CN105652372B - 一种偏振分束-旋转器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振分束‑旋转器。锥形波导作为输入波导，锥形波导依次经第一耦合波导、第一连接波导、多模波导后与第一输出波导相连接，第一耦合波导的侧方设有第二耦合波导，第二耦合波导依次经型波导、第二连接波导后与第二输出波导相连接，第一耦合波导与第二耦合波导相邻平行排列，锥形波导、第一耦合波导、第一连接波导、多模波导和第一输出波导沿同一直线排列。本发明可用于偏振复用相干光通信等系统，具有工艺简便、结构简单、高消光比等优点。

Description

一种偏振分束-旋转器
技术领域
本发明涉及一种平面光波导集成的偏振调控器件，尤其是涉及了一种高性能的偏振分束器-旋转器，适用于片上通信、传感系统中需要偏振分束和旋转控制的场合。
背景技术
随着平面光波导集成器件技术的日益发展，单片集成器件数快速地增加，集成系统复杂度迅速地提高，片上的偏振态调控已经是一个不容忽视的问题。由于大多数平面光波导器件具有很强的偏振相关性，因此能够在片上灵活的对不同偏振的分离和转化，实现器件的偏振透明，有助于减少器件设计的工作量，减小系统的尺寸和复杂度。同时，因为平面集成光波导拥有非常好的偏振保持特性，所以通过对平面光波导集成系统中偏振的调控，可以实现在通信和传感系统中双通道信号的传输，能够在不增加器件复杂度的情况下，实现通信容量翻倍，在传感系统中同时检测多个变量。在相干检测系统中，控制信号光与本振光拥有相同或相近的偏振对于提高探测灵敏度也十分重要。
在器件的性能要求方面，偏振分束器-旋转器，一般级联在功能性集成器件之前，用于对入射光信号的偏振态进行调控，因此其对性能有非常高的要求。一方面，要求器件拥有尽量大的带宽，在大量器件集成的系统中，不会成为限制整个系统带宽的瓶颈；另一方面，要求器件能够有较大的消光比，在高速通信系统中尽量减小串扰，也为后续器件的设计留有一定的余量。
目前在硅基平面光波导上实现偏振分束器，主要有两种方法。一是利用结构的双折射特性，通过设计的波导的结构对不同偏振有相差较大的响应，实现不同偏振光的分离；其存在的问题是，器件的尺寸较大，工作带宽较小，对工艺的容差较小；二是利用不同材料的双折射特性，通过将硅纳米线与其他材料结合，对不同偏振的光产生更强的双折射，用更小尺寸的器件实现不同偏振的分离，其存在的问题是，器件性能较低，由于其他材料的引入，增加了工艺的复杂度，也有可能引入较大的损耗。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种偏振分束器-旋转器，基于硅基平面光波导非对称方向耦合，具有重要的应用价值。
本发明所采用的技术方案是：
本发明包含锥形波导、第一耦合波导、第二耦合波导、第一连接波导、第二连接波导、型波导、多模波导、第一输出波导和第二输出波导；锥形波导作为输入波导，锥形波导依次经第一耦合波导、第一连接波导、多模波导后与第一输出波导相连接，第一耦合波导的侧方设有第二耦合波导，第二耦合波导依次经型波导、第二连接波导后与第二输出波导相连接，锥形波导、第一耦合波导、第一连接波导、多模波导和第一输出波导中的芯区的主体部分相连接，第二耦合波导、型波导、第二连接波导、第二输出波导的主体部分相连接。
所述的第一耦合波导与第二耦合波导相邻平行排列，锥形波导、第一耦合波导、第一连接波导、多模波导和第一输出波导沿同一直线排列。
所述各个光波导均具有非对称光波导结构。
