CN102798929B - 一种光学偏振分束合束器 - Google Patents

Abstract

一种光学偏振分束合束器，属于集成光子器件，解决现有偏振分束器存在的无法同时满足损耗、串扰、集成以及尺寸要求的问题。本发明由在衬底上自下而上依次生长的包层、下导波层和上导波层构成，所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导、第一准直透镜、光栅楔形棱镜、第二准直透镜、第一输出波导和第二输出波导构成，各组成部分的材料相同。本发明带宽高、损耗低、串扰低、体积小，与现有制作工艺兼容，可方便地进行单片集成，在偏振复用高速光通信系统中，可用于发射端将两个被分别调制的相互垂直的偏振光进行合束而并入一路传输，也可用于接收端将一束包含有两个相互垂直偏振分量的输入光分解成两束垂直和水平偏振的输出光束。

Description

一种光学偏振分束合束器

技术领域

本发明属于集成光子器件，具体涉及一种光学偏振分束合束器。

背景技术

随着语音、图像和数据等信息量爆炸式的增长，尤其是因特网的迅速崛起，不断扩大光通信容量已是必然的趋势。在高速长距离光通信应用中，容量为100Gbps及以上的系统是当前骨干传输网的发展方向，由于偏振模间的色散增加远小于基带展宽带来的色散增加，所以偏振复用技术成为提高信号传输容量的首选。

在涉及双偏振态复用技术(例如双偏振正交四相相移键控DP-QPSK技术)的光通信系统中，发射端需要将两个被分别调制的相互垂直的偏振光进行合束，而输出端需要将包含有两个相互垂直偏振分量的输入光分解成两束分别具有垂直和水平偏振的输出光束。现有偏振分束器主要可以分为两种，一种是分立式偏振分束器，它们大多低损耗、低串扰、宽带，但很难与其他器件集成，如Wollaston棱镜和形致双折射(form-birefringent)偏振分束器。另外一种是可集成的偏振分束器，如利用狭缝波导(slot waveguide)耦合器、硅线耦合器和弯曲波导耦合器实现偏振分束，其缺点是串扰比较大；利用表面等离子激元(surface plasmon polariton)等进行偏振分束，但其插入损耗大，制作也比较困难；Lijun Wu在“Planar photonic crystalpolarization splitter”一文中提出平面光子晶体偏振分束器，利用光的两个正交偏振态在特定频段内，在光子晶体传播中所表现出的不同的色散特性，也可以实现偏振分束，但是其插入损耗大，带宽较窄。见optics letter，vol.29，no.14，July152004，pp.1620-1622。

发明内容

本发明提供一种光学偏振分束合束器，解决现有偏振分束器存在的无法同时满足损耗、串扰、集成以及尺寸要求的问题，以满足目前偏振复用光通信系统中两个正交偏振光束间的结合与分离需求。

本发明所提供的一种光学偏振分束合束器，由在衬底上自下而上依次生长的包层、下导波层和上导波层构成，其特征在于：

所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导、第一准直透镜、光栅楔形棱镜、第二准直透镜、第一输出波导和第二输出波导构成，各组成部分的材料相同；

A.所述输入波导为水平截面矩形的长方体；

B.所述第一准直透镜为扁平柱体，包括连为一体的两部分，第一部分水平截面形状为矩形；第二部分水平截面形状为半椭圆形，其长轴a₁和短轴b₁分别满足：

a₁＝(a_1TE+a_1TM)/2， $a_{1\mathrm{TE}}=\frac{b_1{n}_{1\mathrm{TE}}}{\sqrt{{n_{1\mathrm{TE}}}^2-{n_{0\mathrm{TE}}}^2}},$ $a_{1\mathrm{TM}}=\frac{b_1{n}_{1\mathrm{TM}}}{\sqrt{{n_{1\mathrm{TM}}}^2-{n_{0\mathrm{TM}}}^2}},$

b₁≥160λ/(n_1TE+n_1TM)，b₁越大性能越好，但器件尺寸增大，n_1TM，n_1TE分别为光束TM和TE在所述第二部分的等效折射率；n_0TM，n_0TE分别为光束TM和TE在下导波层、包层和衬底总的等效折射率，所述半椭圆形短轴与所述第一部分矩形y方向的边拼接；

C.所述光栅楔形棱镜由N个z方向长度依次递减的柱体沿y方向等间隔排列为近似直角三角形，该近似直角三角形顶角θ为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δy}{n}_0}{L_{f_2}(N_{\mathrm{TM}}-N_{\mathrm{TE}})}\right),$

