一种基于相变材料的可调谐硅光起偏器

本发明涉及集成光学，更具体地，涉及一种基于相变材料的可调谐硅光起偏器。

背景技术：

1、随着信息技术的发展，信息量呈指数级别增长，由此产生了大量需要传输及运算的数据，人们对数据传输速率及容量的要求越来越高。传统的电互联不能满足人们的需求，光通信技术顺应而生。在集成光路中，其运算速度是以光速进行计量的，且基于光和物质的相互作用形成物理效应可以实现多种新型的光子器件，这些都是光通信技术的优势。在光通信技术中，光子器件的集成规模越来越大，人们对光子器件的集成度要求也越来越高，绝缘体上的硅(silicon-on-insulator,soi)波导脱颖而出。

2、soi波导具有以下优点：1、在地球上硅材料含量丰富；2、其制作工艺与成熟的互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,cmos)工艺兼容；3、高折射率差(δn≈2)，光场限制能力强；4、传输损耗小(0.1db/cm)等。硅基soi纳米线介质波导其较高的折射率差对光场具有很强的限制能力，但是也带来了负面影响，即存在严重的偏振问题，带来偏振相关损耗(polarization dependent loss,pdl)、偏振相关波长(polarization dependent wavelength,pdλ)和偏振模式色散(polarization modedispersion,pmd)等问题。为了解决偏振问题，人们提出了一种方案：利用起偏器来“过滤”掉不需要的偏振光，只保留一种偏振光，以达到减小偏振影响的目的。但是以往人们所提出的起偏器只能工作在一种偏振态下，即起偏器类型要么是横电模(transverse-electricmode,te)通过，要么是横磁模(transverse-magnetic mode,tm)通过。器件一旦制作出来，它就只能作为一种te-pass的起偏器或者tm-pass的起偏器，这极大的限制了器件的灵活性，在复杂的集成光子系统中，不利于芯片集成。

3、所以设计一种起偏器，它既能“过滤”te偏振光，通tm偏振光，又能“过滤”tm偏振光，通te偏振光，是非常有必要的，实现输出偏振光可调的起偏器是有待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中存在的问题或至少部分地解决上述问题，本发明的目的在于提出了一种基于相变材料的可调谐硅光起偏器，其利用相变材料在加热前后表现出的较大光学性质差异，来实现起偏器的可调谐功能。因此，提出的基于相变材料的起偏器即能实现对te偏振光的阻挡过滤作用，又能实现对tm偏振光的阻挡过滤作用，即此器件将tm-pass型起偏器和te-pass型起偏器两者器件的功能集于一身。

2、具体实现原理为：光源从经光栅耦合，进入硅纳米线介质波导中。对于te偏振光，优化波导器件的尺寸，使总线波导中te的传播常数和混合波导中的传播常数相同，实现相位匹配，te偏振光能够发生耦合；而对于tm偏振光，使其相位失配，不能发生耦合，这样tm偏振光可以从直通端输出。而耦合到混合波导的te偏振光会被相变材料二氧化钒吸收，对于器件的输出端，只有tm偏振光输出，而无te偏振光输出，实现器件的起偏功能，即tm-pass的起偏器。加热后，相变材料二氧化钒的状态由介电状态变为金属状态，且波导的材料的折射率也发生较大的变化。此时，使总线波导中的tm的传播常数和混合波导中的传播常数相同，实现tm偏振光的相位匹配。tm偏振光耦合到混合波导后会被二氧化钒材料吸收，而te偏振光不发生耦合，从直通端输出，实现了te-pass的起偏器功能，且相对于加热前，器件也实现了输出偏振光可调的功能。

3、本发明所采用的技术方案如下：

4、本发明中，充分利用了相变材料二氧化钒在不同相态之间具有巨大的光学性质差异等优势,一种基于相变材料的可调谐硅光起偏器，包括依次相连的输入区域、耦合区域和输出区域；

5、输入区域包括依次相连的直波导a和s型波导a，依次相连的直波导d和s型波导c；

6、耦合区域包括与s型波导a相连的直波导b和与s型波导c相连的直波导e；

7、输出区域包括依次相连的s型波导b和直波导c，依次相连的s型波导d和直波导f，s型波导b与直波导b相连，s型波导d与直波导e相连；

8、直波导a、s型波导a、直波导b、s型波导b和直波导c为一体构成总线波导；直波导d、s型波导c、直波导e、s型波型导d和直波导f为一体构成耦合波导。

9、作为进一步地改进，本发明所述的直波导a、s型波导a、直波导b、s型波导b和直波导c具有相同的材料，相同的厚度和宽度，即由硅纳米线介质波导构成的。

10、作为进一步地改进，本发明所述的直波导d、s型波导c、直波导e、s型波型导d和直波导f具有相同的材料，相同的厚度和宽度，即均为上表面为二氧化钒波导和下表面为富硅氮化硅波导构成的混合波导。

11、作为进一步地改进，本发明所述的硅纳米线介质波导为器件的总线波导，混合波导为器件的耦合波导，光信号光源从直波导a输入，经器件处理后从直波导c输出，在中心波长1550±100nm及1310±100nm处，二氧化钒材料在加热后具有较高的吸收系数，总线波导的厚度为0-1um，宽度为0-1um，耦合波导的宽度为0-1um，二氧化钒波导的厚度为0-1um，富硅氮化硅波导的厚度为0-1um。

12、作为进一步地改进，本发明加热前，对于te偏振光，耦合区域中硅纳米线介质波导要和混合波导实现相位匹配，tm偏振光相位失配；加热后，对于tm偏振光，耦合区域中硅纳米线介质波导要和混合波导实现相位匹配，而te偏振光相位失配。

13、作为进一步地改进，本发明加热前，耦合区域中耦合波导的长度要满足te偏振光能够实现一次完整的耦合，器件的输出端口输出波导直波导c只输出tm偏振光，耦合波导长度设定值为0-100um。

14、作为进一步地改进，本发明加热后，耦合区域中耦合波导的长度要满足tm偏振光能够实现一次完整的耦合，器件的输出端口输出波导直波导c只输出te偏振光，耦合波导长度设定值为0-100um。

15、作为进一步地改进，本发明所述的硅纳米线介质波导和混合波导均位于带有光隔离层的硅芯片上。

16、作为进一步地改进，本发明所述的光隔离层的材料为二氧化硅，硅纳米线介质波导和混合波导的上包层的材料为二氧化硅。

17、本发明具有的有益的效果是：

18、(1)本发明将传统的光学器件结构和新材料二氧化钒混合，进而实现了光波导在不同相态之间具有很大的光学性质差异。

19、(2)基于相变材料的可调谐硅光起偏器利用二氧化钒材料对光的吸收特性实现了tm-pass型和te-pass型起偏器的输出偏振光可调功能。无需改变器件的尺寸结构，只通过加热的方式就能实现不同偏振态光的输出。

20、(3)本发明的基于相变材料的可调谐硅光起偏器具有结构尺寸小，制作成本低、带宽大，消光比高和损耗低等优点。

21、(4)本发明的基于相变材料的可调谐硅光起偏器是基于片上硅光子集成技术，与成熟的cmos加工工艺兼容，且可以实现与其他硅光器件的单片集成，对于硅光子学的发展有着重要的意义。