CN104459879A - 一种硅基微环偏振解复用器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基微环偏振解复用器，包括硅衬底和包层，其特征在于，包括输入波导、横电模输出波导、横磁模输出波导、混合等离子体波导和微环；衬底位于包层内底部，混合等离子体波导和微环位于衬底表面；混合等离子体波导由下向上依次包括介质波导、填充层和金属覆盖层；所述介质波导紧贴衬底；输入波导通过混合等离子体波导连接横磁模输出波导；横电模输出波导连接另一混合等离子体波导，微环位于两混合等离子体波导之间。该偏振解复用器具有偏振解复用效率高、结构紧凑、制造难度低、价格相对低廉、可与基于微环谐振器的波分复用系统兼容等优点。

Description

一种硅基微环偏振解复用器

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种硅基微环偏振解复用器。

背景技术

混合等离子体波导，自从2008年被加州大学伯克利分校的张翔教授团队首次提出来后，很快受到了众多研究人员的关注。该种波导是在普通介质波导的外部依次沉积一层薄的低折射率材料及一层金属，这使得它所能承载的光信号模式介于介质波导和等离子体波导之间，同时具有介质波导的低损耗特性和等离子体波导的强模场限制能力和偏振相关性。目前利用该种波导设计和制造的诸多光子器件已被报道，例如：耦合器、调制器、偏振控制器、光逻辑器件、生物/化学传感器等。

偏振解复用器作为偏振复用系统中的关键部件，在提高系统传输容量方面具有重要的作用，其主要功能是将在总线波导中传输的具有不同偏振态的复合光信号在其输出端口按光的偏振态不同进行分离，通过偏振复用和解复用的方式来提升系统总线的传输容量。相比于目前其它的复用技术，偏振复用是最简单且易于实现的技术。

微环谐振器由于其具有较好的频谱和偏振特性，最近被广泛用于滤波、调制、开关和复用光信号中，同时相应的光子器件也陆续被提出。利用高折射率差的材料如绝缘体上硅，可有效的缩小器件的尺寸，提高集成度。在构建片上光系统和光网络的过程中，微环也起到了不可或缺的作用，例如：基于微环谐振器的波分复用系统，被认为是一种解决下一代片上光互连的最佳方法。此外，为了进一步满足未来高速、大容量传输系统的要求，可将偏振复用技术融入到波分复用系统中，以实现同时波分和偏振复用的混合复用传输。而目前用于偏振控制和管理的器件基本上与基于微环谐振器的波分复用系统是不兼容的，因此，设计出高性能、结构紧凑并且兼容波分复用系统的偏振解复用器显得十分重要。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供一种硅基微环偏振解复用器，通过集成混合等离子体波导，能够分模输出，集成度高，克服了现有技术的不足。

技术方案：一种硅基微环偏振解复用器，包括硅衬底和包层，其特征在于，包括输入波导、横电模输出波导、横磁模输出波导、混合等离子体波导和微环；

衬底位于包层内底部，混合等离子体波导和微环位于衬底表面；

所述混合等离子体波导由下向上依次包括介质波导、填充层和金属覆盖层；所述介质波导紧贴衬底；

输入波导通过混合等离子体波导连接横磁模输出波导；横电模输出波导连接另一混合等离子体波导，微环位于两混合等离子体波导之间。

进一步的，介质波导的高度与输入波导、横电模输出波导、横磁模输出波导和微环的高度相同。高度相同便于器件制作与集成。

进一步的，金属覆盖层为与CMOS工艺兼容的材料。以便使用现有的CMOS工艺线来制作该器件。

进一步的，填充层为折射率小于2的材料。例如二氧化硅、氮化硅、硅纳米晶或者聚合物材料等。

进一步的，横电模输出波导和横磁模输出波导的横向尺寸相同。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、偏振解复用效率高、与基于微环谐振器的波分复用系统兼容。相对于普通的介质波导，通过使用混合等离子体波导作为输入、输出波导可明显增强模式的偏振相关性，同时选择微环作为偏振解复用的核心器件，一方面利用微环的谐振特性可以提升模式的解复用效率、另一方面可以兼容于目前基于微环谐振器的波分复用系统，用以提高传输系统的容量。

2、制造难度低、可靠性高。本发明中所采用的波导结构，如混合等离子体波导、微环的结构都比较规则和简单，没有不规则的过渡或者转换波导结构，且尺寸都只在微米或者亚微米量级，利用现有的CMOS工艺技术完全可以制造；此外，基于目前成熟的标准CMOS工艺线，所制造的器件可靠性也可以得到充分的保证。

