CN203673098U - 一种硅基光波导偏振转换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种硅基光波导偏振转换器，包括硅衬底、覆盖在硅衬底上表面的二氧化硅层、硅波导层和金属条层，其中，所述硅波导层的横截面呈“L”形，其下表面生长或键合在二氧化硅层的上表面上，上表面形成一高台面和一低台面，金属条层覆盖在硅波导层的低台面上。通过在非对称硅波导层的低台面集成金属条，从而在硅波导层中形成表面等离子体波，增加了两个偏振模式间的有效折射率差，由于偏振转换的效率与模式有效折射率差成反比，从而大大缩减偏振转换器的长度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种硅基光波导偏振转换器，尤其涉及一种利用表面等离子体波提升偏振转换效率的硅基光波导偏振转化器，属于光通信技术领域。
背景技术
光通信是以光波为载波的通信技术，相比于电缆和无线电等，光通信具有极大的通信带宽，在多媒体和大数据时代的今天具有不可替代的地位。光纤是长距离光信息传输的载体，而光信号的处理更多的由各类光模块或光电芯片来完成。为了进一步提高光电芯片的集成度，高折射率对比的硅基光波导器件提供了良好的技术平台。但这种结构中不同偏振态的光波传输特性不一样，而光纤中的光波偏振态是随机的，这两者的耦合必然造成相关器件和系统额外的偏振损耗。研发光电芯片上高度集成的偏振转换器是解决这一问题的途径。模式耦合技术是实现偏振转换器的主要技术之一。这种技术依赖于非对称光波导中两个模式的耦合形成偏振的转换，然而普通的硅基光波导偏振转换器中两个耦合模式的有效折射率差太小，造成需要100微米左右的非对称波导才能实现足够的偏振转换，不利于光电器件芯片的高度集成化。
有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种硅基光波导偏振转换器，本案由此产生。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种硅基光波导偏振转换器，通过非对称的硅波导层的结构，以及覆盖在硅波导层上的金属条层，实现两个偏振模式较大的有效折射率差，从而获得较高的偏振转换效率。
为了实现上述目的，本实用新型的解决方案是：
一种硅基光波导偏振转换器，包括硅衬底、覆盖在硅衬底上表面的二氧化硅层、硅波导层和金属条层，其中，所述硅波导层的横截面呈“L”形，其下表面生长或键合在二氧化硅层的上表面上，上表面形成一高台面和一低台面，金属条层覆盖在硅波导层的低台面上。
优选地，所述硅波导层的宽度为250-600纳米（即高台面和低台面的宽度之和为250-600纳米），高度为250-600纳米，上述硅波导层宽度与高度的选取保证两个偏振模式不截止。
优选地，金属条层的金属条宽度与硅波导层低台面的宽度一致，在80-250纳米之间，金属条层可以为金、银、铝或铜的其中一种，金属条层厚度为30-100纳米。
优选地，上述硅波导层低台面的高度为100-300纳米。
优选地，上述硅基光波导偏振转换器长度为1-10微米。
上述硅基光波导偏振转换器工作时，该硅基光波导偏振转换器两端由同高度和宽度的对称硅基光波导作为输入与输出，一个微米导波模式进入到上述硅基光波导偏振转换器，同时激发出两个模式，由于硅波导层的非对称性，光波在传输过程中，上述两个模式发生耦合，即发生偏振的转换。由于硅波导层的低台面集成金属条，从而在硅波导层中形成表面等离子体波，增加了两个偏振模式间的有效折射率差，在传输1-10微米后，正好积累了π相位变化，实现了偏振的转化。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：通过在非对称硅波导层的低台面集成金属条，从而在硅波导层中形成表面等离子体波，增加了两个偏振模式间的有效折射率差，由于偏振转换的效率与模式有效折射率差成反比，从而大大缩减偏振转换器的长度。
