一种基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器，由下至上依次为硅基衬底、掩埋氧化层、功分部件和上包层，其中掩埋氧化层生长于硅基衬底的上表面，上包层覆盖掩埋氧化层的上表面，光功分部件水平生长于掩埋氧化层的上表面，并被上包层覆盖。本发明专利技术能够大大降低光功分器的插入损耗，提高器件消光比，缩短器件的尺寸，降低器件的制造难度。

An optical power divider with transverse magnetic mode cut-off and transverse electric mode sharing based on three coupled waveguides

【技术实现步骤摘要】
一种基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器
本专利技术涉及集成光学
，尤其是一种基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器。
技术介绍
近年来，绝缘硅片(SOI)材料系统因可作为集成光子回路(PICs)制造平台而广受关注。在PIC中，光功分器是实现通道间功率分配的关键器件，但是SOI材料中包层和芯层折射率差较大，易产生偏振相关的问题，包括偏振模色散、偏振相关增益等。因此，功率分配的偏振控制在PIC中变得必不可少。通常的解决方法是先利用模式检偏器消除不需要的偏振光，然后级联一个功率分配器。一般地，模式检偏器分两种，TE和TM检偏器。其中，TE检偏器能通过TE偏振光而阻断TM偏振光。目前，基于不同原理、采用不同结构的模式检偏器被陆续报道出来。其中，基于混合等离子波导的检偏器由于能将光限制在低于衍射极限的尺寸内而呈现出独特的优越性。但是，由于金属材料的引入也带来了较高的欧姆损耗，基于混合等离子波导单一结构的模式检偏器插入损耗普遍较高，不利于这种器件应用到高性能的光子回路中。另外，前置模式检偏器和后置功率分配器的级联不利于实现PIC的密集集成。因此，设计出一种结构紧凑、高消光比、低插入损耗、且具有模式阻断和功率分配功能的单个设备是很有必要的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器，能够大大降低光功分器的插入损耗，提高器件消光比，缩短器件的尺寸，降低器件的制造难度。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器，由下至上依次为硅基衬底、掩埋氧化层、功分部件和上包层，其中掩埋氧化层生长于硅基衬底的上表面，上包层覆盖掩埋氧化层的上表面，光功分部件水平生长于掩埋氧化层的上表面，并被上包层覆盖。优选的，光功分部件包括下层输入通道、下层中路直通通道、下层左路直通通道、下层左路输出通道、下层左路亚波长光栅通道、下层右路直通输出通道、下层右路输出通道、下层右路亚波长光栅通道、第一段上层中路直通通道、第二段上层中路直通通道、第三段上层中路直通通道、第四段上层中路直通通道；下层中路直通通道的一端和下层输入通道相连，构成中路通道；下层左路直通通道和下层左路输出通道连接，下层右路直通通道和下层右路输出通道连接；其中，下层左路输出通道、下层右路输出通道位于同一端；下层左路直通通道、下层左路亚波长光栅通道和下层右路直通通道、下层右路亚波长光栅通道对称分列于下层中路直通通道的左右两侧，相邻通道之间的距为0.05～0.25μm，第一段上层中路直通通道、第二段上层中路直通通道、第三段上层中路直通通道、第四段上层中路直通通道依次分于一列且都在下层中路直通通道上方对齐摆放，上层相邻通道之间的距离为0.15～0.25μm，构成了横磁模截止横电模均分的三波导定向耦合器结构。优选的，下层输入通道、下层中路直通通道、下层左路直通通道、下层左路输出通道、下层右路直通通道和下层右路输出通道均为硅基带状波导，下层左路亚波长光栅通道和下层右路亚波长光栅通道均为亚波长光栅波导，第一段上层中路直通通道、第二段上层中路直通通道、第三段上层中路直通通道和第四段上层中路直通通道均为混合等离子波导，优选的，横磁模截止横电模均分的三波导定向耦合器结构，其中下层是下层左路直通通道、下层左路亚波长光栅通道和下层右路直通通道、下层右路亚波长光栅通道，对称分列于下层中路直通通道的左右两侧，上层是第一段上层中路直通通道、第二段上层中路直通通道、第三段上层中路直通通道、第四段上层中路直通通道，依次分于一列且都在下层中路直通通道的上方对齐摆放。优选的，混合等离子波导的结构为双层结构，其中下层是硅波导层，上层是金属覆盖层。优选的，金属覆盖层的金属材料为介电常数虚部值大于10的高损耗金属，高损耗金属是指银、铝、锌优选的，硅基带状波导、亚波长光栅波导和混合等离子波导三者的尺寸满足以下条件：(1)硅基带状波导与混合等离子波导的横电模有效折射率实部相差大于0.2，相位失配；(2)硅基带状波导与混合等离子波导的横磁模有效折射率实部相等，相位匹配；(3)硅基带状波导与亚波长光栅波导的横磁模有效折射率实部相差大于0.2，相位失配；(4)硅基带状波导与亚波长光栅波导的横电模有效折射率实部相等，相位匹配。优选的，横磁模截止横电模均分的三波导定向耦合器结构的横电模耦合长度LC满足下式：式中：λ为自由空间波长，为横磁模截止横电模均分的三波导定向耦合器结构所支持的第0阶横电模的有效折射率，为横磁模截止横电模均分的三波导定向耦合器结构所支持的第2阶横电模的有效折射率，Re表示取实部值，m为一正奇数。优选的，硅基衬底为标准尺寸的硅晶元，所述的掩埋氧化层是在硅基衬底上热生长的二氧化硅材料，所述的上包层的材料为二氧化硅材料，掩埋氧化层的厚度为2～3μm。本专利技术的有益效果为：(1)插入损耗低：横电模式进入下层输入通道后，由于硅基带状波导和混合等离子波导的横电模式之间有效折射率实部相差大于0.2，相位匹配条件不能满足，横电模不会耦合到上层等离子波导中；硅基带状波导和亚波长光栅波导的横电模式之间有效折射率实部相等，横电模信号耦合到下层左右两路硅基带状波导中传输，所以上层中路混合等离子波导中的欧姆损耗对横电模的传输几乎没有影响，插入损耗得到极大的降低；(2)结构紧凑：本专利技术中引入了亚波长光栅结构，该结构大大缩短了横磁模截止横电模均分的三波导定向耦合器结构中横电模式的耦合距离；另外，引入了混合等离子体波导，将上层中路的混合等离子波导分段，并且降低上层中路混合等离子波导和下层中路硅基带状波导间的间距、调整混合等离子波导结构参数，可以实现更高的欧姆损耗，缩短了横磁模截止所需的距离，使光功分器的尺寸进一步的降低；(3)消光比高：当横磁模式进入下层输入通道后，由于硅基带状波导和亚波长光栅波导的横磁模式之间有效折射率实部相差大于0.2，相位匹配条件不能满足，横磁模式只能被限制在下层中路通道中，并且硅基带状波导和混合等离子体波导的横磁模式之间有效折射率实部相等，满足相位匹配条件，横磁模式逐渐耦合到上层中路分段的混合等离子波导中，之后利用欧姆损耗，使横磁模式能量耗散。通过调整混合等离子波导的结构尺寸以及混合等离子波导之间的间距，可以提高波导对横磁模式的欧姆损耗。横电模式进入下层输入通道后，由于硅基带状波导和混合等离子波导的横电模式之间有效折射率实部相差大于0.2，相位匹配条件不能满足，横电模不会耦合到上层等离子波导中，并且硅基带状波导和亚波长光栅波导的横电模式之间有效折射率实部相等，横电模信号耦合到下层左右两路硅基带状波导中传输，所以上层中路混合等离子波导中的欧姆损耗对横电模式的传输几乎没有影响，使基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器可以实现很高的消光比。附图说明图1为本专利技术的光功分器结构示意图。图2为本专利技术的光功分器的横截面结构示意图。图3为本专利技术的光功分器的测面结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器，其特征在于，由下至上依次为硅基衬底(14)、掩埋氧化层(15)、光功分部件(19)和上包层(16)，其中掩埋氧化层(15)生长于硅基衬底(14)的上表面，上包层(16)覆盖掩埋氧化层(15)的上表面，光功分部件(19)水平生长于掩埋氧化层(15)的上表面，并被上包层(16)覆盖。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器，其特征在于，由下至上依次为硅基衬底(14)、掩埋氧化层(15)、光功分部件(19)和上包层(16)，其中掩埋氧化层(15)生长于硅基衬底(14)的上表面，上包层(16)覆盖掩埋氧化层(15)的上表面，光功分部件(19)水平生长于掩埋氧化层(15)的上表面，并被上包层(16)覆盖。


2.如权利要求1所述的基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器，其特征在于，光功分部件(19)包括下层输入通道(1)、下层中路直通通道(2)、下层左路直通通道(3)、下层左路输出通道(4)、下层左路亚波长光栅通道(5)、下层右路直通输出通道(6)、下层右路输出通道(7)、下层右路亚波长光栅通道(8)、第一段上层中路直通通道(9)、第二段上层中路直通通道(10)、第三段上层中路直通通道(11)、第四段上层中路直通通道(12)；
下层中路直通通道(2)的一端和下层输入通道(1)相连，构成中路通道；
下层左路直通通道(3)和下层左路输出通道(4)连接，下层右路直通通道(6)和下层右路输出通道(7)连接；其中，下层左路输出通道(4)、下层右路输出通道(7)位于同一端；
下层左路直通通道(3)、下层左路亚波长光栅通道(5)和下层右路直通通道(6)、下层右路亚波长光栅通道(8)对称分列于下层中路直通通道(2)的左右两侧，相邻通道之间的距离为0.05～0.25μm，第一段上层中路直通通道(9)、第二段上层中路直通通道(10)、第三段上层中路直通通道(11)、第四段上层中路直通通道(12)依次分于一列且都在下层中路直通通道(2)上方对齐摆放，上层相邻通道之间的距离为0.15～0.25μm，构成横磁模截止横电模均分的三波导定向耦合器结构(13)。


3.如权利要求2所述的基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器，其特征在于，下层输入通道(1)、下层中路直通通道(2)、下层左路直通通道(3)、下层左路输出通道(4)、下层右路直通通道(6)和下层右路输出通道(7)均为硅基带状波导，下层左路亚波长光栅通道(5)和下层右路亚波长光栅通道(8)均为亚波长光栅波导，第一段上层中路直通通道(9)、第二段上层中路直通通道(10)、第三段上层中路直通通道(11)和第四段上层中路直通通道(12)均为混合等离子波导。


4.如权利要求2所述的基于三耦合波导的横磁模...

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