CN114296184A - 一种实现偏振分光与波导耦合的集成光子学器件 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微纳粒子及其阵列与光波导集成的光子学器件结构。该光子学器件结构包括第一微纳粒子，第二微纳粒子，第一光波导，第二光波导，以及基底层。其特征在于第一微纳粒子和第二微纳粒子分别位于第一光波导和第二光波导的轴线延长线方向；第一微纳粒子，第二微纳粒子，第一光波导和第二光波导属于横向光散射层；横向光散射层制备在基底层上。所述微纳粒子和光波导的材料包括但不限于，硅、锗、或者氮化硅等电介质材料。该光子学器件结构实现入射光束的正交偏振分量分别耦合进第一光波导和第二光波导。该集成光子学器件结构及其阵列可以实现分光器或传感器功能。

Description

一种实现偏振分光与波导耦合的集成光子学器件

技术领域

本发明涉及微纳结构光子学与集成光子学器件领域，涉及一种基于微纳粒子及其阵列和光波导的具有偏振分光功能和光波导耦合器功能的集成光子学器件。

背景技术

偏振分光器件将非偏振态光波分成两束正交偏振态光波，在光通信、光学成像、生物传感器等集成光子学器件领域有着重要应用。传统的偏振分光器件是基于光波干涉原理。基于干涉原理的偏振分光器件包括多模干涉，定向耦合器以及马赫曾德尔干涉仪等。

在光学仪器领域应用最广泛的偏振分光器件是偏振分光棱镜。偏振分光棱镜实现分光的技术是：在直角棱镜斜面镀制多层膜，将两个镀制多层膜的直角棱镜胶合成一个立方体结构。入射光波以布鲁斯特角多次通过多层膜结构干涉以后，正交方向的两种线偏振光沿着不同方向传输。如图1所示，根据分光后两正交偏振光传输方向和分光效果，偏振分光棱镜包括Wollaston棱镜、Rochon棱镜、格兰汤普森棱镜等[1]。偏振分光棱镜工作波长范围是(420-1600)nm，可实现起偏器、检偏器、光强分光器等功能。偏振分光棱镜能实现的光束偏转角小，体积较大，不适用于小型化、集成化的光子学器件应用。

当微纳粒子的几何结构尺寸在电磁波波长数量级时，微纳粒子及其阵列具有新颖的光学特性，如改变入射在微纳粒子上光场能量的辐射方向、形成具有折射率梯度的超平面材料、以及产生惠更斯微纳粒子光辐射源等。这些新颖的光学特性可以用离散偶极子分析理论解释，即外部入射光在微纳粒子中激励产生电偶极子、磁偶极子、以及电磁高阶多极子；电磁多级子在微纳粒子中产生相互干涉效应。这种相互干涉效应可以改变微纳粒子的散射光辐射方向，使得微纳粒子的辐射光场具有前向、后向、侧向、甚至横向散射特性。干涉效应的结果是入射光波长、偏振方向、以及微纳粒子材料、结构形式、以及几何尺寸的函数。这种微纳粒子的形状包括宏观领域的几何结构体，如圆柱体、球体、矩形块、立方体，三棱体，以及V形结构等，其几何结构尺寸在几个微米到几百纳米范围内。

基于微纳粒子阵列实现的偏振分光器，具有体积小，厚度在光波长数量级，适用于光子学器件集成。实现偏振分光器的微纳粒子包括硅材料和金属材料。如图2所示，采用硅材料的矩形块微纳粒子组成二维阵列，将波长1550nm的非偏振入射光分为偏振态正交的透射光和反射光[2]。该微纳粒子阵列实现的偏振分光器，基于硅材料矩形块微纳粒子在透射和反射方向上，对正交偏振态光束产生的电磁多级子干涉效应不同，实现不同偏振态光波的透射和反射分光功能。基于该工作原理的光子学器件将非偏振光波沿着光束传播方向实现了片外偏振分光，但没有实现光波的片上光耦合功能。

