專利名稱：一種偏振分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于硅基狹縫波導(dǎo)以及混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振分束器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的介質(zhì)光波導(dǎo)通常以高折射率材料作為波導(dǎo)芯，以低折射率材料作為包層，光場主要被限制在波導(dǎo)芯中傳輸。盡管也有研究學(xué)者們提出譬如用光子晶體來實現(xiàn)對光的約束，但其導(dǎo)光機制是基于光子帶隙原理，事實上，我們更多的是采用類似如傳統(tǒng)波導(dǎo)中基于全反射導(dǎo)光原理的結(jié)構(gòu)。近幾年來，硅基波導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展在集成光子技術(shù)中引起越來越多的關(guān)注。它的應(yīng)用領(lǐng)域包括光互連、光通信、光傳感等方面。此外，由于可與標準的CMOS工藝相兼容，具有非常廣闊的市場前景。更為重要的是，由于硅基波導(dǎo)打破了光的衍射極限，因而相關(guān)器件的尺寸可以相對較小。然而，硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中由于芯和包層材料的巨大折射率差導(dǎo)致這種硅基波導(dǎo)的相關(guān)器件具有很強的偏振依賴特性。為解決這種偏振依賴特性的缺點，科學(xué)家們分別提出了諸如偏振旋轉(zhuǎn)器，偏振分束器以及偏振器等等相關(guān)器件。但作為偏振分束器的相關(guān)研究還不成熟，主要體現(xiàn)在以下幾個方面一是器件的消光比較低，二是器件的工作帶寬比較窄，三是器件的尺寸的比較大，不利于器件的高度集成化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于狹縫波導(dǎo)以及混合等離子波導(dǎo)偏振分束器件。水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)構(gòu)成該偏振分束器的兩個波導(dǎo)芯，由于混合等離子波導(dǎo)的引入，使得該波導(dǎo)芯兩個偏振方向的模式有效折射率差比較大(TM模有效折射率大于TE模有效折射率)，利于實現(xiàn)偏振分束；水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)同樣使得該芯的兩個偏振方向的模式有效折射率差比較大(TE模有效折射率大于TM模有效折射率)。通過兩個波導(dǎo)的耦合實現(xiàn)了兩偏振光的分離。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種硅偏振分束器，由基底層，水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、空氣覆層組成，所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等長、等高、等寬，并對稱的沉積在基底層上，所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間相隔一定厚度的空氣間隙；所述空氣覆層包圍在所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)周圍；所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由寬度相同的第二高折射率介質(zhì)層、第二低折射率介質(zhì)層和第三高折射率介質(zhì)層疊加組成；所述混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由寬度相同的第一高折射率介質(zhì)層、第一低折射率介質(zhì)層和金屬層疊加組成；所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬度為所傳輸光信號的波長的O. 14-0. 35倍；所述第一高折射率介質(zhì)層、第二高折射率介質(zhì)層、第三高折射率介質(zhì)層和金屬層的高度均為所傳輸光信號的波長的O. 06-0. 2倍；所述第一低折射率介質(zhì)層和第二低折射率介質(zhì)層的高度均為所傳輸光信號的波長的O. 01-0. 05倍。所述第一高折射率介質(zhì)層，第二高折射率介質(zhì)層、第三高折射率介質(zhì)層的折射率與基底層的折射率的差值不小于。所述第一低折射率介質(zhì)層的折射率與基底層的折射率的差值不大于O. 01。所述的第二低折射率介質(zhì)層的折射率與基底層的折射率的差值范圍為O. 07-0. 7。所述的金屬層5由金或銀組成。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明同時引入水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)兩種結(jié)構(gòu)后，由于兩種波導(dǎo)都能產(chǎn)生較大的折射率差，為實現(xiàn)偏振光的分離提供便利。此外，狹縫波導(dǎo)和等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)均呈三明治結(jié)構(gòu)，中間層可以填充材料的選擇性比較大，大大豐富了器件的應(yīng)用范圍。此外，兩種波導(dǎo)所產(chǎn)生較大的折射率差是導(dǎo)致器件尺寸短的一個關(guān)鍵因素，最終實現(xiàn)光路的聞度集成化。



