CN106959163A - 一种基于对称三波导定向耦合器结构的te模检偏器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器，该检偏器由下至上依次为硅基衬底(9)、掩埋氧化层(10)、检偏部件(15)和上包层(11)，其中掩埋氧化层(10)生长于硅基衬底(9)的上表面，上包层(11)覆盖掩埋氧化层(10)的上表面，检偏部件(15)水平生长于掩埋氧化层(10)的上表面，并被上包层(11)覆盖；所述检偏部件(15)包括输入通道(1)、中路直通通道(2)、左路直通通道(4)、左路C型弯曲通道(5)、右路直通通道(6)、右路C型弯曲通道(7)、输出通道(3)；该TE模检偏器具有低插入损耗、高消光比、大工作带宽且结构紧凑的优点。

Description

一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器

技术领域

本发明涉及一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器，属于集成光学技术领域。

背景技术

最近，绝缘硅片(SOI)材料系统因可作为集成光子回路(PICs)制造平台而广受关注。但是SOI材料中包层和芯层折射率差较大，易产生偏振相关的问题，包括偏振模色散、偏振相关增益等。一种简单且有效的解决方法是利用模式检偏器消除不需要的偏振光。一般地，模式检偏器分两种，TE和TM检偏器。其中，TE检偏器能通过TE偏振光而阻断TM偏振光。目前，基于不同原理、采用不同结构的模式检偏器被陆续报道出来。其中，基于混合等离子波导的检偏器由于能将光限制在低于衍射极限的尺寸内而呈现出独特的优越性。但是，由于金属材料的引入也带来了较高的欧姆损耗，基于混合等离子波导单一结构的模式检偏器插入损耗普遍较高，不利于这种器件应用到高性能的光子回路中。另外，为了降低欧姆损耗，一些结构复杂的检偏器被设计出来。这些结构对器件制造提出了非常高的要求，不利于大规模的生产和成本的压缩。因此，设计出一种具有紧凑结构、高消光比、低插入损耗的检偏器就很有必要。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器，该检偏器利用中路硅基带状波导和左、右两路混合等离子波导形成的对称三波导定向耦合器结构，可大大降低检偏器的插入损耗，提高器件消光比，缩短器件的尺寸，降低器件的制造难度。

技术方案：本发明提供了一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器，该检偏器由下至上依次为硅基衬底、掩埋氧化层、检偏部件和上包层，其中掩埋氧化层生长于硅基衬底的上表面，上包层覆盖掩埋氧化层的上表面，检偏部件水平生长于掩埋氧化层的上表面，并被上包层覆盖；

所述检偏部件包括输入通道、中路直通通道、左路直通通道、左路C型弯曲通道、右路直通通道、右路C型弯曲通道、输出通道；

中路直通通道的一端和输入通道相连、另一端和输出通道相连接，构成中路通道；

左路直通通道和左路C型弯曲通道连接，右路直通通道和右路C型弯曲通道连接；其中，输出通道、左路C型弯曲通道、右路C型弯曲通道位于同一端；

左路直通通道和右路直通通道对称分列于中路直通通道的两侧，且与中路直通通道对齐摆放，相邻通道之间的距离为0.05～0.25μm，构成对称三波导定向耦合器结构；

输入通道、中路直通通道和输出通道均为硅基带状波导，左路直通通道、左路C型弯曲通道、右路直通通道和右路C型弯曲通道均为混合等离子波导。

其中：

所述的混合等离子波导的结构为三明治结构，其中底层是硅波导层，中间部分为低折射率材料层，上层是金属覆盖层。

所述的低折射率材料层的材料为二氧化硅或氮化硅材料，所述的金属覆盖层的金属材料为介电常数虚部值大于40的高损耗金属。

所述的高损耗金属是指铬、铝、锌。

所述的硅基带状波导与混合等离子波导两者的尺寸满足以下条件：

1)硅基带状波导与混合等离子波导的TE模有效折射率实部相差大于0.2，相位失配；

2)硅基带状波导与混合等离子波导的TM模有效折射率实部相等，相位匹配。

所述的对称的三波导定向耦合器结构的耦合长度L_C满足下式：

式中：λ为自由空间波长，为对称三波导耦合器结构所支持的第0阶TM模的有效折射率，为对称三波导耦合器结构所支持的第2阶TM模的有效折射率，Re表示取实部值，m为一正奇数。

所述的硅基衬底为标准尺寸的硅晶元，所述的掩埋氧化层是在硅基衬底上热生长的二氧化硅材料，所述的上包层的材料为二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或者空气。

