CN116400457B - 一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器 - Google Patents
一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116400457B CN116400457B CN202310298980.7A CN202310298980A CN116400457B CN 116400457 B CN116400457 B CN 116400457B CN 202310298980 A CN202310298980 A CN 202310298980A CN 116400457 B CN116400457 B CN 116400457B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- micro
- waveguide
- ring
- mode
- titanium dioxide
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 59
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 75
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 75
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 73
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 63
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 85
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 claims description 23
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 13
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 8
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 12
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 abstract description 10
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 9
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 7
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 6
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- -1 liNiO 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/126—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind using polarisation effects
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/14—Mode converters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
- G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
- G02B6/29335—Evanescent coupling to a resonator cavity, i.e. between a waveguide mode and a resonant mode of the cavity
- G02B6/29338—Loop resonators
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/28—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals
- G02B6/293—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means
- G02B6/29379—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device
- G02B6/2938—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means characterised by the function or use of the complete device for multiplexing or demultiplexing, i.e. combining or separating wavelengths, e.g. 1xN, NxM
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器，该偏分复用器包括金红石二氧化钛微环型谐振腔；其中：所述金红石二氧化钛微环型谐振腔的具体结构包括金红石二氧化钛薄膜异质结构、该异质结构上设置两条直线波导，两条直线波导通道之间设置耦合的微环波导；在金红石二氧化钛薄膜异质结构上形成双通道耦合的微环型谐振腔，微环波导与两条直线波导之间存在可调整的耦合距离和耦合长度。与现有技术相比，本发明实现宽光谱范围的、超高消光比的偏分复用，适用于可见光波和近红外光波的偏分复用器件；实现了基模两种偏振态的低串扰；为偏分复用在透明集成光子芯片以及量子通信等领域的应用提供了可行性。
