CN102841407B - 一种波导型偏振光分束器 - Google Patents

Abstract

一种波导型偏振光分束器，属于集成光子器件技术领域。该波导型可调偏振分束器基于全内反射原理和模场耦合原理，采用具有大双折射率差的液晶材料，不同偏振态的光信号在分支处自动选择特定分支波导进行传播，从而实现不同偏振态的光信号有效分离；利用电光效应，改变调控区域液晶的折射率，使其不同偏振态的光信号的输出端口发生交换，从而实现偏振光输出通道的调控。该器件具有结构简单、易于设计和制作、波长依赖性低、调控简便等诸多优点，在集成光子系统中有应用前景。

Description

一种波导型偏振光分束器

技术领域

本发明属于集成光子学领域，涉及光波导器件，具体指一种基于Y分支波导结构的偏振光分束器件。

背景技术

光波导器件因其结构紧凑、可靠性好、性能稳定、损耗低以及易于集成等诸多优点而受到国内外研究人员的广泛关注和重视，且近年来发展十分迅速。光波导器件是集成光子系统中的单元器件，可通过采用不同集成方式（包括单片集成和混合集成）将各种不同有源或无源光波导器件进行有效集成，从而实现具有相应光信息处理功能的集成光子系统，它们在光通信、光信号处理、传感等领域有着广泛应用。

波导型偏振光分束器是集成光子系统中不可或缺的重要功能器件之一，用于实现光学系统中的不同偏振态（即TE和TM）光信号的有效分离，在系统中起着关键作用。这是由于：在集成光子系统中，各种不同波导器件因双折射效应而具有偏振依赖性，这将严重影响和制约了集成光子系统的光学性能，因而需设计、制作偏振光分束器以实现波导中不同偏振状态光波的有效分离；此外，在特定集成光子系统（如光量子通信）中，光偏振状态的有效控制对于系统来说也十分重要。基于此，人们提出了多种实现方案，如光子晶体型波导结构、方向耦合型波导结构、多模干涉型波导结构等，但是这些具有不同结构形式的偏振光分束器，通常属于“静态”型传统结构，其固定端口输出的光信号的偏振态是固定的，这不仅使其应用领域和范围受到较大限制，同时，在与其它可调光子器件集成时也将产生新的诸多问题。

基于上述原因，偏振光输出端口可转换的波导型偏振光分束器的研究开始引起了人们的关注和重视。通过对其施加可控物理量（如电压、温度等），不仅可实现不同偏振态的光信号有效分离，而且可转换其不同偏振态光信号的输出端口，从而实现动态调控。这不仅能解决集成光子系统中其它不同光子元器件对其输入光信号偏振态的不同需求，同时能通过动态调控来使系统中光子器件在不同时刻的光偏振态需求得到实时满足，这有利于提高集成光子系统的性能，有利于设计、制作具有新型功能的集成光子系统。近年来，关于偏振光输出端口可转换的波导型偏振光分束器的报道还很少，且其输出端口光信号的偏振态不能调控，并因波长依赖性、结构参数敏感性以及工艺制作难度等原因在实际应用中受到诸多限制。因而，设计和制作新型波波导型可调偏振分束器对于集成光子学领域发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种波导型偏振光分束器，该波导型偏振光分束器基于Y分支波导结构，在分支处调控区域采用具有大双折射率差的液晶材料，使其不同偏振态的光信号在分支处选择特定分支波导进行传播，从而实现不同偏振态光信号的有效分离；该波导型偏振光分束器同时利用电光效应，改变调控区域的折射率，使其不同偏振态的光信号的输出端口发生转换，从而实现偏振光输出通道的调控。该器件具有结构简单、易于设计和制作、波长依赖性低、调控简便等诸多优点。

本发明技术方案如下：

一种波导型偏振光分束器，如图1、2所示，包括由包层材料1和位于包层材料1内部的芯层材料构成的一个Y分支光波导结构；所述Y分支光波导结构包括光输入直波导2、第一光输出直波导3、第二光输出直波导4。所述光输入直波导2与第二光输出直波导4之间由第一偏向波导5、第二偏向波导6和第三偏向波导7顺序连接，使得光输入直波导2与第二光输出直波导4相互平行；所述第一光输出直波导3与光输入直波导2处于同一直线上，第一偏向波导5整个侧边与第一光输出直波导3之间由一段液晶材料构成的连接波导8连接。所述液晶材料构成的连接波导8的芯层液晶材料的晶轴初始方向平行于第一光输出直波导3的波导方向，第一偏向波导5、第二偏向波导6和第三偏向波导7与光输入直波导2之间的夹角分别为θ、2θ和θ，所述夹角θ需满足：

