CN115903132A

CN115903132A - 一种混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器

Info

Publication number: CN115903132A
Application number: CN202211684811.9A
Authority: CN
Inventors: 迟甜甜; 姚晗; 李胜; 杨昕泽; 许吉; 刘宁; 陆云清
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2022-12-27
Filing date: 2022-12-27
Publication date: 2023-04-04

Abstract

本发明提出了一种混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其布拉格光栅是由两种具有不同侧壁轮廓调制的高折射率层的混合等离激元波导交替排列而构成，被调制的侧壁轮廓分别为抛物线型和直线型；所述交替排列的混合等离激元波导结构构成均包括，SiO2基底、侧壁轮廓调制的高折射率介质层Si、支撑层ZnO和金属层Ag；所述SiO2基底上方居中放置宽度为Wsi的所述高折射率材料Si，于SiO2衬底上方两侧对称放置所述支撑层ZnO，支撑起所述金属层Ag，在所述支撑层与所述金属层中间填充一过渡支撑层Si3N4。本发明不但结构紧凑，而且在保持滤波的良好特性的同时还能实现低频通带和禁带频段的透射谱优化。

Description

一种混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器

技术领域

本发明属于光通信集成光子器件，尤其涉及一种紧凑型谱特性优化的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器。

背景技术

布拉格光栅作为波长相关的光子器件已被广泛研究。近年来，基于HPW设计的具有高透射率和低损耗特性的器件在光通信技术领域显示出适用性，并引起了极大的关注。2014年，Jihua Zhang提出了一种基于混合等离激元布拉格光栅的结构紧凑型TE-Pass/TM-Stop偏振器(Zhang J,Cassan E,Zhang X.Journal of lightwave technology,2014,32(7):1383-1386.)，通过模拟仿真，该器件在特定宽频带内具有较高的TE透射和较大的TM反射水平，并具有良好的紧凑性。然而，该结构在透射谱的通带处却存在剧烈的振荡，影响着传输效率。2022年，xiaoqiang sun团队提出并理论证明了一种基于长程表面等离子体极化波导布拉格光栅的可调谐窄带滤波器(Xu Y,Yue J,Wang M,et al.Photonics.MDPI,2022,9(5):344.)，该可调谐滤波器在片上光信号处理中具有潜力，然而该结构所实现的禁带深度却只有60％左右。其中值得注意的是，传统的矩形轮廓布拉格光栅由于结构特性，导致有效折射率发生明显突变，使透射光谱的通带表现出显著的振荡，这对光学器件的特性是不利的。2022年，发明专利(CN202210251878.7)公开了一种TM通偏振滤波器，其利用低损耗混合等离激元波导设计的偏振滤波器可以有效滤除TE模式，并实现长距离的TM模式传输。然而其功和性能有一定的局限性，对TM不能实现波长筛选，对TE模式是完全滤除，功能单一，相比布拉格光栅滤波器灵活性欠缺。因此，充分结合混合等离激元波导的偏振特性和布拉格光栅结构的波长筛选性，并进一步减少振荡并改善混合等离激元波导布拉格光栅的通带谱特性，有利于设计出功能更加灵活、性能更加优越、应用场景更加丰富的光通信集成光子器件。

因此，为了设计出一个具有高集成度、高利用率特点的光通信集成光子器件，并实现在某一结构上进行微调即可满足多个功能，开发如何在保持滤波的良好特性的同时实现低频通带和禁带频段的透射谱优化的方案是非常有创新意义的。

发明内容

本发明的主要目的是，设计一种混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，该滤波器不但结构紧凑，而且在保持滤波的良好特性的同时还能实现低频通带和禁带频段的透射谱优化。

为实现高集成度、较理想的偏振滤波特性以及透射谱优化的目的，本发明提供了一种混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，所述布拉格光栅是由两种具有不同侧壁轮廓调制的高折射率Si层的混合等离激元波导交替排列而构成，被调制的侧壁轮廓分别为抛物线型和直线型。

本发明的进一步改进在于，交替排列的混合等离激元波导结构构成均包括，SiO2基底、侧壁轮廓调制的高折射率Si层、支撑层ZnO和金属层Ag；所述SiO2基底上方居中放置宽度为Wsi的所述高折射率材料Si，于SiO2衬底上方两侧对称放置所述支撑层ZnO，支撑起所述金属层Ag，在所述支撑层与所述金属层中间填充一过渡支撑层Si3N4。

本发明的进一步改进在于，所述侧壁轮廓调制的高折射率Si层的宽度为Wsi，Wsi在布拉格光栅一个周期内不同的侧壁轮廓调制位置处取不同值；抛物线型侧壁轮廓的混合等离激元波导标记为a，高折射率Si层最宽处为Wa＝450nm；直线型侧壁轮廓混合等离激元波导标记为b，高折射率Si层宽度为Wb＝200nm；Wa>Wb。

