[发明专利]一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器

说明书

本发明提出一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器，它包括由两根平行设置在衬底上的硅基纳米线构成的槽波导和上层条形波导；所述槽波导沿长度方向分为信号输入段、中间传输段和信号输出段，上层条形波导设置在中间传输段的正上方，与槽波导之间的高度间距为D；上层条形波导与中间传输段形成垂直耦合区；包含横磁模和横电模的输入信号从所述槽波导的信号输入段输入，在进入垂直耦合区后，输入的横磁模信号被耦合至上层条形波导并在输出端因光场衍射而损耗；输入的横电模信号直接在槽波导中传输并在信号输出段输出。本发明具有尺寸小、偏振消光比高、插入损耗低等优点。

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器。

背景技术

硅基光子学是一门新兴的学科，它在实现片上超紧凑光子集成回路方面具有巨大的应用潜力，并在不断促进光互连、光计算、量子光子学及非线性光子学等领域的快速发展。其中在实现片上超紧凑光子集成回路方面，由于采用高折射率差的绝缘体上硅(Silicon-on-insulator,SOI)材料平台，使得片上偏振控制器成为一类必不可少的功能部件。目前，比较成熟的片上偏振控制器包括偏振分束器、旋转器和起偏器。如果不考虑偏振复用传输，起偏器将是一种成本更低、尺寸更小、结构更简单的片上偏振控制器，它的功能主要是在输出端获得一个拥有高消光比和低插入损耗的线偏振光。为此，研究人员已经提出了众多的器件方案，例如：采用taper型过渡波导、浅刻蚀脊型波导、亚波长光栅、混合等离子波导和石墨烯材料等。它们的工作原理可以分为两种：模式衰减和模式截止，前者需要很长的器件长度以此来衰减不需要的偏振态模式，而后者可以获得较小的器件尺寸，但是器件的插入损耗较大，主要源于结构的不连续性，特别是采用混合等离子波导结构(金属材料引入的欧姆损耗很大)。所以，在实现超紧凑、高性能的起偏器方面，仍然需要探索新的结构及工作原理。

对于硅基光子学的器件制造工艺，目前发展迅速，已经不再局限于单一的平面工艺，正在向三维立体制造工艺演进，这主要得益于微电子CMOS工艺的成熟。基于此，器件的设计也可以向着厚度方向的第三个维度展开，对应于构建垂直耦合结构，这将利于实现硅光子器件的高密度三维集成。此外，目前起偏器的设计或者制造几乎都是围绕普通的硅基条形波导(或者纳米线)展开，最近一种新颖的波导结构—硅基槽波导被提出，因其具有较强的场增强效应和场局域特性，同时偏振相关性也特别显著，已受到研究人员的广泛关注。大量的应用器件被相继设计或者制造出来，但是关于偏振控制方面的起偏器却鲜见报道。据此，针对硅基槽波导，设计一种尺寸小、偏振消光比高、插入损耗低的起偏器显得十分重要，用于提高基于槽波导构建的片上光子集成回路器件/系统的整体性能。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，提供一种尺寸小、偏振消光比高、插入损耗低的起偏器，本发明提出一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：

一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器，包括由两根平行设置在衬底3上的硅基纳米线构成的槽波导1和上层条形波导2；所述槽波导1沿长度方向分为信号输入段、中间传输段和信号输出段，上层条形波导2设置在中间传输段的正上方，与槽波导1之间的高度间距为D；上层条形波导2的宽度大于槽波导1的宽度；上层条形波导2与中间传输段形成垂直耦合区；

包含横磁模和横电模的输入信号从所述槽波导1的信号输入段输入，在进入垂直耦合区后，输入的横磁模信号被耦合至上层条形波导2并在上层条形波导2的输出端因上层条形波导2与槽波导1的信号输出段之间的光场衍射而损耗；输入的横电模信号直接在槽波导1中传输并在信号输出段输出。

具体的，所述上层条形波导2为矩形波导，其长度为3μm～4μm，宽度为1μm～1.2μm，厚度为200nm；所述槽波导(1)宽度为500nm～550nm，厚度为250nm，中间微槽的宽度为70nm～100nm；上层条形波导2与槽波导1之间的高度间距D为250nm～280nm。