基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器，该功率分配器从下至上依次为硅基衬底(8)、掩埋氧化层(9)、硅波导层(11)和上包层(10)，硅波导层(11)由右路直通通道(2)、中路直通通道(3)和左路直通通道(4)构成对称三波导定向耦合器结构(7)，对称三波导定向耦合器结构(7)的一侧设置有输入通道(1)，另一侧设置有右输出通道(5)和左输出通道(6)，且各个通道表面均附有亚波长光栅结构；定向耦合器结构(7)将输入的不同偏振光进行3dB功率分配。该功率分配器有效降低了现有功率分配器的插入损耗和反射损耗，改善了器件的功分比，缩短了器件的尺寸。

Polarization independent power divider based on symmetric three waveguides and subwavelength structure

【技术实现步骤摘要】
基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器
本专利技术涉及一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器，属于集成光学

技术介绍
光子集成电路(PIC)通过提供低成本的光互连的解决方案和较高的传输速率，被认为下一代光网络中发展光学计算和高宽带互连的良好选择。近几年，为实现光子集成电路，绝缘硅片(SOI)材料系以其与COMS兼容的制备工艺、高折射率对比度、低损耗的纳米线波导和器件占用空间小等优点，引起了人们的广泛关注，并在许多光学领域得到了实际的应用。而功率分配器是模多路复用器、光相控阵和光开关等复杂光学器件的重要组成元件。由于芯层与包层之间的折射率对比度高，对于极化特性不同的横向电场模(TE)和横向磁场模(TM)，基于SOI平台的功率分配器具有很强的双折射特性；从而使得大部分基于SOI的功率分配器普遍具有偏振敏感性，这将对PIC的性能产生负面影响。传统的偏振无关的功率分配器，通过引入较厚的硅波导层，较宽的波导间隙，弯曲波导或者较低的波导宽度来实现TE和TM模式的耦合长度相等；但同时会带来更高的设计复杂度和功率分配比(SR)，也会使得插入损耗与反射损耗更高。近年来，亚波长光栅(SWG)结构由于多种有效的衍射抑制能力和指数处理能力，倍受研究学者关注；为光学器件设计提供一个新的自由度。因此，设计出一种具有紧凑结构、低插入损耗、工作带宽大且功分比均匀的功分器是实现下一代PIC的必然要求。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器，该功分器采用右路直通通道、中路直通通道和左路直通通道构成的对称三波导定向耦合器结构，将输入的不同偏振光TE(TM)进行功率3dB分配，使其耦合至输出通道波导中；该方案有效降低了功分器的插入损耗，改善了器件的功分比，缩短了器件的尺寸。技术方案：本专利技术提供了一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器，该功率分配器采用绝缘硅片平台制造，功率分配器最底层为硅基衬底，硅基衬底上表面为掩埋氧化层，在掩埋氧化层上表面分布有硅波导层，硅波导层覆盖有上包层，其中：硅波导层包括输入通道、右路直通通道、中路直通通道、左路直通通道、右输出通道和左输出通道，且所有通道的材质均为硅波导；右路直通通道、中路直通通道和左路直通通道平行且对齐布置，构成对称三波导定向耦合器结构，且左路直通通道与右路直通通道宽度保持一致；对称三波导定向耦合器结构的一侧设置有输入通道，且输入通道与中路直通通道的一端相连接；对称三波导定向耦合器结构的另一侧设置有右输出通道和左输出通道，右输出通道与右路直通通道的一端相连接，左输出通道与左路直通通道的一端相连接，且右输出通道的右侧面与右路直通通道的右侧面对齐，左输出通道左侧面与左路直通通道左侧面对齐；对称三波导定向耦合器结构中右路直通通道的左侧面、左路直通通道的右侧面、中路直通通道的左右两侧面均附有亚波长光栅结构；输入通道的两侧附有锥形亚波长光栅结构组成过渡结构，且过渡结构中锥形亚波长光栅结构和输入通道的宽度之和与中路直通通道和其左右附有的亚波长光栅结构的宽度之和相等；右输出通道的左侧面和左输出通道的右侧面附有锥形亚波长光栅结构，且右输出通道和其左侧面上的锥形亚波长光栅宽度之和与右路直通通道和其左侧面上的亚波长光栅结构宽度之和相等，左输出通道和其右侧面上的锥形亚波长光栅宽度之和与左路直通通道和其右侧面上的亚波长光栅结构宽度之和相等；所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构均由高折射材料层和低折射率材料层交替组成；其中一个高折射率材料层与一个低折射率材料层构成一个周期，若高折射率材料沿通道方向的长度为a，两者组成的周期为∧，则占空比定义为f＝a/∧，所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构具有相同的周期与占空比。