CN108051889A - 一种混合等离子效应辅助的槽式波导te模检偏器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合等离子效应辅助的槽式波导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波导、过渡波导A、直通波导、过渡波导B，输出波导和右路直通波导。本发明提供的槽式波导TE模检偏器具有低插入损耗、高消光比、大制造容差以及大工作带宽的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，属于集成光学技术领域。
背景技术
飞速发展的光通信技术以及逐步拓宽的应用领域极大地促进了光子器件的研究与发展。硅基光子集成器件因与标准CMOS工艺兼容，且具有低成本、低功耗以及优越性能等优势越来越受到研究人员的关注。集成光子器件通常采用的高折射率差硅基材料系虽然能够有效减小器件的尺寸，但是也引入了显著的偏振相关性。因此光子回路中光的偏振状态需要精准控制。硅基槽式波导作为一种重要的波导结构已经广泛应用到多种硅基光子器件的研究和设计中。在基于硅基槽式波导的光子回路中，高效的偏振控制也是必不可少的。偏振控制器件包括偏振分束器、旋转器和检偏器。检偏器能够消除光子回路中不需要的偏振光，因此在回路中引入检偏器是一种简单且有效的解决偏振相关性的方法。目前，研究人员设计了多种槽式波导的TE/TM模检偏器。例如，在槽式波导的低折射率材料区插入透明导电氧化物(如铟锡氧化物)或者多层石墨烯材料以实现对特定模式的吸收，或者利用垂直定向耦合把特定的模式耦合出来进行处理等。但是，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，设计出一种具有高消光比、低插入损耗并且制造简单的槽式波导检偏器十分必要。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，该检偏器利用过渡波导将对称槽式波导转化为非对称槽式波导，有效增加了模式的双折射性质，并利用非对称槽式波导与右侧的混合等离子波导的互作用实现TM模的耗散，在保证器件优异性能的同时大大降低了器件的制造难度。
技术方案：
本发明提供了一种混合等离子效应辅助的槽式波导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光信号的输入波导、过渡波导A、直通波导、过渡波导B、输出波导和右路直通波导；
过渡波导A连接输入波导与直通波导的一端；直通波导的另一端连接过渡波导B；过渡波导B连接输出波导；
右路直通波导与直通波导长度相同且对齐摆放。
进一步，所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，直通波导为非对称硅基槽式波导；输入波导和输出波导为对称硅基槽式波导；过渡波导A和过渡波导B为宽度渐变型硅基槽式波导，右路直通波导为混合等离子波导。
进一步，所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，右路直通波导与直通波导之间的距离为0.05～0.4μm。
更进一步，所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，所述的硅基槽式波导的结构为横向三明治结构，其中左右两层是硅波导层，两层硅波导层的中间部分为低折射率材料层。
更进一步，所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，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，上层是金属覆盖层，底层与上层的中间部分为低折射率材料层。
更进一步，所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，所述的低折射率材料层的材料为二氧化硅或氮化硅，所述的金属覆盖层的金属材料为波长1.55μm情况下介电常数虚部值大于40的高损耗金属。
更进一步，所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，所述的介电常数虚部值大于40的高损耗金属为铬、铝或锌中的任意一种。
更进一步，所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，所述的非对称槽式波导与混合等离子波导的尺寸满足以下条件：
1)非对称槽式波导与混合等离子波导的TE模有效折射率实部相差大于0.3，相位失配；
2)非对称槽式波导与混合等离子波导的TM模的有效折射率实部接近，相差小于0.2。
进一步，所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，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中的一种。
进一步，所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，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模式进入输入波导后，进入过渡波导转变成非对称槽式波导的TE模式，此时TE模式折射率大于该结构下TM模的有效折射率，因此TE模信号与右侧高损耗的混合等离子波导几乎没有相互作用，几乎完全集中在左路非对称槽式波导中，经由第二段过渡波导转变成与输入波导中完全一样的TE模式输出。所以，器件的插入损耗很低。
