CN111458795B - 一种基于硅波导的全波段起偏器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅波导的全波段起偏器。本发明由浅刻蚀锥形渐变硅波导和浅刻蚀条形硅波导构成；所述的浅刻蚀锥形渐变硅波导包括第一浅刻蚀锥形渐变硅波导和第二浅刻蚀锥形渐变硅波导；所述的浅刻蚀条形硅波导为第一浅刻蚀条形硅波导构成；输入硅波导与第一浅刻蚀锥形渐变硅波导相连，第一浅刻蚀条形硅波导分别与第一浅刻蚀锥形渐变硅波导和第二浅刻蚀锥形渐变硅波导相连；第二浅刻蚀锥形渐变硅波导与输出硅波导相连。本发明提出的硅波导的全波段起偏器具有低损耗、高消光比、大带宽、加工简单的特点，满足光通信、集成光学等领域的实际需求。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域，具体涉及一种基于硅波导的全波段起偏器。
背景技术
随着光通信、光传感、光成像等领域的迅速发展，人们对于偏振控制器件的需求越来越高。偏振控制器件可分为起偏器(Polarizer)、偏振旋转器(Polarization Rotator,PR)和偏振分束器(Polarization Beam Splitter,PBS)。起偏器的主要功能是将不需要的偏振损耗掉从而提高所需偏振的占比。传统的起偏器包括双折射光纤、多层膜等通常体型较大。集成光子平台以绝缘体上硅(Silicon On Insulator,SOI)为代表，凭借互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor,CMOS)加工技术和硅材料高折射率优势有效地实现对光场的强限制，促进器件小型化。
目前常见的基于SOI平台的起偏器以混合表面等离子体起偏器、光栅起偏器和高双折射硅波导起偏器为主。基于表面等离子体的起偏器可以实现较小尺寸、较高偏振消光比，然而金属材料固有的欧姆损耗使得此类起偏器插入损耗较大。光栅起偏器利用光子禁带效应，有效地实现偏振滤波，可以实现小尺寸、高偏振消光比的起偏器，但由于光栅结构的波长敏感特性，此类起偏器带宽较小。基于双折射硅波导起偏器具有结构简单，偏振消光比高，插入损耗小等优点受到广泛关注。常见的双折射硅波导型起偏器有浅刻蚀硅波导起偏器和绝热弯曲硅波导起偏器等。传统的双折射型硅波导起偏器虽然可以实现低的插入损耗以及高的偏振消光比，但是实现此类结构起偏器所需结构尺寸巨大，工作带宽受到限制，难以满足实际应用所需的大带宽的需求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于硅波导的全波段起偏器，利用浅刻蚀的锥形渐变硅波导和浅刻蚀的条形硅波导实现覆盖全光通信波段高偏振消光比、低损耗的起偏器。
本发明提出的基于硅波导的全波段起偏器，由浅刻蚀锥形渐变硅波导和浅刻蚀条形硅波导构成。所述的浅刻蚀锥形渐变硅波导包括第一浅刻蚀锥形渐变硅波导(2)和第二浅刻蚀锥形渐变硅波导(4)；所述的浅刻蚀条形硅波导为第一浅刻蚀条形硅波导(3)构成；输入硅波导(1)与第一浅刻蚀锥形渐变硅波导(2)相连，第一浅刻蚀条形硅波导(3)分别与第一浅刻蚀锥形渐变硅波导(2)和第二浅刻蚀锥形渐变硅波导(4)相连。第二浅刻蚀锥形渐变硅波导与输出硅波导(5)相连。
