CN116430516B - 一种光学起偏器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光子集成电路系统领域，公开了一种光学起偏器，包括依次相连的输入段、偏振段和输出段，所述输入段、偏振段和输出段从上到下均依次包括波导芯上包层、波导芯、波导芯下包层和基底，所述偏振段的波导芯上包层的上方还设有各向异性介质上包层；光信号从所述输入段的波导芯输入后经所述偏振段的各向异性介质上包层实现TE0模式光的衰减，TM0模式光从所述输出段的波导芯输出。本发明通过利用各向异性介质上包层在两个正交方向上的介电常数的差别，实现对准TE0/TM0这两种不同偏振方向模式的不同约束效果，从而实现偏振筛选，避免了对于波导本身双折射的依赖，从而在低折射率对比度平台上实现高效起偏器件的设计制造。
Description
技术领域
本发明属于光子集成电路(PIC)系统领域，特别是涉及一种光学起偏器。
背景技术
集成光子学可将紧凑型光学电路集成到芯片上，并且由于与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的高度兼容性，使其在保证性能的同时，制造成本大幅降低，逐渐在低能耗高带宽互连系统中发挥重要作用。然而，对于大多数波导而言，(准)横向电(TE0)模式和(准)横向磁(TM0)模式具有不同的模式轮廓、模场限制因子以及有效折射率。在一个完整的PIC系统中，由不同偏振组成的光信号可能会以不同的效率进行传输，对于如光学陀螺仪等对偏振敏感的光学系统，当存在偏振串扰时，其工作精度会受到严重影响。因此，在集成光学芯片的设计中，如何使系统中的光学元件能够在单一偏振态(通常为准TE0偏振态)下运行具有重要的意义。集成的起偏器是一种有效的保持光信号偏振状态的方法，这就要求我们设计一种集成度较高且性能优越的单元偏振器件。
对于集成光学芯片来讲，当光信号从光纤耦合到波导中时，很容易引入不需要的正交偏振串扰，特别是对于端面耦合的情况。使用片上起偏器则可以较好地滤除不需要的偏振分量，从而抑制偏振串扰。集成起偏器应用的范围非常广泛，包括常用的光学干涉式调制器、光学干涉式传感器、波分复用、电光开关阵列、相干光通信模块等。特别对于集成光学陀螺仪(IOG)这一典型应用，一个性能优越的起偏器是实现IOG的关键组件(参见Wang,Liming,and Thomas D.Monte."Integrated Optical Polarizer and Method of MakingSame."U.S.Patent Application No.16/419,481.)。
片上集成光学起偏器通过尽可能滤除一个偏振态(如准TE0偏振态)，仅保留另一个偏振态(如准TM0偏振态)在波导中的传输来实现起偏效果。一个起偏器的性能主要体现在其是否具有低插入损耗(IL)和高消光比(PER)，此外，制造工艺的复杂程度以及成本也是一个重要的评价指标。
目前已经实现了多种类型的集成起偏器，包括基于双折射效应的金属包覆波导起偏器，以及光子晶体和基于等离子体的各种集成起偏器。而这类设计方案，大多需要依赖于较大的波导双折射效应，也即需要准TE0/TM0模式具有较大的有效折射率差值；这就限制了这类起偏器只能在具有较高折射率对比度的平台(如绝缘体上硅平台)上进行设计，很难在低折射率对比度的平台(如氮化硅平台、二氧化硅平面光波导平台)上进行设计制造。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光学起偏器，用于解决现有技术中存在的技术问题。
本发明的技术构思是在波导芯上方进行镀膜，将镀膜形成的若干层各向异性介质作为各向异性介质上包层，利用各向异性介质是物理性质具有方向依赖性的介质，使得各向异性介质上包层在垂直光学起偏器的基底所在平面(⊥)和平行于基底所在平面(//)的两个方向上形成不同的等效介电常数(ε⊥和ε//)，实现对波导芯两个不同方向偏振态(准TE0和TM0)的不同约束效果，使得其中一个偏振态处于泄露模式，而另一个偏振态处于束缚模式，也即实现TE0的衰减和TM0模式的输出，从而达到不依赖于波导本身双折射而实现偏振选择的目的，进而有望在低折射率对比度的平台上实现起偏器的设计。在此基础上完成了本发明。
为达到上述目的，本发明通过多层膜周期结构(multi-layers)形成各向异性介质上包层，利用各向异性介质上包层对波导芯中准TE0/TM0两种模式的不同约束效果，设计了一种基于各向异性介质上包层的光学起偏器。本发明是通过包括如下的技术方案实现的。
