CN104317071B - 一种基于石墨烯的平面光波导偏振分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的平面光波导偏振分束器，属于光电技术领域，包括绝缘层，位于半导体衬底层之上，Y分支位于绝缘层之上；Y分支包括输入光波导，第一分支波导和第二分支波导；第一石墨烯层垂直嵌入于第二分支波导中，第二石墨烯层水平嵌入于第一分支波导中；在具有水平嵌入石墨烯的波导中可有效控制波导对横磁(TM)模的吸收，而对横电(TE)模几乎透明，从而滤除TM模，输出TE模；在具有垂直嵌入石墨烯的波导中可有效控制波导对TE模的吸收，而对TM 模几乎透明，从而可以滤除TE模，输出TM模。本发明具有体积小、消光比高、工作波长范围宽、串扰小、可集成的优点，在未来光电子集成中有着广泛的应用前景。

Description

一种基于石墨烯的平面光波导偏振分束器
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的平面光波导偏振分束器。
背景技术
偏振分束器的作用是将特定波长范围内入射的一束光的两个正交偏振模进行分离。偏振分束器作为一种重要的光学器件，它被广泛地用在光通信系统、光纤传感系统、激光系统、光测试仪表等领域。偏振分束器是相干光测量、光纤通信系统波分复用技术中不依赖于偏振的波长滤波器、未来偏振无关的片上集成光路中必不可少的部分。
在光子集成器件中，主要有两种方法来实现偏振分束器。一种是基于定向耦合器的方法来实现，它依赖于传统耦合模理论，光波从一个端口进入波导臂，在经过耦合区时，光波耦合到相邻的波导中，由于TE和TM模具有不同的耦合长度，通过合理设计耦合区的长度，可以实现TE和TM模的分离。这种基于定向耦合的偏振分束器对耦合长度非常敏感，耦合长度需要依据入射波长特别设计，因而工作波长范围窄（见文献Chee J, Zhu S, G Q Lo.CMOS compatible polarization splitter using hybrid plasmonic waveguide.Optics Express, 2012, Vol.20）。另一种方法是基于Ti扩散或质子交换法制作的铌酸锂晶体波导Y分支结构，Y分支的两个分支波导具有不同的双折射率，TE和TM模分别耦合到与之传播常数较接近的分支波导中，从而实现TE和TM模的分离。但由于铌酸锂晶体材料相对比较弱的双折射效应，通常需要器件设计的尺寸较大，因而不易于集成（见文献YamazakiT, Yamauchi J, Nakano H. A branch-type TE/TM wave splitter using a light-guiding metal line. Journal of Lightwave Technology, 2007, Vol.25）。
申请号为CN201210238859.7的一种用于模式复用系统的集成光波导偏振分束器，包括有两组正交偏振光注入的多模输入光波导，偏振敏感装置和第一多模输出光波导，第二多模输出光波导；偏振敏感装置的输入端与多模输入光波导相连接，偏振敏感装置的两个输出端分别与各自的第一多模输出光波导，第二多模输出光波导相连接，第一多模输出光波导，第二多模输出光波导分别用于接收被偏振敏感装置所分离的两组正交偏振光。该专利将横电TE偏振基模及高阶模、横磁TM偏振基模及高阶模在空间上分离、且同一偏振的各阶模式从同一端口输出的功能。
石墨烯是一种蜂窝形的二维六方碳结构材料，自从它在2004被发现以来，由于其独特的光电特性，引起了科学界的广泛研究。石墨烯的光导率可以由外加电压控制（见文献Wang F, Zhang Y B, Tian C S, Girit C. Zettl A, Crommie M, Ron S. Gate-variable optical transitions in graphene. Science, 2008, Vol.320），并且对紫外光到红外光的光谱都有相对较大的吸收，因而石墨烯在光电子器件方面的应用已被广泛地研究，包括在光调制器、光探测器、偏振器、锁模激光器方面的应用（见文献Bao Q, ZhangH, Wang B, Ni Z, Lim C H Y X, Wang Y, Tang D Y, Loh K P. Broadband graphenepolarizer. Nature Photonics, 2011, Vol.5 和文献Liu M, Yin X, Ulin-Avila E,Geng B, Zentgraf T, Ju L, Wang F, Zhang X. A graphene-based broadband opticalmodulator. Nature, 2011, Vol.474）。