一種基于模式演變原理的硅基納米線偏振分束器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于模式演變原理的硅基納米線偏振分束器。
【背景技術(shù)】
[0002]基于絕緣體上娃(Silicon-on-1nsulator, SOI)材料平臺的娃光子集成回路技術(shù)近年來受到了研究人員的廣泛關(guān)注。借助SOI材料的高折射率差和CMOS兼容性，眾多緊湊型光子器件及系統(tǒng)可以被低成本批量化的制造，但是SOI材料固有的高折射率差特性將不可避免的引入強烈的偏振相關(guān)性，這極大地限制了它在片上光通信中的應(yīng)用。為此，高效的片上偏振分集方案被提出，而偏振分束器和旋轉(zhuǎn)器是其中兩類重要的部件。目前，研究人員已經(jīng)提出了多種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來設(shè)計和制造緊湊型、高性能的偏振分束器，包括:定向耦合器、多模干涉耦合器、馬赫-曾德爾干涉儀、光子晶體及陣列波導(dǎo)光柵等。其中，基于模式耦合原理的定向耦合器因其結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，成為設(shè)計偏振分束器的首選結(jié)構(gòu)，但是為保證定向耦合器的高效工作，需要滿足精確的相位匹配條件，相應(yīng)的對波導(dǎo)的尺寸有嚴(yán)格的要求，這對器件的制造提出了較高的精度要求；同時器件的工作帶寬也有限。為此，模式演變原理被提出用于設(shè)計偏振分束器，但是所獲得的器件長度較長(比基于模式耦合原理的結(jié)構(gòu)長了一個量級左右)，所以需要在保證較大工作帶寬的基礎(chǔ)上采用新的結(jié)構(gòu)以有效降低它的器件長度。
[0003]最近，隨著一種新穎的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一混合等離子體波導(dǎo)的提出，利用它優(yōu)于硅基納米線的強偏振相關(guān)性，可以設(shè)計出結(jié)構(gòu)更加緊湊的光子器件。混合等離子體波導(dǎo)是在普通硅基納米線上依次沉積一層薄的低折射率材料，如S12，及一層金屬材料所構(gòu)成，使得它所能承載的模式介于介質(zhì)波導(dǎo)和金屬等離子體波導(dǎo)之間，即同時具有介質(zhì)波導(dǎo)的低損耗特性和金屬等離子體波導(dǎo)的強偏振相關(guān)性。據(jù)此，憑借混合等離子體波導(dǎo)的優(yōu)異性能及模式演變型結(jié)構(gòu)的大帶寬、大制造公差等優(yōu)點，考慮設(shè)計一種具有尺寸小、工作帶寬大、偏振分束效率高的基于模式演變原理的硅基納米線偏振分束器顯得很重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題:為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于模式演變原理的硅基納米線偏振分束器，利用兩個垂直和水平混合等離子體波導(dǎo)構(gòu)建模式演變區(qū)，具有偏振分束效率高，工作帶寬大，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明的一種基于模式演變原理的硅基納米線偏振分束器包括輸入波導(dǎo)、錐形過渡波導(dǎo)、垂直混合等離子體波導(dǎo)、水平混合等離子體波導(dǎo)、第一 S彎型波導(dǎo)、第二S彎型波導(dǎo)、第一輸出波導(dǎo)、第二輸出波導(dǎo)；其中垂直混合等離子體波導(dǎo)和水平混合等離子體波導(dǎo)分別位于錐形過渡波導(dǎo)的兩側(cè)，并且與錐形過渡波導(dǎo)的間距保持一致；在錐形過渡波導(dǎo)的下端連接有輸入波導(dǎo)，垂直混合等離子體波導(dǎo)的上端連接第一 S彎型波導(dǎo)，在第一S彎型波導(dǎo)的上端連接第一輸出波導(dǎo)；在水平混合等離子體波導(dǎo)的上端連接第二 S彎型波導(dǎo)，在第二 S彎型波導(dǎo)的上端連接第二輸出波導(dǎo)。
[0006]垂直混合等離子體波導(dǎo)和水平混合等離子體波導(dǎo)中靠近錐形過渡波導(dǎo)的一側(cè)采用錐形過渡結(jié)構(gòu)，另一側(cè)為普通的線性結(jié)構(gòu)，并且錐形過渡波導(dǎo)、垂直混合等離子體波導(dǎo)和水平混合等離子體波導(dǎo)的尖端最小寬度保持為80nm?120nm。
[0007]垂直混合等離子體波導(dǎo)中第一介質(zhì)波導(dǎo)與金屬層的間距為40nm?60nm，水平混合等離子體波導(dǎo)中的第二介質(zhì)波導(dǎo)與金屬覆蓋層的間距為20nm?30nm。
[0008]輸入的橫電模信號從與水平混合等離子體波導(dǎo)相連的第二 S彎型波導(dǎo)及第二輸出波導(dǎo)進行輸出，輸入的橫磁模信號從與垂直混合等離子體波導(dǎo)相連的第一 S彎型波導(dǎo)及第一輸出波導(dǎo)進行輸出。
[0009]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:
[0010]1、偏振分束效率高、工作帶寬大。與常規(guī)硅基納米線設(shè)計的偏振分束器相比，本發(fā)明采用偏振相關(guān)性更強的混合等離子體波導(dǎo)，使得在模式演變區(qū)，輸入的不同偏振態(tài)信號與相應(yīng)的兩個垂直和水平混合等離子體波導(dǎo)間的耦合更易發(fā)生，并且在輸出端的串?dāng)_更低(由于模式間存在著較大差異)。此外，由于耦合區(qū)采用模式演變型結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得該器件對波導(dǎo)尺寸的變化不敏感，且工作帶寬較大。
[0011]2、耦合長度相對較短。相比于硅基納米線，由于模式演變區(qū)采用了兩個垂直和水平混合等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的混合模式的有效折射率差較大，使得耦合長度降低，利于實現(xiàn)器件的緊湊型設(shè)計和密集集成。
[0012]3、制造方便。在模式演變區(qū)，本發(fā)明采用了錐形過渡波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得模式在不同波導(dǎo)間更易于耦合，同時錐形波導(dǎo)尖端的最小寬度保持為SOnm?120nm，這將放寬對器件的制造要求。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明中模式演變區(qū)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面圖；
[0015]圖中有:輸入波導(dǎo)1、錐形過渡波導(dǎo)2、垂直混合等離子體波導(dǎo)3、水平混合等離子體波導(dǎo)4、第一 S彎型波導(dǎo)5、第二 S彎型波導(dǎo)6、第一輸出波導(dǎo)7、第二輸出波導(dǎo)8、第一介質(zhì)波導(dǎo)31、金屬層32、第二介質(zhì)波導(dǎo)41、金屬覆蓋層42、襯底9、包層10。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明的一種基于模式演變原理的硅基納米線偏振分束器包括輸入波導(dǎo)1、錐形過渡波導(dǎo)2、垂直混合等離子體波導(dǎo)3、水平混合等離子體波導(dǎo)4、第一 S彎型波導(dǎo)5、第二 S彎型波導(dǎo)6、第一輸出波導(dǎo)7、第二輸出波導(dǎo)8 ;其中垂直混合等離子體波導(dǎo)3和水平混合等離子體波導(dǎo)4分別位于錐形過渡波導(dǎo)2的兩側(cè)，并且與錐形過渡波導(dǎo)2的間距保持一致；在錐形過渡波導(dǎo)2的下端連接有輸入波導(dǎo)1，垂直混合等離子體波導(dǎo)3的上端連接第一 S彎型波導(dǎo)5，在第