CN103558661B - 一种基于硅基l形波导结构的集成偏振转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅基L形波导结构的集成偏振转换器，该偏振转换器包括用于输入光信号的输入波导、用于输出光信号的输出波导、用于偏振旋转的硅基L形波导，以及包层，输入波导和输出波导分别与硅基L形波导直接端面耦合，在硅基L形波导的纵臂上设有横向狭缝，在硅基L形波导的横臂上设有纵向狭缝，包层包覆在输入波导、输出波导和硅基L形波导的外侧。集成偏振转换器具有易于实现、转换效率高、结构紧凑、损耗小、制造容差大等优点。

Description

一种基于硅基L形波导结构的集成偏振转换器

技术领域

本发明属于集成光学技术领域，具体来说，涉及一种基于硅基L形波导结构的集成偏振转换器。

背景技术

随着人们对信息交换的需求日益增长，光通信系统需要越来越大的传输容量和越来越快的处理速度，对于电路与光路的集成度的要求也越来越高。因此，大规模的光子集成回路（PIC）是未来发展的方向。近来，基于绝缘体上硅（SOI）平台的的PIC开始获得广泛的关注和应用。这首先得益于二氧化硅和硅之间超高折射率差的特性，能将光场很好的限制在芯层，因而能够实现亚微米尺寸的器件横截面以及小半径的波导弯曲。另外，SOI与成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，大大降低了制造难度，使得PIC的大规模生产成为可能。

光是一种矢量场，它在光波导中具有两个主要的且正交的偏振态，分别为横向电场（TE）和横向磁场（TM）模式。由于极高的结构双折射，基于SOI的光器件对光偏振态十分敏感，即对于不同的偏振态会产生不同的响应，所以在设计光学系统时偏振态的影响要考虑在内。比如，单模光纤中的偏振态会随机变化，如果将其与基于SOI的光学器件连接，随机偏振态的输入光会在后者的传输过程中造成不确定的结果，因此对光偏振态的控制和管理就相当重要。偏振旋转器就是一类用于控制偏振的器件。

早期，偏振旋转器主要依靠LiNbO₃和InP的电光效应来实现。然而由于电光效应并不是很强，因此这样的器件尺寸很大，而且需要两个偏振的相位匹配，实现起来比较困难。后来利用周期性的端面耦合波导来实现TE模和TM模之间的能量传递，其中每一段波导都是不对称的结构，利用其光轴偏转特性使偏振发生部分的旋转，经过一定的累积达到90°的偏转。但是这种波导型偏振旋转器的尺寸很长（接近1mm），波导连接处损耗较大，而且由于级联导致其带宽很有限。为了克服以上的缺点，现在的研究重点集中在单段式的偏振旋转器上，即在一段直波导上实现完整的偏振转换，因此可以大大减小尺寸。一种实现的方法是利用模式演变，使一种偏振态绝热地耦合到另一种偏振态。这种方法需要波导截面在纵向缓慢变化，因此制造有一定的难度。另外，集成光学器件对光功率的集中有一定的要求，光场越集中在芯层的波导，其散射到包层的能量越少，在传输中损耗的能量也越少。因此，期望有一种波导结构能实现单段式、结构简单、尺寸小又能集中光能量的偏振旋转器。

发明内容

技术问题：为了克服现有偏振旋转器的不足，本发明提供一种基于硅基L形波导结构的集成偏振转换器，具有易于实现、转换效率高、结构紧凑、损耗小、制造容差大等优点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于硅基L形波导结构的集成偏振转换器，该偏振转换器包括用于输入光信号的输入波导、用于输出光信号的输出波导、用于偏振旋转的硅基L形波导，以及包层，输入波导和输出波导分别与硅基L形波导直接端面耦合，在硅基L形波导的纵臂上设有横向狭缝，在硅基L形波导的横臂上设有纵向狭缝，包层包覆在输入波导、输出波导和硅基L形波导的外侧。

进一步，所述的横向狭缝中设有横向填充层，所述的纵向狭缝中设有纵向填充层，且制成横向填充层与纵向填充层的填充材料的折射率都低于硅的折射率。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.结构紧凑。由于本发明的核心元件为一条硅基L形波导，其横截面在z方向不变，因此结构比多波导的偏振旋转器简单，制造方便。利用L形波导不对称的横截面造成的光轴旋转来改变入射光的偏振态，原理简单易于实现。由于L形波导结构的高度不对称性，波导的两个最低阶模的偏振态会发生混合。因此光轴会偏离坐标系的水平或垂直轴，与其成一个角度。当本征模强烈混合，即模式中TE与TM这两个偏振态的大小几乎相同时，光轴与水平方向成45°角。因此，输入光信号经过一定距离的传输，其偏振态将被旋转90°。这个距离称为半拍长度L_π＝π/（β₀-β₁)，其中β₀和β₁分别是两个最低阶模的传播常数。这样就实现了结构简单、小尺寸的单波导偏振旋转器件。

