一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器，该检偏器由下至上依次为硅基衬底(8)、掩埋氧化层(9)、检偏部件(14)和上包层(10)，其中掩埋氧化层(9)生长于硅基衬底(8)的上表面，上包层(10)覆盖掩埋氧化层(9)的上表面，检偏部件(14)水平生长于掩埋氧化层(9)的上表面，并被上包层(10)覆盖；所述检偏部件(14)包括输入通道(1)、右路直通通道(2)、输出通道(3)、左路直通通道(5)、左路弯曲通道(6)和左路水平通道(7)。该检偏器有效降低了检偏器的插入损耗，提高了器件消光比，缩短了器件的尺寸。

A silicon based TE mode analyzer based on asymmetric directional coupler

The invention discloses a silicon based TE mode detection asymmetric directional coupler based on the polarizer, polarizer followed from silicon substrate (8), a buried oxide layer (9), the analyzer (14) and upper cladding (10), the buried oxide layer (9) the growth in the silicon substrate (8) on the surface of the upper clad layer (10) covering the buried oxide layer (9) on the surface of the analyzer (14) the level of growth in the buried oxide layer (9) on the surface, and upper cladding layer (10) covering the analyzer (; 14) including input channel (1), right through the channel (2), output channel (3), left (5), the left channel through curved channel (6) and the left horizontal channel (7). The analyzer effectively reduces the insertion loss of the analyzer, improves the extinction ratio of the device and shortens the size of the device.

【技术实现步骤摘要】
一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器
本专利技术涉及一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器，属于集成光学

