本發(fā)明涉及一種基于對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)的te模檢偏器，屬于集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

最近，絕緣硅片(soi)材料系統(tǒng)因可作為集成光子回路(pics)制造平臺(tái)而廣受關(guān)注。但是soi材料中包層和芯層折射率差較大，易產(chǎn)生偏振相關(guān)的問題，包括偏振模色散、偏振相關(guān)增益等。一種簡單且有效的解決方法是利用模式檢偏器消除不需要的偏振光。一般地，模式檢偏器分兩種，te和tm檢偏器。其中，te檢偏器能通過te偏振光而阻斷tm偏振光。目前，基于不同原理、采用不同結(jié)構(gòu)的模式檢偏器被陸續(xù)報(bào)道出來。其中，基于混合等離子波導(dǎo)的檢偏器由于能將光限制在低于衍射極限的尺寸內(nèi)而呈現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性。但是，由于金屬材料的引入也帶來了較高的歐姆損耗，基于混合等離子波導(dǎo)單一結(jié)構(gòu)的模式檢偏器插入損耗普遍較高，不利于這種器件應(yīng)用到高性能的光子回路中。另外，為了降低歐姆損耗，一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的檢偏器被設(shè)計(jì)出來。這些結(jié)構(gòu)對(duì)器件制造提出了非常高的要求，不利于大規(guī)模的生產(chǎn)和成本的壓縮。因此，設(shè)計(jì)出一種具有緊湊結(jié)構(gòu)、高消光比、低插入損耗的檢偏器就很有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種基于對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)的te模檢偏器，該檢偏器利用中路硅基帶狀波導(dǎo)和左、右兩路混合等離子波導(dǎo)形成的對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)，可大大降低檢偏器的插入損耗，提高器件消光比，縮短器件的尺寸，降低器件的制造難度。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種基于對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)的te模檢偏器，該檢偏器由下至上依次為硅基襯底、掩埋氧化層、檢偏部件和上包層，其中掩埋氧化層生長于硅基襯底的上表面，上包層覆蓋掩埋氧化層的上表面，檢偏部件水平生長于掩埋氧化層的上表面，并被上包層覆蓋；

所述檢偏部件包括輸入通道、中路直通通道、左路直通通道、左路c型彎曲通道、右路直通通道、右路c型彎曲通道、輸出通道；

中路直通通道的一端和輸入通道相連、另一端和輸出通道相連接，構(gòu)成中路通道；

左路直通通道和左路c型彎曲通道連接，右路直通通道和右路c型彎曲通道連接；其中，輸出通道、左路c型彎曲通道、右路c型彎曲通道位于同一端；

左路直通通道和右路直通通道對(duì)稱分列于中路直通通道的兩側(cè)，且與中路直通通道對(duì)齊擺放，相鄰?fù)ǖ乐g的距離為0.05～0.25μm，構(gòu)成對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)；

輸入通道、中路直通通道和輸出通道均為硅基帶狀波導(dǎo)，左路直通通道、左路c型彎曲通道、右路直通通道和右路c型彎曲通道均為混合等離子波導(dǎo)。

其中：

所述的混合等離子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，其中底層是硅波導(dǎo)層，中間部分為低折射率材料層，上層是金屬覆蓋層。

所述的低折射率材料層的材料為二氧化硅或氮化硅材料，所述的金屬覆蓋層的金屬材料為介電常數(shù)虛部值大于40的高損耗金屬。

所述的高損耗金屬是指鉻、鋁、鋅。

所述的硅基帶狀波導(dǎo)與混合等離子波導(dǎo)兩者的尺寸滿足以下條件：

1)硅基帶狀波導(dǎo)與混合等離子波導(dǎo)的te模有效折射率實(shí)部相差大于0.2，相位失配；

2)硅基帶狀波導(dǎo)與混合等離子波導(dǎo)的tm模有效折射率實(shí)部相等，相位匹配。

所述的對(duì)稱的三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)的耦合長度lc滿足下式：

式中：λ為自由空間波長，為對(duì)稱三波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)所支持的第0階tm模的有效折射率，為對(duì)稱三波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)所支持的第2階tm模的有效折射率，re表示取實(shí)部值，m為一正奇數(shù)。

