本發(fā)明屬于微納光電子、硅光子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種基于亞波長(zhǎng)光柵的定向耦合型tm起偏器及分束器。

背景技術(shù)：

silicononinsulator(絕緣襯底上硅)作為一種新型硅基集成電路和光電子材料，由于其較大的折射率差異，與cmos兼容的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。但其偏振敏感的特點(diǎn)使其應(yīng)用受到了較大的限制，因而如何研制出偏振控制器件是當(dāng)下微納光電子器件研究的重點(diǎn)。偏振分束器和起偏器是解決如何將兩種偏振態(tài)的光同時(shí)傳輸?shù)闹匾骷?，也是集成光路?yīng)用最廣泛的器件。集成電路的小型化要求減小器件的尺寸，但這會(huì)受到工藝的限制，所以以縮小器件尺寸提高集成度的方法遇到了制作工藝的瓶頸。運(yùn)用單一器件實(shí)現(xiàn)多種功能成為提高系統(tǒng)集成度的又一方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)方案是：解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，而提供一種基于亞波長(zhǎng)光柵的定向耦合型tm起偏器及分束器，運(yùn)用單一器件實(shí)現(xiàn)起偏器和分束器兩種功能，大大提高光電子器件的集成度，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于設(shè)計(jì)制造。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于亞波長(zhǎng)光柵的定向耦合型tm起偏器及分束器，在一個(gè)非對(duì)稱定向耦合器上引入亞波長(zhǎng)光柵，其中一根有亞波長(zhǎng)光柵的波導(dǎo)為通道一，另一根無(wú)亞波長(zhǎng)光柵的波導(dǎo)為通道二。當(dāng)光束從通道一入射時(shí)，te偏振態(tài)光被亞波長(zhǎng)光柵反射回來(lái)，tm偏振態(tài)光經(jīng)亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域耦合進(jìn)入通道二輸出，實(shí)現(xiàn)tm偏振起偏器；當(dāng)光束從通道二入射時(shí)，te偏振態(tài)光經(jīng)通道二傳輸輸出，而tm偏振態(tài)光經(jīng)亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域耦合進(jìn)入通道一輸出，實(shí)現(xiàn)te和tm偏振分束器。

上述技術(shù)方案中，橫電波即te偏振：s偏振態(tài)即垂直偏振態(tài)，電場(chǎng)指向x軸方向，電場(chǎng)所在平面與波傳播方向垂直。橫磁波即tm偏振：p偏振態(tài)即水平偏振態(tài)，磁場(chǎng)指向x軸方向，磁場(chǎng)所在平面與波傳播方向垂直。

上述技術(shù)方案中，所述的非對(duì)稱定向耦合器的通道一和通道二由兩根不對(duì)稱的波導(dǎo)組成，所述波導(dǎo)為絕緣襯底sio2底板上的si條，其中通道一為直線形波導(dǎo)，通道二的波導(dǎo)包括依次連接的輸入直線段、弧形過(guò)渡段、耦合直線段、弧形過(guò)渡段和輸出直線段；與通道二耦合直線段對(duì)應(yīng)平行的通道一耦合段波導(dǎo)上等距離刻有若干平行的矩形槽，形成亞波長(zhǎng)光柵，等距離刻有若干平行矩形槽的通道一耦合段與通道二的耦合直線段構(gòu)成亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域。

上述技術(shù)方案中，所述的通道一波導(dǎo)高220nm，寬480nm，耦合段長(zhǎng)10-20μm；耦合段等距離刻有的矩形槽高160-200nm，寬300-500nm，槽與槽間的距離為100-300nm，矩形槽與通道一波導(dǎo)垂直。

上述技術(shù)方案中，所述的通道二波導(dǎo)高220nm，寬500nm，耦合直線段長(zhǎng)10-20μm。

上述技術(shù)方案中，所述的通道二波導(dǎo)弧形過(guò)渡段的彎曲角為75-90°。

上述技術(shù)方案中，所述通道一耦合段和通道二耦合直線段之間的距離為100-200nm。

上述技術(shù)方案中，所述絕緣襯底sio2底板厚度為2μm。

上述技術(shù)方案中，所述通道一耦合段波導(dǎo)上等距離刻若干矩形槽，采用現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)腐蝕和光刻技術(shù)在soi頂硅上加工設(shè)計(jì)器件。所述soi基片包括sio2底板及sio2底板的硅。

