CN102402019A - 基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器 - Google Patents

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周治平
伍丹华
隋昕
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Abstract

本发明公开了一种基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器，由上至下依次包括上包层、光栅层、波导层和下包层；其中，所述光栅层被完全刻透、与波导层位于同一层；所述波导层的折射率大于所述上包层和下包层的折射率。本发明通过采用亚波长全刻蚀光栅结构，并使其中的波导层的折射率大于所述上包层和下包层的折射率，能够兼耦合与分束功能于一体，并具有结构简单、尺寸小、与CMOS工艺兼容性好、制作成本低且快速等优点，能够很好的应用光电集成电路系统当中。

Description

基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器
技术领域
本发明涉及光通信和光互连技术领域，尤其涉及一种基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器。
背景技术
偏振光分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)在光学中有着非常多的应用，如：基于偏振光的成像系统、磁光信息储存系统、光开关、光路由器、光隔离器和相干接收系统等等。特别是在相干接收系统中，偏振分束器具有重要的应用，其能够将正交偏振态的光信号分开，然后分别传输和处理。在偏振分束器的应用中，通常要求高消光比和衍射效率、宽的角度适应范围和工作波长，同时还要求体积小、效率高、易集成，能够提供足够的制作宽容度等。
传统的偏振分束器大多基于晶体的双折射效应，如Nicol棱镜，Glan-Thomson棱镜等。但这些器件过于厚重，昂贵，而且很难与集成光路兼容。另外一种方法是利用多层介质膜透射和反射光的偏振特性来获得偏振光，但是薄膜偏振分束器薄膜层数达到几十层，对均匀性和对称性要求较严，加工较难，高消光比元件的成本很高，而且需要特定的输入角度，光谱带宽也很低。因此，采样新技术、新结构与新材料设计与研究高性能的偏振分束器非常重要。
目前已经公开的比较好的实现方案，按照实现偏振分束功能的光学结构，主要有：Y分支、定向耦合型偏振分束器、亚波长光栅型偏振分束器、光子晶体型偏振分束器、马赫泽德型偏振分束器、多模干涉器型偏振分束器等。Y分支型偏振分在实际应用中器件尺寸大，而且要求加工精度高；定向耦合型偏振分束器的优点是器件尺寸小，损耗小，缺点是制作容差较小；光栅型偏振分束器容易与集成光路兼容，但需要特定的输入角度实现高的耦合效率；光子晶体型偏振分束器设计过程和制作工艺均比较复杂；马赫泽德型偏振分束器装尺寸较大，通常在mm量级；马赫泽德型偏振分束器器件尺寸过大，通常都在mm量级，不利于实际光电子模块的集成。
综上所述，现有技术在器件设计制作复杂、集成度低、功能不易实现、耦合效率与消光比低，且与CMOS工艺的兼容性差，很难直接应用到相干接收系统中。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器，其结构简单紧凑、功能实现容易、与CMOS工艺兼容性好，并具有高耦合效率与消光比。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器，由上至下依次包括上包层、光栅层、波导层和下包层；其中，所述光栅层被完全刻透、与波导层位于同一层；
所述波导层的折射率大于所述上包层和下包层的折射率。
优选地，所述光栅层与所述波导层的制备材料相同。
优选地，所述光栅层的光栅周期的大小小于入射光波长。
优选地，所述上包层为空气。
由上包层入射到所述光栅层的光，在光栅衍射的作用下被耦合进所述波导层中，同时将TE模和TM模分开使其分别朝相反方向传输。
所述上包层入射光的入射角度θ为10度至70度。
(三)有益效果
本发明偏振分束器通过采用亚波长全刻蚀光栅结构，并使其中的波导层的折射率大于所述上包层和下包层的折射率，能够兼耦合与分束功能于一体，并具有结构简单、尺寸小、与CMOS工艺兼容性好、制作成本低且快速等优点，能够很好的应用光电集成电路系统当中。
附图说明
图1为本发明所述基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器的原理示意图；
图2为TE光和TM光的耦合效率与入射角度之间的关系曲线图；