其中，Δy为垂直偏振波束TE和水平偏振波束TM沿y方向分开的距离，Δy≥2um，Δy越大性能越好，但器件尺寸增大，

为第二准直透镜第一部分焦距，

N_TM和N_TE分别是水平偏振波束TM和垂直偏振波束TE在光栅楔形棱镜中的等效折射率，其估算公式为：

$N_{\mathrm{TM}}={[n_{\mathrm{hTM}}^2\mathrm{\α}+n_{\mathrm{lTM}}^2(1-\mathrm{\α})]}^{1/2}$

$N_{\mathrm{TE}}={[(1/n_{\mathrm{hTE}}^2)\mathrm{\α}+(1/n_{\mathrm{lTE}}^2)(1-\mathrm{\α})]}^{-1/2};$

柱体之间间隔小于光在上导波层内的波长，占空比初始值α为：由束传播法优化得到最终占空比；

n_hTE、n_hTM分别为波束TE和TM在柱体内的等效折射率；n_lTE、n_lTM分别为波束TE和TM在柱体之间的等效折射率，每个柱体垂直截面形状均为矩形，每个柱体水平截面形状均为直角梯形；

D.所述第二准直透镜为扁平柱体，包括连为一体的三部分，第一部分水平截面形状为半椭圆形，其长轴a₂和短轴b₂分别满足：

a₂＝(a_2TE+a_2TM)/2， $a_{2\mathrm{TE}}=\frac{{2n}_{2\mathrm{TE}}{L}_{f_2\mathrm{TE}}}{n_{2\mathrm{TE}}+n_{0\mathrm{TE}}},$ $a_{2\mathrm{TM}}=\frac{{2n}_{2\mathrm{TM}}{L}_{f_2\mathrm{TM}}}{n_{2\mathrm{TM}}+n_{0\mathrm{TM}}},$

$L_{f_2\mathrm{TE}}=\frac{b_2}{2}\sqrt{\frac{n_{2\mathrm{TE}}+n_{0\mathrm{TE}}}{n_{2\mathrm{TE}}-n_{0\mathrm{TE}}}},$ $L_{f_2\mathrm{TM}}=\frac{b_2}{2}\sqrt{\frac{n_{2\mathrm{TM}}+n_{0\mathrm{TM}}}{n_{2\mathrm{TM}}-n_{0\mathrm{TM}}}},$ $L_{f_2}=(L_{f_2\mathrm{TE}}+L_{f_2\mathrm{TM}})/2,$

b₂≥160λ/(n_2TE+n_2TM)，b₂越大性能越好，但器件尺寸增大，n_2TM、n_2TE分别为光束TM和TE在第二准直透镜第一部分的等效折射率；

为第二准直透镜第一部分焦距；

半椭圆形的长轴方向与所述光栅楔形棱镜输出光的偏折角度一致，第二部分水平截面形状为矩形，矩形的长边与所述第一部分半椭圆形短轴拼接；第三部分水平截面形状为矩形，第三部分矩形的短边与所述第二部分矩形的长边拼接；

所述第一输出波导为水平截面形状为矩形的长方体；

所述第二输出波导为水平截面形状为矩形的长方体；

所述输入波导的输出端面和第一准直透镜的输入端面连为一体，第一准直透镜的输出端面和光栅楔形棱镜的输入端面不接触，光栅楔形棱镜的输出端面和第二准直透镜的输入端面不接触，所述第一准直透镜、光栅楔形棱镜和第二准直透镜的顶面为同一水平面，第二准直透镜的第三部分和第一输出波导的输入端面连为一体，第二准直透镜的第二部分和第二输出波导的输入端面连为一体；

所述x、y、z方向分别为沿纸面垂直向上方向、垂直纸面向外方向、沿纸面向右方向。

所述的光学偏振分束合束器，其特征在于：

所述衬底采用能够形成平面光波导的介质材料，包括单晶硅、磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、蓝宝石(A1₂O₃)、碳化硅(SiC)；

所述包层采用能够形成平面光波导的介质材料，包括二氧化硅，磷化铟(InP)、铟镓砷磷(InGaAsP)、砷化镓(GaAs)、铝镓砷(AlGaAs)、氮化镓(GaN)，铟镓氮(InGaN)、铝镓氮(AlGaN)；

