CN104007512A - 一种光偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光偏振分束器。本发明分束器包括一定向耦合器，其窄波导接收输入光源并将其TE₀光输出，以及将该输入光源中的TM₀光耦合到宽波导中并转换为TM₁光，宽波导的输出端与第一MMI耦合器连接，第一MMI耦合器将输入的TM₁光分成功率相等、相位差180°的两束TM₀偏振光；其两输出端分别经一90°移相器与第二MMI耦合器的输入端连接，第二MMI耦合器的一输出端作为TM₀偏振光输出端口；第一MMI耦合器的长度L_{π 1}为第一MMI耦合器的拍长；第二MMI耦合器为干涉耦合器。本发明可实现高容量的单片集成芯片，并且具有带宽很大，消光比非常高，损耗很低的特点。

Description

一种光偏振分束器

技术领域

本发明涉及光通信、光互联以及光器件集成领域，具体说，基于定向耦合器、相移器和MMI耦合器结合的光偏振分束器。

背景技术

在未来的光互联和光通信的芯片中，高容量，尺寸紧凑，成本低的光电子集成电路(PIC)成为人们的首选。目前有几种方法实现容量的增加，其中偏振模式的复用就是一种有效的方案。偏振分束器作为实现偏振复用的重要器件，也成为人们研究的热点。

目前的多模干涉的分束器、偏振分束器、采用多模干涉原理和公倍数原理的偏振分束器，尺寸均比较大。部分报道采用准成像原理来减少尺寸，但是准成像由于自身成像的特点，具有2dB的附加损耗，并且带宽不是很大。报道的传统对称型的定向耦合器通常利用L＝pL_πTE＝qL_πTM,其中，L_πTE和L_πTM是TE和TM模式的耦合长度，p和q是满足p＝q+m(m＝±1,3,5…)的整数，为了满足上式，需要严格的控制波导的尺寸，并且器件的尺寸比较长，尤其是对于弱限制折射率波导材料。最近报道的基于对称型定向耦合器的偏振分束器，尺寸比较紧凑，但是消光比不是很高。采用非对称的定向耦合器，可以使满足相位匹配条件，发生模式转化的耦合长度非常短。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于非对称定向耦合器、相移器和MMI耦合器结合的波导型偏振分束器。

具体的实现原理为：光源从定向耦合器波导输入(宽度为W₁)，对于横磁波(TM)，设计合适的尺寸，使得宽度为W₁波导的TM₀和宽度为W₂(W₂>W₁)波导的TM₁传播常数相同(β_TM0＝β_TM1)，也即有效折射率相同，因为β＝n_eff×k₀，其中k₀为真空波数，满足相位匹配原理，发生耦合及模式转化，在宽度为W₂波导中以TM₁模存在并传播,TM₁模式光输入到第一个MMI耦合器分成两束功率相同，相位差为180°的TM₀模式光，再经过相移器，使得两束TM₀的光相位差为±90°，耦合进第二个MMI耦合器，采用多模干涉原理TM₀将从MMI耦合器下端口或是上端口输出。对于横电波(TE)，在宽度分别为W₁和W₂的波导的条件下，W₁波导中的TE₀的传播常数与W₂波导中各模式的传播常数均不相等，不满足相位匹配原理，不发生耦合，直接从宽度为W₁的波导输出，从而实现了偏振分束的功能。

本发明的技术方案为：

一种光偏振分束器，其特征在于包括一定向耦合器；所述定向耦合器包括一窄波导和宽波导；所述窄波导用于接收输入光源并将输入光源中的TE₀偏振光输出至TE₀偏振光输出端口，以及将该输入光源中的TM₀偏振光耦合到所述宽波导中并转换为TM₁偏振光；所述宽波导的输出端与一第一MMI耦合器输入端连接，所述第一MMI耦合器用于将输入的TM₁偏振光分成功率相等、相位差180°的两束TM₀偏振光；所述第一MMI耦合器的两输出端分别经一90°移相器与一第二MMI耦合器的输入端连接，所述第二MMI耦合器的一输出端作为TM₀偏振光输出端口；其中，第一MMI耦合器的长度L_π1为第一MMI耦合器的拍长，M为自然数；第二MMI耦合器为干涉耦合器。

进一步的，所述窄波导的宽度W₁小于所述宽波导的宽度W₂；所述窄波导对该TM₀偏振光的传播常数等于宽波导对该TM₁偏振光的传播常数。

进一步的，所述宽波导的长度满足耦合长度。

进一步的，所述拍长其中，β₀是TM₀的传播常数，β₁是TM₁的传播常数。

进一步的，所述第一MMI耦合器为1×2对称干涉MMI耦合器，其宽度W_mmi大于所述宽波导的宽度W₂。

进一步的，所述第二MMI耦合器为普通干涉的2×2MMI耦合器。

进一步的，所述第二MMI耦合器的宽度可以与第一MMI耦合器的宽度相等，所述第二MMI耦合器的长度L_π2＝L_π1，N为正奇数。

进一步的，所述第二MMI耦合器为配对干涉的2×2MMI耦合器。

进一步的，所述相移器的输入输出端口分别通过一楔形波导结构与所述第一MMI耦合器、第二MMI耦合器连接。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明的结构采用了模式转化和多模干涉的原理，尺寸非常紧凑，从而大大降低了成本，实现高容量的单片集成芯片，并且具有带宽很大，消光比非常高，损耗很低的特点。