Description
技术领域
本发明涉及透明集成光子芯片以及量子通信等领域，特别涉及一种适用于可见光的、高消光比的偏分复用器的设计。
背景技术
随着5G、物联网、人工智能、云计算等新一代信息技术的不断发展，全球通信流量呈指数增长，光通信网络面临巨大压力。当今光通信网络面临两大危机：一是由全球IP流量持续指数增长带来的容量/带宽危机，二是由通信技术日益增长的耗电量带来的能耗危机。光信号的复用技术是实现大带宽、低功耗的应用于数据中心的光收发机的关键。其中，偏分复用对增加通信的信道密度至关重要。目前，大部分集成偏分复用器的工作波段都是在近红外光波段，可见光波段的偏分复用器件却鲜有报道。究其原因，主要是与波长相关的偏分复用机制有关。而可见光波段的偏分复用器在量子通信领域有重要应用价值。例如，在量子通信中发挥重要作用的量子发射机，在红光635-638nm波段可获得最优的工作性能。因此，对可见光的偏振态的微观调控在量子通信领域有重要的应用价值。
微环型谐振腔(MRR)是光学平台的基本元件，可作为集成光信号的滤波器和调制器。由于其超高的品质因子和较小的体积，MRR在集成光子芯片和量子信息处理中发挥重要作用。MRR在复用器件上已取得了广泛的应用，很多波分复用和模分复用器件都是基于MRR结构实现的。
目前大多数的MRR都是基于具有高折射率的硅薄膜制备而成的。然而，由于硅材料对可见光具有较高的光学吸收系数，很难在硅基上实现可见光波段的高Q值MRR。因此SiO2、Si3N4、金刚石、LiNiO3、TiO2、AlN等材料成为制备MRR的目标材料。特别是二氧化钛(TiO2)，由于其具有优异的光学性能，如较高的折射率、较大的能量带隙(3.1-3.2eV)、低热膨胀系数、负热光系数、较大的克尔非线性系数等，在光电集成器件等领域都具有广阔的应用前景。此外，较好的生物相容性和环境友好性使其可广泛应用于各种环境。二氧化钛晶体包含三种晶相即锐钛矿晶相、金红石晶相和板钛矿晶相，其中金红石晶相的TiO2折射率最大(>2.7)，热稳定性最好，因此基于金红石二氧化钛(r-TiO2)单晶薄膜的光学微腔在可见光谱中可以获得更高的Q值。然而，由于很难通过传统的外延生长方法制备出SiO2衬底上的r-TiO2单晶薄膜异质结构，因此现有的二氧化钛光学微腔大多是在非晶结构的TiO2薄膜上制备的。通过离子注入结合铜锡键合的技术手段可以成功制备出SiO2衬底上的r-TiO2单晶薄膜异质结构，为实现可见光波段高Q值的金红石二氧化钛微环谐振腔提供了可行性。
发明内容
针对上述现有技术存在的技术问题，本发明旨在提出一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器，基于金红石二氧化钛微环型谐振腔结构实现了可见光的、高消光比的偏分复用器。
本发明利用以下技术方案实现：
一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器，该偏分复用器包括金红石二氧化钛微环型谐振腔；其中：
所述金红石二氧化钛微环型谐振腔的具体结构包括金红石二氧化钛薄膜异质结构、所述异质结构的金红石二氧化钛薄膜上设置两条直线波导，两条直线波导通道之间设置耦合的微环波导；在金红石二氧化钛薄膜异质结构上形成双通道耦合的微环型谐振腔，微环波导与两条直线波导之间存在可调整的耦合距离和耦合长度，所述直线波导和所述微环波导均采用脊形波导。
所述该微环谐振腔中，两条直线波导与两条直线波导之间耦合的微环波导形成双通道耦合结构，双通道耦合结构形成四个端口，分别是光信号输入端、THROUGH输出端口、DROP输出端口和ADD端口，其中，THROUGH输出端口输出TE0模式偏振态或者TM0模式偏振态，DROP输出端口输出TM0模式偏振态或者TE0模式偏振态。
所述直线波导和所述微环波导的脊宽W和外脊高h要满足单模光传输条件。
增加微环波导半径来减少弯曲损耗、增加脊形波导的脊宽W和外脊高h来加大波导结构的有效折射率；减小脊形波导的脊宽W和耦合间距、增加外脊高h和耦合长度来加大直线波导与微环波导之间的耦合效率。
所述TE0模式光信号的大部分能量分布在所述脊形波导结构的下平面层区域，所述TM0模式的光信号主要分布在所述脊形波导结构的上脊形区域。
调整所述微环波导与所述直线波导的耦合长度和耦合间距、以及微环的半径，改变TE0模式的光信号和TM0模式的光信号在所述微环波导与所述直线波导之间的耦合效率，使得TE0模式或者TM0模式的光信号从直线波导耦合进微环波导中发生谐振，在所述DROP输出端口输出光信号；抑制TM0模式或者TE0模式的光信号发生耦合谐振，在THROUGH输出端口输出光信号。
增加所述微环波导与所述直线波导的耦合长度，使得TE0模式的光信号发生过耦合，抑制TE0模式的光信号发生耦合谐振，在THROUGH输出端口输出；调整所述微环波导与所述直线波导的耦合间距，使得TM0模式的光信号发生耦合谐振，在DROP输出端口输出。
调整所述微环波导与所述直线波导之间的耦合间距，保证TE0模式的光信号发生充分耦合；增加微环波导的半径，从而减小TE0模式光信号在微环波导中的传输损耗，在DROP输出端口输出；抑制TM0模式偏振态的光信号发生耦合谐振，在THROUGH输出端口输出。
既可实现可见光波的偏分复用，又可实现近红外光波的偏分复用。
与现有技术相比，本发明的优点和达成的积极技术效果如下：
1)实现宽光谱范围的、超高消光比的偏分复用，适用于可见光波和近红外光波的偏分复用器件；