所述上、下导波层采用能够形成平面光波导的介质材料，包括非晶硅、铟镓砷磷(InGaAsP)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、铟镓氮(InGaN)、铝镓氮(AlGaN)。

所述光栅楔形棱镜输出光的偏折角度由束传播法(Beam PropagationMethod)得到；

所述水平偏振波束TM在第一准直透镜的等效折射率n_1TM，在第二准直透镜的等效折射率n_2TM，在所述下导波层、包层和衬底总的等效折射率n_0TM，在柱体内的等效折射率n_hTM和柱体之间的等效折射率n_lTM；垂直偏振波束TE在第一准直透镜的等效折射率n_1TE，在第二准直透镜的等效折射率n_2TE，在所述下导波层、包层和衬底总的等效折射率n_0TE，在柱体内的等效折射率n_hTE和柱体之间的等效折射率n_lTE均可由有效折射率法(Effective Index Method)或者模式求解(Mode solver)得到。

本发明在水平(y方向)和传播方向(z方向)上包括第一准直透镜、光栅楔形棱镜和第二准直透镜三个部分，每一部分都是一个平面光衍射器件。这些平面光衍射器件可以在由同种材料构成的衬底上采用统一的光刻和刻蚀工艺制作，光在垂直方向上始终是被由包层和上、下导波层所构成的平板波导结构导引。

第一准直透镜位于输入光波导之后，其作用是将光波导中的光波变成二维准平面波；光栅楔形棱镜具有形致双折射效应，其作用是利用双折射效应将输入光的垂直偏振波束和水平偏振波束分开，第二准直透镜作用是将分开的两束偏振光重新聚焦在不同的位置，最后耦合至不同的光波导输出，完成偏振分束。根据光的互易性质，作为偏振合束器时，光从第一、第二输出波导输入，从输入波导输出，各部分工作原理相同。

输入光波导中的光首先进入第一准直透镜矩形部分，光在此部分的传播类似于在y-z平面上的二维自由空间中的传播，光束边缘处的相位滞后于中心，光束宽度会不断扩展；进入第一准直透镜的半椭圆部分后，光束的边缘部分比起中心部分经历了较多的低折射率区传播，因而其滞后的相位得以补偿，如此，光束被转变成为了具有一定束宽的二维准平面波。第一准直透镜无论是对水平偏振的TE波和还是对垂直偏振的TM波都起着相同一致的功能。

就理想系统而言，输入波导中的导模场分布f_m(y)，f_m(y)经过第一准直透镜后的光场分布f_L1(y)是f_m(y)的傅里叶变换，即f_L1(y)＝F[f_m(y)]，其中符号F[·]表示傅里叶变换。

TE波E场沿y方向偏振，在光栅楔形棱镜中传播时，可观察到折射率不连续。由折射率分界面法线方向上电位移连续性条件可知，TE波的场更多地集中在低折射率区内。

TM波E场沿x方向偏振，在光栅楔形棱镜中传播时，无法观察到折射率的不连续。由折射率分界面切向方向上电场连续性条件可知，TE波的场在高、低折射率区内分布均匀。

光栅楔形棱镜由高低折射率交替变化的光栅构成，当光栅周期Λ小于波长λ时，TM(电场方向沿x方向)和TE(电场方向沿y方向)的等效折射率可以根据等效介质理论(effective-medium theory)取一阶近似得到：

$N_{\mathrm{TM}}={[n_{\mathrm{hTM}}^2\mathrm{\α}+n_{\mathrm{lTM}}^2(1-\mathrm{\α})]}^{1/2}$

$N_{\mathrm{TE}}={[(1/n_{\mathrm{hTE}}^2)\mathrm{\α}+(1/n_{\mathrm{lTE}}^2)(1-\mathrm{\α})]}^{-1/2},$

其中α是光栅占空比，即高折射率条形台面的宽度与光栅周期的比值，N_TM和N_TE分别是TM和TE波的等效折射率，n_hTE、n_hTM分别为波束TE和TM在柱体内的等效折射率；n_lTE、n_lTM分别为波束TE和TM在柱体之间的等效折射率，通过计算，得到当光栅占空比初始值α满足下式时，

$\mathrm{\α}=(\frac{n_{\mathrm{hTE}}}{n_{\mathrm{hTE}}+n_{\mathrm{lTE}}}+\frac{n_{\mathrm{hTM}}}{n_{\mathrm{hTM}}+n_{\mathrm{lTM}}})/2,$

