一种基于等离子波导的偏振旋转器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于等离子波导的偏振旋转器，包括正方形硅芯层、顶部金属银条带、侧面金属银条带、二氧化硅包层和衬底；正方形硅芯层位于衬底上，正方形硅芯层为纵向截面为正方形的柱状；侧面金属银条带位于正方形硅芯层的一侧，且不与正方形硅芯层接触，侧面金属银条带的形状为纵向截面为长方形的柱状；顶部金属银条带位于正方形硅芯层的顶部，且不与正方形硅芯层接触，顶部金属银条带的形状为纵向截面为长方形的柱状；正方形硅芯层、顶部金属银条带、侧面金属银条带的外部包覆有二氧化硅包层。本发明使用金属条带的表面场局域化和场增强作用调整模场分布，相比使用倾斜单边或刻蚀方法，减小了器件尺寸，同时金属条带对于模场影响具有选择性。
【专利说明】
一种基于等离子波导的偏振旋转器
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于光通信系统、光计算机系统及光子/光电子集成回路的基于等离子波导的偏振旋转器，属于集成光学技术领域。
【背景技术】
[0002]随着光纤系统传输速率的不断提高，偏振控制和稳定操作的需求逐渐提高，发展高性能的偏振控制系统显得尤为重要。在这类偏振控制系统中，偏振旋转器件是最基本的器件之一。例如，为提高波分复用(DWDM)的交互性能，在临近信道中使用正交的偏振信号，而这需要通过使用偏振旋转器实现。目前已有很多方案可以实现偏振旋转，例如使用光电效应或热应变效应。然而，无源偏振旋转器由于其结构简单并且利于实现而更受欢迎。
[0003]目前研究人员已经提出了如下几种类型的偏振旋转器:利用非对称负载构成周期分段排布以实现偏振旋转，但其长度较大，同时各个分段间的损耗较大;也有使用光调整器中信号传播基模方向倾斜实现偏振旋转，这种设计可以通过使用单边倾斜波导缩短器件长度，但在很多应用中，其转换长度依旧很长，并且结构设计通常较为复杂。
[0004]近年来，等离子纳米结构在很多领域得到广泛关注，其表面场增强和场局域化效应已经在光调制器、加热、光传感应用中得到使用。等离子波导中金属条带的场增强作用只发生在等离子纳米结构电场垂直于金属界面的偏振模式中，因此强双折射有利于实现偏振分束器和起偏器在内的众多超紧凑偏振控制器件。同时利用等离子纳米结构设计偏振旋转器可以利用金属的独特效应，对于缩小器件尺寸，提高器件工作性能，具有重要意义，为设计偏振旋转器件提供了新的思路和方向。
[0005]因此，我们考虑基于等离子波导的基本结构，利用金属条带的独特性质，从而设计一种片上偏振旋转器，基于特殊的结构和工作机制，使得等离子波导原有的基模方向偏离横电(TE)模、横磁(TM)模方向，并与水平方向成45°，实现入射TE模与TM模光信号在器件内的相互转换，同时两个基模的模场分布分别被约束于等离子波导的不同空间位置，通过调整金属条带结构参数，调整其场增强作用强弱，进而调整模场空间分布，实现较大的等效折射率差值，缩短器件转换长度。最终实现TE、TM模式之间的短距离高效相互转换的功能。
【发明内容】
[0006]发明目的:为了克服现有偏振旋转器的不足，本发明利用等离子纳米结构中金属介质的表面场增强效应和场局域化效应，提供了一种基于等离子波导的偏振旋转器。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0008]—种基于等离子波导的偏振旋转器，包括正方形硅芯层、顶部金属银条带、侧面金属银条带、二氧化硅包层和衬底;所述正方形硅芯层位于衬底上，正方形硅芯层为纵向截面为正方形的柱状;侧面金属银条带位于正方形硅芯层的一侧，且不与正方形硅芯层接触，侧面金属银条带的形状为纵向截面为长方形的柱状;顶部金属银条带位于正方形硅芯层的顶部，且不与正方形硅芯层接触，顶部金属银条带的形状为纵向截面为长方形的柱状;所述正方形硅芯层、顶部金属银条带、侧面金属银条带的外部包覆有二氧化硅包层。
[0009]该偏振旋转器的整体结构沿正方形硅芯层的一条对角线完全对称。
