阅读说明：本技术 一种基于相变材料调控的y分支波导结构偏振分束器 (Y-branch waveguide structure polarization beam splitter based on phase change material regulation ) 是由 刘富荣 谢轩轩 张永志 陈清远 张露露 连阳波 于 2021-08-28 设计创作，主要内容包括：一种基于相变材料调控的Y分支波导结构偏振分束器,属于光器件应用和信息处理技术领域。偏振分束器包括基底、Y分支光波导和相变材料薄膜。相变材料薄膜分别呈单层上贴式和两个单层侧贴式沉积在Y分支波导上,通过波导中的倏逝场耦合作用可以改变相变材料薄膜的状态,调整混合光波导的尺寸可以将TM/TE偏振模式分离输出。相变材料薄膜在晶态和非晶态的光学常数存在巨大差异,可以改变光波导中的光传播行为。利用有效折射率的不同就可以实现偏振态输出和截止。本发明基于Si波导和相变材料的非易失性超快相变偏振分束器,实现器件的低损耗和微型化,设计结构简单,便于集成,为未来全光器件的发展奠定了基础。(A Y-branch waveguide structure polarization beam splitter based on phase change material regulation belongs to the technical field of optical device application and information processing. The polarization beam splitter includes a substrate, a Y-branch optical waveguide, and a phase change material film. The phase-change material film is respectively deposited on the Y-branch waveguide in a single-layer top-mounted mode and two single-layer side-mounted modes, the state of the phase-change material film can be changed through evanescent field coupling in the waveguide, and TM/TE polarization modes can be separated and output by adjusting the size of the mixed optical waveguide. The phase change material film has great difference in optical constants of crystalline state and amorphous state, and can change the light propagation behavior in the optical waveguide. Polarization state output and cut-off can be achieved by utilizing the difference of effective refractive indexes. The non-volatile ultrafast phase change polarization beam splitter based on the Si waveguide and the phase change material realizes low loss and miniaturization of devices, has a simple design structure, is convenient to integrate, and lays a foundation for the development of future all-optical devices.)

一种基于相变材料调控的Y分支波导结构偏振分束器

技术领域

本发明涉及一种光学应用器件，属于全光器件和信息处理技术领域，具体涉及一种基于相变材料调控的Y分支波导结构偏振分束器。

背景技术

近年来，由于硅基集成光波导器件的快速发展，以光波为载体的光调制器件和信息处理技术也逐渐改善，片上大容量光互联和多通道信息处理技术是发展硅基集成器件的重要组成部分。偏振态作为光波的重要属性，但由于双折射效应带来的TE/TM两种偏振态，会对光波的传输带来不利影响。为了满足特定偏振模式的高性能传输，常见的偏振调制器基于相位调控实现TE和TM两种偏振态分离。然而，对于常见的偏振器主要是以硅(Si)和铌酸锂(LiNbO3)波导的传输介质，存在着尺寸大、相位调控过程复杂和折射率差小的缺点，不利于器件的超紧凑和高性能发展。

相变材料(PCM)集成硅波导的偏振调制器被认为是最具有潜力的调制器，其关键材料包括SiO₂衬底、Si波导和相变材料薄膜。原理是利用光波导中的倏逝场耦合作用使得相变材料薄膜在晶态和非晶态之间转变，不同结构和尺寸对支路中的偏振模态进行调节实现特定模式(TE/TM)的输出。目前来说，主要是利用相变材料的引入对波导中模式的有效折射率的调制。当相变材料薄膜附着在波导顶端且为晶态时，可以实现对TM模式的输入光保持低损耗传输而对TE模式产生截止的效果；当相变材料薄膜贴附在波导左右两侧且为晶态时，可以实现对TE模式的输入光保持低损耗传输而对TM模式产生截止的效果。

但目前的相变偏振器设计，只能实现对一种偏振模式(TE/TM)的选择作用，这大大降低了偏振选择器的应用多样性，因此，以相变光调制器为基础的多通道偏振器成为当下研究的热点。为了满足这种需求，选择了能够实现光束分离的多通道输出Y分支波导结构，并且，利用相变材料薄膜可以实现偏振态的调控的特性，提出一种基于相变材料调控的Y分支波导结构偏振分束器。通过调整相变材料的位置和尺寸对不同偏振光进行调制，有利于两种模态的定向输出，促进了光偏振调制器和未来光器件的发展。

发明内容

针对现有存储器的缺陷和改进需求，本发明提出一种基于相变材料调控的Y分支波导结构偏振分束器，目的在于减小器件尺寸，提升器件的多功能化。为了解决上述技术问题，本发明主要提供了如下技术方案。

本发明首先提供了一种用于光偏振调制器的相变材料X_mSb_nTe_k。其中，作为优选，所述相变材料中X为硫系元素，所述的相变材料薄膜不限于：Ge₂Sb₂Te₅、Ge₁Sb₂Te₄、GeTe、Sb₂Te₃、Sc_0.2Sb₂Te₃此类硫系相变材料。