$0<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{Min}[{\cos }^{-1}(N_1^{\mathrm{TE}}/N_2^{\mathrm{TE}}),{\cos }^{-1}(N_1^{\mathrm{TM}}/N_2^{\mathrm{TM}})]$

其中函数Min表示取最小值，而

和

分别表示TE波在芯层液晶材料和其它芯层材料中的等效折射率，

和

分别表示TM波在芯层液晶材料和其它芯层材料中的等效折射率。所述液晶材料构成的连接波导8的包层材料上下两面分别具有上金属电极10和下金属电极9，当上、下金属电极之间不施加控制电压时，液晶材料的晶轴取向为初始方向；当上、下金属电极之间施加饱和控制电压U₀时，液晶材料的晶轴取向变为与初始方向相垂直。当上下金属电极之间不施加控制电压时，从光输入直波导2输入的光束经过液晶材料构成的连接波导8后，TE波偏振光从第一光输出直波导3输出，而TM波偏振光经第一偏向波导5、第二偏向波导6和第三偏向波导7，从第二光输出直波导4输出；当上下金属电极之间施加饱和控制电压U₀时，从光输入直波导2输入的光束经过液晶材料构成的连接波导8后，TM波偏振光从第一光输出直波导3输出，而TE波偏振光经第一偏向波导5、第二偏向波导6和第三偏向波导7，从第二光输出直波导4输出。

本发明提供的波导型偏振光分束器均由有机聚合物材料构成，器件为波导型结构，采用光学光刻方法可容易制作，与传统光波导制作工艺兼容，这里不再详细介绍其制作过程。而对于分支处的芯层液晶部分，则与传统液晶器件制作工艺类似。

本发明的工作原理是：

本发明提供的波导型偏振光分束器Y分支波导横切面如图2所示，设包层材料1折射率为n₁、芯层材料折射率为n₂，包层材料1和芯层材料均为有机聚合物材料。其波导芯层厚度、脊高以及宽度分别为d、h以及w。而在分支连接处的连接波导8的芯层材料为液晶，其寻常光和非常光所对应的折射率分别为n_o和n_e。连接波导8的控制电极为微带结构，包括上电极和下电极。对于所设计的波导型偏振分束器，图1中所示的夹角θ需满足如下条件：

$\mathrm{\&theta;}<\mathrm{Min}[{\cos }^{-1}(N_1^{\mathrm{TE}}/N_2^{\mathrm{TE}}),{\cos }^{-1}(N_1^{\mathrm{TM}}/N_2^{\mathrm{TM}})]$

其中函数Min表示取最小值，而

和

分别表示TE波在芯层液晶材料和其它芯层材料中的等效折射率，

和

分别表示TM波在芯层液晶材料和其它芯层材料中的等效折射率。

当控制电极的施加电压为零时，其液晶晶轴取向为水平方向（平行于第一光输出直波导3的波导方向）；而当控制电极施加控制电压U₀时，其液晶晶轴去向为竖直方向（垂直于第一光输出直波导3的波导方向）。由于液晶存在大的双折射率差，波导内传播的TE和TM波在Y分支处发生分离，将沿着各自的分支波导进行传播，从而实现光信号的偏振分离；而当控制电极上施加控制电压U₀时，这将导致TE和TM波所对应的折射率发生相反变化，使得分支波导中TE和TM波的传输通道将发生交换，从而实现了不同偏振态光信号输出端口的调控。

