平面光波导偏振器的设计及其结构

摘要

本发明是利用光子晶体理论设计的一种新型平面光波导偏振器。现有波导偏振器由于传输损耗大,消光比低,所以在集成光学中并不实用。本发明用光子晶体理论先设计高反膜系,然后引入缺陷层,再调节缺陷层的参数,使得不同偏振态光的缺陷态对应的波长不同。本发明设计的平面波导偏振器可以是在硅衬底上用两套全同的多晶Si/非晶SiO2多层膜夹一层非晶SiO2芯层,利用不同偏振态的光对波导的透射率的显著不同而使自然光在经过很短的传输距离后就可获得很高的消光比,并且传输损耗很小。理论分析和实验结果都证明此种光波导偏振器不仅制备简单,能与硅平面集成工艺兼容,而且具有良好的传输特性和高的消光比。

说明书

技术领域

本发明是一种新型光通讯技术基础器件——平面光波导偏振器的设计及其结构。

背景技术

随着信息和通讯技术的迅速发展，光波导偏振器因为其构造的简单和易于集成化而受到重视。目前已经报道的波导偏振器有：传统的金属覆层波导偏振器，利用双折射材料作芯层或覆层的波导偏振器和利用不对称多层膜构建的波导偏振器。其中金属覆层波导偏振器的传输损耗较大，双折射材料制成的波导偏振器和不对称多层膜构建的波导偏振器都需要较长的传输距离才能获得相当的消光比。因此它们在集成光学中并不真正实用。

发明内容

本发明的目的是研制一种结构简单，与硅平面工艺兼容并且具有良好传输特性和高消光比的平面光波导偏振器。

本发明基于一维光子晶体理论。其基本的原理是预先通过传输矩阵方法计算选择合适的参数，在一维光子晶体中引入缺陷而局域特定波长和特定偏振态的光，从而使缺陷中传输的光具有可导性和单一的偏振态，于是就获得了波导偏振器。 

设波导偏振器的工作波长为λ₀。设计工作的第一步是设计出在较大入射角范围内都能有较大禁带宽度的高反膜系，其禁带中心波长为工作波长λ₀。这种高反膜系是周期性的多层膜，例如可以采用典型的λ₀/4膜系，即每一周期中的每一层的光学厚度都是λ₀/4。经过此步设计出的多层膜可以认为是有限周期的一维光子晶体。其周期数可以根据实际情况而定。在综合考虑高反射率和工艺可行性的基础上，一般可以取总周期数为10-20。

第二步是引入缺陷从而形成可导的光局域态。根据光子晶体的理论可知，局域态的出现在透射谱上表现为在某一特定波长处透射率出现尖峰，这是光对缺陷层的共振透射引起的；在实际操作上，缺陷的引入可以通过在光子晶体中加入一层光学厚度与其他层不一致的膜层，例如变化其中某一层的厚度或沉积一层其它材料的膜层。一般都使缺陷层的折射率低于两边膜层的折射率，这样可使反射率在大入射角时也有大的值，利于光在缺陷层中的可导传输。缺陷层的折射率和厚度的确定要经过多次的尝试。最终的结果应使得对应某一偏振态而言，因缺陷引入的在禁带中出现的光局域态对应的波长刚好是λ₀。同时另一偏振态的局域态波长应尽量远离λ₀。因为在一维光子晶体中局域态就是导模，因此当入射光波长选定为λ₀时，经过一定传输距离之后，输出的光将是完全线偏振的。

本发明的设计过程大致分为设计高反膜，然后引入缺陷层，从而形成波导。再调节缺陷层的参数，例如调节折射率或物理厚度，使得不同偏振态光的缺陷态(局域态)对应的波长不同。这样在某局域态对应的波长光的照射下，经过一段距离的传输后，从导波层出来的光将是线偏振的。

本发明的结构是生长在硅衬底上的一个有限周期的一维缺陷光子晶体(见图1)。它由硅衬底层，2套对称于芯层的有限周期的多层膜和夹在当中充当导波层的缺陷层所组成。其中，多层膜由多晶Si和非晶SiO₂组成，厚度分别是0.008μm-0.4μm和0.02μm-1.0μm。当中的缺陷层为非晶SiO₂层，厚0.1μm-4.5μm。多品Si和非晶SiO₂的周期数是2-10。