技术介绍
近几年，绝缘硅片(SOI)材料系由于兼容成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺、能有效降低器件的尺寸等优点而广受关注。但是SOI材料中包层和芯层折射率差较大而带来的双折射现象大大制约了这种材料系在集成光子学中更广泛、更深入的应用，为了缓解双折射带来的负面影响，多种偏振处理器件被设计并制造出来。其中，检偏器因为能消除光路中不需要的偏振光而被广泛地应用到光子回路中；通常，模式检偏器分为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，基于混合等离子波导结构的模式检偏器逐渐成为研究的热点，因为基于该结构的器件与SOI材料系兼容且展现出较为优秀的性能，但是由于金属材料的引入，混合等离子波导的欧姆损耗相比介质波导的传输损耗要大很多，所以基于单一混合等离子波导结构的模式检偏器插入损耗普遍较高。因此，设计出一种具有紧凑结构、高消光比、工作带宽大且插入损耗较低的检偏器就很有必要。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器，该检偏器采用右路硅基水平槽式波导和左路混合等离子波导构成的非对称定向耦合器结构，将不同的偏振光分离开，其中TM光耦合到左路并完全耗散；这种方案有效降低了检偏器的插入损耗，提高了器件消光比，缩短了器件的尺寸。技术方案：本专利技术提供了一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器，该检偏器由下至上依次为硅基衬底、掩埋氧化层、检偏部件和上包层，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，检偏部件水平生长于掩埋氧化层的上表面，并被上包层覆盖；所述检偏部件包括输入通道、右路直通通道、输出通道、左路直通通道、左路弯曲通道和左路水平通道；右路直通通道的一端和输入通道相连、另一端和输出通道相连接；左路弯曲通道的一端和左路直通通道相连、另一端和左路水平通道相连接；其中，输出通道、左路弯曲通道位于同一端；输入通道、右路直通通道和输出通道均为硅基水平槽式波导，左路直通通道、左路弯曲通道和左路水平通道均为混合等离子波导；左路直通通道和右路直通通道平行且对齐摆放，两通道之间的距离为0.2～0.5μm，构成非对称定向耦合器结构。其中：所述的硅基水平槽式波导的结构为三明治结构，其中中间部分为低折射率材料层，上层和底层均为硅波导层；所述的混合等离子波导的结构为三明治结构，其中底层是硅波导层，中间部分为低折射率材料层，上层是金属覆盖层。所述的低折射率材料层的材料为二氧化硅或氮化硅，所述的金属覆盖层的金属材料为介电常数虚部值大于40的高损耗金属；所述的介电常数虚部值大于40的高损耗金属是指铬、铝、锌。所述的硅基水平槽式波导与混合等离子波导两者的尺寸满足以下条件：1)硅基水平槽式波导与混合等离子波导的TE模有效折射率实部相差大于0.2，相位失配；2)硅基水平槽式波导与混合等离子波导的TM模有效折射率实部相等，相位匹配。所述的左路弯曲通道的弯曲角度为30°～90°，弯曲半径为0.4～5μm，最优选弯曲角度为90°。所述的非对称定向耦合器结构的耦合长度LC满足下式：式中：λ为自由空间波长，表示硅基水平槽式波导和混合等离子波导构成的整体结构所支持的第0阶TM模的有效折射率，表示硅基水平槽式波导和混合等离子波导构成的整体结构所支持的第1阶TM模的有效折射率，Re表示取实部值，m为一正奇数。所述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厚的二氧化硅材料，所述的上包层的材料为二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或者空气。所述掩埋氧化层的厚度为2～3μm。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益效果：1、插入损耗低：TE偏振光因为相位失配而被限制在右路水平槽式波导中传输，并没有受到混合等离子波导欧姆损耗的影响，所以插入损耗较低，而且如调整结构参数，降低耦合距离，缩小器件尺寸，插入损耗能进一步地降低。2、工作带宽大：本专利技术中的模式检偏器需要满足的重要条件是水平槽波导的TE模式不符合定向耦合器的相位匹配条件而TM模却符合。而由于水平槽波导和混合等离子波导结构以及TM的模场分布均具有一定的相似性，通过合理设计结构参数，可以使得上述条件在较大带宽范围内成立，即该模式检偏器能在较大带宽范围内正常工作。3、消光比高：TE模式通过水平槽式波导几乎无损地传输，而TM模式能完全耦合到左路混合等离子波导中，然后经过弯曲波导和水平波导。选用损耗高的金属覆盖层材料，即金属的介电常数虚部值大于40，如铝、铬、锌，利用欧姆损耗，TM模式能量能在更短距离内完全耗散。所以，基于水平槽波导定向耦合器结构的TE模检偏器可以实现很高的消光比。附图说明图1为本专利技术实施例1中检偏部件结构示意图；图2为本专利技术实施例1中非对称的定向耦合器结构的横截面结构示意图；图3为本专利技术实施例1中混合等离子波导在低折射率材料层厚度不同的情况下TM0模的传输损耗(dB/μm)与波导宽度(μm)的变化关系图；图4为本专利技术实施例1中混合等离子波导(HPWG)和硅基水平槽式波导(SWG)在1.55μm处0阶模的有效折射率实部与波导宽度的变化关系图；图5为本专利技术实施例1中混合等离子波导(HPWG)和硅基水平槽式波导(SWG)中0阶模的有效折射率实部与工作波长的变化关系图；图6为本专利技术实施例1中非对称的定向耦合器结构在1.55μm处前两阶TM超级模的有效折射率实部和对应的耦合长度与波导间距之间的关系；图7为本专利技术实施例1中1.55μm工作波长处TE0模和TM0模的主分量在偏振旋转器中的传输图；图8为本专利技术实施例2改进的检偏部件的结构示意图；图中：输入通道1、右路直通通道2、输出通道3、非对称定向耦合器结构4、左路直通通道5、左路弯曲通道6、左路水平通道7、硅基衬底8、掩埋氧化层9、上包层10、硅波导层11、低折射率材料层12、金属覆盖层13、检偏部件14。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。实施例1如图1和图2所示，该检偏器由下至上依次为硅基衬底8、掩埋氧化层9、检偏部件14和上包层10，其中掩埋氧化层9生长于硅基衬底8的上表面，上包层10覆盖掩埋氧化层9的上表面，检偏部件14水平生长于掩埋氧化层9的上表面，并被上包层10覆盖；所述检偏部件14包括输入通道1、右路直通通道2、输出通道3、左路直通通道5、左路弯曲通道6和左路水平通道7；右路直通通道2的一端和输入通道1相连、另一端和输出通道3相连接；左路弯曲通道6的一端和左路直通通道5相连、另一端和左路水平通道7相连接；其中，输出通道3、左路弯曲通道6位于同一端；输入通道1、右路直通通道2和输出通道3均为硅基水平槽式波导，左路直通通道5、左路弯曲通道6和左路水平通道7均为混合等离子波导；左路直通通道5和右路直通通道2平行且对齐摆放，两通道之间的距离0.2～0.5μm，构成非对称定向耦合器结构4；所述的左路弯曲通道6的弯曲角度为90°，弯曲半径为1.5μm。图2是检偏器中非对称的定向耦合器结构的横截面结构示意图。耦合区域的左边是混合等离子波导，右侧是硅基水平槽式波导。硅基水平槽式波导的结构为三明治结构，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器，其特征在于：该检偏器由下至上依次为硅基衬底(8)、掩埋氧化层(9)、检偏部件(14)和上包层(10)，其中掩埋氧化层(9)生长于硅基衬底(8)的上表面，上包层(10)覆盖掩埋氧化层(9)的上表面，检偏部件(14)水平生长于掩埋氧化层(9)的上表面，并被上包层(10)覆盖；所述检偏部件(14)包括输入通道(1)、右路直通通道(2)、输出通道(3)、左路直通通道(5)、左路弯曲通道(6)和左路水平通道(7)；右路直通通道(2)的一端和输入通道(1)相连、另一端和输出通道(3)相连接；左路弯曲通道(6)的一端和左路直通通道(5)相连、另一端和左路水平通道(7)相连接；其中，输出通道(3)、左路弯曲通道(6)位于同一端；输入通道(1)、右路直通通道(2)和输出通道(3)均为硅基水平槽式波导，左路直通通道(5)、左路弯曲通道(6)和左路水平通道(7)均为混合等离子波导；左路直通通道(5)和右路直通通道(2)平行且对齐摆放，两通道之间的距离为0.2～0.5μm，构成非对称定向耦合器结构(4)。