所述浅刻蚀锥形渐变硅波导和浅刻蚀条形硅波导的刻蚀深度均相同。
在本发明中光信号由输入硅波导1输入，经过第一浅刻蚀锥形渐变硅波导2，电场垂直硅波导上表面方向的偏振光(TM)发生部分泄露，并从二氧化硅衬底泄露至衬底硅层，另一偏振光(TE)实现从厚硅波导到浅刻蚀硅波导的低损转换。初步滤波后的光能量进入第一浅刻蚀条形硅波导3，TM偏振光进一步损耗，TE偏振光实现无损传输。经过第一浅刻蚀条形硅波导3滤波后的光进入第二浅刻蚀锥形渐变硅波导4，TM偏振光损耗殆尽，TE偏振光实现从浅刻蚀条形硅波导到厚硅波导的低损转换，并从输出硅波导5输出，从而实现全波段起偏效果。
优选的，第一浅刻蚀锥形渐变硅波导将1260～1675nm的光信号输入到第一浅刻蚀条形硅波导，并由第二浅刻蚀锥形渐变硅波导输出。
优选地，起偏器的输入端设置有输入硅波导(1)，输出端设置有输出硅波导(5)。
优选地，输入硅波导(1)和输出硅波导(5)均为深刻蚀硅条形波导。
优选地，衬底的厚度为700μm，掩埋层的厚度为2μm，硅芯层厚度为220nm，浅刻蚀的刻蚀深度为120nm。
优选地，起偏器结构关于中心浅刻蚀条形硅波导中心对称。
本发明具有的有益的效果是：
(1)利用浅刻蚀的锥形渐变硅波导可以在整个通讯波段实现TE光在不同厚度的硅波导内高效转换，从而使整个起偏器的插入损耗降低，并且实现覆盖整个通讯波段的工作带宽(O、E、S、C、L、U，1260nm-1675nm)。
(2)利用浅刻蚀条形硅波导可以高效地损耗TM偏振光，从而得到高的偏振消光比。
(3)采用相同的刻蚀深度的锥形渐变硅波导和浅刻蚀条形硅波导，减少工艺步骤，从而降低器件的加工成本。
附图说明
图1给出了本发明硅波导的全波段起偏器结构示意俯视图；
图中：1、输入硅波导，2、第一浅刻蚀锥形渐变硅波导，3、第一浅刻蚀条形硅波导，4、第二浅刻蚀锥形渐变硅波导，5、输出硅波导。
图2给出了本发明硅波导的全波段起偏器的制备流程简图；
图3给出了本发明硅波导的全波段起偏器中的输入波导(输出波导)剖面图；
图4给出了本发明硅波导的全波段起偏器中浅刻蚀锥形渐变硅波导结构的剖面图；
图5给出了本发明硅波导的全波段起偏器中浅刻蚀条形硅波导结构的剖面图；
图6输出硅波导TE偏振和TM偏振透过率仿真曲线。
其中，为了更清楚表示深刻蚀硅波导与浅刻蚀硅波导的区别，图1中将硅芯层深刻蚀和浅刻蚀区分表示为220nm厚的硅和100nm厚的硅，上包层空气未给出。
具体实施方式
下面结合附图和基于硅波导的全波段起偏器的实施实例对本发明作进一步说明。
为了更好地说明本实施例，附图部件会有放大或缩小和省略，并不代表实际产品尺寸。
如图1、3、4、5所示，为实施例的硅波导全波段起偏器的结构示意图。
本实施例的硅波导起偏器包括由下至上一次设置的硅衬底7，掩埋层8，硅芯层9,和上包层10。
选用基于SOI材料的纳米线硅波导，其硅芯层为硅材料，厚度为220nm，折射率为3.476；掩埋层为2μm的二氧化硅绝缘层，折射率为1.445；衬底层为700μm的硅衬底，折射率同硅芯层；上包层为空气，折射率为1。所有硅波导宽度均匀500nm，浅刻蚀锥形渐变硅波导尖端为60nm，浅刻蚀的刻蚀深度为120nm，硅波导传输TE、TM混合偏振的基模。
