CN115685443B - 一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器，所述分束器由上至下共分为三层，分别为超表面硅层，SOI器件层和埋氧层，此三层结构被置于二氧化硅包层中，所述超表面硅层位于最上方，为带有正方形刻蚀孔的硅层，所述SOI器件层位于超表面硅层下方，为一个平板硅波导，所述埋氧层位于所述分束器最下方，其材料为二氧化硅材料，与所述SOI器件层一同由标准SOI工艺平台制成，所述分束器通过超表面硅层中刻蚀孔的不均匀分布来实现对输入光的TE基模与TM基模的分束，通过本发明可以实现硅光芯片内光的高效模式分束，可应用于硅基光电子芯片等领域，具有结构紧凑、易集成和设计复杂度低等特点。
Description
技术领域
本发明属于硅基光电子芯片领域,具体涉及一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器。
背景技术
硅光子学因其紧凑的尺寸和CMOS兼容性而具有许多有前途的潜力。绝缘体上硅（SOI）作为应用于集成光子学的主要材料体系，以利用高速、低功耗和大带宽的优势著称。然而，由于SOI波导的强双折射，大多数硅光电子器件通常对偏振非常敏感。
一种潜在的有效方法是将不同偏振模式的光分束至处理不同偏振状态的器件，这需要高效紧凑的偏振分束器。传统的片上紧凑型偏振分束器通常基于模式演化或模式干涉原理，其结构包括不对称定向耦合器、马赫-曾德尔干涉仪和光子晶体波导等。然而，基于模式演化原理的分束器对制造精度提出了较高的要求，同时基于模式演化或模式干涉原理的分束器需要较大的占地面积，限制了它们进一步在芯片上实现紧凑集成的潜力。
发明内容
为了克服传统的片上紧凑型偏振分束器通常基于模式演化或模式干涉原理，对制造精度要求较高和占地面积较大的难题，本发明提出一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器，该发明可以实现TE基模与TM基模沿不同方向传播的有效模式折射率分布，使得器件占用面积较小，同时具有易集成和设计复杂度低等特点，可应用于基于硅基光电子器件的光通信、计算和传感等系统中。
本发明采用以下技术方案。
一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器，包括由上至下依次设置的超表面硅层、SOI器件层和埋氧层，所述SOI器件层为一个平板硅波导，其与埋氧层一同由标准SOI工艺平台制成，所述超表面硅层的中部设有垂直且贯穿超表面硅层的不均匀分布的正方形刻蚀孔，所述正方形刻蚀孔由一侧向另一侧逐渐密集且整体形成二维码结构，所述二维码结构用于将输入光的TE基模和TM基模分束。
作为优选，所述正方形刻蚀孔高度与超表面硅层高度一致，正方形刻蚀孔的排列沿TE基模与TM基模路径形成对应的有效模式折射率分布。
作为优选，所述SOI器件层提供输入光的路径区域，所述SOI器件层上表面与所述超表面硅层下表面贴合。
作为优选，所述输入光的路径区域包括输入光的输入区、与超表面硅层相互作用区和分束后的输出区，所述分束后的输出区包括TE基模输出口和TM基模输出口。
作为优选，所述埋氧层用于将光场局域在SOI器件层，并且提供整个所述分束器的物理结构支撑，所述埋氧层位于所述SOI器件层下方，所述埋氧层上表面与所述SOI器件层下表面贴合。
作为优选，所述超表面硅层、SOI器件层和埋氧层被置于二氧化硅包层中。
作为优选，所述埋氧层为二氧化硅材料制成。
作为优选，所述超表面硅层的高度为120nm，所述SOI器件层的高度为220nm，单个所述正方形刻蚀孔的边长为80nm。
本发明与现有技术相比，其有益效果和特点是：
（1）极大地降低了硅基偏振分束器的尺寸。传统的片上紧凑型偏振分束器通常基于模式演化或模式干涉原理，其结构包括不对称定向耦合器、马赫-曾德尔干涉仪和光子晶体波导等，然而，基于模式演化原理的分束器对制造精度提出了较高的要求，同时基于模式演化或模式干涉原理的分束器需要较大的占地面积，限制了它们进一步在芯片上实现紧凑集成的潜力，本发明提出的所述分束器实现了TE基模与TM基模沿不同方向传播的有效模式折射率分布，占用面积较小。
（2）极大地降低了硅基偏振分束器的设计难度。目前亚波长器件的设计方法主要基于逆向设计方法，允许对超材料的几何结构进行自由优化，但是对设计时所需要的算力和制造工艺的精度要求较高，两者需要进行一个平衡。本发明借助尺寸一致的正方形空气柱，实现TE基模与TM基模沿不同方向传播的有效模式折射率分布，对设计时所需要的算力和制造工艺的精度要求较低，极大地降低了硅基偏振分束器的设计难度。具有易集成和设计复杂度低等特点。有助于推动片上集成偏振分束器在硅基光电子中的应用，进而推动硅基光通信的发展。
附图说明
图 1 为本发明提出的一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器的整体结构俯视图与结构局部图；
图 2 为本发明提出的一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器的剖面示意图；
图 3 为本发明提出的一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器在TE 基模与TM基模两种偏振输入光平行于x轴传播并透过所述分束器的光场强度分布示意图。
具体实施方式
本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本发明公开透明且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
如图1-2所示，本发明的一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器，包括由上至下依次设置的超表面硅层、SOI器件层和埋氧层，所述SOI器件层为一个平板硅波导，其与埋氧层一同由标准SOI工艺平台制成，所述超表面硅层的中部设有垂直且贯穿超表面硅层的不均匀分布的正方形刻蚀孔，所述正方形刻蚀孔由一侧向另一侧逐渐密集且整体形成二维码结构2，所述二维码结构2用于将输入光的TE基模和TM基模分束；所述正方形刻蚀孔高度与超表面硅层高度一致，正方形刻蚀孔的排列沿TE基模与TM基模路径形成对应的有效模式折射率分布；所述SOI器件层提供输入光的路径区域，所述SOI器件层上表面与所述超表面硅层下表面贴合；所述输入光的路径区域包括输入光的输入区1、与超表面硅层相互作用区和分束后的输出区，所述分束后的输出区包括TE基模输出口3和TM基模输出口4；所述埋氧层用于将光场局域在SOI器件层，并且提供整个所述分束器的物理结构支撑，所述埋氧层位于所述SOI器件层下方，所述埋氧层上表面与所述SOI器件层下表面贴合；所述超表面硅层、SOI器件层和埋氧层被置于二氧化硅包层中；所述埋氧层为二氧化硅材料制成。
本发明提出的一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器，其工作原理为，在具有亚波长尺度不均匀结构、材料和尺寸的光波导中，TE基模与TM基模具有不同的有效折射率，会沿着不同的方向进行传播，本发明在SOI结构晶圆上添加了具有正方形刻蚀孔的超表面硅层，实现了对于TE基模与TM基模的有效模式折射率的不均匀分布，使得TE基模与TM基模分别获得定向传输，进而实现TE 基模与TM基模的分束。
本发明结构下，当混合了TE基模与TM基模两种偏振态的输入光从所述SOI器件层的输入区1输入后，在经过由不均匀分布的正方形刻蚀孔形成的二维码结构2时，由于正方形刻蚀孔由一侧向另一侧逐渐密集，且正方形刻蚀孔的排列沿TE基模与TM基模路径形成对应的有效模式折射率分布，因此，输入光在二维码结构2的作用下被分束，其中包含TE基模的偏振光从TE基模输出口3输出，包含TM基模的偏振光从TM基模输出口4输出。
为了验证本发明在实际应用中的效果，通过以下仿真实验进行说明：
本实验采用时域有限差分法进行计算分析，仿真实验中用到的关键参数包括：所述超表面硅层和所述SOI器件层的高度，分别为120nm和220nm；所述超表面硅层中的单个正方形刻蚀孔的边长为80nm。
图3为对应1550nm的合了TE基模与TM基模两种偏振态的输入光沿x轴正方向入射时，所述分束器的电场分布图，右侧的颜色条是经过归一化之后的电场强度，可以看到 TM基模入射光在所述分束器中传播时得到了偏转，并且从所述SOI器件层的TM基模输出口4输出，TE基模入射光在所述分束器中传播时未进行偏转，并且从所述SOI器件层的TE基模输出口3输出，可以看出，本发明实现了TE基模与TM 基模的分束，同时具有具有结构紧凑、易集成和设计复杂度低等特点。
综上，本发明提供的一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器可以避免引入复杂折射率渐变工艺，同时可集成在SOI平台上，具有低插损，工作带宽大，设计复杂度低等特点，可应用于基于硅基光电子器件的光通信、计算和传感等系统中。
应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述不能理解为本发明专利分为的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器，其特征在于：包括由上至下依次设置的超表面硅层、SOI器件层和埋氧层，所述SOI器件层为一个平板硅波导，高度为220nm，其与埋氧层一同由标准SOI工艺平台制成，所述埋氧层用于将光场局域在SOI器件层，并且提供整个所述分束器的物理结构支撑，所述埋氧层位于所述SOI器件层下方，所述埋氧层上表面与所述SOI器件层下表面贴合，所述超表面硅层的高度为120nm，并且中部设有垂直且贯穿超表面硅层的不均匀分布的正方形刻蚀孔，单个所述正方形刻蚀孔的边长为80nm，所述正方形刻蚀孔由一侧向另一侧逐渐密集且整体形成二维码结构，所述二维码结构用于将输入光的TE基模和TM基模分束，所述正方形刻蚀孔高度与超表面硅层高度一致，正方形刻蚀孔的排列沿TE基模与TM基模路径形成对应的有效模式折射率分布，所述SOI器件层提供输入光的路径区域，所述SOI器件层上表面与所述超表面硅层下表面贴合。
2.根据权利要求 1所述的一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器，其特征在于：所述输入光的路径区域包括输入光的输入区、与超表面硅层相互作用区和分束后的输出区，所述分束后的输出区包括TE基模输出口和TM基模输出口。
3.根据权利要求 1 所述的一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器，其特征在于：所述超表面硅层、SOI器件层和埋氧层被置于二氧化硅包层中。
4.根据权利要求 1 所述的一种基于超表面结构的紧凑型集成偏振分束器，其特征在于：所述埋氧层为二氧化硅材料制成。
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