本发明的进一步改进在于，一个周期内不同的侧壁轮廓调制位置所对应的高折射率Si层宽度Wsi变化方程分别为：

其中，Δw＝wb-wa，wa与wb为定值，Λ为布拉格光栅周期长度，t为一个周期内的侧壁轮廓调制位置。

本发明的进一步改进在于，所述混合等离激元波导布拉格光栅的一个周期长度，具体参数关系根据下式决定：

其中，Re(n_{eff_a})和Re(n_{eff_b})分别为波导a与波导b的波导模式有

效折射率实部；ta和tb分别为波导a和b在一个周期内各自的长度；两种波导在一个周期内的占空比设定为0.5，根据工作中心波长1550nm设定ta＝tb＝Λ/2＝170nm；q为布拉格级数，可取1。

本发明的进一步改进在于，所述混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器入射端和出射端的高折射率Si层宽度均为wa＝450nm，即位于波导a结构侧壁轮廓调制最宽处；波导a结构在一个周期内的长度变化分别是从0到ta/2以及ta/2到ta，所对应高折射率Si层的侧壁轮廓宽度wsi变化分别从200nm逐渐增加到450nm以及从450nm逐渐减小至200nm。

本发明的进一步改进在于，所述布拉格光栅结构中混合等离激元波导a、b的排布顺序为ababa……，交替排列的周期数为N＝10。

本发明的进一步改进在于，所述混合等离激元波导布拉格光栅滤波器在1248nm至1539nm波段作为TE模式偏振滤波器，透过率小于1％，在1498至1601nm波段作为TM模式偏振滤波器，透过率小于5％，在1498nm至1539nm波段可同时作为TM及TE模式滤波器；在TE和TM模式禁带的右侧，即低频通带处实现透射谱优化，在1629nm至1678nm波段实现TE模式低频通带的谱优化，透过率大于99％，在1664nm至1703nm波段可实现TM模式低频通带的谱优化，透过率大于99％。

本发明的有益效果：本发明偏振滤波器结构紧凑，在保持滤波良好特性的同时实现了低频通带和禁带频段的透射谱优化。

附图说明

图1为本发明的混合等离激元波导结构的xy截面结构示意图。

图2为本发明的混合等离激元波导布拉格光栅结构的xz截面结构示意图。

图3为本发明的波长在1550nm时TM和TE模式在Wsi变化时有效折射率的实部和虚部示意图。

图4为本发明的高折射率介质材料Si结构参数设置为Wa＝450nm,Wb＝200nm，ta＝tb＝170nm时，入射光从空气中垂直入射混合等离激元波导布拉格光栅的TM、TE模式透射谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

需要强调的是，在描述本发明过程中，各种公式和约束条件分别使用前后一致的标号进行区分，但也不排除使用不同的标号标志相同的公式和/或约束条件，这样设置的目的是为了更清楚的说明本发明特征所在。

本发明揭示了一种混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，所述布拉格光栅是由两种具有不同侧壁轮廓调制的高折射率层的混合等离激元波导交替排列而构成，被调制的侧壁轮廓分别为抛物线型和直线型。交替排列的混合等离激元波导结构构成均包括，SiO2基底、侧壁轮廓调制的高折射率Si层、支撑层ZnO和金属层Ag；所述SiO2基底上方居中放置宽度为Wsi的所述高折射率材料Si，于SiO2衬底上方两侧对称放置所述支撑层ZnO，支撑起所述金属层Ag，在所述支撑层与所述金属层中间填充一过渡支撑层Si3N4。

所述侧壁轮廓调制的高折射率Si层的宽度为Wsi，Wsi在布拉格光栅一个周期内不同的侧壁轮廓调制位置处取不同值；抛物线型侧壁轮廓的混合等离激元波导标记为a，高折射率Si层最宽处为Wa＝450nm；直线型侧壁轮廓混合等离激元波导标记为b，高折射率Si层宽度为Wb＝200nm；Wa>Wb。

所述布拉格光栅一个周期内不同的侧壁轮廓调制位置所对应的高折射率Si层宽度Wsi变化方程分别为：

所述混合等离激元波导布拉格光栅的一个周期长度，具体参数关系根据下式决定：

其中，Re（n_{eff_a})和Re（n_{eff_b})分别为波导a与波导b的波导模式有效折射率实部；ta和tb分别为波导a和b在一个周期内各自的长度；两种波导在一个周期内的占空比设定为0.5，根据工作中心波长1550nm设定ta＝tb＝Λ/2＝170nm；q为布拉格级数，可取1。。

图1为混合等离激元波导的横截面结构示意图，该结构的材料及参数分布如下所述：

该结构的尺寸设置如下：Wm＝2000nm，WZnO＝450nm，Wsi＝450nm，hAg＝100nm，hSi3N4＝15nm，hZnO＝450nm，hSi＝400nm。其中，Wm为金属Ag层的宽度，WZnO为支撑层ZnO的宽度，WSi为高折射率Si层的宽度，hAg为Ag的厚度，hSi3N4为过渡层Si3N4的厚度，hZnO为支撑层的厚度，hSi为高折射率Si层的厚度。