2.在L形硅纳米线的横臂与纵臂各开了一条狭缝。根据电磁场的边值关系，垂直于高折射率差分布的材料分界面上的电场分量将出现不连续性，由于缝的宽度（纳米量级）远小于矩形波导的特征衰减长度，使得低折射率的缝中的电场大大增强。因此，该结构的TE模与TM模都能够很好的限制在缝区域中，且光功率密度远大于没有开狭缝的普通波导结构。在L形纳米线波导的基础上在横臂和纵臂各开一条狭缝，形成波导的结构。缝波导能够将光场集中在低折射率的缝区域，其光场限制能力较传统的波导结构大很多。

3.由于采用了高折射率差的绝缘体上硅材料，器件的尺寸能够控制的很小。

4.本发明可在硅基芯片上利用成熟的CMOS加工工艺实现单片集成，对于硅光子学的发展有着重要的意义。

附图说明

图1为本发明的俯视图。

图2为本发明中缝区域无填充物的横截面图。

图3为本发明中缝区域增加填充层的横截面图。

图4为本发明中硅基L形波导结构准TE模的主分量模场分布图。

图5为本发明中硅基L形波导结构准TM模的主分量模场分布图。

图6为本发明器件的归一化功率密度与缝区域的参数的变化关系图。

图7为本发明的偏振转换长度与缝区域的参数的变化关系图。

图8为从输入波导中输入TE偏振模时，本发明的偏振旋转器中TE模的传输图。

图9为从输入波导中输入TE偏振模时，本发明的偏振旋转器中TM模的传输图。

图中标号说明如下：输入波导1，输出波导2，L形波导3，L形波导的纵臂31，L形波导的横臂32，横向狭缝41，纵向狭缝42，横向填充层51，纵向填充层52，包层6。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1、图2和图3所示，本发明的一种基于硅基L形波导结构的集成偏振转换器，包括用于输入光信号的输入波导1，用于输出光信号的输出波导2，以及用于偏振旋转的硅基L形波导3，输入波导1和输出波导2分别与硅基L形波导3直接端面耦合，在硅基L形波导3的纵臂31上设有横向狭缝41，在硅基L形波导3的横臂32上设有纵向狭缝42。

作为优选方案，横向狭缝41中设有横向填充层51，纵向狭缝42中设有纵向填充层52，且制成横向填充层51与纵向填充层52的填充材料的折射率低于硅的折射率。通过改变填充层的折射率可以改变光场的限制情况和器件的长度，低折射率的填充层能够使光很好地限制在缝区域中。

本发明的偏振旋转器件结构紧凑、性能优异、易于集成，可用于光信息处理、光通信和集成光学等领域。该器件结构非常简单，包括一个可输入信号光的输入波导1，一个输出波导2和一个L形波导3，输入波导1和输出波导2分别与L形波导3直接端面耦合。包层6可选择为二氧化硅材料，L形波导3芯层为硅。在L形波导的横臂与纵臂各开了一条狭缝。根据电磁场的边值关系，垂直于高折射率差分布的材料分界面上的电场分量将出现不连续性，由于缝的宽度（纳米量级）远小于矩形波导的特征衰减长度，使得低折射率的缝区域中的电场大大增强。因此，该结构的TE模与TM模都能够很好的限制在缝区域中。利用有限元数值解法可以计算出该器件在L形波导的横截面上TE、TM偏振的模场分布，结果如图4和图5所示，L形波导的TE偏振模主要集中在纵向狭缝中，而TM偏振模主要集中在横向狭缝中，而不像普通波导结构一样能量分布在整个波导范围内。

本发明利用L形波导的光轴偏转特性，输入光经过半拍长距离的传输，其偏振态会发生90°的旋转。由于L形波导在介质边界面上的高折射率差，光场能够集中在低折射率的狭缝区域，从而获得比一般波导结构更高的光功率密度。本发明具有易于制造、结构紧凑、损耗小等优点。