本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)和顯著效果：

在光電技術(shù)領(lǐng)域越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)始集中在硅片上的納米尺寸集成光學(xué)、光電子器件，由于硅的折射率比二氧化硅的折射率高很多，并且具有與金屬氧化半導(dǎo)體cmos兼容的特性，因此絕緣襯底上的硅（soi）被用作制備這些微納器件。然而，由于硅和二氧化硅的折射率差異，soi材料所制備的光子器件大都是偏振敏感的，這就使得同一微納器件不能對(duì)不同的偏振態(tài)同時(shí)進(jìn)行操作。

起偏器，也可以稱為偏振濾波片，它可以制備線性的、高消光比以及大帶寬的線性偏振光，偏振分束器是另一種要求具有高消光比的偏振控制器件，這些器件都具有易于集成的特點(diǎn)。然而，大多數(shù)微納器件只有一個(gè)功能，因此制備出多種功能的微納器件比縮小器件尺寸增加工藝難度來(lái)提高系統(tǒng)的集成度更加行之有效，本發(fā)明所提出的新方案正是基于這一技術(shù)原理而設(shè)計(jì)的：在不對(duì)稱的定向耦合器中引入亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)tm型起偏器和偏振分束器。

本發(fā)明在soi芯片上設(shè)計(jì)了一個(gè)器件，它可以用作tm型偏振起偏器及偏振分束器。當(dāng)光從通道一入射時(shí)，該裝置可作為一個(gè)tm型起偏器，在中心波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，tm偏振態(tài)透過(guò)的效率可達(dá)到80%以上，在1500-1610nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，偏振消光比超過(guò)20db。當(dāng)我們選擇通道二channel2作為輸入端時(shí)，該器件可以看作為一個(gè)偏振分束器，在波長(zhǎng)為1570nm時(shí)，te偏振態(tài)和tm偏振態(tài)的消光比分別是29db和24db。te和tm的傳輸效率分別超過(guò)95%和78%。該結(jié)果為我們實(shí)現(xiàn)不同耦合效率比提供了一種新方法，即在光子學(xué)集成回路上引入亞波長(zhǎng)光柵。

技術(shù)原理：tm型起偏器主要利用光柵的布拉格反射，te經(jīng)過(guò)光柵時(shí)被反射，tm由于位相匹配由波導(dǎo)一耦合進(jìn)波導(dǎo)二輸出。當(dāng)光從波導(dǎo)二入射時(shí)，te偏振位相不匹配不發(fā)生耦合，tm由波導(dǎo)二與波導(dǎo)一光柵區(qū)域的位相匹配耦合進(jìn)波導(dǎo)一，實(shí)現(xiàn)te和tm偏振分束。

顯著效果：

當(dāng)本發(fā)明器件作為tm型起偏器時(shí)，tm偏振透過(guò)的光超過(guò)80%，在110nm的波長(zhǎng)（從1500nm到1610nm）帶寬范圍內(nèi)消光比超過(guò)20db。作為偏振分束器時(shí)，在波長(zhǎng)為1570nm范圍內(nèi)其te偏振態(tài)和tm偏振態(tài)的消光比分別為29db和24db；te和tm的傳輸能量超過(guò)95%和78%。

附圖說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明tm型偏振起偏器及偏振分束器結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1中通道一耦合段亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域a剖面示意圖；

