[发明专利]一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及了一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器。

背景技术

随着长距离全光网络的引入，光通信系统变得越来越复杂。硅基组件对入射光的偏振的高敏感度吸引着人们设计出高效紧凑的偏振控制组件，包括偏振器，偏振分束器，偏振旋转器。在这些偏振控制组件中，偏振器可以用于抑制不需要的偏振态的通过，因此在解决很多光学系统的偏振依赖问题中扮演者一个不可分割的部分。

为了实现芯片上的应用，偏振器必须实现超小的封装、高消光比和低损耗。很多TE-pass和横向磁场通过(TM-pass)的偏振器已经在理论上提出或在实验上证明了。通过选择特殊的波导尺寸使得其中一个偏振模式截止可以实现简单的偏振器，但是这种设计中，辐射光会反射回来，从而降低光学芯片的信噪比。

混合等离激元波导由低折射率的的间隔层将金属表面与高折射率层分离开，其可以把能量高度集中在低折射率层。基于混合等离激元波导，人们设计了很多偏振器。基于混合等离激元波导的偏振器可以减小器件长度，然而金属的存在会带来额外的传输损耗，并且为了降低其器件的传输损耗，消光比也会因而受到影响。

发明内容

为克服上述现有技术所述的缺陷和不足，本发明提供了一种基于复合波导的横向电场通过的偏振器，具有尺寸小、消光比高、插入损耗低的优势，本偏振器集成于绝缘硅片(SOI)上，属于TE-pass的偏振器。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括入射硅波导和出射硅波导以及在入射硅波导和出射硅波导之间的中间耦合部分，所述中间耦合部分是置于SOI衬底上的五层波导结构，五层波导结构从下至上依次是下硅层、下二氧化硅层、上硅层、上二氧化硅层和金属铬(Cr)层。

本发明只需在普通波导上增设上硅层、上二氧化硅层和金属铬层即能制作出所述偏振器。

从入射硅波导传输过来的TM模经过所述中间耦合部分时从下二氧化硅层耦合到上二氧化硅层并被金属铬层吸收衰减，从入射硅波导传输过来的TE模经过所述中间耦合部分时沿下二氧化硅层传输不会耦合到上二氧化硅层。

所述中间耦合部分的上二氧化硅层、上硅层和金属铬层的宽度相同，宽度使得从入射硅波导传输过来的TM模进入到中间耦合部分后在混合等离激元波导模式截止，从入射硅波导传输过来的TE模不受影响。具体实施可以为200nm。

所述中间耦合部分的下硅层的宽度和高度与入射硅波导的硅层的宽度和高度对应相同。

所述中间耦合部分的下二氧化硅层的宽度和高度与入射硅波导的硅层的宽度和高度对应相同。

所述中间耦合部分的下硅层宽度和下二氧化硅层宽度相同。

所述的下二氧化硅层和上二氧化硅层替换为三氧化二铝层。

所述的中间耦合部分和入射硅波导和出射硅波导直接相连。

所述中间耦合部分中的下硅层和下二氧化硅层与入射硅波导或者出射硅波导连接。

具体实施的上二氧化硅层厚度为10nm到50nm。

具体实施的上硅层厚度根据入射硅波导尺寸调整，具体为150nm到400nm。

根据非正交的耦合模式理论，如图3所示，本发明的中间耦合部分看成混合等离激元波导和垂直狭缝波导的组合。如图3左下侧的垂直狭缝硅波导由低折射率的二氧化硅(SiO₂)层将不同宽度的硅波导分隔开，根据狭缝波导理论，TM模会集中在垂直狭缝硅波导的二氧化硅层。如图3右下侧的混合等离激元波导的波导宽度即垂直狭缝硅波导的上层硅的宽度，由于铬的强吸收性能，其被用于本结构的金属部分。

外部由TM和TE混合的入射光通过偏振器后时，TM模会耦合到混合等离激元波导部分衰减，而TE模则不会耦合并会沿着硅波导通过此偏振器，因此TE模基本不受到上层金属的影响。通过设计上硅层的高度，可以使得TM模最大程度耦合到混合等离激元波导并衰减，而TE模则最大程度保持不变。通过设计中间耦合部分的长度，可以使得TM模的消光比达到30dB以上，而TE模基本保持不变，最终实现偏振器功能。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明是基于混合等离激元波导与介质波导的耦合的一个亚波长的偏振器，TM模的损耗主要是基于混合等离激元波导的传输损耗，因而不会因为辐射光会反射回来而降低光学芯片的信噪比。