TE和TM折射率差达到最大，上述α值为设计初始值，最佳的占空比值应采用束传播法对实际器件进行仿真优化得到。可见，该光栅楔形棱镜具有针对不同偏振态的双折射效应。

利用光栅楔形棱镜产生的形致双折射效应，对不同偏振态的光有着不同的等效折射率，对不同偏振态的出射光偏转角不同。

准直后的TE和TM光f_L1(y)经过光栅楔形棱镜后的光场分布f_w(y)为：

f_w(y)＝f_L1(y)exp[-jp(y)]＝F[f_m(y)]exp[-j2πC(pol)y]，其中p(y)是光栅楔形棱镜引入的相移，C(pol)是与偏振有关的系数，对于TE或TM偏振，可以分别近似为：

$C(\mathrm{TM}/\mathrm{TE})=\frac{(n_{0\mathrm{TM}/\mathrm{TE}}-N_{\mathrm{TM}/\mathrm{TE}})}{\mathrm{\λ}}\tan {\mathrm{\θ}}_w,$

其中：λ代表波长，n_0TM、n_0TE分别为波束TM、TE在下导波层、包层和衬底总的等效折射率，θ_w为光栅楔形棱镜的顶角。

第二准直透镜的设计原理与第一准直透镜相同，TE和TM波经过第二准直透镜重新聚焦并耦合进入输出波导。由于TE波和TM波经光栅楔形棱镜后出射的偏转角不同而导致了经过第二准直透镜后的聚焦点位置不同，因此TE波和TM波可被分别被耦合至两个不同的输出光波导。

经过光栅楔形棱镜后的光场f_w(y)进入第二准直透镜，在第二准直透镜焦点上的光场分布f_L2(y)为：

f_L2(y)＝F^-1{f_w(y)}＝F^-1{F[f_m(y)]exp[-j2πC(pol)y]}＝f_m[y+C(pol)]，

其中符号F¹[·]表示反傅里叶变换。

可见，在第二准直透镜的焦点上的光场分布f_L2(y)是输入光场分布f_m(y)的再现，相对于f_m(y)，f_L2(y)引入了一个与偏振有关的位移，从而把TE波和TM波聚焦在了不同的位置，最终实现了偏振分光。

本发明可由平面波导技术的标准光刻及刻蚀工艺制作，上导波层中第一准直透镜、光栅楔形棱镜和第二准直透镜的顶面为同一水平面，输入波导、第一输出波导和第二输出波导的顶面为同一水平面，光栅楔形棱镜柱体之间的刻蚀深度可深入下导波层，三个不同的台高可通过三步刻蚀实现。

本发明基于平面光波导技术，带宽高、损耗低、串扰低、体积小、可由任何能够形成平面光波导的介质材料实现，与现有制作工艺兼容，并可方便地与其他相同材料体系的器件进行单片集成，利用光栅楔形棱镜的形致双折射效应，可将输入的一束普通线偏振光分成两束偏振态相互垂直的偏振光，或者反过来将两束偏振态相互垂直的光合并成一束偏振光。在偏振复用高速光通信系统中，它既可用于发射端将两个被分别调制的相互垂直的偏振光进行合束而并入一路传输，也可用于接收端将一束包含有两个相互垂直偏振分量的输入光分解成两束分别具有垂直和水平偏振的输出光束。

附图说明

图1为本发明的y方向视图；

图2为本发明俯视图；

图3为图2的P-P截面向Q方向的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

一种光学偏振分束合束器，如图1所示，由在衬底10上自下而上依次生长的包层9、下导波层8和上导波层7构成，衬底10为磷化铟，包层9为磷化铟，下导波层8和上导波层7为铟镓砷磷；

包层x方向高度4微米，下导波层x方向高度0.38微米；

如图2所示，所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导1、第一准直透镜2、光栅楔形棱镜3、第二准直透镜4、第一输出波导5和第二输出波导6构成；

A.所述输入波导1为水平截面矩形的长方体，x方向高度0.04微米，y方向宽度2.2微米；

B.所述第一准直透镜2为扁平柱体，包括连为一体的两部分，第一部分水平截面形状为矩形，x方向高度1.12微米，y方向宽度50微米，z方向长度78.7微米；第二部分水平截面形状为半椭圆形，其长轴a₁和短轴b₁分别满足：

a₁＝(a_1TE+a_1TM)/2， $a_{1\mathrm{TE}}=\frac{b_1{n}_{1\mathrm{TE}}}{\sqrt{{n_{1\mathrm{TE}}}^2-{n_{0\mathrm{TE}}}^2}},$ $a_{1\mathrm{TM}}=\frac{b_1{n}_{1\mathrm{TM}}}{\sqrt{{n_{1\mathrm{TM}}}^2-{n_{0\mathrm{TM}}}^2}},$

b₁＝50um，其中光束TM和TE在所述第二部分的等效折射率n_1TM，n_1TE分别为3.405和3.408，光束TM和TE在下导波层、包层和衬底总的等效折射率n_0TM，n_0TE分别为3.200和3.241，所述半椭圆形短轴与所述第一部分矩形y方向的边拼接；

