CN111090147A - 一种集成纳米结构周期阵列的集成光波导 - Google Patents

一种集成纳米结构周期阵列的集成光波导 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种集成纳米结构周期阵列的集成光波导,其包括包层，以及输入光波导、亚波长纳米结构周期阵列和接收光信号的器件；所述的输入光波导设置在所述的包层内的一端，且为单一光波导；所述的亚波长纳米结构周期阵列设置在所述的包层内，且位于所述的输入光波导和接收光信号的器件之间，其垂直于波导传播方向，用于实现光波的准直、偏转、分束、偏振分离。本发明提出集成光波导效率高、集成度高，且能分离不同偏振的光信号。

Description

一种集成纳米结构周期阵列的集成光波导
技术领域
本发明涉及集成光学微纳器件领域，尤其涉及一种集成纳米结构周期阵列的集成光波导。
背景技术
光纤通信技术的发展为人们的生活和工作带了巨大的改变，它是当前信息时代的基础。每天世界各地的光纤中都传递着大量的信息。然而，人们目前还无法直接使用这些光信号进行计算，因此，人们需要将这些光信号转换成电信号，以供服务器、个人电脑等电子系统使用。集成光学器件在其中扮演了重要的角色，其具有尺寸小、低能耗、设计灵活等优点。然而，目前集成光学器件中的基本特性还未到达最优值，比如光纤输入到波导的效率，波导中偏振分离的效率和工作距离，以及波导输出到光电探测器的效率。此外，为了增加集成光学器件的集成度，三维多层光波导器件也被提出，然而不同层的波导之间的信息交换还未达到最优的效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种集成纳米结构周期阵列的集成光波导，通过亚波长纳米结构组成的周期阵列控制集成光波导中光信号的传播，具体技术方案如下：
一种集成纳米结构周期阵列的集成光波导,该集成光波导包括包层，以及输入光波导、亚波长纳米结构周期阵列和接收光信号的器件；
所述的输入光波导设置在所述的包层内的一端，且为单一光波导。
所述的亚波长纳米结构周期阵列设置在所述的包层内，且位于所述的输入光波导和接收光信号的器件之间，其垂直于波导传播方向，用于实现光波的准直、偏转、分束、偏振分离。
进一步地，所述的接收光信号的器件为输出光波导，且其位于所述的包层内，所述的亚波长纳米结构周期阵列包括靠近输入光波导的第一亚波长纳米结构周期阵列、靠近所述的输出光波导的第二亚波长纳米结构周期阵列；所述的亚波长纳米结构周期阵列为硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列。
进一步地，所述的接收光信号的器件为光纤或者光电探测器，所述的亚波长纳米结构周期阵列为采用金材料制作的反射式的纳米结构周期阵列或采用硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列。
进一步地，所述的输入光波导与所述的亚波长纳米结构周期阵列的距离为20-50μm。
进一步地，所述的输出光波导与所述的第二亚波长纳米结构周期阵列的距离为20-50μm。
进一步地，硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列包括衬底以及硅材料制备的纳米结构周期阵列，当输入光波导的波长为1550nm时，纳米结构周期阵列的周期为500-700nm；每个纳米结构均为立方体形状，它们的尺寸的范围为高度800-1000nm，边长为200-500nm。
进一步地，金材料制作的反射式的纳米结构周期阵列包括金的薄膜层、中间介质层以及金制备的纳米结构周期阵列，当输入光波导的波长为1550nm时，纳米结构周期阵列的周期为285-500nm，金的薄膜层厚度为100-200nm，中间介质层的厚度为100-200nm，金纳米结构周期阵列的厚度为50-80nm，其结构为长方形或L形，它们的边长为50-400nm。
进一步地，所述的纳米结构周期阵列中每一个纳米结构的尺寸通过如下方法得到：
S1：通过有限时域差分算法仿真计算已知周期和尺寸范围下的所有纳米结构周期阵列，得到纳米结构周期阵列尺寸与其相位分布的对应关系；其中，硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列要保证透过率大于90％，金材料制作的反射式的纳米结构周期阵列要保证大于80％；
S2：当接收光信号的器件为输出光波导时，分别计算第一亚波长纳米结构周期阵列和第二纳米结构周期阵列的相位分布；
其中，第一亚波长纳米结构周期阵列的相位分布通过以下四种方式计算：