所述掩埋氧化层的厚度为2～3μm。

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、插入损耗低：TE模式进入输入通道后，由于硅基带状波导和混合等离子波导的TE模式之间有效折射率实部相差大于0.2，相位匹配条件不能满足，TE模信号集中在中路硅基带状波导中传输，所以混合等离子波导中的欧姆损耗对TE模的传输几乎没有影响，插入损耗得到极大的降低。

2、结构紧凑：本发明中引入了混合等离子波导结构，该结构中的金属覆盖层大大提高了模式的双折射效应，缩短了对称的三波导定向耦合器结构中TM模式的耦合距离。而且，本发明中采用了左右分列的混合等离子波导同时耗散TM模能量，理论上，能量耗尽所需的长度是同条件下采用单根混合等离子波导所需的长度的一半。另外，通过降低混合等离子波导和中路硅基带状波导间的间距、调整混合等离子波导结构参数实现更高的欧姆损耗均可以使检偏器的尺寸进一步的降低。

3、消光比高：TE模式直接通过中路通道输出，TM模式耦合到左右对称的混合等离子波导中，利用欧姆损耗，使TM模式能量耗散。通过调整混合等离子波导的结构尺寸以及增大弯曲波导的长度，可以提高波导对TM模式的欧姆损耗，而TE模式并不受影响，所以，基于三波导定向耦合器结构的TE模检偏器可以实现很高的消光比。

附图说明

图1为本发明实施例1中检偏部件结构示意图；

图2为本发明实施例1中对称三波导定向耦合器结构的横截面结构示意图；

图3为本发明实施例1中混合等离子波导在1.55μm工作波长处的TE₀模和TM₀模的模场分布图；

图4为本发明实施例1中混合等离子波导在不同低折射率材料层厚度下TM₀传输损耗(dB/μm)与波导宽度(μm)的变化关系图；

图5为本发明实施例1中混合等离子波导在不同金属覆盖层厚度下TM₀传输损耗(dB/μm)与波导宽度(μm)的变化关系图；

图6为本发明实施例1中对称三波导耦合器结构在1.55μm工作波长处TM超级模的有效折射率实部和对应的耦合长度与波导间距之间的变化关系图；

图7为本发明实施例1中TE₀模在对称三波导耦合器中传输时Ex分量的变化图；

图8为本发明实施例1中TM₀模在对称三波导耦合器中传输时Ey分量的变化图；

图9为本发明实施例2改进的检偏部件的结构示意图；

图中：输入通道1、中路直通通道2、输出通道3、左路直通通道4、左路C型弯曲通道5、右路直通通道6、右路C型弯曲通道7、对称三波导定向耦合器8、硅基衬底9、掩埋氧化层10、上包层11、低折射率材料层12、高金属覆盖层13、硅波导层14、检偏部件15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

实施例1

如图1和图2所示，该检偏器由下至上依次为硅基衬底9、掩埋氧化层10、检偏部件15和上包层11，其中掩埋氧化层10生长于硅基衬底9的上表面，上包层11覆盖掩埋氧化层10的上表面，检偏部件15水平生长于掩埋氧化层10的上表面，并被上包层11覆盖；

所述检偏部件15包括输入通道1、中路直通通道2、左路直通通道4、左路C型弯曲通道5、右路直通通道6、右路C型弯曲通道7、输出通道3；

中路直通通道2的一端和输入通道1相连、另一端和输出通道3相连接，构成中路通道；

左路直通通道4和左路C型弯曲通道5连接，右路直通通道6和右路C型弯曲通道7连接；其中，输出通道3、左路C型弯曲通道5、右路C型弯曲通道7位于同一端；

左路直通通道4和右路直通通道6对称分列于中路直通通道2的两侧，且与中路直通通道2对齐摆放，相邻通道之间的距离为0.05～0.25μm，构成对称三波导定向耦合器结构8；

输入通道1、中路直通通道2和输出通道3均为硅基带状波导，左路直通通道4、左路C型弯曲通道5、右路直通通道6和右路C型弯曲通道7均为混合等离子波导。

所述的混合等离子波导的结构为三明治结构，其中底层是硅波导层14，中间部分为低折射率材料层12，上层是金属覆盖层13(见图2)。

合理设计中路硅基带状波导和混合等离子波导的尺寸，使带状波导的TM模式折射率等于混合等离子波导的TM模有效折射率实部，而两波导的TE模式有效折射率实部相差大于0.2，即TM模满足相位匹配条件，而TE模相位失配。此时，当TE模式进入输入波导时，因相位失配，能量集中在中路通道中，最终从输出波导输出。TE模式的传输被限制在硅波导中，几乎没有受到两侧混合等离子波导的影响，传输损耗非常小。而当TM模式输入到中间波导时，根据耦合模理论，若对称三波导定向耦合器结构8的耦合长度L_C满足：

