CN101546015B - 基于狭缝结构的硅光波导偏振分离器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于狭缝结构的硅光波导偏振分离器。包括输入结构，两根狭缝波导结构的分支臂和输出结构；三个结构依次相连，两根狭缝波导结构的分支臂的狭缝两侧以及输入结构中两根狭缝波导结构的分支臂之间的狭缝两侧的波导均为硅波导，狭缝中沉积二氧化硅，并以二氧化硅作为上包层。两根分支臂的宽度不对称。输入波导通过第一组模斑转换结构与分支臂前端相连。分支臂后端通过第二组模斑转换结构与输出波导相连。通过调节狭缝宽度和狭缝两侧的波导的宽度，不借助任何外加有源调制手段，实现偏振分离功能。本结构兼容于CMOS加工工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种光通信器件，特别是涉及一种基于狭缝结构的硅光波导偏振分离器。
背景技术
光波导偏振分离器是现代集成光学及光通信系统的重要器件之一，特别应用于辅助单一偏振模式的器件的工作。光波通过偏振分离器后，仅允许横电模(TE)或横磁模(TM)传输，而其他模式全部截止。目前已实现的偏振分离器包括金属包层偏振分离器、双折射偏振分离器等等。但是金属包层的结构会导致很大的插入损耗；而双折射结构比较复杂且器件长度较长，通常在毫米量级。
硅材料(主要是SOI材料)作为40多年来迅速发展的微电子技术的支柱材料，近年来在集成光子技术中引起越来越多的关注。它的应用领域包括光互连、光通信、光传感等诸多方面。由于可与标准的CMOS工艺相兼容，具有非常广阔的市场前景。且成本低廉，便于实现单片集成与片间互连。但作为集成光子技术的新兴材料，对它的研究在很多方面还很不成熟。
基于硅材料实现较小尺寸的偏振分离功能将具有比较大的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于狭缝结构的硅光波导偏振分离器。由狭缝波导结构构成分支臂，通过调节狭缝的宽度和狭缝两侧硅波导的宽度，不借助任何外加有源调制手段，实现了偏振分离功能，且器件长度较小。
本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：本发明包括输入结构、左半支狭缝波导结构的分支臂、右半支狭缝波导结构的分支臂、左半支输出结构和右半支输出结构，输入结构的左输出端经左半支狭缝波导结构的分支臂与左半支输出结构相连，输入结构的右输出端经右半支狭缝波导结构的分支臂与右半支输出结构相连，两根狭缝波导结构的分支臂呈Y型分叉结构；左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝宽度小于右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝宽度，左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导和左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导宽度相等，右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导宽度大于右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导宽度。
所述左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导、左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导、右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导和右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导均为硅波导；左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝、右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝、以及输入结构的第一组模斑转换结构中两根狭缝波导结构的分支臂之间的狭缝中沉积二氧化硅，并以二氧化硅作为上包层。
所述输入结构，由输入波导和第一组模斑转换结构构成。
所述左半支输出结构由左半支第二组模斑转换结构和输出波导构成；右半支输出结构由右半支第二组模斑转换结构和输出波导构成。
所述输入结构中的第一组模斑转换结构为三狭缝结构或双狭缝分支结构。
所述左半支第二组模斑转换结构和右半支第二组模斑转换结构均为单狭缝结构。
本发明具有的有益效果是：
本发明引入狭缝结构后，由于可以在多个维度上灵活调节狭缝宽度、狭缝两侧波导宽度，从而任意影响光场分布，极大的改进了偏振分离效果。狭缝造成的光场能量集中有利于在较短器件长度内完成模式切换。为实现基于硅基的较小尺寸的波导偏振分离器提供了一种新的方案。整个结构兼容于CMOS加工工艺，不使用任何有源调制手段，制作简单，便于单片集成。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的A-A’的结构剖面图。
图3是图1的B-B’的结构剖面图。
图4是图1的C-C’的结构剖面图。
图5是图1的D-D’的结构剖面图。
图6是由三狭缝结构组成的第一组模斑转换结构示意图。
图7是由双狭缝分支结构组成的第一组模斑转换结构示意图。
图8是由单狭缝结构组成的左半支第二组模斑转换结构示意图。
图9是由单狭缝结构组成的右半支第二组模斑转换结构示意图。
图中：1、输入波导，2、第一组模斑转换结构，3、左半支狭缝波导结构的分支臂，4、右半支狭缝波导结构的分支臂，5、左半支第二组模斑转换结构，6、右半支第二组模斑转换结构，7、输出波导，8、输入输出硅波导，9、SOI材料的二氧化硅缓冲层，10、SOI材料的硅衬底，11、左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导，12、左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导，13、左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝，14、右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导，15、右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导，16、右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝，17、第一组模斑转换结构中两根狭缝波导结构的分支臂之间的狭缝，18、输入结构，19、左半支输出结构，20、右半支输出结