基于纳米线波导的波长和偏振定向耦合器及其制造方法

摘要

本发明公开了一种基于纳米线波导的波长和偏振定向耦合器及其制造方法，方法包括步骤：采用折射率之差为1～2.5的两种材料搭配制造纳米线波导，纳米线波导的宽度为200～350纳米；将两根纳米线波导按照250～600纳米的中心间距平行布置，形成3～6.5微米长的耦合区域；将两根纳米线波导耦合区域以外的部分经过一定角度弯曲，形成两个输出通道。本发明结构简单，易于实现，尺寸较小，透光率较高，能够降低生产成本，能实现1.31μm和1.55μm光波长的分离/合并功能，还能实现在1.55μm波长下的TE/TM偏振分离功能。

说明书

技术领域

本发明涉及集成光器件领域，特别是涉及基于纳米线波导的波长 和偏振定向耦合器及其制造方法。

背景技术

波长信号分离器(Wavelength signal division)/波长信号合波器 (Wavelength signal synthesizer)是光通信和光信息处理系统中非常重 要的器件，即将一束包含两种不同波长的光信号按波长分离为两路/ 合并为一路输出的滤波器。

随着光通信系统容量的不断扩大和光集成度的不断提高，对于波 长信号分离器的小尺度要求越来越高。在过去几年中，基于光子晶体 (PCs)的波长分离/合波器被设计成了不同结构，具有代表性的如下：

文献1【M.Koshiba，“Wavelength division multiplexing and demultiplexing with photonic crystal waveguide couplers，”J.Lightwave Technol 19，1970-1975(2001)】

文献2【S.Boscolo，M.Midrio，and C.G.Someda，“Coupling and decoupling of electromagnetic waves in parallel 2D photonic crystal waveguides”，IEEE J.Quantum Elect.38，47-53(2002)】

文献1和文献2中，在硅基二维圆柱正方晶格光子晶体中，引入 两条相邻的线缺陷，实现分波和合波。

文献3【J.Smajic，C.Hafner，and D.Erni，“On the design of photonic crystal multiplexers”，Opt.Express 11，566-571(2003)】，在硅基二维圆 柱正方晶格光子晶体上，点缺陷和线缺陷结合的不同通道波长分离/ 组合。

文献4【F.S.S.Chien，Y.J Hsu，W.F.Hsieh，and S.C.Cheng，“Dual wavelength demultiplexing by coupling and decoupling of photonic crystal waveguides”，Opt.Express 12，1119-1125(2003)】，在二维硅三 角晶格介质柱中，引入条状线缺陷和环状线缺陷结合的办法，来实现 分波/合波功能。

文献5【“High efficiency photonic crystal based wavelength demultiplexer，”Opt.Express 14，7931-7942(2006)】，在二维氮化硅三 角晶格中，点缺陷和线缺陷结合的波长分离/组合。

文献6【Wanwen Huang，Yao Zhang，and Baojun Li，“Ultracompact wavelength and polarization splitters in periodic dielectric waveguides”， Opt.Express 16，1600(2008)】，用两条平行的周期介质圆柱的组合来实 现波长(偏振)分波/合波功能。

然而，基于光子晶体的设备有一个内在的劣势，该装置的结构必 须遵循光子晶体的晶格方向，而光子晶体的结构比较复杂，因此制作 较困难。此外，基于光子晶体的设备需要宽大的光子晶体衬底(至少 有数个晶格常数)，在横向尺度上通常是占有很大的空间。这些对于 高度集成的光子集成电路来说可能带来不便。

此外，文献7【Daoxin Dai and John E.Bowers“Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires” Optics Express，19，10940-10949(2011)】，虽然也讨论了Si基纳米线 按偏振分波的定向耦合器，但是它们的整体结构都是100μm左右， 而且只能在偏振上进行分波。

综上所述，现有的分波/合波器普遍存在制作困难、尺寸较大的 缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于 纳米线波导的波长和偏振定向耦合器及其制造方法，结构简单，易于 实现，尺寸较小，透光率较高，能够降低生产成本，能实现1.31μm 和1.55μm光波长的分离/合并功能，还能实现在1.55μm波长下的 TE/TM偏振分离功能。

本发明提供的基于纳米线波导的波长和偏振定向耦合器，包括 两根纳米线波导，所述两根纳米线波导平行布置，形成耦合区域， 再经过一定角度弯曲，形成两个输出通道，所述纳米线波导由与 周围介质的折射率之差为1～2.5的材料制成，纳米线波导的宽度为 200～350纳米，所述耦合区域的长度为3～6.5微米，耦合区域中平 行布置的纳米线波导的中心间距为250～600纳米。