附图说明

图1整体结构图；

图2TE₀、TM₀光输入时光场分布图；

(a)TE光，(b)TM光；

图3输入的消光比随波长变化的曲线；

(a)Output port1端口输出消光比随波长的变化曲线，

(b)Output port3端口输出消光比随波长的变化曲线；

图4用延迟线代替蝶形相移器整体结构图；

图5用对称的波导直接分束代替第一个MMI耦合器整体结构图。

具体实施方式

1.本发明的偏振器结构参见附图1，TE₀、TM₀偏振光同时由Input port端口，即宽度为W₁的波导端口输入进此器件中，在波导中互相独立传播，TE₀、TM₀光场分别由虚线和实线表示。

2.对于TM₀输入光，基于耦合模理论和相位匹配的原理，设计合适的波导宽度，使得宽度为W₁的波导中TM₀光的传播常数等于宽度为W₂(W₁<W₂)的波导中TM₁的传播常数(β_TM0＝β_TM1)，满足相位匹配原理，TM₀光能够从窄波导耦合到宽波导，并且由TM₀模式转化成TM₁模式传播，并且宽波导的长度满足耦合长度Lc1，使得输入光的能量最大程度从W₁波导耦合到W₂波导中。

3.采用1×2对称干涉MMI耦合器进行分束，MMI耦合器的宽度为W_mmi(W_mmi>W₂)，根据自映像的原理，在MMI的长度时(其中，M＝1，2，3…)，TM₁光在第一个1×2MMI耦合器分成两束功率相等，相位差180°的TM₀输出，其中L_π1为MMI耦合器的拍长β₀和β₁是TM₀和TM₁的传播常数。为了使得器件更加紧凑，我们可以取M＝1。

4.合理设计相移器的尺寸，使得两束TM₀光的相位差由原来的180°变成为±90°。

5.2×2MMI耦合器可以设计为普通干涉或配对干涉。基于2×2MMI耦合器成像的相位关系，如果采用普通干涉，可以设计2×2MMI耦合器的宽度与第一个1×2MMI耦合器相等(W_mmi)，长度为此时L_π2＝L_π1(其中N＝1，3，5…)，两束相位差为+90°的输入TM₀光会在2×2MMI耦合器干涉后，将几乎全部从Output port3输出；如果两个输入TM₀光相位相差-90^°，则几乎全部从Output port2输出，参见附图1，为了使得器件更加紧凑，我们可以取N＝1。

6.对于TE0输入光，在上述波导宽度下，宽度为W₁波导的TE₀光的传播常数与宽度为W₂波导中的各模式传播常数均不相等，基于耦合模理论和相位匹配的原理，不满足相位匹配的条件，不会发生耦合，因此直接从Output port1输出。因此，TE₀和TM₀光从不同端口输出，实现了偏振分束的功能。

7.输入输出波导可以采用楔形结构，提高耦合效率，降低损耗。

仿真验证的结果参见附图2光场分布图，(a)为TE₀光输入，(b)为TM₀光输入。由图可以看出，设计相移器角度为-90°情况下，在通信波段1550nm处，TM₀输入光几乎全部从Output port3输出，Output port1输出几乎为0，TE₀输入光几乎全部从Output port1输出，Output port3输出几乎为0。为了验证器件性能，附图3给出不同端口的消光比随波长的变化曲线(a)Output port1端口，(b)Output port3端口。如图所示，器件消光比很高，带宽非常宽，损耗非常低。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但应注意，在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的结构，权利要求的组成元件可以用任何功能等效的元件替代，如将结构中第一个MMI变成两个波导实现两束TM₀光分开的功能(参见附图4)，或是用其他形式的相移器如延迟线(参见附图5))等。本实例中采用的SOI材料，目的是标准的COMS制作工艺兼容，还可以应用到其他材料。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (9)

1.一种光偏振分束器，其特征在于包括一定向耦合器；所述定向耦合器包括一窄波导和宽波导；所述窄波导用于接收输入光源并将输入光源中的TE₀偏振光输出至TE₀偏振光输出端口，以及将该输入光源中的TM₀偏振光耦合到所述宽波导中并转换为TM₁偏振光；所述宽波导的输出端与一第一MMI耦合器输入端连接，所述第一MMI耦合器用于将输入的TM₁偏振光分成功率相等、相位差180°的两束TM₀偏振光；所述第一MMI耦合器的两输出端分别经一90°移相器与一第二MMI耦合器的输入端连接，所述第二MMI耦合器的一输出端作为TM₀偏振光输出端口；其中，第一MMI耦合器的长度L_π1为第一MMI耦合器的拍长，M为自然数；第二MMI耦合器为干涉耦合器。

2.如权利要求1所述的光偏振分束器，其特征在于所述窄波导的宽度W₁小于所述宽波导的宽度W₂；所述窄波导对该TM₀偏振光的传播常数等于宽波导对该TM₁偏振光的传播常数。

3.如权利要求1或2所述的光偏振分束器，其特征在于所述宽波导的长度满足耦合长度。

4.如权利要求1所述的光偏振分束器，其特征在于所述拍长其中，β₀是TM₀的传播常数，β₁是TM₁的传播常数。

5.如权利要求1或4所述的光偏振分束器，其特征在于所述第一MMI耦合器为1×2对称干涉MMI耦合器，其宽度W_mmi大于所述宽波导的宽度W₂。

6.如权利要求1所述的光偏振分束器，其特征在于所述第二MMI耦合器为普通干涉的2×2MMI耦合器。

7.如权利要求1或6所述的光偏振分束器，其特征在于所述第二MMI耦合器的宽度与第一MMI耦合器的宽度相等，所述第二MMI耦合器的长度L_π2＝L_π1，N为正奇数。

8.如权利要求1所述的光偏振分束器，其特征在于所述第二MMI耦合器为配对干涉的2×2MMI耦合器。

9.如权利要求1所述的光偏振分束器，其特征在于所述相移器的输入输出端口分别通过一楔形波导结构与所述第一MMI耦合器、第二MMI耦合器连接。