(1)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现准直功能时，通过有限时域差分算法计算得到距离输入波导一定距离且垂直于波导传播方向的截面上的光的相位分布
Figure BDA0002358481130000021
则
Figure BDA0002358481130000022
其中，x，y分别为截面上水平方向和垂直方向的坐标；
(2)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现偏转功能时，即将波导里的光导入到与其高度相差h的另一层波导中，则改变光束传播方向的相位分布
Figure BDA0002358481130000023
Figure BDA0002358481130000024
其中，d为两层纳米结构阵列之间的距离，n2为波导包层的折射率，λ为工作波长，x，y分别为截面上水平方向和垂直方向的坐标；
(3)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现分束功能时，即将波导里的光导入到与其高度相差分别为h1、h2···hm的m个波导中，则
Figure BDA0002358481130000025
Figure BDA0002358481130000026
(4)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现偏振分离的功能时，即纳米结构的形状不是中心对称的，其对TM和TE光的相位分布分别为
Figure BDA0002358481130000027
和
Figure BDA0002358481130000031
其中，第二亚波长纳米结构周期阵列的相位分布
Figure BDA0002358481130000032
其中，θ为光波入射到第二个纳米结构周期阵列时的入射角；
当接收光信号的器件为光纤或者光电探测器时，计算第一亚波长纳米结构周期阵列的相位分布，其相位分布为光纤模式的相位分布加上角度偏转的相位分布
Figure BDA0002358481130000033
或者聚焦相位分布加上角度偏转的相位分布
Figure BDA0002358481130000034
S3：根据S1中的纳米结构周期阵列尺寸与其相位分布的对应关系得到纳米结构阵列中每一个纳米结构的尺寸。
进一步地，利用纳米结构阵列所产生的相位分布改变光束传播方向，为保证高效率的传播，偏转角度
Figure BDA0002358481130000035
不大于30°。
本发明的有益效果如下：
本发明通过利用纳米结构阵列控制光的波前面(相位分布)的方法来实现集成波导中光信号的控制，包括：使用硅材料制备的亚波长纳米结构周期阵列实现高效率地三维波导中不同层波导之间的信号转换、将不同偏振态的光信号分离并导入三维空间中的不同光波导中、使用金属或者硅材料制备的亚波长纳米结构周期阵列实现高效率的波导与光纤或光电探测器之间的耦合。由于所采用的纳米结构周期阵列的厚度小，相比于现有的利用多模干涉原理所实现的类似器件，本发明有更小的尺寸，从而可以实现更优的集成度。另外，为了实现光波导与其他器件的高效耦合，不同器件输出的模场应尽可能的保持一致，而纳米周期结构的优势在于其可以通过控制光的波前面任意地控制光在空间中的模式分布，从而实现不同器件之间的高的耦合效率。此外，采用纳米结构周期阵列的方法还可以方便地将三维光波导中的信号同时、分别地输出到不同的光纤或光电探测器中。
附图说明
图1是本发明的集成纳米结构周期阵列的集成光波导其中一个实施例的结构示意图，1为包层，2为输入波导的芯，3为第一亚波长纳米结构周期阵列，4为第二结构周期阵列，5为接收波导的芯；
图2分别是距离输入光波导30μm处的光的相位分布、纳米结构阵列所产生的相位变化的分布、实现准直功能的纳米结构阵列的截面结构示意图。
图3是将输入光波导里的光导入到与其高度相差8μm的另一波导中的结构示意图以及仿真计算结果图。
图4是将一个波导里的光平均分配到两个高度相差16μm的波导中的仿真计算结果图。
图5是利用纳米结构阵列在三维集成波导中实现偏转分离的功能的仿真计算结果图。
图6是基于反射型纳米结构阵列的集成波导与光纤或者光电探测器的耦合的结构示意图。
图7是利用金材料制作的反射型纳米结构阵列将垂直入射的光沿一定的角度反射到波导所在平面上方的接收器件的仿真计算结果图。
图8是利用硅材料制作的透射型纳米结构阵列将光信号偏转一定的角度，输出到波导所在平面上方的接收器件的仿真计算结果。