2)实现了基模两种偏振态的低串扰；
3)为偏分复用在透明集成光子芯片以及量子通信等领域的应用提供了可行性。
附图说明
图1为本发明的一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器结构示意图；
图2为本发明的传输单模光的脊形波导结构横截面示意图；
图3为本发明的传输单模光的条形波导结构横截面示意图；
图4为本发明的两种偏振态(TE0和TM0)在脊形波导结构中的能量分布示意图；
图5为本发明的金红石二氧化钛微环谐振腔的可见光输出光谱示意图；
(a)脊宽W＝0.6微米，外脊高h＝0.24微米，内脊高H＝0.6微米，微环半径是60微米的金红石二氧化钛微环谐振腔的可见光输出光谱示意图，(b)脊宽W＝0.6微米，外脊高h＝0.24微米，内脊高H＝0.6微米，微环半径是20微米的金红石二氧化钛微环谐振腔的可见光输出光谱示意图；
图6为本发明的一种基于双通道耦合的微跑道型谐振腔的偏分复用器件中基模的两种偏振态(TE0和TM0)在DROP和THROUGH两个输出端口输出的光谱示意图；
附图标记：
1、金红石二氧化钛薄膜异质结构的基底，2、3、直线波导，4、微环波导，5、耦合距离，6、耦合长度，7、下平面层；
11、光信号输入端(INPUT端口)，12、THROUGH输出端口，13、DROP输出端口，14、ADD端口
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对技术方案进行清楚地描述。
如图1所示，为本发明的一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器结构示意图。该偏分复用器包括基于脊形波导结构的金红石二氧化钛微环型谐振腔，实现了宽光谱范围的、超高消光比的偏分复用功能。金红石二氧化钛微环型谐振腔的具体结构包括金红石二氧化钛单晶薄膜异质结构1、该异质结构上具有两条直线波导2、3，两条直线波导通道之间是耦合的微环波导4。微环波导4与两条直线波导2、3之间存在耦合距离5和耦合长度6。直线波导和微环波导都采用脊形波导结构。其脊宽、外脊高、微环波导的半径、直线波导与微环波导的耦合间距和耦合长度等结构参数需要满足一定条件，从而实现高Q值的光信号传输。
该微环谐振腔中，两条直线波导与两条直线波导之间耦合的微环波导形成双通道耦合结构，双通道耦合结构形成了四个端口，分别是光信号输入端口11，THROUGH输出端口12，DROP输出端口13和ADD端口14。THROUGH输出端口12输出TE0模式偏振态或者TM0模式偏振态，DROP输出端口13输出TM0模式偏振态或者TE0模式偏振态；也就是当THROUGH输出端口12输出TE0模式偏振态时，由DROP输出端口13输出TM0模式偏振态，反之，当THROUGH输出端口12输出TM0模式偏振态时，由DROP输出端口13输出TE0模式偏振态。该设计满足了基模两种偏振态的低串扰偏分。所述TE0模式的光能量更多地分布在脊形光波导结构中的下平面层，所述TM0模式的光能量主要分布于脊形光波导结构中的上脊形区域。因此，相较于TM0模式的光信号，TE0模式的光信号会更容易发生耦合，在弯曲波导中的传输损耗也更大。增加所述微环波导与所述直线波导的耦合长度，使得TE0模式的光信号发生过耦合，抑制TE0模式的光信号发生耦合谐振，在THROUGH输出端口输出。而通过调整所述微环波导与所述直线波导的耦合间距，使得TM0模式的光信号发生耦合谐振，在DROP输出端口输出。TE0模式的光信号会更容易从所述的直线波导耦合进所述的微环波导发生谐振，通过调整所述微环波导与所述直线波导之间的耦合间距，保证TE0模式的光信号发生充分耦合；增加微环波导的半径，从而减小TE0模式光信号在微环波导中的传输损耗，并在DROP输出端口输出。抑制TM0模式的光信号发生耦合谐振，在THROUGH输出端口输出。
具体地，通过调节微环谐振腔的波导结构参数和形貌，以便在金红石二氧化钛薄膜异质结构上获得可见光波段的高Q值的微环型谐振腔，从而实现了低串扰、高消光比的偏分复用。
利用TE0和TM0两种偏振态在脊形光波导结构中不同的光能量分布特性，有效的分离TE0和TM0，实现低串扰、高消光比的偏分复用。这种偏分复用器可以适用于可见光和近红外光，为偏分复用在透明集成光子芯片以及量子通信等领域的应用提供了可行性。
如图2所示，为本发明的传输单模光的脊形波导结构横截面示意图。该示例表明，实现可见光波段的高Q值的金红石二氧化钛微环谐振腔的途径包括：通过增加微环半径从而减少弯曲损耗；通过增加脊形波导的脊宽W和外脊高h从而加大波导结构的有效折射率；通过减小脊形波导的脊宽W和耦合间距、增加外脊高h和耦合长度都可以加大直线波导与微环波导之间的耦合效率，其中，脊形波导结构的内脊高H对应金红石二氧化钛薄膜厚度，外脊高h对应下平面层区域的厚度，H-h的高度就是脊形波导结构中上脊形区域的厚度，脊形波导结构中上脊形区域宽度是W。
如图3所示，本发明的传输单模光的条形波导结构横截面示意图。该示例表明，基于条形波导结构的金红石二氧化钛微环型谐振腔要满足单模光传输条件，设定波导结构的脊高和脊宽均小于300nm，这不仅对微纳刻蚀工艺和波导结构的光耦合测试技术提出了更为严苛的要求，而且无法在一些厚度较大的单晶薄膜异质结构上实现单模光传输。相对而言，基于脊形波导结构的金红石二氧化钛微环型谐振腔传输单模光所需的波导宽度和高度尺寸相对大一些(图2)，因此，本发明中的单模光传输微环谐振腔是脊形波导结构。