C.所述光栅楔形棱镜3由N个z方向长度依次递减的柱体沿y方向等间隔排列为近似直角三角形，该近似直角三角形顶角θ为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δy}{n}_0}{L_{f_2}(N_{\mathrm{TM}}-N_{\mathrm{TE}})}\right),$

其中，Δy＝2.20um，为垂直偏振波束TE和水平偏振波束TM沿y方向分开的距离；

，为第二准直透镜第一部分焦距，N_TM和N_TE分别是水平偏振波束TM和垂直偏振波束TE在光栅楔形棱镜中的等效折射率：

$N_{\mathrm{TM}}={[n_{\mathrm{hTM}}^2\mathrm{\α}+n_{\mathrm{lTM}}^2(1-\mathrm{\α})]}^{1/2}$

$N_{\mathrm{TE}}={[(1/n_{\mathrm{hTE}}^2)\mathrm{\α}+(1/n_{\mathrm{lTE}}^2)(1-\mathrm{\α})]}^{-1/2},$

柱体之间间隔小于光在上导波层内的波长，占空比初始值α为： $\mathrm{\α}=(\frac{n_{\mathrm{hTE}}}{n_{\mathrm{hTE}}+n_{\mathrm{lTE}}}+\frac{n_{\mathrm{hTM}}}{n_{\mathrm{hTM}}+n_{\mathrm{lTM}}})/2,$

n_hTE、n_hTM分别为波束TE和TM在柱体内的等效折射率，n_hTE、n_hTM分别为3.405和3.408；n_lTE、n_lTM分别为波束TE和TM在柱体之间的等效折射率，n_lTE、n_lTM分别为1.223和1.667；每个柱体垂直截面形状均为矩形，每个柱体水平截面形状均为直角梯形；

仿真优化得到：N_TM＝3.012，N_TE＝2.544，α＝0.75，θ＝30度；

D.所述第二准直透镜4为扁平柱体，包括连为一体的三部分，第一部分水平截面形状为半椭圆形，x方向高度1.12微米，其长轴a₂和短轴b₂分别满足：

a₂＝(a_2TE+a_2TM)/2， $a_{2\mathrm{TE}}=\frac{{2n}_{2\mathrm{TE}}{L}_{f_2\mathrm{TE}}}{n_{2\mathrm{TE}}+n_{0\mathrm{TE}}},$ $a_{2\mathrm{TM}}=\frac{{2n}_{2\mathrm{TM}}{L}_{f_2\mathrm{TM}}}{n_{2\mathrm{TM}}+n_{0\mathrm{TM}}},$

$L_{f_2\mathrm{TE}}=\frac{b_2}{2}\sqrt{\frac{n_{2\mathrm{TE}}+n_{0\mathrm{TE}}}{n_{2\mathrm{TE}}-n_{0\mathrm{TE}}}},$ $L_{f_2\mathrm{TM}}=\frac{b_2}{2}\sqrt{\frac{n_{2\mathrm{TM}}+n_{0\mathrm{TM}}}{n_{2\mathrm{TM}}-n_{0\mathrm{TM}}}},$ $L_{f_2}=(L_{f_2\mathrm{TE}}+L_{f_2\mathrm{TM}})/2,$ b₂＝50um，光束TM和TE在第二准直透镜第一部分的等效折射率n_2TM、n_2TE分别为3.405和3.408；

半椭圆形的长轴方向与所述光栅楔形棱镜输出光的偏折角度一致，相对于Z轴为5°，第二部分水平截面形状为矩形，长边长度50微米，短边长度31.3微米，矩形的长边与所述第一部分半椭圆形短轴拼接；第三部分水平截面形状为矩形，长边长度41.2微米，短边长度13微米，第三部分矩形的短边与所述第二部分矩形的长边拼接；