那么，中路的TM模将会全部且均匀地耦合到左、右两路通道中。(1)式中λ为自由空间波长，为对称三波导耦合器结构所支持的第0阶TM模的有效折射率，为对称三波导耦合器结构所支持的第2阶TM模的有效折射率，Re表示取实部值，m为一正奇数。显然，当m＝1时，L_C距离最短。耦合到左、右两个通道并转换成混合等离子波导的TM模随着传输距离增加而衰减。显然，此处选用高损耗的金属如铬、铝、锌作为金属覆盖层的材料能使传输损耗更大，可以有效降低器件长度，使结构更紧凑。而引入弯曲波导是为了进一步地损耗TM模能量，并且能有效阻止两侧的TM模再次耦合回中路通道中。

图3给出了1.55μm处混合等离子波导的TE₀模和TM₀模的模场分布图。该波导的TE₀模与硅基带状波导中TE₀的模场分布类似，主要集中在硅波导14中；而TM₀模式主要集中在低折射率材料12内。由于低折射率材料上层覆盖有金属层13，导致混合等离子波导的TM₀模式传输损耗远高于介质波导中该模式的传输损耗。

图4给出了在不同低折射率材料层12厚度下混合等离子波导中TM₀模的传输损耗(dB/μm)与波导宽度(μm)的变化关系图。其中硅波导层14高度为0.34μm，低折射率材料层12的材料为二氧化硅，金属覆盖层13为铬，厚度为0.1μm。从图中可以看出，二氧化硅层越薄，波导宽度越窄，TM模式传输损耗越大，越有利于降低器件的长度。当二氧化硅为0.03μm时，宽度为0.3μm，传输损耗大于6dB/μm。

图5给出了混合等离子波导在不同金属覆盖层厚度下TM₀传输损耗(dB/μm)与波导宽度(μm)的变化关系图。其中硅波导层14高度为0.34μm，低折射率材料层12材料为二氧化硅，厚度为0.05μm，金属覆盖层13为铬。当二氧化硅层固定为0.05μm，铬厚度为0.05μm时，传输损耗较大。

图6给出了对称三波导定向耦合器结构8的TM超级模的有效折射率实部和对应的耦合长度与波导间距之间的关系。其中，TM超级模是指由中路带状波导和左右两路混合等离子波导构成的整体结构所支持的TM模式。这里，工作波长为1.55μm，硅波导层14高度为0.34μm，二氧化硅厚度0.05μm，铬厚度0.1μm，硅基带状波导宽度0.464μm，混合等离子波导宽0.300μm。其中，TM₁超级模能量没有分布在带状波导中，故不参与到TM模的耦合中。所以，耦合长度仅与对称三波导定向耦合器结构8的TM₀和TM₂超级模有关。从图中可知，当混合等离子波导和中路带状波导间距小于0.15μm时，耦合长度小于10μm，可以实现紧凑的TE模检偏器。

图7给出了TE₀模在对称三波导定向耦合器结构8中主分量Ex的分布变化图。其中，波导参数与图6中相同，混合等离子波导与带状波导间距0.1μm，工作波长为1.55μm。可以看出，TE₀模式在传输过程中始终被限制在中间带状波导中，且几乎没有损耗。

图8给出了第一个发明实例中TM₀模在对称三波导耦合器中主分量Ey的分布变化图。这里的结构参数和模拟环境与图7一致。可以看出，TM₀模式进入输入波导后，会向左、右两边的混合等离子波导中均匀耦合，并最终完全耦合到两边波导中，而且耦合过程中能量损耗较大。由于弯曲波导的存在，TM₀模式能进一步的损耗，且难以耦合回中路波导中。另外，TM₀模能量完全耦合到两边混合等离子波导中仅需要4.6μm，与图6中理论的耦合长度相吻合，有利于实现尺寸很短的检偏器。

实施例2

如图9改进的检偏部件15的结构示意图所示(硅基衬底9、掩埋氧化层10和上包层11与实施例1完全相同)，该改进的检偏部件15包括输入通道1、中路直通通道2、左路直通通道4、左路C型弯曲通道5、右路直通通道6、右路C型弯曲通道7、输出通道3；