如图4所示，为本发明的两种偏振态(TE0模式和TM0模式)在脊形波导结构中的能量分布示意图。两种偏振态(TE0模式和TM0模式)在脊形光波导结构中的光场能量分布不同，相较于TM0模式偏振态，TE0模式偏振态中更多的光能量分布在脊形波导结构中的下平面层7中。因此，本发明通过设计微环波导，利用其弯曲波导结构使得TE0模式的光信号在通过弯曲波导时在下平面层中泄露出去，而TM0模式的光信号以低损耗的在弯曲波导中传输，从而实现偏分复用。这种基于脊形波导结构的微环谐振腔的偏分复用器可适用于可见光和近红外光波段。
通过设计谐振腔波导结构的尺寸和形貌，调节基模的两种偏振态(TM0和TE0)在直线波导和微环之间的耦合效率，从而实现更高消光比的偏分复用，保证TM0模式的光信号最大程度的耦合进微环结构中发生谐振，然后在drop输出端口输出TM0模式的光信号，而对于TE0模式的光信号，要尽可能的抑制其发生耦合谐振，然后在through输出端口直接输出。
相较于TM0，TE0模式的光信号有较多的光能量分布于下平面层，因此TE0会更容易耦合进微环波导中。通过增加耦合长度，可以使得TE0模式发生“过耦合”，从而有效抑制TE0模式光信号的耦合谐振。
本发明的一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器制备方法是利用电子束曝光技术和感应耦合等离子体刻蚀技术等微纳加工工艺，在单晶薄膜异质结构上，如金红石二氧化钛单晶薄膜，按照设计的结构尺寸和形貌制备脊形波导结构的微环型谐振腔。例如，针对600纳米厚度的金红石二氧化钛单晶薄膜异质结构，可以按照以下方法步骤实现基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器的制备：
步骤1，利用RCA标准化学清洗法结合物理清洗方法清洗样品；
步骤2，在清洗的样品表面镀铬层，厚度约为300纳米；
步骤3，对镀膜样品进行RCA标准化学清洗和物理清洗；
步骤4，在镀的铬膜上进行涂胶，采用HSQ负性电子胶，厚度约为450纳米。电子束按照设计的微环型谐振腔的形貌图直接在电子胶上曝光出刻蚀图案，然后在电子胶上显影出微环谐振腔的结构图；
步骤5，利用感应耦合等离子体刻蚀技术按照电子胶显影图案刻蚀铬膜；
步骤6，去电子胶，并用扫描电子显微镜确认电子胶是否清理干净，再次清洗样品；
步骤7，利用感应耦合等离子体刻蚀技术按照铬膜的结构形貌，刻蚀样品薄膜，刻蚀深度300nm，具体视单晶薄膜厚度而定；样品单晶薄膜的刻蚀深度要根据样品单晶薄膜的厚度而定，选择合适的刻蚀深高比(外脊高h/内脊高H)，从而实现单模光传输的微环谐振腔；
步骤8，漂洗样品，去铬膜，清洗样品，端面抛光；
步骤9，利用耦合测试平台测试制备的微环谐振腔的光传输品质因子，包括可见光和近红外光波在微环谐振腔中的光传输特性，并测试偏分复用特性，包括基模的两种偏振态在不同输出端口的输出光谱特性；
其中，步骤4中，为了实现可见光波段的高Q值的微环型谐振腔，波导结构参数设置为：脊宽W＝0.6微米，外脊高h＝0.24微米，内脊高H＝0.6微米，微环半径是60微米，这种谐振腔结构可以实现单模光低损耗的传输，输出光谱如图5所示。微环与直线波导的耦合间距为0.2微米时可以实现耦合系数为0.08的最佳耦合状态。当把圆环半径减少到20微米时，由于弯曲辐射损耗的增加，导致TE0光波模式的消光比减小，同时FSR参数也由0.4微米增加到1微米，如图5所示。
其中，步骤9中，通过设计波导结构参数可以实现高消光比的偏分复用。通过数值拟合得到，635nm的可见光在半径5微米、内脊高H＝0.6微米、外脊高h＝0.16微米、脊宽W＝0.25微米的微环谐振腔中传输，其中TM0模式的光信号在微环中的弯曲损耗是0.12dB，而TE0模式的光信号在微环中的弯曲损耗是36dB，也就是微环中只保留了TM0模式的光信号，因此，TM0和TE0两种基模偏振态实现有效的分离。除了可见光波段，这种脊形波导结构的微环谐振腔也可以适用于近红外光的偏分复用。例如：1550nm的红外光在半径8微米、内脊高0.6微米、外脊高0.2微米、脊宽0.7微米的微环谐振腔中传输，其中TM0模式的光信号在微环中的弯曲损耗是0.38dB/cm，而TE0模式的光信号在微环中的弯曲损耗是210.1dB/cm。
其中，步骤9中，通过调节耦合长度可以实现基模两种偏振态(TM0和TE0)低串扰的偏分复用。由于TE0模式的光信号有较多的光能量分布于下平面层，因此相较于TM0，TE0会更容易耦合进微环波导中。通过增加耦合长度，可以使得TE0模式的光信号发生“过耦合”，从而有效抑制TE0模式光信号的耦合谐振。基于此机理，设计了一种微跑道型谐振腔结构，耦合长度是38微米，耦合间距是0.25微米，圆环的半径是5微米，TE0模式和TM0模式在这种微跑道型谐振腔中的耦合系数分别是0.1和0.35。图6的透射光谱表明，基于此微跑道型谐振腔的偏分复用器，基模的两种偏振态之间的串扰很小，可实现较好偏分复用应用。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明精神和没有做出创造性劳动情况下所获得的所有其他实施例和实施例的技术替换、变形，皆落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器，其特征在于，该偏分复用器包括金红石二氧化钛微环型谐振腔；其中，所述金红石二氧化钛微环型谐振腔的具体结构包括金红石二氧化钛薄膜异质结构、所述异质结构的金红石二氧化钛薄膜上设置两条直线波导，两条直线波导通道之间设置耦合的微环波导；在金红石二氧化钛薄膜异质结构上形成双通道耦合的微环型谐振腔，微环波导与两条直线波导之间存在可调整的耦合距离和耦合长度，所述直线波导和所述微环波导均采用脊形波导；所述微环谐振腔中，两条直线波导与两条直线波导之间耦合的微环波导形成双通道耦合结构，双通道耦合结构形成四个端口，分别是光信号输入端、THROUGH输出端口、DROP输出端口和ADD端口，其中，THROUGH输出端口输出TE0模式偏振态或TM0模式偏振态，DROP输出端口输出TM0模式偏振态或者TE0模式偏振态；所述直线波导和所述微环波导的脊宽W和外脊高h满足单模光传输条件；调整所述微环波导与所述直线波导的耦合长度和耦合间距、以及微环的半径，改变TE0模式的光信号和TM0模式的光信号在所述微环波导与所述直线波导之间的耦合效率，使得TE0模式或者TM0模式的光信号从直线波导耦合进微环波导中发生谐振，在所述DROP输出端口输出光信号；抑制TM0模式或者TE0模式的光信号发生耦合谐振，在THROUGH输出端口输出光信号。