[0010]所述顶部金属银条带、侧面金属银条带的尺寸相同，分别放置于正方形硅芯层的正上方和正侧面，且顶部金属银条带、侧面金属银条带与正方形硅芯层的距离相同。
[0011 ]有益效果:与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果:
[0012]1、金属具有强场增强和局域化效应，尺寸较小的金属条带能够高效调整模场分布；
[0013]2、设计给出的结构与常见的等离子波导结构和相干尺寸类似，便于构造和与波导互连；
[0014]3、长度和横截面积的缩小有利于提高器件结构的集成度，能够在小面积上实现更多的功能。
【附图说明】
[0015]图1是基于等离子波导的偏振旋转器结构图；
[0016]图2是基于等离子波导的偏振旋转器的一个实施例的结构俯视图；
[0017]图3是输入波导截面的TM模的Hx分量模场分布；
[0018]图4是输入波导截面的TM模的Hy分量模场分布；
[0019]图5是输出波导截面的TE模的Hx分量模场分布；
[°02°]图6是输出波导截面的TE模的Hy分量模场分布；
[0021 ]图7是偏振旋转器在工作波长为1.55微米，TM模输入时的Hx分量模场分布；
[0022]图8是偏振旋转器在工作波长为1.55微米，TM模输入时的Hy分量模场分布；
[0023]图中:1_硅波导芯层、2-顶部金属银条带、3-侧面金属银条带、4-二氧化硅包层、5-输入波导、6-输出波导、7-衬底。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0025]如图1所示，一种基于等离子波导的偏振旋转器，包括正方形硅芯层1、顶部金属银条带2、侧面金属银条带3、二氧化硅包层4和衬底7;正方形硅芯层I位于衬底7上，正方形硅芯层I为纵向截面为正方形的柱状;侧面金属银条带3位于正方形硅芯层I的一侧，且不与正方形硅芯层I接触，侧面金属银条带3的形状为纵向截面为长方形的柱状;顶部金属银条带2位于正方形硅芯层I的顶部，且不与正方形硅芯层I接触，顶部金属银条带2的形状为纵向截面为长方形的柱状;正方形硅芯层1、顶部金属银条带2、侧面金属银条带3的外部包覆有二氧化硅包层4。
[0026]如图1所示，该偏振旋转器的整体结构沿正方形硅芯层I的一条对角线L完全对称。
[0027]顶部金属银条带2、侧面金属银条带3的尺寸相同，分别放置于正方形硅芯层I的正上方和正侧面，分别作用于纵向、横向电场。且顶部金属银条带2、侧面金属银条带3与正方形硅芯层I的距离相同。硅芯层I分别和顶部金属银条带2、侧面金属银条带3之间二氧化硅4间隔宽度选取合适，能够同时满足结构简单和提供足够强金属表面场增强效应和场局域化效应的要求，在本实施方式中硅芯层I分别和顶部金属银条带2、侧面金属银条带3之间二氧化硅4间隔宽度选取为60纳米，即顶部金属银条带2、侧面金属银条带3与正方形硅芯层I的距离均为60纳米。
[0028]使用顶部金属银条带2、侧面金属银条带3调整基模分布，高效实现两种基模空间分布的分离，减小器件需要的横截面积，得到较大的等效折射率差值，减小该偏振旋转器的长度至约为3.1微米。
[0029]顶部金属银条带2和侧面金属银条带3的材质均为银。
[0030]本发明基于等离子波导的偏振旋转器由硅芯层、顶部和侧面的金属银条带和二氧化硅包层组成。硅芯层为正方形结构，顶部和侧面金属银条带完全相同，并相互垂直放置，整体结构沿硅芯层一条对角线完全对称，同时包层与衬底材料均为二氧化硅，使结构具有良好的对称性。电场主要集中在金属条带与硅芯层之间的二氧化硅间隔中，其中一个基模主要受到金属条带长边的局域化作用，模场分量集中在金属与硅芯层之间，并在两条金属条带相邻拐角处具有较多分布，另一基模的模场同时受到金属条带窄边的局域化作用，表现为在两条金属条带不相邻拐角处具有较多分布。两种基模分布相互垂直并均与水平方向成45°，使入射的TE模、TM模光信号能够在两个基模方向分别传播并导致偏振旋转，从而实现器件功能。
[0031 ] 实施例
