[发明专利]一种片上集成型偏振分束器及其偏振分束方法

说明书

本发明提出一种片上集成型偏振分束器及其偏振分束方法，包括混合等离子波导，位于混合等离子波导同一侧、依次串联且厚度相同的耦合波导、S弯型波导和输出硅波导；混合等离子波导从上至下分为金属覆盖层、上二氧化硅层、氮化硅波导层、下二氧化硅层和硅波导层；耦合波导、S弯型波导和输出硅波导的厚度与硅波导层的厚度相同；耦合波导为硅波导。包含有横电模和横磁模的输入信号在进入耦合区后，横电模光信号将被耦合至taper型耦合波导，进而通过S弯型波导及输出硅波导进行输出，而横磁模光信号将直接沿着混合等离子波导传输并直接输出，不发生波导耦合。本发明具有尺寸小、结构紧凑、偏振消光比高、插入损耗低、工作带宽较大等优点。

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种片上集成型偏振分束器及其偏振分束方法。

背景技术

近年来，光子集成回路技术受到了研究人员的广泛关注，其中最为重要的材料平台是基于高折射率差波导结构的绝缘体上硅(Silicon-on-insulator,SOI)。然而高折射率差的结构将会给器件和系统带来强烈的偏振敏感性，特别是当光信号从光纤耦合至波导芯片时，由于光纤中的偏振态是随机变化的，将使偏振问题变得尤为突出。目前，在片上主要采用偏振分集方案来解决高折射率差波导的偏振敏感性问题以实现偏振透明传输，其中偏振分束器和偏振旋转器是其中的必备部件。偏振分束器主要用于将输入的横电模(TE)和横磁模(TM)分离至不同的输出波导，为此众多的器件结构已经被报道可用于实现片上的偏振分束，包括采用非对称定向耦合器、多模干涉耦合器、马赫-曾德尔干涉仪、光子晶体、光栅等等，然而这些结构还存在一些的问题，如器件耦合长度较长、偏振消光比较低、工作带宽窄和制造复杂等等。所以，作为一种重要的偏振控制器件仍然值得研究，以找寻新的方法或者器件工作原理来实现超紧凑、高性能的片上集成型偏振分束器。

随着金属材料被引入到介质波导的设计中，等离子波导(尤其是混合等离子波导)结构被提出，使得偏振分束器的尺寸有了很大的缩小，但因金属材料较大的吸收损耗使得器件的插入损耗较高。值得注意的是：等离子波导的光场局限性、器件尺寸和损耗是一对矛盾，即光场局限性越强，器件尺寸越小、但损耗越大。另外，对于氮化硅材料，其制作工艺与CMOS工艺高度兼容，且热稳定性比硅更好，近来也被广泛应用于光子集成回路器件的设计。但因其较低的折射率(约为2.0)，使得光信号模场的局限性较低，导致需要较大的波导尺寸来承载光信号模式。若能将等离子波导结构和低折射率的氮化硅材料进行合理的优化设计，可以使得器件同时具备较小的尺寸和较低的插入损耗。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，提供一种使得器件同时具备较小的尺寸和较低的插入损耗的偏振分束器，本发明提出一种片上集成型偏振分束器及其偏振分束方法。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：

一种片上集成型偏振分束器，它包括：衬底5，衬底5上设置有混合等离子波导1，厚度相同的耦合波导2、S弯型波导3和输出硅波导4；耦合波导2、S弯型波导3和输出硅波导4依次串联并位于混合等离子波导1的同一侧；混合等离子波导1从上至下分为金属覆盖层1-5、上二氧化硅层1-4、氮化硅波导层1-3、下二氧化硅层1-2和硅波导层1-1；耦合波导2、S弯型波导3和输出硅波导4的厚度与硅波导层1-1的厚度相同；耦合波导2为硅波导。

进一步的，所述耦合波导2为taper型耦合波导；taper型耦合波导与混合等离子波导1平行设置，taper型耦合波导的宽度沿taper型耦合波导的输入端至输出端方向由小到大递增；S弯型波导3和输出硅波导4均为等宽条状波导，S弯型波导3和输出硅波导4的宽度均与taper型耦合波导输出端的宽度相等。