CN106959485A - 基于亚波长光栅的定向耦合型tm起偏器及分束器 - Google Patents

基于亚波长光栅的定向耦合型tm起偏器及分束器 Download PDF

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Abstract

一种基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器，在一个非对称定向耦合器上引入亚波长光栅，其中一根有亚波长光栅的波导为通道一，另一根无亚波长光栅的波导为通道二。当光束从通道一入射时，TE偏振态光被亚波长光栅反射回来，TM偏振态光经亚波长光栅区域耦合进入通道二输出，实现TM偏振起偏器；当光束从通道二入射时，TE偏振态光经通道二传输输出，而TM偏振态光经亚波长光栅区域耦合进入通道一输出，实现TE和TM偏振分束器。本发明运用单一器件实现起偏器和分束器两种功能，大大提高了光电子器件的集成度，而且结构简单易于设计制造。

Description

基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器
技术领域
本发明属于微纳光电子、硅光子器件技术领域，具体是指一种基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器。
背景技术
Silicon on insulator(绝缘衬底上硅)作为一种新型硅基集成电路和光电子材料，由于其较大的折射率差异，与CMOS兼容的特点得到了广泛的应用。但其偏振敏感的特点使其应用受到了较大的限制，因而如何研制出偏振控制器件是当下微纳光电子器件研究的重点。偏振分束器和起偏器是解决如何将两种偏振态的光同时传输的重要器件，也是集成光路应用最广泛的器件。集成电路的小型化要求减小器件的尺寸，但这会受到工艺的限制，所以以缩小器件尺寸提高集成度的方法遇到了制作工艺的瓶颈。运用单一器件实现多种功能成为提高系统集成度的又一方向。
发明内容
本发明所要解决的技术方案是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器，运用单一器件实现起偏器和分束器两种功能，大大提高光电子器件的集成度，而且结构简单易于设计制造。
本发明采用的技术方案是：一种基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器，在一个非对称定向耦合器上引入亚波长光栅，其中一根有亚波长光栅的波导为通道一，另一根无亚波长光栅的波导为通道二。当光束从通道一入射时，TE偏振态光被亚波长光栅反射回来，TM偏振态光经亚波长光栅区域耦合进入通道二输出，实现TM偏振起偏器；当光束从通道二入射时，TE偏振态光经通道二传输输出，而TM偏振态光经亚波长光栅区域耦合进入通道一输出，实现TE和TM偏振分束器。
上述技术方案中，横电波即TE偏振：s偏振态即垂直偏振态，电场指向x轴方向，电场所在平面与波传播方向垂直。横磁波即TM偏振：p偏振态即水平偏振态，磁场指向x轴方向，磁场所在平面与波传播方向垂直。
上述技术方案中，所述的非对称定向耦合器的通道一和通道二由两根不对称的波导组成，所述波导为绝缘衬底sio2底板上的si条，其中通道一为直线形波导，通道二的波导包括依次连接的输入直线段、弧形过渡段、耦合直线段、弧形过渡段和输出直线段；与通道二耦合直线段对应平行的通道一耦合段波导上等距离刻有若干平行的矩形槽，形成亚波长光栅，等距离刻有若干平行矩形槽的通道一耦合段与通道二的耦合直线段构成亚波长光栅区域。
上述技术方案中，所述的通道一波导高220nm，宽480nm，耦合段长10-20µm；耦合段等距离刻有的矩形槽高160-200nm，宽300-500nm，槽与槽间的距离为100-300nm，矩形槽与通道一波导垂直。
上述技术方案中，所述的通道二波导高220nm，宽500nm，耦合直线段长10-20µm。
上述技术方案中，所述的通道二波导弧形过渡段的弯曲角为75-90°。
上述技术方案中，所述通道一耦合段和通道二耦合直线段之间的距离为100-200nm。
上述技术方案中，所述绝缘衬底sio2底板厚度为2µm。
上述技术方案中，所述通道一耦合段波导上等距离刻若干矩形槽，采用现有技术的化学腐蚀和光刻技术在SOI顶硅上加工设计器件。所述SOI基片包括sio2底板及sio2底板的硅。
本发明的技术特点和显著效果：
在光电技术领域越来越多的实验研究开始集中在硅片上的纳米尺寸集成光学、光电子器件，由于硅的折射率比二氧化硅的折射率高很多，并且具有与金属氧化半导体CMOS兼容的特性，因此绝缘衬底上的硅（SOI）被用作制备这些微纳器件。然而，由于硅和二氧化硅的折射率差异，SOI材料所制备的光子器件大都是偏振敏感的，这就使得同一微纳器件不能对不同的偏振态同时进行操作。
