本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了一種基于復(fù)合波導(dǎo)的橫向電場通過的偏振器。

背景技術(shù)：

隨著長距離全光網(wǎng)絡(luò)的引入，光通信系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。硅基組件對入射光的偏振的高敏感度吸引著人們設(shè)計(jì)出高效緊湊的偏振控制組件，包括偏振器，偏振分束器，偏振旋轉(zhuǎn)器。在這些偏振控制組件中，偏振器可以用于抑制不需要的偏振態(tài)的通過，因此在解決很多光學(xué)系統(tǒng)的偏振依賴問題中扮演者一個不可分割的部分。

為了實(shí)現(xiàn)芯片上的應(yīng)用，偏振器必須實(shí)現(xiàn)超小的封裝、高消光比和低損耗。很多te-pass和橫向磁場通過(tm-pass)的偏振器已經(jīng)在理論上提出或在實(shí)驗(yàn)上證明了。通過選擇特殊的波導(dǎo)尺寸使得其中一個偏振模式截止可以實(shí)現(xiàn)簡單的偏振器，但是這種設(shè)計(jì)中，輻射光會反射回來，從而降低光學(xué)芯片的信噪比。

混合等離激元波導(dǎo)由低折射率的的間隔層將金屬表面與高折射率層分離開，其可以把能量高度集中在低折射率層。基于混合等離激元波導(dǎo)，人們設(shè)計(jì)了很多偏振器?；诨旌系入x激元波導(dǎo)的偏振器可以減小器件長度，然而金屬的存在會帶來額外的傳輸損耗，并且為了降低其器件的傳輸損耗，消光比也會因而受到影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種基于復(fù)合波導(dǎo)的橫向電場通過的偏振器，具有尺寸小、消光比高、插入損耗低的優(yōu)勢，本偏振器集成于絕緣硅片(soi)上，屬于te-pass的偏振器。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)以及在入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)之間的中間耦合部分，所述中間耦合部分是置于soi襯底上的五層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，五層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)從下至上依次是下硅層、下二氧化硅層、上硅層、上二氧化硅層和金屬鉻(cr)層。

本發(fā)明只需在普通波導(dǎo)上增設(shè)上硅層、上二氧化硅層和金屬鉻層即能制作出所述偏振器。

從入射硅波導(dǎo)傳輸過來的tm模經(jīng)過所述中間耦合部分時從下二氧化硅層耦合到上二氧化硅層并被金屬鉻層吸收衰減，從入射硅波導(dǎo)傳輸過來的te模經(jīng)過所述中間耦合部分時沿下二氧化硅層傳輸不會耦合到上二氧化硅層。

所述中間耦合部分的上二氧化硅層、上硅層和金屬鉻層的寬度相同，寬度使得從入射硅波導(dǎo)傳輸過來的tm模進(jìn)入到中間耦合部分后在混合等離激元波導(dǎo)模式截止，從入射硅波導(dǎo)傳輸過來的te模不受影響。具體實(shí)施可以為200nm。

所述中間耦合部分的下硅層的寬度和高度與入射硅波導(dǎo)的硅層的寬度和高度對應(yīng)相同。

所述中間耦合部分的下二氧化硅層的寬度和高度與入射硅波導(dǎo)的硅層的寬度和高度對應(yīng)相同。

所述中間耦合部分的下硅層寬度和下二氧化硅層寬度相同。

所述的下二氧化硅層和上二氧化硅層替換為三氧化二鋁層。

所述的中間耦合部分和入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)直接相連。

所述中間耦合部分中的下硅層和下二氧化硅層與入射硅波導(dǎo)或者出射硅波導(dǎo)連接。

具體實(shí)施的上二氧化硅層厚度為10nm到50nm。

具體實(shí)施的上硅層厚度根據(jù)入射硅波導(dǎo)尺寸調(diào)整，具體為150nm到400nm。

根據(jù)非正交的耦合模式理論，如圖3所示，本發(fā)明的中間耦合部分看成混合等離激元波導(dǎo)和垂直狹縫波導(dǎo)的組合。如圖3左下側(cè)的垂直狹縫硅波導(dǎo)由低折射率的二氧化硅(sio2)層將不同寬度的硅波導(dǎo)分隔開，根據(jù)狹縫波導(dǎo)理論，tm模會集中在垂直狹縫硅波導(dǎo)的二氧化硅層。如圖3右下側(cè)的混合等離激元波導(dǎo)的波導(dǎo)寬度即垂直狹縫硅波導(dǎo)的上層硅的寬度，由于鉻的強(qiáng)吸收性能，其被用于本結(jié)構(gòu)的金屬部分。