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1、图3、图4、图5所示，本发明包括输入结构18、左半支狭缝波导结构的分支臂3、右半支狭缝波导结构的分支臂4、左半支输出结构19和右半支输出结构20，输入结构18的左输出端经左半支狭缝波导结构的分支臂3与左半支输出结构19相连，输入结构18的右输出端经右半支狭缝波导结构的分支臂4与右半支输出结构20相连，两根狭缝波导结构的分支臂呈Y型分叉结构；左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝13宽度小于右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝16宽度，左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导11和左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导12宽度相等，右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导14宽度大于右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导15宽度。
参照图1、图3、图4、图5所示，所述左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导11、左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导12、右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导14和右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导15均为硅波导；左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝13、右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝16、以及输入结构18的第一组模斑转换结构中两根狭缝波导结构的分支臂之间的狭缝17中沉积二氧化硅，并以二氧化硅作为上包层。
参照图1所示，所述输入结构18，由输入波导1和第一组模斑转换结构2构成。
参照图1所示，所述左半支输出结构19由左半支第二组模斑转换结构5和输出波导7构成；右半支输出结构20由右半支第二组模斑转换结构6和输出波导7构成。
参照图6、图7所示，所述输入结构18中的第一组模斑转换结构2为三狭缝结构或双狭缝分支结构。
参照图8、图9所示，所述左半支第二组模斑转换结构5和右半支第二组模斑转换结构6均为单狭缝结构
参照图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明是以SOI材料为平台，以二氧化硅为分支臂狭缝填充物质并作为上包层，通过调节狭缝宽度及狭缝两侧硅波导宽度实现开关功能的硅光波导偏振分离器。本发明中硅波导高度h均为320纳米，输入波导1、输出波导7宽度Wg均为400纳米。左半支狭缝波导结构的分支臂3、右半支狭缝波导结构的分支臂4之间夹角为0.3°。左半支狭缝结构的分支臂的狭缝13的宽度Wsl为80纳米，左半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝外侧的波导11的宽度Wlo和左半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝内侧的波导12的宽度Wli均为250纳米。右半支狭缝结构的分支臂的狭缝16宽度Wsr为140纳米，右半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝内侧的波导14的宽度Wri为290纳米，右半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝外侧的波导15的宽度Wro为260纳米。第一组模斑转换结构中两根狭缝波导结构的分支臂之间的狭缝17的宽度Wsm为80纳米。利用狭缝波导的特性，在左半支狭缝结构的分支臂的狭缝13、右半支狭缝结构的分支臂的狭缝16、以及第一组模斑转换结构中两根狭缝波导结构的分支臂之间的狭缝17中间填充以低折射率的二氧化硅，实现对光场的限制。
以下为本发明的实施例，但对本发明的实施并不仅限于以下实施例：
实施例1：
参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图8、图9所示，由非对称狭缝结构形成分支臂的Y分叉型硅光波导偏振分离器。取顶层硅厚度为340纳米，二氧化硅缓冲层9厚度为1微米的SOI片子，在顶层热氧化出一层二氧化硅作为掩膜，采用E-beam直写的方法，刻蚀出器件结构。包括输入波导1，三狭缝结构的第一组模斑转换结构2，左半支狭缝波导结构的分支臂3，右半支狭缝波导结构的分支臂4，单狭缝结构的左半支第二组模斑转换结构5和右半支第二组模斑转换结构6，和两根输出波导7。左半支狭缝波导结构的分支臂3、右半支狭缝波导结构的分支臂4之间夹角为0.3°。左半支狭缝结构的分支臂的狭缝13宽度Wsl为80纳米，左半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝外侧的波导11的宽度Wlo和左半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝内侧的波导12的宽度Wli均为250纳米。右半支狭缝结构的分支臂的狭缝16宽度Wsr为140纳米，右半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝内侧的波导14的宽度Wri为290纳米，右半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝外侧的波导15的宽度Wro为260纳米。第一组模斑转换结构中两根狭缝波导结构的分支臂之间的狭缝17的宽度为80纳米。利用狭缝波导的特性，在左半支狭缝结构的分支臂的狭缝13、右半支狭缝结构的分支臂的狭缝16、以及第一组模斑转换结构中两根狭缝波导结构的分支臂之间的狭缝17中间沉积以低折射率的二氧化硅，实现对光场的限制。并作为器件的上包层。输入波导1和输出波导7均能同时支持横电模TE和横磁模TM。