所述第一输出波导5为水平截面形状为矩形的长方体，其x方向高度为0.04微米，y方向宽度2.2微米；

所述第二输出波导6为水平截面形状为矩形的长方体，其x方向高度为0.04微米，y方向宽度2.2微米；

所述输入波导的输出端面和第一准直透镜的输入端面连为一体，第一准直透镜的输出端面和光栅楔形棱镜的输入端面不接触，光栅楔形棱镜的输出端面和第二准直透镜的输入端面不接触，所述第一准直透镜、光栅楔形棱镜和第二准直透镜的顶面为同一水平面，第二准直透镜的第三部分和第一输出波导的输入端面连为一体，第二准直透镜的第二部分和第二输出波导的输入端面连为一体；

图1、图2、图3中，x、y、z方向分别为沿纸面垂直向上方向、垂直纸面向外方向、沿纸面向右方向。

实施例2：

一种光学偏振分束合束器，如图1所示，由在衬底10上自下而上依次生长的包层9、下导波层8和上导波层7构成，衬底10为晶体硅，包层9为二氧化硅，下导波层8和上导波层7为非晶硅；

包层x方向高度0.5微米，下导波层x方向高度0.5微米；

如图2所示，所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导1、第一准直透镜2、光栅楔形棱镜3、第二准直透镜4、第一输出波导5和第二输出波导6构成，各组成部分的材料相同；

所述输入波导1为水平截面矩形的长方体，x方向高度0.02微米，y方向宽度3.8微米；

B.所述第一准直透镜2为扁平柱体，包括连为一体的两部分，第一部分水平截面形状为矩形，其x方向高度1.10微米，y方向宽度50微米，z方向长度36.5微米；第二部分水平截面形状为半椭圆形，x方向高度1.10微米，其长轴a₁和短轴b₁分别满足：

a₁＝(a_1TE+a_1TM)/2， $a_{1\mathrm{TE}}=\frac{b_1{n}_{1\mathrm{TE}}}{\sqrt{{n_{1\mathrm{TE}}}^2-{n_{0\mathrm{TE}}}^2}},$ $a_{1\mathrm{TM}}=\frac{b_1{n}_{1\mathrm{TM}}}{\sqrt{{n_{1\mathrm{TM}}}^2-{n_{0\mathrm{TM}}}^2}},$ b₁＝50um，

其中光束TM和TE在所述第二部分的等效折射率n_1TM，n_1TE分别为3.447和3.452，光束TM和TE在下导波层、包层和衬底总的等效折射率n_0TM，n_0TE分别为3.147和3.273；

所述半椭圆形短轴与所述第一部分矩形y方向的边拼接；

C.所述光栅楔形棱镜3由N个z方向长度依次递减的柱体沿y方向等间隔排列为近似直角三角形，该近似直角三角形顶角θ为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δy}{n}_0}{L_{f_2}(N_{\mathrm{TM}}-N_{\mathrm{TE}})}\right),$

其中，Δy为垂直偏振波束TE和水平偏振波束TM沿y方向分开的距离Δy＝2.8um；

为第二准直透镜第一部分焦距，N_TM和N_TE分别是水平偏振波束TM和垂直偏振波束TE在光栅楔形棱镜中的等效折射率：

$N_{\mathrm{TM}}={[n_{\mathrm{hTM}}^2\mathrm{\α}+n_{\mathrm{lTM}}^2(1-\mathrm{\α})]}^{1/2}$

$N_{\mathrm{TE}}={[(1/n_{\mathrm{hTE}}^2)\mathrm{\α}+(1/n_{\mathrm{lTE}}^2)(1-\mathrm{\α})]}^{-1/2},$

柱体之间间隔小于光在上导波层内的波长，占空比初始值α为： $\mathrm{\α}=(\frac{n_{\mathrm{hTE}}}{n_{\mathrm{hTE}}+n_{\mathrm{lTE}}}+\frac{n_{\mathrm{hTM}}}{n_{\mathrm{hTM}}+n_{\mathrm{lTM}}})/2,$

n_hTE、n_hTM分别为波束TE和TM在柱体内的等效折射率，n_hTE、n_hTM分别为3.447和3.452；n_lTE、n_lTM分别为波束TE和TM在柱体之间的等效折射率，n_lTE、n_lTM分别为1.223和1.667；每个柱体垂直截面形状均为矩形，每个柱体水平截面形状均为直角梯形；