3、设计灵活、使用方便。本发明技术方案中所阐述的方式主要用于设计偏振解复用器，若颠倒其输入和输出的方式，即将原来的输入、输出波导变为输出、输入波导，相应的器件将具有偏振复用的功能，可设计成偏振复用器；同时四个波导端口可以适当的选择其中的三个作为输入、输出波导即可实现偏振复用/解复用的功能，进一步提升器件的设计和使用的灵活性。

4、结构紧凑、制作成本低廉。本发明由于采用了高折射率差的绝缘体上硅材料，使得器件整体结构具有较高的紧凑性。硅基波导结构材料便宜，可用成熟的标准CMOS工艺加工器件，实现器件的低成本批量生产。基于这些有益效果和优势，该器件在集成光子学特别是硅基光子学领域有着潜在的应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中硅基微环偏振解复用器的横截面图。

图3为本发明中混合等离子体波导结构横电模的主分量模场分布图。

图4为本发明中混合等离子体波导结构横磁模的主分量模场分布图。

图5为本发明中微环波导结构横电模的主分量模场分布图。

图6为本发明中微环波导结构横磁模的主分量模场分布图。

图7为本发明中偏振解复用器输出波导2处的传输率与工作波长的变化关系。

图8为本发明中偏振解复用器输出波导3处的传输率与工作波长的变化关系。

图9为本发明中横电模的传输模场分布图，其中，横坐标表示器件传输方向的尺寸，单位：微米(μm)；纵坐标表示器件横向的尺寸，单位：微米(μm)。

图10为本发明中横磁模的传输模场分布图，其中，横坐标表示器件传输方向的尺寸，单位：微米(μm)；纵坐标表示器件横向的尺寸，单位：微米(μm)。

图中：输入波导1、输出波导2、3、混合等离子体波导4、介质波导41、低折射率材料填充层42、金属覆盖层43、微环5、衬底6、包层7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1图2所示，一种硅基微环偏振解复用器，包括硅衬底6和包层7，其特征在于，包括输入波导1、横磁模输出波导2、横电模输出波导3、混合等离子体波导4和微环5；

衬底6位于包层7内底部，混合等离子体波导4和微环5位于衬底6表面；

所述混合等离子体波导4由下向上依次包括介质波导41、填充层42和金属覆盖层43；所述介质波导41紧贴衬底6；

输入波导1通过混合等离子体波导4连接横磁模输出波导2；横电模输出波导3连接另一混合等离子体波导4，微环5位于两混合等离子体波导4之间。

具体的，光信号在上述结构的偏振解复用器中的传输特征如下：包含不同偏振态的入射光信号(横电模：TE模，横磁模：TM模)从输入波导1进入同侧混合等离子体波导4，接着在微环5的耦合区域内不同的偏振态表现出明显不同的传输特性。由于混合等离子体波导TE模的模式与微环5的TE模很相似，因此TE模可以高效的耦合进微环并借助微环的谐振特性在其谐振波长处下路到波导3进行输出；但混合等离子体波导TM模的模式却与微环5的TM模存在特别大的差异，导致TM模与微环之间的耦合效率很低，故只能从波导2直接输出。通过这种方式可以实现不同输入偏振态的分离和解复用，即在微环谐振波长处TE模从输出波导3输出，TM模从输出波导2输出。本发明基于混合等离子体波导的强偏振相关性和微环的谐振特性，将输入的TE和TM偏振模分别从两个不同的输出波导输出，具有结构紧凑、解复用效率高、损耗低、制造难度低、价格相对低廉等优点。

上述结构的偏振解复用器中，与混合等离子体波导直接相连的输入、输出波导也是同尺寸的混合等离子体波导，微环位于两个混合等离子体波导之间，区别于目前采用定向耦合器、多模干涉器、光子晶体等结构设计偏振控制器的方案，本发明最突出的优势在于偏振解复用效率高、可兼容基于微环谐振器的波分复用系统，以进一步提升系统的传输容量。

上述器件的制作材料均采用绝缘体上硅材料，即输入波导1、输出波导2、3、混合等离子体波导4中的高折射率部分，微环5的材料均为硅，衬底6和包层7为二氧化硅。混合等离子体波导的上层为金属覆盖层，可采用铝、铜等与CMOS工艺兼容的材料，以便使用现有的CMOS工艺线来制作该器件；同时在其金属覆盖层与底部介质波导之间的狭缝区域填充低折射率(<2)的材料，例如二氧化硅、氮化硅、硅纳米晶或者聚合物材料等。

