CN107132616A - 一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器。包括入射硅波导和出射硅波导以及在入射硅波导和出射硅波导之间的中间耦合部分，中间耦合部分是置于SOI衬底上的五层波导结构，五层波导结构从下至上依次是下硅层、下二氧化硅层、上硅层、上二氧化硅层和金属铬层；从入射硅波导传输过来的TM模经过所述中间耦合部分时从下二氧化硅层耦合到上二氧化硅层并被金属铬层吸收衰减，从入射硅波导传输过来的TE模经过所述中间耦合部分时沿下二氧化硅层传输不会耦合到上二氧化硅层，具有尺寸小、消光比高、插入损耗低的优势，能够减小耦合损耗，易于光学集成。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体涉及了一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器。
背景技术
随着长距离全光网络的引入，光通信系统变得越来越复杂。硅基组件对入射光的偏振的高敏感度吸引着人们设计出高效紧凑的偏振控制组件，包括偏振器，偏振分束器，偏振旋转器。在这些偏振控制组件中，偏振器可以用于抑制不需要的偏振态的通过，因此在解决很多光学系统的偏振依赖问题中扮演者一个不可分割的部分。
为了实现芯片上的应用，偏振器必须实现超小的封装、高消光比和低损耗。很多TE-pass和横向磁场通过(TM-pass)的偏振器已经在理论上提出或在实验上证明了。通过选择特殊的波导尺寸使得其中一个偏振模式截止可以实现简单的偏振器，但是这种设计中，辐射光会反射回来，从而降低光学芯片的信噪比。
混合等离激元波导由低折射率的的间隔层将金属表面与高折射率层分离开，其可以把能量高度集中在低折射率层。基于混合等离激元波导，人们设计了很多偏振器。基于混合等离激元波导的偏振器可以减小器件长度，然而金属的存在会带来额外的传输损耗，并且为了降低其器件的传输损耗，消光比也会因而受到影响。
发明内容
为克服上述现有技术所述的缺陷和不足，本发明提供了一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器，具有尺寸小、消光比高、插入损耗低的优势，本偏振器集成于绝缘硅片(SOI)上，属于TE-pass的偏振器。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括入射硅波导和出射硅波导以及在入射硅波导和出射硅波导之间的中间耦合部分，所述中间耦合部分是置于SOI衬底上的五层波导结构，五层波导结构从下至上依次是下硅层、下二氧化硅层、上硅层、上二氧化硅层和金属铬(Cr)层。
本发明只需在普通波导上增设上硅层、上二氧化硅层和金属铬层即能制作出所述偏振器。
从入射硅波导传输过来的TM模经过所述中间耦合部分时从下二氧化硅层耦合到上二氧化硅层并被金属铬层吸收衰减，从入射硅波导传输过来的TE模经过所述中间耦合部分时沿下二氧化硅层传输不会耦合到上二氧化硅层。
所述中间耦合部分的上二氧化硅层、上硅层和金属铬层的宽度相同，宽度使得从入射硅波导传输过来的TM模进入到中间耦合部分后在混合等离激元波导模式截止，从入射硅波导传输过来的TE模不受影响。具体实施可以为200nm。
所述中间耦合部分的下硅层的宽度和高度与入射硅波导的硅层的宽度和高度对应相同。
所述中间耦合部分的下二氧化硅层的宽度和高度与入射硅波导的硅层的宽度和高度对应相同。
所述中间耦合部分的下硅层宽度和下二氧化硅层宽度相同。
所述的下二氧化硅层和上二氧化硅层替换为三氧化二铝层。
所述的中间耦合部分和入射硅波导和出射硅波导直接相连。
所述中间耦合部分中的下硅层和下二氧化硅层与入射硅波导或者出射硅波导连接。
具体实施的上二氧化硅层厚度为10nm到50nm。
具体实施的上硅层厚度根据入射硅波导尺寸调整，具体为150nm到400nm。
根据非正交的耦合模式理论，如图3所示，本发明的中间耦合部分看成混合等离激元波导和垂直狭缝波导的组合。如图3左下侧的垂直狭缝硅波导由低折射率的二氧化硅(SiO2)层将不同宽度的硅波导分隔开，根据狭缝波导理论，TM模会集中在垂直狭缝硅波导的二氧化硅层。如图3右下侧的混合等离激元波导的波导宽度即垂直狭缝硅波导的上层硅的宽度，由于铬的强吸收性能，其被用于本结构的金属部分。