上述波导偏振器的多晶Si/非晶SiO₂多层膜的周期数可以是2-10，既提高制备效率，又不降低产品性能。

上述波导偏振器的多晶Si/非晶SiO₂多层膜的厚度分别是0.008-0.3μm和0.02-1.0μm，偏振器的性能也会令人满意。

上述波导偏振器制备时，先清洁硅衬底，然后在衬底上用磁控溅射技术重复交替生长多晶Si层和非晶SiO₂层直至所需的周期数。再在此多层膜上生长导波层的SiO₂膜，再覆盖Si/SiO₂多层膜作覆层即可。其尺寸大小可以根据需要而定。

对此结构的波导偏振器进行模式分析时，本发明采用了光学中常用的传输矩阵方法。由于它是一个有缺陷的一维光子晶体，因此必然会在原来的禁带中出现局域模。而此局域态又会因为这里光子晶体有限的周期数而耦合到外界空间中，形成共振模。于是只要找到共振模就找到了局域模，也就是导模。图2和图3分别给出了对入射光是TE和TM偏振时波导的透射谱。在TE波的透射谱上出现了一条明显对应局域模的共振透射区，由它可以找出模角。而对TM波，其与TE波局域模对应的区域是透过区。TE和TM偏振态在此区域的透过率的差别正是此波导具有模式选择性的根源。选择适当的参数，就可以让波导偏振器工作在需要的波长范围。

计算例1

预设工作波长为1.3μm，此处多晶Si和非晶SiO₂的折射率分别为3.5和1.45。取其厚度分别为0.11和0.25μm，总周期数为8×2＝16。计算表明此种多层膜(无芯层)从1.0到1.8μm的波长内，入射角在很大的范围内变化，反射率都大于99％。然后引进非晶SiO₂芯层，最终确定其厚度1.16μm。用传输矩阵方法计算得的膜系的透射谱如图1和图；各膜层中的平均光场分布如图4、5。本发明结构再一次体现出TE波在波导中的良好的局域性。利用时域有限差分方法模拟TE和TM波在波导中的传输如图6、7。它又一次证明了TE波的可导性和TM波的耗散性。

TE/TM消光比和传输损耗都可以从图6、7中得出。取40μm的传输距离计算，它们分别是约40dB和0.1dB。此数据表明，这种偏振器具有良好的传输特性和高的消光比，适合于现代的光集成技术。

计算例2

与计算例1类似，针对导波波长1.55μm，选取多层膜中多晶Si和非晶SiO₂的厚度是分别0.13和0.30μm，芯层厚度1.38μm，总周期数8×2＝16。计算和模拟的结果显示在这种参数条件下，只有TE有很好的局域性和可导性，其传输损耗很小，消光比较高。

本发明结构的波导偏振器，工艺简单，尤其可与硅平面集成工艺相兼容，并具有优良的传输特性和高的消光比。因此无论从工艺制备上还是结构性能上均为光电集成技术提供了广阔的应用前景。

附图说明图1是本发明的平面光波导偏振器的结构图。图2是TE波对波导的透射谱图。图3是TM波对波导的透射谱图。图4是TE波在波导各膜层中平均电场能量的分布图。图5是TM波在波导各膜层中平均电场能量的分布图。图6是用时域有限差分方法模拟的TE波在波导中的传输特性图。图7是用时域有限差分方法模拟的TM波在波导中的传输特性图。

上述图中1是硅衬底，2和4是非晶SiO₂，3是多晶硅，5是循环周期层。

具体实施方式

实  施  例1：

根据前述方法，取高反膜的周期为3，工作波长λ₀为1.3μm，在清洁的硅衬底上用双靶轮溅技术制备了多晶Si(0.11μm)/非晶SiO₂(0.25μm)，中间芯层厚度1.16μm，周期数是8。通过计算机模拟和实验证明此种结构的光波导偏振器具有良好的传输特性和高的消光比。

实  施  例2：

取高反膜的周期为18，工作波长λ₀为1.55μm。用上述方法制备了多晶Si(0.131μm)/非晶SiO₂(0.30μm)，中间芯层厚度1.38μm，多晶Si/非晶SiO₂重复周期是18，经测试，该结构的偏振器也获得了满意的效果。

实  施  例3：

取高反膜的周期为18，工作波长λ₀为5.0μm。制备了多晶Si(0.4μm)/非晶SiO₂(1.0μm)，芯层厚度4.5μm，重复周期数10，也获得了性能良好的波导偏振器。