專利名稱：基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光器件領(lǐng)域，特別是涉及基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器及其制造方法。
背景技術(shù)：
波長(zhǎng)信號(hào)分離器(Wavelengthsignal division) / 波長(zhǎng)信號(hào)合波器(Wavelength signal synthesizer)是光通信和光信息處理系統(tǒng)中非常重要的器件，即將一束包含兩種不同波長(zhǎng)的光信號(hào)按波長(zhǎng)分離為兩路/合并為一路輸出的濾波器。隨著光通信系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)大和光集成度的不斷提高，對(duì)于波長(zhǎng)信號(hào)分離器的小尺度要求越來(lái)越高。在過(guò)去幾年中，基于光子晶體(PCs)的波長(zhǎng)分離/合波器被設(shè)計(jì)成了不同結(jié)構(gòu)，具有代表性的如下文獻(xiàn) M. Koshiba，“Wavelength division multiplexing anddemultiplexing with photonic crystal waveguide couplers，，，J· LightwaveTechnol 19， 1970-1975(2001)文獻(xiàn) S.Boscolo，Μ. Midrio, and C. G. Someda, "Coupling anddecoupling of electromagnetic waves in parallel 2D photonic crystalwaveguides", IEEE J. Quantum Elect. 38，47—53 (2002)文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2中，在硅基二維圓柱正方晶格光子晶體中，引入兩條相鄰的線缺陷，實(shí)現(xiàn)分波和合波。文獻(xiàn) 3 LJ-SmajicjC-Hafnerjand D. Erni,"On the design of photoniccrystal multiplexers”，Opt. Express 11，566-571 (2003)，在硅基二維圓柱正方晶格光子晶體上， 點(diǎn)缺陷和線缺陷結(jié)合的不同通道波長(zhǎng)分離/組合。文獻(xiàn)F. S. S. Chien, Y. J Hsu, W. F. Hsieh, and S. C. Cheng, "Dualwavelength demultiplexing by coupling and decoupling of photoniccrystal waveguides，，，Opt. Express 12，1119-1125 (2003)，在二維硅三角晶格介質(zhì)柱中，引入條狀線缺陷和環(huán)狀線缺陷結(jié)合的辦法，來(lái)實(shí)現(xiàn)分波/合波功能。文獻(xiàn) ‘‘High efficiency photonic crystal based wavelengthdemultiplexer, " Opt. Express 14，7931-7942 (2006)，在二維氮化硅三角晶格中，點(diǎn)缺陷和線缺陷結(jié)合的波長(zhǎng)分離/組合。文獻(xiàn) Wanwen Huang，Yao Zhang，and Baojun Li, "Ultracompactwavelength and polarization splitters in periodic dielectric waveguides，，，Opt. Express 16， 1600(2008)，用兩條平行的周期介質(zhì)圓柱的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)(偏振)分波/合波功能。然而，基于光子晶體的設(shè)備有一個(gè)內(nèi)在的劣勢(shì)，該裝置的結(jié)構(gòu)必須遵循光子晶體的晶格方向，而光子晶體的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此制作較困難。此外，基于光子晶體的設(shè)備需要寬大的光子晶體襯底(至少有數(shù)個(gè)晶格常數(shù))，在橫向尺度上通常是占有很大的空間。這些對(duì)于高度集成的光子集成電路來(lái)說(shuō)可能帶來(lái)不便。
此夕卜，文獻(xiàn) Daoxin Dai and John Ε. Bowers"Novel concept forultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires，，Optics Express, 19， 10940-10949(2011)，雖然也討論了 Si基納米線按偏振分波的定向耦合器，但是它們的整體結(jié)構(gòu)都是100 μ m左右，而且只能在偏振上進(jìn)行分波。綜上所述，現(xiàn)有的分波/合波器普遍存在制作困難、尺寸較大的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服 上述背景技術(shù)的不足，提供一種基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器及其制造方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，尺寸較小，透光率較高，能夠降低生產(chǎn)成本，能實(shí)現(xiàn)1. 31 μ m和1. 55 μ m光波長(zhǎng)的分離/合并功能，還能實(shí)現(xiàn)在1. 