圖1為本發(fā)明的一種實施例的橫截面示意 圖2為水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)兩個獨立波導(dǎo)芯的模式有效折射率曲線； 圖3為傳輸過程中的模場分布 圖4為兩波導(dǎo)芯中的能量隨著傳輸距離的變化曲線；
圖5為偏振分束器的消光比與波長的關(guān)系曲線；
其中，1-基底層、2-空氣覆層、3-第一高折射率介質(zhì)層、4-第一低折射率介質(zhì)層、5-金屬層、6-第二高折射率介質(zhì)層、7-第二低折射率介質(zhì)層、8-第三高折射率介質(zhì)層。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。圖1是本發(fā)明所述基于水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)偏振分束器橫截面示意圖。其由基底層1，水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、空氣覆層2組成，所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等長、等高、等寬，并對稱的沉積在基底層I上，所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間相隔一定厚度的空氣間隙；所述空氣覆層2包圍在所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)周圍；所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由寬度相同的第二高折射率介質(zhì)層6、第二低折射率介質(zhì)層7和第三高折射率介質(zhì)層8疊加組成；所述混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由寬度相同的第一高折射率介質(zhì)層3、第一低折射率介質(zhì)層4和金屬層5疊加組成；
由于所述的水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬度必須保證在納米尺寸范圍內(nèi)，因而不宜過大。同時，為保證水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中能夠存在傳輸?shù)哪Ｊ?，其寬度不能過??；綜合考慮，水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬度Wj應(yīng)在O.1ro. 35倍的光波長λ之間，即O. 35 λ彡力彡O. 5 λ。又由于所述第一高折射率介質(zhì)層3，第二高折射率介質(zhì)層6、第三高折射率介質(zhì)層8和金屬層5的高度Ill不能過大也不能過小，因為過大或過小都會影響波導(dǎo)芯中模式的有效折射率值。此外，所述第一高折射率介質(zhì)層3，第二高折射率介質(zhì)層6、第三高折射率介質(zhì)層8和金屬層5的高度Ill決定于水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬度Wl。綜合考慮，所述第一高折射率介質(zhì)層3，第二高折射率介質(zhì)層6、第三高折射率介質(zhì)層8和金屬層5的高度均為所傳輸光信號的波長的O. 06-0. 2倍；
所述第一低折射率介質(zhì)層4和第二低折射率介質(zhì)層7的高度h2過大或過小都會對波導(dǎo)芯中存在的兩個偏振方向的模式有效折射率影響較大，甚至導(dǎo)致其中一個偏振方向的模式損耗過大。綜合考慮匕應(yīng)為所傳輸光信號的波長的O. 01-0. 05倍。所述第一高折射率介質(zhì)層3，第二高折射率介質(zhì)層6、第三高折射率介質(zhì)層8的折射率與基底層I的折射率的差值不小于2 ；
從偏振分束的原理得知，要實現(xiàn)兩個偏振方向的光有效分離，對其模式有效折射率大小的調(diào)節(jié)顯得尤為重要，特別地，介質(zhì)層4和介質(zhì)層7折射率的選擇對波導(dǎo)芯中模式折射率的影響比較大。優(yōu)選地，所述第一低折射率介質(zhì)層4的折射率與基層I的折射率的差值不大于O. 01 ;所述的第二低折射率介質(zhì)層7的折射率與基層I的折射率的差值范圍為O. 07-0. 7。雙芯波導(dǎo)結(jié)構(gòu)基底層I材料為純石英，包層材料空氣。我們計算了雙芯波導(dǎo)的模式有效折射率，很明顯，由于兩波導(dǎo)TM模的有效折射率在一定的波長范圍內(nèi)比較接近，且在工作波長為λ =1.55 Mffl時兩曲線相交，折射率差為零也即相位匹配。而TE模有效折射率在所給的波長范圍內(nèi)相差很大(大于O. 25)，因此能量完全不耦合，如圖2所示。