图9为将三维波导中的两个波导中的光信号分别输出到不同的接收器件中的仿真计算结果图。
其中，1-集成波导的包层，2-输入光波导，3-第一纳米结构周期阵列，4-第二纳米结构周期阵列，5-输出光波导，6-光电探测器或光纤。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明集成纳米结构周期阵列的集成光波导包括包层1，以及输入光波导2、亚波长纳米结构周期阵列和接收光信号的器件；
输入光波导2设置在所述的包层1内的一端，且为单一光波导；
亚波长纳米结构周期阵列设置在包层1内，且位于输入光波导2和接收光信号的器件之间，其垂直于波导传播方向，用于实现光波的准直、偏转、分束、偏振分离。
作为其中一种实施方式，接收光信号的器件为输出光波导5，且其位于所述的包层1内，亚波长纳米结构周期阵列包括靠近输入光波导2的第一亚波长纳米结构周期阵列3、靠近输出光波导的第二亚波长纳米结构周期阵列4；亚波长纳米结构周期阵列为硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列。如图1所示。
硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列包括衬底以及硅材料制备的纳米结构周期阵列，其周期为500-700nm；每个纳米结构均为立方体形状，它们的尺寸的范围为高度800-1000nm，边长为200-500nm。还需指出的是，这些尺寸仅限于工作波长为1550nm时，当工作波长变为其他波长(1300-2000nm)时，这些结构尺寸保持等比例地变化。
作为另一种实施方式，接收光信号的器件为光电探测器或光纤，如图6所示，此时的亚波长纳米结构周期阵列为采用金材料制作的反射式的纳米结构周期阵列或采用硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列，其中，硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列与输出光波导5时是相同的；金材料制作的反射式的纳米结构周期阵列包括金的薄膜层、中间介质层以及金制备的纳米结构周期阵列，其周期为285-500nm，金的薄膜层厚度为100-200nm，中间介质层的厚度为100-200nm，金纳米结构周期阵列的厚度为50-80nm，其结构为长方形或L形，它们的边长为50-400nm。还需指出的是，这些尺寸仅限于工作波长为1550nm时，当工作波长变为其他波长(1300-2000nm)时，这些结构尺寸保持等比例地变化。
对于接收光信号的器件为光电探测器或光纤时，本发明的集成光波导中的输入光波导也可以为多个，如图9所示，为两个输入光波导中的信号分别输出到不同的接收器件中。
优选地，输入光波导与所述的亚波长纳米结构周期阵列的距离为20-50μm，输出光波导与所述的第二亚波长纳米结构周期阵列的距离为20-50μm，两个纳米结构阵列之间的距离为30-200μm。
本发明的纳米结构周期阵列中每一个纳米结构的尺寸均通过垂直于波导传播方向的截面上的光的相位分布
Figure BDA0002358481130000055
得到，根据要实现的功能不同，亚波长纳米结构周期阵列的结构也不同，通过如下方法得到：
S1：通过有限时域差分算法仿真计算已知周期和尺寸范围下的所有纳米结构周期阵列，得到纳米结构周期阵列尺寸与其相位分布的对应关系；其中，硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列要保证透过率大于90％，金材料制作的反射式的纳米结构周期阵列要保证大于80％；
S2：当接收光信号的器件为输出光波导时，分别计算第一亚波长纳米结构周期阵列和第二纳米结构周期阵列的相位分布；
其中，第一亚波长纳米结构周期阵列的相位分布通过以下四种方式计算：
(1)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现准直功能时，通过有限时域差分算法计算得到距离输入波导一定距离且垂直于波导传播方向的截面上的光的相位分布
Figure BDA0002358481130000051
则
Figure BDA0002358481130000052
如图2所示，为距离输入光波导30μm处的光的相位分布、纳米结构阵列所产生的相位变化的分布、实现准直功能的纳米结构阵列的结构示意图。
(2)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现偏转功能时，即将波导里的光导入到与其高度相差h的另一层波导中，则改变光束传播方向的相位分布