图2为在图1混合等离激元波导的基础上引入折射率交替排列的布拉格光栅后的波导器件的纵截面结构示意图。ta＝tb＝Λ/2＝170nm，Wa＝450nm，Wb＝200nm，其他结构材料与参数皆与图1中一致。其中，该结构的尺寸仅有L＝3400nm，具有紧凑性。

图3为中心波长1550nm下，不同侧壁轮廓宽度Wsi下该结构TE、TM模式的有效折射率的实部与虚部分布图。可以根据两种不同宽度Wsi波导在1550nm时的有效折射率差值与和值大小初步估计禁带宽度与位置，继而可以根据需求实现不同的禁带效果。。

图4为选取高折射率介质材料Si的宽度为Wa＝450nm，Wb＝200nm时，所述的混合的等离激元波导布拉格光栅的TM和TE模式在波长为1200～1900nm范围内的透射谱分布图。所述布拉格光栅一个周期内不同的侧壁轮廓调制位置所对应的高折射率Si层宽度Wsi变化方程分别为：

其中，δw＝wb-wa，wa与wb为定值，混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器入射端和出射端的高折射率Si层宽度均为wa＝450nm，即位于波导a结构侧壁轮廓调制最宽处；波导a结构在一个周期内的长度变化分别是从0到ta/2以及ta/2到ta，所对应高折射率Si层的侧壁轮廓宽度wsi变化分别从200nm逐渐增加到450nm以及从450nm逐渐减小至200nm。由于有效折射率几乎和高折射率Si层宽度WSi线性相关，对高折射率Si层宽度WSi进行宽度调制，引起有效折射率逐渐变化，因此在保持较理想禁带效果下，可以改善传统的布拉格光栅结构由于有效折射率的突变而引起透射谱通带的旁瓣现象，继而禁带右侧通带处实现了透射谱的平滑优化。

该混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，可以在1248nm至1539nm波段作为TE模式偏振滤波器，透过率小于1％，在1498至1601nm波段作为TM模式偏振滤波器，透过率小于5％，在1498nm至1539nm波段可同时作为TM及TE模式滤波器。并且在TE和TM模式禁带的右侧，即低频通带处实现了较理想的透射谱优化，在1629nm至1678nm波段可实现TE模式低频通带的谱优化，透过率大于99％，在1664nm至1703nm波段可实现TM模式低频通带的谱优化，透过率大于99％。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述布拉格光栅是由两种具有不同侧壁轮廓调制的高折射率层的混合等离激元波导交替排列而构成，被调制的侧壁轮廓分别为抛物线型和直线型。

2.根据权利要求1所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：交替排列的混合等离激元波导结构构成均包括，SiO2基底、侧壁轮廓调制的高折射率Si层、支撑层ZnO和金属层Ag；所述SiO2基底上方居中放置宽度为Wsi的所述高折射率材料Si，于SiO2衬底上方两侧对称放置所述支撑层ZnO，支撑起所述金属层Ag，在所述支撑层与所述金属层中间填充一过渡支撑层Si3N4。

3.根据权利要求2所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述侧壁轮廓调制的高折射率Si层的宽度为Wsi，Wsi在布拉格光栅一个周期内不同的侧壁轮廓调制位置处取不同值；抛物线型侧壁轮廓的混合等离激元波导标记为a，高折射率Si层最宽处为Wa＝450nm；直线型侧壁轮廓混合等离激元波导标记为b，高折射率Si层宽度为Wb＝200nm；Wa>Wb。

4.根据权利要求3所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：一个周期内不同的侧壁轮廓调制位置所对应的高折射率Si层宽度Wsi变化方程分别为：

5.根据权利要求4所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述混合等离激元波导布拉格光栅的一个周期长度，具体参数关系根据下式决定：

其中，Re(n_{eff_a})和Re(n_{eff_b})分别为波导a与波导b的波导模式有效折射率实部；ta和tb分别为波导a和b在一个周期内各自的长度；两种波导在一个周期内的占空比设定为0.5，根据工作中心波长1550nm设定ta＝tb＝Λ/2＝170nm；q为布拉格级数，可取1。

6.根据权利要求3-5任一项所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器入射端和出射端的高折射率Si层宽度均为wa＝450nm，即位于波导a结构侧壁轮廓调制最宽处；波导a结构在一个周期内的长度变化分别是从0到ta/2以及ta/2到ta，所对应高折射率Si层的侧壁轮廓宽度wsi变化分别从200nm逐渐增加到450nm以及从450nm逐渐减小至200nm。

7.根据权利要求1所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述布拉格光栅结构中混合等离激元波导a、b的排布顺序为ababa……，交替排列的周期数为N＝10。

8.根据权利要求1所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述混合等离激元波导布拉格光栅滤波器在1248nm至1539nm波段作为TE模式偏振滤波器，透过率小于1％，在1498至1601nm波段作为TM模式偏振滤波器，透过率小于5％，在1498nm至1539nm波段可同时作为TM及TE模式滤波器；在TE和TM模式禁带的右侧，即低频通带处实现透射谱优化，在1629nm至1678nm波段实现TE模式低频通带的谱优化，透过率大于99％，在1664nm至1703nm波段可实现TM模式低频通带的谱优化，透过率大于99％。