圖3為本發(fā)明tm型偏振起偏器模擬結(jié)果中tm偏振態(tài)模擬圖；

圖4為本發(fā)明tm型偏振起偏器模擬結(jié)果中te偏振態(tài)模擬圖；

圖5為本發(fā)明偏振分束器模擬結(jié)果中tm偏振態(tài)模擬圖；

圖6為本發(fā)明偏振分束器模擬結(jié)果中te偏振態(tài)模擬圖；

圖中t為光柵周期，h為光柵高度，h為波導(dǎo)高度，ch1為通道一，ch2為通道二。

具體實(shí)施方式：

參見(jiàn)圖1~圖5，本發(fā)明的一種基于亞波長(zhǎng)光柵的定向耦合型tm起偏器及分束器，在一個(gè)非對(duì)稱定向耦合器上引入亞波長(zhǎng)光柵，其中一根有亞波長(zhǎng)光柵的波導(dǎo)為通道一，另一根無(wú)亞波長(zhǎng)光柵的波導(dǎo)為通道二。當(dāng)光束從通道一入射時(shí)，te偏振態(tài)光被亞波長(zhǎng)光柵反射回來(lái)，tm偏振態(tài)光經(jīng)亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域耦合進(jìn)入通道二輸出，實(shí)現(xiàn)tm偏振起偏器；當(dāng)光束從通道二入射時(shí)，te偏振態(tài)光經(jīng)通道二傳輸輸出，而tm偏振態(tài)光經(jīng)亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域耦合進(jìn)入通道一輸出，實(shí)現(xiàn)te和tm偏振分束器。

所述橫電波即te偏振：s偏振態(tài)即垂直偏振態(tài)，電場(chǎng)指向x軸方向，電場(chǎng)所在平面與波傳播方向垂直。橫磁波即tm偏振：p偏振態(tài)即水平偏振態(tài)，磁場(chǎng)指向x軸方向，磁場(chǎng)所在平面與波傳播方向垂直。

所述的非對(duì)稱定向耦合器的通道一和通道二由兩根不對(duì)稱的波導(dǎo)組成，所述波導(dǎo)為絕緣襯底sio2底板上的si條，其中通道一為直線形波導(dǎo)，通道二的波導(dǎo)包括依次連接的輸入直線段、弧形過(guò)渡段、耦合直線段、弧形過(guò)渡段和輸出直線段；與通道二耦合直線段對(duì)應(yīng)平行的通道一耦合段波導(dǎo)上等距離刻有若干平行的矩形槽，形成亞波長(zhǎng)光柵，等距離刻有若干平行矩形槽的通道一耦合段與通道二的耦合直線段構(gòu)成亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域。

所述的通道一波導(dǎo)高220nm，寬480nm，耦合段長(zhǎng)10-20μm；耦合段等距離刻有的矩形槽高160-200nm，寬300-500nm，槽與槽間的距離為100-300nm，矩形槽與通道一波導(dǎo)條垂直。本實(shí)施例通道一波導(dǎo)高220nm，寬480nm，耦合段長(zhǎng)10-20μm；耦合段等距離刻有的矩形槽高分別為160nm、180nm、200nm，矩形槽寬分別為300nm、423nm、500nm，矩形槽與矩形槽間距離分別為100nm、200nm、300nm。

所述的通道二波導(dǎo)高220nm，寬500nm，耦合直線段長(zhǎng)10-20μm。

所述的通道二波導(dǎo)弧形過(guò)渡段的彎曲角為75-90°。

所述通道一耦合段和通道二耦合直線段之間的距離為100-200nm。

所述絕緣襯底sio2底板厚度為2um。

所述通道一耦合段波導(dǎo)上等距離刻若干矩形槽，采用現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)腐蝕方法和光刻技術(shù)在soi頂硅上加工設(shè)計(jì)器件，所述soi基片包括sio2底板及sio2底板的硅。

圖1為tm型偏振起偏器及偏振分束器結(jié)構(gòu)圖。我們將引入亞波長(zhǎng)光柵的波導(dǎo)定義為通道一即圖中的ch1，則另一根為通道二ch2。當(dāng)te偏振態(tài)和tm偏振態(tài)的光從ch1入射時(shí)，te偏振光被光柵反射，tm由于位相匹配，由ch1耦合進(jìn)ch2繼續(xù)傳輸。當(dāng)te和tm偏振態(tài)同時(shí)從ch2入射，te沿著ch2傳輸，tm在光柵區(qū)域由于兩個(gè)波導(dǎo)的位相匹配耦合進(jìn)ch1，實(shí)現(xiàn)偏振分束。

圖中亞波長(zhǎng)光柵的各部分參數(shù)如下：

光柵周期t：500-720nm；

光柵脊款：190-260nm；

周期個(gè)數(shù)：15-20；

光柵高度h：160-200nm；

通道一寬度：500nm；

通道二寬度：480nm。