基于微纳粒子偏振分光的另外一个实现技术如图3所示，非偏振态波长为1550nm的入射光从波导端口进入，当入射光传输到微纳粒子阵列时，产生偏振分光，分光后的正交偏振光分别耦合到两个具有偏置位移的波导中传输[3]。该技术将已经耦合进波导的非偏振光实现了偏振分光。没有实现将片外的光源耦合进波导中的功能。同时，采用优化算法优化设计的微纳粒子阵列是非规则的网格状结构；器件的制备工艺误差严重影响偏振分光效果。

微纳粒子阵列的相位梯度是微纳粒子结构尺寸、阵列形式的函数。设计不同相位梯度的微纳粒子阵列，对入射偏振光产生前向侧散射，并耦合进入微纳粒子阵列下方波导中。如图4所示，硅微纳粒子阵列位于氮化硅波导上方，将1550nm波长的偏振入射光分光，并耦合进入相反方向的波导中，实现偏振分光与波导耦合功能。基于微纳粒子相位梯度阵列的偏振分光器，其中优化设计的系列微纳粒子尺寸，以及微纳粒子间距尺寸相差很大；尤其是微纳粒子阵列与光波导为两层结构，这些要求对制备工艺带来很大的挑战。

基于硅圆柱粒子和硅波导集成的偏振分光和波导耦合器[5]，如图5所示。将硅圆柱粒子集成在截断硅波导的侧边，波长1550nm的外部光源入射到硅圆盘粒子。根据入射光偏振态不同，将左(右)旋圆偏振光耦合到相反方向的波导中，实现了圆偏振光波的分光和耦合。该种方法基于硅圆盘与光波导之间的谐振效应实现耦合，具有较低的耦合效率；要求硅圆盘与硅波导的制备误差足够小，否则硅圆盘与硅波导之间不能产生耦合，或者严重影响耦合效率；只能实现左(右)旋圆偏振光的分离与光波导耦合，不能对非偏振态的线偏振光波进行分光。

将金属微纳粒子制备在电介质材料波导上，如图6所示。基于金属微纳粒子侧向散射光效应，或者金属纳米棒形粒子阵列的偏振侧向光散射，能够将外部非偏振入射光分成不同的偏振态光波，并耦合到光波导中沿着不同方向传播[4]。在可见光以及近红外光波长范围内，金属材料微纳粒子吸收光而产生热效应，热效应降低了光耦合器效率和光子学器件使用寿命。

基于微纳粒子及其阵列已经实现了非偏振态光波的偏振分光(图2、3)，或者偏振分光与光波导耦合(图4、5、6)。总结现有技术，上述基于微纳粒子与光波导集成的光子学器件，需要改进后实现以下功能：

1)同时实现偏振分光与光波导耦合功能的集成光子学器件，将片外非偏振态光波首先进行偏振分光，然后耦合进光波导中。

2)采用同种材料制备偏振分光器件和光波导耦合器件，简化集成光子学器件制备工艺。克服金属微纳粒子的光热效应缺陷，并提高光耦合效率。

针对以上需求，本发明提出：1)基于微纳粒子及其阵列实现非偏振态光波的偏振分光；2)基于微纳粒子及其阵列的侧向散射效应，将分光后的偏振光波直接耦合进光波导中；实现同时具有两种功能的集成光子学器件。

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3.B.Shen,P.Wang,R.Polson,and R.Menon,″An integrated-nanophotonicspolarization beamsplitter with 2.4×2.4μm&lt；sup&gt；2&lt；/sup&gt；footprint,″Nat Photonics 9,378-382(2015).

4.R.Guo,M.Decker,F.Setzpfandt,X.Gai,D.Y.Choi,R.Kiselev,A.Chipouline,I.Staude,T.Pertsch,D.N.Neshev,and Y.S.Kivshar,″High-bit rate ultra-compactlight routing with mode-selective on-chip nanoantennas,″Sci Adv 3,e1700007(2017).

