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
阅读说明：本技术 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 (Transverse magnetic mode cut-off transverse electric mode equipartition optical power divider based on three-coupling waveguide ) 是由 肖金标 陈禹飞 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention discloses a transverse magnetic mode cut-off transverse electric mode equipartition optical power divider based on triple-coupled waveguide, which sequentially comprises a silicon-based substrate, a buried oxide layer, a power dividing component and an upper cladding from bottom to top, wherein the buried oxide layer grows on the upper surface of the silicon-based substrate, the upper cladding covers the upper surface of the buried oxide layer, and the optical power dividing component horizontally grows on the upper surface of the buried oxide layer and is covered by the upper cladding. The invention can greatly reduce the insertion loss of the optical power splitter, improve the extinction ratio of the device, shorten the size of the device and reduce the manufacturing difficulty of the device.)
技术领域
本发明涉及集成光学技术领域，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。
背景技术
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***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***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。
发明内容
本发明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***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，本发明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，
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。
本发明的有益效果为：(1)***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，***损耗得到极大的降低；(2)结构紧凑：本发明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为本发明的光功分器结构示意图。
图2为本发明的光功分器的横截面结构示意图。
图3为本发明的光功分器的测面结构示意图。
图4为本发明偏振相关功分器在1.55μm工作波长处的0阶横电模的电场分布图。
图5为本发明偏振相关功分器在1.55m工作波长处的0阶横磁模的电场分布图。
其中，1、下层输入通道；2、下层中路直通通道；3、下层左路直通通道；4、下层左路输出通道；5、下层左路亚波长光栅通道；6、下层右路直通通道；7、下层右路输出通道；8、下层右路亚波长光栅通道；9、第一段上层中路直通通道；10、第二段上层中路直通通道；11、第三段上层中路直通通道；12、第四段上层中路直通通道；13、对称三波导定向耦合器；14、基衬底；15、掩埋氧化层；16、上包层；17、硅波导层；18、金属覆盖层；19、功分部件。
具体实施方式
如图1和图3所示，该光功分器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。
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，构成了横磁模截止横电模均分的三波导定向耦合器结构13。
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。
横磁模截止横电模均分的三波导定向耦合器结构13，其中下层是下层左路直通通道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，上层是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。
如图2所示，混合等离子波导的结构为双层结构，其中下层是硅波导层17，上层是金属覆盖层18。
合理设计中路硅基带状波导、亚波长光栅波导和混合等离子波导的尺寸，使带状波导的横磁模式折射率等于混合等离子波导的横磁模有效折射率实部，而两波导的横电模有效折射率实部相差大于0.2，即横磁模满足相位匹配条件，而横电模相位失配；使带状波导的横电模式折射率等于亚波长光栅波导的横电模有效折射率实部，而两波导的横磁模有效折射率实部相差大于0.2，即横电模满足相位匹配条件，而横磁模相位失配。当横磁模式进入下层输入波导时，因与亚波长光栅波导相位失配并且与混合等离子体波导相位匹配，横磁模能量只能集中在下层中路通道中，并且最终耦合到上层混合等离子体波导中逐渐衰减。当横电模进入下次输入波导时，因与亚波长光栅波导相位匹配，横电模式逐渐耦合到下层左右两路波导中，几乎没有受到上层中路混合等离子波导的影响，传输损耗非常小。而当横电模式输入到中间波导时，根据耦合模理论，横磁模截止横电模均分的三波导定向耦合器结构13的横电模耦合长度LC满足：
那么，中路的横电模将会全部且均匀地耦合到左、右两路通道中。式中λ为自由空间波长，
图4给出了输入模式为0阶横电模(TE0)时，基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器的电场分布图。工作波长为1.55μm，可以看出TE0进入输入波导后，进入两侧的亚波长光栅波导并且逐渐耦合到两侧的输出波导中，最终完全耦合到输出波导中。TE0模式在传输过程中，被很好的限制在输入输出带状波导中，几乎没有损耗而且耦合过程中的能量损耗较小，***损耗小。
图5给出了输入模式为0阶横磁模(TM0)时，基于三耦合波导的横磁模截止横电模均分的光功分器的电场分布图。工作波长为1.55μm，可以看出TM0进入输入波导后，由于相位失配，没有进入亚波长光栅波导而是继续在中路带状波导中传输，然后逐渐耦合到上层混合等离子体波导中被逐渐衰减，最终TM0模式被完全衰减，几乎没有TM0模式输出，结合图4说明此器件的消光比很高。