【技术特征摘要】
1.一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器，其特征在于：该检偏器由下至上依次为硅基衬底(8)、掩埋氧化层(9)、检偏部件(14)和上包层(10)，其中掩埋氧化层(9)生长于硅基衬底(8)的上表面，上包层(10)覆盖掩埋氧化层(9)的上表面，检偏部件(14)水平生长于掩埋氧化层(9)的上表面，并被上包层(10)覆盖；所述检偏部件(14)包括输入通道(1)、右路直通通道(2)、输出通道(3)、左路直通通道(5)、左路弯曲通道(6)和左路水平通道(7)；右路直通通道(2)的一端和输入通道(1)相连、另一端和输出通道(3)相连接；左路弯曲通道(6)的一端和左路直通通道(5)相连、另一端和左路水平通道(7)相连接；其中，输出通道(3)、左路弯曲通道(6)位于同一端；输入通道(1)、右路直通通道(2)和输出通道(3)均为硅基水平槽式波导，左路直通通道(5)、左路弯曲通道(6)和左路水平通道(7)均为混合等离子波导；左路直通通道(5)和右路直通通道(2)平行且对齐摆放，两通道之间的距离为0.2～0.5μm，构成非对称定向耦合器结构(4)。2.如权利要求1所述的一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器，其特征在于：所述的硅基水平槽式波导的结构为三明治结构，其中中间部分为低折射率材料层(12)，上层和底层均为硅波导层(11)；所述的混合等离子波导的结构为三明治结构，其中底层是硅波导层(11)，中间部分为低折射率材料层(12)，上层是金属覆盖层(13)。3.如权利要求2所述的一种基于非对称定向耦合器的硅基TE模检偏器，其特征在于：所述的低折射率材料层(12)的材料为二氧...

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