一种双芯层偏振旋转器

摘要

本发明公开了一种双芯层偏振旋转器，包括硅芯层、二氧化硅芯层、金属条带、二氧化硅包层和衬底，所述衬底位于硅芯层底部；所述硅芯层的形状为正方形柱，其顶部一角设置有一个正方形柱状的第一凹槽，该第一凹槽中设置有二氧化硅芯层；所述二氧化硅芯层的形状为正方形柱，其顶部一角设置有一个正方形柱状的第二凹槽，该第二凹槽中设置有金属条带，金属条带的形状为正方形柱；硅芯层、二氧化硅芯层、金属条带形成嵌套结构，该嵌套结构的外部包覆有二氧化硅包层。本发明具有横截面积小，偏振转换长度显著缩短等优点。

权利要求

1.一种双芯层偏振旋转器，其特征在于：包括硅芯层（3）、二氧化硅芯层（2）、金属条带（1）、二氧化硅包层（5）和衬底（4），所述衬底（4）位于硅芯层（3）底部；所述硅芯层（3）的形状为正方形柱，其顶部一角设置有一个正方形柱状的第一凹槽，该第一凹槽中设置有二氧化硅芯层（2）；所述二氧化硅芯层（2）的形状为正方形柱，其顶部一角设置有一个正方形柱状的第二凹槽，该第二凹槽中设置有金属条带（1），金属条带（1）的形状为正方形柱；硅芯层（3）、二氧化硅芯层（2）、金属条带（1）形成三层正方形嵌套结构，该嵌套结构的外部包覆有二氧化硅包层（5）；所述第一凹槽和第二凹槽位于同一侧。

2.根据权利要求1所述的双芯层偏振旋转器，其特征在于：所述硅芯层（3）、二氧化硅芯层（2）、金属条带（1）的正方形面的边长分别选取为0.3微米，0.1微米，0.06微米。

3.根据权利要求1所述的双芯层偏振旋转器，其特征在于：所述偏振旋转器长度为1.9微米。

4.根据权利要求1所述的双芯层偏振旋转器，其特征在于：所述金属条带（1）的材质为银。

说明书

一种双芯层偏振旋转器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于光通信系统、光计算机系统及光子/光电子集成回路的等离子型偏振旋转器，属于集成光学技术领域。

背景技术

[0002] 硅基光波导具有作为构造超紧凑片上光子回路平台的巨大潜力。硅和二氧化硅之间较大的折射率差异使得这种波导结构的弯曲半径可减小至几微米。目前已有多种基于硅波导的功能器件被提出并得到应用。然而硅波导具有较大的结构双折射效应，将会引起偏振模色散、偏振依赖损耗和偏振依赖波长等特性。这些偏振依赖性极大地限制了硅光子器件的应用。此外，随着光纤系统数据传输速率的不断提高，偏振控制和稳定性操作的重要性也在不断提高，为此发展新型偏振控制系统变得越来越重要，而偏振旋转器件正是此类系统的核心。

[0003] 目前，片上偏振旋转器一般采用硅、氮化硅和二氧化硅等材料设计，大致基于几种经典波导结构，如：矩形波导、脊型波导等，在这些波导的基础上倾斜单边，进而利用斜边建立45°倾斜的基模，实现模式旋转；利用多种硅化合物形成多芯层区域，调整硅芯层中的模场分布及相应的模式等效折射率，从而实现模式旋转；使用多个硅芯层平行放置，形成空间不对称的排布，使模场分布集中于芯层间的二氧化硅区域，实现模式旋转。在上述几种偏振旋转器中，由于硅与硅化合物间的折射率差有限，往往需要较大的横截面积和较长的转换长度，以实现较高的偏振旋转效率，相应的器件尺寸也将大大增加，不利于片上密集集成的要求。