进一步优选X＝Ge,m＝2,n＝2,k＝5；X＝Sc,m＝0.2,n＝2,k＝3。

进一步的，采用磁控溅射的方法制备所述的相变材料薄膜。

进一步的，一种基于相变材料调控的Y分支波导结构偏振分束器，其特征在于，利用相变材料薄膜与波导有效折射率的变化进行模式的选择；包括衬底、Y分支光波导和相变材料薄膜，在衬底上设有Y分支光波导，在Y分支光波导的一个分支的上表面涂覆一层相变材料薄膜，此分支记为输出1分支；在Y分支光波导的另一个分支的左右两侧各涂覆一层相变材料薄膜，此分支记为输出2分支；对Y分支波导中光的模态进行调制。

Y分支光波导分三部分，第一部分为为Y的总汇段用于输入，中间部分为V形结构，与第一部分形成Y结构，第三部分为与V形结构的末端各延伸出一段与总汇段平行的输出端；Y分支光波导分支上的相变材料薄膜为别位于输出端靠近V形结构的一端处。Y分支光波导的截面均为长方形结构。

作为优选，相变材料薄膜的长小于输出端的长度，优选为1000nm。

作为优选，贴附在输出1分支上表面的相变材料薄膜宽度与对应的输出端的宽相等，此相变材料薄膜的厚度选择为25nm。

作为优选，贴附在输出1分支左右两侧的相变材料薄膜高度与对应的输出端的高度相等，此相变材料薄膜的厚度选择为30nm。

作为优选，Y分支光波导的高度即厚度选择为340nm，每一段的宽度选择为500nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果

本发明提出了一种基于相变材料调控的Y分支波导结构偏振分束器，相变材料薄膜为晶态时，薄膜的不同尺寸使得波导截面具有不同的有效折射率，通过调节合适的尺寸保证一种模式的低损耗传输，另一种模式被截止，从而实现不同模式的分离输出。这种基于相变材料的偏振分束器有利于器件的小尺寸发展，相变材料的非易失性有利于器件的低能耗，对未来大规模集成和低能耗具有重要的应用价值。

本发明基于Si波导和相变材料的非易失性超快相变偏振分束器，实现器件的低损耗和微型化，设计结构简单，便于集成，为未来全光器件的发展奠定了基础。

附图说明

图1是一种基于相变材料调控的Y分支波导结构偏振分束器结构示意图；

图2是所设计的偏振分束器的不同TE/TM偏振模式的示意图；

图3是所设计的偏振分束器分离TM模式的示意图；

图4是所设计的偏振分束器分离TM模式的示意图；

其中：1为衬底、2为光波导、3和4为相变材料薄膜层。

具体实施方式

为了更加清晰的解释本发明的目的，原理以及技术方案，下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明。应当理解，本实例只适用于对本发明进行进一步的详细说明，并不用于限定本发明，不能理解为对本发明保护范围的限制。

需要说明的是，本实例所提供的图示仅说明本发明的基本构象，形状及尺寸可随意的改变，且组件布局形态也可能更复杂。

本发明利用倏逝波将相变材料从非晶态转变为晶态，利用波导中的有效折射率对偏振模式进行调控，实现模式的分离输出。

如图1所述，一种基于相变材料调控的Y分支波导结构偏振分束器结构示意图，包括衬底1、光波导2、相变材料薄膜层3和4(X＝Ge,m＝2,n＝2,k＝5；X＝Sc,m＝0.2,n＝2,k＝3；等)。其中，光波导的厚度选择为340nm，宽度选择为500nm。输出1分支上的相变材料薄膜宽500nm,长1000nm，厚度为25nm,输出2分支上的相变材料薄膜宽30nm,长1000nm，厚度为340nm。

实施例1

(1)利用电子束曝光和反应离子刻蚀制备所述的Y分支光波导结构，通过磁控溅射和溅射窗口的方法沉积相变材料薄膜。

(2)通过一个输入光对Y波导的两个分支上的相变材料的相态实现从非晶到晶态的转变。

(3)通过模拟分析波导中输入端口的TE/TM偏振模态。

(4)过模拟分析Y分支波导中的光传输行为，当输入光为TM偏振态时，输入到两分支波导中的光在输出1端口实现低损耗传输，在输出2端口实现截止如图3所示。

(5)当输入光为TE偏振态时，输入到两分支波导中的光在输出2端口实现低损耗传输，在输出1端口实现截止如图4所示。

(6)基于以上实现了对输入的TE和TM偏振态的分束，相变材料的结晶态对光信号的耦合作用有着一定的调制作用，对片上多级调控具有很大的应用价值。

以上所述的具体描述，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的说明，以上所述只是本发明的具体实施案例，并不限定于本发明的保护范围。凡是本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。