2、消光比高：本发明中引入了混合等离子波导结构，且该结构中的金属覆盖层选用损耗大的金属材料。由于非对称槽式波导的TM模式与混合等离子波导中TM模式折射率接近，输入的TM模式经过过渡波导后会与混合等离子波导发生耦合，产生传输损耗较高的模式。适当增加非对称波导与混合等离子波导的作用长度，损耗会相应增大，由TE模的传输几乎不受混合等离子波导影响，因此消光比可以很高。
3、制造容差大：TE模式直接通过中路波导输出，而TM模式进入到非对称槽式波导中与混合等离子波导发生耦合，利用欧姆损耗，使TM模式能量耗散。经过研究发现，当混合等离子波导或者非对称槽式波导尺寸发生轻微变化时，模式的传输损耗始终在较高的水平。所以，器件尺寸的轻微变化不会严重影响TM模式的耗散，因此所述的槽式波导TM检偏器可以实现大的制造容差。
附图说明
图1为本发明实施例1中非对称槽式波导与混合等离子波导横截面结构示意图；
图2为本发明实施例1中检偏部件结构示意图；
图3为本发明实施例1中硅基非对称槽式波导的结构示意图；
图4为本发明实施例1中混合等离子波导的结构示意图；
图5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6为本发明实施例1中混合等离子波导中TE0和TM0的有效折射率与硅层宽度(μm)的变化关系图；
图7为本发明实施例1中TM0模的传输损耗(dB/μm)与混合等离子波导中硅层宽度(μm)的变化关系图；
图8为本发明实施例1中TE0和TM0模经过过渡波导的损耗(dB)与过渡波导的长度(μm)之间的变化关系图；
图9为本发明实施例1中TE0模在设计的检偏部件中传输时|Ex|分量的变化图；
图10为本发明实施例1中TM0模在设计的检偏部件中传输时|Ey|分量的变化图；
图11为本发明实施例1中可采用的几种过渡波导的结构示意图；
图1-4中：1为输入波导、2为过渡波导A、3为直通波导、4为过渡波导B、5为输出波导、6为右路直通波导、7为硅基衬底、8为掩埋氧化层、9为上包层、10为硅波导层、11为槽式波导低折射率材料层、12为混合等离子波导低折射率材料层、13为金属覆盖层、14为检偏部件。
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7、掩埋氧化层8、检偏部件14和上包层9，其中掩埋氧化层8生长于硅基衬底7的上表面，上包层9覆盖掩埋氧化层8的上表面，检偏部件14水平生长于掩埋氧化层8的上表面，并被上包层9覆盖；
所述检偏部件14包括输入光信号的输入波导1、过渡波导A2、直通波导3、过渡波导B4、输出波导5、右路直通波导6；
过渡波导A2连接输入波导1与直通波导3的一端；直通波导3的另一端连接过渡波导B4；过渡波导B4连接输出波导5；
直通波导3与右路直通波导6对齐摆放，两波导之间的距离为0.05～0.4μm；
输入波导1和输出波导5为对称硅基槽式波导；直通波导3为非对称硅基槽式波导；过渡波导A2和过渡波导B4为宽度渐变型硅基槽式波导，右路直通波导6为混合等离子波导。
所述的硅基槽式波导的结构为横向三明治结构，其中左右两层是硅波导层10，中间部分为槽式波导低折射率材料层11；
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10，中间部分为混合等离子波导低折射率材料层12，上层是金属覆盖层13(见图4)。
对称槽式波导经过过渡波导转变成非对称的槽式波导，增加了模式的双折射性质，即非对称槽式波导支持的TE0与TM0模式之间有效折射率差更大。合理设计左路非对称槽式波导和右路混合等离子波导的尺寸，可以使槽式波导的TM0模式折射率实部接近混合等离子波导的TM0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0.3，也就是槽式波导的TM0模式能与混合等离子波导发生耦合，而TE模相位失配。此时，当TE0模式进入输入波导后，在后续的传输中几乎不会与右侧的混合等离子波导发生相互作用，因此TE0模依次经过过渡波导A、左路直通波导和过渡波导B后，直接从输出波导输出。因为TE0模式的传输几乎被完全限制在硅基槽式波导中，所以传输损耗非常小。而当TM0模式经过过渡波导A到达左路直通波导时，根据耦合模理论，TM0模式会与右侧的混合等离子波导发生相互作用，非对称槽式波导的TM0模能量会逐渐转变成右侧混合等离子波导TM0的能量。由于混合等离子波导TM0模式主要集中在低折射率材料层，与高损耗金属接触，因此该模式的传输损耗比较大。最终输入的槽式波导的TM0能量会随着模式传输而逐渐耗散，而且传输的距离越长，残余的TM0模能量就越小。因此，这种设计可以实现消光比很高的槽式波导TE0模检偏器。此外，当波导的尺寸轻微变化时，TM0的传输损耗仍能保持较高的值，所以该检偏器能够在保证性能的前提下容忍一定程度的制造误差。
图5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，主要集中在硅波导层10中；而TM0模式与介质波导中该模式的场分布不一样。在混合等离子波导中，TM0主要集中在混合等离子波导低折射率材料层12内，与金属层接触。混合等离子波导能把TM模限制在低折射率层，这种现象称为混合等离子效应。由于选用的金属损耗较高，因此混合等离子波导的TM0模式传输损耗远高于介质波导中该模式的传输损耗。
图6给出了混合等离子波导中TE0和TM0的有效折射率与硅层宽度(μm)的变化关系图。其中硅波导层10高度为0.25μm，混合等离子波导低折射率材料层12的材料为二氧化硅，厚度为0.07μm，金属覆盖层13为铬，宽度为0.2μm，厚度为0.1μm，包层也为SiO2。虚线表示的是非对称槽式波导中TM0模的有效折射率值，其中，槽式波导中两条形波导宽度分别为0.1和0.4μm，槽宽0.1μm。从图中可以看出，当混合等离子波导中硅层宽度约为0.24μm时，相位匹配条件成立。
