[实用新型]一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片

说明书

本实用新型公开了一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片，其包括：一硅基衬底；一设置在所述硅基衬底上的二氧化硅缓冲层；一设置在所述二氧化硅缓冲层上的基于硅波导的芯层，其包括：从左到右依次相连的一输入直波导、一第一亚波长光栅结构和一正弦函数弯曲波导，以及从左到右依次相连的一第二亚波长光栅结构和一输出直波导，其中，所述第二亚波长光栅结构与所述第一亚波长光栅结构平行设置并与该第一亚波长光栅结构的输入端对齐；以及一设置在所述二氧化硅缓冲层上并包覆在所述芯层外的二氧化硅包层。本实用新型不仅实现了偏振分束功能，而且具有结构简单紧凑、消光比高、带宽大、工艺流程不繁琐复杂等优异性能。

技术领域

本实用新型涉及集成硅光子芯片领域，尤其涉及一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片。

背景技术

偏振分束器(PBS)和偏振旋转器(PRS)对于偏振复用、偏振分集、相干光收发器和量子PIC(光子集成电路)等具有重要意义。以PBS为例，其作为硅光子电路的基本组成部分，具有偏振处理能力。通过使用紧凑型PBS，可以利用发射光的偏振维度，从而增加片上光学系统的数据容量。

众所周知，在耦合模式理论的基础上，通过优化结构中的各个参数并计算相对应的有效模式指数，使得对于TM模式能匹配并使其发生耦合，对于TE模式不发生匹配和耦合。PBS结构可以在输入TE模和TM模时实现分离的功能。最近，不同的结构，如基于光子晶体、多模干涉(MMI)结构、定向耦合器(DCs)、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构和光栅辅助反方向耦合器(GACC)，已经成功地被证明可以实现PBS结构。但是一般来说，MMI和MZI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PIC中的应用。定向耦合器通常由两个平行波导组成，结构简单。在已演示的宽带PBS中，弯曲DC-PBS由于其紧凑的占地面积、高稳定性和设计简单而被视为具有吸引力的结构。然而，寻常DC结构的工作带宽小、串扰高，在实际应用中效果不好。因此，在宽带通信系统中，开发高消光比、低插入损耗的宽带PBS是迫切需要的。

一方面来说，光栅是一种不同折射率材料周期性交替的结构。近年来，随着微纳加工技术的发展，光栅的特征尺寸越来越小，亚波长光栅(SWG)波导越来越受到人们的关注，并得到广泛的重视。在SWG波导中，光栅周期(间距)远小于光在其中传播的波长(工作波长)。此外，可以通过调整其周期和占空比来改变SWG波导中模式的色散关系，光栅结构可以帮助光快速发生耦合，这些优异的性能导致了许多基于SWG器件的创新。此外，SWG波导还用于偏振管理设备，包括PRS和PBS。然而，在传统的双波导直流结构中，要将SWG波导转换成常规波导，往往需要一个锥形区域，这会使制作过程复杂化，增加器件的整体长度。

另一方面来说，绝缘体上硅(SOI)由于具有高折射率对比度和与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的特点，被认为是硅光子学中最重要和最有前途的平台之一，这使得它有可能实现紧凑、低成本的集成电路，以及高产量PIC。然而，Si(～3.47)和SiO2(～1.44)之间的高折射率反差为光提供了强大的限制，使SOI波导具有亚微米横截面和较小的弯曲半径。同时，高折射率对比度以及结构的不对称性也会导致波导的双折射，因此几乎所有基于SOI平台的集成光学器件都是偏振相关的，这限制了它在光通信系统中的应用。

综合这两方面来看，SWG作为一种均匀介质，可以有效地抑制衍射效应，并且发生快速耦合，通过改变光栅周期和占空比，可以灵活地调整波导芯的等效折射率和器件的结构双折射率，从而为SOI或其他平台中新型光子器件的设计提供新的自由度；而与此同时，在SOI平台上设计基于SWG的偏振光学器件也可以大大降低器件的制造要求。

鉴于上述情况，可以同时利用SOI平台和SWG开发一种适用于宽带通信系统中的具有高消光比、低插入损耗的宽带PBS。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型旨在提供一种紧凑的基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片，从而不仅能提高在特定光波段的偏振分束性能，还能减小器件体积，提高器件消光比，增大工作带宽，简化工艺流程。