5.F.J.Rodríguez-

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发明内容

本发明的目的是：提出一种微纳粒子及其阵列和光波导集成的光子学器件结构，该集成光子学器件结构可以同时实现偏振分光功能和光波导耦合器功能，将外部非偏振态光波首先进行偏振分光，然后耦合进光波导中。

本发明的技术方案是：

一种实现偏振分光与波导耦合的集成光子学器件，该光子学器件结构主要包括第一微纳粒子、第二微纳粒子、第一光波导和第二光波导；所述第一微纳粒子、第二微纳粒子、第一光波导和第二光波导同属于横向光散射层，位于基底层301上；所述第一微纳粒子的对称轴和第一光波导的轴线相平行，所述第二微纳粒子的对称轴和第二光波导的轴线相平行；所述第一微纳粒子位于第一光波导的轴线上；所述第二微纳粒子位于第二光波导的轴线上；

所述第一光波导和第二光波导轴线相互垂直相交；

所述第一光波导为一根光波导或沿着波导轴线方向相隔固定间距的两根光波导；

所述第二光波导为一根光波导或沿着波导轴线方向相隔固定间距的两根光波导；

所述第一光波导为一路光波导或多路光波导；当第一光波导为多路时，多路光波导的轴线相互平行；

所述第二光波导为一路光波导或多路光波导；当第二光波导为多路时，多路光波导的轴线相互平行；

所述第一微纳粒子为单个或一维阵列；所述第二微纳粒子为单个或一维阵列；

当第一微纳粒子为一维阵列时，微纳粒子的阵列周期等于入射光波长的整数倍；

当第二微纳粒子为一维阵列时，微纳粒子的阵列周期等于入射光波长的整数倍；

所述微纳粒子和光波导的材料包括，但不限于硅、锗、或者氮化硅等电介质材料。

所述微纳粒子和光波导的材料可以相同，也可以是两种不同电介质材料。

所述微纳粒子包括，但不限于V形结构粒子、圆柱形、矩形块、以及球形粒子。

所述V形结构粒子为夹角为0～180度的两段结构组成。

所述光子学器件结构尺寸如下：

当入射光波长在可见光范围内时，微纳粒子长L＝(100～500)nm，宽D＝(100～500)nm,高H＝(100～600)nm；波导宽度W＝(400～1000)nm，高度Hg＝(100～600)nm。

当入射光波长在近红外光范围内时，微纳粒子长L＝(400～1000)nm，宽D＝(300～1500)nm,高H＝(400～2000)nm；波导宽度W＝(800～3000)nm，高度Hg＝(400～2000)nm。

当入射光波长在中远红外光范围内时，微纳粒子和光波导的结构尺寸相应扩大。

通过以上光子学器件结构的微纳粒子和光波导的各种不同集成方式，本发明可以具备但并不仅限于如下的多种功能，这些器件的不同结构形式及功能实现，在实施例中具体呈现：

(1)本发明所述光子学器件结构，可以实现单波长偏振分光和光波导耦合功能，或者双波长偏振分光和光波导耦合功能。

(2)本发明所述光子学器件结构可以组成阵列，实现多通道波导的光耦合器阵列。

(3)本发明所述光子学器件结构阵列，可以实现单波长偏振分光和光波导耦合功能，或者双波长偏振分光和光波导耦合功能。

(4)本发明所述光子学器件结构及其阵列，改变微纳粒子的结构尺寸，实现可见光范围光子学器件，或者近红外光范围的光子学器件。

(5)本发明所述光子学器件结构阵列中，各路光波导可以实现不同波长的光耦合。

(6)本发明所述光子学器件结构及其阵列，可以将入射光强平均分配到各光波导中，实现光强分光。

(7)本发明所述光子学器件结构及其阵列，可以将一束外部光源同时耦合进多路光波导中。

(8)本发明所述光子学器件结构及其阵列，可以将入射光强按照强度比例分配到各光波导中，实现不等光强分光。

(9)本发明所述光子学器件结构及其阵列将生物分子，或者荧光粒子光源放置在微纳粒子周围时，可以组成相应的生物传感器，探测微纳结构部位的荧光分子强度，或者提供可调制的散射光源用于光谱分析领域。