以下结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细描述。
附图说明
图1是本实施例硅基光波导偏振转换器横截面示意图；
图2是本实施例硅基光波导偏振转换器的硅波导偏振模式场分布图；
图3是本实施例硅基光波导偏振转换器的另一个硅波导偏振模式场分布图。
具体实施方式
如图1所示，一种硅基光波导偏振转换器，包括硅衬底1、覆盖在硅衬底1上表面的二氧化硅层2、硅波导层3和金属条层4，其中，所述硅波导层3的横截面呈“L”形，其下表面生长或键合在二氧化硅层2的上表面上，上表面形成一高台面31和一低台面32，金属条层4覆盖在硅波导层3的低台面32上。通过在非对称硅波导层3的低台面32集成金属条，从而在硅波导层3中形成表面等离子体波，增加了两个偏振模式间的有效折射率差，由于偏振转换的效率与模式有效折射率差成反比，从而大大缩减偏振转换器的长度。
在本实施例中，上述硅波导层3的最大宽度为500纳米，最大高度为500纳米，其中，高台面31宽度为300纳米，低台面32宽度为200纳米，低台面32离硅波导层3底面300纳米，金属条层4材料为金，宽度200纳米，厚度50纳米。整个硅基光波导偏振转换器的长度为2.93微米。
本实施例工作时，所述硅基光波导偏振转换器两端由同高度和宽度的对称硅基光波导作为输入与输出，一个水平偏振的1.55微米导波模式进入到该硅基光波导偏振转换器，同时激发出图2和图3分别显示的两个模式，其中图2示出了本实施例硅基光波导偏振转换器的一个偏振模式场分布，可以看到模式场集中在硅波导层中，并且由于非对称波导结构，其模场分布也是非对称，其模式的有效折射率为2.92。图3示出了本实施例硅基光波导偏振转换器的另一个偏振模式场分布，可以看到模式场集中在硅波导层中，并且由于非对称波导结构，其模场分布也是非对称，其模式的有效折射率为2.39。
由于波导的非对称性，光波在传输过程中，上述两个模式发生耦合，即发生偏振的转换。由于此波导中两个模式的有效折射率差Δn达到0.53，在传输1.46微米距离后，正好积累了π相位变化，实现了偏振的转化。相比之下，没有金属条的光波导两个模式有效折射率差仅为0.1，因此需要至少7.75微米才能获得偏振转换。
波导模式的有效折射率差由数值算法得到，实用中可以采用专业商业软件。偏振转换效率P正比于sin2(πL/2Lc)，其中Lc=λ/2Δn，表示两个模式积累了π相位变化。可见当L=Lc时，偏振转换效率达到最大。因此对于通信波段1.55微米，根据此公式可以得到，当Δn=0.53时，Lc=1.46微米，获得最大偏振转换；当Δn=0.1时，Lc=7.75微米，获得最大偏振转换。
上述实施例和图式并非限定本实用新型的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。
Claims (6)
1.一种硅基光波导偏振转换器，其特征在于：包括硅衬底、覆盖在硅衬底上表面的二氧化硅层、硅波导层和金属条层，其中，所述硅波导层的横截面呈“L”形，其下表面生长或键合在二氧化硅层的上表面上，上表面形成一高台面和一低台面，金属条层覆盖在硅波导层的低台面上。
2.如权利要求1所述的一种硅基光波导偏振转换器，其特征在于：所述硅波导层的宽度为250-600纳米，高度为250-600纳米。
3.如权利要求1所述的一种硅基光波导偏振转换器，其特征在于：金属条层的金属条宽度与硅波导层低台面的宽度一致，在80-250纳米之间。
4.如权利要求3所述的一种硅基光波导偏振转换器，其特征在于：所述金属条层为金、银、铝或铜的其中一种，金属条层厚度为30-100纳米。
5.如权利要求1所述的一种硅基光波导偏振转换器，其特征在于：上述硅波导层低台面的高度为100-300纳米。
6.如权利要求1所述的一种硅基光波导偏振转换器，其特征在于：上述硅基光波导偏振转换器长度为1-10微米。
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