外部由TM和TE混合的入射光通过偏振器后时，TM模会耦合到混合等离激元波导部分衰减，而TE模则不会耦合并会沿着硅波导通过此偏振器，因此TE模基本不受到上层金属的影响。通过设计上硅层的高度，可以使得TM模最大程度耦合到混合等离激元波导并衰减，而TE模则最大程度保持不变。通过设计中间耦合部分的长度，可以使得TM模的消光比达到30dB以上，而TE模基本保持不变，最终实现偏振器功能。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
1、本发明是基于混合等离激元波导与介质波导的耦合的一个亚波长的偏振器，TM模的损耗主要是基于混合等离激元波导的传输损耗，因而不会因为辐射光会反射回来而降低光学芯片的信噪比。
2、本发明器件结构简单，尺寸小，理论的整体尺寸最小能达到6.5微米，并且能在6.5微米的器件长度实现对TM模28dB的消光比，并且对于TE模的插入损耗也只有0.16dB，易于高密度的光学集成
3、本发明可以适用于不同宽度的硅波导，无需在入射端与硅波导进行耦合，能够减小耦合损耗，易于光学集成。
附图说明
图1为本发明偏振器的结构示意图。
图2(a)为中间耦合部分的剖面图。
图2(b)为入射硅波导和出射硅波导的剖面图。
图3为中间耦合部分由两种波导混合构成图。
图4(a)为仿真实施下TM模耦合成的TMeven和TModd的传输损耗随着上硅层厚度h1的改变曲线图。
图4(b)为仿真实施下TM模耦合成的TMeven和TModd的能量耦合率随着上硅层厚度h1的改变曲线图。
图4(c)为仿真实施下总的TM模传输损耗与TE模传输损耗与上硅层厚度h1的关系图。
图中：1为SOI衬底，2为下硅层，3为下二氧化硅层，4为上硅层，5为上二氧化硅层，6为金属铬层。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1和2所示，本发明具体实施参见如图1，本实施例的TE-pass的偏振器的三维原理图，包括入射硅波导和出射硅波导以及在入射硅波导和出射硅波导之间的中间耦合部分。
如图2(a)所示，中间耦合部分是置于SOI衬底1上的五层波导结构，五层波导结构从下至上依次是下硅层2、下二氧化硅层3、上硅层4、上二氧化硅层5和金属铬层6。其中上硅层4、上二氧化硅层5和金属铬层6的宽度一致，中间耦合部分的长度为L。
如图2(b)所示，入射硅波导和出射硅波导均由置于SOI衬底1上的下硅层2和下二氧化硅层3构成。入射硅波导、出射硅波导和中间耦合部分采用同一块SOI衬底1，入射硅波导、出射硅波导和中间耦合部分的下硅层2连接，入射硅波导、出射硅波导和中间耦合部分的下二氧化硅层3连接。
具体实施中，中间耦合部分的下硅层2的宽度和高度与入射硅波导的硅层的宽度和高度对应相同；中间耦合部分的下二氧化硅层3的宽度和高度与入射硅波导的硅层的宽度和高度对应相同；中间耦合部分的下硅层2宽度和下二氧化硅层3宽度相同。
本发明TE-pass的偏振器的工作原理如下：
如图3所示，中间耦合部分被看作混合等离激元波导和垂直狭缝波导的两个波导的混合，其中波导a是垂直结构的狭缝波导，其上硅层的宽度小于下面硅层的宽度，当上层Si宽度足够小，TE模会在上层硅层截止，这时垂直狭缝波导的TE模主要集中在下硅层，为了与CMOS工艺兼容，设定上硅层的宽度为200nm。这时TM模主要集中在两层Si之间的二氧化硅层之中。波导b是混合等离激元波导，由于波导b的宽度为200nm，因此混合等离激元波导是TE模截止的，其TM模集中在金属Cr和Si之间的二氧化硅层之间。
根据非正交的耦合模理论，当波导a和波导b耦合时，会在中间耦合部分形成奇次模和偶次模。其中两种模式的模场分布可以由下面公式给出：
eeven＝a11(z)e`1+a12(z)e2
eodd＝a21(z)e`1+a22(z)e2
其中，eeven表示耦合结构TM奇次模的电场，eodd表示耦合结构TM偶次模的电场，e1与e2分别是波导a和波导b的TM模分布，aij分别表示相应的模式振幅，即耦合结构中TM的电场分布中波导a和波导b的TM的电场振幅，其中a11表示耦合结构TM奇次模的电场分布中波导a的TM模电场振幅，a12表示耦合结构TM奇次模的电场分布中波导b的TM模电场振幅，a21表示耦合结构TM偶次模的电场分布中波导a的TM模电场振幅，a22表示耦合结构TM偶次模的电场分布中波导b的TM模电场振幅，由公式可以看出中间耦合部分存在两种TM模，即奇次模和偶次模，它们的模场主要集中在两层二氧化硅层之中。