本发明的有益效果如下：

1)实现了将偏振分光器件与光波导耦合器件的集成。本发明提出：基于微纳粒子及其阵列首先实现外部非偏振态光波的偏振分光；然后基于微纳粒子及其阵列的横向散射效应，横向散射光波矢与光波导的横向波矢实现匹配，将分光后的偏振光波分别定向耦合进不同的光波导中；实现了同时具有两种功能的集成光子学器件。

2)本发明中采用同种电介质材料制备偏振分光器件和光波导耦合器件。电介质材料克服了金属微纳粒子的光热效应缺陷，并提高光耦合效率；而且微纳粒子和光波导位于同一层，简化集成光子学器件制备工艺。

3)本发明中微纳粒子阵列的周期等于入射波长的整数倍，微纳粒子阵列横向散射光的相长干涉，提高外部光源进入光波导的耦合效率；同时微纳粒子阵列能提高外部光源耦合进光波导的光能量。

附图说明

图1是现有技术中偏振分光棱镜示意图；

图2是现有技术中硅材料矩形块粒子阵列实现偏振分光器

图3是现有技术中微纳粒子阵列与波导集成实现偏振分光器

图4是现有技术中微纳粒子阵列的相位梯度实现偏振分光波导耦合器

图5是现有技术中硅圆柱粒子与波导间的谐振耦合实现圆偏振光波分光耦合器。

图6是现有技术中金属微纳粒子与波导集成实现偏振分光耦合器

图7是本发明实施例中的微纳粒子与光波导组成的光子学器件结构。

图8是本发明实施例中的微纳粒子与光波导组成的光子学器件，实现偏振分光波导耦合器。8-1侧视图，8-2俯视图，8-3微纳粒子示意图。

图9是本发明实施例中的一维微纳粒子阵列(1*N)与光波导组成的光子学器件结构，实现偏振分光波导耦合器。

图10是本发明实施例中一维阵列(1*N)电介质微纳粒子实现偏振分光、波长分光波导耦合器。

图11是本发明实施例中的一维阵列电介质微纳粒子与光波导实现多通道的偏振分光、波长分光波导耦合器结构。

图12是本发明实施例1实现的偏振分光波导耦合器的耦合效率。12-1为x偏振入射光与光波导耦合效率，12-2为y偏振入射光与波导耦合效率，实线为波导202耦合效率，虚线为波导201耦合效率。

图13是本发明实施例2实现的一维阵列偏振分光波导耦合器的耦合效率。13-1为x偏振入射光与光波导耦合效率，13-2为y偏振入射光与波导耦合效率，实线为波导202耦合效率，虚线为波导201耦合效率。

图14是本发明实施例3实现的一维阵列双波长偏振分光波导耦合器的耦合效率。14-1为x偏振入射光与光波导耦合效率，14-2为y偏振入射光与波导耦合效率，不同波导端口的耦合效率分别为虚线201，棱形实线202，实线203，圆形实线204。

图15是本发明实施例4实现的一维阵列多通道双波长偏振分光波导耦合器的耦合效率。15-1为x偏振入射光与光波导耦合效率，15-2为y偏振入射光与波导耦合效率，不同波导端口的耦合效率分别为虚线201，棱形实线202，实线203，圆形实线204。

图16是本发明实施例5实现的近红外波段(1550nm)偏振分光波导耦合器的耦合效率。16-1为x偏振入射光与光波导耦合效率，16-2为y偏振入射光与波导耦合效率，实线为波导202耦合效率，虚线为波导201耦合效率。

