CN102608701A - 一种介质狭缝光波导 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种介质狭缝光波导，该波导结构的横截面包括基底层(1)、位于基底层上的从下到上依次排列的高折射率缓冲层(2)、高折射率介质层(3)、低折射率介质层(4)、位于低折射率介质层上从左到右依次排列的高折射率介质区(5)、低折射率介质区(6)和高折射率介质区(7)、以及包层(8)。该波导可以同时对两种偏振的光实现较强的模场限制，此外还可通过结构尺寸的调控实现正、负双折射或零双折射等多种特性。所提介质狭缝波导与现有的硅基加工工艺相匹配，可用于实现多种光子器件。

Description

一种介质狭缝光波导
技术领域
本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种介质狭缝光波导。 
背景技术
传统的介质光波导通常以高折射率材料作为波导芯，以低折射率材料作为被覆层，光场主要集中在高折射率材料构成的波导芯中传输。由于受衍射极限的影响，其尺寸往往相对较大。于2004年首次提出的介质狭缝光波导可以实现在纳米级尺寸的低折射率介质中进行光信号的传输，突破了传统光波导尺寸的限制。该类波导由紧邻的高折射率介质区域组成，高折射率介质区域的中间为低折射率介质区。其工作原理是利用在不同介电常数材料界面上电场分量的不连续，且其大小与材料介电系数的平方成反比。利用电场分布的不连续性，低折射率材料中的光场分布密度将大大高于邻近的高折射率区域的电场分布密度，从而实现光场在低折射率材料中的传输和限制。 
目前，介质狭缝波导已经成为光波导研究领域的热点，得到国内外学者的广泛关注。传统的介质狭缝波导主要有两大类，分别是水平狭缝波导和垂直狭缝波导，这两种波导均只能对一种偏振光(TE偏振或TM偏振)的较强模场约束，而对另一种偏振光(TM偏振或TE偏振)的约束能力则往往较弱。本发明则提出了一种能同时对两种偏振光实现强模场限制的介质狭缝光波导结构，通过结构几何尺寸的调控，还可实现正、负双折射或零双折射等多种特性。该介质狭缝波导与现有的硅基加工工艺相匹配，可用于构建多种光子器件。 
发明内容
本发明提供了一种介质狭缝光波导结构，其横截面包括基底层、位于基底层上的从下到上依次排列的高折射率缓冲层、高折射率介质层、低折射率介质层、位于低折射率介质层上从左到右依次排列的高折射率介质区、低折射率介质区和高折射率介质区、以及包层；所述结构中高折射率介质层上表面的宽度与低折射率介质层下表面的宽度相等；位于低折射率介质层上的高折射率介质区、低折射率介质区和高折射率介质区共同构成的区域的下表面的宽度与低折射率介质层上表面的宽度相等；高折射率缓冲层的高度为所传输光信号的波长的0.006-0.06倍；高折射率介质层的上、下表面的宽度为所传输光信号的波长的0.1-0.3倍，高折射率介质层的高度为所传输光信号的波长的0.03-0.1倍；低折射率介质层的高度为所传输光信号的波长的0.006-0.06倍，低折射率介质层的上、下表面的宽度为所传输光信号的波长的0.1-0.3倍；位于低折射率介质层上的两个高折射率介质区和低折射率介质区的高度相等，且其高度为所传输光信号的波长的0.07-0.22倍，低折射率介质区和高折射率介质区共同构成的区域的上、下表面的宽度为所传输光信号的波长的0.1-0.3倍；低折射率介质区的上、下表面的宽度为所传输光信号的波长的0.006-0.06倍，且小于低折射率介质层的宽度；位于基底层上的高折射率缓冲层、高折射率介质层以及两 个高折射率介质区的材料为相同或不同材料，且四者的材料折射率均高于基底层、低折射率介质层以及包层的材料折射率，基底层、低折射率介质层和包层的材料为相同材料或不同材料，基底层、低折射率介质层和包层的材料折射率的最大值与高折射率缓冲层、高折射率介质层以及两个高折射率介质区的材料折射率的最小值的比值小于0.75。 
所述光波导结构中位于低折射率介质层上从左到右依次排列的高折射率介质区、低折射率介质区和高折射率介质区共同构成的区域的截面的外轮廓形状为矩形、或梯形中的任何一种。 
所述光波导结构中高折射率介质层和低折射率介质层的截面的外轮廓形状为矩形、或梯形中的任何一种。 
本发明的介质狭缝光波导具有以下优点： 
1.所提介质狭缝光波导基于的是传统硅波导和垂直介质狭缝波导的耦合，可在形成的倒“T”字形低折射率狭缝区域内对两种偏振的光实现较强的模场限制。 
2.通过结构尺寸的调整可以对该波导所支持的两种模式特性进行有效调控，实现正、负双折射或零双折射等多种特性 
3.所提介质狭缝波导可用现有成熟的硅基加工工艺实现，并可在此基础上构建各类集成光子器件，此外还可在非线性、光调制、光镊等领域中产生应用。 
附图说明
图1是介质狭缝光波导的结构示意图。区域1为基底层；区域2为高折射率缓冲层，其高度为h2；区域3为高折射率介质层，其下表面宽度为w3，上表面宽度为w4，高度为h3；区域4为低折射率介质层，其下表面宽度为w4，上表面宽度为wb，高度为h4；区域5为左侧的高折射率介质区，其下表面宽度为w5b，上表面宽度为w5t；区域7为右侧的高折射率介质区，其下表面宽度为w6b，上表面宽度为w6t；区域6为低折射率介质区，其下表面宽度为w6b，上表面宽度为w6t；区域5、6、7的高度为ht；区域8为包层。 
图2是实例所述介质狭缝光波导的结构图。201为基底层，ns为其折射率；202为高折射率缓冲层，其高度为hb；203为高折射率介质层，其截面为方形，其高度为h1；204为低折射率介质层，其截面为方形，其高度为hl，n1为其折射率；205和207为高折射率介质区，其截面均为方形，wh为其宽度；206为低射率介质区，其截面为方形，n1为其折射率，ws为其宽度；205、206、207的高度相等且均为h2；205、206、207共同构成的区域的截面的宽度、204的宽度、203的宽度相等，且均为w；202、203、205、207的折射率均为nh；208为包层，nc为其折射率。 
图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质狭缝光波导的模式光场的电场强度的分布图。图3(a)对应的是TE模式，图3(b)对应的是TM模式。 
图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质狭缝光波导的模式双 折射随宽度w的变化曲线。 
图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质狭缝光波导内传输的两种模式的限制因子随宽度w的变化曲线。图5(a)为TE模式，图5(b)为TM模式。 
具体实施方式
这里研究狭缝波导的两个重要特性，模式双折射和限制因子。 
模式双折射被定义为B＝neff(TE)-neff(TM)，其中neff(TE)和neff(TM)分别表示TE和TM偏振模式的有效折射率。 
限制因子定义为低折射率介质狭缝区域内的光功率与波导总的光功率的比值，该值可用于衡量狭缝区域对光场的限制能力。在本发明中对应的狭缝区域即为倒“T”字形的狭缝。 
实例： 
图2是实例所述介质狭缝光波导的结构图。201为基底层，ns为其折射率；202为高折射率缓冲层，其高度为hb；203为高折射率介质层，其截面为方形，其高度为h1；204为低折射率介质层，其截面为方形，其高度为hl；205和207为高折射率介质区，其截面均为方形，wh为其宽度；206为低射率介质区，其截面为方形，n1为其折射率，ws为其宽度；205、206、207的高度相等且均为h2；205、206、207共同构成的区域的截面的宽度、204的宽度、203的宽度相等，且均为w；202、203、205、207的折射率均为nh；208为包层，nc为其折射率。 
在本实例中，传输的光信号的波长选定为1.55μm，201、204、206、208的材料设为二氧化硅，其折射率为1.5；202、203、205、207的材料设为硅，其折射率为3.5。 
在本实例中，202的高度hb＝50nm；203的高度h1＝100nm；204的高度hl＝50nm；206的宽度ws＝50nm；205、206、207的高度h2＝200nm；宽度w的取值范围为200-400nm，相应地，205和207的宽度wh的取值范围为75-175nm。 
使用全矢量有限元方法对本实施例中的上述波导结构进行仿真，计算得到1.55μm波长处该介质狭缝波导所支持的TE和TM模式的模场分布及模式特性。 
图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质狭缝光波导的模式光场的电场强度的分布图。图3(a)对应的是TE模式，图3(b)对应的是TM模式。由图可见，两种模式均在狭缝区域内有明显的场增强效应。TE模式的场增强主要集中在上方的垂直狭缝区域内，而TM模式的场增强则主要集中在下方的水平狭缝区域内。 
图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质狭缝光波导的模式双折射随宽度w的变化曲线。由图可见，通过调控波导的尺寸，可获得负双折射、零双折射以及正双折射等多种双折射特性。 
图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质狭缝光波导内传输的两种模式的限制因子随宽度w的变化曲线。图5(a)为TE模式，图5(b)为 TM模式，可见，两种模式的限制因子均随宽度w增大而增大，且其值较大，说明狭缝中能限制相当一部分光场的能量。 
最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的介质狭缝光波导结构，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (3)