[0004] 近年来，等离子纳米结构由于在金属、电介质界面的场增强作用，在很多领域引起了广泛关注。其显著的场增强作用可以用于打破衍射限制，并用于实现亚波长光波导，对于纳米光子集成光路集成度的提高具有重要意义。同时，由于其场增强作用只发生在等离子纳米结构的偏振模式中，且要求对应模式电场垂直于金属、电介质界面，具有很强的偏振选择性。因此，使用等离子纳米结构实现偏振选择器可以解决传统偏振旋转器中存在的很多问题。例如，相比传统设计中需要使用大面积折射率相近材料，基于等离子纳米结构的设计可以高效调整模场空间分布，减小横截面积和器件尺寸；在传统设计中等效折射率差值较小，转换长度很大，通常达到几十个微米，而基于等离子纳米结构的设计可以调整两基模的等效折射率，增大之间差值，极大程度缩短转换长度。为此，我们考虑利用金属条带结合二氧化硅材料，设计一种片上偏振旋转器，基于特殊的结构和工作机制，使入射光信号分为两个基模方向，并分别分布在二氧化硅芯层和硅芯层，进而实现等效折射率间的大差值，达到缩短转换长度和器件尺寸的目的。

发明内容

[0005] 发明目的：为了克服现有偏振旋转器的不足，本发明提供一种等离子偏振旋转器，具有横截面积小，偏振转换长度显著缩短等优点。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0007] 一种双芯层偏振旋转器，包括硅芯层、二氧化硅芯层、金属条带、二氧化硅包层和衬底，所述衬底位于硅芯层底部；所述硅芯层的形状为正方形柱，其顶部一角设置有一个正方形柱状的第一凹槽，该第一凹槽中设置有二氧化硅芯层；所述二氧化硅芯层的形状为正方形柱，其顶部一角设置有一个正方形柱状的第二凹槽，该第二凹槽中设置有金属条带，金属条带的形状为正方形柱；硅芯层、二氧化硅芯层、金属条带形成嵌套结构，该嵌套结构的外部包覆有二氧化硅包层。

[0008] 所述第一凹槽和第二凹槽位于同一侧。

[0009] 所述硅芯层、二氧化硅芯层、金属条带的正方形面的边长分别选取为0.3微米，0.1微米，0.06微米。

[0010] 所述偏振旋转器长度为1.9微米。

[0011] 有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

[0012] 1、金属具有强场增强和局域化效应，尺寸较小的金属条带能够高效调整模场分布，实现较大模间等效折射率差异，进而缩短偏振旋转长度；

[0013] 2、金属条带能够替代大面积的氮化硅、二氧化硅，能够减小结构的横截面尺寸，与常见硅波导、等离子波导尺寸近似，有利于输入输出互连；

[0014] 3、长度和横截面积的缩小有利于提高器件结构的集成度，能够在小面积上实现更多的功能。

附图说明

[0015] 图1是双芯层偏振旋转器的结构图；

[0016] 图2是双芯层偏振旋转器的一个实施例的俯视图；

[0017] 图3是输入波导截面TM模的Hx分量模场分布；

[0018] 图4是输入波导截面TM模的Hy分量模场分布；

[0019] 图5是输出波导截面TE模的Hx分量模场分布；

[0020] 图6是输出波导截面TE模的Hy分量模场分布；

[0021] 图7是偏振旋转器在工作波长为1.55μm，TM模输入时的Hx分量模场分布；

[0022] 图8是偏振旋转器在工作波长为1.55μm，TM模输入时的Hy分量模场分布；

[0023] 图中：1-金属银条带、2-二氧化硅芯层、3-硅芯层、4-衬底、5-二氧化硅包层、6-输入波导、7-输出波导。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0025] 如图1所示为一种双芯层偏振旋转器，包括硅芯层3、二氧化硅芯层2、金属条带1、二氧化硅包层5和衬底4，衬底4位于硅芯层3底部；硅芯层3的形状为正方形柱，其顶部一角设置有一个正方形柱状的第一凹槽，该第一凹槽中设置有二氧化硅芯层2；二氧化硅芯层2的形状为正方形柱，其顶部一角设置有一个正方形柱状的第二凹槽，该第二凹槽中设置有金属条带1，金属条带1的形状为正方形柱；硅芯层3、二氧化硅芯层2、金属条带1形成嵌套结构，该嵌套结构的外部包覆有二氧化硅包层5。

