[实用新型]金属‑类光子晶体混合波导耦合器

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学和微波技术领域，具体涉及一种金属-类光子晶体混合波导耦合器。

背景技术

光波导定向耦合器是光波导体系中的基础器件，具有光功率分配的功能，广泛运用在光分路器、光开关、波长选择滤波器、光调制器等中。近几年来，随着耦合器加工工艺水平的提高，定向耦合器逐渐成为集成光波导系统和通信系统中不可缺少的元件，定向耦合器对波长较为敏感,器件的带宽一般仅为10nm左右。相邻波导的最小间距限制了集成光学芯片的信道数。为获得较小尺寸的器件,通常采用强限制的波导结构,然而较小的模场直径降低了与光纤的耦合效率。目前波导耦合器主要有基于全介质光波导耦合器、基于光子晶体波导耦合器和基于表面等离子体激元(surface plasmon polaritons，SPPs)的金属波导耦合器，但由于全介质光波导和光子晶体波导相邻波导的横向间距较大，并且不具备亚波长模场束缚能力和趋肤效应，使得光子晶体波导耦合器具有较大的横向尺寸和不具备亚波长模场束缚能力。而金属-介质-金属波导(简称MDM波导或金属波导)则具有较大的传输损耗，不能实现较大的拐角，因此，其相应的波导耦合器无法实现在较大的拐角实现较低的传输损耗。目前应用普遍的这三种耦合器均不适用于大规模高密度集成，而近年提出的一种混合波导——金属-类光子晶体混合波导，结合了光子晶体和金属波导的优势，具有极低传输损耗特性、亚波长模场束缚能力、毫米级别传输的特点，打破了现今普遍存在的芯片级长程传输距离和亚波长模场束缚能力的相互制约，其结构如图1。但目前有关该混合波导的研究还不多，主要停留在对直型、弯曲型两类简单波导的结构传输特性、波导滤波器及其单波长开关的研究上,国内外尚无基于金属-类光子晶体混合波导耦合器的报道，因此开展金属-类光子晶体混合波导耦合器的研究具有重要的理论价值和实用价值。结合混合波导的特性，混合波导耦合器将兼具光子晶体波导耦合器和金属波导耦合器的优点，具有较高的集成度，亚波长模场束缚能力，大拐角低损耗的特点，实现光的有效耦合。

混合波导的结构如图1所示，将两列Z向上周期性分布的空气孔内嵌到MDM波导的硅芯层，或是用两列金属Ag壁代替光子晶体波导中横向延伸的三角或矩形晶格，仅仅保留线缺陷两旁的单列空气孔。这种设计可以使周期性空气孔和金属壁“协同”导光。其中具体参数有：d₁＝1.04um，d₂＝100nm，d₃＝745nm，Period＝430nm，R＝130nm，ε_a＝1和ε_s＝12.25。金属材料为Ag，基质为Si。

对于该波导，当入射光为TE模式，基于全内反射条件形成的导模将激发基模传输，模场被紧紧地束缚在两列周期性空气孔之间，同时金属-介质-金属(简称MDM)结构可以提供较强的模场束缚能力。这些属性使得波导具有亚波长模场束缚能力和毫米级长程传输能力。金属还具有趋肤效应，能够有效地阻挡相邻集成波导之间的耦合，从而减小波导芯-芯间距，增大片上集成度，但如何实现两列波导之间的有效耦合也成为金属-类光子晶体混合波导耦合器设计的难点。

实用新型内容

因此，本实用新型提供一种新金属-类光子晶体混合波导耦合器，为实现高密度长距离低损耗的大规模光子集成回路中的高效分光和耦合功能，提供全新的技术解决方案。

本实用新型采用如下技术方案解决上述问题：

一种金属-类光子晶体混合波导耦合器，包括基质和设在基质两侧的第一金属片，在基质上表面和下表面分别设置有第一波导和第二波导，以及分别设置在第一波导两侧的第二输出端和第三输出端，分别设置在第二波导两侧的第一输入端和第四输出端；

第一波导和第二波导去掉了中间的金属材料和空气孔，且第一波导和第二波导相互向中间靠近，靠近后的重合区域形成耦合宽度为1282-1300nm的耦合区；第一波导、第二波导相邻的空气孔半径从两侧端部到中心逐渐缩小；

第一金属片的厚度不变，第一波导、第二波导与第一金属片内壁表面接触的空气孔半径不变。

进一步地，所述第一波导和第二波导相邻。

进一步地，所述第一波导和所述第二波导的相邻区域设有第二金属片；第二金属片的厚度从左右两侧向中部逐渐缩小，第一波导、第二波导相邻的空气孔与第二金属片侧壁表面接触，空气孔中心与第二金属片侧壁表面距离保持不变。