图17是本发明提出的实现偏振分光与波导耦合的集成光子学器件结构示意图。

具体实施例

实施例1：双微纳粒子实现偏振分光和光波导耦合器

本实施例展示了采用双微纳粒子与光波导组成的光子学器件，实现了单波长偏振分光波导耦合器的功能。

本实施例如图7，图8-1，图8-2所示，第一微纳粒子101、第二微纳粒子102为硅材料V形粒子；第一光波导201、第二光波导202由硅材料制备；基底层301由二氧化硅材料制备。

V形硅微纳粒子101、102与硅光波导201、202包含在横向光散射层200，横向光散射层200制备在基底层301上。光波导201与光波导202的轴线相互垂直并且相交于横向光散射层200；微纳粒子101和102分别位于光波导201和202的轴线延长线方向，并且微纳粒子101和102分别沿着光波导201和202轴线对称分布。

光源401发出的入射光501照射V形硅微纳粒子101、102，如图8-2所示。对于x(y)偏振的入射光，V形微纳粒子101和102的横向散射光601和602分别耦合进入波导201和202。

V形微纳粒子尺寸符号标注如图8-3。本实施例微纳粒子的尺寸为L＝200nm，D＝160nm，H＝250nm,α＝150。V形硅微纳粒子101(102)与光波导201(202)的间距为G＝(200～1000)nm。波导宽度W＝500nm，高Hg＝250nm。

在可见光波段，本实施例将单光波长外部光源偏振分光并耦合进光波导，其中x偏振分量耦合进入波导201，y偏振分量耦合进入波导202，实现偏振分光波导耦合器。耦合效率如图12-1，12-2所示，波长λ＝660nm的入射光，实现耦合效率约3.5％。

实施例2：一维阵列偏振分光耦合器

本实施例展示了一维微纳粒子阵列(1×N)与光波导组成的光子学器件，实现了偏振分光波导耦合器的功能；采用一维微纳粒子阵列提高了耦合效率。

本实施例如图9所示，第一微纳粒子阵列101和第二微纳粒子阵列102为硅材料V形微纳粒子；第一光波导201和第二光波导202由硅材料制备；基底层301由二氧化硅材料制备。N个V形硅微纳粒子排列成(1×N)阵列101、102，与硅光波导201、202包含在横向光散射层200，横向光散射层200制备在基底层301上。

光波导201与光波导202的轴线相互垂直并且相交于横向光散射层200；V形硅微纳粒子阵列101和102分别位于硅光波导201和202的轴线延长线上，并且微纳粒子阵列101和102分别沿着光波导201和202轴线对称分布。V形硅微纳粒子阵列101、102的周期Px＝Py＝660nm。

当外部光源入射在V形硅微纳粒子阵列101、102上，如图8-1所示。对于x(y)偏振的入射光，V形微纳粒子阵列101和102的横向散射光分别耦合进入波导201和202。

当V形硅微纳粒子沿着光波导轴线方向的间隔是入射光波长的整数倍时，相邻V形硅微纳粒子的横向散射光发生干涉相长，增大了到达光波导201和202端面的光能量，提高了光波导耦合效率。

V形微纳粒子尺寸符号标注如图8-3。本实施例微纳粒子的尺寸为L＝200nm，D＝160nm，H＝250nm,α＝150⁰。光波导尺寸为，宽度W＝500nm，高Hg＝250nm。V形结构101和102距离波导201和202间距为G＝650nm。V形结构粒子间距Px＝Py＝660nm。

如图13-1、13-2所示，在λ＝660nm波长附近，该实施例的光耦合效率提高到7％。

实施例3：一维阵列双波长偏振分光耦合器

本实施例展示了一维微纳粒子阵列(1×N)与光波导组成的光子学器件，实现了双波长定向偏振分光的功能。

本实施例如图10所示，第一微纳粒子阵列101和第二微纳粒子阵列102为硅材料V形微纳粒子；第一光波导201、202和第二光波导203、204由硅材料制备；基底层301由二氧化硅材料制备。N个V形硅微纳粒子排列成(1×N)阵列101、102，与硅光波导201、202、203、204包含在横向光散射层200，横向光散射层200制备在基底层301上。光波导201和202分别与光波导203和204处于同轴分布，并且光波导201和203的轴线与光波导202和204的轴线相互垂直并且相交于横向光散射层200；V形硅微纳粒子阵列101和102分别位于硅光波导201、203和202、204之间的轴线延长线上，并且微纳粒子阵列101和102分别沿着光波导201、203和202、204轴线对称分布。V形硅微纳粒子阵列101、102的周期Px＝Py＝660nm。