在上述技术方案中，所述纳米线波导为二氧化硅中的硅纳米 线波导、空气中的磷化铟纳米线波导、或者空气中的铌酸锂纳米 线波导。

在上述技术方案中，所述纳米线波导为二氧化硅中的硅纳米 线波导，其宽度为233纳米，所述耦合区域的长度为6微米，耦 合区域中平行布置的纳米线波导的中心间距为395纳米。

在上述技术方案中，所述纳米线波导为空气中的磷化铟纳米 线波导，其宽度为228纳米，所述耦合区域的长度为3微米，耦 合区域中平行布置的纳米线波导的中心间距为388纳米。

在上述技术方案中，所述纳米线波导为空气中的铌酸锂纳米 线波导，其宽度为350纳米，所述耦合区域的长度为5微米，耦 合区域中平行布置的纳米线波导的中心间距为560纳米。

本发明提供的基于纳米线波导的波长和偏振定向耦合器的制 造方法，包括以下步骤：A、采用折射率之差为1～2.5的两种材料 搭配制造纳米线波导，所述纳米线波导的宽度为200～350纳米；B、 将两根纳米线波导按照250～600纳米的中心间距平行布置，形成 3～6.5微米长的耦合区域；C、将所述两根纳米线波导耦合区域以 外的部分经过一定角度弯曲，形成两个输出通道。

在上述技术方案中，所述纳米线波导为二氧化硅中的硅纳米 线波导、空气中的磷化铟纳米线波导、或者空气中的铌酸锂纳米 线波导。

在上述技术方案中，所述纳米线波导为二氧化硅中的硅纳米 线波导，其宽度为233纳米，所述耦合区域的长度为6微米，耦 合区域中平行布置的纳米线波导的中心间距为395纳米。

在上述技术方案中，所述纳米线波导为空气中的磷化铟纳米 线波导，其宽度为228纳米，所述耦合区域的长度为3微米，耦 合区域中平行布置的纳米线波导的中心间距为388纳米。

在上述技术方案中，所述纳米线波导为空气中的铌酸锂纳米 线波导，其宽度为350纳米，所述耦合区域的长度为5微米，耦 合区域中平行布置的纳米线波导的中心间距为560纳米。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明的耦合器能量透射率较高，尺寸较小，波导宽度和 耦合区域的波导间隔都是纳米量级。本发明以不同材料纳米线波导为 基础，实现了在1.31微米和1.55微米波长时，耦合长度为3～6.5μm， 即可以实现分离/合波的功能，明显小于参考文献1、2中以光子晶体 波导为基础的结果：耦合长度为24μm、15μm。

(2)本发明的耦合器是连续的线波导，比参考文献6的介质周 期圆柱结构简单，更易于实现。

(3)现有的以光子晶体波导为基础的波长分离器，两个平行波 导间的距离被限制在晶格常数内，而本发明中以纳米线波导为基础的 定向耦合器，具有两个平行波导的间距可以任意改变的优点，这种灵 活性可以更进一步调整耦合长度和改变相应器件的波长。

(4)本发明选用的材料中，硅基与现代半导体工艺结合紧密， 铌酸锂是光器件中常用的材料，以及InP基等材料组合，易于直接利 用现代半导体制造工艺来实现，能够降低生产成本。

(5)本发明能实现光通信窗口波长(1.31μm和1.55μm波长) 的分离/合波功能，硅纳米线定向耦合器还可以同时实现在1.55μm波 长下，将两种不同的偏振模式(TE和TM)分离到不同的通道中。 提高了该器件功能的多样性，能够在集成光学中得到应用。而这个同 时具有两种分波功能的超紧凑器件，并未见报道。