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的在于如何提供分束性能良好的基于石墨烯的平面光波导偏振分束器，其工作波长范围宽，易集成。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于石墨烯的平面光波导偏振分束器，包括绝缘层20，位于半导体衬底层10之上，Y分支位于绝缘层20之上；Y分支包括输入光波导＃1，第一分支波导＃2和第二分支波导＃3；第一石墨烯层51垂直嵌入于第二分支波导＃3中，第二石墨烯层52水平嵌入于第一分支波导＃2中；第一段波导31、第一石墨烯层51和第二段波导32依次被第一隔离介质层41、第二隔离介质层42隔离；第三段波导33、第二石墨烯层52和第四段波导34依次被第三隔离介质层43、第四隔离介质层44隔离。
在本发明中，所述Y分支将一束光信号分成两束光信号，部分或全部埋入绝缘层20中，第一分支波导＃2和第二分支波导＃3是对称或非对称分开。
在本发明中，所述半导体衬底层10、输入光波导＃1、第一分支波导＃2、第三段波导33、第四段波导34、第二分支波导＃3、第一段波导(31)和第二段波导32的材料相同，为硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体中的一种。
在本发明中，所述第一石墨烯层51、第二石墨烯层52为单层石墨烯或者多层石墨烯。
在本发明中，所述绝缘层20和第一至第四隔离介质层材料为绝缘材料，为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物中的一种。
本发明的工作原理为：
石墨烯的化学势可以通过外加电压动态的调谐，石墨烯嵌入波导中，石墨烯的化学势的改变可以导致波导的有效折射率的改变，从而可以通过石墨烯来控制波导有效折射率的改变。波导的有效折射率包括实部和虚部，实部影响光信号的相位信息，虚部对应于光的吸收。施加适当的电压，在具有水平嵌入石墨烯的波导中可以有效控制波导对TM模的吸收，而对TE 模几乎透明，从而可以滤除TM模，输出TE模；在具有垂直嵌入石墨烯的波导中可以有效控制波导对TE模的吸收，而对TM 模几乎透明，从而可以滤除TE模，输出TM模。这样，可以通过石墨烯来分别调控两段波导对TM和TE模的吸收状态，从而实现对TE、TM模的分束。石墨烯对从紫外光到红外光的光谱都有相对较大的光吸收，并且自身的电子迁移率非常快，因而可以实现小尺寸、宽光谱、高速率的偏振分束器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种基于石墨烯的平面光波导偏振分束器具有尺寸小，消光比高、插入损耗小、带宽高，与CMOS工艺兼容，易于集成的优点。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于石墨烯的平面光波导偏振分束器结构示意图；
图2 是本发明实施例中入射光波长为1.55 µm在垂直嵌入石墨烯波导中TE模和TM模随着石墨烯的化学势能的改变而变化的光吸收系数图；
图3 是本发明实施例中入射光波长为1.55 µm在水平嵌入石墨烯波导中TE模和TM模随着石墨烯的化学势能的改变而变化的光吸收系数图；
图4是本发明实施例中基于石墨烯的偏振分束器中在Y分支第二分支波导中，TE、TM模随着传输距离的衰减图；
图5是本发明实施例中基于石墨烯的偏振分束器中在Y分支第一分支波导中，TE、TM模随着传输距离的衰减图；
附图标记为：10-半导体衬底层、20-绝缘层、＃1-输入光波导、＃2-第一分支波导、＃3-第二分支波导、 31-第一段波导、32-第二段波导；33-第三段波导、34-第四段波导、41-第一隔离介质层、42-第二隔离介质层、43-第三隔离介质层、44-第四隔离介质层、51-第一石墨烯层、52-第二石墨烯层。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例
