本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了一種基于復(fù)合波導(dǎo)的橫向電場(chǎng)通過(guò)的偏振器。

背景技術(shù)：

隨著長(zhǎng)距離全光網(wǎng)絡(luò)的引入，光通信系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜。硅基組件對(duì)入射光的偏振的高敏感度吸引著人們?cè)O(shè)計(jì)出高效緊湊的偏振控制組件，包括偏振器，偏振分束器，偏振旋轉(zhuǎn)器。在這些偏振控制組件中，偏振器可以用于抑制不需要的偏振態(tài)的通過(guò)，因此在解決很多光學(xué)系統(tǒng)的偏振依賴問(wèn)題中扮演者一個(gè)不可分割的部分。

為了實(shí)現(xiàn)芯片上的應(yīng)用，偏振器必須實(shí)現(xiàn)超小的封裝、高消光比和低損耗。很多te-pass和橫向磁場(chǎng)通過(guò)(tm-pass)的偏振器已經(jīng)在理論上提出或在實(shí)驗(yàn)上證明了。通過(guò)選擇特殊的波導(dǎo)尺寸使得其中一個(gè)偏振模式截止可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的偏振器，但是這種設(shè)計(jì)中，輻射光會(huì)反射回來(lái)，從而降低光學(xué)芯片的信噪比。

混合等離激元波導(dǎo)由低折射率的的間隔層將金屬表面與高折射率層分離開(kāi)，其可以把能量高度集中在低折射率層?；诨旌系入x激元波導(dǎo)，人們?cè)O(shè)計(jì)了很多偏振器?；诨旌系入x激元波導(dǎo)的偏振器可以減小器件長(zhǎng)度，然而金屬的存在會(huì)帶來(lái)額外的傳輸損耗，并且為了降低其器件的傳輸損耗，消光比也會(huì)因而受到影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種基于復(fù)合波導(dǎo)的橫向電場(chǎng)通過(guò)的偏振器，具有尺寸小、消光比高、插入損耗低的優(yōu)勢(shì)，本偏振器集成于絕緣硅片(soi)上，屬于te-pass的偏振器。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)以及在入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)之間的中間耦合部分，所述中間耦合部分是置于soi襯底上的五層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，五層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)從下至上依次是下硅層、下二氧化硅層、上硅層、上二氧化硅層和金屬鉻(cr)層。

本發(fā)明只需在普通波導(dǎo)上增設(shè)上硅層、上二氧化硅層和金屬鉻層即能制作出所述偏振器。

從入射硅波導(dǎo)傳輸過(guò)來(lái)的tm模經(jīng)過(guò)所述中間耦合部分時(shí)從下二氧化硅層耦合到上二氧化硅層并被金屬鉻層吸收衰減，從入射硅波導(dǎo)傳輸過(guò)來(lái)的te模經(jīng)過(guò)所述中間耦合部分時(shí)沿下二氧化硅層傳輸不會(huì)耦合到上二氧化硅層。

所述中間耦合部分的上二氧化硅層、上硅層和金屬鉻層的寬度相同，寬度使得從入射硅波導(dǎo)傳輸過(guò)來(lái)的tm模進(jìn)入到中間耦合部分后在混合等離激元波導(dǎo)模式截止，從入射硅波導(dǎo)傳輸過(guò)來(lái)的te模不受影響。具體實(shí)施可以為200nm。

所述中間耦合部分的下硅層的寬度和高度與入射硅波導(dǎo)的硅層的寬度和高度對(duì)應(yīng)相同。

所述中間耦合部分的下二氧化硅層的寬度和高度與入射硅波導(dǎo)的硅層的寬度和高度對(duì)應(yīng)相同。

所述中間耦合部分的下硅層寬度和下二氧化硅層寬度相同。

所述的下二氧化硅層和上二氧化硅層替換為三氧化二鋁層。

所述的中間耦合部分和入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)直接相連。

所述中間耦合部分中的下硅層和下二氧化硅層與入射硅波導(dǎo)或者出射硅波導(dǎo)連接。

具體實(shí)施的上二氧化硅層厚度為10nm到50nm。

具體實(shí)施的上硅層厚度根據(jù)入射硅波導(dǎo)尺寸調(diào)整，具體為150nm到400nm。

根據(jù)非正交的耦合模式理論，如圖3所示，本發(fā)明的中間耦合部分看成混合等離激元波導(dǎo)和垂直狹縫波導(dǎo)的組合。如圖3左下側(cè)的垂直狹縫硅波導(dǎo)由低折射率的二氧化硅(sio2)層將不同寬度的硅波導(dǎo)分隔開(kāi)，根據(jù)狹縫波導(dǎo)理論，tm模會(huì)集中在垂直狹縫硅波導(dǎo)的二氧化硅層。如圖3右下側(cè)的混合等離激元波導(dǎo)的波導(dǎo)寬度即垂直狹縫硅波導(dǎo)的上層硅的寬度，由于鉻的強(qiáng)吸收性能，其被用于本結(jié)構(gòu)的金屬部分。