图3、图4分别为用于输入输出的混合等离子体波导结构横电模(TE)、横磁模(TM)的主分量模场分布图。横电模主要分布于底部介质波导的芯层区域；而横磁模却产生了较大的差异，由于金属覆盖层的作用，使得模式在低折射率的狭缝区域出现了明显的增强。图5、图6分别为微环波导结构横电模(TE)、横磁模(TM)的主分量模场分布图。两种模式均分布于波导的芯层区域，只是偏振方向不同。对比混合等离子体波导和微环的TE、TM模，可以发现两者的TE模是很类似的，通过合理的参数设置可以高效的耦合这两种模式，进而利用微环的谐振特性将TE模在微环的下路波导端口进行输出；但对应的TM模两者却差异很大，使得模式的耦合效率很低，最终只能在直接的波导输出端口进行输出。

本发明公开了一种硅基微环偏振解复用器，旨在提供一种结构紧凑、性能优越、制造简单、易于集成并兼容波分复用系统的偏振解复用设计，可用于光通信、集成光子学和硅基光子学等领域。具有不同偏振态的光信号从输入波导1输入，借助微环5使得TE模在其谐振波长处得以从下路输出波导3输出，而TM模则直接从输出波导2输出，其中微环5的半径只有2μm左右，可极大的缩小器件的整体封装尺寸，便于密集集成，同时器件的结构简单、所获得的偏振解复用效果优越。

图7、图8分别为硅基微环偏振解复用器横磁模输出波导2、横电模输出波导3处的传输率与工作波长的变化关系。从图中可看到，在1.5μm～1.6μm的波长范围内，TE模产生了非常明显的谐振现象，并且恰好在1550nm波长处(光通信的最佳传输窗口)存在一个谐振，因此通过微环谐振可使得TE模从下路横电模输出波导3输出，同时计算得到的自由频谱范围也较大，超过了44nm。其中的谐振波长λ_C，根据相位关系，需要满足以下关系式：

${\mathrm{\&lambda;}}_C=\frac{n_{\mathrm{eff}}L}{m}---\left(1\right)$

(1)式中L为微环的周长，n_eff为微环的模式有效折射率，m为一正整数。对于TM模，它的谐振特性不明显，并且在1550nm波长处几乎没有耦合，而是直接从横磁模输出波导2输出。所以在谐振波长1550nm处，横电模输出波导2获得了TM偏振模的光信号，输出横磁模输出波导3获得了TE偏振模的光信号，从而实现了不同输入偏振态(TE、TM模)光信号的高效分离和解复用，相应的传输模场分布图，参见图9、图10。

此外，本发明中波导1为输入波导，波导2、3为输出波导实现了不同输入偏振态光信号的解复用，若将横电模输出波导2、3变为TM模、TE模的输入波导，输入波导1变为输出波导，则可以实现偏振复用的功能，相应的器件也可设计成偏振复用器，因此本发明的技术方案具有较高的灵活性，即可构成偏振解复用器、又可构成偏振复用器。此外，该偏振解复用器所包含的4个波导端口中，可以适当的选择其中的三个作为输入、输出波导即可实现偏振复用/解复用的功能，进一步提升器件设计和使用的灵活性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种硅基微环偏振解复用器，包括硅衬底(6)和包层(7)，其特征在于，包括输入波导(1)、横磁模输出波导(2)、横电模输出波导(3)、混合等离子体波导(4)和微环(5)；

衬底(6)位于包层(7)内底部，混合等离子体波导(4)和微环(5)位于衬底(6)表面；

所述混合等离子体波导(4)由下向上依次包括介质波导(41)、填充层(42)和金属覆盖层(43)；所述介质波导(41)紧贴衬底(6)；

输入波导(1)通过混合等离子体波导(4)连接横磁模输出波导(2)；横电模输出波导(3)连接另一混合等离子体波导(4)，微环(5)位于两混合等离子体波导(4)之间。

2.如权利要求1所述的一种硅基微环偏振解复用器，其特征在于，所述介质波导(41)的高度与输入波导(1)、横磁模输出波导(2)、横电模输出波导(3)和微环(5)的高度相同。

3.如权利要求2所述的一种硅基微环偏振解复用器，其特征在于，所述金属覆盖层(43)为与CMOS工艺兼容的材料。

4.如权利要求2所述的一种硅基微环偏振解复用器，其特征在于，所述填充层(42)为折射率小于2的材料。

5.如权利要求2所述的一种硅基微环偏振解复用器，其特征在于，所述横磁模输出波导(2)和横电模输出波导(3)的横向尺寸相同。