Figure BDA0002358481130000053
Figure BDA0002358481130000054
其中，d为两层纳米结构阵列之间的距离，n2为波导包层的折射率，λ为工作波长，x，y分别为截面上水平方向和垂直方向的坐标；如图3所示，将波导里的光导入到与其高度相差8μm的另一波导中的结构示意图以及仿真计算结果图。
(3)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现分束功能时，即将波导里的光导入到与其高度相差分别为h1、h2···hm的m个波导中，这些波导之间的位置关系可以为任意的，它们之间的距离在8-20μm之间，分配的功率的比例可以任意值，此时的周期阵列的相位分布为：
Figure BDA0002358481130000061
Figure BDA0002358481130000062
如图4所示，为将一个波导里的光平均分配到两个高度相差16μm的波导中的仿真计算结果图。对于实现偏转功能和分束功能时，利用纳米结构阵列所产生的相位分布改变光束传播方向，为保证高效率的传播，偏转角度
Figure BDA0002358481130000063
不大于30°。
(4)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现偏振分离的功能时，即纳米结构的形状不是中心对称的，其对TM和TE光具有不同的响应，其对TM和TE光的相位分布分别为
Figure BDA0002358481130000064
和
Figure BDA0002358481130000065
如图5所示，为利用纳米结构阵列在三维集成波导中实现偏转分离的功能的仿真计算结果图。
第二亚波长纳米结构周期阵列4中每一个纳米结构的尺寸也均通过垂直于波导传播方向的截面上的光的相位分布
Figure BDA0002358481130000066
得到，
Figure BDA0002358481130000067
其中，θ为光波入射到第二个纳米结构周期阵列时的入射角。
当接收光信号的器件为光电探测器或光纤，如图6所示，此时的第一亚波长纳米结构周期阵列的相位分布为光纤模式的相位分布加上角度偏转的相位分布
Figure BDA0002358481130000068
或者聚焦相位分布加上角度偏转的相位分布
Figure BDA0002358481130000069
如图7所示，利用金材料制作的反射型纳米结构阵列将垂直入射的光沿一定的角度反射到波导所在平面上方的接收器件的仿真计算结果图。如图8所示，纳米结构周期阵列的相位分布为聚焦相位分布加上角度偏转的相位分布，利用硅材料制作的透射型纳米结构阵列将光信号偏转一定的角度，输出到波导所在平面上方的接收器件的仿真计算结果。
本发明的集成光波导中的纳米结构周期阵列利用电子束曝光和刻蚀技术制备，这些制备步骤可以采用目前成熟的工艺；沿垂直于聚合物波导传播的方向在聚合物波导中切开一个槽，将得到的纳米结构阵列插入到凹槽中，对准之后，在空隙中填充聚合物波导包层的材料，最后进行紫外光固化。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种集成纳米结构周期阵列的集成光波导,其特征在于，该集成光波导包括包层，以及输入光波导、亚波长纳米结构周期阵列和接收光信号的器件；
所述的输入光波导设置在所述的包层内的一端，且为单一光波导。
所述的亚波长纳米结构周期阵列设置在所述的包层内，且位于所述的输入光波导和接收光信号的器件之间，其垂直于波导传播方向，用于实现光波的准直、偏转、分束、偏振分离。
2.根据权利要求1所述的集成纳米结构周期阵列的集成光波导,其特征在于，所述的接收光信号的器件为输出光波导，且其位于所述的包层内，所述的亚波长纳米结构周期阵列包括靠近输入光波导的第一亚波长纳米结构周期阵列、靠近所述的输出光波导的第二亚波长纳米结构周期阵列；所述的亚波长纳米结构周期阵列为硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列。
3.根据权利要求1所述的集成纳米结构周期阵列的集成光波导,其特征在于，所述的接收光信号的器件为光纤或者光电探测器，所述的亚波长纳米结构周期阵列为采用金材料制作的反射式的纳米结构周期阵列或采用硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列。