外部由tm和te混合的入射光通過偏振器后時，tm模會耦合到混合等離激元波導(dǎo)部分衰減，而te模則不會耦合并會沿著硅波導(dǎo)通過此偏振器，因此te?；静皇艿缴蠈咏饘俚挠绊憽Ｍㄟ^設(shè)計(jì)上硅層的高度，可以使得tm模最大程度耦合到混合等離激元波導(dǎo)并衰減，而te模則最大程度保持不變。通過設(shè)計(jì)中間耦合部分的長度，可以使得tm模的消光比達(dá)到30db以上，而te?；颈３植蛔?，最終實(shí)現(xiàn)偏振器功能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：

1、本發(fā)明是基于混合等離激元波導(dǎo)與介質(zhì)波導(dǎo)的耦合的一個亞波長的偏振器，tm模的損耗主要是基于混合等離激元波導(dǎo)的傳輸損耗，因而不會因?yàn)檩椛涔鈺瓷浠貋矶档凸鈱W(xué)芯片的信噪比。

2、本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，理論的整體尺寸最小能達(dá)到6.5微米，并且能在6.5微米的器件長度實(shí)現(xiàn)對tm模28db的消光比，并且對于te模的插入損耗也只有0.16db，易于高密度的光學(xué)集成

3、本發(fā)明可以適用于不同寬度的硅波導(dǎo)，無需在入射端與硅波導(dǎo)進(jìn)行耦合，能夠減小耦合損耗，易于光學(xué)集成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明偏振器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2(a)為中間耦合部分的剖面圖。

圖2(b)為入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)的剖面圖。

圖3為中間耦合部分由兩種波導(dǎo)混合構(gòu)成圖。

圖4(a)為仿真實(shí)施下tm模耦合成的tmeven和tmodd的傳輸損耗隨著上硅層厚度h1的改變曲線圖。

圖4(b)為仿真實(shí)施下tm模耦合成的tmeven和tmodd的能量耦合率隨著上硅層厚度h1的改變曲線圖。

圖4(c)為仿真實(shí)施下總的tm模傳輸損耗與te模傳輸損耗與上硅層厚度h1的關(guān)系圖。

圖中：1為soi襯底，2為下硅層，3為下二氧化硅層，4為上硅層，5為上二氧化硅層，6為金屬鉻層。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

如圖1和2所示，本發(fā)明具體實(shí)施參見如圖1，本實(shí)施例的te-pass的偏振器的三維原理圖，包括入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)以及在入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)之間的中間耦合部分。

如圖2(a)所示，中間耦合部分是置于soi襯底1上的五層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，五層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)從下至上依次是下硅層2、下二氧化硅層3、上硅層4、上二氧化硅層5和金屬鉻層6。其中上硅層4、上二氧化硅層5和金屬鉻層6的寬度一致，中間耦合部分的長度為l。

如圖2(b)所示，入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)均由置于soi襯底1上的下硅層2和下二氧化硅層3構(gòu)成。入射硅波導(dǎo)、出射硅波導(dǎo)和中間耦合部分采用同一塊soi襯底1，入射硅波導(dǎo)、出射硅波導(dǎo)和中間耦合部分的下硅層2連接，入射硅波導(dǎo)、出射硅波導(dǎo)和中間耦合部分的下二氧化硅層3連接。

具體實(shí)施中，中間耦合部分的下硅層2的寬度和高度與入射硅波導(dǎo)的硅層的寬度和高度對應(yīng)相同；中間耦合部分的下二氧化硅層3的寬度和高度與入射硅波導(dǎo)的硅層的寬度和高度對應(yīng)相同；中間耦合部分的下硅層2寬度和下二氧化硅層3寬度相同。