[0032]如图2所示，TM模光信号由输入波导5进入偏振旋转器件，经过长度约为3.1m的偏振旋转器件实现TM模和TE模之间的相互转换，并输出至输出波导6完成器件功能。实例中输入波导5和输出波导6分别选用纵向、横向等离子波导。由于输入波导5与输出波导6中的基模方向均为水平、竖直方向，而偏振旋转器中的基模相互垂直且与水平、竖直方向成45°，当光信号进入偏振旋转器中，会按器件中基模方向分解，当入射光信号为TE模或TM模时，信号在器件基模的两个分量强度相等，分别传播。器件中两种模式模场分布的不同将导致光信号具有不同的传播速度，而速度的差异会导致两束光信号之间相位产生差异，当两者相位差达到180°时，S卩，在半拍长度处，两束光信号在波导界面处合成输出信号并输出至波导，此时，180°的相位差相当于其中一种模式的光信号反向，由于两束光信号强度相等，合成信号的偏振方向将相对于入射旋转90°，即实现了TE模和TM模之间的相互转换。本发明使用了两条金属条带以调整两种模式的模场分布，在其中一个基模中，模场主要受到金属条带长边的场局域化作用，模场集中在金属条带与硅芯层之间的二氧化硅间隔中，同时在两条金属条带相邻的拐角处，具有较多的分布;在另一个基模中，模场分布同时受到金属条带窄边的影响，导致在金属条带不相邻拐角处具有较多的模场分布而相邻拐角分布较少。两基模分别沿两条对角线方向，两者相互垂直并与水平方向成45°。图7、图8分别描述当器件工作在1.55微米的TM模时，横向磁场分量Hx、纵向磁场分量Hy的模场分布，可以看出，在输入波导5中传播的光信号为TM模，输出波导6中传播的光信号为TE模，器件工作区域内，高效实现了 TM模向TE模的旋转。图3、图4为输入波导5中TM模的横向磁场分量Hx、纵向磁场分量Hy的模场分布，图5、图6为输出波导6中TE模的横向磁场分量Hx、纵向磁场分量Hy的模场分布。通过观察器件中的电场、磁场传播可以看出，在器件工作长度内，电场和磁场方向快速转换，电场主要分布在二氧化娃层中，磁场分布相对分散，在娃芯层和二氧化娃层均有分布。通过比对输入波导5与输出波导6中的模场分布验证，偏振旋转器很好地实现了功能。
[0033]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。
【主权项】
1.一种基于等离子波导的偏振旋转器，其特征在于:包括正方形硅芯层(I)、顶部金属银条带(2)、侧面金属银条带(3)、二氧化硅包层(4)和衬底(7);所述正方形硅芯层(I)位于衬底(7)上，正方形硅芯层(I)为纵向截面为正方形的柱状;侧面金属银条带(3)位于正方形硅芯层(I)的一侧，且不与正方形硅芯层(I)接触，侧面金属银条带(3)的形状为纵向截面为长方形的柱状;顶部金属银条带(2)位于正方形硅芯层(I)的顶部，且不与正方形硅芯层(I)接触，顶部金属银条带(2)的形状为纵向截面为长方形的柱状;所述正方形硅芯层(1)、顶部金属银条带(2)、侧面金属银条带(3)的外部包覆有二氧化硅包层(4)。2.根据权利要求1所述的基于等离子波导的偏振旋转器，其特征在于:该偏振旋转器的整体结构沿正方形硅芯层(I)的一条对角线完全对称。3.根据权利要求1所述的基于等离子波导的偏振旋转器，其特征在于:所述顶部金属银条带(2)、侧面金属银条带(3)的尺寸相同，分别放置于正方形硅芯层(I)的正上方和正侧面，且顶部金属银条带(2)、侧面金属银条带(3)与正方形硅芯层(I)的距离相同。4.根据权利要求3所述的基于等离子波导的偏振旋转器，其特征在于:所述顶部金属银条带(2)、侧面金属银条带(3)与正方形硅芯层(I)的距离均为60纳米。5.根据权利要求1所述的基于等离子波导的偏振旋转器，其特征在于:该偏振旋转器的长度为3.1微米。6.根据权利要求1所述的基于等离子波导的偏振旋转器，其特征在于:所述顶部金属银条带(2)和侧面金属银条带(3)的材质均为银。
【文档编号】G02B6/12GK105842787SQ201610367207
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】肖金标, 黄炎
【申请人】东南大学