[实用新型]应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器

说明书

本实用新型公开了应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，包括：硅基衬底；沉积在所述硅基衬底上的二氧化硅缓冲层；位于所述二氧化硅缓冲层上的TE直通段芯层；位于所述二氧化硅缓冲层上的TM耦合段芯层；位于所述二氧化硅缓冲层上，并包覆所述TE直通段芯层和所述TM耦合段芯层的二氧化硅包层。整体结构尺寸小且紧凑、耦合效率高、消光比高、插入损耗低且带宽大。

技术领域

本实用新型涉及集成硅光子芯片领域，尤其涉及偏振分束器。

背景技术

偏振分束器(PBS)是一种重要的偏振处理器件，它可以分离和组合横电(TE)和横磁(TM)两种模式。绝缘体上硅(SOI)作为一个光子学平台提供了多种好处，包括与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造兼容和高折射率对比度，从而实现了密集集成。

不同结构的偏振分束器(PBS)已经实现，包括定向耦合器(DC)、弯曲定向耦合器(Bent DC)、光栅(Grating)、多模干涉仪(MMI)和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。基于垂直耦合三维马赫-曾德尔干涉仪的PBS已经被报道，但其采用了额外的金属加热器且制造工艺复杂。MMI可以用于PBS，但其长度较长，因为MMI结构本质上具有较弱的偏振依赖性。基于光子晶体的PBS耦合效率低，可能会由于散射而引入较大的损耗，同时设计复杂，制作难度较大。DC应用广泛，但由于交叉耦合器必须满足严格的相位匹配条件，因此其带宽较窄，加工容忍度较低。除了普通的绝缘体上硅(SOI)波导外，还报道了基于不同类型波导的偏振分束器(PBS)。混合等离子体波导可以加强耦合，缩短器件长度。但是，这种波导由于金属吸收而受到额外的损耗。

因此，一般的多模干涉仪(MMI)和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)型PBS往往具有较大的插入损耗(IL)和尺寸，这阻碍了它们在超紧凑光子集成电路(PIC)中的应用。普通的光栅耦合器会由于光栅中光的能量泄漏导致耦合效率低。而寻常定向耦合器(DC)结构的工作带宽小、串扰高、光传输损耗高。有人提出了基于紧凑型水平缝隙波导的偏振无关定向耦合器(PIDC)，但消光比(ER)较小(～10db)。众所周知，由纯硅波导组成的定向耦合器通常尺寸较长，这会限制高密度片上集成。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，整体结构尺寸小且紧凑、耦合效率高、消光比高、插入损耗低且带宽大。

实现上述目的的技术方案是：

一种应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，包括：

硅基衬底；

沉积在所述硅基衬底上的二氧化硅缓冲层；

位于所述二氧化硅缓冲层上的TE直通段芯层；

位于所述二氧化硅缓冲层上的TM耦合段芯层；以及

位于所述二氧化硅缓冲层上，并包覆所述TE直通段芯层和所述TM耦合段芯层的二氧化硅包层；

其中，所述TE直通段芯层基于第一硅波导，从左到右包括依次相接的输入直波导、条带波导和余切函数弯曲波导；所述条带波导上设置有第一倾斜亚波长光栅结构；

所述TM耦合段芯层基于由第二硅波导、二氧化硅中间层和氮化硅波导从下往上依次相接而形成的三层波导，从左到右包括依次相接的第二倾斜亚波长光栅结构和正切函数弯曲波导。

优选的，所述输入直波导的长度为2-5μm，宽度为0.45-0.5μm；所述条带波导的长度为6-7μm，宽度为0.2-0.4μm。

优选的，所述第一倾斜亚波长光栅结构和所述第二倾斜亚波长光栅结构，各自周期相同并均为0.4-0.5μm，各自占空比相同并均为0.45-0.55；

所述第一倾斜亚波长光栅结构的宽度为0.42-0.48μm；所述第二倾斜亚波长光栅结构的宽度为0.62-0.68μm；