本发明的第一方面提供一种光学起偏器，包括依次相连的输入段、偏振段和输出段，所述输入段、偏振段和输出段从上到下均依次包括波导芯上包层、波导芯、波导芯下包层和基底，所述偏振段的波导芯上包层的上方还设有各向异性介质上包层；
光信号从所述输入段的波导芯输入后经所述偏振段的各向异性介质上包层实现TE0模式光的衰减，TM0模式光从所述输出段的波导芯输出。
本申请所述起偏器中，所述各向异性介质上包层在垂直于所述基底所在平面的方向上的介电常数为ε丄，所述各向异性介质上包层在平行于所述基底所在平面的方向上的介电常为ε//，且所述ε丄＜ε//。当ε丄小于ε//时，各向异性介质上包层的偏振筛选效果更好，能实现TE0模式光信号传输一段距离后就逐渐衰减，甚至消光。
本申请所述起偏器中，所述波导芯支持准TE0和TM0两种模式。在准TE0模式下，所述波导芯的有效介电常数为εTE，εTE＜ε//；在准TM0模式下，所述波导芯的有效介电常数为εTM，所述ε丄＜εTM。优选地，所述波导芯的有效介电常数εTE和εTM相同。
本申请所述起偏器中，所述各向异性介质上包层由第一薄膜和第二薄膜周期性排布形成。优选的，由第一薄膜和第二薄膜交替排布形成。优选地，所述第一薄膜和第二薄膜的层数相同。也即所述各向异性介质上包层由N层具有相同周期的薄膜结构组成，每个周期内包含一层厚度为h1的第一薄膜和一层厚度为h2的第二薄膜。
本申请所述起偏器中，所述ε丄的计算公式为：
所述ε//的计算公式为：
ε//＝ρεhigh+(1-ρ)εlow
其中，
h1为第一薄膜的厚度；
h2为第二薄膜的厚度；
εhigh为第一薄膜和第二薄膜中折射率较高材料的等效介电常数，εlow为第一薄膜和第二薄膜中折射率较低材料的等效介电常数。
本申请所述起偏器中，所述第一薄膜与所述第二薄膜的材料不同，如所述第一薄膜或所述第二薄膜的材料独立选自五氧化二钽、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅和氧化铝中的一种，具体如第一薄膜为SiN薄膜，第二薄膜为SiO2薄膜。
本申请所述起偏器中，所述第一薄膜的厚度h1不大于100nm，如可以为5～32.6nm、22.5～48.3nm、36.8～63.8nm、61.2～92.3nm、76.9～100nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm、20nm、21nm、22nm、23nm、24nm和25nm。
本申请所述起偏器中，所述第二薄膜的厚度h2不大于100nm，如可以为5～59nm、17.5～39.5nm、24.6～55.8nm、42.1～82.6nm、68.2～100nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm、20nm、21nm、22nm、23nm、24nm和25nm。
本申请所述起偏器中，所述第一薄膜的厚度h1和第二薄膜的厚度h2可以相等，也可以不相等，在本申请的一个具体实施方式中，h1＝h2＝20nm。本申请中，可以调节第一薄膜的厚度h1和第二薄膜的厚度h2使得同时满足ε丄＜εTM和εTE＜ε//。
本申请所述起偏器中，第一薄膜和第二薄膜的层数不少于10层，如可以为11～36层、25～54层、38～88层、20层、22层、24层、25层、27层、29层和30层。
本申请所述起偏器中，所述偏振段的波导芯和各向异性介质上包层之间的波导芯上包层厚度不小于50nm，如51～100nm、70～280nm、260～400nm、315～600nm、520～800nm、380nm。也即偏振段的波导芯和各向异性介质上包层之间的间距gap不小于50nm。
本申请所述起偏器中，所述光学起偏器还包括覆盖所述波导芯上包层或各向异性介质上包层的外包层。优选的，所述各向异性介质上包层的材料的折射率大于所述外包层的材料的折射率；优选的，所述波导芯的材料的折射率大于所述外包层的材料的折射率。
本申请所述起偏器中，所述基底的材质选自Si、砷化镓、氮化镓和碳化硅中的一种。
本申请所述起偏器中，所述外包层的材料选自SiO2。
本申请所述起偏器中，所述波导芯上包层的材料选自SiO2。
本申请所述起偏器中，所述波导芯下包层的材料选自SiO2。