55 μ m波長(zhǎng)下的TE/TM偏振分離功能。本發(fā)明提供的基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器，包括兩根納米線波導(dǎo)， 所述兩根納米線波導(dǎo)平行布置，形成耦合區(qū)域，再經(jīng)過(guò)一定角度彎曲，形成兩個(gè)輸出通道， 所述納米線波導(dǎo)由與周圍介質(zhì)的折射率之差為1 2. 5的材料制成，納米線波導(dǎo)的寬度為 200 350納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為3 6. 5微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為250 600納米。在上述技術(shù)方案中，所述納米線波導(dǎo)為二氧化硅中的硅納米線波導(dǎo)、空氣中的磷化銦納米線波導(dǎo)、或者空氣中的鈮酸鋰納米線波導(dǎo)。在上述技術(shù)方案中，所述納米線波導(dǎo)為二氧化硅中的硅納米線波導(dǎo)，其寬度為233 納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為6微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為395 納米。在上述技術(shù)方案中，所述納米線波導(dǎo)為空氣中的磷化銦納米線波導(dǎo)，其寬度為228 納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為3微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為388 納米。在上述技術(shù)方案中，所述納米線波導(dǎo)為空氣中的鈮酸鋰納米線波導(dǎo)，其寬度為350 納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為5微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為560 納米。本發(fā)明提供的基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器的制造方法，包括以下步驟A、采用折射率之差為1 2. 5的兩種材料搭配制造納米線波導(dǎo)，所述納米線波導(dǎo)的寬度為200 350納米；B、將兩根納米線波導(dǎo)按照250 600納米的中心間距平行布置，形成 3 6. 5微米長(zhǎng)的耦合區(qū)域；C、將所述兩根納米線波導(dǎo)耦合區(qū)域以外的部分經(jīng)過(guò)一定角度彎曲，形成兩個(gè)輸出通道。在上述技術(shù)方案中，所述納米線波導(dǎo)為二氧化硅中的硅納米線波導(dǎo)、空氣中的磷化銦納米線波導(dǎo)、或者空氣中的鈮酸鋰納米線波導(dǎo)。在上述技術(shù)方案中，所述納米線波導(dǎo)為二氧化硅中的硅納米線波導(dǎo)，其寬度為233 納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為6微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為395 納米。在上述技術(shù)方案中，所述納米線波導(dǎo)為空氣中的磷化銦納米線波導(dǎo)，其寬度為228 納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為3微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為388納米。在上述技術(shù)方案中，所述納米線波導(dǎo)為空氣中的鈮酸鋰納米線波導(dǎo)，其寬度為350 納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為5微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為560 納米。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(1)本發(fā)明的耦合器能量透射率較高，尺寸較小，波導(dǎo)寬度和耦合區(qū)域的波導(dǎo)間隔都是納米量級(jí)。本發(fā)明以不同材料納米線波導(dǎo)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了在1.31微米和1.55微米波長(zhǎng)時(shí)，耦合長(zhǎng)度為3 6. 5 μ m，即可以實(shí)現(xiàn)分離/合波的功能，明顯小于參考文獻(xiàn)1、2中以光子晶體波導(dǎo)為基礎(chǔ)的結(jié)果耦合長(zhǎng)度為24 μ m、15 μ m。(2)本發(fā)明的耦合器是連續(xù)的線波導(dǎo)，比參考文獻(xiàn)6的介質(zhì)周期圓柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更易于實(shí)現(xiàn)。(3)現(xiàn)有的以光子晶體波導(dǎo)為基礎(chǔ)的波長(zhǎng)分離器，兩個(gè)平行波導(dǎo)間的距離被限制在晶格常數(shù)內(nèi)，而本發(fā)明中以納米線波導(dǎo)為基礎(chǔ)的定向耦合器，具有兩個(gè)平行波導(dǎo)的間距可以任意改變的優(yōu)點(diǎn)，這種靈活性可以更進(jìn)一步調(diào)整耦合長(zhǎng)度和改變相應(yīng)器件的波長(zhǎng)。