一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，由单个的4×4多模干涉耦合器（MMI）构成。混合等离子激元波导结构由介质波导层，在介质波导层之上的狭缝介质夹层和在狭缝介质夹层之上的金属层构成。当光进入混合等离子激元波导后，由于混合等离子激元波导的特殊结构可以激发混合等离子激元模式并将该模式很好地限制在狭缝介质夹层内传播，所以可以大大缩小相同光程下光的传播距离，因而大大缩小器件的尺寸。因此，与传统的介质波导混频器相比较，本发明专利技术将混频器的尺寸从毫米量级减至微米量级，为高度集成的光子器件提供了新的结构方案，并对光子器件的进一步集成化有着深远的影响。

A 90 degree optical mixer based on hybrid plasmon waveguide structure

The invention discloses a 90 degree optical mixer based on a hybrid plasmon waveguide structure, which is composed of a single 4 *4 multimode interference coupler (MMI). The hybrid plasmon waveguide structure consists of a dielectric waveguide layer, a slit dielectric layer above the dielectric waveguide layer and a metal layer above the slit dielectric layer. When the hybrid plasma waveguide is entered, the hybrid plasma waveguide can be excited by the special structure of the hybrid plasma waveguide and the mode is limited to the interlayer of the slit medium, so it can greatly reduce the propagation distance of the light in the same optical path, thus greatly reducing the size of the device. Therefore, compared with the traditional dielectric waveguide mixer, the mixer reduces the size of the mixer from millimeter to the micron magnitude, and provides a new structural scheme for highly integrated photonic devices, and has a far-reaching impact on the further integration of the photonic devices.