本发明所述起偏器的设计流程是：在目标波长范围内，合理选择波导芯的尺寸，使其仅支持准TE0/TM0两种模式；引入各向异性介质上包层结构，通过选择合适的镀膜材料，调节每层膜的厚度h1和h2，使得各向异性介质上包层分别在垂直和平行于基底所在平面上的等效介电常数(ε丄和＜ε//)，与波导芯中的两种模式有效介电常数(εTE和εTM)之间满足ε丄＜εTM和εTE＜ε//，以及调节各向异性介质上包层和波导芯之间的间距gap的大小，尽可能增大准TE0模式与上方各向异性介质上包层之间的耦合，从而使得准TE0模式的模场分布扩展至各向异性介质上包层中，从而极大降低其在波导中的能量占比；另一方面，确保准TM0模式与各向异性异性介质上包层之间的耦合较弱，使其能量主要集中在波导芯内。
本发明的第二方面提供一种光学芯片，包括如上文所述的光学起偏器。
本发明的方案可以避免现有设计对波导具有较大的双折射的要求，在双折射较小的波导上实现起偏器件的设计与制造。有利于推动需要与光纤高效耦合且易受偏振串扰影响的光学系统，如光学陀螺仪等，进行芯片集成小型化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明的光学起偏器通过利用各向异性介质上包层在两个正交方向上的介电常数的差别，实现对准TE0/TM0这两种不同偏振方向模式的不同约束效果，从而实现偏振筛选。在原理上避免了对于波导本身双折射的依赖，也即可以在低折射率对比度平台上实现高效起偏器件的制造。
2)本发明的光学起偏器具有较大带宽范围内的高消光比(PER)和低插入损耗(IL)，在800～1300nm波长范围内PER均大于30dB，而IL在800～1300nm波长范围内均小于0.2dB。
3)本发明的光学起偏器可兼容多种半导体工艺平台，波导制作过程采用标准半导体制作工艺，技术成熟，可有效降低成本。
附图说明
图1显示为本发明的光学起偏器的结构示意图。其中，a为三维结构图，b为截面图。
图2显示为本发明的光学起偏器进行光偏振的示意图。
图3a显示为本发明的光学起偏器的横截面示意图之一。
图3b显示为本发明的光学起偏器的横截面示意图之二。
图3c显示为本发明的光学起偏器中各向异性介质层的横截面图。
图4显示为本发明的光学起偏器的透射频谱仿真曲线示意图。
图5显示为本发明的光学起偏器的模场分布图。
图1至图5中附图标记为
100基底
101波导芯
102波导芯包层
103各向异性介质上包层
104外包层
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。本实施例中，提供一种光学起偏器。
如图1至5所示，所述光学起偏器包括依次相连的输入段、偏振段和输出段，所述输入段、偏振段和输出段从上到下均依次包括波导芯上包层、波导芯101、波导芯下包层和基底，所述偏振段的波导芯上包层的上方还设有各向异性介质上包层103；
光信号从所述输入段的波导芯101输入后经所述偏振段的各向异性介质上包层实现TE0模式光的衰减，TM0模式光从所述输出段的波导芯输出。
如图2中，含有两种不同的偏振模式(准TE0/TM0)的光源从输入段的波导芯101输入，经过偏振段的各向异性介质上包层103进行偏振筛选后，准TE0模式泄露到各向异性介质上包层103中，而准TM0模式则从输出段的波导芯101输出。
如图3b中，所述各向异性介质上包层103由第一薄膜film1和第二薄膜film2周期性排布形成。优选的，由第一薄膜film1和第二薄膜film2交替排布形成。所述第一薄膜film1和第二薄膜film2的层数相同，形成N层具有相同周期的薄膜结构，N层不低于10层，如可以为11～36层、25～54层、38～88层、20层、22层、24层、25层、27层、29层和30层。
在某些实施方式中，所述各向异性介质上包层103在垂直于所述基底所在平面的方向上的等效介电常数为ε丄，所述各向异性介质上包层103在平行于所述基底所在平面的方向上的等效介电常为ε//，且所述ε丄＜ε//。
在某些具体实施方式中，所述ε丄的计算公式为：
所述ε//的计算公式为：
ε//＝ρεhigh+(1-ρ)εlow
其中，
h1为第一薄膜的厚度；
h2为第二薄膜的厚度；
εhigh为第一薄膜和第二薄膜中折射率较高材料的介电常数，εlow为第一薄膜和第二薄膜中折射率较低材料的介电常数。
