CN111239896A - 一种基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器 - Google Patents

一种基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器 Download PDF

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CN111239896A CN202010225858.3A CN202010225858A CN111239896A CN 111239896 A CN111239896 A CN 111239896A CN 202010225858 A CN202010225858 A CN 202010225858A CN 111239896 A CN111239896 A CN 111239896A
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waveguide
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周治平
陈睿轩
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Beijing Aijie Photoelectric Technology Co ltd
Peking University Shenzhen Graduate School
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Beijing Aijie Photoelectric Technology Co ltd
Peking University Shenzhen Graduate School
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Abstract

本发明公开了一种基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，包括功率分束器、MZI调相单元、偏振旋转控制单元和合束器，所述偏振旋转控制单元包括混合表面等离子体槽波导，所述混合表面等离子体槽波导具有一定的槽宽，且所述混合表面等离子体槽波导的两个介质波导均具有一定的宽度，且所述混合表面等离子体槽波导的两侧间隔一定距离均设置有一具有一定厚度、长度和宽度的具备金属特性的材料。本发明的优势是结构简化，偏振转化损耗小且对两种不同偏振态的入射光都能实现输出光偏振状态的有源调控。

Description

一种基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器
技术领域
本发明涉及一种基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器。
背景技术
偏振多样性方案是解决光路偏振敏感问题的主要方法，该方案中最主要的核心器件之一是偏振旋转器，它能够保证后续光路中只含有一种偏振态的信号，进而简化功能器件的设计与优化。通过引入波导结构的不对称性，传统的偏振旋转器只能实现固定偏振光状态之间的无源转换，而在诸如片上激光器输出光偏振态的控制、生物传感、偏振复用等许多应用场景下，需要实现偏振光状态的时域变化。参考与之类似的片上可调偏振控制器的设计思路，当前的主流方案是由两个无源偏振旋转器内夹一个偏振相关移相器的三明治结构组成。在三五材料平台，利用偏振相关的能级填充效应来实现偏振相关相移；在硅基平台，则是在波导上表面涂覆负热光系数材料来实现偏振相关相移。尽管该方案能够调控输出偏振光的任意状态，可以作为有源偏振旋转器的一种实现方案，但是结构复杂，偏振转化损耗较大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，从模式转换的角度切入，利用混合表面等离子体槽波导丰富的模式输入和输出对应关系，将输出光偏振状态的翻转与输出光波导之间的相对相位差建立联系。另外，混合表面等离子体槽波导具有超小尺寸的特点，在打破结构对称性的同时，不会引入很大的损耗，进而能够实现高效、低损的有源偏振旋转器，本发明采用如下技术方案：
一种基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，包括功率分束器、MZI调相单元、偏振旋转控制单元和合束器，所述偏振旋转控制单元包括混合表面等离子体槽波导，所述混合表面等离子体槽波导具有一定的槽宽，且所述混合表面等离子体槽波导的两个介质波导均具有一定的宽度，且所述混合表面等离子体槽波导的两侧间隔一定距离均设置有一具有一定厚度、长度和宽度的具备金属特性的材料。
进一步的，通合理优化备金属特性的材料的结构设计参数，使得输出光偏振态的转换效率最高且偏振相关损耗最小；通过改变两路光波之间的相对相位差，实现输出光偏振态的动态翻转进一步的，所述结构设计参数包括具备金属特性的材料的宽度、厚度、具备金属特性的材料与介质槽波导侧壁间距、具备金属特性的材料与介质槽波导底部所在平面的距离、介质槽波导宽度、槽宽度、具备金属特性的材料的长度等。
进一步的，所述偏振旋转控制单元包含的混合表面等离子体槽波导主体组成材料为适合用作导波系统的介质，如硅，氮化硅，石英等，以及适合构成表面等离子体波导且具备金属特性的材料，具备金属特性的材料可以是金、铝、银、氧化锌等。
进一步的，所述偏振旋转控制单元包含多组输入模式和输出模式之间的对应关系，具体存在如下四组对应关系：
1.输入模式为
Figure BDA0002427610820000021
时，输出模式为
Figure BDA0002427610820000022
和
Figure BDA0002427610820000023
2.输入模式为
Figure BDA0002427610820000024
时，输出模式为
Figure BDA0002427610820000025
和
Figure BDA0002427610820000026
