一种硅基双段式槽波导偏振旋转器和偏振旋转方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

发明目的：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，本发明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，本发明提出的技术方案为：

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。

本发明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。本发明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6.0 μm～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。本发明器件的特征尺寸(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为本发明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

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

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。

在上述结构中，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。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。

从输入槽波导1输入的横磁模光信号，在经过第一偏振旋转区和第二偏振旋转区后， 在输出槽波导3输出端输出横电模的光信号；基于器件整体结构的中心对称特性，从输 入槽波导1输入的横电模光信号，在经过第一和第二偏振旋转区后，在输出槽波导3输 出端能够输出横磁模的光信号。

具体的，光信号在上述结构的硅基双段式槽波导偏振旋转器中的传输特征如下：取 包含横磁模(TM)的入射光信号从输入槽波导1进入，接着进入传输槽波 导2的第一偏振旋转区，因受到该旋转区中第一条形波导4和第二条形波导5的共同影 响，输入的TM模光信号的偏振态光轴方向发生改变，在经过第一偏振旋转区后，相应 的偏振态光轴方向改变了45°。接下来，光信号进入第二偏振旋转区，在该区域附加的 条形波导的位置与第一偏振旋转区的刚好相反，即第三条形波导6和第四条形波导7， 因受结构垂直和水平非对称的影响，光信号的模式将进一步发生旋转，并从输出槽波导 3进行输出。所以在输出端可以获得90°的偏振旋转角，对应于横电模(TE)的输出光 信号，从而实现了偏振旋转的功能。这种旋转器的结构简单，其原理可以通过简单的偏 振态光轴方向的变化进行分析，如图5、6所示，其中第一/二偏振旋转区的模式光轴方 向与水平/垂直方向的夹角为(通过优化槽波导两侧条形波导的尺寸，进而可改变偏振 旋转区模式光轴的方向，以实现所需夹角值其中模式的计算采用数值模式求解器)。 输入的TM模光信号在经过第一偏振旋转区后，偏振角顺时针旋转了接着在经过 第二旋转区后，由于本征模的光轴方向发生了变化(逆向旋转了)，导致偏振角逆时 针旋转了相对于初始TM模净旋转了若要实现90°的偏振态旋转， 即则这也是偏振旋转区两条形波导尺寸优化的目标(使得偏振旋转 区本征模的光轴与水平或者垂直方向的夹角为22.5°)。与传统的单段式偏振旋转器相比， 本发明通过引入双段式偏振耦合区结构，理论上在输出端可以输出包含任意偏振旋转角 (0～90°之间)的光信号模式，可用于设计紧凑型片上光学波片。考虑到实际情况，针 对槽波导，本实施例中，我们只输出TE模光信号，对应于实现90°的偏振旋转角，此 外该器件具有较小的插入损耗和较高的偏振旋转效率，可应用于片上紧凑型槽波导器件 的偏振控制。

图2为本实施例中槽波导的横截面图，形成槽波导的两根硅基纳米线(宽度约为 200nm)被中间的微槽隔开，微槽的宽度为100nm～120nm，基于电场的边值关系，模场 将在该微槽中出现显著的增强效应，对应于槽波导的场增强模式，也就是本发明所设计 的偏振旋转器的输出模式。图3为第一偏振旋转区波导的横截面图，第一、第二条形波 导分别位于构成槽波导的两硅基纳米线的两侧，按一上一下的方式排列。在槽波导的基 础上借助两条形波导，可以打破原始结构的对称性，通过进一步优化设计条形波导的尺 寸，在输出端可以获得所需光轴角对应的偏振态模式。图4为第二偏振旋转区波导的横 截面图，其结构与第一偏振旋转区类似，差别仅在于两侧条形波导的排列方式发生了上 下颠倒，以此来改变其本征模的光轴方向(如图5、6所示)，进而改变传输光信号的偏 振态光轴方向。

图7为本实施例中硅基双段式槽波导偏振旋转器的偏振旋转效率、插入损耗与工作 波长的变化关系。从图中可以看出，该器件的工作带宽较大，当工作波长位于 1.45μm～1.64μm时，偏振旋转效率始终大于90％，特别是在1.55μm处，偏振旋转效率 更是高于97.5％。同时，插入损耗在计算波长范围内均小于0.4dB，表现出较好的频谱 特性。由于硅基双段式槽波导偏振旋转器是中心对称结构，对于输入TE模的光信号， 在经过第一和第二偏振旋转区之后，在输出端也能够输出TM模的光信号。此外，通过 在第一或者第二偏振旋转区添加有源控制结构，可以适当的调节偏振旋转角，进而在输 出端可以获得基于偏振态的光调制器或者光开关。最后，本发明所提供的双段式槽波导 偏振旋转器方案，也可以用于设计其它类型波导结构(如硅基纳米线、混合等离子波导、 光子晶体波导等)的偏振旋转器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。