一种交错光栅的混合等离激元波导布拉格光栅偏振器

技术领域

本发明是一种交错光栅的混合等离激元波导布拉格光栅偏振器，属于光学元件技术领域。

背景技术

由于绝缘体上硅（SOI）材料具有较高的折射率对比度，对光有较强的束缚作用，可以实现光子器件的小型化；其器件制备工艺与 CMOS 工艺兼容、成本较低以及便于实现光电集成。因此基于SOI的硅光子集成技术成为光子集成技术的研究热点。但是，由于SOI硅波导尺寸较小（450nm×220nm），这种不对称的波导结构会引起强烈的双折射效应，以及偏振相关问题。于是混合等离激元波导(hybrid plasmonic waveguides ,HPWs)结构被提出，混合等离激元波导的特点在于在金属层和高折射率材料层中间引入低折射率材料，可以将TE模式和TM模式分别限制在高折射率材料层和低折射率材料层中，可以实现亚波长范围下的光场操控，并且可以实现相对较低的传输损耗。

其中，布拉格光栅作为波长依赖的光子器件，与有杰出的限制和滤波特性以及低损耗特性的HPWs结构可以实现偏振模式的波长选择，吸引了很多学者的研究。2014年JihuaZhang等人基于混合等离激元布拉格光栅结构的宽带紧凑型TE-Pass/TM-Stop偏振片，（Zhang, J., Cassan, E., Zhang, X., "Wideband and Compact TE-Pass/TM-StopPolarizer Based on a Hybrid Plasmonic Bragg Grating for SiliconPhotonics,"Journal of Lightwave Technology 32(7), 1383–1386 (2014). ）消光比均大于17.1dB，而TE和TM模式的损耗分别小于1.36和0.69dB。其功能具有一定的局限性，仅对TM模式进行波长选择，未考虑对TE模式的波长选择，其应用具有一定的局限性,并且在波长选择的TM模式禁带光谱中间区域有金属光栅吸收等原因造成的光谱缺陷。充分结合混合等离激元波导的偏振特性和布拉格光栅结构的波长筛选性，实现不同偏振态下的波长选择，同时利用TE和TM模式下波导结构的有效折射率不同的性质，可以通过改变光栅周期选择不同模式的输出，并且针对光谱缺陷问题，做出改进。为了实现具有高集成度、高利用率特点的光子器件，往往在某一结构上进行微调即可实现多个功能并且可以改善混合等离激元波导布拉格光栅的光谱谱特性，并解决模式反射单一的问题是非常有意义的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种交错光栅的混合等离激元波导布拉格光栅偏振器，不但结构紧凑，而且在保持良好的反射特性的同时通过微调结构参数还能实现的反射谱优化以及解决模式反射单一的问题。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种交错光栅的混合等离激元波导布拉格光栅偏振器，包括硅基混合等离激元波导结构、高折射率波导光栅结构和低折射率波导光栅结构；

所述硅基混合等离激元波导结构包括自下而上设置的SOI晶圆的硅衬底层、埋氧层、硅波导层、低折射率波导层、金属波导层，SOI晶圆的硅衬底层和埋氧层的宽度相同，硅波导层、低折射率波导层和金属波导层宽度相同，窄于SOI晶圆的硅衬底层和埋氧层，硅波导层在埋氧层上方居中放置；

所述低折射率波导层与硅波导层的界面处引入一组高折射率波导光栅结构，所述低折射率波导层与金属波导层的界面处的引入一组低折射率波导光栅结构；

所述高折射率波导光栅结构和低折射率波导光栅结构上下平行排列并且两者之间存在一定的偏移量。

进一步的，所述高折射率波导光栅结构是厚度为Ha的硅波导层的上表面刻蚀宽度为w、刻蚀深度为Hb、周期为Λ的光栅结构，刻蚀深度为Hb的光栅结构中填充低折射率材料，Ha、Hb取不同值，且Ha>Hb。

进一步的，所述低折射率波导光栅结构是在厚度为Hc的低折射率波导层的上表面刻蚀宽度为w、刻蚀深度为Hb的光栅结构，Hc、Hb取不同值，且Hc>Hb，刻蚀深度为Hb的光栅结构中填充金属。

进一步的，所述高折射率波导光栅结构和低折射率波导光栅结构上下平行放置，两组光栅上下不对齐放置，在低折射率波导层上方设置宽度为w、厚度为Hm的金属波导层。

进一步的，所述高折射率波导光栅结构和低折射率波导光栅结构之间的偏移量为Λ/2。

进一步的，所述偏振器可以对TE模式和TM模式分别进行控制，高射率波导光栅结构和低折射率波导光栅结构中的周期长度Λ均为Λ＝la+lb，la和lb分别为光栅结构在一个周期内未刻蚀区域和刻蚀区域的长度。

