CN100538413C - 基于光子晶体和多模干涉耦合器混合型的偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于光子晶体/多模干涉耦合器混合型的偏振分束器包括多模干涉耦合器，在多模干涉耦合器一端连接有输入波导和TE输出波导，另一端连接有TM输出波导，多模干涉耦合器中嵌有光子晶体层。本发明将多模干涉耦合器与光子晶体结合起来，利用光子晶体层对TE、TM偏振分别反射与透射，再通过多模干涉区的自成像原理分别收集TE、TM偏振的能量，从不同的输出波导输出，从而实现偏振分束。本发明结构紧凑，整个器件的尺寸可以达到50μm×20μm，输入、输出利用的是传统波导，整个工艺实现完全与传统集成器件一致，极易与其它器件实现集成。

Description

基于光子晶体和多模干涉耦合器混合型的偏振分束器

技术领域

本发明涉及偏振分束器件领域，特别是涉及一种基于光子晶体/多模干涉耦合器混合型的偏振分束器。

背景技术

偏振分束器是一种重要的功能器件，特别当光路需要对偏振态进行控制的时侯。基于传统光学的偏振分束器大多基于晶体的双折射特性，利用双折射晶体对o光和e光折射率的差异，可以获得沿不同方向出射的两种偏振光。但是这种传统的偏振分束器尺寸大，无法在集成光学领域应用。

光子晶体是一种人工制造的在空间上具有周期性的电介质结构。当光在这种周期性电介质结构中传播时，会形成与半导体电子类似的带隙，频率处于带隙中的光无法在光子晶体中传播，完全反射而没有透射，而这种带隙是与光的偏振态相关的，TE(横电模)波和TM(横磁模)波具有各自的带隙。通过适当选取介电材料及设计周期结构，可以使TE波与TM的带隙错开，从而使得在某个带宽范围内，TE波有很大透射而TM由于处于带隙中无法透射或者是TM具有很大透射而TE由于处于带隙中无法透射。这种思想被应用到偏振分束器的设计之中。但是这种设计存在着缺点：尺寸大，损耗大，不适合与其它器件实现集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑，易与其它器件实现集成的基于光子晶体和多模干涉耦合器混合型的偏振分束器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

基于光子晶体和多模干涉耦合器混合型的偏振分束器，包括多模干涉耦合器，在多模干涉耦合器一端连接有输入波导和TE输出波导，另一端连接有TM输出波导，多模干涉耦合器中嵌有光子晶体层，所说的光子晶体层(3)是层状介质材料中二维周期性排列的空气孔阵列，所说的二维周期性是指阵列中任何相邻的三个孔的中心的连线构成等边三角形的三角晶格。

本发明中，光子晶体层的设置，使得在某一频带范围内TE波有很大透射，而TM波由于处于带隙中无法透射。

本发明中，所说的层状介质材料可以采用硅或磷化铟或砷化钾形成的层状介质材料，可以是市售商品。

为了使光波导模式能够低损耗地耦合入TM输出波导和TE输出波导中，可以采用输入波导、TM输出波导和TE输出波导为长度相同，宽度相同的单模波导。该单模波导可以是硅或磷化铟或砷化钾波导。

本发明中，多模干涉耦合器为能承载多个导波模式的多模波导。导波模式的数目由多模干涉耦合器的宽度决定。为了使自成像的效果足够好，必须保证多模干涉耦合器能够支持足够多的导波模式。

工作时，TE波和TM波从输入波导进入多模干涉耦合器，传输到光子晶体界面时，TE波由于处于光子晶体的禁带中而被反射回来，TM波透射过光子晶体层，由于多模干涉耦合器的自成像特性，反射的TE波和透射的TM波分别在TE输出波导和TM输出波导成像输出，实现偏振分离。

本发明具有的有益效果是：

本发明将多模干涉耦合器与光子晶体结合起来，同时利用多模干涉耦合器的自成像特性与光子晶体的各向异性特性，可以成功实现偏振分束。本发明结构紧凑，整个器件的尺寸可以达到50μm×20μm，输入、输出利用的是传统波导，整个工艺实现完全与传统集成器件一致，极易与其它器件实现集成。