2.如权利要求1所述的一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器，其特征在于，增加微环波导半径来减少弯曲损耗、增加脊形波导的脊宽W和外脊高h来加大波导结构的有效折射率；减小脊形波导的脊宽W和耦合间距、增加外脊高h和耦合长度来加大直线波导与微环波导之间的耦合效率。
3.如权利要求1所述的一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器，其特征在于，所述TE0模式光信号的大部分能量分布在所述脊形波导结构的下平面层区域，所述TM0模式的光信号主要分布在所述脊形波导结构的上脊形区域。
4.如权利要求1所述的一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器，其特征在于，增加所述微环波导与所述直线波导的耦合长度，使得TE0模式的光信号发生过耦合，抑制TE0模式的光信号发生耦合谐振，在THROUGH输出端口输出；调整所述微环波导与所述直线波导的耦合间距，使得TM0模式的光信号发生耦合谐振，在DROP输出端口输出。
5.如权利要求1所述的一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器，其特征在于，调整所述微环波导与所述直线波导之间的耦合间距，保证TE0模式的光信号发生充分耦合；增加微环波导的半径，从而减小TE0模式光信号在微环波导中的传输损耗，在DROP输出端口输出；抑制TM0模式的光信号发生耦合谐振，在THROUGH输出端口输出。
6.如权利要求1所述的一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器，其特征在于，既可实现可见光波的偏分复用，又可实现近红外光波的偏分复用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310298980.7A CN116400457B (zh) | 2023-03-24 | 2023-03-24 | 一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310298980.7A CN116400457B (zh) | 2023-03-24 | 2023-03-24 | 一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116400457A CN116400457A (zh) | 2023-07-07 |
| CN116400457B true CN116400457B (zh) | 2024-02-06 |
Family
ID=87006761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310298980.7A Active CN116400457B (zh) | 2023-03-24 | 2023-03-24 | 一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116400457B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012083167A (ja) * | 2010-10-08 | 2012-04-26 | Konica Minolta Holdings Inc | 微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置 |
| CN108469416A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-08-31 | 中北大学 | 一种涂覆TiO2薄膜的光波导型微环谐振腔湿度传感器的制备方法 |
| CN114614938A (zh) * | 2020-12-08 | 2022-06-10 | 军事科学院系统工程研究院网络信息研究所 | 类游标卡尺的波分复用通道切换方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7389025B2 (en) * | 2006-03-29 | 2008-06-17 | 3M Innovative Properties Company | Coupling light into microresonators |
| US9971228B2 (en) * | 2013-10-31 | 2018-05-15 | President And Fellows Of Harvard College | Direct entangled triplet-photon sources and methods for their design and fabrication |
| CA3155407A1 (en) * | 2021-04-15 | 2022-10-15 | Mcmaster University | Integrated silicon structures with optical gain mediated by rare-earth-doped tellurium-oxide-coating |