进一步的，所述高折射率波导光栅结构、低折射率波导光栅结构以及金属波导层共同构成的混合等离激元波导布拉格光栅结构。

进一步的，所述混合等离激元波导布拉格光栅结构的具体参数值由下式决定：

；

其中，

进一步的，所述偏振器的实现方法包括以下步骤：

步骤S1：使用COMSOL Multiphysics软件构建混合等离激元波导结构；

步骤S2：对步骤S1中得到的混合等离激元波导结构在相同波长、不同厚度Hc的条件下进行有效折射率的计算与模式分析；

步骤S3：对步骤S2中得到的相同中心波长、不同低折射率波导层厚度Hc下有效折射率数据进行采样分析，选定不同低折射率波导层厚度Hc，根据有效折射率差值大小初步得到反射谱宽度，根据有效折射率和值大小初步得到反射谱中心；

步骤S4：对步骤S3中选定的低折射率波导层厚度Hc进行不同中心波长下有效折射率的计算；以入射光垂直入射进布拉格光栅为入射方向条件；

步骤S5：根据步骤S4中得到的有效折射率，可计算出在指定中心波长下的混合等离激元波导布拉格光栅结构的周期长度Λ；

步骤S6：根据步骤S3、步骤S5中选定的低折射率波导层厚度Hc时对应的高折射率波导光栅结构和低折射率波导光栅结构以Λ/2偏移量交错排列构建混合混合等离激元波导布拉格光栅结构，根据TM和TE模式下有效折射率不同，同时由于混合等离激元波导结构可以将TM和TE模式分别限制在低折射率波导层和硅波导层，所以通过改变周期Λ等其他参数可以实现TM和TE模式在工作波段的独立控制。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明所述的偏振器混合等离激元波导布拉格光栅结构简单、尺寸紧凑，具有较的利用率和集成度，可以根据所需实现的偏振模式选定特定的低折射率材料层厚度Hc，并且通过适当调整光栅单元周期和周期数，可以实现对指定波段内的反射的动态选择，可用于实现高密度硅光子集成的紧凑型偏振反射器件，在光通信、硅光集成领域具有一定的应用价值，该设计方法能够根据所要反射、偏振特性，选定本HPWBG 的结构参数，同时通过改变两组光栅结构的偏移量可以优化反射谱。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的混合等离激元波导结构的xy截面结构示意图；

图2为本发明的混合等离激元波导结构的yz截面结构示意图；

图3为本发明的波长在1310nm时TM和TE模式在Hc变化时有效折射率的实部示意图；

图4为本发明的混合等离激元波导布拉格光栅低折射率波导层厚度为Hc，la+lb＝Λ，硅波导层Si的厚度为Ha，光栅刻蚀深度为Hb，金属层Ag的厚度为Hm，作为TE模式偏振反射器的反射谱；

图5为本发明的混合等离激元波导布拉格光栅低折射率波导层厚度为Hc，la+lb＝Λ，硅波导层Si的厚度为Ha，光栅刻蚀深度为Hb，金属层Ag的厚度为Hm，作为TM模式偏振反射器的反射谱；

图6为本发明的一种交错兴栅句子混合等离激元波导布拉格光栅偏振器的三维结构示意图。

具体实施方式

实施例，如图6所示，一种交错光栅的混合等离激元波导布拉格光栅偏振器，包括：

自下而上设置的SOI晶圆的硅衬底层1、埋氧层2、硅波导层3、低折射率波导层4、金属波导层5，SOI晶圆的硅衬底层1和埋氧层2的宽度相同，硅波导层1、低折射率波导层4和金属波导层5宽度相同，窄于SOI晶圆的硅衬底层1和埋氧层2，硅波导层3在埋氧层2上方居中放置，构成硅基混合等离激元波导结构，在低折射率波导层4与硅波导层3的界面处引入一组高折射率波导光栅结构，在低折射率波导层4与金属波导层5的界面处的引入一组低折射率波导光栅结构，高折射率波导光栅结构和低折射率波导光栅结构上下平行排列并且两者之间存在一定的偏移量，以及硅基混合等离激元波导结构共同构成混合等离激元波导布拉格光栅偏振器。

所述高折射率波导光栅结构是厚度为Ha的硅波导层的上表面刻蚀宽度为w、刻蚀深度为Hb、周期为Λ的光栅结构，刻蚀深度为Hb的光栅结构中填充低折射率材料，Ha、Hb取不同值，且Ha>Hb，低折射率波导光栅结构是在厚度为Hc的低折射率波导层的上表面刻蚀宽度为w、刻蚀深度为Hb的光栅结构，Hc、Hb取不同值，且Hc>Hb，刻蚀深度为Hb的光栅结构中填充金属(包括但不限于Ag，Au，Al等)。