所述的硅基襯底為標(biāo)準(zhǔn)尺寸的硅晶元，所述的掩埋氧化層是在硅基襯底上熱生長的二氧化硅材料，所述的上包層的材料為二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或者空氣。

所述掩埋氧化層的厚度為2～3μm。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

1、插入損耗低：te模式進(jìn)入輸入通道后，由于硅基帶狀波導(dǎo)和混合等離子波導(dǎo)的te模式之間有效折射率實(shí)部相差大于0.2，相位匹配條件不能滿足，te模信號(hào)集中在中路硅基帶狀波導(dǎo)中傳輸，所以混合等離子波導(dǎo)中的歐姆損耗對(duì)te模的傳輸幾乎沒有影響，插入損耗得到極大的降低。

2、結(jié)構(gòu)緊湊：本發(fā)明中引入了混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的金屬覆蓋層大大提高了模式的雙折射效應(yīng)，縮短了對(duì)稱的三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)中tm模式的耦合距離。而且，本發(fā)明中采用了左右分列的混合等離子波導(dǎo)同時(shí)耗散tm模能量，理論上，能量耗盡所需的長度是同條件下采用單根混合等離子波導(dǎo)所需的長度的一半。另外，通過降低混合等離子波導(dǎo)和中路硅基帶狀波導(dǎo)間的間距、調(diào)整混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)更高的歐姆損耗均可以使檢偏器的尺寸進(jìn)一步的降低。

3、消光比高：te模式直接通過中路通道輸出，tm模式耦合到左右對(duì)稱的混合等離子波導(dǎo)中，利用歐姆損耗，使tm模式能量耗散。通過調(diào)整混合等離子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸以及增大彎曲波導(dǎo)的長度，可以提高波導(dǎo)對(duì)tm模式的歐姆損耗，而te模式并不受影響，所以，基于三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)的te模檢偏器可以實(shí)現(xiàn)很高的消光比。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中檢偏部件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中混合等離子波導(dǎo)在1.55μm工作波長處的te0模和tm0模的模場分布圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中混合等離子波導(dǎo)在不同低折射率材料層厚度下tm0傳輸損耗(db/μm)與波導(dǎo)寬度(μm)的變化關(guān)系圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中混合等離子波導(dǎo)在不同金屬覆蓋層厚度下tm0傳輸損耗(db/μm)與波導(dǎo)寬度(μm)的變化關(guān)系圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中對(duì)稱三波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)在1.55μm工作波長處tm超級(jí)模的有效折射率實(shí)部和對(duì)應(yīng)的耦合長度與波導(dǎo)間距之間的變化關(guān)系圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中te0模在對(duì)稱三波導(dǎo)耦合器中傳輸時(shí)ex分量的變化圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例1中tm0模在對(duì)稱三波導(dǎo)耦合器中傳輸時(shí)ey分量的變化圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例2改進(jìn)的檢偏部件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：輸入通道1、中路直通通道2、輸出通道3、左路直通通道4、左路c型彎曲通道5、右路直通通道6、右路c型彎曲通道7、對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器8、硅基襯底9、掩埋氧化層10、上包層11、低折射率材料層12、高金屬覆蓋層13、硅波導(dǎo)層14、檢偏部件15。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。

實(shí)施例1

如圖1和圖2所示，該檢偏器由下至上依次為硅基襯底9、掩埋氧化層10、檢偏部件15和上包層11，其中掩埋氧化層10生長于硅基襯底9的上表面，上包層11覆蓋掩埋氧化層10的上表面，檢偏部件15水平生長于掩埋氧化層10的上表面，并被上包層11覆蓋；

所述檢偏部件15包括輸入通道1、中路直通通道2、左路直通通道4、左路c型彎曲通道5、右路直通通道6、右路c型彎曲通道7、輸出通道3；

中路直通通道2的一端和輸入通道1相連、另一端和輸出通道3相連接，構(gòu)成中路通道；

左路直通通道4和左路c型彎曲通道5連接，右路直通通道6和右路c型彎曲通道7連接；其中，輸出通道3、左路c型彎曲通道5、右路c型彎曲通道7位于同一端；

左路直通通道4和右路直通通道6對(duì)稱分列于中路直通通道2的兩側(cè)，且與中路直通通道2對(duì)齊擺放，相鄰?fù)ǖ乐g的距離為0.05～0.25μm，構(gòu)成對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)8；