由于在L形波导中引入低折射率狭缝，波导的光场限制能力得到很大的提升。用归一化功率密度I_slot来衡量光功率的集中程度， $I_{\mathrm{slot}}=\frac{P_{\mathrm{slot}}}{A_{\mathrm{slot}}}=\frac{{\∫\∫}_{\mathrm{slot}}\mathrm{Re}(E\×H^{*})\·\hat{z}\mathrm{dxdy}}{{\∫\∫}_{\mathrm{total}}\mathrm{Re}(E\×H^{*})\·\hat{z}\mathrm{dxdy}}\·\frac{1}{A_{\mathrm{slot}}},$ 其中P_slot为两个缝区域（即横向狭缝41和纵向狭缝42）的功率与总功率之比，A_slot为两个缝区域的总面积。 ${\∫\∫}_{\mathrm{slot}}\mathrm{Re}(E\×H^{*})\·\hat{z}\mathrm{dxdy}$ 表示缝区域中的能量，而 ${\∫\∫}_{\mathrm{total}}\mathrm{Re}(E\×H^{*})\·\hat{z}\mathrm{dxdy}$ 表示整个波导截面的能量。利用有限元数值计算仿真软件COMSOL计算出L形波导中的归一化功率密度随狭缝宽度以及缝区域折射率的变化关系，结果如图6所示。从图中可以看出，随着缝区域折射率的减小，归一化功率密度总体上是呈现上升的趋势，而且狭缝宽度越小上升速度越快。而随着狭缝宽度的减小，归一化功率密度增大。当缝区域折射率为1.4，狭缝宽度10nm时，归一化功率密度达到22.5μm^-2。图6中同时示出了传统无缝L形波导的归一化功率密度为4.5μm^-2，可以看出不加狭缝的结构其光功率密度只有本发明的L形波导的1/5。

由于L形波导结构的高度不对称性，波导的两个最低阶模的偏振态会发生混合。因此光轴会偏离笛卡尔坐标系的水平或垂直轴，与其成一个角度。当本征模强烈混合，即模式中TE与TM这两个偏振态的大小几乎相同时，光轴与水平方向成45°角。因此，输入光信号经过半拍长L_π＝π/(β₀-β₁)的传输，其偏振态将被旋转90°，其中β₀是基模的传播常数，β₁是一阶模的传播常数。由于SOI器件的超高折射率差以及缝波导的高光场限制，两个模的传播常数差很大，使得本发明的转换长度大大减小。

L形波导的狭缝区域可以填充不同的低折射率材料，填充层折射率的变化会影响器件的长度。由于硅基L形波导特殊的结构，波导的基模与一阶模在TE和TM偏振下都很好的限制在缝区域，具有很高的光场限制能力。利用有限元数值计算仿真软件COMSOL及公式L_π＝π/(β₀-β₁)可以计算出偏振转换长度随缝的宽度和缝区域材料的折射率的变化关系，如图7所示。缝的宽度越小，偏振转换长度越小；而随着缝区域的折射率增大，偏振转换长度也越小。另外，L形波导的开缝位置以及缝区域的折射率会改变波导的模式分布，进而影响光轴的偏转角度。为了获得尽可能接近45°光轴偏转，以实现最大的偏振转换效率，开缝位置和缝区域折射率可以相应进行调整。

利用光波导分析仿真软件RSoft仿真了TE偏振的输入光在本发明的偏振旋转器中的传输情况，结果如图8、9所示。图8表示TE偏振的传输情况，图9表示TM偏振的传输情况。从图中可以看出，TE偏振态的光从波导1输入，耦合进L形波导3，经过偏振转换长度的传输，TE偏振逐渐消逝，转换成TM偏振态的光从波导2中输出。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于硅基L形波导结构的集成偏振转换器，其特征在于，该偏振转换器包括用于输入光信号的输入波导（1）、用于输出光信号的输出波导（2）、用于偏振旋转的硅基L形波导（3），以及包层（6），输入波导（1）和输出波导（2）分别与硅基L形波导（3）直接端面耦合，在硅基L形波导（3）的纵臂（31）上设有横向狭缝（41），在硅基L形波导（3）的横臂（32）上设有纵向狭缝（42），包层（6）包覆在输入波导（1）、输出波导（2）和硅基L形波导（3）的外侧；

所述的横向狭缝（41）中设有横向填充层（51），所述的纵向狭缝（42）中设有纵向填充层（52），且制成横向填充层（51）与纵向填充层（52）的填充材料的折射率都低于硅的折射率。