4.根据权利要求1所述的集成纳米结构周期阵列的集成光波导,其特征在于，所述的输入光波导与所述的亚波长纳米结构周期阵列的距离为20-50μm。
5.根据权利要求2所述的集成纳米结构周期阵列的集成光波导,其特征在于，所述的输出光波导与所述的第二亚波长纳米结构周期阵列的距离为20-50μm。
6.根据权利要求2或3所述的集成纳米结构周期阵列的集成光波导,其特征在于，硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列包括衬底以及硅材料制备的纳米结构周期阵列，当输入光波导的波长为1550nm时，纳米结构周期阵列的周期为500-700nm；每个纳米结构均为立方体形状，它们的尺寸的范围为高度800-1000nm，边长为200-500nm。
7.根据权利要求3所述的集成纳米结构周期阵列的集成光波导,其特征在于，金材料制作的反射式的纳米结构周期阵列包括金的薄膜层、中间介质层以及金制备的纳米结构周期阵列，当输入光波导的波长为1550nm时，纳米结构周期阵列的周期为285-500nm，金的薄膜层厚度为100-200nm，中间介质层的厚度为100-200nm，金纳米结构周期阵列的厚度为50-80nm，其结构为长方形或L形，它们的边长为50-400nm。
8.根据权利要求6或7所述的集成纳米结构周期阵列的集成光波导,其特征在于，所述的纳米结构周期阵列中每一个纳米结构的尺寸通过如下方法得到：
S1：通过有限时域差分算法仿真计算已知周期和尺寸范围下的所有纳米结构周期阵列，得到纳米结构周期阵列尺寸与其相位分布的对应关系；其中，硅材料制作的透射式的纳米结构周期阵列要保证透过率大于90％，金材料制作的反射式的纳米结构周期阵列要保证大于80％；
S2：当接收光信号的器件为输出光波导时，分别计算第一亚波长纳米结构周期阵列和第二纳米结构周期阵列的相位分布；
其中，第一亚波长纳米结构周期阵列的相位分布通过以下四种方式计算：
(1)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现准直功能时，通过有限时域差分算法计算得到距离输入波导一定距离且垂直于波导传播方向的截面上的光的相位分布
Figure FDA0002358481120000021
则
Figure FDA0002358481120000022
其中，x，y分别为截面上水平方向和垂直方向的坐标；
(2)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现偏转功能时，即将波导里的光导入到与其高度相差h的另一层波导中，则改变光束传播方向的相位分布
Figure FDA0002358481120000023
Figure FDA0002358481120000024
其中，d为两层纳米结构阵列之间的距离，n2为波导包层的折射率，λ为工作波长，x，y分别为截面上水平方向和垂直方向的坐标；
(3)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现分束功能时，即将波导里的光导入到与其高度相差分别为h1、h2···hm的m个波导中，则
Figure FDA0002358481120000025
Figure FDA0002358481120000026
(4)当第一亚波长纳米结构周期阵列实现偏振分离的功能时，即纳米结构的形状不是中心对称的，其对TM和TE光的相位分布分别为
Figure FDA0002358481120000027
和
Figure FDA0002358481120000028
其中，第二亚波长纳米结构周期阵列的相位分布
Figure FDA0002358481120000029
其中，θ为光波入射到第二个纳米结构周期阵列时的入射角；
当接收光信号的器件为光纤或者光电探测器时，计算第一亚波长纳米结构周期阵列的相位分布，其相位分布为光纤模式的相位分布加上角度偏转的相位分布
Figure FDA00023584811200000210
或者聚焦相位分布加上角度偏转的相位分布
Figure FDA00023584811200000211
S3：根据S1中的纳米结构周期阵列尺寸与其相位分布的对应关系得到纳米结构阵列中每一个纳米结构的尺寸。
9.根据权利要求8所述的集成纳米结构周期阵列的集成光波导,其特征在于，利用纳米结构阵列所产生的相位分布改变光束传播方向，为保证高效率的传播，偏转角度
Figure FDA0002358481120000031
不大于30°。
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