附图说明

图1是本发明实施例中二氧化硅中硅纳米线定向耦合器的结构 示意图。

图2是本发明实施例中单个硅波导的平面波展开计算模型图。

图3是本发明实施例中单个硅波导波矢与频率的关系图。

图4是本发明实施例中两个平行硅波导平面波展开计算模型图。

图5是本发明实施例中两个平行硅波导波矢与频率的关系图。

图6是1.31微米和1.55微米的信号波在耦合器中的场分布效果 图。

图7是1.55微米的信号波经过耦合器后的串扰结果。

图8是1.31微米的信号波经过耦合器后的串扰结果。

图9是TE和TM模式下两个平行硅波导波矢与频率的关系示意 图。

图10是不同偏振模式下1.55微米的信号波在耦合器中的场分布 效果图。

图11是不同偏振模式下1.55微米的信号波经过耦合器后的串扰 结果。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供的基于纳米线波导的波长和偏 振定向耦合器，包括两根纳米线波导，两根纳米线波导平行布置，形 成耦合区域，再经过一定角度弯曲，形成两个输出通道，所述纳米线 波导由与周围介质的折射率之差为1～2.5的材料制成，纳米线波导的 宽度为200～350内米，耦合区域的长度为3～6.5微米，耦合区域中平 行布置的纳米线波导的中心间距为250～600内米。纳米线波导为二氧 化硅中的硅(Si)纳米线波导、空气中的磷化铟(InP)纳米线波导、 或者空气中的铌酸锂(LiNbO3)纳米线波导。其中，二氧化硅的折 射率为1.44，硅的折射率为3.42，二氧化硅与硅的折射率之差为1.98； 空气的折射率为1，磷化铟(InP)的折射率为3.15，铌酸锂(LiNbO3) 的折射率为2.2，空气与磷化铟(InP)的折射率之差为2.15，空气与 铌酸锂(LiNbO3)的折射率之差为1.2。

具体的，参见表1所示，纳米线波导为二氧化硅中的硅(Si)纳 米线波导时，其宽度为233纳米，耦合区域的长度为6微米，耦合区 域中平行布置的纳米线波导的中心间距为395内米。纳米线波导为空 气中的磷化铟(InP)纳米线波导时，其宽度为228纳米，耦合区域 的长度为3微米，耦合区域中平行布置的纳米线波导的中心间距为 388纳米。纳米线波导为空气中的铌酸锂(LiNbO3)纳米线波导时， 其宽度为350纳米，耦合区域的长度为5微米，耦合区域中平行布置 的纳米线波导的中心间距为560纳米。

表1、定向耦合器的参数

  材料组合   单波导宽度   波导中心间距   耦合长度   SiO₂中的Si   233nm   395nm   6μm   空气中的InP   228nm   388nm   3μm   空气中的LiNbO₃  350nm   560nm   5μm

本发明实施例提供的基于纳米线波导的波长和偏振定向耦合器 的制造方法，包括以下步骤：

A、采用折射率之差为1～2.5的两种材料搭配制造纳米线波导， 纳米线波导的宽度为200～350纳米；纳米线波导为二氧化硅中的硅纳 米线波导、空气中的磷化铟纳米线波导、或者空气中的铌酸锂纳米线 波导。其中，二氧化硅的折射率为1.44，硅的折射率为3.42，二氧化 硅与硅的折射率之差为1.98；空气的折射率为1，磷化铟(InP)的折 射率为3.15，铌酸锂(LiNbO3)的折射率为2.2，空气与磷化铟(InP) 的折射率之差为2.15，空气与铌酸锂(LiNbO3)的折射率之差为1.2。

B、将两根纳米线波导按照250～600纳米的中心间距平行布置， 形成3～6.5微米长的耦合区域，使其中一条纳米线比另一条稍微长 1～2微米，便于电磁波先行在较长的波导中单模高效传播。

具体的，参见表1所示，纳米线波导为二氧化硅中的硅(Si)纳 米线波导时，其宽度为233纳米，耦合区域的长度为6微米，耦合区 域中平行布置的纳米线波导的中心间距为395纳米。纳米线波导为空 气中的磷化铟(InP)纳米线波导时，其宽度为228纳米，耦合区域 的长度为3微米，耦合区域中平行布置的纳米线波导的中心间距为 388纳米。纳米线波导为空气中的铌酸锂(LiNbO3)纳米线波导时， 其宽度为350纳米，耦合区域的长度为5微米，耦合区域中平行布置 的纳米线波导的中心间距为560纳米。当选择结构尺寸落这些范围内 时，分离的波长也都在1.55μm和1.31μm附近。

C、将两根纳米线波导耦合区域以外的部分经过一定角度弯曲， 形成两个输出通道，利用两个小曲率的弧形波导，将不同波长的波分 别从两个不同端口输出，可以实现1.31μm和1.55μm的波长分离。即： 对于TE偏振模式下的两个波长(1.55μm和1.31μm)的电磁波，当 经过与入口纳米线波导平行的耦合波导后，通过耦合1.55μm的波沿 着原通道输出，1.31μm的波则沿着耦合波导输出。

