基于硅-铌酸锂复合波导的偏振复用器设计

【作者】 公姿苏； 季伟； 尹锐； 胡卉； 蔡璐彤； 张世成； 李江月； 王军宝；

【机构】 山东大学信息科学与工程学院； 山东大学物理学院；

【摘要】 硅基光子学的商用化已是水到渠成之势,搭载硅工艺的硅光波导相关研究已经非常成熟。与硅材料相比,铌酸锂材料具有更大的电光系数、声光系数和光学非线性。硅与铌酸锂的结合将带来一系列独特的优势,是硅基光子学的研究热点之一[1-2]。基于铌酸锂薄膜LNOI(Lithium Niobate on Insulator)的研究现状,本文提出一种硅与铌酸锂结合的复合波导结构:如图1(a)和(b)所示,在硅衬底上向上依次为二氧化硅层、铌酸锂层(采用氦离子注入的方法配合键合工艺,厚度0.1-0.5微米可控制)、几十个nm厚的硅层(目前可采用溅射生长多晶硅)和二氧化硅层,在工艺上具有可实现性。这类结构可加上下电极,利用铌酸锂的电光、声光等效应改变波导的有效折射率,能够实现众多功能。本文提出偏振分离和偏振分离转换两个无源器件的设计,这两个器件是光子集成所必备的。图1(a)所示的波导结构可以实现定向耦合型偏振分离器[3-4],在本设计中,由于铌酸锂的双折射特性,TE和TM的耦合长度差别较大,二者分别在0.5个周期和1个周期上有相同的耦合长度,形成偏振模式的分离,耦合区长度约为50微米。图2所示的计算结果表明TE和TM的偏振消光比均可达30d B,波导宽度在0.42微米至0.53微米变化时,消光比仍然能保持10.5d B以上。采用图1(b)所示的波导结构,我们还设计了定向耦合型偏振分离转换器,利用不同宽度下TE和TM传播常数相等,形成偏振模式间的耦合转换。硅基波导实现偏振分离转换功能时需要脊波导等特殊结构来造成上下的不对称[5-6],本文提出的波导结构本身就是上下强不对称,可以采用方便可靠的选择性腐蚀来实现,对工艺的要求相对来说较低。图3为其FDTD仿真结果。更多还原