度傳輸損耗更大，可以有效降低器件長(zhǎng)度，使結(jié)構(gòu)更緊湊。而左路90°彎曲混合等離子波導(dǎo)不僅因?yàn)閺澢鷵p耗而加快TM的耗散，而且還能有效阻止能量耦合回右路波導(dǎo)中。

圖3給出了在1.55μm工作波長(zhǎng)、不同低折射率材料層12厚度下混合等離子波導(dǎo)中TM₀模的傳輸損耗(dB/μm)與波導(dǎo)寬度(μm)的變化關(guān)系圖。其中硅波導(dǎo)層11高度為0.22μm，低折射率材料層12的材料為二氧化硅，金屬覆蓋層13為鉻，厚度為0.22μm。從圖中可以看出，在相同波導(dǎo)寬度條件下，二氧化硅層越薄，TM模式傳輸損耗越大，越有利于降低器件的長(zhǎng)度。而同一二氧化硅層厚度情況下，寬度越小，TM模式的單位長(zhǎng)度損耗越大。

圖4給出了混合等離子波導(dǎo)和水平槽波導(dǎo)中基模的有效折射率實(shí)部與工作波長(zhǎng)的變化關(guān)系圖。這里硅波導(dǎo)層11高度均為0.22μm，低折射率材料層12(二氧化硅)的厚度為0.15μm，金屬覆蓋層13為鉻，厚度為0.22μm，工作波長(zhǎng)1.55μm。從圖中可以看出，當(dāng)混合等離子波導(dǎo)寬度為0.3μm，槽式波導(dǎo)寬度為0.32μm時(shí)，TM₀模能滿(mǎn)足相位匹配條件而TE₀模相位失配。

圖5給出了混合等離子波導(dǎo)和水平槽波導(dǎo)中0階模的有效折射率實(shí)部與工作波長(zhǎng)的變化關(guān)系圖?？梢钥闯?，在較大的帶寬范圍內(nèi)，TM₀模相位匹配而TE₀模相位失配的條件都能基本滿(mǎn)足。因此，偏振旋轉(zhuǎn)器能在較大的帶寬內(nèi)正常工作。

圖6給出了非對(duì)稱(chēng)定向耦合器結(jié)構(gòu)4在1.55μm工作波長(zhǎng)處前兩階TM超級(jí)模的有效折射率實(shí)部和對(duì)應(yīng)的耦合長(zhǎng)度與波導(dǎo)間距之間的關(guān)系。其中，TM超級(jí)模是指硅基水平槽式波導(dǎo)和混合等離子波導(dǎo)構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)所支持的TM模式。從圖中可知，當(dāng)混合等離子波導(dǎo)和中路帶狀波導(dǎo)間距小于0.3μm時(shí)，耦合長(zhǎng)度都小于10μm，可以實(shí)現(xiàn)緊湊的TE模檢偏器。

圖7分別給出了TE₀模E_x分量和TM₀模E_y分量在偏振旋轉(zhuǎn)器中的傳輸變化圖。可以看出，TE₀模式在傳輸過(guò)程中始終被限制在中間帶狀波導(dǎo)中，且?guī)缀鯖](méi)有損耗。而TM₀模式會(huì)耦合到左側(cè)混合等離子波導(dǎo)中，且能量隨著傳輸距離的增加而逐漸減小，并最終完全耗散。

實(shí)施例2:

如圖8改進(jìn)的檢偏部件14示意圖所示(硅基襯底8、掩埋氧化層9和上包層10與實(shí)施例1完全相同)，該改進(jìn)的檢偏部件14包括輸入通道1、右路直通通道2、輸出通道3、左路直通通道5、左路彎曲通道6和左路水平通道7；

右路直通通道2的一端和輸入通道1相連、另一端和輸出通道3相連接；

左路彎曲通道6的一端和左路直通通道5相連、另一端和左路水平通道7相連接；其中，輸出通道3、左路彎曲通道6位于同一端；

輸入通道1、右路直通通道2和輸出通道3均為硅基水平槽式波導(dǎo)，左路直通通道5、左路彎曲通道6和左路水平通道7均為混合等離子波導(dǎo)；

左路直通通道5和右路直通通道2平行且對(duì)齊擺放，兩通道之間的距離0.2～0.5μm，構(gòu)成非對(duì)稱(chēng)定向耦合器結(jié)構(gòu)4；

所述的左路彎曲通道6彎曲角度為90°，彎曲半徑為1.5μm；

所述的左路水平通道7為錐形，這樣的設(shè)計(jì)能將左側(cè)波導(dǎo)中剩余的TM模轉(zhuǎn)換成錐形結(jié)構(gòu)中的輻射模，更快速地將能量耗散掉，有利于縮短器件的尺寸。

以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。