起偏器，也可以称为偏振滤波片，它可以制备线性的、高消光比以及大带宽的线性偏振光，偏振分束器是另一种要求具有高消光比的偏振控制器件，这些器件都具有易于集成的特点。然而，大多数微纳器件只有一个功能，因此制备出多种功能的微纳器件比缩小器件尺寸增加工艺难度来提高系统的集成度更加行之有效，本发明所提出的新方案正是基于这一技术原理而设计的：在不对称的定向耦合器中引入亚波长光栅结构，该结构可以同时实现TM型起偏器和偏振分束器。
本发明在SOI芯片上设计了一个器件，它可以用作TM型偏振起偏器及偏振分束器。当光从通道一入射时，该装置可作为一个TM型起偏器，在中心波长为1550nm时，TM偏振态透过的效率可达到80%以上，在1500-1610nm波长范围内，偏振消光比超过20dB。当我们选择通道二channel 2作为输入端时，该器件可以看作为一个偏振分束器，在波长为1570nm时，TE偏振态和TM偏振态的消光比分别是29dB和24dB。TE和TM的传输效率分别超过95%和78%。该结果为我们实现不同耦合效率比提供了一种新方法，即在光子学集成回路上引入亚波长光栅。
技术原理：TM型起偏器主要利用光栅的布拉格反射，TE经过光栅时被反射，TM由于位相匹配由波导一耦合进波导二输出。当光从波导二入射时，TE偏振位相不匹配不发生耦合，TM由波导二与波导一光栅区域的位相匹配耦合进波导一，实现TE和TM偏振分束。
显著效果：
当本发明器件作为TM型起偏器时，TM偏振透过的光超过80%，在110nm的波长（从1500nm到1610nm）带宽范围内消光比超过20dB。作为偏振分束器时，在波长为1570nm范围内其TE偏振态和TM偏振态的消光比分别为29dB和24dB；TE和TM的传输能量超过95%和78%。
附图说明：
图1为本发明TM型偏振起偏器及偏振分束器结构图；
图2为图1中通道一耦合段亚波长光栅区域A剖面示意图；
图3为本发明TM型偏振起偏器模拟结果中TM偏振态模拟图；
图4为本发明TM型偏振起偏器模拟结果中TE偏振态模拟图；
图5为本发明偏振分束器模拟结果中TM偏振态模拟图；
图6为本发明偏振分束器模拟结果中TE偏振态模拟图；
图中T为光栅周期，h为光栅高度，H为波导高度，Ch1为通道一，Ch2为通道二。
具体实施方式：
参见图1~图5，本发明的一种基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器，在一个非对称定向耦合器上引入亚波长光栅，其中一根有亚波长光栅的波导为通道一，另一根无亚波长光栅的波导为通道二。当光束从通道一入射时，TE偏振态光被亚波长光栅反射回来，TM偏振态光经亚波长光栅区域耦合进入通道二输出，实现TM偏振起偏器；当光束从通道二入射时，TE偏振态光经通道二传输输出，而TM偏振态光经亚波长光栅区域耦合进入通道一输出，实现TE和TM偏振分束器。
所述横电波即TE偏振：s偏振态即垂直偏振态，电场指向x轴方向，电场所在平面与波传播方向垂直。横磁波即TM偏振：p偏振态即水平偏振态，磁场指向x轴方向，磁场所在平面与波传播方向垂直。
所述的非对称定向耦合器的通道一和通道二由两根不对称的波导组成，所述波导为绝缘衬底sio2底板上的si条，其中通道一为直线形波导，通道二的波导包括依次连接的输入直线段、弧形过渡段、耦合直线段、弧形过渡段和输出直线段；与通道二耦合直线段对应平行的通道一耦合段波导上等距离刻有若干平行的矩形槽，形成亚波长光栅，等距离刻有若干平行矩形槽的通道一耦合段与通道二的耦合直线段构成亚波长光栅区域。
所述的通道一波导高220nm，宽480nm，耦合段长10-20µm；耦合段等距离刻有的矩形槽高160-200nm，宽300-500nm，槽与槽间的距离为100-300nm，矩形槽与通道一波导条垂直。本实施例通道一波导高220nm，宽480nm，耦合段长10-20µm；耦合段等距离刻有的矩形槽高分别为160 nm 、180 nm 、200nm，矩形槽宽分别为300 nm 、423 nm 、500nm，矩形槽与矩形槽间距离分别为100 nm 、200 nm 、300nm。
所述的通道二波导高220nm，宽500nm，耦合直线段长10-20µm。
所述的通道二波导弧形过渡段的弯曲角为75-90°。
所述通道一耦合段和通道二耦合直线段之间的距离为100-200nm。
所述绝缘衬底sio2底板厚度为2um。
所述通道一耦合段波导上等距离刻若干矩形槽，采用现有技术的化学腐蚀方法和光刻技术在SOI顶硅上加工设计器件，所述SOI基片包括sio2底板及sio2底板的硅。
图1为TM型偏振起偏器及偏振分束器结构图。我们将引入亚波长光栅的波导定义为通道一即图中的Ch1，则另一根为通道二Ch2。当TE偏振态和TM偏振态的光从Ch1入射时，TE偏振光被光栅反射，TM由于位相匹配，由Ch1耦合进Ch2继续传输。当TE和TM偏振态同时从Ch2入射，TE沿着Ch2传输，TM在光栅区域由于两个波导的位相匹配耦合进Ch1，实现偏振分束。
图中亚波长光栅的各部分参数如下：
光栅周期T：500-720nm；
光栅脊款：190-260nm；
周期个数：15-20；
光栅高度h：160-200nm；
通道一宽度：500nm；
通道二宽度：480nm。