外部光源入射在V形硅微纳粒子阵列101、102上。当波长为λ₁时，V形微纳粒子阵列101和102)分别将x和y偏振入射光的横向散射光分别耦合进入波导201和202；当波长为λ₂时，V形微纳粒子阵列101和102分别将x和y偏振入射光的横向散射光分别耦合进入波导203和204。

当V形硅微纳粒子沿着光波导轴线方向的间隔是入射光波长的整数倍，相邻V形硅微纳粒子的横向散射光发生干涉相长，增大了到达光波导201、203和202、204端面的光能量，提高了光波导耦合效率。

V形微纳粒子尺寸符号标注如图8-3。本实施例微纳粒子的尺寸为L＝200nm，D＝160nm，H＝250nm,α＝150°。光波导尺寸为，宽度W＝500nm，高Hg＝250nm。V形结构101和102分别距离波导201、202和202、204间距为G＝650nm。V形结构粒子间距Px＝Py＝660nm。

如图14-1、14-2所示，对于波长为λ₁＝660nm的入射光，该实施例将x和y偏振分量的入射光分别耦合到波导201和202，光耦合效率约7％；对于波长为λ₂＝730nm的入射光，该实施例将x和y偏振分量的入射光分别耦合到波导203和204，光耦合效率约8％。

实施例4：一维阵列多通道双波长偏振分光耦合器

本实施例展示了一维微纳粒子阵列与光波导组成的光子学器件，实现了多通道双波长偏振分光的功能。

本实施例如图11所示，微纳粒子阵列100为硅材料V形微纳粒子，由第一微纳粒子阵列101和第二微纳粒子阵列102组成；光波导201、202、203、204由硅材料制备；基底层301由二氧化硅材料制备。N个V形硅微纳粒子排列成(1×N)阵列101、102，与硅光波导201、202、203、204包含在横向光散射层200，横向光散射层200制备在基底层301上。光波导201和202与光波导203和204处于同轴分布，并且光波导201、203的轴线与光波导202、204的轴线相互垂直并且相交于横向光散射层200；V形硅微纳粒子阵列101和102分别均匀分布在硅光波导201、203和202、204之间的轴线延长线上，并与光波导201、203和202、204组成双波长偏振分光耦合器。M个这样的偏振分光波导耦合器沿着光波导轴线平行排列，组成本发明的一维阵列多通道双波长偏振分光耦合器。V形硅微纳粒子阵列101、102的周期Px＝Py＝660nm。

外部光源入射在V形硅微纳粒子阵列100上。当波长为λ₁时，V形微纳粒子阵列101和102分别将x和y偏振的入射光的横向散射光分别耦合进入波导201和202；当波长为λ₂时，V形微纳粒子阵列101和102分别将x和y偏振的入射光的横向散射光分别耦合进入波导203和204。

当V形硅微纳粒子沿着光波导轴线方向的间隔是入射光波长的整数倍，相邻V形硅微纳粒子的横向散射光发生干涉相长，增大了到达光波导201、203和202、204端面的光能量，提高了光波导耦合效率。

V形微纳粒子尺寸符号标注如图8-3。本实施例微纳粒子的尺寸为L＝200nm，D＝160nm，H＝250nm,α＝150°。光波导尺寸为，宽度W＝500nm，高Hg＝250nm。V形结构101和102分别距离波导201、202和202、204)间距为G＝650nm。V形结构粒子间距Px＝Py＝660nm。