輸入通道1、中路直通通道2和輸出通道3均為硅基帶狀波導(dǎo)，左路直通通道4、左路c型彎曲通道5、右路直通通道6和右路c型彎曲通道7均為混合等離子波導(dǎo)。

所述的混合等離子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，其中底層是硅波導(dǎo)層14，中間部分為低折射率材料層12，上層是金屬覆蓋層13(見圖2)。

合理設(shè)計(jì)中路硅基帶狀波導(dǎo)和混合等離子波導(dǎo)的尺寸，使帶狀波導(dǎo)的tm模式折射率等于混合等離子波導(dǎo)的tm模有效折射率實(shí)部，而兩波導(dǎo)的te模式有效折射率實(shí)部相差大于0.2，即tm模滿足相位匹配條件，而te模相位失配。此時(shí)，當(dāng)te模式進(jìn)入輸入波導(dǎo)時(shí)，因相位失配，能量集中在中路通道中，最終從輸出波導(dǎo)輸出。te模式的傳輸被限制在硅波導(dǎo)中，幾乎沒有受到兩側(cè)混合等離子波導(dǎo)的影響，傳輸損耗非常小。而當(dāng)tm模式輸入到中間波導(dǎo)時(shí)，根據(jù)耦合模理論，若對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)8的耦合長度lc滿足：

那么，中路的tm模將會(huì)全部且均勻地耦合到左、右兩路通道中。(1)式中λ為自由空間波長，為對(duì)稱三波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)所支持的第0階tm模的有效折射率，為對(duì)稱三波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)所支持的第2階tm模的有效折射率，re表示取實(shí)部值，m為一正奇數(shù)。顯然，當(dāng)m＝1時(shí)，lc距離最短。耦合到左、右兩個(gè)通道并轉(zhuǎn)換成混合等離子波導(dǎo)的tm模隨著傳輸距離增加而衰減。顯然，此處選用高損耗的金屬如鉻、鋁、鋅作為金屬覆蓋層的材料能使傳輸損耗更大，可以有效降低器件長度，使結(jié)構(gòu)更緊湊。而引入彎曲波導(dǎo)是為了進(jìn)一步地?fù)p耗tm模能量，并且能有效阻止兩側(cè)的tm模再次耦合回中路通道中。

圖3給出了1.55μm處混合等離子波導(dǎo)的te0模和tm0模的模場分布圖。該波導(dǎo)的te0模與硅基帶狀波導(dǎo)中te0的模場分布類似，主要集中在硅波導(dǎo)14中；而tm0模式主要集中在低折射率材料12內(nèi)。由于低折射率材料上層覆蓋有金屬層13，導(dǎo)致混合等離子波導(dǎo)的tm0模式傳輸損耗遠(yuǎn)高于介質(zhì)波導(dǎo)中該模式的傳輸損耗。

圖4給出了在不同低折射率材料層12厚度下混合等離子波導(dǎo)中tm0模的傳輸損耗(db/μm)與波導(dǎo)寬度(μm)的變化關(guān)系圖。其中硅波導(dǎo)層14高度為0.34μm，低折射率材料層12的材料為二氧化硅，金屬覆蓋層13為鉻，厚度為0.1μm。從圖中可以看出，二氧化硅層越薄，波導(dǎo)寬度越窄，tm模式傳輸損耗越大，越有利于降低器件的長度。當(dāng)二氧化硅為0.03μm時(shí)，寬度為0.3μm，傳輸損耗大于6db/μm。

圖5給出了混合等離子波導(dǎo)在不同金屬覆蓋層厚度下tm0傳輸損耗(db/μm)與波導(dǎo)寬度(μm)的變化關(guān)系圖。其中硅波導(dǎo)層14高度為0.34μm，低折射率材料層12材料為二氧化硅，厚度為0.05μm，金屬覆蓋層13為鉻。當(dāng)二氧化硅層固定為0.05μm，鉻厚度為0.05μm時(shí)，傳輸損耗較大。