進一步，我們給出了一個特殊情況，即工作波長為λ =1.55 Mffl時兩波導(dǎo)芯的超模(如圖3所示)，從圖3中很明顯可以看出，TE模因為巨大的折射率致使模場分別被限制在各自波導(dǎo)中，而TM不同，它形成超模(奇模和偶模)分布在兩個波導(dǎo)芯中，從而證實了我們想法的正確性。圖4給出了由水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)芯中輸入一束光(TE和TM)，能量在兩波導(dǎo)中傳輸情況。很明顯，TM模由于相位匹配，能量在兩個波導(dǎo)中周期性的能量轉(zhuǎn)化，并定義為傳輸一個周期的長度為波導(dǎo)的耦合長度；ΤΕ模由于相位不匹配，仍會從輸入端輸出。同時，我們還計算出了該偏振分束裝置長度為5 Mffl時的消光比和帶寬如圖5所示。從圖中可以看出，在波長λ=1. 55 Mm, ERte=-27 dB, ERTM=_56 dB，并且有λ =1. 5 Mm 1. 6 Mm達到100 nm的帶寬范圍內(nèi)分光比ERte和ERtm均低于-20 dB。
權(quán)利要求
1.一種偏振分束器，由基底層(1)，水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、空氣覆層(2組成，其特征在于所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等長、等高、等寬， 并對稱的沉積在基底層(I)上，所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間相隔一定厚度的空氣間隙；所述空氣覆層(2)包圍在所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)周圍；所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由寬度相同的第二高折射率介質(zhì)層(6)、第二低折射率介質(zhì)層(7)和第三高折射率介質(zhì)層(8)疊加組成；所述混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由寬度相同的第一高折射率介質(zhì)層(3)、第一低折射率介質(zhì)層(4)和金屬層(5)疊加組成；所述水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的寬度為所傳輸光信號的波長的O. 14-0. 35倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種偏振分束器，其特征在于，所述第一高折射率介質(zhì)層 (3)、第二高折射率介質(zhì)層(6)、第三高折射率介質(zhì)層(8)和金屬層(5)的高度均為所傳輸光信號的波長的O. 06-0. 2倍；所述第一低折射率介質(zhì)層(4)和第二低折射率介質(zhì)層(7)的高度均為所傳輸光信號的波長的O. 01-0. 05倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種偏振分束器，其特征在于，所述第一高折射率介質(zhì)層(3)、第二高折射率介質(zhì)層(6)、第三高折射率介質(zhì)層(8)的折射率與基底層(I)的折射率的差值不小于2。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種偏振分束器，其特征在于，所述第一低折射率介質(zhì)層(4)的折射率與基底層(I)的折射率的差值不大于O.01。
5.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種偏振分束器，其特征在于，所述的第二低折射率介質(zhì)層(7)的折射率與基底層(I)的折射率的差值范圍為O. 07-0.7。
6.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種偏振分束器，其特征在于，所述的金屬層(5)由金或銀組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種偏振分束器。該偏振分束器由兩個波導(dǎo)芯構(gòu)成，分別是水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由類似三明治結(jié)構(gòu)組成，其中混合等離子波導(dǎo)由第一高折射率介質(zhì)層、第一低折射率介質(zhì)、金屬層組成，水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由依次沉積在基底層上的第二高折射率介質(zhì)層、第二低折射率介質(zhì)層、第三高折射率介質(zhì)層組成，水平狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和混合等離子波導(dǎo)之間相隔一定厚度的空氣間隙。本發(fā)明利用兩種波導(dǎo)偏振特性的不同，增大了混合等離子波導(dǎo)中兩偏振模式的折射率差，為實現(xiàn)高消光比、寬帶寬以及小尺寸的偏振分束器件提供方案。
文檔編號G02B6/126GK103018832SQ20121058391
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者孫兵, 陳明陽, 張永康 申請人:江蘇大學(xué)