当控制电极上没有施加电压时，连接波导的芯层液晶材料的晶轴取向不发生改变，即沿水平方向。这时TE波和TM波所对应的折射率分别为n_e和n_o，其TE波光信号因模场耦合效应将沿直波导传播（从第一光输出直波导3输出），而TM波光信号因全内反射效应将沿偏向波导传播（从第二光输出直波导4输出），从而实现了不同偏振态的光信号的空间分离。当控制电极上施加控制电压U₀时，连接波导的芯层液晶材料的晶轴取向将发生改变，即沿竖直方向。这时TE波和TM波所对应的折射率也将随之改变，即分别为n_o和n_e，其TE波光信号因全内反射效应将沿偏向波导传播（从第二光输出直波导4输出），而TM波光信号因模场耦合效应将沿直波导传播（从第一光输出直波导3输出）。由此实现了光信号的偏振分离和偏振光输出通道的转换调控。

本发明提出的波导型偏振光分束器，其原理是利用液晶的大的双折射率差特性，基于全内反射原理和模场耦合原理来实现不同偏振光信号的空间分离，同时基于电光效应来实现不同偏振信号光输出通道的调控。这是一种具有新型功能的光波导器件，具有结构简单、易于设计和制作、波长依赖性低、调控简便等诸多优点，在集成光子系统中具有应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的波导型偏振光分束器的结构示意图。

图2是本发明提供的波导型偏振光分束器沿图1中AA’连线进行剖分的截面示意图。

图3是本发明提供的波导型偏振光分束器在液晶晶轴取向沿水平方向时(a)TE波和(b)TM波光信号在传播过程中的光场分布。

图4是本发明提供的波导型偏振光分束器在液晶晶轴取向沿竖直方向时(a)TE波和(b)TM波光信号在传播过程中的光场分布。

图5是本发明提供的波导型偏振光分束器(a)TE波和(b)TM波光信号在上、下分支波导中归一化光功率输出随工作波长变化关系（其中虚线和实线分别表示分支波导端口2和端口3的光功率输出）。

图6是本发明提供的波导型偏振光分束器(a)TE波和(b)TM波光信号在上、下分支波导中归一化光功率输出随波导线宽变化（Δw）关系（其中虚线和实线分别表示第一输出直波导3和第二输出直波导4的光功率输出）。

图7是本发明提供的波导型偏振光分束器(a)TE波和(b)TM波光信号在上、下分支波导中归一化光功率输出随波导脊高变化（Δh）关系（其中虚线和实线分别表示第一输出直波导3和第二输出直波导4的光功率输出）。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。通常，光通信系统中通信窗口为近红外光，这里，假定光信号的工作波长为1.55μm。如图1所示，连接波导8的芯层液晶材料为液晶E7，其它芯层材料为掺ICP-E的聚砜，液晶E7的寻常光和非常光所对应的折射率分别为1.50和1.685，掺ICP-E的聚砜的折射率为1.67；包层材料1为聚合物材料UV15，其折射率为1.50。其波导芯层厚度d、脊高h以及宽度w分别为1.0μm、0.8μm、5.0μm，其偏向夹角θ为1度。为简化计算，采用有效折射率法将三维波导等效为二维平板波导。对于TE波，在波导芯层和包层区域的等效折射率分别为1.6408和1.6083；而对于TM波，在波导芯层和包层区域的等效折射率分别为1.6378和1.6004，这种差异是由波导的形式双折射效应引起的。而在连接波导8中，当控制电极不是加控制电压时，液晶晶轴取向沿水平方向，则TE波和TM波所对应的等效折射率分别为1.6553和1.5000；而当控制电极施加控制电压U₀（饱和电压）时，液晶晶轴取向沿竖直方向，则TE波和TM波所对应的等效折射率分别为1.5000和1.6521，正是液晶折射率的这种相反趋势变化，为可调偏振分束器的实现提供了物质基础。

这里采用光束传播法（BPM）对本发明提供的波导型偏振光分束器的光学性能进行模拟。当控制电极不是加控制电压时，TE波和TM波光信号在该器件中传播的光场分布如图3(a)和(b)所示，对于TE波和TM波，其消光比分别高达23.9dB和29.9dB，而其光损耗分别仅为0.004dB和0.005dB。当控制电极施加饱和控制电压U₀时，TE波和TM波光信号在该器件中传播的光场分布如图4(a)和(b)所示，对于TE波和TM波，其消光比分别高达30.0dB和23.0dB，而其光损耗分别仅为0.006dB和0.004dB。模拟结果表明，该器件具有优异的偏振光分束性能，且实现了TE波和TM波的输出端口调控。