在某些实施方式中，所述第一薄膜film1与所述第二薄膜film2的材料不同。所述第一薄膜或所述第二薄膜的材料独立选自五氧化二钽、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅和氧化铝中的一种。如第一薄膜film1的材料选自氮化硅，第二薄膜film2的材料选自二氧化硅。
在某些实施方式中，所述第一薄膜film1的厚度h1为不大于100nm。
在某些实施方式中，所述第二薄膜film2的厚度h2为不大于100nm。更优选的，h1＝h2，且在工艺可以达到的基础上h1和h2越小越好，形成的各向异性介质层就越接近等效介质公式描述的各向异性介质性能。
在某些实施方式中，所述波导芯101为长方体。
在某些实施方式中，所述波导芯101为单模波导，用于准TE0模式或准TM0模式。
在某些具体的实施方式中，准TE0模式或准TM0模式下，所述波导芯101的双折射均为0。
在某些具体实施方式中，在准TE0模式下，所述波导芯101的有效介电常数为εTE，所述εTE＜ε//。
在某些具体实施方式中，在准TM0模式下，所述波导芯101的有效介电常数为εTM，所述εTM＞ε丄。
在某些具体的实施方式中，所述波导芯101的材料为SiN、Si和SiO2中的一种或多种。在一个具体实施例中，为SiN。
在某些具体实施方式中，所述波导芯101的宽度为300～400nm；所述波导芯101的高度为300～400nm。更优选的，波导芯101的宽度和高度相等，在此参数下，波导芯101在准TE0和TM0模式下具有相同的有效折射率，即双折射为0。
在某些实施方式中，所述偏振段的波导芯和各向异性介质上包层之间的波导芯上包层的厚度不小于50nm。也即各向异性介质上包层103和波导芯101之间的间距gap不小于50nm。
在某些实施方式中，所述基底100的材质选自硅、砷化镓、氮化镓和碳化硅等常见半导体晶圆基底材料，具体例如为Si。
在某些实施方式中，所述光学起偏器还包括覆盖所述波导芯上包层或和所述各向异性介质上包层103的外包层104，所述波导芯101和各向异性介质上包层103的材料的折射率均大于所述外包层104的材料的折射率。所述外包层104的材质选自具有比波导芯101和各向异性介质上包层103折射率更低的透明材料，具体例如为SiO2。
在一个具体实施例中，光学起偏器包括基底100、波导芯101、各向异性介质上包层103和外包层104，基底100上设有波导芯101，波导芯101和基底100之间设有波导芯下包层，各向异性介质上包层103和波导芯101之间设有波导芯上包层，波导芯下包层和波导芯上包层形成波导芯包层102，波导芯101、各向异性介质上包层103和波导芯包层102均位于外包层104和基底100之间。
如图3a所示，从上到下输入段和输出段均依次包括：SiN波导芯上包层、SiN波导芯101、SiN波导芯下包层和Si基底100，波导芯下包层和波导芯上包层形成波导芯包层102；输入段和输出段的波导芯上包层外还可覆盖有外包层104，波导芯下包层、波导芯上包层和外包层104的材料均为SiO2。
如图3b所示，从上到下偏振段依次包括：SiO2外包层104、各向异性介质上包层103、SiN波导芯上包层、SiN波导芯101、SiN波导芯下包层和Si基底100。SiN波导芯下包层和SiN波导芯上包层形成SiN波导芯包层102并包绕于波导芯101的两侧，波导芯101和各向异性介质上包层103之间的间距gap不小于50nm。
例如，Si基底100上均设有SiN波导芯101，SiN波导芯101上设有波导芯上包层，SiN波导芯101之间有波导芯下包层，波导芯上包层和波导芯下包层形成波导芯包层102并包绕于波导芯101的两侧，包绕波导芯层102的波导芯101贯穿输入段、偏振段和输出端；波导芯101为呈长方体的SiN波导芯，长方体SiN波导芯的宽度和高度均为350nm，长度(长度为沿光传播方向)为10mm，SiN波导芯的介电常数εTE＝εTM＝2.79；在偏振段的波导芯上包层上设有各向异性介质上包层103，SiN波导芯101和各向异性介质上包层103之间的间距gap为380nm；各向异性介质上包层103由20层交替排布的第一薄膜film1和第二薄膜film2形成，第一薄膜film1为SiN薄膜且厚度h1为20nm，第二薄膜film2为SiO2薄膜且厚度h2为20nm，各向异性介质上包层103在平行于Si基底100所在平面的方向上的介电常数ε//＝3.1且在垂直于Si基底100所在平面的方向上的介电常数ε丄＝2.78，εhigh＝2.02222＝4.089，εlow＝1.45282＝2.111；输入段的波导芯上包层、偏振段的各向异性介质上包层103、输出段的波导芯上包层外均覆盖有外包层104，外包层104为SiO2层。