(4)本發(fā)明選用的材料中，硅基與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝結(jié)合緊密，鈮酸鋰是光器件中常用的材料，以及InP基等材料組合，易于直接利用現(xiàn)代半導(dǎo)體制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠降低生產(chǎn)成本。(5)本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)光通信窗口波長(zhǎng)(1·31μπι和1·55μπι波長(zhǎng))的分離/合波功能，硅納米線定向耦合器還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)在1. 55 μ m波長(zhǎng)下，將兩種不同的偏振模式(TE和 TM)分離到不同的通道中。提高了該器件功能的多樣性，能夠在集成光學(xué)中得到應(yīng)用。而這個(gè)同時(shí)具有兩種分波功能的超緊湊器件，并未見(jiàn)報(bào)道。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例中二氧化硅中硅納米線定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例中單個(gè)硅波導(dǎo)的平面波展開(kāi)計(jì)算模型圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例中單個(gè)硅波導(dǎo)波矢與頻率的關(guān)系圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例中兩個(gè)平行硅波導(dǎo)平面波展開(kāi)計(jì)算模型圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例中兩個(gè)平行硅波導(dǎo)波矢與頻率的關(guān)系圖。圖6是1. 31微米和1. 55微米的信號(hào)波在耦合器中的場(chǎng)分布效果圖。圖7是1. 55微米的信號(hào)波經(jīng)過(guò)耦合器后的串?dāng)_結(jié)果。圖8是1. 31微米的信號(hào)波經(jīng)過(guò)耦合器后的串?dāng)_結(jié)果。圖9是TE和TM模式下兩個(gè)平行硅波導(dǎo)波矢與頻率的關(guān)系示意圖。圖10是不同偏振模式下1. 55微米的信號(hào)波在耦合器中的場(chǎng)分布效果圖。圖11是不同偏振模式下1. 55微米的信號(hào)波經(jīng)過(guò)耦合器后的串?dāng)_結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。參見(jiàn)圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器， 包括兩根納米線波導(dǎo)，兩根納米線波導(dǎo)平行布置，形成耦合區(qū)域，再經(jīng)過(guò)一定角度彎曲，形成兩個(gè)輸出通道，所述納米線波導(dǎo)由與周圍介質(zhì)的折射率之差為ι 2. 5的材料制成，納米線波導(dǎo)的寬度為200 350內(nèi)米，耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為3 6. 5微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為250 600內(nèi)米。納米線波導(dǎo)為二氧化硅中的硅(Si)納米線波導(dǎo)、空氣中的磷化銦(InP)納米線波導(dǎo)、或者空氣中的鈮酸鋰(LiNb03)納米線波導(dǎo)。其中， 二氧化硅的折射率為1. 44，硅的折射率為3. 42，二氧化硅與硅的折射率之差為1. 98 ；空氣的折射率為1，磷化銦(InP)的折射率為3. 15，鈮酸鋰(LiNb03)的折射率為2. 2，空氣與磷化銦(InP)的折射率之差為2. 15，空氣與鈮酸鋰(LiNb03)的折射率之差為1. 2。 具體的，參見(jiàn)表1所示，納米線波導(dǎo)為二氧化硅中的硅(Si)納米線波導(dǎo)時(shí)，其寬度為233納米，耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為6微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為 395內(nèi)米。納米線波導(dǎo)為空氣中的磷化銦(InP)納米線波導(dǎo)時(shí)，其寬度為228納米，耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為3微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為388納米。納米線波導(dǎo)為空氣中的鈮酸鋰(LiNb03)納米線波導(dǎo)時(shí)，其寬度為350納米，耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為5微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為560納米。表1、定向耦合器的參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器，包括兩根納米線波導(dǎo)，所述兩根納米線波導(dǎo)平行布置，形成耦合區(qū)域，再經(jīng)過(guò)一定角度彎曲，形成兩個(gè)輸出通道，其特征在于 所述納米線波導(dǎo)由與周圍介質(zhì)的折射率之差為1 2. 5的材料制成，納米線波導(dǎo)的寬度為 200 350納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為3 6. 5微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為250 600納米。