其中：所述的右路直通通道与其左侧面的亚波长光栅结构的宽度之和、左路直通通道与其右侧面的亚波长光栅结构的宽度之和均为490nm～500nm，其中右路直通通道左侧面上的亚波长光栅结构和左路直通通道右侧面上亚波长光栅结构的宽度均为200nm～250nm、周期均为200nm～240nm、占空比均为45％～50％；中路直通通道与其左右两侧面上的亚波长光栅结构的宽度之和为510nm～570nm，其中左右两侧面的亚波长光栅结构的宽度分别为130nm～160nm、周期为200nm～240nm、占空比为45％～50％。中路直通通道的宽度与输入通道和中路直通通道的接触端的宽度相同，为245～255nm；右路直通通道的宽度与输出通道和右路直通通道的接触端的宽度相同，为250nm～300nm；左路直通通道的宽度与输出通道和左路直通通道的接触端的宽度相同，为250nm～300nm；右路直通通道的宽度与左路直通通道的宽度保持相同。所述的输入通道的宽度从与中路直通通道接触端至远端由245～255nm过渡至490nm～500nm，且其宽度与左右两侧附有的过渡结构中锥形亚波长光栅结构宽度之和为510nm～570nm，光栅的周期为200nm～240nm、占空比为45％～50％。所述的右输出通道(和其左侧面上的锥形亚波长光栅结构宽度之和、左输出通道和其右侧面上的锥形亚波长光栅结构宽度之和均为490nm～500nm，其中右输出通道和左输出通道从与称定向耦合器结构接触端至远端由250nm～300nm过渡至490nm～500nm，其表面附有的锥形亚波长光栅结构的周期为200nm～240nm，其宽度在3μm～4μm内从与称定向耦合器结构接触端至远端由200nm～250nm线性过渡至50nm～70nm、占空比为45％～50％。所述的右路直通通道、中路直通通道和左路直通通道平行且对齐布置中，中路直通通道和其左右两侧面上的亚波长光栅组成的结构分别与右路直通通道和其左侧面的亚波长光栅组成的结构、左路直通通道和其右侧面的亚波长光栅组成的结构之间的间距相等，均为为100～150nm。所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构具有统一周期与占空比。所述的高折射率材料层的材料为硅，低折射率材料层的材料为二氧化硅。所述的右路直通通道、中路直通通道和左路直通通道的尺寸满足以下条件：1)右路直通通道和左路直通通道所支持的TE和TM模式的有效折射率相等；2)中路直通通道与分布在两侧的右路直通通道和左路直通通道所支持的TE模有效折射率相差小于0.1，相位匹配；3)中路直通通道与分布在两侧的右路直通通道和左路直通通道所支持的TM模有效折射率相差小于0.1，相位匹配；4)对称三波导定向耦合器结构所支持的最低阶偶模TE0和TE2的有效折射率差与其所支持TM0和TM2的有效折射率差相等。所述的对称三波导定向耦合器结构的耦合长度LC满足下式：式中：λ为工作波长，表示对称三波导定向耦合器结构所支持的第0阶TM或者TE模的有效折射率，表示对称三波导定向耦合器结构所支持的第2阶TM或者TE模的有效折射率。所述的硅基衬底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器，其特征在于：该功率分配器采用绝缘硅片平台制造，功率分配器最底层为硅基衬底(8)，硅基衬底(8)上表面为掩埋氧化层(9)，在掩埋氧化层(9)上表面分布有硅波导层(11)，硅波导层(11)覆盖有上包层(10)，其中：/n硅波导层(11)包括输入通道(1)、右路直通通道(2)、中路直通通道(3)、左路直通通道(4)、右输出通道(5)和左输出通道(6)，且所有通道的材质均为硅波导；/n右路直通通道(2)、中路直通通道(3)和左路直通通道(4)平行且对齐布置，构成对称三波导定向耦合器结构(7)，且左路直通通道(4)与右路直通通道(2)宽度保持一致；/n对称三波导定向耦合器结构(7)的一侧设置有输入通道(1)，且输入通道(1)与中路直通通道(3)的一端相连接；/n对称三波导定向耦合器结构(7)的另一侧设置有右输出通道(5)和左输出通道(6)，右输出通道(5)与右路直通通道(2)的一端相连接，左输出通道(6)与左路直通通道(4)的一端相连接，且右输出通道(5)的右侧面与右路直通通道(2)的右侧面对齐，左输出通道(6)左侧面与左路直通通道(4)左侧面对齐；/n对称三波导定向耦合器结构(7)中右路直通通道(2)的左侧面、左路直通通道(4)的右侧面、中路直通通道(3)的左右两侧面均附有亚波长光栅结构；/n输入通道(1)的左右两侧附有锥形亚波长光栅结构组成过渡结构，且过渡结构中锥形亚波长光栅结构和输入通道(1)的宽度之和与中路直通通道(3)和其左右附有的亚波长光栅结构的宽度之和相等；/n右输出通道(5)的左侧面和左输出通道(6)的右侧面附有锥形亚波长光栅结构，且右输出通道(5)和其左侧面上的锥形亚波长光栅宽度之和与右路直通通道(2)和其左侧面上的亚波长光栅结构宽度之和相等，左输出通道(6)和其右侧面上的锥形亚波长光栅宽度之和与左路直通通道(4)和其右侧面上的亚波长光栅结构宽度之和相等；/n所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构均由高折射材料层和低折射率材料层交替组成；其中一个高折射率材料层与一个低折射率材料层构成一个周期，若高折射率材料沿通道方向的长度为a，两者组成的周期为∧，则占空比定义为f＝a/∧，所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构具有相同的周期与占空比。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器，其特征在于：该功率分配器采用绝缘硅片平台制造，功率分配器最底层为硅基衬底(8)，硅基衬底(8)上表面为掩埋氧化层(9)，在掩埋氧化层(9)上表面分布有硅波导层(11)，硅波导层(11)覆盖有上包层(10)，其中：
硅波导层(11)包括输入通道(1)、右路直通通道(2)、中路直通通道(3)、左路直通通道(4)、右输出通道(5)和左输出通道(6)，且所有通道的材质均为硅波导；
右路直通通道(2)、中路直通通道(3)和左路直通通道(4)平行且对齐布置，构成对称三波导定向耦合器结构(7)，且左路直通通道(4)与右路直通通道(2)宽度保持一致；
对称三波导定向耦合器结构(7)的一侧设置有输入通道(1)，且输入通道(1)与中路直通通道(3)的一端相连接；
对称三波导定向耦合器结构(7)的另一侧设置有右输出通道(5)和左输出通道(6)，右输出通道(5)与右路直通通道(2)的一端相连接，左输出通道(6)与左路直通通道(4)的一端相连接，且右输出通道(5)的右侧面与右路直通通道(2)的右侧面对齐，左输出通道(6)左侧面与左路直通通道(4)左侧面对齐；
对称三波导定向耦合器结构(7)中右路直通通道(2)的左侧面、左路直通通道(4)的右侧面、中路直通通道(3)的左右两侧面均附有亚波长光栅结构；
输入通道(1)的左右两侧附有锥形亚波长光栅结构组成过渡结构，且过渡结构中锥形亚波长光栅结构和输入通道(1)的宽度之和与中路直通通道(3)和其左右附有的亚波长光栅结构的宽度之和相等；
右输出通道(5)的左侧面和左输出通道(6)的右侧面附有锥形亚波长光栅结构，且右输出通道(5)和其左侧面上的锥形亚波长光栅宽度之和与右路直通通道(2)和其左侧面上的亚波长光栅结构宽度之和相等，左输出通道(6)和其右侧面上的锥形亚波长光栅宽度之和与左路直通通道(4)和其右侧面上的亚波长光栅结构宽度之和相等；
所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构均由高折射材料层和低折射率材料层交替组成；其中一个高折射率材料层与一个低折射率材料层构成一个周期，若高折射率材料沿通道方向的长度为a，两者组成的周期为∧，则占空比定义为f＝a/∧，所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构具有相同的周期与占空比。


2.如权利要求1所述的一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器，其特征在于：所述的右路直通通道(2)与其左侧面的亚波长光栅结构的宽度之和、左路直通通道(4)与其右侧面的亚波长光栅结构的宽度之和均为490nm～500nm，其中右路直通通道(2)左侧面上的亚波长光栅结构和左路直通通道(4)右侧面上亚波长光栅结构的宽度均为200nm～250nm、周期均为200nm～240nm、占空比均为45％～50％；中路直通通道(3)与其左右两侧面上的亚波长光栅结构的宽度之和为510nm～570nm，其中左右两侧面的亚波长光栅结构的宽度分别为130nm～160nm、周期为200nm～240nm、占空比为45％～50％。


3.如权利要求1所述的一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器，其特征在于：中路直通通道(3)的宽度与输入通道(1)和中路直通通道(3)的接触端的宽度相同，为245～255nm；右路直通通道(2)的宽度与输出通道(5)和右路直通通道(2)的接触端的宽度相同，为250nm～300nm；左路直通通道(4)的宽度与输出通道(6)和左路直通通道...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖金标，杨楠，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32