当TM模从入射硅波导进入中间耦合部分之后，TM模会耦合成TMeven和TModd，TMeven和TModd分别表示TM的奇次模和偶次模。当中间耦合部分的尺寸改变，会导致这两种模式的传输损耗和能量耦合率的改变，如图4(a)和4(b)所示。当实施例设置参数为下硅层宽度W1＝450nm，下硅层厚度H1＝250nm，下二氧化硅层厚度H2＝50nm，上二氧化硅层厚度h2＝20nm，金属层厚度h3＝100nm，上硅层宽度W2＝200nm，通过改变h1来模拟传输损耗和能量耦合率的改变。总的能量传输率由下面公式给出：
其中，表示TM模总的能量传输率，ηeven表示TMeven的功率比率，表示TMeven的能量传输率，ηodd表示TModd的功率比率，表示TModd的能量传输率。
根据以上公式，得到TM总的传输损耗与上硅层4厚度h1的关系。如图4(c)所示，为总的TM的传输损耗与TE模的传输损耗与上硅层4厚度h1的关系。根据图4(c)，选取使得总的TM传输损耗最大的上硅层4厚度h1的值为230nm。根据得到的参数，设计出最佳的器件。
使用三维时域有限差分对器件进行仿真，可以得出当实现TM模30dB消光比时所需的中间耦合部分的长度。并进而可以仿真得到TE模的插入损耗。
当不同规格的入射硅波导通入时，可以通过调整上二氧化硅层和上硅层的厚度来使得TM的传输损耗尽可能最大，而TE模最大程度的保持不变。
Claims (9)
1.一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器，包括入射硅波导和出射硅波导以及在入射硅波导和出射硅波导之间的中间耦合部分，其特征在于：所述中间耦合部分是置于SOI衬底(1)上的五层波导结构，五层波导结构从下至上依次是下硅层(2)、下二氧化硅层(3)、上硅层(4)、上二氧化硅层(5)和金属铬层(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器，其特征在于：从入射硅波导传输过来的TM模经过所述中间耦合部分时从下二氧化硅层(3)耦合到上二氧化硅层(5)并被金属铬层(6)吸收衰减，从入射硅波导传输过来的TE模经过所述中间耦合部分时沿下二氧化硅层(3)传输不会耦合到上二氧化硅层(5)。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器，其特征在于：所述中间耦合部分的上二氧化硅层(5)、上硅层(4)和金属铬层(6)的宽度相同，宽度使得从入射硅波导传输过来的TM模进入到中间耦合部分后在混合等离激元波导模式截止，从入射硅波导传输过来的TE模不受影响。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器，其特征在于：所述中间耦合部分的下硅层(2)的宽度和高度与入射硅波导的硅层的宽度和高度对应相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器，其特征在于：所述中间耦合部分的下二氧化硅层(3)的宽度和高度与入射硅波导的硅层的宽度和高度对应相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器，其特征在于：所述中间耦合部分的下硅层(2)宽度和下二氧化硅层(3)宽度相同。
7.根据权利要求1所述的一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器，其特征在于：所述的下二氧化硅层(3)和上二氧化硅层(5)替换为三氧化二铝层。
8.根据权利要求1所述的一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器，其特征在于：所述的中间耦合部分和入射硅波导和出射硅波导直接相连。
9.根据权利要求8所述的一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器，其特征在于：所述中间耦合部分中的下硅层(2)和下二氧化硅层(3)与入射硅波导或者出射硅波导连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170905 |