高斯形式分布的横电模TE和横磁模TM同时通过输入波导1输入器件，经过第一组模斑转换结构2转换成非高斯形式的狭缝模式，分别引入左半支狭缝波导结构的分支臂3和右半支狭缝波导结构的分支臂4。对横电模来说，上述结构的器件，右半支狭缝波导结构的分支臂4的有效折射率高于左半支狭缝波导结构的分支臂3，故而横电模经由较高有效折射率的右半支狭缝波导结构的分支臂4输入右半支第二组模斑转换结构6，再次转换成高斯形式分布的模场，从右侧输出波导7输出。而对横磁模来说，上述结构的器件，左半支狭缝波导结构的分支臂3的有效折射率高于右半支狭缝波导结构的分支臂4，故而横磁模经由较高有效折射率的左半支狭缝波导结构的分支臂3输入左半支第二组模斑转换结构5，再次转换成高斯形式分布的模场，从左侧输出波导7输出。器件从而完成了偏振分离功能，同时通过左右两根输出波导分别输出分离后的横磁模和横电模，两种模式的消光比均达到了30dB以上。整个器件长度小于650微米。
实施例2：
参见图1、图2、图3、图4、图5、图7、图8、图9所示，由非对称狭缝结构形成分支臂的Y分叉型硅光波导偏振分离器。取顶层硅厚度为340纳米，二氧化硅缓冲层9厚度为1微米的SOI片子，在顶层热氧化出一层二氧化硅作为掩膜，采用E-beam直写的方法，刻蚀出器件结构。包括输入波导1，双狭缝分支结构的第一组模斑转换结构2，左半支狭缝波导结构的分支臂3，右半支狭缝波导结构的分支臂4，单狭缝结构的左半支第二组模斑转换结构5和右半支第二组模斑转换结构6，和两根输出波导7。左半支狭缝波导结构的分支臂3、右半支狭缝波导结构的分支臂4之间夹角为0.3°。左半支狭缝结构的分支臂的狭缝13宽度Wsl为80纳米，左半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝外侧的波导11的宽度Wlo和左半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝内侧的波导12的宽度Wli均为250纳米。右半支狭缝结构的分支臂的狭缝16宽度Wsr为140纳米，右半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝内侧的波导14的宽度Wri为290纳米，右半支狭缝结构的分支臂的狭缝狭缝外侧的波导15的宽度Wro为260纳米。第一组模斑转换结构中两根狭缝波导结构的分支臂之间的狭缝17的宽度为80纳米。利用狭缝波导的特性，在左半支狭缝结构的分支臂的狭缝13、右半支狭缝结构的分支臂的狭缝16、以及第一组模斑转换结构中两根狭缝波导结构的分支臂之间的狭缝17中间沉积以低折射率的二氧化硅，实现对光场的限制。并作为器件的上包层。输入波导1和输出波导7均能同时支持横电模TE和横磁模TM。
高斯形式分布的横电模TE和横磁模TM同时通过输入波导1输入器件，经过第一组模斑转换结构2转换成非高斯形式的狭缝模式，分别引入左半支狭缝波导结构的分支臂3和右半支狭缝波导结构的分支臂4。对横电模来说，上述结构的器件，右半支狭缝波导结构的分支臂4的有效折射率高于左半支狭缝波导结构的分支臂3，故而横电模经由较高有效折射率的右半支狭缝波导结构的分支臂4输入右半支第二组模斑转换结构6，再次转换成高斯形式分布的模场，从右侧输出波导7输出。而对横磁模来说，上述结构的器件，左半支狭缝波导结构的分支臂3的有效折射率高于右半支狭缝波导结构的分支臂4，故而横磁模经由较高有效折射率的左半支狭缝波导结构的分支臂3输入左半支第二组模斑转换结构5，再次转换成高斯形式分布的模场，从左侧输出波导7输出。器件从而完成了偏振分离功能，同时通过左右两根输出波导分别输出分离后的横磁模和横电模，两种模式的消光比均达到了30dB以上。整个器件长度小于700微米。
Claims (5)
1.一种基于狭缝结构的硅光波导偏振分离器，包括输入结构(18)、左半支狭缝波导结构的分支臂(3)、右半支狭缝波导结构的分支臂(4)、左半支输出结构(19)和右半支输出结构(20)，输入结构(18)的左输出端经左半支狭缝波导结构的分支臂(3)与左半支输出结构(19)相连，输入结构(18)的右输出端经右半支狭缝波导结构的分支臂(4)与右半支输出结构(20)相连，两根狭缝波导结构的分支臂呈Y型分叉结构；其特征在于：左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝(13)宽度小于右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝(16)宽度，左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导(11)和左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导(12)宽度相等，右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导(14)宽度大于右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导(15)宽度；
所述左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导(11)、左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导(12)、右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝内侧的波导(14)和右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝外侧的波导(15)均为硅波导；左半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝(13)、右半支狭缝波导结构的分支臂的狭缝(16)、以及输入结构(18)的第一组模斑转换结构中两根狭缝波导结构的分支臂之间的狭缝(17)中沉积二氧化硅，并以二氧化硅作为上包层。
2.根据权利要求1所述的一种基于狭缝结构的硅光波导偏振分离器，其特征在于：所述输入结构(18)，由输入波导(1)和第一组模斑转换结构(2)构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于狭缝结构的硅光波导偏振分离器，其特征在于：所述左半支输出结构(19)由左半支第二组模斑转换结构(5)和输出波导(7)构成；右半支输出结构(20)由右半支第二组模斑转换结构(6)和输出波导(7)构成。
4.根据权利要求3所述的一种基于狭缝结构的硅光波导偏振分离器，其特征在于：所述输入结构(18)中的第一组模斑转换结构(2)为三狭缝结构或双狭缝分支结构。
5.根据权利要求4所述的一种基于狭缝结构的硅光波导偏振分离器，其特征在于：所述左半支第二组模斑转换结构(5)和右半支第二组模斑转换结构(6)均为单狭缝结构。
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| PB01 | Publication | ||
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Granted publication date: 20100804 Termination date: 20110430 |