外部由tm和te混合的入射光通過(guò)偏振器后時(shí)，tm模會(huì)耦合到混合等離激元波導(dǎo)部分衰減，而te模則不會(huì)耦合并會(huì)沿著硅波導(dǎo)通過(guò)此偏振器，因此te模基本不受到上層金屬的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)上硅層的高度，可以使得tm模最大程度耦合到混合等離激元波導(dǎo)并衰減，而te模則最大程度保持不變。通過(guò)設(shè)計(jì)中間耦合部分的長(zhǎng)度，可以使得tm模的消光比達(dá)到30db以上，而te?；颈３植蛔?，最終實(shí)現(xiàn)偏振器功能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：

1、本發(fā)明是基于混合等離激元波導(dǎo)與介質(zhì)波導(dǎo)的耦合的一個(gè)亞波長(zhǎng)的偏振器，tm模的損耗主要是基于混合等離激元波導(dǎo)的傳輸損耗，因而不會(huì)因?yàn)檩椛涔鈺?huì)反射回來(lái)而降低光學(xué)芯片的信噪比。

2、本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，理論的整體尺寸最小能達(dá)到6.5微米，并且能在6.5微米的器件長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)tm模28db的消光比，并且對(duì)于te模的插入損耗也只有0.16db，易于高密度的光學(xué)集成

3、本發(fā)明可以適用于不同寬度的硅波導(dǎo)，無(wú)需在入射端與硅波導(dǎo)進(jìn)行耦合，能夠減小耦合損耗，易于光學(xué)集成。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明偏振器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2(a)為中間耦合部分的剖面圖。

圖2(b)為入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)的剖面圖。

圖3為中間耦合部分由兩種波導(dǎo)混合構(gòu)成圖。

圖4(a)為仿真實(shí)施下tm模耦合成的tmeven和tmodd的傳輸損耗隨著上硅層厚度h1的改變曲線圖。

圖4(b)為仿真實(shí)施下tm模耦合成的tmeven和tmodd的能量耦合率隨著上硅層厚度h1的改變曲線圖。

圖4(c)為仿真實(shí)施下總的tm模傳輸損耗與te模傳輸損耗與上硅層厚度h1的關(guān)系圖。

圖中：1為soi襯底，2為下硅層，3為下二氧化硅層，4為上硅層，5為上二氧化硅層，6為金屬鉻層。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

如圖1和2所示，本發(fā)明具體實(shí)施參見(jiàn)如圖1，本實(shí)施例的te-pass的偏振器的三維原理圖，包括入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)以及在入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)之間的中間耦合部分。

如圖2(a)所示，中間耦合部分是置于soi襯底1上的五層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，五層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)從下至上依次是下硅層2、下二氧化硅層3、上硅層4、上二氧化硅層5和金屬鉻層6。其中上硅層4、上二氧化硅層5和金屬鉻層6的寬度一致，中間耦合部分的長(zhǎng)度為l。

如圖2(b)所示，入射硅波導(dǎo)和出射硅波導(dǎo)均由置于soi襯底1上的下硅層2和下二氧化硅層3構(gòu)成。入射硅波導(dǎo)、出射硅波導(dǎo)和中間耦合部分采用同一塊soi襯底1，入射硅波導(dǎo)、出射硅波導(dǎo)和中間耦合部分的下硅層2連接，入射硅波導(dǎo)、出射硅波導(dǎo)和中間耦合部分的下二氧化硅層3連接。

具體實(shí)施中，中間耦合部分的下硅層2的寬度和高度與入射硅波導(dǎo)的硅層的寬度和高度對(duì)應(yīng)相同；中間耦合部分的下二氧化硅層3的寬度和高度與入射硅波導(dǎo)的硅層的寬度和高度對(duì)應(yīng)相同；中間耦合部分的下硅層2寬度和下二氧化硅層3寬度相同。