-
2023
- 2023-03-24 CN CN202310298980.7A patent/CN116400457B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012083167A (ja) * | 2010-10-08 | 2012-04-26 | Konica Minolta Holdings Inc | 微小物質検出センサおよびそれを有する微小物質検出装置 |
| CN108469416A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-08-31 | 中北大学 | 一种涂覆TiO2薄膜的光波导型微环谐振腔湿度传感器的制备方法 |
| CN114614938A (zh) * | 2020-12-08 | 2022-06-10 | 军事科学院系统工程研究院网络信息研究所 | 类游标卡尺的波分复用通道切换方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Athermal silicon optical add-drop multiplexers based on thermo-optic coefficient tuning of sol-gel material;Soha Namnabat etc.;Optics Express;第25卷(第18期);全文 * |
| 超快激光加工二氧化钛微纳结构及功能器件研究进展;乔明等;中国激光;第49卷(第22期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116400457A (zh) | 2023-07-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tsuchizawa et al. | Microphotonics devices based on silicon microfabrication technology | |
| US9746743B1 (en) | Electro-optic optical modulator devices and method of fabrication | |
| US7283707B1 (en) | Evanescently coupling light between waveguides and whispering-gallery mode optical resonators | |
| US6865314B1 (en) | Tunable optical wavelength filters and multi-level optical integrated circuits | |
| CN111736370A (zh) | 一种薄膜铌酸锂基集成芯片及制备方法 | |
| CN206470492U (zh) | 一种低驱动电压铌酸锂电光调制器 | |
| CN107843957A (zh) | 氮化硅‑铌酸锂异质集成波导器件结构及制备方法 | |
| WO2010040303A1 (zh) | 表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器 | |
| CN108693602A (zh) | 一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件及其制备方法 | |
| CN110911950A (zh) | 高速高线性的硅-铌酸锂外腔调频激光器 | |
| CN105954892B (zh) | 一种基于SOI的Si-PLZT异质结结构的混合型电光环形调制器 | |
| CN109975926B (zh) | 一种二氧化硅加载条型波导及其制作方法 | |
| CN113777711B (zh) | 一种基于铌酸锂薄膜的大模斑水平端面耦合器 | |
| CN111061072A (zh) | 一种基于铌酸锂薄膜的光电器件及其制备方法 | |
| CN113777706B (zh) | 一种基于x切铌酸锂薄膜的偏振无关反射式光滤波器 | |
| CN110941109A (zh) | 一种硅基集成基于拓扑保护机理的光隔离器件 | |
| CN105281200A (zh) | 基于rec技术的集成高速数字调制wdm-pon光模块 | |
| JP7315034B2 (ja) | 光デバイス | |
| CN112987346B (zh) | 一种易于实现电光波速匹配的薄膜电光调制器及制备方法 | |
| Zhang et al. | Ultrahigh-Q lithium niobate microring Resonator | |
| CN115268120A (zh) | 基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器 | |
| CN113687556B (zh) | 一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片及其制备方法 | |
| CN112162349B (zh) | 一种悬浮脊形波导结构及其制备方法 | |
| CN116400457B (zh) | 一种基于金红石二氧化钛微环型谐振腔的偏分复用器 | |
| CN111308612B (zh) | 一种反mmi型波导马赫-曾德干涉器的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |