砖砌状亚波长周期性波导、使用该波导的模态适配器、功率分配器和偏振分束器制造技术

公开了一种砖砌状亚波长周期性波导以及使用所述波导的模态适配器、功率分配器和偏振分束器。波导(600)包括块(601、602)，所述块(601、602)以周期“L

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】砖砌状亚波长周期性波导、使用该波导的模态适配器、功率分配器和偏振分束器


[0001]本专利技术涉及集成光学领域，更具体地，涉及基于具有亚波长结构的周期性波导的装置。
[0002]本专利技术的主要对象是一种砖砌状亚波长周期性波导，其保持了常规波导具有的控制它们所支持的模的有效折射率的值以及常规波导对波长的依赖性的特性，但是砖砌状亚波长周期性波导还结合了控制它们的各向异性的可能性。
[0003]本专利技术展示了极大的优势，因为它可以在不偏离亚波长范围的情况下以更长的周期工作。也就是说，为了进行其制造，将需要更大的最小特征尺寸，这有助于利用深UV技术进行大规模生产。另外，本专利技术的其它两个对象是使用所述新波导的两个装置，功率分配器和偏振分束器。

技术介绍

[0004]光子学是研究光(光子)的生成、操纵和检测的科学分支。其覆盖的电磁波谱很宽。以波长(λ)的递增顺序，它覆盖以下波段：紫外波段(λ:0.01
‑
0.38μm)、可见波段(λ:0.38
‑
0.78μm)、近红外波段(λ:0.78
‑
2μm)、中红外波段(λ:2
‑
50μm)和远红外波段(λ:50
‑
1000μm)。与电子集成电路一样，光子集成电路PIC的目标是将光处理所需的所有装置和功能块集成在单个芯片上。
[0005]光子装置和电路是通过组合具有不同折射率的材料而成的。制造的装置的性能和尺寸取决于所使用的材料的折射率的对比度或差异。绝缘体上硅(SOI)平台是近红外波段中的主流平台，近红外波段以及可见光波段是开发应用最多的波段。
[0006]SOI平台具有几个优势。第一个优势是，在分别用作光波导的芯和衬底/壳的硅(n
Si
＝3.476)和二氧化硅(n
SiO2
＝1.44)之间的折射率的高对比度使得可以减小互连波导或光子导线的横截面、它们的曲率半径(＜5μ)、以及通常装置的尺寸。
[0007]图1示出了常规波导(100)的示例，其包括宽度为W并且厚度为H的芯(101)。芯(101)支撑在衬底(102)上并且被空气或其它覆盖材料(103)覆盖，光波从一端(104)进入并从相反端(105)离开。
[0008]SOI平台的第二大优势是，对于光子电路的制造，可以继续使用已经在集成电子电路中使用的CMOS(互补金属氧化物半导体：Complementary Metal Oxide Semiconductor)制造工艺，该工艺已良好建立且成熟。
[0009]尽管SOI技术为集成光学领域带来了很多优势，但是其是高对比度技术这一事实也带来了一些缺点。其中最重要的缺点是设计高性能装置(主要是大带宽装置)的难度。
[0010]为了实现高性能装置，有必要可以综合有效折射率的期望值(折射率工程)，并且控制其对波长的依赖性(色散工程)。
[0011]在SOI平台上的常规波导中，该难度是由传播通过该结构的模的有效折射率与波导的电尺寸之间的强依赖性引起的。由于制造的原因，厚度H是固定的，因此只有宽度W可用
于控制有效折射率的值。这导致了常规波导的特征为，尽管由各向同性材料制成，但横电(TE或面内)偏振和横磁(TM或面外)偏振的传播特性非常不同，即所谓的双折射。
[0012]在一些应用中，有必要控制双折射的程度，增加双折射例如以设计对偏振敏感的装置，或者对于对偏振不敏感的装置，减小双折射。
[0013]亚波长周期性介电波导SWG在光子领域中的出现为显著提高装置性能提供了基础。SWG结构在近红外波段达到的高度成熟度、它们的多功能性、以及尤其是它们被证明在其中非常有用的宽范围的装置，使它们现在成为许多装置设计中的重要技术。
[0014]为了说明的目的，图2示出了通常用于集成光学中的介电SWG波导(200)的一般几何形状。介电SWG波导(200)包括宽度为W、厚度为H、且长度为a
z
的多个条形块(201)，它们之间由距离b
z
隔开。条形块(201)具有周期Λ
z
，其有必要等于a
z
和b
z
的和。条形块(201)垂直于波的传播方向，如图2中在z轴方向上的箭头所示。
[0015]条形块(201)支撑在衬底(202)上，衬底(202)的折射率低于在条形块(201)中使用的材料的折射率。条形块(201)之间的空间被覆盖材料(203)填充，覆盖材料(203)的折射率可以等于、低于或甚至高于衬底(202)的折射率。但是覆盖材料(203)的折射率绝不可以高于在条形块(201)中使用的材料的折射率。SWG波导(200)支持的模或电磁解决方案特征为周期性场分布，并被称为Floquet模。
[0016]SWG波导(200)的工作范围由两个参数确定，在图2中表示为Λ
z
的周期，以及等于长度a
z
和周期Λ
z
之间的商的占空比DC或填充因子(DC＝a
z
/Λ
z
)。根据工作波长(λ)和周期(Λ
z
)之间的商，SWG波导(200)具有三个不同的工作区，被称为：辐射区、布拉格区和亚波长或SWG区。
[0017]在图3中以示例性的方式示出了Floquet模的有效折射率(n
eff
)如何作为辐射区(301)、布拉格区(302)和亚波长区(303)的所述商的函数而变化，其中布拉格区(302)中的n
eff
等于λ/2Λ
z
。为了使SWG波导(200)在亚波长或SWG范围中工作，工作波长(λ)和周期(Λ
z
)之间的商有必要不小于模的有效折射率的两倍，也就是说必须满足λ/Λ
z
>2
·
n
eff
。
[0018]SWG波导(200)具有两个新的自由度，即占空比DC和周期Λ
z
，这一事实为它们在设计装置时提供了巨大的潜力。通过改变占空比DC，可以设计折射率，也就是说，在感兴趣的波长(Δλ)范围内，控制模的有效折射率的值。
[0019]在图4中以示例性的方式示出了SWG波导(200)的占空比从DC1值到较低的DC2值的变化对模色散曲线的影响。在另一方面，通过改变周期(Λ
z
)，可以设计色散，也就是说，在感兴趣的波长(Δλ)范围内，控制对模的有效折射率的波长依赖性。
[0020]在图5中以示例性的方式示出了SWG波导(200)的周期从Λ
z1
值减小到较低的Λ
z2
值对色散曲线的影响。关于本专利技术，重要的是要认识到，改变占空比(从DC1到DC2)或周期(从Λ
z1
到Λ
z2
)以分别进行速率工程或色散工程会影响布拉格区开始处的波长值。在两种情况下，布拉格区开始处的波长已从λ
B1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种优选为单模的砖砌状亚波长周期性波导(600)，波在传播方向上传播通过该波导，其特征在于，包括：衬底(603)，在所述衬底(603)上，布置有多个芯材的块(601、602)，所述芯材的块(601、602)以在传播方向上具有周期'Λ
z
'的周期性方式布置；以及覆盖材料(604)，所述覆盖材料(604)布置在多个块(601、602)之间和多个块(601、602)之上，存在宽度为'a
x
'的第一块(601)和宽度为'b
x
'的第二块(602)，它们根据周期'Λ
x
'垂直于所述传播方向在所述衬底(603)上交替，并且所述第二块(602)相对于所述第一块(601)在所述传播方向上偏移距离'd
z
'。2.根据权利要求1所述的周期性波导(600)，其中，所述周期'Λ
z
'满足Λ
z
＜λ/(2
·
n
eff
)λ是传播通过所述周期性波导(600)的波的波长，并且n
eff
是模的有效折射率。3.根据权利要求1所述的周期性波导(600)，其中，所述周期'Λ
z
'满足Λ
z
>λ/(2
·
n
eff
)λ是传播通过所述周期性波导(600)的波的波长，并且n
eff
是有效模折射率。4.根据权利要求1所述的周期性波导(600)，其中，选择宽度为'b
x
'的所述第二块(602)的偏移'd
z
'，使得零阶横电模(TE0)的第一有效折射率(n
TM
)不同于零阶横磁模(TM0)的第二有效折射率(n
TM
)。5.根据权利要求1所述的周期性波导(600)，其中，选择宽度为'b
x
'的所述第二块(602)的偏移'd
z
'，使得零阶横电模(TE0)的第一有效折射率(n
TM
)等于零阶横磁模(TM0)的第二有效折射率(n
TM
)。6.根据前述权利要求中任一项所述的周期性波导(600)，其中，所述周期性波导(600)具有可变的宽度(W)。7.根据前述权利要求中任一项所述的周期性波导(600)，其中，布置块(601、602)所依据的周期(Λ
z
和Λ
x
)在所述传播方向上和垂直于所述传播方向的方向上是可变的。8.根据前述权利要求中任一项所述的周期性波导(600)，其中，所述距离(d
z
)在所述传播方向上是可变的。9.根据前述权利要求中任一项所述的周期性波导(600)，其中，所述覆盖材料(604)和所述芯材的多个块(601、602)的特征为沿着所述波导(600)的长度具有恒定的几何特性。10.根据权利要求1至8中任一项所述的周期性波导(600)，其中，所述覆盖材料(604)和所述芯材的多个块(601、602)的特征为沿着所述波导(600)的长度具有可变的几何特性。11.根据前述权利要求中任一项所述的周期性波导(600)，其中，所述块(601、602)由硅制成，并且所述衬底(603)是优选为二氧化硅的绝缘材料，为绝缘体上硅(SOI)配置。12.根据前述权利要求中任一项所述的周期性波导(600)，其中，所述覆盖材料(604)是选自二氧化硅、聚合物和空气的...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：马拉加大学，
类型：发明
国别省市：