对采用这个具体实施方式形成的光学起偏器进行透射频谱仿真分析和模场分析，结果分别见图4和图5。图5中：左图是准TM0模式光信号从波导芯101的左侧输入的模场分布图，右图是准TE0模式光信号从波导芯101的左侧输入的模场分布图。
从图4可知，输入的准TE0模式的插损在800～1300nm波长范围内均大于30dB，而输入的准TM0模式的插损在800～1300nm波长范围内均小于0.2dB。
从图5可知，随着传输距离的增加，准TM0模式光信号较为集中的在波导芯中传输，而准TE0模式光信号则在各向异性上包层中传输一段距离后就逐渐衰减。表明本发明的起偏器具有良好的偏振筛选效果。
本发明通过利用各向异性介质层在平行和垂直于基底所在平面的方向上的介电常数的差别，实现对准TE0/TM0这两种不同偏振方向模式的不同约束效果，使得各向异性介质层对于准TM0模式的约束力远大于对准TE0模式的约束，从而达到偏振选择的目的，避免了对于波导双折射的依赖。即使对于宽高比为1的正方形波导，也可以实现单偏振消光效果，有望在低折射率对比度的平台如二氧化硅波导平台上实现起偏器件的制造。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种光学起偏器，其特征在于，包括依次相连的输入段、偏振段和输出段，所述输入段、偏振段和输出段从上到下均依次包括波导芯上包层、波导芯、波导芯下包层和基底，所述偏振段的波导芯上包层的上方还设有各向异性介质上包层；
光信号从所述输入段的波导芯输入后经所述偏振段的各向异性介质上包层实现TE0模式光的衰减，TM0模式光从所述输出段的波导芯输出；
所述各向异性介质上包层由第一薄膜和第二薄膜周期性排布形成；
所述各向异性介质上包层在垂直于所述基底所在平面的方向上的等效介电常数为ε丄，所述各向异性介质上包层在平行于所述基底所在平面的方向上的等效介电常数为ε//，且所述ε丄＜ε//；
所述波导芯的宽度和高度相等，所述第一薄膜和第二薄膜的层数均不小于10层；
所述波导芯为单模波导，用于准TE0模式或准TM0模式；
准TE0模式下，所述波导芯的有效介电常数为εTE，所述εTE＜ε//；
准TM0模式下，所述波导芯的有效介电常数为εTM，所述ε丄＜εTM。
2.如权利要求1所述的光学起偏器，其特征在于，所述第一薄膜和第二薄膜交替排布形成。
3.如权利要求1所述的光学起偏器，其特征在于，所述ε丄的计算公式为：
所述ε//的计算公式为：
ε//＝ρεhigh+(1-ρ)εlow
其中，
h1为第一薄膜的厚度；
h2为第二薄膜的厚度；
εhigh为第一薄膜和第二薄膜中折射率较高材料的等效介电常数，εlow为第一薄膜和第二薄膜中折射率较低材料的等效介电常数。
4.如权利要求1所述的光学起偏器，其特征在于，包括如下技术特征中的至少一项：
B1)所述第一薄膜与所述第二薄膜的材料不同；
B2)所述第一薄膜的厚度h1不大于100nm；
B3)所述第二薄膜的厚度h2不大于100nm；
B4)所述第一薄膜或所述第二薄膜的材料独立选自五氧化二钽、二氧化钛、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅和氧化铝中的一种；
B5)所述第一薄膜和第二薄膜的层数相同。
5.如权利要求1所述的光学起偏器，其特征在于，所述偏振段中的波导芯和各向异性介质上包层之间的波导芯上包层厚度不小于50nm。
6.如权利要求1所述的光学起偏器，其特征在于，所述光学起偏器还包括覆盖所述波导芯上包层或所述各向异性介质上包层的外包层。
7.如权利要求6所述的光学起偏器，其特征在于，所述波导芯的材料的折射率大于所述外包层的材料的折射率；
和/或，所述各向异性介质上包层的材料的折射率大于所述外包层的材料的折射率。
8.如权利要求7所述的光学起偏器，其特征在于，所述外包层的材料选自SiO2；
和/或，所述波导芯上包层的材料选自SiO2；
和/或，所述波导芯下包层的材料选自SiO2。
9.一种光学芯片，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的光学起偏器。
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