CN113568100A - 一种应用于中红外波段的悬空型偏振分束器 - Google Patents

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余明斌
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Abstract

本发明涉及一种应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，包括条形硅波导和亚波长光栅平板波导结构，所述条形硅波导包括第一波导、第二波导和第三波导，所述亚波长光栅平板波导结构作为支撑结构，用于支撑所述第一波导、第二波导和第三波导；所述第二波导位于第一波导和第三波导之间，且分别与所述第一波导的耦合区域和第三波导的耦合区域耦合；所述第三波导的第一端作为所述悬空型偏振分束器的输入端，第二端作为所述悬空型偏振分束器的直通端；所述第一波导的第二端作为所述悬空型偏振分束器的交叉端。本发明可以降低二氧化硅衬底的吸收损耗。

Description

一种应用于中红外波段的悬空型偏振分束器
技术领域
本发明涉及集成光电子器件技术领域，特别是涉及一种应用于中红外波段的悬空型偏振分束器。
背景技术
由于大多数光波导器件具有很强的偏振相关性，因此实现硅光器件的片上偏振态调控可以降低系统集成的复杂程度，偏振分束问题是光互连中的一个关键问题。随着通信波段的“容量紧缩”，硅光器件的工作波长逐渐向长波段拓展，其中3-5um的波段是大气透明窗口，有实现自由空间光通信的前景。而SOI波导结构采用的二氧化硅衬底在该波段的吸收损耗较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，可以降低二氧化硅衬底的吸收损耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，包括条形硅波导和亚波长光栅平板波导结构，所述条形硅波导包括第一波导、第二波导和第三波导，所述亚波长光栅平板波导结构作为支撑结构，用于支撑所述第一波导、第二波导和第三波导；所述第二波导位于第一波导和第三波导之间，且分别与所述第一波导的耦合区域和第三波导的耦合区域耦合；所述第三波导的第一端作为所述悬空型偏振分束器的输入端，第二端作为所述悬空型偏振分束器的直通端；所述第一波导的第二端作为所述悬空型偏振分束器的交叉端。
横电/横磁模式的光从所述输入端进入所述第三波导，经过所述第三波导的耦合区域时，横磁模式的光依次耦合到所述第二波导和第一波导，并由所述交叉端输出，横电模式的光直接经过第三波导从所述直通端输出。
所述第一波导和第三波导的宽度相同。
所述第二波导的宽度大于所述第一波导和第三波导的宽度。
所述第一波导的宽度为1.5μm、第二波导的宽度为1.67μm，所述第三波导的宽度为1.5μm。
所述第一波导、第二波导和第三波导的厚度相同。
所述第一波导、第二波导和第三波导的厚度为800nm。
所述第二波导的耦合长度为19μm。
所述亚波长光栅平板波导的厚度为100nm，周期为300nm，占空比为0.5。
所述第一波导、第二波导和第三波导的材料均为绝缘层上硅材料，并采用空气作为上包层。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明为了降低衬底吸收损耗的影响，采用亚波长光栅平板波导结构作为支撑结构，从而去除波导底部的二氧化硅。当输入端输入横磁(TM)模式的光时，TM偏振的光由于满足相位匹配条件，会耦合到交叉波导端口，而输入横电(TE)偏振的光时，由于波导在TE偏振状态下相位失配因此不能发生耦合，将从波导直通波导端口输出。本发明可用于中红外波段的悬空型偏振分束器，具有工艺简便、结构简单、传输损耗低等优点。
附图说明
图1是本发明实施方式的结构示意图；
图2是本发明实施方式的俯视图；
图3是本发明实施方式的第一波导和第三波导的截面图；
图4是本发明实施方式的输入TE模式的光场传输图；
图5是本发明实施方式的输入TM模式的光场传输图；
图6是本发明实施方式的输入TE/TM模式光的消光比随波长的变化图；
图7是本发明实施方式的输入TE/TM模式光的插损随波长的变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，如图1和图2所示，包括条形硅波导和亚波长光栅平板波导结构4，所述条形硅波导包括第一波导1、第二波导2和第三波导3，所述亚波长光栅平板波导结构4作为支撑结构，用于支撑所述第一波导1、第二波导2和第三波导3，从而去除条形硅波导底部的二氧化硅；所述第二波导2位于第一波导1和第三波导3之间，且分别与所述第一波导1的耦合区域和第三波导3的耦合区域耦合；所述第三波导3的第一端作为所述悬空型偏振分束器的输入端，第二端作为所述悬空型偏振分束器的直通端；所述第一波导1的第二端作为所述悬空型偏振分束器的交叉端。
横电(TE)/横磁(TM)模式的光从所述输入端进入所述第三波导3，经过所述第三波导3的耦合区域时，TM模式的光由于满足相位匹配条件，会依次耦合到所述第二波导2和第一波导1，并由所述交叉端输出，TE模式的光由于波导在TE偏振状态下相位失配因此不能发生耦合，则直接经过第三波导3从所述直通端输出。
如图3所示，第一波导1与第三波导3的波导宽度相同，均为1.5μm，第二波导2的宽度大于第一波导和第三波导，本实施方式中，第二波导2的宽度为1.67μm，三条波导的厚度均为800nm，材料为绝缘层上硅(SOI)材料。周围的亚波长光栅平板波导的厚度为100nm，周期为300nm，占空比为0.5。该结构可以通过两步光刻刻蚀和二氧化硅衬底刻蚀工艺实现。因此绝缘层上硅(SOI)材料的包层均为空气。其中，第二波导的耦合长度为19μm。本实施方式中器件最小尺寸参数不大于现有硅光加工技术下的最小特征尺寸。
如图4所示，当TE模式的光输入时，不满足相位匹配条件，光从直通端输出。如图5所示，当TM模式的光输入时，满足相位匹配条件，从交叉端输出。从图中可以看到，该器件实现了对不同偏振状态的光进行分束的预期功能。
输入TE/TM模式光的消光比和插损随波长的变化如图6和图7所示，可以看到，该器件在4.3μm的波长下，TE模式下的消光比＞15dB，TM模式下的消光比＞17dB，该器件在4.25-4.4μm波长范围内TE和TM模式输入时的插损均＜0.5dB。因此，该器件尺寸小、耦合效率高、损耗小，且工艺简单，在中红外波段光互连中可以实现很好的应用。

