CN103018832A - 一种偏振分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振分束器。该偏振分束器由两个波导芯构成，分别是水平狭缝波导结构和混合等离子波导结构，水平狭缝波导结构和等离子波导结构由类似三明治结构组成，其中混合等离子波导由第一高折射率介质层、第一低折射率介质、金属层组成，水平狭缝波导结构由依次沉积在基底层上的第二高折射率介质层、第二低折射率介质层、第三高折射率介质层组成，水平狭缝波导结构和混合等离子波导之间相隔一定厚度的空气间隙。本发明利用两种波导偏振特性的不同，增大了混合等离子波导中两偏振模式的折射率差，为实现高消光比、宽带宽以及小尺寸的偏振分束器件提供方案。

Description

一种偏振分束器
技术领域
本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种基于硅基狭缝波导以及混合等离子波导结构的偏振分束器。
背景技术
传统的介质光波导通常以高折射率材料作为波导芯，以低折射率材料作为包层，光场主要被限制在波导芯中传输。尽管也有研究学者们提出譬如用光子晶体来实现对光的约束，但其导光机制是基于光子带隙原理，事实上，我们更多的是采用类似如传统波导中基于全反射导光原理的结构。近几年来，硅基波导技术的快速发展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、光传感等方面。此外，由于可与标准的CMOS工艺相兼容，具有非常广阔的市场前景。更为重要的是，由于硅基波导打破了光的衍射极限，因而相关器件的尺寸可以相对较小。
然而，硅基波导结构中由于芯和包层材料的巨大折射率差导致这种硅基波导的相关器件具有很强的偏振依赖特性。为解决这种偏振依赖特性的缺点，科学家们分别提出了诸如偏振旋转器，偏振分束器以及偏振器等等相关器件。但作为偏振分束器的相关研究还不成熟，主要体现在以下几个方面：一是器件的消光比较低，二是器件的工作带宽比较窄，三是器件的尺寸的比较大，不利于器件的高度集成化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于狭缝波导以及混合等离子波导偏振分束器件。水平狭缝波导结构和混合等离子波导构成该偏振分束器的两个波导芯，由于混合等离子波导的引入，使得该波导芯两个偏振方向的模式有效折射率差比较大（TM模有效折射率大于TE模有效折射率），利于实现偏振分束；水平狭缝波导结构同样使得该芯的两个偏振方向的模式有效折射率差比较大（TE模有效折射率大于TM模有效折射率）。通过两个波导的耦合实现了两偏振光的分离。
本发明的技术方案为：一种硅偏振分束器，由基底层，水平狭缝波导结构、混合等离子波导结构、空气覆层组成，所述水平狭缝波导结构和混合等离子波导结构等长、等高、等宽，并对称的沉积在基底层上, 所述水平狭缝波导结构和混合等离子波导结构之间相隔一定厚度的空气间隙；所述空气覆层包围在所述水平狭缝波导结构和混合等离子波导结构周围；所述水平狭缝波导结构由宽度相同的第二高折射率介质层、第二低折射率介质层和第三高折射率介质层叠加组成；所述混合等离子波导结构由宽度相同的第一高折射率介质层、第一低折射率介质层和金属层叠加组成；所述水平狭缝波导结构的宽度为所传输光信号的波长的0.14-0.35倍；所述第一高折射率介质层、第二高折射率介质层、第三高折射率介质层和金属层的高度均为所传输光信号的波长的0.06-0.2倍；所述第一低折射率介质层和第二低折射率介质层的高度均为所传输光信号的波长的0.01-0.05倍。
所述第一高折射率介质层 ，第二高折射率介质层、第三高折射率介质层的折射率与基底层的折射率的差值不小于。
所述第一低折射率介质层的折射率与基底层的折射率的差值不大于0.01。
所述的第二低折射率介质层的折射率与基底层的折射率的差值范围为0.07-0.7。
所述的金属层5由金或银组成。
本发明的有益效果是：本发明同时引入水平狭缝波导结构和混合等离子波导两种结构后，由于两种波导都能产生较大的折射率差，为实现偏振光的分离提供便利。此外，狭缝波导和等离子波导结构均呈三明治结构，中间层可以填充材料的选择性比较大，大大丰富了器件的应用范围。此外，两种波导所产生较大的折射率差是导致器件尺寸短的一个关键因素，最终实现光路的高度集成化。
附图说明
图1为本发明的一种实施例的横截面示意图；
图2为水平狭缝波导结构和混合等离子波导两个独立波导芯的模式有效折射率曲线；
图3 为传输过程中的模场分布图；
图4为两波导芯中的能量随着传输距离的变化曲线；
图5为偏振分束器的消光比与波长的关系曲线；
其中，1-基底层、2-空气覆层、3-第一高折射率介质层、4-第一低折射率介质层、5-金属层、6-第二高折射率介质层、7-第二低折射率介质层、8-第三高折射率介质层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
    图1是本发明所述基于水平狭缝波导结构和混合等离子波导偏振分束器横截面示意图。其由基底层1，水平狭缝波导结构、混合等离子波导结构、空气覆层2组成，所述水平狭缝波导结构和混合等离子波导结构等长、等高、等宽，并对称的沉积在基底层1上, 所述水平狭缝波导结构和混合等离子波导结构之间相隔一定厚度的空气间隙；所述空气覆层2包围在所述水平狭缝波导结构和混合等离子波导结构周围；所述水平狭缝波导结构由宽度相同的第二高折射率介质层6、第二低折射率介质层7和第三高折射率介质层8叠加组成；所述混合等离子波导结构由宽度相同的第一高折射率介质层3、第一低折射率介质层4和金属层5叠加组成；
由于所述的水平狭缝波导结构的宽度必须保证在纳米尺寸范围内，因而不宜过大。同时，为保证水平狭缝波导结构中能够存在传输的模式，其宽度不能过小；综合考虑，水平狭缝波导结构的宽度w 1 应在0.14~0.35倍的光波长λ之间，即0.35λ≤w 1 ≤0.5λ。
又由于所述第一高折射率介质层3 ，第二高折射率介质层6、第三高折射率介质层8和金属层5的高度h1不能过大也不能过小，因为过大或过小都会影响波导芯中模式的有效折射率值。此外，所述第一高折射率介质层3 ，第二高折射率介质层6、第三高折射率介质层8和金属层5的高度h1决定于水平狭缝波导结构的宽度w1。综合考虑，所述第一高折射率介质层3 ，第二高折射率介质层6、第三高折射率介质层8和金属层5的高度均为所传输光信号的波长的0.06-0.2倍；
所述第一低折射率介质层4和第二低折射率介质层7的高度h2过大或过小都会对波导芯中存在的两个偏振方向的模式有效折射率影响较大，甚至导致其中一个偏振方向的模式损耗过大。综合考虑h2应为所传输光信号的波长的0.01-0.05倍。所述第一高折射率介质层3 ，第二高折射率介质层6、第三高折射率介质层8的折射率与基底层1的折射率的差值不小于2；
从偏振分束的原理得知，要实现两个偏振方向的光有效分离，对其模式有效折射率大小的调节显得尤为重要，特别地，介质层4和介质层7折射率的选择对波导芯中模式折射率的影响比较大。优选地，所述第一低折射率介质层4的折射率与基层1的折射率的差值不大于0.01；所述的第二低折射率介质层7的折射率与基层1的折射率的差值范围为0.07-0.7。
双芯波导结构基底层1材料为纯石英，包层材料空气。我们计算了双芯波导的模式有效折射率，很明显，由于两波导TM模的有效折射率在一定的波长范围内比较接近，且在工作波长为λ=1.55 μm时两曲线相交，折射率差为零也即相位匹配。而TE模有效折射率在所给的波长范围内相差很大（大于0.25），因此能量完全不耦合，如图2所示。进一步，我们给出了一个特殊情况，即工作波长为λ=1.55 μm时两波导芯的超模（如图3所示），从图3中很明显可以看出，TE模因为巨大的折射率致使模场分别被限制在各自波导中，而TM不同，它形成超模（奇模和偶模）分布在两个波导芯中，从而证实了我们想法的正确性。图4给出了由水平狭缝波导结构芯中输入一束光（TE和TM），能量在两波导中传输情况。很明显，TM模由于相位匹配，能量在两个波导中周期性的能量转化，并定义为传输一个周期的长度为波导的耦合长度；TE模由于相位不匹配，仍会从输入端输出。同时，我们还计算出了该偏振分束装置长度为5 μm时的消光比和带宽如图5所示。从图中可以看出，在波长λ=1.55 μm，ERTE=-27 dB， ERTM=-56 dB，并且有λ=1.5 μm ~1.6 μm达到100 nm的带宽范围内分光比ERTE和ERTM 均低于-20 dB。

Claims (6)

1.一种偏振分束器，由基底层（1），水平狭缝波导结构、混合等离子波导结构、空气覆层（2组成，其特征在于：所述水平狭缝波导结构和混合等离子波导结构等长、等高、等宽，并对称的沉积在基底层（1）上，所述水平狭缝波导结构和混合等离子波导结构之间相隔一定厚度的空气间隙；所述空气覆层（2）包围在所述水平狭缝波导结构和混合等离子波导结构周围；所述水平狭缝波导结构由宽度相同的第二高折射率介质层（6）、第二低折射率介质层（7）和第三高折射率介质层（8）叠加组成；所述混合等离子波导结构由宽度相同的第一高折射率介质层（3）、第一低折射率介质层（4）和金属层（5）叠加组成；所述水平狭缝波导结构的宽度为所传输光信号的波长的0.14-0.35倍。
2.根据权利要求书1所述的一种偏振分束器，其特征在于，所述第一高折射率介质层（3）、第二高折射率介质层（6）、第三高折射率介质层（8）和金属层（5）的高度均为所传输光信号的波长的0.06-0.2倍；所述第一低折射率介质层（4）和第二低折射率介质层（7）的高度均为所传输光信号的波长的0.01-0.05倍。
3.根据权利要求书1所述的一种偏振分束器，其特征在于，所述第一高折射率介质层（3）、第二高折射率介质层（6）、第三高折射率介质层（8）的折射率与基底层（1）的折射率的差值不小于2。
4.根据权利要求书1所述的一种偏振分束器，其特征在于，所述第一低折射率介质层（4）的折射率与基底层（1）的折射率的差值不大于0.01。
5.根据权利要求书1所述的一种偏振分束器，其特征在于，所述的第二低折射率介质层（7）的折射率与基底层（1）的折射率的差值范围为0.07-0.7。
6.根据权利要求书1所述的一种偏振分束器，其特征在于，所述的金属层（5）由金或银组成。
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