仿真优化得到：N_TM＝3.119，N_TE＝2.614，α＝0.8，θ＝30度；

D.所述第二准直透镜4为扁平柱体，包括连为一体的三部分，第一部分水平截面形状为半椭圆形，x方向高度1.1微米，其长轴a₂和短轴b₂分别满足：

a₂＝(a_2TE+a_2TM)/2， $a_{2\mathrm{TE}}=\frac{{2n}_{2\mathrm{TE}}{L}_{f_2\mathrm{TE}}}{n_{2\mathrm{TE}}+n_{0\mathrm{TE}}},$ $a_{2\mathrm{TM}}=\frac{{2n}_{2\mathrm{TM}}{L}_{f_2\mathrm{TM}}}{n_{2\mathrm{TM}}+n_{0\mathrm{TM}}},$

$L_{f_2\mathrm{TE}}=\frac{b_2}{2}\sqrt{\frac{n_{2\mathrm{TE}}+n_{0\mathrm{TE}}}{n_{2\mathrm{TE}}-n_{0\mathrm{TE}}}},$ $L_{f_2\mathrm{TM}}=\frac{b_2}{2}\sqrt{\frac{n_{2\mathrm{TM}}+n_{0\mathrm{TM}}}{n_{2\mathrm{TM}}-n_{0\mathrm{TM}}}},$ $L_{f_2}=(L_{f_2\mathrm{TE}}+L_{f_2\mathrm{TM}})/2,$ b₂＝50um，光束TM和TE在第二准直透镜第一部分的等效折射率n_2TM、n_2TE分别为3.447和3.452；

半椭圆形的长轴方向与所述光栅楔形棱镜输出光的偏折角度一致，相对于Z轴为4°第二部分水平截面形状为矩形，长边长度50微米，短边长度2微米，矩形的长边与所述第一部分半椭圆形短轴拼接；第三部分水平截面形状为矩形，长边长度76微米，短边长度15微米，第三部分矩形的短边与所述第二部分矩形的长边拼接；

所述第一输出波导5为水平截面形状为矩形的长方体，其x方向高度0.02微米，y方向宽度1.8微米；

所述第二输出波导6为水平截面形状为矩形的长方体，其x方向高度0.02微米，y方向宽度3.8微米；

所述输入波导的输出端面和第一准直透镜的输入端面连为一体，第一准直透镜的输出端面和光栅楔形棱镜的输入端面不接触，光栅楔形棱镜的输出端面和第二准直透镜的输入端面不接触，所述第一准直透镜、光栅楔形棱镜和第二准直透镜的顶面为同一水平面，第二准直透镜的第三部分和第一输出波导的输入端面连为一体，第二准直透镜的第二部分和第二输出波导的输入端面连为一体；

图1、图2、图3中，x、y、z方向分别为沿纸面垂直向上方向、垂直纸面向外方向、沿纸面向右方向。

Claims (2)

1.一种光学偏振分束合束器，由在衬底(10)上自下而上依次生长的包层(9)、下导波层(8)和上导波层(7)构成，其特征在于：

所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导(1)、第一准直透镜(2)、光栅楔形棱镜(3)、第二准直透镜(4)、第一输出波导(5)和第二输出波导(6)构成，各组成部分的材料相同；

A.所述输入波导(1)为水平截面矩形的长方体；

B.所述第一准直透镜(2)为扁平柱体，包括连为一体的两部分，第一部分水平截面形状为矩形；第二部分水平截面形状为半椭圆形，其长轴a₁和短轴b₁分别满足：

a₁＝(a_1TE+a_1TM)/2， $a_{1\mathrm{TE}}=\frac{b_1{n}_{1\mathrm{TE}}}{\sqrt{{n_{1\mathrm{TE}}}^2-{n_{0\mathrm{TE}}}^2}},$ $a_{1\mathrm{TM}}=\frac{b_1{n}_{1\mathrm{TM}}}{\sqrt{{n_{1\mathrm{TM}}}^2-{n_{0\mathrm{TM}}}^2}},$

b₁≥160λ/(n_1TE+n_1TM)，b₁越大性能越好，但器件尺寸增大，n_1TM，n_1TE分别为光束TM和TE在所述第二部分的等效折射率；n_0TM，n_0TE分别为光束TM和TE在下导波层、包层和衬底总的等效折射率，所述半椭圆形短轴与所述第一部分矩形y方向的边拼接；

C.所述光栅楔形棱镜(3)由N个z方向长度依次递减的柱体沿y方向等间隔排列为近似直角三角形，该近似直角三角形顶角θ为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\Δy}{n}_0}{L_{f_2}(N_{\mathrm{TM}}-N_{\mathrm{TE}})}\right),$

