一种硅基双段式槽波导偏振旋转器和偏振旋转方法技术

本发明专利技术提出一种硅基双段式槽波导偏振旋转器和偏振旋转方法，包括槽波导和尺寸相同的第一至第四条形波导；第一、第二条形波导为一组形成第一偏振旋转区，第三、第四条形波导为一组形成第二偏振旋转区，第一、第二偏振旋转区顺次连接；成为一组的两条形波导分置槽波导两侧，且第一、第三条形波导位于槽波导的同一侧，第二、第四条形波导位于槽波导的另一侧；第一、第四条形波导顶面与槽波导顶面平齐，第二、第三条形波导底面与槽波导底面相平齐。对于包含任意偏振态的输入光信号在经过该器件的第一和第二偏振旋转区之后，在输出端能够输出与之正交的另一偏振态光信号，从而实现偏振旋转的功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成光学
，具体涉及一种硅基双段式槽波导偏振旋转器和偏振旋转方法。
技术介绍
光子集成回路技术近年来飞速发展，特别是基于绝缘体上硅(Silicon-on-insulator,SOI)材料平台，在构建片上超紧凑、高性能、低功耗、低成本的光集成器件和系统方面受到了研究人员的广泛关注。但是SOI材料固有的高折射率差特性不可避免地会给器件和系统的设计带来明显的结构双折射效应，产生强烈的偏振相关性，这将极大地限制光子集成回路在片上光通信中的大规模商业化应用。为此，片上偏振分集方案被提出用以实现偏振透明传输，而偏振分束器和旋转器是其中的必备部件。针对偏振旋转器，目前研究人员已经提出了众多的器件方案，包括采用非对称定向耦合器、非对称倾斜波导、亚波长狭缝、光子晶体结构和电光/磁光材料等，用以改变结构或者材料的垂直对称性，进而实现偏振态旋转的功能。现阶段偏振旋转器还存在一些问题，特别是尺寸较大、偏振旋转效率较低和对工艺制作要求较高等，所以需要找寻新的方法以有效提高器件的整体性能，为实现片上高密度偏振无关传输及高速偏振复用传输奠定基础。最近，一种新颖的波导结构—槽波导被提出，基于其特殊的结构，能够获得显著的场增强效应和局域场分布特性。如今，这种波导已经被用于多种有源和无源器件中，包括：有机混合光调制器、定向耦合器、微环谐振器、多模干涉耦合器、分束器和传感器等。在这些器件中，主要利用了槽波导的场增强效应模式，以有效提高器件的灵敏度、耦合效率、工作带宽等。考虑到槽波导也是偏振敏感性结构，其偏振相关性甚至比普通的硅基纳米线更强，所以在利用槽波导构建片上光子集成回路时，偏振管理是一个急需解决的关键问题，在实际运用中，我们需要将槽波导的另一个偏振模式转为具有场增强效应的模式，从而使得其在功能器件中的优势更加明显。据此，针对槽波导，设计一种具有尺寸小、工作带宽大、偏振旋转效率高、插入损耗低的偏振旋转器显得十分重要。
技术实现思路
专利技术目的：为解决上述技术问题，提供一种尺寸小、工作带宽大、偏振旋转效率高、插入损耗低的偏振旋转器，本专利技术提出一种硅基双段式槽波导偏振旋转器和偏振旋转方法。技术方案：为实现上述技术效果，本专利技术提出的技术方案为：一种硅基双段式槽波导偏振旋转器，它包括槽波导和尺寸相同的第一条形波导4、第二条形波导5、第三条形波导6、和第四条形波导7；所述槽波导延长度方向分为输入槽波导1、传输槽波导2和输出槽波导3；传输槽波导2沿长度方向均分为两段：第一传输段和第二传输段，其中，第一传输段两侧分别设有位置相对的第一条形波导4和第二条形波导5，第一条形波导4的顶面与传输槽波导2顶面相平齐，第二条形波导5的底面与传输槽波导2底面相平齐；第二传输段两侧分别设有位置相对的第三条形波导6和第四条形波导7，第三条形波导6的底面与传输槽波导2底面相平齐，第四条形波导7的顶面与传输槽波导2顶面相平齐；第一条形波导4和第三条形波导6位于传输槽波导2的同一侧，第二条形波导5和第四条形波导7位于传输槽波导2的另一侧。进一步的，所述槽波导由两根平行的硅基纳米线组成，两根硅基纳米线之间形成微槽。进一步的，所述硅基纳米线的宽度为200nm，两根硅基纳米线之间的微槽宽度为100nm～120nm，第一至第四条形波导的长度为3.0μm～3.6μm。进一步的，还包括衬底8和包层9，所述槽波导和第一至第四条形波导均设置在衬底8上并包裹在衬底8和包层9之间。本专利技术还提出一种偏振旋转方法，该方法包括步骤：(a)构建如权利要求1至4所述的任意一项硅基双段式槽波导偏振旋转器；传输槽波导2的第一传输段、第一条形波导4和第二条形波导5构成第一偏振旋转区；传输槽波导2的第二传输段、第三条形波导6和第四条形波导7构成第二偏振旋转区；(b)将横磁模/横电模光信号从输入槽波导1输入，依次经过第一偏振旋转区和第二偏振旋转区；其中，第一偏振旋转区将输入光信号的光轴方向顺时针旋转角度形成第一次偏振旋转信号；第二偏振旋转区将第一次偏振旋转信号逆时针旋转角度形成光轴方向相对于初始输入的光信号逆时针旋转了角度的第二次偏振旋转信号并从输出槽波导3输出；若从输入槽波导1输入的信号为横磁模光信号，则输出槽波导3输出的信号为横电模光信号；若从输入槽波导1输入的信号为横电模光信号，则输出槽波导3输出的信号为横磁模光信号。