CN104020523A - 超小非对称结构的柱型偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超小非对称结构的柱型偏振分束器，涉及一种偏振分束器。本发明的结构是：在绝缘层上面，弯曲条形波导和弯曲周期型微结构波导背向排列；所述的弯曲条形波导是一种Si波导，包括依次连接的输入段、条形波导耦合段和TE输出段，呈反“C”字形；所述的弯曲周期性微结构波导是一种Si波导，包括依次连接的弯曲连接段、周期柱型耦合段和TM输出段，呈“C”字形；所述的周期柱型耦合段由多个Si介质柱组成，呈平行排列。本偏振分束器耦合长度短，体积超小，便于大规模集成，降低成本；插入损耗小，分束难度低，可作为一种重要的功能器件广泛用于偏光导航、光通信、光电检测和光传感等领域。

Description

超小非对称结构的柱型偏振分束器

技术领域

本发明涉及一种偏振分束器，尤其涉及一种超小非对称结构的柱型偏振分束器。

背景技术

传统的偏振分束器体积大，无法用于光路集成。目前研究出来的几种基于微纳光波导实现偏振分束的方法主要有两种：利用波导之间的周期性耦合和奇偶变化的方法，或者引入传输波导的非对称。原理实质一致：TE模/TM模在两侧波导中的有效折射率相等时，满足相位匹配条件，模式即可实现耦合，即该模式从一个波导转移到另外一个波导。基于此方法设计的的最新偏振分束器体积依然不够小，成本较高，不能较好地满足光器件集成尤其是芯片间的互联所需。

分析上述耦合原理，不同的模式耦合长度不同，并且该长度与器件的大小密切相关。要实现器件尽可能小，须使耦合长度尽可能短。据此，如何缩短耦合作用区的长度是偏振分束器得以集成应用的关键所在。 

发明内容

本发明的目的是针对上述方法所存在的缺陷，提供一种超小非对称结构的柱型偏振分束器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是利用柱型周期性微结构波导与条形波导形成非对称定向耦合器结构，利用非对称性增强偏振模式的双折射效应，实现超小型的偏振分束。

由于该偏振分束器的非对称性，以及微结构的大色散特性，狭缝两侧的耦合作用区中偏振模式有效折射率差增大，耦合效果增强，使得模式耦合所需长度减小。对于介质柱型微结构，TM模的耦合长度比TE模的耦合长度短，所以可通过合理设计柱型微结构各项参数和条形波导的尺寸，以及耦合区的宽度，让TM模优先满足相位匹配条件，耦合到周期柱型耦合段中，并从TM输出段输出，而TE模由于相位失配，继续留在弯曲条形波导中并沿TE输出段输出，从而实现偏振分束。根据理论与仿真分析，选择耦合区长度最短时的最优尺寸。

本发明采用的原理如下：

1、偏振分束器采用硅基周期微结构波导与硅基条形波导构成非对称定向耦合器，利用周期性微结构增强不同偏振态的双折射效果，从而减小耦合长度；而在柱型微结构中，TM模的耦合长度比TE模的耦合长度短，所以我们优先使TM模满足耦合条件进入周期性微结构波导中，此时TE模不满足耦合条件继续沿TE输出段输出，达到偏振分束的目的；

2、周期性微结构比普通波导的色散大，使得两侧波导中的模式有效折射率差较大，从而减小耦合长度、降低偏振分束的难度。

具体地说，本柱型偏振分束器包括弯曲条形波导、弯曲周期型微结构波导和绝缘层；

在绝缘层上面，弯曲条形波导和弯曲周期型微结构波导背向排列。

本发明具有下列优点和积极效果：

本偏振分束器耦合长度短，体积超小，便于大规模集成，降低成本；

②插入损耗小，分束难度低，可作为一种重要的功能器件广泛用于偏光导航、光通信、光电检测和光传感等领域。

附图说明

图1是本柱型偏振分束器的结构示意图（圆形Si介质柱）；

图2是本柱型偏振分束器的结构示意图（方形Si介质柱）。

图中：

10—弯曲条形波导，

11—输入段，      

12—条形波导耦合段，              

13—TE输出段；

20—弯曲周期性微结构波导，

21—弯曲连接段             

22—周期柱型耦合段，    

23—TM输出段。

30—绝缘层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

1、总体

如图1，本柱型偏振分束器包括弯曲条形波导10、弯曲周期型微结构波导20和绝缘层30；

在绝缘层30上面，弯曲条形波导10和弯曲周期型微结构波导20背向排列。

2、功能块

1）弯曲条形波导10

弯曲条形波导10是一种Si波导，包括依次连接的输入段11、条形波导耦合段12和TE输出段13，呈反“C”字形。

其功能是输入段11与TE输出段13均弯曲一定角度，避免分离后的偏振态再次耦合；输入段11传输TE/TM混合偏振态，TE输出段13传输TE偏振态。 

2）弯曲周期性微结构波导20

弯曲周期性微结构波导20是一种Si波导，包括依次连接的弯曲连接段21、周期柱型耦合段22和TM输出段23，呈“C”字形。

所述的周期柱型耦合段22由4～5个Si介质柱组成，呈平行排列；

所述的Si介质柱其横截面为圆形（图1）、或方形（图2），即Si介质柱为圆形Si介质柱或方形Si介质柱。

其功能是周期柱型耦合段22与条形波导耦合段12相互平行，两者构成非对称耦合作用区；采用周期柱型耦合段22主要用来增强耦合效果，使TM偏振态以最短距离从混合态中分离，从TM输出段23输出。

3）绝缘层30

绝缘层30是一种SiO₂方形块。

其功能是将光限制在波导中传输，并撑托上述所有功能部件，使之整体形成一个器件。

3、工作机理

TE/TM光从弯曲条形波导10的输入段11输入，由于狭缝两侧波导耦合段的双折射效应，偏振态在该区域发生分离，TE态从弯曲条形波导10的TE输出段13输出，TM态从弯曲周期型微结构波导20的TM输出段23输出。

4、实施例

1）具体尺寸

根据平面波法和有限时域差分法设计，计算得出：

①弯曲条形波导10：宽320nm，高250nm；

②周期柱型耦合段22：

*圆形Si介质柱：半径170nm，高250nm，柱中心间距321nm；

*方形Si介质柱：长660nm，宽123.5nm，高250nm，柱中心间距321nm；

③狭缝宽度：100nm。

2）试验条件

传输波长：1550nm。

3）实验结果

利用上列结构数据进行实验仿真，该结构的偏振分束器能够实现TE/TM模式的光的分离。  

Claims (5)

1.一种超小非对称结构的柱型偏振分束器，其特征在于：

包括弯曲条形波导（10）、弯曲周期性微结构波导（20）和绝缘层（30）；

在绝缘层（30）上面，弯曲条形波导（10）和弯曲周期性微结构波导（20）背向排列。

2.按权利要求1所述的柱型偏振分束器，其特征在于：

所述的弯曲条形波导（10）是一种Si波导，包括依次连接的输入段（11）、条形波导耦合段（12）和TE输出段（13），呈反“C”字形。

3.按权利要求1所述的柱型偏振分束器，其特征在于：

所述的弯曲周期性微结构波导（20）是一种Si波导，包括依次连接的弯曲连接段（21）、周期柱型耦合段（22）和TM输出段（23），呈“C”字形；

所述的周期柱型耦合段（22）由4～5个Si介质柱组成，呈平行排列；

所述的Si介质柱为圆形Si介质柱或方形Si介质柱。

4.按权利要求1所述的柱型偏振分束器，其特征在于：

①弯曲条形波导（10）：宽320nm，高250nm；

②圆形Si介质柱：半径170nm，高250nm，柱中心间距321nm；

方形Si介质柱：长660nm，宽123.5nm，高250nm，柱中心间距321nm；

③狭缝宽度：100nm。

5.按权利要求1所述的柱型偏振分束器，其特征在于：

所述的绝缘层（30）是一种SiO₂方形块。