其中，△y为垂直偏振波束TE和水平偏振波束TM沿y方向分开的距离，Δy≥2um，△y越大性能越好，但器件尺寸增大，为第二准直透镜第一部分焦距，

N_TM和N_TE分别是水平偏振波束TM和垂直偏振波束TE在光栅楔形棱镜中的等效折射率，其估算公式为：

$N_{\mathrm{TM}}={[n_{\mathrm{hTM}}^2\mathrm{\α}+n_{\mathrm{lTM}}^2(1-\mathrm{\α})]}^{1/2}$

$N_{\mathrm{TE}}={[(1/n_{\mathrm{hTE}}^2)\mathrm{\α}+(1/n_{\mathrm{lTE}}^2)(1-\mathrm{\α})]}^{-1/2};$

柱体之间间隔小于光在上导波层内的波长，占空比初始值α为：

由束传播法优化得到最终占空比；

n_hTE、n_hTM分别为波束TE和TM在柱体内的等效折射率；n_lTE、n_lTM分别为波束TE和TM在柱体之间的等效折射率，每个柱体垂直截面形状均为矩形，每个柱体水平截面形状均为直角梯形；

D.所述第二准直透镜(4)为扁平柱体，包括连为一体的三部分，第一部分水平截面形状为半椭圆形，其长轴a₂和短轴b₂分别满足：

a₂＝(a_2TE+a_2TM)/2， $a_{2\mathrm{TE}}=\frac{{2n}_{2\mathrm{TE}}{L}_{f_2\mathrm{TE}}}{n_{2\mathrm{TE}}+n_{0\mathrm{TE}}},$ $a_{2\mathrm{TM}}=\frac{{2n}_{2\mathrm{TM}}{L}_{f_2\mathrm{TM}}}{n_{2\mathrm{TM}}+n_{0\mathrm{TM}}},$

$L_{f_2\mathrm{TE}}=\frac{b_2}{2}\sqrt{\frac{n_{2\mathrm{TE}}+n_{0\mathrm{TE}}}{n_{2\mathrm{TE}}-n_{0\mathrm{TE}}}},$ $L_{f_2\mathrm{TM}}=\frac{b_2}{2}\sqrt{\frac{n_{2\mathrm{TM}}+n_{0\mathrm{TM}}}{n_{2\mathrm{TM}}-n_{0\mathrm{TM}}}},$ $L_{f_2}=(L_{f_2\mathrm{TE}}+L_{f_2\mathrm{TM}})/2,$

b₂≥160λ/(n_2TE+n_2TM)，b₂越大性能越好，但器件尺寸增大，n_2TM、n_2TE分别为光束TM和TE在第二准直透镜第一部分的等效折射率；

为第二准直透镜第一部分焦距；

半椭圆形的长轴方向与所述光栅楔形棱镜输出光的偏折角度一致，第二部分水平截面形状为矩形，矩形的长边与所述第一部分半椭圆形短轴拼接；第三部分水平截面形状为矩形，第三部分矩形的短边与所述第二部分矩形的长边拼接；

所述第一输出波导(5)为水平截面形状为矩形的长方体；

所述第二输出波导(6)为水平截面形状为矩形的长方体；

所述输入波导的输出端面和第一准直透镜的输入端面连为一体，第一准直透镜的输出端面和光栅楔形棱镜的输入端面不接触，光栅楔形棱镜的输出端面和第二准直透镜的输入端面不接触，所述第一准直透镜、光栅楔形棱镜和第二准直透镜的顶面为同一水平面，第二准直透镜的第三部分和第一输出波导的输入端面连为一体，第二准直透镜的第二部分和第二输出波导的输入端面连为一体；

所述x、y、z方向分别为沿纸面垂直向上方向、垂直纸面向外方向、沿纸面向右方向。

2.如权利要求1所述的光学偏振分束合束器，其特征在于：

所述衬底采用能够形成平面光波导的介质材料，包括单晶硅、磷化铟、砷化镓、蓝宝石、碳化硅；

所述包层采用能够形成平面光波导的介质材料，包括二氧化硅，磷化铟、铟镓砷磷、砷化镓、铝镓砷、氮化镓，铟镓氮、铝镓氮；

所述上、下导波层采用能够形成平面光波导的介质材料，包括非晶硅、铟镓砷磷、砷化镓、氮化镓、铟镓氮、铝镓氮。

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