1.一种介质狭缝光波导结构，其横截面包括基底层、位于基底层上的从下到上依次排列的高折射率缓冲层、高折射率介质层、低折射率介质层、位于低折射率介质层上从左到右依次排列的高折射率介质区、低折射率介质区和高折射率介质区、以及包层；所述结构中高折射率介质层上表面的宽度与低折射率介质层下表面的宽度相等；位于低折射率介质层上的高折射率介质区、低折射率介质区和高折射率介质区共同构成的区域的下表面的宽度与低折射率介质层上表面的宽度相等；高折射率缓冲层的高度为所传输光信号的波长的0.006-0.06倍；高折射率介质层的上、下表面的宽度为所传输光信号的波长的0.1-0.3倍，高折射率介质层的高度为所传输光信号的波长的0.03-0.1倍；低折射率介质层的高度为所传输光信号的波长的0.006-0.06倍，低折射率介质层的上、下表面的宽度为所传输光信号的波长的0.1-0.3倍；位于低折射率介质层上的两个高折射率介质区和低折射率介质区的高度相等，且其高度为所传输光信号的波长的0.07-0.22倍，低折射率介质区和高折射率介质区共同构成的区域的上、下表面的宽度为所传输光信号的波长的0.1-0.3倍；低折射率介质区的上、下表面的宽度为所传输光信号的波长的0.006-0.06倍，且小于低折射率介质层的宽度；位于基底层上的高折射率缓冲层、高折射率介质层以及两个高折射率介质区的材料为相同或不同材料，且四者的材料折射率均高于基底层、低折射率介质层以及包层的材料折射率，基底层、低折射率介质层和包层的材料为相同材料或不同材料，基底层、低折射率介质层和包层的材料折射率的最大值与高折射率缓冲层、高折射率介质层以及两个高折射率介质区的材料折射率的最小值的比值小于0.75。
2.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中位于低折射率介质层上从左到右依次排列的高折射率介质区、低折射率介质区和高折射率介质区共同构成的区域的截面的外轮廓形状为矩形、或梯形中的任何一种。
3.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中高折射率介质层和低折射率介质层的截面的外轮廓形状为矩形、或梯形中的任何一种。
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