[0026] 其中，第一凹槽和第二凹槽位于同一侧。

[0027] 各芯层为实现与输入输出波导匹配，金属条带1和二氧化硅芯层2放置在硅芯层3顶部，结构横向尺寸缩小至与常见矩形硅波导、等离子波导的尺寸近似，具体实施方式给出设计中，硅芯层3、二氧化硅芯层2、金属条带1的正方形面的边长分别选取为0.3微米，0.1微米，0.06微米。硅芯层3，二氧化硅芯层2，金属条带1的正方形面的边长设计，既能满足体现金属的场增强、表面局域化效应的要求，也能够满足方便实现结构构造的要求。

[0028] 使用金属条带1调整基模分布，实现两基模的模场空间分布的分离，得到较大的等效折射率差值，实现缩短转换长度的目的，在给出的设计中，偏振旋转器长度缩短至1.9微米。

[0029] 本发明的双芯层偏振旋转器由以下方法制得：结构主体为正方形的硅芯层，在顶部一角刻蚀正方形凹槽，生长矩形二氧化硅芯层，并在二氧化硅顶部同侧刻蚀正方形凹槽淀积金属银，形成三层正方形嵌套结构，并生长二氧化硅包层，覆盖整体结构。

[0030] 由于各芯层均为正方形结构，具有良好的对称性，并且包层与衬底为二氧化硅，结构中的模场分布主要受到金属条带的场增强效应和局域化效应的影响，导致原有的横向、纵向几何对称性被破坏，基模偏离横电(TE)模、横磁(TM)模，分别与各芯层重合对角线重合、垂直。其中与各芯层对角线重合的模场由于金属的局域化效应影响，电场主要集中于二氧化硅芯层，其等效折射率较小，另一模场主要分布在折射率较大的硅芯层，其等效折射率较大。由于金属显著影响了模场在各芯层间的分布，因此两种基模的等效折射率具有较大的差值，等效折射率的差值会直接影响两种模式光信号在偏振旋转器件内的传播速度，较大的差值会加快偏振旋转速度，缩短转换长度并减小了器件横截面积。

[0031] 实施例

[0032] 如图2所示，TE模或TM模光信号通过输入波导6进入双芯层偏振旋转器，经过长度约为1.9微米的偏振转换器实现TE模和TM模之间的相互转换，并输出至输出波导7完成功能。由于偏振转换器的基模偏振方向与输入波导6和输出波导7的基模偏振方向与矩形波导的基模偏振方向不一致，输入光信号在进入器件区域时，将重新按照偏振旋转器件的基模方向分解为两束光信号，由于偏振旋转器与矩形波导中的基模成45°，偏振旋转器件内的两束光信号强度相同，并各自独立传播。在偏振旋转器中，由于两种模式的空间分布不同，导致两种传播具有不同的速度，这种速度差异可以由等效折射率的大小直接体现。在本发明中由于金属的强场增强作用和表面局域化作用，这种空间分布不同更为明显，等效折射率及传播速度差异更大，在传播时，不同的传播速度将导致两束光信号具有相位差，且随传播距离累加，在二者相位差异为180°时，将导致合成波的偏振方向发生90°旋转。此时，积累180°相位差异所需的传播长度被称为偏振旋转器的转换长度。本发明由于调整了两种模式的模场分布，导致较大的等效折射率差异，使得相位差异在传播中的累积更快，转换长度更短。当器件工作于1.55微米，TM模输入状态时，图3、图4，图5、图6分别描述其输入TM模、输出TE模Hx、Hy分量模场的空间分布，可以看出，在输入波导6中传播的光信号为TM模，输出波导
7中传播的光信号为TE模，器件工作区域内，高效实现了TM模向TE模的旋转。图7、图8为TM模输入时的横向磁场分量Hx、纵向磁场分量Hy的模场分布。传播仿真图像中的磁场分布清晰表现了入射后的横向磁场分量迅速减小，同时纵向磁场分量迅速增强，实现TM模向TE模的快速转化。通过对比输入输出光信号横向纵向分量，可以看出，该偏振旋转器件在给出设计参数下，很好地实现了偏振旋转的功能。

[0033] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。