如图15-1、15-2所示，对于波长为λ₁＝660nm的入射光，该实施例将x和y偏振分量的入射光分别耦合到波导201和202，光耦合效率约11％；对于波长为λ₂＝730nm的入射光，该实施例将x和y偏振分量的入射光分别耦合到波导203和204，光耦合效率约10％。

实施例5：近红外波段偏振分光

本实施例展示了采用双微纳粒子与光波导组成的光子学器件，实现近红外波段(1550nm)的单波长偏振分光波导耦合器功能。

本实施例如图7，图8-1，图8-2所示，第一微纳粒子101和第二为微纳粒子102为硅材料V形微纳粒子；第一光波导201和第二光波导202由硅材料制备；基底层301由二氧化硅材料制备。V形硅微纳粒子101、102与硅光波导201、202包含在横向光散射层200，横向光散射层200制备在基底层301上。光波导201与光波导202的轴线相互垂直并且相交于横向光散射层200；微纳粒子101和102分别位于光波导201和202的轴线延长线方向，并且微纳粒子101和102分别沿着光波导201和202轴线对称分布。

光源401发出的入射光501照射V形硅微纳粒子101、102，如图8-2所示。V形微纳粒子101和102分别将x和y偏振入射光的横向散射光601和602分别耦合进入波导201和202。

V形微纳粒子尺寸符号标注如图8-3。本实施例微纳粒子的尺寸为L＝484nm，D＝388nm，H＝605nm,α＝150。V形硅微纳粒子101和102分别与光波导201和202的间距为G＝(200～1000)nm。波导宽度W＝1210nm，高Hg＝605nm。

在近红外波段，本实施例将单光波长外部光源偏振分光并耦合进光波导，其中x偏振分量耦合进入波导201，y偏振分量耦合进入波导202，实现偏振分光波导耦合器。耦合效率如图16-1，16-2所示，波长λ＝1550nm的入射光，实现耦合效率约5％。

Claims (5)

1.一种实现偏振分光与波导耦合的集成光子学器件，其特征在于，主要包括第一微纳粒子和第一光波导，第二微纳粒子和第二光波导；所述第一微纳粒子、第一光波导，第二微纳粒子，和第二光波导同属于横向光散射层，位于基底层301上；所述第一微纳粒子的对称轴和第一光波导的轴线相平行，所述第二微纳粒子的对称轴和第二光波导的轴线相平行；所述第一微纳粒子位于第一光波导的轴线上；所述第二微纳粒子位于第二光波导的轴线上；

所述第一光波导和第二光波导轴线相互垂直相交；

所述第一光波导为一根光波导或沿着波导轴线方向相隔固定间距的两根光波导；

所述第二光波导为一根光波导或沿着波导轴线方向相隔固定间距的两根光波导；

所述第一光波导为一路光波导或多路光波导；当第一光波导为多路时，多路光波导的轴线相互平行；

所述第二光波导为一路光波导或多路光波导；当第二光波导为多路时，多路光波导的轴线相互平行；

所述第一微纳粒子为单个或一维阵列；所述第二微纳粒子为单个或一维阵列；

当第一微纳粒子为一维阵列时，微纳粒子的阵列周期等于入射光波长的整数倍；

当第二微纳粒子为一维阵列时，微纳粒子的阵列周期等于入射光波长的整数倍。

2.一种如权利要求1所述的实现偏振分光与波导耦合的集成光子学器件，其特征在于，所述微纳粒子和光波导的材料为硅、锗、或者氮化硅。

3.一种如权利要求1所述的实现偏振分光与波导耦合的集成光子学器件，其特征在于，所述微纳粒子和光波导的材料为相同或不同的电介质材料。

4.一种如权利要求1所述的实现偏振分光与波导耦合的集成光子学器件，其特征在于，所述微纳粒子为V形结构粒子、圆柱形、或者矩形粒子。

5.一种如权利要求4所述的实现偏振分光与波导耦合的集成光子学器件，其特征在于，所述V形结构粒子为夹角为0～180度的两段结构组成。

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