在Si基结构中，可以实现1.55μm波长的TE/TM模式分离。即： 对于1.55μm波长下的两个偏振模式(TE和TM)的电磁波，当经过 与入口纳米线波导平行的耦合波导后，通过耦合TE模式的波沿着原 通道输出，TM的波则沿着耦合波导输出。

根据光路可逆性，当光从原出射端口输入时，还可以实现波从原 入射端口的组合输出。

本发明实施例的设计原理详细阐述如下：

首先用平面波展开方法，求解麦克斯韦方程组，找到相应单模波 导的尺寸，以及两个相邻单模波导的模式。然后，求出合适的不同波 长的耦合间距。具体计算方式如下(为了简化仅以空气中硅纳米线的 具体实施方式为例，其他的材料组合的实施方法与之相同)：

将硅波导的宽度设定为a，a是我们用平面波展开方法计算的最 小周期单元的宽度，参见图2所示，图中黑色区域代表硅波导，白色 为空气，其中虚线框架内是a×11a的平面波展开算法中的超晶胞。 参见图3所示，图中展示的是单个硅波导的TE模式下波矢和频率图， 它是由平面波展开方法计算出来的。由图3可以看到，能带曲线低于 光锥，表明在硅波导中该模式是一种导波模。当a被指定为a＝233nm， 对应到光通信中的波长时，取0.15的归一化频率，它对应的波长为 1.55微米波长的通信窗口，相应的0.1775的归一化频率对应1.31微 米(另一个通信窗口)的波长。

为了显示波长分离/组合的作用，定向耦合模型是由两个平行的 单根硅波导形成的，其中心距离为d，参见图4所示，通过用平面波 展开方法的计算，d＝1.7a被选择为定向耦合模型。它显示了其TE模 式下波矢频率结构图。从图5中可以看出，在选定频率范围内，光锥 下方有两条曲线，即对应两种模式的波。对于这种定向耦合模型，当 单个硅波导的导模被引入到定向耦合地区时，注入的模式则被激化成 两种模式。k1和k2分别代表被激化的第一个和第二个带模式对应的 波矢。然后，这两种模式通过它们的相位差，在传播方向互相干扰。 在经过一个耦合长度Lc的传播后，能量将从一个波导传到另一个中， Lc被定义为：

$\mathrm{Lc}=\frac{\pi }{|k_1-k_2|},$

参见文献8【P.G.Luan and K.D Chang，“Periodic dielectric waveguide beam splitter based on co-directional coupling，”Opt.Express 15，4536-4545(2007)】。

如果这两个耦合长度L_c1(对应λ₁)和L_c2(对应λ₂)满足：

(2N-1)×L_c1＝2N×L_c2，N是自然数，

则可以分离或合并不同的波长的信号在波导中传播。

对于1.31μm和1.55μm的波长，其各自的耦合长度分别为 L_c1＝6μm和L_c2＝2.95μm，它们可以由图5中的频率和导波模交点处的 波矢k1和k2分别计算，代入该方程后，其结果是L_c1≈2L_c2。因此如 果耦合区域的长度L等于6微米，1.31μm的波可以完全从一个硅波 导耦合到另一个中去，而1.55μm的波在两次耦合后，将被完全耦合 到原来的硅波导中。

最后利用时域有限差分方法数值模拟验证了该器件的导光波特 性和光场传播特性。图6为波长取1.55μm和1.31μm的信号波在耦合 器中的最后场分布模拟实验效果图，图7和图8则分别代表不同的波 长经过该定向耦合器后的串扰结果。其结果都是小于-17dB，是比较 理想的。

同一个波长下，不同偏振情况下，又会是什么情况呢？对于同一 个计算模型，我们又计算了其TE/TM偏振模式下的波矢和频率图， 如图9所示。发现当归一化频率取到0.15时，两种偏振对应的两个 耦合长度L_c1(对应TE)和L_c2(对应TM)也满足： (2N-1)×L_c1＝2N×L_c2，N是自然数，即L_c1≈2L_c2。然后，用时域有 限差分方法计算其不同偏振模式下，1.55微米的信号波经过耦合器后 的串扰结果，参见图10所示。同时，还记录了模拟实验的串扰结果， 参见图11所示，对于TM模式，其串扰更是小于-24dB，比TE的-17 dB效果更好。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不 脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于 本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些 改动和变型在内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知 的现有技术。