3.输入模式为
Figure BDA0002427610820000027
时，输出模式为
Figure BDA0002427610820000028
和
Figure BDA0002427610820000029
4.输入模式为
Figure BDA0002427610820000031
时，输出模式为
Figure BDA0002427610820000032
和
Figure BDA0002427610820000033
进一步的，所述偏振旋转控制单元包含的混合表面等离子体槽波导中，具备金属特性的材料的分布位置为介质材料的周围利于造成偏振旋转控制单元存在多组输入模式和输出模式对应关系的位置。
进一步的，所述偏振旋转控制单元的输入模式的切换由所述MZI调相单元来实现。
进一步的，采用热学、电学或其他方法改变受影响区域内波导的折射率，使得两路光波的相对相位差发生改变。
进一步的，所述MZI调相单元的调相方式为单臂调相或其他能够导致两臂产生相对相位差的调相方法。
进一步的，当相对相位差为0时，两路
Figure BDA0002427610820000034
光合并进入偏振旋转控制单元的输入端将转变为
Figure BDA0002427610820000035
当相对相位差为π时，两路
Figure BDA0002427610820000036
光合并进入偏振旋转控制单元的输入端将转变为
Figure BDA0002427610820000037
进一步的，整个波导系统输出光偏振态的动态调控过程如下：
对于TE偏振态输入，入射光模式经由功率分束器分为同相的两路
Figure BDA0002427610820000038
若在调相单元影响下两路光波的相对相位差为
Figure BDA0002427610820000039
波导合并后转化为
Figure BDA00024276108200000310
经过偏振旋转控制单元后输出
Figure BDA00024276108200000311
和
Figure BDA00024276108200000312
由于一阶模无法通过Y分支所构成的合束器，因此最终输出光仍为TE偏振态；若在调相单元影响下两路光波的相对相位差为
Figure BDA00024276108200000313
波导合并后转化为
Figure BDA00024276108200000314
经过偏振旋转控制单元后输出
Figure BDA00024276108200000315
和
Figure BDA00024276108200000316
通过合束器滤除一阶高阶模后最终输出光为TM偏振态；
对于TM偏振态输入，入射光模式经由功率分束器分为同相的两路
Figure BDA00024276108200000317
若在调相单元影响下两路光波的相对相位差为
Figure BDA00024276108200000318
波导合并后转化为
Figure BDA00024276108200000319
经过偏振旋转控制单元后输出
Figure BDA00024276108200000320
和
Figure BDA00024276108200000321
一阶模通过合束器将被滤除，因此最终输出光仍为TM偏振态；若在调相单元影响下两路光波的相对相位差为
Figure BDA0002427610820000041
波导合并后转化为
Figure BDA0002427610820000042
经过偏振旋转控制单元后输出
Figure BDA0002427610820000043
和
Figure BDA0002427610820000044
通过合束器滤除一阶高阶模后最终输出光为TE偏振态。
进一步的，整个波导系统输出光的两种偏振状态与所述MZI调相单元两臂的两种相对相位差
Figure BDA0002427610820000045
和
Figure BDA0002427610820000046
之间呈现一一对应关系
进一步的，所述功率分束器为50:50功率分束器。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
利用混合表面等离子体槽波导的输入输出光对应关系，将输出光两种偏振状态的翻转与输入波导之间的相对相位差建立联系。通过优化具备金属特性的材料的宽度、具备金属特性的材料的厚度、具备金属特性的材料与介质槽波导侧壁间距、介质槽波导宽度、槽宽度、具备金属特性的材料的长度等结构设计参数，能够实现偏振状态的高效切换和极小的偏振相关损耗。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器的结构示意图；
图2为偏振旋转控制单元的示意图；
图3为TM偏振态输入下有源偏振旋转器性能与结构参数的关系图；
附图标记说明：1-功率分束器；2-MZI调相单元；3-偏振旋转控制单元；301-介质波导；302-具备金属特性的材料；4-合束器。
具体实施方式
如图1和2所示，一种基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，包括功率分束器1(50:50功率分束器)、调相单元2、偏振旋转控制单元3和合束器4，所述偏振旋转控制单元3由如图2所示的混合表面等离子体槽波导来实现，所述混合表面等离子体槽波导具有一定的槽宽，且所述混合表面等离子体槽波导的两个介质波导301均具有一定的宽度，且所述混合表面等离子体槽波导的两侧间隔一定距离均设置有一具有一定厚度、长度和宽度的具备金属特性的材料302。通过合理优化具备金属特性的材料302的结构设计参数，使得输出光偏振态的转换效率最高且偏振相关损耗最小；通过改变两路光波之间的相对相位差，实现输出光两种偏振态之间的翻转切换。
其中所述结构设计参数包括具备金属特性的材料302的宽度、厚度、具备金属特性的材料302与介质波导301侧壁间距、介质波导301宽度、槽宽度、具备金属特性的材料302的长度等。
所述偏振旋转控制单元3包含的混合表面等离子体槽波导的主体组成材料(介质波导301)为适合用作导波系统的介质，如硅，氮化硅，石英等，以及适合构成表面等离子体波导且具备金属特性的材料，具备金属特性的材料302可以是金、铝、银、氧化锌等。