Claims (10)

1.一种应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，其特征在于，包括条形硅波导和亚波长光栅平板波导结构，所述条形硅波导包括第一波导、第二波导和第三波导，所述亚波长光栅平板波导结构作为支撑结构，用于支撑所述第一波导、第二波导和第三波导；所述第二波导位于第一波导和第三波导之间，且分别与所述第一波导的耦合区域和第三波导的耦合区域耦合；所述第三波导的第一端作为所述悬空型偏振分束器的输入端，第二端作为所述悬空型偏振分束器的直通端；所述第一波导的第二端作为所述悬空型偏振分束器的交叉端。
2.根据权利要求1所述的应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，其特征在于，横电/横磁模式的光从所述输入端进入所述第三波导，经过所述第三波导的耦合区域时，横磁模式的光依次耦合到所述第二波导和第一波导，并由所述交叉端输出，横电模式的光直接经过第三波导从所述直通端输出。
3.根据权利要求1所述的应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，其特征在于，所述第一波导和第三波导的宽度相同。
4.根据权利要求1所述的应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，其特征在于，所述第二波导的宽度大于所述第一波导和第三波导的宽度。
5.根据权利要求3或4所述的应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，其特征在于，所述第一波导的宽度为1.5μm、第二波导的宽度为1.67μm，所述第三波导的宽度为1.5μm。
6.根据权利要求1所述的应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，其特征在于，所述第一波导、第二波导和第三波导的厚度相同。
7.根据权利要求6所述的应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，其特征在于，所述第一波导、第二波导和第三波导的厚度为800nm。
8.根据权利要求1所述的应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，其特征在于，所述第二波导的耦合长度为19μm。
9.根据权利要求1所述的应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，其特征在于，所述亚波长光栅平板波导的厚度为100nm，周期为300nm，占空比为0.5。
10.根据权利要求1所述的应用于中红外波段的悬空型偏振分束器，其特征在于，所述第一波导、第二波导和第三波导的材料均为绝缘层上硅材料，并采用空气作为上包层。
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