两个浅刻蚀锥形渐变硅波导均匀线性渐变且对称，宽度变化从500nm到60nm，渐变长度为10μm，中间的浅刻蚀条形硅波导长度为50μm。
如图6所示为输出硅波导TE偏振和TM偏振透过率仿真曲线。利用浅刻蚀条形硅波导可以高效地损耗TM偏振光，从而得到高的偏振消光比。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于硅波导的全波段起偏器，其特征在于，由浅刻蚀锥形渐变硅波导和浅刻蚀条形硅波导构成；所述的浅刻蚀条形硅波导由第一浅刻蚀条形硅波导（3）构成；输入硅波导（1）与第一浅刻蚀锥形渐变硅波导（2）相连，第一浅刻蚀条形硅波导（3）分别与第一浅刻蚀锥形渐变硅波导（2）和第二浅刻蚀锥形渐变硅波导（4）相连；第二浅刻蚀锥形渐变硅波导与输出硅波导（5）相连；
所述第一浅刻蚀锥形渐变硅波导（2）与第一浅刻蚀条形硅波导（3）于第一浅刻蚀锥形渐变硅波导（2）锥形尖端侧连接，第一浅刻蚀条形硅波导（3）与第二浅刻蚀锥形渐变硅波导（4）于第二浅刻蚀锥形渐变硅波导（4）锥形尖端侧连接；
第一浅刻蚀锥形渐变硅波导将1260~1675nm的光信号输入到第一浅刻蚀条形硅波导，并由第二浅刻蚀锥形渐变硅波导输出；
所述浅刻蚀锥形渐变硅波导和浅刻蚀条形硅波导的浅刻蚀深度均相同；
起偏器的输入端设置有输入硅波导（1），输出端设置有输出硅波导（5）；输入硅波导（1）和输出硅波导（5）均为深刻蚀硅条形波导；
所述的硅波导全波段起偏器包括由下至上依次设置的硅衬底、掩埋层、硅芯层和上包层；
选用基于SOI材料的纳米线硅波导，其硅芯层为硅材料，厚度为220 nm，折射率为3.476；掩埋层为2 µm的二氧化硅绝缘层，折射率为1.445；衬底层为700µm的硅衬底，折射率同硅芯层；上包层为空气，折射率为1；所有输入硅波导（1）、输出硅波导（5）和第一浅刻蚀条形硅波导（3）的宽度均为500 nm，第一浅刻蚀条形硅波导（3）的芯部厚度为100nm；所述浅刻蚀锥形渐变硅波导的芯部包括宽500 nm、厚100 nm的矩形芯部以及位于该矩形芯部上方的经浅刻蚀形成的锥形芯部；浅刻蚀锥形渐变硅波导的锥形芯部的尖端宽度为60 nm，浅刻蚀的刻蚀深度为120 nm，硅波导传输TE、TM混合偏振的基模；
两个浅刻蚀锥形渐变硅波导的锥形芯部均匀线性渐变且对称，宽度变化从500nm到60nm，渐变长度为10 µm，中间的浅刻蚀条形硅波导长度为50 µm。
2.根据权利要求1所述的一种基于硅波导的全波段起偏器，其特征在于起偏器实现过程如下：
光信号由输入硅波导（1）输入，经过第一浅刻蚀锥形渐变硅波导（2），电场垂直硅波导上表面方向的偏振光TM发生部分泄露，并从二氧化硅衬底泄露至衬底硅层，另一偏振光TE实现从厚硅波导到硅波导的低损转换；初步滤波后的光能量进入第一浅刻蚀条形硅波导（3），TM偏振光进一步损耗，TE偏振光实现无损传输；经过第一浅刻蚀条形硅波导（3）滤波后的光进入第二浅刻蚀锥形渐变硅波导（4），TM偏振光损耗殆尽，TE偏振光实现从浅刻蚀条形硅波导到厚硅波导的低损转换，并从输出硅波导（5）输出，从而实现全波段起偏效果。
3.根据权利要求2所述的一种基于硅波导的全波段起偏器，其特征在于起偏器结构关于浅刻蚀条形硅波导中心对称。
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