專利名稱：基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及集成光器件領域，特別是涉及基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器及其制造方法。
背景技術：
波長信號分離器(Wavelengthsignal division) / 波長信號合波器(Wavelength signal synthesizer)是光通信和光信息處理系統中非常重要的器件，即將一束包含兩種不同波長的光信號按波長分離為兩路/合并為一路輸出的濾波器。隨著光通信系統容量的不斷擴大和光集成度的不斷提高，對于波長信號分離器的小尺度要求越來越高。在過去幾年中，基于光子晶體(PCs)的波長分離/合波器被設計成了不同結構，具有代表性的如下文獻 M. Koshiba，“Wavelength division multiplexing anddemultiplexing with photonic crystal waveguide couplers，，，J· LightwaveTechnol 19， 1970-1975(2001)文獻 S.Boscolo，Μ. Midrio, and C. G. Someda, "Coupling anddecoupling of electromagnetic waves in parallel 2D photonic crystalwaveguides", IEEE J. Quantum Elect. 38，47—53 (2002)文獻1和文獻2中，在硅基二維圓柱正方晶格光子晶體中，引入兩條相鄰的線缺陷，實現分波和合波。文獻 3 LJ-SmajicjC-Hafnerjand D. Erni,"On the design of photoniccrystal multiplexers”，Opt. Express 11，566-571 (2003)，在硅基二維圓柱正方晶格光子晶體上， 點缺陷和線缺陷結合的不同通道波長分離/組合。文獻F. S. S. Chien, Y. J Hsu, W. F. Hsieh, and S. C. Cheng, "Dualwavelength demultiplexing by coupling and decoupling of photoniccrystal waveguides，，，Opt. Express 12，1119-1125 (2003)，在二維硅三角晶格介質柱中，引入條狀線缺陷和環狀線缺陷結合的辦法，來實現分波/合波功能。文獻 ‘‘High efficiency photonic crystal based wavelengthdemultiplexer, " Opt. Express 14，7931-7942 (2006)，在二維氮化硅三角晶格中，點缺陷和線缺陷結合的波長分離/組合。文獻 Wanwen Huang，Yao Zhang，and Baojun Li, "Ultracompactwavelength and polarization splitters in periodic dielectric waveguides，，，Opt. Express 16， 1600(2008)，用兩條平行的周期介質圓柱的組合來實現波長(偏振)分波/合波功能。然而，基于光子晶體的設備有一個內在的劣勢，該裝置的結構必須遵循光子晶體的晶格方向，而光子晶體的結構比較復雜，因此制作較困難。此外，基于光子晶體的設備需要寬大的光子晶體襯底(至少有數個晶格常數)，在橫向尺度上通常是占有很大的空間。這些對于高度集成的光子集成電路來說可能帶來不便。
此夕卜，文獻 Daoxin Dai and John Ε. Bowers"Novel concept forultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires，，Optics Express, 19， 10940-10949(2011)，雖然也討論了 Si基納米線按偏振分波的定向耦合器，但是它們的整體結構都是100 μ m左右，而且只能在偏振上進行分波。綜上所述，現有的分波/合波器普遍存在制作困難、尺寸較大的缺陷。

發明內容
本發明的目的是為了克服 上述背景技術的不足，提供一種基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器及其制造方法，結構簡單，易于實現，尺寸較小，透光率較高，能夠降低生產成本，能實現1. 31 μ m和1. 55 μ m光波長的分離/合并功能，還能實現在1. 55 μ m波長下的TE/TM偏振分離功能。本發明提供的基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器，包括兩根納米線波導， 所述兩根納米線波導平行布置，形成耦合區域，再經過一定角度彎曲，形成兩個輸出通道， 所述納米線波導由與周圍介質的折射率之差為1 2. 5的材料制成，納米線波導的寬度為 200 350納米，所述耦合區域的長度為3 6. 5微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為250 600納米。在上述技術方案中，所述納米線波導為二氧化硅中的硅納米線波導、空氣中的磷化銦納米線波導、或者空氣中的鈮酸鋰納米線波導。在上述技術方案中，所述納米線波導為二氧化硅中的硅納米線波導，其寬度為233 納米，所述耦合區域的長度為6微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為395 納米。