图7给出了TM0模的传输损耗(dB/μm)与混合等离子波导中硅层宽度(μm)的变化关系图。其中硅波导层10高度为0.25μm，混合等离子波导低折射率材料层12材料为二氧化硅，厚度为0.07μm，金属覆盖层13为铬，宽0.2μm，高0.1μm。非对称槽式波导两硅波导层宽度分别为0.1和0.4μm，槽宽0.1μm。图中可以看出，当混合等离子波导中硅层宽度在0.22-0.29μm范围内时，TM0模的传输损耗均保持较高的水平(大于1.2dB/μm)。
图8给出了槽式波导的TE0和TM0模经过过渡波导的损耗(dB)与过渡波导的长度(μm)之间的变化关系图。这里，工作波长为1.55μm，硅波导层10高度为0.25μm，非对称槽式波导槽宽0.1μm，两波导宽度为0.1和0.4μm。从图中可知，TM0的过渡损耗小于TE0的损耗，这是因为对称槽波导中TE0模主要集中在低折射率的槽内而在非对称槽波导中TE0主要集中到宽度较大的硅层中。因此，TE0由于模式分布的变化，过渡损耗较大。从图中可以还可以看出，两种模式的过渡损耗均会随着过渡长度的增加而减小。而且当L大于5μm时，两种模式的过渡损耗均小于0.05dB。
图9给出了第一个发明实例中TE0模在检偏部件14中传输时主分量|Ex|的分布变化图。其中，混合等离子波导与非对称槽式波导的间距为0.2μm，工作波长为1.55μm。从图中可以看出，TE0模式在传输过程中始终被限制在槽式波导中并最终直接从输出波导中输出，且几乎没有损耗。
图10给出了第一个发明实例中TM0模在检偏部件14中传输时主分量|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，经过渡波导进入到非对称槽式波导中后，会向右侧的混合等离子波导中耦合，而且由于耦合过程中能量损耗较大，随着传输距离的增加，TM0模能量逐渐耗散并最终几乎完全损耗掉。
图11给出了本发明实施例1中可采用的几种过渡波导的结构示意图。应当指出，这些宽度渐变型硅基槽式结构均可运用到本发明实例中以实现槽式波导TE模检偏器的功能。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 (10)
1.一种混合等离子效应辅助的槽式波导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（7）、掩埋氧化层（8）、检偏部件（14）和上包层（9），其中掩埋氧化层（8）生长于硅基衬底（7）的上表面，上包层（9）覆盖掩埋氧化层（8）的上表面，检偏部件（14）水平生长于掩埋氧化层（8）的上表面，并被上包层（9）覆盖；
所述检偏部件（14）包括输入光信号的输入波导（1）、过渡波导A（2）、直通波导（3）、过渡波导B（4）、输出波导（5）和右路直通波导（6）；
过渡波导A（2）连接输入波导（1）与直通波导（3）的一端；直通波导（3）的另一端连接过渡波导B（4）；过渡波导B（4）连接输出波导（5）；
右路直通波导（6）与直通波导（3）长度相同且对齐摆放。
2.根据权利要求1所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，其特征在于：直通波导（3）为非对称硅基槽式波导；输入波导（1）和输出波导（5）为对称硅基槽式波导；过渡波导A（2）和过渡波导B（4）为宽度渐变型硅基槽式波导，右路直通波导（6）为混合等离子波导。
3.根据权利要求1所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，其特征在于：右路直通波导（6）与直通波导（3）之间的距离为0.05~0.4μm。
4.根据权利要求2所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，其特征在于：所述非对称硅基槽式波导的结构为横向三明治结构，其中左右两层是硅波导层，两层硅波导层的中间部分为低折射率材料层。
5.根据权利要求2所述的混合等离子效应辅助的槽式波导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，上层是金属覆盖层，底层与上层的中间部分为低折射率材料层。
6.根据权利要求4或5所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，其特征在于：所述的低折射率材料层的材料为二氧化硅或氮化硅，所述的金属覆盖层的金属材料为波长1.55μm情况下介电常数虚部值大于40的高损耗金属。
7.根据权利要求6所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，其特征在于：所述的介电常数虚部值大于40的高损耗金属为铬、铝或锌中的任意一种。
8.根据权利要求2所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，其特征在于：所述的非对称硅基槽式波导与混合等离子波导的尺寸满足以下条件：
1）非对称硅基槽式波导与混合等离子波导的TE模有效折射率实部相差大于0.3，相位失配；
2）非对称硅基槽式波导与混合等离子波导的TM模的有效折射率实部接近，相差小于0.2。
9.根据权利要求1所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，其特征在于：所述的硅基衬底（7）为标准尺寸的硅晶元，所述的掩埋氧化层（8）是在硅基衬底（7）上热生长的二氧化硅材料，所述的上包层（9）的材料为二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或者空气中的一种。
10.根据权利要求1所述的混合等离子效应辅助的槽式波导TE模检偏器，其特征在于：所述掩埋氧化层（8）的厚度为2~3 μm。
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