附图说明

图1是本发明光子晶体/多模干涉耦合器混合型偏振分束器示意图；

图2是光子晶体结构的能带示意图；

图3是光场在光子晶体/多模干涉耦合器混合型偏振分束器中的传播示意图；

图4是偏振分束器输出口输出能量随波长变化示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明的基于光子晶体/多模干涉耦合器混合型的偏振分束器，包括多模干涉耦合器2，在多模干涉耦合器2一端连接有输入波导1和TE输出波导5，另一端连接有TM输出波导4，多模干涉耦合器2中嵌有光子晶体层3。光子晶体层3是层状介质材料中二维周期性排列的空气孔阵列，所说的二维周期性是指阵列中任何相邻的三个孔的中心的连线构成等边三角形的三角晶格。

图示实例中，输入波导1、TM输出波导4和TE输出波导5为长度(10μm)相同，宽度(1μm)相同的单模波导。光子晶体结构的确定是为了使在0.215至0.256(a/λ)频带范围内TE波有很大透射，而TM波处于带隙中无法透射。本例中，层状介质材料为磷化铟材料，其层状结构为InP/InGaAsP/InP，各层的折射率为3.17，3.35，3.17，在InGaAsP层厚度为420nm，光子晶体结构为三角晶格空气孔，空气孔半径r选取为0.26a，其中a为光子晶体周期(相邻孔的中心距离)，设定a为375nm。

上述光子晶体结构的能带分布如图2所示。当频率在0.215至0.256(a/λ)范围内时，入射波含有两个偏振态，入射波通过输入波导入射，到达光子晶体界面时，TM波由于处于禁带中而几乎全部被反射，TE波在禁带范围以外，从而从光子晶体界面透射过去。工作波长λ选取为1550nm，a/λ＝0.24，在上述频带范围内。

多模干涉耦合器的宽度选择要保证多模波导能支持足够多的导波模式，从而能使自成像的效果足够好。选取多模干涉耦合器的宽度w＝4μm，在此宽度下，多模波导存在22阶导波模式，成像效果能得到保证。通过光束传播法(BeamPropagation Method，BPM)，我们可以得到TE、TM偏振的拍长分别为 $L_{\mathrm{\π}}^{\mathrm{TE}}=44.85\mathrm{\μm}$ 和 $L_{\mathrm{\π}}^{\mathrm{TM}}=48.25\mathrm{\μm}$ 。TE偏振在光子晶体界面被反射，为保证被光子晶体界面反射后的TE偏振光能够从TE输出波导5输出，光子晶体区距离输入波导1的长度应该选取为TE偏振的拍长

的1/2，即22.4μm，整个多模干涉耦合区的长度应保证TM偏振能够在TM输出波导4输出，所以整个多模波导的长度选取为TM偏振的拍长48.25μm，这样就可以使两个偏振分别在多模干涉器的TM输出波导4和TE输出波导5两个输出口分别输出，实现偏振分束功能。

利用2D-FDTD可以模拟光场在整个结构中传播的情况。图3所示为两个偏振态的光分别在整个结构中传播的情况，其中图a)为TE偏振在整个结构中传播示意，图b)为TM偏振在整个结构中传播示意。从图中可以清楚的看到两个偏振得到很好的分离。

图4给出了偏振分束器输出口输出能量随波长变化，其中图a)为TE输出波导输出能量随波长的变化，图b)为TM输出波导输出能量随波长的变化。可以看到，在1500-1600nm带宽范围内，本发明具有良好的特性：低于2dB的插入损耗，高于20dB的隔离度。

Claims (4)

1、基于光子晶体和多模干涉耦合器混合型的偏振分束器，其特征在于包括多模干涉耦合器(2)，在多模干涉耦合器(2)一端连接有输入波导(1)和TE输出波导(5)，另一端连接有TM输出波导(4)，多模干涉耦合器(2)中嵌有光子晶体层(3)，所说的光子晶体层(3)是层状介质材料中二维周期性排列的空气孔阵列，所说的二维周期性是指阵列中任何相邻的三个孔的中心的连线构成等边三角形的三角晶格。

2、根据权利要求1所述的基于光子晶体和多模干涉耦合器混合型的偏振分束器，其特征在于所说的层状介质材料为硅或磷化铟或砷化钾形成的层状介质材料。

3、根据权利要求1所述的基于光子晶体和多模干涉耦合器混合型的偏振分束器，其特征在于所说的输入波导(1)、TM输出波导(4)和TE输出波导(5)为长度相同、宽度相同的单模波导。

4、根据权利要求1所述的基于光子晶体和多模干涉耦合器混合型的偏振分束器，其特征在于多模干涉耦合器(2)是能承载多个导波模式的多模波导。

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