在上述技術方案中，所述納米線波導為空氣中的磷化銦納米線波導，其寬度為228 納米，所述耦合區域的長度為3微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為388 納米。在上述技術方案中，所述納米線波導為空氣中的鈮酸鋰納米線波導，其寬度為350 納米，所述耦合區域的長度為5微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為560 納米。本發明提供的基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器的制造方法，包括以下步驟A、采用折射率之差為1 2. 5的兩種材料搭配制造納米線波導，所述納米線波導的寬度為200 350納米；B、將兩根納米線波導按照250 600納米的中心間距平行布置，形成 3 6. 5微米長的耦合區域；C、將所述兩根納米線波導耦合區域以外的部分經過一定角度彎曲，形成兩個輸出通道。在上述技術方案中，所述納米線波導為二氧化硅中的硅納米線波導、空氣中的磷化銦納米線波導、或者空氣中的鈮酸鋰納米線波導。在上述技術方案中，所述納米線波導為二氧化硅中的硅納米線波導，其寬度為233 納米，所述耦合區域的長度為6微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為395 納米。在上述技術方案中，所述納米線波導為空氣中的磷化銦納米線波導，其寬度為228 納米，所述耦合區域的長度為3微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為388納米。在上述技術方案中，所述納米線波導為空氣中的鈮酸鋰納米線波導，其寬度為350 納米，所述耦合區域的長度為5微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為560 納米。與現有技術相比，本發明的優點如下(1)本發明的耦合器能量透射率較高，尺寸較小，波導寬度和耦合區域的波導間隔都是納米量級。本發明以不同材料納米線波導為基礎，實現了在1.31微米和1.55微米波長時，耦合長度為3 6. 5 μ m，即可以實現分離/合波的功能，明顯小于參考文獻1、2中以光子晶體波導為基礎的結果耦合長度為24 μ m、15 μ m。(2)本發明的耦合器是連續的線波導，比參考文獻6的介質周期圓柱結構簡單，更易于實現。(3)現有的以光子晶體波導為基礎的波長分離器，兩個平行波導間的距離被限制在晶格常數內，而本發明中以納米線波導為基礎的定向耦合器，具有兩個平行波導的間距可以任意改變的優點，這種靈活性可以更進一步調整耦合長度和改變相應器件的波長。(4)本發明選用的材料中，硅基與現代半導體工藝結合緊密，鈮酸鋰是光器件中常用的材料，以及InP基等材料組合，易于直接利用現代半導體制造工藝來實現，能夠降低生產成本。(5)本發明能實現光通信窗口波長(1·31μπι和1·55μπι波長)的分離/合波功能，硅納米線定向耦合器還可以同時實現在1. 55 μ m波長下，將兩種不同的偏振模式(TE和 TM)分離到不同的通道中。提高了該器件功能的多樣性，能夠在集成光學中得到應用。而這個同時具有兩種分波功能的超緊湊器件，并未見報道。


圖1是本發明實施例中二氧化硅中硅納米線定向耦合器的結構示意圖。圖2是本發明實施例中單個硅波導的平面波展開計算模型圖。圖3是本發明實施例中單個硅波導波矢與頻率的關系圖。圖4是本發明實施例中兩個平行硅波導平面波展開計算模型圖。圖5是本發明實施例中兩個平行硅波導波矢與頻率的關系圖。圖6是1. 31微米和1. 55微米的信號波在耦合器中的場分布效果圖。圖7是1. 55微米的信號波經過耦合器后的串擾結果。圖8是1. 31微米的信號波經過耦合器后的串擾結果。圖9是TE和TM模式下兩個平行硅波導波矢與頻率的關系示意圖。圖10是不同偏振模式下1. 55微米的信號波在耦合器中的場分布效果圖。圖11是不同偏振模式下1. 55微米的信號波經過耦合器后的串擾結果。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步的詳細描述。參見圖1所示，本發明實施例提供的基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器， 包括兩根納米線波導，兩根納米線波導平行布置，形成耦合區域，再經過一定角度彎曲，形成兩個輸出通道，所述納米線波導由與周圍介質的折射率之差為ι 2. 5的材料制成，納米線波導的寬度為200 350內米，耦合區域的長度為3 6. 5微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為250 600內米。納米線波導為二氧化硅中的硅(Si)納米線波導、空氣中的磷化銦(InP)納米線波導、或者空氣中的鈮酸鋰(LiNb03)納米線波導。其中， 二氧化硅的折射率為1. 44，硅的折射率為3. 42，二氧化硅與硅的折射率之差為1. 98 ；空氣的折射率為1，磷化銦(InP)的折射率為3. 15，鈮酸鋰(LiNb03)的折射率為2. 2，空氣與磷化銦(InP)的折射率之差為2. 15，空氣與鈮酸鋰(LiNb03)的折射率之差為1. 2。 具體的，參見表1所示，納米線波導為二氧化硅中的硅(Si)納米線波導時，其寬度為233納米，耦合區域的長度為6微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為 395內米。納米線波導為空氣中的磷化銦(InP)納米線波導時，其寬度為228納米，耦合區域的長度為3微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為388納米。納米線波導為空氣中的鈮酸鋰(LiNb03)納米線波導時，其寬度為350納米，耦合區域的長度為5微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為560納米。表1、定向耦合器的參數