所述偏振旋转控制单元3的输入模式和输出模式之间存在如下四组对应关系：
1.输入模式为
Figure BDA0002427610820000051
时，输出模式为
Figure BDA0002427610820000052
和
Figure BDA0002427610820000053
2.输入模式为
Figure BDA0002427610820000054
时，输出模式为
Figure BDA0002427610820000055
和
Figure BDA0002427610820000056
3.输入模式为
Figure BDA0002427610820000057
时，输出模式为
Figure BDA0002427610820000058
和
Figure BDA0002427610820000059
4.输入模式为
Figure BDA00024276108200000510
时，输出模式为
Figure BDA00024276108200000511
和
Figure BDA00024276108200000512
所述偏振旋转控制单元3的输入模式的切换由所述调相单元2来实现。采用热学、电学或其他方法改变受影响区域内波导的折射率，使得两路光波的相对相位差发生改变。所述MZI调相单元2的调相方式为单臂调相或其他能够导致两臂产生相对相位差的调相方法。
当相对相位差为0时，两路
Figure BDA0002427610820000061
光合并进入偏振旋转控制单元3的输入端将转变为
Figure BDA0002427610820000062
当相对相位差为π时，两路
Figure BDA0002427610820000063
光合并进入偏振旋转控制单元3的输入端将转变为
Figure BDA0002427610820000064
整个波导系统输出光偏振态的动态调控过程如下：
对于TE偏振态输入，入射光模式经由功率分束器1分为同相的两路
Figure BDA0002427610820000065
若在调相单元2影响下两路光波的相对相位差为
Figure BDA0002427610820000066
波导合并后转化为
Figure BDA0002427610820000067
经过偏振旋转控制单元3后输出
Figure BDA0002427610820000068
和由于一阶模无法通过Y分支所构成的合束器4，因此最终输出光仍为TE偏振态；若在调相单元2影响下两路光波的相对相位差为
Figure BDA00024276108200000610
波导合并后转化为
Figure BDA00024276108200000611
经过偏振旋转控制单元3后输出
Figure BDA00024276108200000612
和
Figure BDA00024276108200000613
通过合束器4后最终输出光为TM偏振态；
对于TM偏振态输入，入射光模式经由功率分束器1分为同相的两路
Figure BDA00024276108200000614
若在调相单元2影响下两路光波的相对相位差为
Figure BDA00024276108200000615
波导合并后转化为
Figure BDA00024276108200000616
经过偏振旋转控制单元3后输出
Figure BDA00024276108200000617
和
Figure BDA00024276108200000618
一阶模通过合束器4将被滤除，因此最终输出光仍为TM偏振态；若在调相单元2影响下两路光波的相对相位差为
Figure BDA00024276108200000619
波导合并后转化为
Figure BDA00024276108200000620
经过偏振旋转控制单元3后输出
Figure BDA00024276108200000621
和
Figure BDA00024276108200000622
通过合束器4后最终输出光为TE偏振态。
整个波导系统输出光的两种偏振状态与所述MZI调相单元(2)两臂的两种相对相位差
Figure BDA00024276108200000623
和
Figure BDA00024276108200000624
之间呈现一一对应关系。
以TM偏振态输入为例，具备金属特性的材料302的宽度大于5μm、具备金属特性的材料302的材料为金，介质波导301的材料为硅，介质波导301与具备金属特性的材料302材料放置于在同一平面上，介质波导301的宽度为240nm、槽宽度为180nm、具备金属特性的材料302的长度为5.7μm附近，如图3中的(a),(b),(c)所示，在具备金属特性的材料302与介质波导301侧壁间距及具备金属特性的材料302的厚度选取在Gap,hAu＝(60,30)nm附近时，TM透过率90.46％(0.44dB)，TE透过率80.66％(0.93dB)，偏振相关损耗PDL<0.5dB,(d)为对应的金属长度。丰富的模式对应关系使得器件对两种偏振状态的入射光都能实现有源偏振旋转的功能。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，其特征在于：包括功率分束器、MZI调相单元、偏振旋转控制单元和合束器，所述偏振旋转控制单元包括混合表面等离子体槽波导，所述混合表面等离子体槽波导具有一定的槽宽，且所述混合表面等离子体槽波导的两个介质波导均具有一定的宽度，且所述混合表面等离子体槽波导的两侧间隔一定距离均设置有一具有一定厚度、长度和宽度的具备金属特性的材料。
2.根据权利要求1所述的基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，其特征在于：通合理优化备金属特性的材料的结构设计参数，使得输出光偏振态的转换效率最高且偏振相关损耗最小；通过改变两路光波之间的相对相位差，实现输出光偏振态的动态翻转。