本發(fā)明te-pass的偏振器的工作原理如下：

如圖3所示，中間耦合部分被看作混合等離激元波導(dǎo)和垂直狹縫波導(dǎo)的兩個波導(dǎo)的混合，其中波導(dǎo)a是垂直結(jié)構(gòu)的狹縫波導(dǎo)，其上硅層的寬度小于下面硅層的寬度，當(dāng)上層si寬度足夠小，te模會在上層硅層截止，這時垂直狹縫波導(dǎo)的te模主要集中在下硅層，為了與cmos工藝兼容，設(shè)定上硅層的寬度為200nm。這時tm模主要集中在兩層si之間的二氧化硅層之中。波導(dǎo)b是混合等離激元波導(dǎo)，由于波導(dǎo)b的寬度為200nm，因此混合等離激元波導(dǎo)是te模截止的，其tm模集中在金屬cr和si之間的二氧化硅層之間。

根據(jù)非正交的耦合模理論，當(dāng)波導(dǎo)a和波導(dǎo)b耦合時，會在中間耦合部分形成奇次模和偶次模。其中兩種模式的模場分布可以由下面公式給出：

eeven＝a11(z)e`1+a12(z)e2

eodd＝a21(z)e`1+a22(z)e2

其中，eeven表示耦合結(jié)構(gòu)tm奇次模的電場，eodd表示耦合結(jié)構(gòu)tm偶次模的電場，e1與e2分別是波導(dǎo)a和波導(dǎo)b的tm模分布，aij分別表示相應(yīng)的模式振幅，即耦合結(jié)構(gòu)中tm的電場分布中波導(dǎo)a和波導(dǎo)b的tm的電場振幅，其中a11表示耦合結(jié)構(gòu)tm奇次模的電場分布中波導(dǎo)a的tm模電場振幅，a12表示耦合結(jié)構(gòu)tm奇次模的電場分布中波導(dǎo)b的tm模電場振幅，a21表示耦合結(jié)構(gòu)tm偶次模的電場分布中波導(dǎo)a的tm模電場振幅，a22表示耦合結(jié)構(gòu)tm偶次模的電場分布中波導(dǎo)b的tm模電場振幅，由公式可以看出中間耦合部分存在兩種tm模，即奇次模和偶次模，它們的模場主要集中在兩層二氧化硅層之中。

當(dāng)tm模從入射硅波導(dǎo)進(jìn)入中間耦合部分之后，tm模會耦合成tmeven和tmodd，tmeven和tmodd分別表示tm的奇次模和偶次模。當(dāng)中間耦合部分的尺寸改變，會導(dǎo)致這兩種模式的傳輸損耗和能量耦合率的改變，如圖4(a)和4(b)所示。當(dāng)實(shí)施例設(shè)置參數(shù)為下硅層寬度w1＝450nm，下硅層厚度h1＝250nm，下二氧化硅層厚度h2＝50nm，上二氧化硅層厚度h2＝20nm，金屬層厚度h3＝100nm，上硅層寬度w2＝200nm，通過改變h1來模擬傳輸損耗和能量耦合率的改變?？偟哪芰總鬏斅视上旅婀浇o出：

其中，表示tm?？偟哪芰總鬏斅剩莈ven表示tmeven的功率比率，表示tmeven的能量傳輸率，ηodd表示tmodd的功率比率，表示tmodd的能量傳輸率。

根據(jù)以上公式，得到tm總的傳輸損耗與上硅層4厚度h1的關(guān)系。如圖4(c)所示，為總的tm的傳輸損耗與te模的傳輸損耗與上硅層4厚度h1的關(guān)系。根據(jù)圖4(c)，選取使得總的tm傳輸損耗最大的上硅層4厚度h1的值為230nm。根據(jù)得到的參數(shù)，設(shè)計(jì)出最佳的器件。

使用三維時域有限差分對器件進(jìn)行仿真，可以得出當(dāng)實(shí)現(xiàn)tm模30db消光比時所需的中間耦合部分的長度。并進(jìn)而可以仿真得到te模的插入損耗。

當(dāng)不同規(guī)格的入射硅波導(dǎo)通入時，可以通過調(diào)整上二氧化硅層和上硅層的厚度來使得tm的傳輸損耗盡可能最大，而te模最大程度的保持不變。