中路直通通道2的一端和输入通道1相连、另一端和输出通道3相连接，构成中路通道；

左路直通通道4和左路C型弯曲通道5连接，右路直通通道6和右路C型弯曲通道7连接；其中，输出通道3、左路C型弯曲通道5、右路C型弯曲通道7位于同一端；

左路直通通道4和右路直通通道6对称分列于中路直通通道2的两侧，且与中路直通通道2对齐摆放，相邻通道之间的距离为0.05～0.25μm，构成对称三波导定向耦合器结构8；

输入通道1、中路直通通道2和输出通道3均为硅基带状波导，左路直通通道4、左路C型弯曲通道5、右路直通通道6和右路C型弯曲通道7均为混合等离子波导。

所述的混合等离子波导的结构为三明治结构，其中底层是硅波导层14，中间部分为低折射率材料层12，上层是金属覆盖层13(见图2)。

为了更进一步地提高器件的性能，第二段对称三波导定向耦合器结构8被引入，参数与第一段完全相同；

这样的设计能使从弯曲波导中耦合回中路的TM模以及本身中路通道残留的TM模再次耦合到两边混合等离子波导中，有利于提高器件消光比。

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 (7)

1.一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器，其特征在于：该检偏器由下至上依次为硅基衬底(9)、掩埋氧化层(10)、检偏部件(15)和上包层(11)，其中掩埋氧化层(10)生长于硅基衬底(9)的上表面，上包层(11)覆盖掩埋氧化层(10)的上表面，检偏部件(15)水平生长于掩埋氧化层(10)的上表面，并被上包层(11)覆盖；

所述检偏部件(15)包括输入通道(1)、中路直通通道(2)、左路直通通道(4)、左路C型弯曲通道(5)、右路直通通道(6)、右路C型弯曲通道(7)、输出通道(3)；

中路直通通道(2)的一端和输入通道(1)相连、另一端和输出通道(3)相连接，构成中路通道；

左路直通通道(4)和左路C型弯曲通道(5)连接，右路直通通道(6)和右路C型弯曲通道(7)连接；其中，输出通道(3)、左路C型弯曲通道(5)、右路C型弯曲通道(7)位于同一端；

左路直通通道(4)和右路直通通道(6)对称分列于中路直通通道(2)的左右两侧，且与中路直通通道(2)对齐摆放，相邻通道之间的距离为0.05～0.25μm，构成对称三波导定向耦合器结构(8)；

输入通道(1)、中路直通通道(2)和输出通道(3)均为硅基带状波导，左路直通通道(4)、左路C型弯曲通道(5)、右路直通通道(6)和右路C型弯曲通道(7)均为混合等离子波导。

2.如权利要求1所述的一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器，其特征在于：所述的混合等离子波导的结构为三明治结构，其中底层是硅波导层(14)，中间部分为低折射率材料层(12)，上层是金属覆盖层(13)。

3.如权利要求2所述的一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器，其特征在于：所述的低折射率材料层(12)的材料为二氧化硅或氮化硅，所述的金属覆盖层(13)的金属材料为介电常数虚部值大于40的高损耗金属。

4.如权利要求3所述的一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器，其特征在于：所述的介电常数虚部值大于40的高损耗金属是指铬、铝、锌。

5.如权利要求1所述的一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器，其特征在于：所述的硅基带状波导与混合等离子波导两者的尺寸满足以下条件：

1)硅基带状波导与混合等离子波导的TE模有效折射率实部相差大于0.2，相位失配；

2)硅基带状波导与混合等离子波导的TM模有效折射率实部相等，相位匹配。

6.如权利要求1所述的一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器，其特征在于：所述的对称的三波导定向耦合器结构(8)的耦合长度L_C满足下式：

$L_C=\frac{m\mathrm{\λ}}{2\×\mathrm{Re}(n_{eff}^{{\mathrm{TM}}_0}-n_{eff}^{{\mathrm{TM}}_2})}$

式中：λ为自由空间波长，为对称三波导耦合器结构所支持的第0阶TM模的有效折射率，为对称三波导耦合器结构所支持的第2阶TM模的有效折射率，Re表示取实部值，m为一正奇数。

7.如权利要求1所述的一种基于对称三波导定向耦合器结构的TE模检偏器，其特征在于：所述的硅基衬底(9)为标准尺寸的硅晶元，所述的掩埋氧化层(10)是在硅基衬底(9)上热生长的二氧化硅材料，所述的上包层(11)的材料为二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或者空气。