图3为TE光和TM光的耦合效率与光栅周期的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明所述的基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器，由上至下依次包括上包层1、光栅层2、波导层3和下包层4；其中，所述光栅层2被完全刻透，且与波导层3位于同一层；所述波导层3的折射率大于所述上包层1和下包层4的折射率。其中，所述光栅层2与所述波导层3的制备材料相同。所述光栅层2的光栅周期的大小小于入射光波长。所述上包层4为空气。由上包层1入射到所述光栅层2的光，在光栅衍射的作用下被耦合进所述波导层3中，同时将TE模和TM模分开，使其分别朝相反方向传输。
优选地，所述上包层1入射光的入射角度θ为10度至70度。一般要求入射光的入射角度θ不能太大也不能太小。如果θ太大的话，入射光纤的纤维芯必然会离光栅区域比较远，由此导致的光束发散性会在很大程度上限制耦合效率；而如果θ太小的话，从光纤入射的光会从光栅反射回光纤，也必然会降低耦合效率。
在相干接收系统中，考虑到信号光耦合与分束的需要，如图1所示，在依照本发明一种实施方式的具有高耦合效率和消光比且与CMOS工艺兼容的硅波导全刻蚀光栅偏振分束器中，光栅区域主要由两种不同折射率(即n1，n2)的材料组成，光栅上包层1和下包层4的折射率分别为n1和n3，所谓的全刻蚀结构，就是指光栅线条(及折射率为n2的区域)被其他低折射率的材料所包围，即n2＞n1、n3，此时光栅线条完全离散化，即不同于浅刻蚀光栅的萧条，全刻蚀光栅的线条之间完全分立。
在设计这种亚波长全刻蚀光栅结构的时候具有很大的灵活性，只要使用的材料满足n2＞n1、n3，都可以设计出不同性能的偏振分束器。
本发明所提供的基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器不仅能够将空间输入的光耦合到波导中，还同时能够将TE模和TM模分开并使其分别朝相反方向传播。对于一般的浅刻蚀光栅，由于光栅的刻蚀高度与波导层的厚度不一致，因此在将其与其他器件一起制作的时候，需要进行第二次光刻，而对于全刻蚀的光栅只需要一步光刻就可以与其他器件集成起来，减少了制作的成本和时间，同时不需要加任何的覆盖层和反射层，结构非常简单，制作起来也非常方便。
由于本发明的偏振分束器采用的是亚波长全刻蚀光栅结构，此时波导是强调制的，波导微扰理论不再适用，普通光栅的布拉格条件此也不再成立，因此要分别考虑TE和TM模的布洛赫模(Bloch mode)色散模型，结合这两个模型，可以找到合适的点实现TE和TM能够分别耦合到波导两端，即实现偏振分束。
首先对于入射光的入射角度θ，一般要求不能太大也不能太小。图2给出了TE光和TM光的耦合效率与入射角度之间的关系曲线图，图3给出了TE光和TM光的耦合效率与光栅周期的关系曲线图。根据图2和图3，适当选择入射角度和光栅周期，就可以得到光耦合效率、高消光比的基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器。
本发明所提出的基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器能在比较宽的3dB带宽范围内实现比较高的耦合效率和消光比，虽然消光比指标相比其他类型的偏振分束器仍不太高，但是考虑偏振分束器兼耦合与分束功能于一体，具有结构简单、尺寸小、与CMOS工艺兼容、制作成本低且快速等优点，能够很好的应用到光电集成电路系统当中。浅刻蚀光栅在科研上已经研究的比较成熟了，而全刻蚀光栅作为一种新颖的结构，无论是在理论依据上还是在设计上相比都有明显的不同，而且制作加工更为简单经济，因此这种结构对设计耦合器和偏振分束器来说都有着比较重要的意义。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器，其特征在于，由上至下依次包括上包层(1)、光栅层(2)、波导层(3)和下包层(4)；其中，所述光栅层(2)被完全刻透，且与所述波导层(3)位于同一层；
所述波导层(3)的折射率大于所述上包层(1)和下包层(4)的折射率。
2.如权利要求1所述的基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器，其特征在于，所述光栅层(2)与所述波导层(3)的制备材料相同。
3.如权利要求1所述的基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器，其特征在于，所述光栅层(2)的光栅周期的大小小于入射光波长。
4.如权利要求1所述的基于亚波长全刻蚀光栅的偏振分束器，其特征在于，所述上包层(1)为空气。
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