基于混合等离子体波导的硅基集成偏振控制器件研究

Si photonics is one of the most promising solutions to break the bottleneck in micro-electronics. However, a key problem in Si photonics is how to realize effective polarization control on chip, such as polarization rotators. We propose a coupled structure composed of a hybrid plasmonic waveguide (HPW) and a Si wire waveguide. Compared to traditional Si waveguide-based polarization rotators, the introduction of metal could highly increase the degree of freedom to control the polarization state, and enhance the cross polarization coupling efficiency. We will first focus on two key theoretical problems: cross polarization coupling and metal's effects on modes polarization state and dispersion properties in HPW, figure out the mechanisms and try to propose a physical model for the first time. Based on the theory, a polarization rotator with high polarization conversion efficiency, ultra-compact size and good fabrication feasibility will be designed, fabricated and tested. In addition, we will propose a polarization rotator/splitter to further increase the integration density, and a novel active polarization modulator with time domain control. This project will provide a novel and effective solution for integrated polarization-selective devices in Si photonics. Moreover, it paves the way to realize hybrid integration of plasmonic-based devices and dielectric-based devices.

硅基光电子是突破后摩尔时代微电子技术困境的最有效方案之一。而偏振控制是硅基光电子回路长久以来的难题，特别是偏振旋转等关键器件，尚无很好的解决方案。本项目提出混合等离子波导与硅波导耦合结构，创新性的引入金属材料，与传统的基于硅波导的偏振旋转器相比，引入新的调控机制，大大增加了调控能力，增强交叉偏振耦合强度。本项目将围绕交叉偏振耦合理论与金属对混合等离子波导中模式偏振特性与色散特性影响机理两大关键问题，首次提出完备的物理模型与研究方法，在此基础上设计并实验制备、测试具有超小尺寸、高偏振转化率、高工艺可行性的集成偏振旋转器。并以此为基础，提出高集成度的新型偏振旋转/分束器，和时域控制的有源偏振调制器。为硅基光电子集成中的偏振问题提供新的有效解决方案，并对表面等离子与介质器件混合集成提供依据与指导，具有重要理论价值和广泛的应用意义。

项目背景：偏振控制是硅基光电子技术中非常关键且极具挑战的问题。偏振相关损耗、偏振色散等问题严重制约了器件性能。传统介质结构双折射效应较弱，导致集成偏振控制器件的尺寸较大、消光比低或者结构极其复杂。如何实现超小尺寸、高性能的硅基集成偏振控制器是一个急需解决的重要问题。表面等离子体激元是一种存在于金属与介质界面的横磁波，具有纳米尺度光场限制能力和天然的偏振敏感性。其独特的性能为实现超小型集成偏振控制器件带来新的希望。.主要研究内容：本项目围绕片上偏振控制问题，研究混合表面等离子体波导与介质波导所支持的光学模式特点上的相似相异性，探索新的调控机理，完成片上集成偏振控制器件的设计、制备和测试。.重要结果：提出了两种片上偏振控制解决方案：1) 引入偏振多样性系统，其中偏振分束器，偏振旋转器，偏振旋转分束器是该系统的核心器件；2) 利用起偏器直接滤除不需要的偏振态。.关键数据：首次提出并实验实现了基于模式相干原理的片上表面等离子体偏振旋转器。器件长度仅为2.5μm，实验测得偏振旋转效率高达99.2%。基于弯曲表面等离子体波导的偏振分束器TM模式和TE模式的消光比分别为25.2dB和29.5dB。插入损耗仅为0.2dB和0.035dB，器件的尺寸仅为8.1μm×2.6μm。基于交叉耦合原理的超小型偏振旋转分束器TM模式和TE模式的消光比分别为50.9 dB和28.2 dB，对应的插入损耗为1.545dB and 0.037dB，偏振转化效率高达99.4%。器件的耦合长度仅为7.7μm，是目前已知最小的偏振旋转分束器。超低损耗表面等离子体光栅型TM模式起偏器消光比为25.6dB，长度仅2.5μm，插入损耗仅为0.088dB。设计并实验实现了大对准容差，高消光比TE模式起偏器。器件长度为6 μm，实验测得消光比高达32.6dB，插入损耗为4.7dB。.科学意义：探索了利用表面等离子体天然的偏振敏感性和纳米尺度光场限制能力来解决片上偏振控制问题的可能。研究了混合表面等离子体参与下的偏振控制机理。为超小尺寸、高性能片上偏振控制器的实现提供了理论指导和实验依据。