本發(fā)明te-pass的偏振器的工作原理如下：

如圖3所示，中間耦合部分被看作混合等離激元波導(dǎo)和垂直狹縫波導(dǎo)的兩個(gè)波導(dǎo)的混合，其中波導(dǎo)a是垂直結(jié)構(gòu)的狹縫波導(dǎo)，其上硅層的寬度小于下面硅層的寬度，當(dāng)上層si寬度足夠小，te模會(huì)在上層硅層截止，這時(shí)垂直狹縫波導(dǎo)的te模主要集中在下硅層，為了與cmos工藝兼容，設(shè)定上硅層的寬度為200nm。這時(shí)tm模主要集中在兩層si之間的二氧化硅層之中。波導(dǎo)b是混合等離激元波導(dǎo)，由于波導(dǎo)b的寬度為200nm，因此混合等離激元波導(dǎo)是te模截止的，其tm模集中在金屬cr和si之間的二氧化硅層之間。

根據(jù)非正交的耦合模理論，當(dāng)波導(dǎo)a和波導(dǎo)b耦合時(shí)，會(huì)在中間耦合部分形成奇次模和偶次模。其中兩種模式的模場(chǎng)分布可以由下面公式給出：

eeven＝a11(z)e`1+a12(z)e2

eodd＝a21(z)e`1+a22(z)e2

其中，eeven表示耦合結(jié)構(gòu)tm奇次模的電場(chǎng)，eodd表示耦合結(jié)構(gòu)tm偶次模的電場(chǎng)，e1與e2分別是波導(dǎo)a和波導(dǎo)b的tm模分布，aij分別表示相應(yīng)的模式振幅，即耦合結(jié)構(gòu)中tm的電場(chǎng)分布中波導(dǎo)a和波導(dǎo)b的tm的電場(chǎng)振幅，其中a11表示耦合結(jié)構(gòu)tm奇次模的電場(chǎng)分布中波導(dǎo)a的tm模電場(chǎng)振幅，a12表示耦合結(jié)構(gòu)tm奇次模的電場(chǎng)分布中波導(dǎo)b的tm模電場(chǎng)振幅，a21表示耦合結(jié)構(gòu)tm偶次模的電場(chǎng)分布中波導(dǎo)a的tm模電場(chǎng)振幅，a22表示耦合結(jié)構(gòu)tm偶次模的電場(chǎng)分布中波導(dǎo)b的tm模電場(chǎng)振幅，由公式可以看出中間耦合部分存在兩種tm模，即奇次模和偶次模，它們的模場(chǎng)主要集中在兩層二氧化硅層之中。

當(dāng)tm模從入射硅波導(dǎo)進(jìn)入中間耦合部分之后，tm模會(huì)耦合成tmeven和tmodd，tmeven和tmodd分別表示tm的奇次模和偶次模。當(dāng)中間耦合部分的尺寸改變，會(huì)導(dǎo)致這兩種模式的傳輸損耗和能量耦合率的改變，如圖4(a)和4(b)所示。當(dāng)實(shí)施例設(shè)置參數(shù)為下硅層寬度w1＝450nm，下硅層厚度h1＝250nm，下二氧化硅層厚度h2＝50nm，上二氧化硅層厚度h2＝20nm，金屬層厚度h3＝100nm，上硅層寬度w2＝200nm，通過(guò)改變h1來(lái)模擬傳輸損耗和能量耦合率的改變?？偟哪芰總鬏斅视上旅婀浇o出：

其中，表示tm模總的能量傳輸率，ηeven表示tmeven的功率比率，表示tmeven的能量傳輸率，ηodd表示tmodd的功率比率，表示tmodd的能量傳輸率。

根據(jù)以上公式，得到tm總的傳輸損耗與上硅層4厚度h1的關(guān)系。如圖4(c)所示，為總的tm的傳輸損耗與te模的傳輸損耗與上硅層4厚度h1的關(guān)系。根據(jù)圖4(c)，選取使得總的tm傳輸損耗最大的上硅層4厚度h1的值為230nm。根據(jù)得到的參數(shù)，設(shè)計(jì)出最佳的器件。

使用三維時(shí)域有限差分對(duì)器件進(jìn)行仿真，可以得出當(dāng)實(shí)現(xiàn)tm模30db消光比時(shí)所需的中間耦合部分的長(zhǎng)度。并進(jìn)而可以仿真得到te模的插入損耗。

當(dāng)不同規(guī)格的入射硅波導(dǎo)通入時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整上二氧化硅層和上硅層的厚度來(lái)使得tm的傳輸損耗盡可能最大，而te模最大程度的保持不變。