權利要求
1.一種基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器，包括兩根納米線波導，所述兩根納米線波導平行布置，形成耦合區域，再經過一定角度彎曲，形成兩個輸出通道，其特征在于 所述納米線波導由與周圍介質的折射率之差為1 2. 5的材料制成，納米線波導的寬度為 200 350納米，所述耦合區域的長度為3 6. 5微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為250 600納米。
2.如權利要求1所述的基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器，其特征在于所述納米線波導為二氧化硅中的硅納米線波導、空氣中的磷化銦納米線波導、或者空氣中的鈮酸鋰納米線波導。
3.如權利要求2所述的基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器，其特征在于所述納米線波導為二氧化硅中的硅納米線波導，其寬度為233納米，所述耦合區域的長度為6微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為395納米。
4.如權利要求2所述的基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器，其特征在于所述納米線波導為空氣中的磷化銦納米線波導，其寬度為228納米，所述耦合區域的長度為3微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為388納米。
5.如權利要求2所述的基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器，其特征在于所述納米線波導為空氣中的鈮酸鋰納米線波導，其寬度為350納米，所述耦合區域的長度為5微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為560納米。
6.基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器的制造方法，其特征在于包括以下步驟A、采用折射率之差為1 2.5的兩種材料搭配制造納米線波導，所述納米線波導的寬度為200 350納米；B、將兩根納米線波導按照250 600納米的中心間距平行布置，形成3 6.5微米長的耦合區域；C、將所述兩根納米線波導耦合區域以外的部分經過一定角度彎曲，形成兩個輸出通道。
7.如權利要求6所述的基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器的制造方法，其特征在于所述納米線波導為二氧化硅中的硅納米線波導、空氣中的磷化銦納米線波導、或者空氣中的鈮酸鋰納米線波導。
8.如權利要求7所述的基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器的制造方法，其特征在于所述納米線波導為二氧化硅中的硅納米線波導，其寬度為233納米，所述耦合區域的長度為6微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為395納米。
9.如權利要求7所述的基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器的制造方法，其特征在于所述納米線波導為空氣中的磷化銦納米線波導，其寬度為228納米，所述耦合區域的長度為3微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為388納米。
10.如權利要求7所述的基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器的制造方法，其特征在于所述納米線波導為空氣中的鈮酸鋰納米線波導，其寬度為350納米，所述耦合區域的長度為5微米，耦合區域中平行布置的納米線波導的中心間距為560納米。
全文摘要
本發明公開了一種基于納米線波導的波長和偏振定向耦合器及其制造方法，方法包括步驟采用折射率之差為1～2.5的兩種材料搭配制造納米線波導，納米線波導的寬度為200～350納米；將兩根納米線波導按照250～600納米的中心間距平行布置，形成3～6.5微米長的耦合區域；將兩根納米線波導耦合區域以外的部分經過一定角度彎曲，形成兩個輸出通道。本發明結構簡單，易于實現，尺寸較小，透光率較高，能夠降低生產成本，能實現1.31μm和1.55μm光波長的分離/合并功能，還能實現在1.55μm波長下的TE/TM偏振分離功能。
文檔編號G02B6/122GK102354022SQ20111033234
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月28日 優先權日2011年10月28日
發明者劉子晨, 楊鑄, 謝德權, 邱英 申請人:武漢郵電科學研究院