所述的非对称光波导结构指的是光波导中上包层与下包层的传播结构不对称，其折射率、厚度、宽度中的一种或者多种不相等，即覆盖于芯区之上的上包层与位于芯区之下的下包层的折射率不相等、或是厚度不相等、或是宽度不相等、或是两者均不相等、或是三者均不相等，使得其其横截面上下不对称。
所述的非对称光波导结构指的是光波导中左侧包层与右侧包层的传播结构不对称，其折射率、厚度、宽度中的一种或者多种不相等，即左侧包层与右侧包层的折射率不相等、或是宽度不相等、或是两者均不相等。
所述的各个光波导中的芯区为脊型，其脊两侧被部分刻蚀或全部刻蚀，其脊两侧刻蚀深度相等或不同。
所述的芯区为双脊或多层脊的结构，具有两层或两层以上的不同高度的脊。
所述的锥形波导输入为偏振基模或者偏振基模，相应的输出分别为偏振高阶模或者偏振基模。
锥形波导输入偏振基模时，所述的第一耦合波导和第二耦合波导的宽度尺寸满足第一耦合波导偏振高阶模与第二耦合波导偏振基模的相位匹配条件。
锥形波导输入偏振基模时，所述的第一耦合波导和第二耦合波导的宽度尺寸满足第一耦合波导偏振基模与第二耦合波导偏振基模的相位失配条件。
所述的第一耦合波导和第二耦合波导长度相等，使得第一耦合波导偏振高阶模完全耦合到第二耦合波导偏振基模。
所述的多模波导长度等于其偏振基模第一次成镜像的距离。
本发明具有的有益效果是：
本发明具有工艺简便、结构简单等优点，具有高消光比、大带宽、低损耗等优异性能，在未来片上光通信、光传感方面有着重要的应用。
附图说明
图1是本发明器件的结构示意图。
图2是本发明器件实施例尺寸示意图。
图3是本发明第一种具有非对称光波导结构的示意图。
图4是本发明第二种具有非对称光波导结构的示意图。
图5是本发明第三种具有非对称光波导结构的示意图。
图6是本发明第四种具有非对称光波导结构的示意图。
图7是本发明第五种具有非对称光波导结构的示意图。
图8是本发明第六种具有非对称光波导结构的示意图。
图9是本发明输入横电TE基模时的光场传输图。
图10是本发明输入横磁TM基模时的光场传输图。
图中：1、锥形波导，2a、第一耦合波导、2b、第二耦合波导，3a、第一连接波导，3b、第二连接波导，4、S型波导，5、多模波导，6a、第一输出波导，6b、第二输出波导，100、上包层，101、芯区，102、下包层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包含锥形波导1、第一耦合波导2a、第二耦合波导2b、第一连接波导3a、第二连接波导3b、S型波导4、多模波导5、第一输出波导6a和第二输出波导6b；锥形波导1作为输入波导，锥形波导1依次经第一耦合波导2a、第一连接波导3a、多模波导5后与第一输出波导6a相连接，第一耦合波导2a的侧方设有第二耦合波导2b，第二耦合波导2b依次经S型波导4、第二连接波导3b后与第二输出波导6b相连接，锥形波导1、第一耦合波导2a、第一连接波导3a、多模波导5和第一输出波导6a中的芯区101的主体部分相连接，第二耦合波导2b、S型波导4、第二连接波导3b、第二输出波导6b的主体部分相连接。第一耦合波导2a与第二耦合波导2b相邻平行排列，锥形波导1、第一耦合波导2a、第一连接波导3a、多模波导5和第一输出波导6a沿同一直线排列。
本发明的锥形波导1为缓变绝热波导结构，各个光波导均具有非对称光波导结构。具体实施中其非对称结构可以进行多种变化：
如图3所示，其光波导结构左侧和右侧对称，设有截面为方形的芯区101，上包层100与下包层102折射率不相等。
如图4所示，其光波导结构左侧和右侧对称，设有截面为单层脊型的芯区101，芯区101两侧脊高相等，上包层100与下包层102折射率相等或不同。
如图5所示，其光波导结构左侧和右侧不对称，设有截面为单层脊型的芯区101，芯区101两侧脊高不相等，上包层100与下包层102折射率相等或不同。
如图6所示，其光波导结构左侧和右侧对称，设有截面为双层脊型的芯区101，芯区101两侧脊高相等，上包层100与下包层102折射率相等或不同。
如图7所示，其光波导结构左侧和右侧对称，设有截面为三层脊型的芯区101，芯区101两侧脊高相等，上包层100与下包层102折射率相等或不同。
如图8所示，其光波导结构左侧和右侧不对称，设有一个特殊脊型截面的芯区101，芯区101一侧为单层脊型，另一侧为双层脊型结构。上包层100与下包层102折射率相等或不同。
本发明的具体实施工作过程为：
以器件中心工作波长为中心的宽带波长范围内的光从锥形波导1左侧输入。
一种工作情形是锥形波导1输入的为TE偏振基模：
当输入为TE偏振基模时，经过锥形波导1，缓变为第一耦合波导2a的TE偏振基模；第一耦合波导2a的TE偏振基模，经过由第一耦合波导2a和第二耦合波导2b组成的耦合区，其主要能量从第一耦合波导2a右侧输出，经过第一连接波导3a进入多模波导5，经过多模波导5后在右侧形成自成像，主要能量进入第一输出波导6a。
TE偏振基模从锥形波导1左侧输入，从锥形波导1右侧输出为第一耦合波导2a的TE偏振基模。由于第一耦合波导2a和第二耦合波导2b的宽度满足第一耦合波导2a的TE偏振基模与第二耦合波导2b的TE偏振基模相位失配，因此当TE偏振的基模从第一耦合波导2a左侧输入，其主要能量不发生耦合，直接从第一耦合波导2a右侧输出。
如图1所示，多模波导5长度满足TE偏振基模一次成像的距离，因此当TE偏振基模从多模波导5左侧输入，其主要能量将从多模波导5右侧进入第一输出波导6a，当输入为其他模式时，由于成像位置不在多模波导5末端，因此大部分能量无法进入第一输出波导6a。
另一种工作情形是锥形波导1输入的为TM偏振基模：
当输入的模式为TM偏振基模时，经过锥形波导1，缓变为第一耦合波导2a的TE偏振高阶模；第一耦合波导2a的TE偏振高阶模，经过由第一耦合波导2a和第二耦合波导2b组成的耦合区，其主要能量耦合到第二耦合波导2b的TE偏振基模，并从第二耦合波导2b右侧进入S型波导4，经过第二连接波导3b进入第二输入波导6b。
TM偏振基模从锥形波导1左侧输入，从锥形波导1右侧输出为TE偏振高阶模。由于第一耦合波导2a和第二耦合波导2b的宽度满足第一耦合波导2a的TE偏振高阶模与第二耦合波导2b的TE偏振基模的相位匹配条件；第一耦合波导2a和第二耦合波导2b的长度相等，且等于将第一耦合波导2a的TE偏振高阶模完全耦合到第二耦合波导2b的TE偏振基模的长度。
因此，当TE偏振高阶模从第一耦合波导2a左侧输入，经过由第一耦合波导2a和第二耦合波导2b组成的耦合区域，其主要能量会耦合到第二耦合波导2a中的TE偏振基模，并从第二耦合波导2b右侧输出。
下面给出一种偏振分束-旋转器的具体实施例。
选用基于硅绝缘体SOI材料的硅纳米线光波导：其芯区101是硅材料，厚度为220nm、在1550nm波长折射率为3.4744；其下包层102材料是二氧化硅，厚度为2μm、在1550nm波长折射率为1.4404；上包层100材料是空气，折射率为1。
对于如图2所示的偏振分束-旋转器尺寸图，其具体实施相关参数为：锥形波导1第一段输入宽度W0＝0.5μm，输出宽度W1＝0.6μm，长度Ltp1＝6μm，锥形波导1第二段输入宽度W1＝0.6μm，输出宽度W2＝0.7μm，长度Ltp2＝30μm，锥形波导1第三段输入宽度W2＝0.7μm，输出宽度W3＝0.75μm，长度Ltp3＝12μm；第一耦合波导2a宽度W3＝0.75，长度Ldc＝8.9μm；第二耦合波导2b宽度W4＝0.367μm，长度Ldc＝8.9μm；多模波导宽度WMMI＝1.8μm，长度Lmmw＝5.2μm；第一输出波导6a宽度Wout1＝0.5μm；第二输出波导6b宽度Wout2＝0.5μm。