圖6給出了對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)8的tm超級(jí)模的有效折射率實(shí)部和對(duì)應(yīng)的耦合長度與波導(dǎo)間距之間的關(guān)系。其中，tm超級(jí)模是指由中路帶狀波導(dǎo)和左右兩路混合等離子波導(dǎo)構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)所支持的tm模式。這里，工作波長為1.55μm，硅波導(dǎo)層14高度為0.34μm，二氧化硅厚度0.05μm，鉻厚度0.1μm，硅基帶狀波導(dǎo)寬度0.464μm，混合等離子波導(dǎo)寬0.300μm。其中，tm1超級(jí)模能量沒有分布在帶狀波導(dǎo)中，故不參與到tm模的耦合中。所以，耦合長度僅與對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)8的tm0和tm2超級(jí)模有關(guān)。從圖中可知，當(dāng)混合等離子波導(dǎo)和中路帶狀波導(dǎo)間距小于0.15μm時(shí)，耦合長度小于10μm，可以實(shí)現(xiàn)緊湊的te模檢偏器。

圖7給出了te0模在對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)8中主分量ex的分布變化圖。其中，波導(dǎo)參數(shù)與圖6中相同，混合等離子波導(dǎo)與帶狀波導(dǎo)間距0.1μm，工作波長為1.55μm。可以看出，te0模式在傳輸過程中始終被限制在中間帶狀波導(dǎo)中，且?guī)缀鯖]有損耗。

圖8給出了第一個(gè)發(fā)明實(shí)例中tm0模在對(duì)稱三波導(dǎo)耦合器中主分量ey的分布變化圖。這里的結(jié)構(gòu)參數(shù)和模擬環(huán)境與圖7一致?？梢钥闯觯瑃m0模式進(jìn)入輸入波導(dǎo)后，會(huì)向左、右兩邊的混合等離子波導(dǎo)中均勻耦合，并最終完全耦合到兩邊波導(dǎo)中，而且耦合過程中能量損耗較大。由于彎曲波導(dǎo)的存在，tm0模式能進(jìn)一步的損耗，且難以耦合回中路波導(dǎo)中。另外，tm0模能量完全耦合到兩邊混合等離子波導(dǎo)中僅需要4.6μm，與圖6中理論的耦合長度相吻合，有利于實(shí)現(xiàn)尺寸很短的檢偏器。

實(shí)施例2

如圖9改進(jìn)的檢偏部件15的結(jié)構(gòu)示意圖所示(硅基襯底9、掩埋氧化層10和上包層11與實(shí)施例1完全相同)，該改進(jìn)的檢偏部件15包括輸入通道1、中路直通通道2、左路直通通道4、左路c型彎曲通道5、右路直通通道6、右路c型彎曲通道7、輸出通道3；

中路直通通道2的一端和輸入通道1相連、另一端和輸出通道3相連接，構(gòu)成中路通道；

左路直通通道4和左路c型彎曲通道5連接，右路直通通道6和右路c型彎曲通道7連接；其中，輸出通道3、左路c型彎曲通道5、右路c型彎曲通道7位于同一端；

左路直通通道4和右路直通通道6對(duì)稱分列于中路直通通道2的兩側(cè)，且與中路直通通道2對(duì)齊擺放，相鄰?fù)ǖ乐g的距離為0.05～0.25μm，構(gòu)成對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)8；

輸入通道1、中路直通通道2和輸出通道3均為硅基帶狀波導(dǎo)，左路直通通道4、左路c型彎曲通道5、右路直通通道6和右路c型彎曲通道7均為混合等離子波導(dǎo)。

所述的混合等離子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，其中底層是硅波導(dǎo)層14，中間部分為低折射率材料層12，上層是金屬覆蓋層13(見圖2)。

為了更進(jìn)一步地提高器件的性能，第二段對(duì)稱三波導(dǎo)定向耦合器結(jié)構(gòu)8被引入，參數(shù)與第一段完全相同；

這樣的設(shè)計(jì)能使從彎曲波導(dǎo)中耦合回中路的tm模以及本身中路通道殘留的tm模再次耦合到兩邊混合等離子波導(dǎo)中，有利于提高器件消光比。

以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。