进一步的，所述有益效果：1、插入损耗低、偏振旋转效率高。本专利技术在槽波导的两侧按一上一下的方式加入了两个条形波导，并且在纵向引入了两段级联的波导结构(第二段中两条形波导的位置与第一段刚好相反)。由于所加入的条形波导的尺寸小，只用于改变模场光轴的方向，并且波导的长度短(单段仅为3.0μm～3.6μm)，使得器件的插入损耗较低。此外通过双段结构的优化设计，可以实现输入偏振态在输出端90°的旋转，具有偏振旋转效率高的优点。2、尺寸小、偏振旋转区长度短。如上所述，整个器件的偏振旋转区长度仅为6.0μm～7.2μm，利于实现器件的紧凑型设计和片上密集集成。3、器件制造相对容易。本专利技术器件的特征尺寸(最小尺寸)为100nm，即槽波导中间的微槽宽度，其完全兼容目前CMOS工艺线的尺寸许可，进而借助成熟的CMOS工艺线可以相对容易和高效地制造该器件。附图说明图1为本专利技术实施例的结构示意图；图2为实施例中槽波导结构的横截面图；图3为实施例中第一偏振旋转区结构的横截面图；图4为实施例中第二偏振旋转区结构的横截面图；图5为实施例中偏振态光轴方向在经过第一偏振旋转区后的变化图；图6为实施例中偏振态光轴方向在经过第二偏振旋转区后的变化图；图7为实施例中器件的偏振旋转效率和插入损耗与工作波长的变化关系图。图中：1、输入槽波导，2、传输槽波导，3、输出槽波导，4、第一条形波导，5、第二条形波导，6、第三条形波导，7、第四条形波导，8、衬底，9、包层。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。如图1至图4所示为实施例一种硅基双段式槽波导偏振旋转器的结构图，它包括由两根硅基纳米线构成的槽波导和尺寸相同的第一条形波导4、第二条形波导5、第三条形波导6、和第四条形波导7；所述槽波导沿长度方向分为输入槽波导1、传输槽波导2和输出槽波导3；传输槽波导2沿长度方向均分为两段：第一传输段和第二传输段，其中，第一传输段两侧分别设有位置相对的第一条形波导4和第二条形波导5，第一条形波导4的顶面与传输槽波导2顶面相平齐，第二条形波导5的底面与传输槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅基双段式槽波导偏振旋转器，其特征在于，包括槽波导和尺寸相同的第一至第四条形波导(4，5，6，7)；所述槽波导沿长度方向分为输入槽波导(1)、传输槽波导(2)和输出槽波导(3)；传输槽波导(2)沿长度方向均分为两段：第一传输段和第二传输段，其中，第一传输段两侧分别设有位置相对的第一条形波导(4)和第二条形波导(5)，第一条形波导(4)的顶面与传输槽波导(2)顶面相平齐，第二条形波导(5)的底面与传输槽波导(2)底面相平齐；第二传输段两侧分别设有位置相对的第三条形波导(6)和第四条形波导(7)，第三条形波导(6)的底面与传输槽波导(2)底面相平齐，第四条形波导(7)的顶面与传输槽波导(2)顶面相平齐；第一条形波导(4)和第三条形波导(6)位于传输槽波导(2)的同一侧，第二条形波导(5)和第四条形波导(7)位于传输槽波导(2)的另一侧。

【技术特征摘要】
1.一种硅基双段式槽波导偏振旋转器，其特征在于，包括槽波导和尺寸相同的第
一至第四条形波导(4，5，6，7)；所述槽波导沿长度方向分为输入槽波导(1)、传输
槽波导(2)和输出槽波导(3)；传输槽波导(2)沿长度方向均分为两段：第一传输段
和第二传输段，其中，第一传输段两侧分别设有位置相对的第一条形波导(4)和第二
条形波导(5)，第一条形波导(4)的顶面与传输槽波导(2)顶面相平齐，第二条形波
导(5)的底面与传输槽波导(2)底面相平齐；第二传输段两侧分别设有位置相对的第
三条形波导(6)和第四条形波导(7)，第三条形波导(6)的底面与传输槽波导(2)
底面相平齐，第四条形波导(7)的顶面与传输槽波导(2)顶面相平齐；第一条形波导
(4)和第三条形波导(6)位于传输槽波导(2)的同一侧，第二条形波导(5)和第四
条形波导(7)位于传输槽波导(2)的另一侧。
2.根据权利要求1所述的一种硅基双段式槽波导偏振旋转器，其特征在于，所述
槽波导由两根平行的硅基纳米线组成，两根硅基纳米线之间形成微槽。
3.根据权利要求2所述的一种硅基双段式槽波导偏振旋转器，其特征在于，所述
硅基纳米线的宽度为200nm，两根硅基纳米线之间的微槽宽度为100nm～120nm，第一至
第四条形波导(4，5，6，7)的长度为3.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖金标，徐银，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32