本实施例采用上述结构尺寸，实际横电TE基模输入时的光场传输如图9所示，实际横磁TM基模输入时的光场传输如图10所示。图中可看出，当输入的模式为TM偏振基模时，经过锥形波导1，缓变为第一耦合波导2a的第一个TE偏振高阶模；第一耦合波导2a的第一个TE偏振高阶模，经过由第一耦合波导2a和第二耦合波导2b组成的耦合区，其主要能量耦合到第二耦合波导2b的TE偏振基模，并从第二耦合波导2b右侧进入S型波导4，经过第二连接波导3b进入第二输入波导6b。
由此可见，本发明利用了波导结构对于不同偏振的响应，实现了偏振的旋转和分束，具有突出显著的技术效果，在未来片上光集成器件中将会有重要作用。

Claims (8)

1.一种偏振分束-旋转器，其特征在于：包含锥形波导(1)、第一耦合波导(2a)、第二耦合波导(2b)、第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)、S型波导(4)、多模波导(5)、第一输出波导(6a)和第二输出波导(6b)；锥形波导(1)作为输入波导，锥形波导(1)依次经第一耦合波导(2a)、第一连接波导(3a)、多模波导(5)后与第一输出波导(6a)相连接，第一耦合波导(2a)的侧方设有第二耦合波导(2b)，第二耦合波导(2b)依次经S型波导(4)、第二连接波导(3b)后与第二输出波导(6b)相连接，锥形波导(1)、第一耦合波导(2a)、第一连接波导(3a)、多模波导(5)和第一输出波导(6a)中芯区(101)的主体部分相连接，第二耦合波导(2b)、S型波导(4)、第二连接波导(3b)、第二输出波导(6b)中芯区(101)的主体部分相连接。
2.根据权利要求1所述的一种偏振分束-旋转器，其特征在于：所述的第一耦合波导(2a)与第二耦合波导(2b)相邻平行排列，锥形波导(1)、第一耦合波导(2a)、第一连接波导(3a)、多模波导(5)和第一输出波导(6a)沿同一直线排列。
3.根据权利要求1所述的一种偏振分束-旋转器，其特征在于：所述的锥形波导(1)为缓变绝热波导结构，锥形波导(1)输入为TM偏振基模或者TE偏振基模，相应的输出分别为TE偏振高阶模或者TE偏振基模。
4.根据权利要求1所述的一种偏振分束-旋转器，其特征在于：所述各个光波导均具有非对称光波导结构。
5.根据权利要求4所述的一种偏振分束-旋转器，其特征在于：所述的非对称光波导结构指的是光波导中上包层(100)与下包层(102)的折射率不相等。
6.根据权利要求1～5任一所述的一种偏振分束-旋转器，其特征在于：所述的各个光波导中的芯区(101)为单层脊型、双层脊型或多层脊型结构，其脊两侧被部分刻蚀或全部刻蚀，其脊两侧刻蚀深度相等或不同。
7.根据权利要求1～5任一所述的一种偏振分束-旋转器，其特征在于：所述的第一耦合波导(2a)、第二耦合波导(2b)宽度满足第一耦合波导(2a)TE偏振高阶模与第二耦合波导(2b)TE基模的相位匹配条件；所述的第一耦合波导(2a)、第二耦合波导(2b)长度等于将第一耦合波导(2a)TE偏振高阶模完全耦合到第二耦合波导(2b)TE基模的优化长度。
8.根据权利要求1所述的一种偏振分束-旋转器，其特征在于：所述的多模波导(5)的长度等于TE偏振基模第一次自成像距离。
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