Claims (7)

1.一种基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器，其特征在于：在一个非对称定向耦合器上引入亚波长光栅，其中一根有亚波长光栅的波导为通道一，另一根无亚波长光栅的波导为通道二。
2.根据权利要求1所述基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器，其特征在于：所述的非对称定向耦合器的通道一和通道二由两根不对称的波导组成，所述波导为绝缘衬底sio2底板上的si条，其中通道一为直线形波导，通道二的波导包括依次连接的输入直线段、弧形过渡段、耦合直线段、弧形过渡段和输出直线段；与通道二耦合直线段对应平行的通道一耦合段波导上等距离刻有若干平行的矩形槽，形成亚波长光栅，等距离刻有若干平行矩形槽的通道一耦合段与通道二的耦合直线段构成亚波长光栅区域。
3.根据权利要求1所述基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器，其特征在于：所述的通道一波导高220nm，宽480nm，耦合段长10-20µm；耦合段等距离刻有的矩形槽高160-200nm，宽300-500nm，槽与槽间的距离为100-300nm，矩形槽与通道一波导条垂直。
4.根据权利要求1所述基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器，其特征在于：所述的通道二波导高220nm，宽500nm，耦合直线段长10-20µm。
5.根据权利要求1所述基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器，其特征在于：所述的通道二波导弧形过渡段的弯曲角为75°-90°。
6.根据权利要求1所述基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器，其特征在于：所述通道一耦合段和通道二耦合直线段之间的距离为100-200nm。
7.根据权利要求1所述基于亚波长光栅的定向耦合型TM起偏器及分束器，其特征在于：所述绝缘衬底sio2底板厚度为2µm。
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