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器
本专利技术涉及光学混频技术，尤其涉及一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器。
技术介绍
相干光通信是一种重要的现代通信方式，其中相干光接收机是相干光通信系统最重要的设备。在相干光接收机中，接收到的相干光信号与本地振荡器产生的光信号进行混频再输出到光电二极管进行差分处理。其中，光学混频器是相干光接收机最重要的组件之一。当前，集成化地实现光学混频器的主要选择是多模干涉耦合器(MMI)，传统光学混频器的结构通常由一个4×4MMI或四个2×2MMI构成，但传统的MMI都是基于介质光波导的，其器件尺寸在百微米量级，不易于进一步提升芯片的集成度。基于混合等离子激元来实现光波导器件可以提高光学芯片的集成度，特别是基于混合等离子激元的MMI，在与介质波导相同的波导宽度下，能容纳更多的光波导模式。换而言之，当需要容纳相同数目的光波导模式时，基于混合等离子激元的MMI的波导宽度更小。所以，尽管混合等离子激元波导的传输损耗较大，但基于此的MMI器件尺寸会大大小于基于介质波导的MMI，从而提高相干光接收机的集成度，为实现高度集成的相干光接收机提供了新的方案。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提高光学混频器的集成度，从而提高相干光接收机的集成度。为实现上述目的，提出一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器。本专利技术为解决上述技术问题而采用以下技术方案：一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，包括：四个依次排列设置的输入波导，四个依次排列设置的输出波导，一个多模波导；其中，所述四个输入波导分别与所述多模波导相连并分布在它的同一侧；所述四个输出波导分别与所述多模波导相连并分布在与输入波导的相对侧；所述多模波导，从下至上依次由衬底层，介质波导层，狭缝介质夹层与金属层叠加而成；混频器工作时，混合等离子激元基模模式的两个光信号分别由第一、第三输入波导进入多模波导，或由第二、第四输入波导进入多模波导，然后经过一定的多模波导长度，在四个不同输出端口形成相应的自映像并混频，再由相应输出波导输出。进一步的，本专利技术提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，第一输入波导和第一输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的1/8处，第二输入波导和第二输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的3/8处，第三输入波导和第三输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的5/8处，第四输入波导和第四输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的7/8处。进一步的，本专利技术提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，输入、输出波导的实际位置是通过调整所述输入、输出波导与所述多模波导的相对位置，直到符合混合等离子激元波导光学混频器的相位特性得到。进一步的，本专利技术提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，所述金属层的材料为Au，所述狭缝介质夹层的材料为SiO2，所述介质波导层的材料为Si。进一步的，本专利技术提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，所述金属层和所述狭缝介质夹层厚度均为100nm，所述介质波导层厚度为250nm，所述第一、第三输入波导以及所述四个输出波导的宽度均为0.2μm，所述多模波导的宽度为3.23μm。进一步的，本专利技术提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，所述第一输入波导及所述第一输出波导与其所述理论位置的偏移量均为60nm，所述第三输入波导及所述第二输出波导与其所述理论位置的偏移量均为30nm，所述第三输出波导与其所述理论位置的偏移量为-30nm，所述第四输出波导与其所述理论位置的偏移量为-60nm。进一步的，本专利技术提出的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，所述一定的多模波导长度为17.5μm。本专利技术采用以上技术方案，与现有技术相比具有以下技术效果：在本专利技术提出的光混频器中，混合等离子激元模式的光被很好地限制在波导结构的狭缝介质夹层，因此不仅减少了金属带来的传输损耗，也由此减小了相同光程下光传播的距离，从而将光混频器的器件尺寸从传统介质结构的百微米量级缩减至混合等离子激元结构的十微米量级。附图说明图1是混合等离子极化激元波导的横截面结构；图2是所述混频器结构俯视图；图3为本专利技术所述MMI结构在实施例中所涉及的输入、输出波导位置示意图；图4为本专利技术实例中，当两个混合等离子激元基模的光分别从输入波导10、11输入到多模波导时，各多模波导输出端口传输率T随着两个输入光信号之间相位差的关系；图5为本专利技术实例中，当两个分别从输入波导10、11输入的混合等离子激元基模的输入光信号之间的相位差为π/4，3π/4，5π/4和7π/4时在MMI中的光功率分布。具体实施方式下面结合附图对该专利技术的技术方案做进一步详细说明。本
技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本专利技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。在基于混合等离子激元波导结构的光混频器中，其输入及输出光是在波导狭缝介质夹层传输的混合等离子激元光波导基模模式。当混合等离子激元基模模式的输入光进入该混频器的多模波导后，在波导的狭缝介质夹层激发多个混合等离子激元模式，在经过一定的多模波导长度后通过自映像效应在输出端口输出。而当两个混合等离子激元基模模式的光输入至多模波导，其经过一定的多模波导长度后相应的自成像可以在多模波导的不同输出端口混频。该混合等离子激元波导结构的横截面图如图1所示，其中1为金属层，2为狭缝介质夹层，3为介质波导层，4为空气包层，5为衬底层。金属层1为Au，其厚度为100nm；狭缝介质夹层2为SiO2，其厚度为100nm；介质波导层3为Si，其厚度为250nm。图2是所述混频器结构俯视图，其中10、30、11、31分别为四个输入波导，12为多模波导，20、21、22、23分别为四个输出波导。输入波导10、30、11、31以及输出波导20、21、22、23的宽度均为0.2μm。混频器工作时，混合等离子激元基模模式的两个光信号分别由输入波导10、11进入多模波导，然后经过一定的多模波导长度，在四个不同输出端口形成相应的自映像并混频，再由相应输出波导输出。此外，也可选取30、31为输入波导，这样的输入波导设计也可实现混频，且在4个输出波导中输出90°相位关系的光信号，只是输出信号的绝对相位关系会有所改变。在本实施例中，混合等离子激元基模模式的光由输入波导10、11进入该混频器的多模波导12，各自激发多阶的混合等离子激元模式；这些模式在多模波导12经过一定的波导长度传输后，通过干涉成像分别在输出波导20、21、22、23输出各自的自成像；这两个输入光在每个输出波导中的自成像之间具备一定的相位差，而这4个相位差之间具备固有的90°相位关系(SeimetzM,WeinertCM.Options,feasibility,andavailabilityof2×490hybridsforcoherentopticalsystems[J].J.Ligh本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，其特征在于，包括：四个依次排列设置的输入波导，四个依次排列设置的输出波导，一个多模波导；其中，所述四个输入波导分别与所述多模波导相连并分布在它的同一侧；所述四个输出波导分别与所述多模波导相连并分布在与输入波导的相对侧；所述多模波导，从下至上依次由衬底层，介质波导层，狭缝介质夹层与金属层叠加而成；混频器工作时，混合等离子激元基模模式的两个光信号分别由第一、第三输入波导进入多模波导，或由第二、第四输入波导进入多模波导，然后经过一定的多模波导长度，在四个不同输出端口形成相应的自映像并混频，再由相应输出波导输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，其特征在于，包括：四个依次排列设置的输入波导，四个依次排列设置的输出波导，一个多模波导；其中，所述四个输入波导分别与所述多模波导相连并分布在它的同一侧；所述四个输出波导分别与所述多模波导相连并分布在与输入波导的相对侧；所述多模波导，从下至上依次由衬底层，介质波导层，狭缝介质夹层与金属层叠加而成；混频器工作时，混合等离子激元基模模式的两个光信号分别由第一、第三输入波导进入多模波导，或由第二、第四输入波导进入多模波导，然后经过一定的多模波导长度，在四个不同输出端口形成相应的自映像并混频，再由相应输出波导输出。2.如权利要求1所述的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，其特征在于，第一输入波导和第一输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的1/8处，第二输入波导和第二输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的3/8处，第三输入波导和第三输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的5/8处，第四输入波导和第四输出波导的理论位置在所述多模波导宽度的7/8处。3.如权利要求2所述的一种基于混合等离子激元波导结构的90°光学混频器，其特征在于，输入、输出波导...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑾，翟雨萌，祁优，张云超，陆云清，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32