3.根据权利要求2所述的基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，其特征在于：所述结构设计参数包括具备金属特性的材料的宽度、厚度、具备金属特性的材料与介质槽波导侧壁间距、具备金属特性的材料与介质槽波导底部所在平面的距离、介质槽波导宽度、槽宽度、具备金属特性的材料的长度。
4.根据权利要求1所述的基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，其特征在于：所述混合表面等离子体槽波导主体组成材料为适合用作导波系统的介质，以及适合构成表面等离子体波导且具备金属特性的材料。
5.根据权利要求1所述的基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，其特征在于：所述偏振旋转控制单元包含多组输入模式和输出模式之间的对应关系，具体包括如下四组对应关系：
1).输入模式为
Figure FDA0002427610810000011
时，输出模式为
Figure FDA0002427610810000012
和
Figure FDA0002427610810000013
2).输入模式为
Figure FDA0002427610810000014
时，输出模式为
Figure FDA0002427610810000015
和
Figure FDA0002427610810000016
3).输入模式为
Figure FDA0002427610810000021
时，输出模式为
Figure FDA0002427610810000022
和
Figure FDA0002427610810000023
4).输入模式为
Figure FDA0002427610810000024
时，输出模式为
Figure FDA0002427610810000025
和
Figure FDA0002427610810000026
6.根据权利要求1所述的基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，其特征在于：采用热学、电学或其他方法改变受影响区域内波导的折射率，使得两路光波的相对相位差发生改变。
7.根据权利要求1所述的基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，其特征在于：当相对相位差为0时，两路
Figure FDA0002427610810000027
光合并进入偏振旋转控制单元的输入端将转变为
Figure FDA0002427610810000028
当相对相位差为π时，两路
Figure FDA0002427610810000029
Figure FDA00024276108100000210
光合并进入偏振旋转控制单元的输入端将转变为
Figure FDA00024276108100000211
8.根据权利要求1所述的基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，其特征在于：整个波导系统输出光偏振态的动态调控过程如下：
对于TE偏振态输入，入射光模式经由功率分束器分为同相的两路
Figure FDA00024276108100000212
若在调相单元影响下两路光波的相对相位差为
Figure FDA00024276108100000213
波导合并后转化为
Figure FDA00024276108100000214
经过偏振旋转控制单元后输出
Figure FDA00024276108100000215
和
Figure FDA00024276108100000216
由于一阶模无法通过Y分支所构成的合束器，因此最终输出光仍为TE偏振态；若在调相单元影响下两路光波的相对相位差为
Figure FDA00024276108100000217
波导合并后转化为
Figure FDA00024276108100000218
经过偏振旋转控制单元后输出
Figure FDA00024276108100000219
和
Figure FDA00024276108100000220
通过合束器后最终输出光为TM偏振态；
对于TM偏振态输入，入射光模式经由功率分束器分为同相的两路
Figure FDA00024276108100000221
若在调相单元影响下两路光波的相对相位差为
Figure FDA00024276108100000222
波导合并后转化为
Figure FDA00024276108100000223
经过偏振旋转控制单元后输出
Figure FDA00024276108100000224
和
Figure FDA00024276108100000225
一阶模通过合束器将被滤除，因此最终输出光仍为TM偏振态；若在调相单元影响下两路光波的相对相位差为
Figure FDA00024276108100000226
波导合并后转化为
Figure FDA00024276108100000227
经过偏振旋转控制单元后输出
Figure FDA00024276108100000228
和
Figure FDA00024276108100000229
通过合束器后最终输出光为TE偏振态。
9.根据权利要求8所述的基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，其特征在于：整个波导系统输出光的两种偏振状态与所述MZI调相单元两臂的两种相对相位差
Figure FDA0002427610810000031
和
Figure FDA0002427610810000032
之间呈现一一对应关系。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器，其特征在于：所述功率分束器为50:50功率分束。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113176675A (zh) * 2021-03-11 2021-07-27 中国科学院微电子研究所 一种硅基电光调制器及其制备方法

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