通常，入射光信号存在一定的谱宽，约几十纳米左右，如光通信系统C带窗口为1530nm~1565nm。本发明进一步考察了本发明提供的波导型偏振光分束器偏振分束性能对其工作波长的依赖性。这里给出了液晶晶轴取向沿水平方向时的模拟结果，如图5所示，图5(a)和(b)分别表示TE波和TM波在各个分支波导的光功率输出随工作波长变化。模拟结果表明，其光功率输出随工作波长变化很小。同样，当液晶晶轴取向沿竖直方向时其光功率输出随工作波长变化也很小。因此，该器件的波长依赖性很低，这对于其实际应用十分有用。

最后，本发明考察了制作工艺误差对可调偏振分束器光学性能的影响。在目前工艺技术条件下，波导线宽误差和波导脊高误差可容易控制在±0.5μm和±0.1μm以内。这里分别假设其波导线宽和波导脊高的变化范围为-0.5μm～0.5μm和-0.1μm～0.1μm，其它参数与图5中参数相同，其模拟结果分别如图6和图7所示。模拟结果表明，其各个端口的光功率输出受工艺误差变化的影响很小，这种特性有利于降低可调偏振分束器的工艺制作难度和制作费用，对于其实际应用十分有用。

本发明所提出的一种波导型偏振光分束器，具有结构简单、易于设计与制作、波长依赖性低、输出端口转换方便等优点，在集成光子系统中具有应用前景。

Claims (1)

1.一种波导型偏振光分束器，包括由包层材料（1）和位于包层材料（1）内部的芯层材料构成的一个Y分支光波导结构；所述Y分支光波导结构包括光输入直波导（2）、第一光输出直波导（3）、第二光输出直波导（4）；所述光输入直波导（2）与第二光输出直波导（4）之间由第一偏向波导（5）、第二偏向波导（6）和第三偏向波导（7）顺序连接，使得光输入直波导（2）与第二光输出直波导（4）相互平行；所述第一光输出直波导（3）与光输入直波导（2）处于同一直线上，第一偏向波导（5）整个侧边与第一光输出直波导（3）之间由一段液晶材料构成的连接波导（8）连接；所述液晶材料构成的连接波导（8）的芯层液晶材料的晶轴初始方向平行于第一光输出直波导（3）的波导方向，第一偏向波导（5）、第二偏向波导（6）和第三偏向波导（7）与光输入直波导（2）之间的夹角分别为θ、2θ和θ，所述夹角θ需满足：

$0<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{Min}[{\cos }^{-1}(N_1^{\mathrm{TE}}/N_2^{\mathrm{TE}}),{\cos }^{-1}(N_1^{\mathrm{TM}}/N_2^{\mathrm{TM}})]$

其中函数Min表示取最小值，而

和分别表示TE波在芯层液晶材料和其它芯层材料中的等效折射率，

和

分别表示TM波在芯层液晶材料和其它芯层材料中的等效折射率；所述液晶材料构成的连接波导（8）的包层材料上下两面分别具有上金属电极（10）和下金属电极（9），当上、下金属电极之间不施加控制电压时，液晶材料的晶轴取向为初始方向；当上、下金属电极之间施加饱和控制电压U₀时，液晶材料的晶轴取向变为与初始方向相垂直；当上下金属电极之间不施加控制电压时，从光输入直波导（2）输入的光束经过液晶材料构成的连接波导（8）后，TE波偏振光从第一光输出直波导（3）输出，而TM波偏振光经第一偏向波导（5）、第二偏向波导（6）和第三偏向波导（7），从第二光输出直波导（4）输出；当上下金属电极之间施加饱和控制电压U₀时，从光输入直波导（2）输入的光束经过液晶材料构成的连接波导（8）后，TM波偏振光从第一光输出直波导（3）输出，而TE波偏振光经第一偏向波导（5）、第二偏向波导（6）和第三偏向波导（7），从第二光输出直波导（4）输出；

所述连接波导（8）的芯层液晶材料为液晶E7，其它芯层材料为掺IPC-E的聚砜，所述包层材料（1）为聚合物材料UV15。

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