所述高折射率波导光栅结构和低折射率波导光栅结构上下平行放置，两组光栅上下不对齐放置，其余参数除了材料以外全部由实际需要视情况做出调整（其余参数包括但不限于占空比、周期、刻蚀深度、周期个数），最后在上方设置宽度为w厚度为Hm的金属波导层（包括但不限于Ag，Au，Al等）

所述高折射率波导光栅结构和低折射率波导光栅结构上下堆叠放置，两者之间存在一定的偏移量，偏移量为Λ/2。

所述高折射率波导光栅结构、低折射率波导光栅结构以及金属波导层共同构成的混合等离激元波导布拉格光栅结构，周期数为N。

所述偏振器可以对TE模式和TM模式分别进行控制，包括模式的分离、选择、反射、透射同时可以改善模式和TM模式反射谱中心区域的吸收缺陷的问题，高折射率波导光栅结构和低折射率波导光栅结构的周期长度Λ均为Λ＝la+lb，la和lb分别为光栅结构在一个周期内未刻蚀区域和刻蚀区域的长度；具体参数值由下式决定：

；

其中，

所述偏振器采用高折射率波导光栅结构、低折射率波导光栅结构上下平行不对齐放置，其实现方法包括以下步骤：

步骤S1：使用COMSOL Multiphysics软件构建混合等离激元波导结构；

步骤S2：对步骤S1中得到的混合等离激元波导结构在相同波长、不同厚度Hc的条件下进行有效折射率的计算与模式分析；

步骤S3：对步骤S2中得到的相同中心波长、不同低折射率波导层厚度Hc下有效折射率数据进行采样分析，选定不同低折射率波导层厚度Hc，根据有效折射率差值大小初步得到反射谱宽度，根据有效折射率和值大小初步得到反射谱中心；

步骤S4：对步骤S3中选定的低折射率波导层厚度Hc进行不同中心波长下有效折射率的计算；以入射光垂直入射进布拉格光栅为入射方向条件；

步骤S5：根据步骤S4中得到的有效折射率，可计算出在指定中心波长下的混合等离激元波导布拉格光栅结构的周期长度Λ；

步骤S6：根据步骤S3、步骤S5中选定的低折射率波导层厚度Hc时对应的高折射率波导光栅结构和低折射率波导光栅结构以Λ/2偏移量交错排列构建混合混合等离激元波导布拉格光栅结构，根据TM和TE模式下有效折射率不同，同时由于混合等离激元波导结构可以将TM和TE模式分别限制在低折射率波导层和硅波导层，所以通过改变周期Λ等其他参数可以实现TM和TE模式在工作波段的独立控制。

图1为混合等离激元波导的横截面结构示意图，该结构的材料及参数分布如下所述：

该结构的尺寸设置如下,w1=2000nm，w=450nm，Ha=220nm，对于TM模式Hc=130nm，对于TE模式Hc=80nm,Hm=300nm。其中w1为SiO2衬底的宽度，w为金属波导层Ag、低折射率波导层SiO2、硅波导层Si的宽度。Ha为硅波导层的厚度，Hc为低折射率波导层的厚度，Hm为金属波导层的厚度。

图2为图1的混合等离激元波导结构的基础上引入光栅结构之后器件的纵截面结构示意图，Hb=30nm，la＝lb＝Λ/2，其余的材料和结构参数均与图1一致。

所述布拉格光栅中的一个周期长度为Λ＝la+lb，具体参数值由下式决定：

；

其中，

图3为在中心波长1310nm下，不同低折射率波导层厚度Hc下该结构在TE和TM模式的有效折射率实部分布图，可以根据不同厚度Hc波导在1310nm时的有效折射率,需求实现不同需求的反射效果。

举例说明1：低折射率波导层厚度Hc=80nm的混合等离激元波导，波长在1310nm时Λ＝229nm，la＝lb＝114.5nm，Ha=220nm，Hb=30nm，Hm=300nm，偏移量为Λ/2=114.5nm,N＝86。图4为入射光从空气中垂直入射混合等离激元波导布拉格光栅的TM和TE模式反射谱关系图，横坐标为波长，纵坐标为反射率，其在1297nm～1324nm波段呈现TM模式透过、TE模式反射,反射率大于98%。

举例说明2：低折射率波导层厚度Hc=130nm的混合等离激元波导，波长在1310nm时Λ＝287nm，la＝lb＝143.5nm，Ha=220nm，Hb=30nm，Hm=300nm，偏移量为Λ/2=114.5nm,N＝86。图4和图5为入射光从空气中垂直入射混合等离激元波导布拉格光栅的TE和TM模式反射谱关系图，横坐标为波长，纵坐标为反射率，其在1299nm～1326nm波段呈现TE模式透过、TM模式反射，反射率大于98%。，这个结构可以通过改变周期，低折射率波导层厚度，控制特定波段内实现TM或者TE单偏振态输出

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。