2.如權(quán)利要求1所述的基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器，其特征在于所述納米線波導(dǎo)為二氧化硅中的硅納米線波導(dǎo)、空氣中的磷化銦納米線波導(dǎo)、或者空氣中的鈮酸鋰納米線波導(dǎo)。
3.如權(quán)利要求2所述的基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器，其特征在于所述納米線波導(dǎo)為二氧化硅中的硅納米線波導(dǎo)，其寬度為233納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為6微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為395納米。
4.如權(quán)利要求2所述的基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器，其特征在于所述納米線波導(dǎo)為空氣中的磷化銦納米線波導(dǎo)，其寬度為228納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為3微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為388納米。
5.如權(quán)利要求2所述的基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器，其特征在于所述納米線波導(dǎo)為空氣中的鈮酸鋰納米線波導(dǎo)，其寬度為350納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為5微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為560納米。
6.基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器的制造方法，其特征在于包括以下步驟A、采用折射率之差為1 2.5的兩種材料搭配制造納米線波導(dǎo)，所述納米線波導(dǎo)的寬度為200 350納米；B、將兩根納米線波導(dǎo)按照250 600納米的中心間距平行布置，形成3 6.5微米長(zhǎng)的耦合區(qū)域；C、將所述兩根納米線波導(dǎo)耦合區(qū)域以外的部分經(jīng)過(guò)一定角度彎曲，形成兩個(gè)輸出通道。
7.如權(quán)利要求6所述的基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器的制造方法，其特征在于所述納米線波導(dǎo)為二氧化硅中的硅納米線波導(dǎo)、空氣中的磷化銦納米線波導(dǎo)、或者空氣中的鈮酸鋰納米線波導(dǎo)。
8.如權(quán)利要求7所述的基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器的制造方法，其特征在于所述納米線波導(dǎo)為二氧化硅中的硅納米線波導(dǎo)，其寬度為233納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為6微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為395納米。
9.如權(quán)利要求7所述的基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器的制造方法，其特征在于所述納米線波導(dǎo)為空氣中的磷化銦納米線波導(dǎo)，其寬度為228納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為3微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為388納米。
10.如權(quán)利要求7所述的基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器的制造方法，其特征在于所述納米線波導(dǎo)為空氣中的鈮酸鋰納米線波導(dǎo)，其寬度為350納米，所述耦合區(qū)域的長(zhǎng)度為5微米，耦合區(qū)域中平行布置的納米線波導(dǎo)的中心間距為560納米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于納米線波導(dǎo)的波長(zhǎng)和偏振定向耦合器及其制造方法，方法包括步驟采用折射率之差為1～2.5的兩種材料搭配制造納米線波導(dǎo)，納米線波導(dǎo)的寬度為200～350納米；將兩根納米線波導(dǎo)按照250～600納米的中心間距平行布置，形成3～6.5微米長(zhǎng)的耦合區(qū)域；將兩根納米線波導(dǎo)耦合區(qū)域以外的部分經(jīng)過(guò)一定角度彎曲，形成兩個(gè)輸出通道。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，尺寸較小，透光率較高，能夠降低生產(chǎn)成本，能實(shí)現(xiàn)1.31μm和1.55μm光波長(zhǎng)的分離/合并功能，還能實(shí)現(xiàn)在1.55μm波長(zhǎng)下的TE/TM偏振分離功能。
文檔編號(hào)G02B6/122GK102354022SQ20111033234
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者劉子晨, 楊鑄, 謝德權(quán), 邱英 申請(qǐng)人:武漢郵電科學(xué)研究院