图1是本发明提供的一种基于石墨烯的平面光波导偏振分束器结构示意图，包括绝缘层20，位于半导体衬底层10之上，Y分支位于绝缘层20之上；Y分支包括输入光波导＃1，第一分支波导＃2和第二分支波导＃3；第一石墨烯层51垂直嵌入于第二分支波导＃3中，第二石墨烯层52水平嵌入于第一分支波导＃2中；第一段波导31、第一石墨烯层51和第二段波导32依次被第一隔离介质层41、第二隔离介质层42隔离；第三段波导33、第二石墨烯层52和第四段波导34依次被第三隔离介质层43、第四隔离介质层44隔离。
实施例中Y分支波导的宽为0.4µm，高为0.34µm，其中包括具有水平嵌入5µm长度的两层石墨烯的第一分支波导＃2和具有垂直嵌入5µm长度的两层石墨烯的第二分支波导＃3，第一至第四隔离介质层材料为7nm厚的Al2O3，波导材料为Si，绝缘层20材料为SiO2，波长为1.55 µm的通信波长代入仿真计算。
图2是入射光波长为1.55 µm在垂直嵌入石墨烯波导中TE模和TM模随着石墨烯的化学势能的改变而变化的光吸收系数图。在垂直嵌入石墨烯波导中，在特定石墨烯化学势时，波导对TM模的吸收系数非常小，TM模式光几乎可以无损耗地通过垂直嵌入石墨烯的波导，而波导TE模有较高的光吸收系数，因而垂直嵌入石墨烯的波导可以通过偏置电压有效滤除TE模，输出TM模。
图3是入射光波长为1.55 µm在水平嵌入石墨烯波导中TE模和TM模随着石墨烯的化学势能的改变而变化的光吸收系数图。在水平嵌入石墨烯波导中，在特定石墨烯化学势时，波导对TE模的吸收系数非常小，TE模式光几乎可以无损耗地通过垂直嵌入石墨烯的波导，而波导TM模有较高的光吸收系数，因而垂直嵌入石墨烯的波导可以通过偏置电压有效滤除TM模，输出TE模。
图4是在具有垂直嵌入石墨烯波导＃3中，石墨烯化学势为0.51eV时TE、TM模随着传输距离变化的归一化输出光功率。消光比ER＃3=10*log10(PTM/ PTE)=24dB。
图5是在具有水平嵌入石墨烯波导＃2中，石墨烯化学势为0.51eV时TE、TM模随着传输距离变化的归一化输出光功率。消光比ER＃2=10*log10(PTE/ PTM)=21dB。

Claims (5)

1.一种基于石墨烯的平面光波导偏振分束器，包括绝缘层(20)，位于半导体衬底层(10)之上，Y分支位于绝缘层(20)之上；Y分支包括输入光波导(＃1)，第一分支波导(＃2)和第二分支波导(＃3)；第一石墨烯层(51)垂直嵌入于第二分支波导(＃3)中，第二石墨烯层(52)水平嵌入于第一分支波导(＃2)中；第一段波导(31)、第一石墨烯层(51)和第二段波导(32)依次被第一隔离介质层(41)、第二隔离介质层(42)隔离；第三段波导(33)、第二石墨烯层(52)和第四段波导(34)依次被第三隔离介质层(43)、第四隔离介质层(44)隔离。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的平面光波导偏振分束器，其特征在于，所述Y分支将一束光信号分成两束光信号，部分或全部埋入绝缘层(20)中，第一分支波导(＃2)和第二分支波导(＃3)是对称或非对称分开。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的平面光波导偏振分束器，其特征在于，所述半导体衬底层(10)、输入光波导(＃1)、第一分支波导(＃2)、第三段波导(33)、第四段波导(34)、第二分支波导(＃3)、第一段波导(31)和第二段波导(32)的材料相同，为硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的平面光波导偏振分束器，其特征在于，所述第一石墨烯层(51)、第二石墨烯层(52)为单层石墨烯或者多层石墨烯。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯的平面光波导偏振分束器，其特征在于，所述绝缘层（20）和第一至第四隔离介质层（41、42、43、44）材料为绝缘材料，为硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物或六方硼氮化物中的一种。
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