CN106094107B - 一种偏振分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种偏振分束器，包括：第一输入端口1或第二输入端口2，耦合区5以及第一输出端口3和第二输出端口4；其中，第一输入端口1或第二输入端口2与耦合区5的输入端口连接，第一输出端口3和第二输出端口4与耦合区5的输出端口连接；耦合区5由两个相邻的光波导组成，两个光波导均处于对方波导模式倏逝场范围内；耦合区5中，通过预设数量的光栅结构连接这两个波导，并向这两个波导外侧延伸预设长度，以使横电波TE的耦合长度是横磁波TM耦合长度的一半。本发明的偏振分束器，利用光栅对波导模式等效折射率的调控作用，使得TE的奇对称模和偶对称模之间的等效折射率差是TM的两倍，即TE的耦合长度是TM的一半，从而实现偏振分束。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子器件领域，尤其涉及一种偏振分束器。
背景技术
由于绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)平台具有较大的折射率差，所以器件通常都具有偏振敏感的特性。而为了解决这一问题，人们提出了偏振多样性的结构(polarization diversity scheme)。其中，偏振分束器是非常重要的一个组件。研究人员已经提出了多种偏振分束器的结构，包括多模干涉耦合器(multimode-interferencecoupler)、马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)，方向耦合器(directionalcoupler)等，而其中方向耦合器的方案因为结构简单、设计方便而被广泛采用。如图1a和图1b所示的两种基于方向耦合器的偏振分束器的横截面示意图，图1a中偏振分束器采用两个布拉格光栅型波导(bragg grating assisted waveguide)，图1b中偏振分束器采用混合表面等离子体波导(hybrid plasmonic waveguide)。但是这两种结构的都不能同时保证较高的消光比和较大的带宽。
图2a和图2b示出目前已有的两种基于方向耦合器的偏振分束器结构，它们都无法同时保证较高的消光比和较大的带宽。第一种结构中，横电波TE与横磁波TM均具有大于30dB的消光比(extinction ratio，ER)，但带宽无法覆盖通信C波段，第二种结构可以实现约120nm的带宽(ER>10dB)，但消光比始终低于16dB。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种偏振分束器，以解决现有方案中偏振分束器不能同时满足较高的消光比和较大的带宽的问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种偏振分束器，包括：
第一输入端口1或第二输入端口2，耦合区5以及第一输出端口3和第二输出端口4；
其中，所述第一输入端口1或第二输入端口2与所述耦合区5的输入端口连接，所述第一输出端口3和第二输出端口4与所述耦合区5的输出端口连接；
其中，所述耦合区5中通过预设数量的光栅结构连接这两个波导，并向这两个波导外侧延伸预设长度，以使横电波TE的耦合长度是横磁波TM耦合长度的一半。
可选的，所述光栅结构的排列方向与光传播方向一致。
可选的，所述光栅结构的周期长度Λ小于所述光栅结构中传播的光的波长。
可选的，所述光波导为沟道波导、脊波导或条型波导。
可选的，所述光波导为非良导体波导。
可选的，所述非良导体的材料为电介质、半导体或有机物。
可选的，所述电介质为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓；所述半导体为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物。
可选的，所述三五族光电子化合物为磷化铟或氮化镓。
相比于现有技术，本发明的偏振分束器，利用光栅对波导模式等效折射率的调控作用，使得TE的奇对称模和偶对称模之间的等效折射率差是TM的两倍，即TE的耦合长度是TM的一半，从而实现偏振分束。
进一步地，本发明的偏振分束器，具有器件尺寸小，损耗小，消光比高，工作带宽大，易于加工、集成的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a和图1b为背景技术涉及的两种基于方向耦合器的偏振分束器的横截面示意图，且为了更好地区分图中的各个波导，每个波导都用虚线框标示出来；
图2a和图2b为背景技术中涉及的两种基于方向耦合器的偏振分束器结构示意图；图2a和图2b中，标记1为输入端口，标记3和4为输出端口，标记5为耦合区；
图3为本发明实施例提供的一种偏振分束器结构图；
图4是本发明实施例中偏振分束器的光场能流密度分布示意图；
图5是本发明实施例中仿真得到的TE和TM模式的消光比(ER)和插入损耗(IL)与入射光波波长(Wavelength)的关系；
图6a和图6b是本发明实施例中仿真得到的偏振分束器耦合效率随结构参数尺寸变化的关系。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，在本文中，“第一”和“第二”仅仅用来将名称相同的实体区分开来，而不是暗示这些实体之间的关系或者顺序。
如图3所示，本实施例公开一种偏振分束器，包括：第一输入端口1或第二输入端口2，耦合区5以及第一输出端口3和第二输出端口4。可见，本实施例中的偏振分束器是有一个输入端口和两个输出端口。
所述第一输入端口1或第二输入端口2与所述耦合区5的输入端口连接，所述第一输出端口3和第二输出端口4与所述耦合区5的输出端口连接。
图3中，耦合区5具有一个输入端口和两个输出端口，第一输入端口1或第二输入端口2与耦合区5的不同输入端口连接，第一输出端口3和第二输出端口4与耦合区5的不同输出端口连接。
本实施例中，耦合区5由两个相邻的光波导组成，两个光波导均处于对方波导模式倏逝场范围内。
在具体应用中，可根据实际的加工条件来确定两个相邻的光波导之间的间距，缩短间距，可缩短耦合区长度，从而减小整个偏振分束器的尺寸，易于集成。
本实施例中的光波导为条形波导。
本实施例中，耦合区5中通过预设数量的光栅结构连接这两个波导，并向这两个波导外侧延伸预设长度，以使横电波TE的耦合长度是横磁波TM耦合长度的一半。使得TE和TM偏振的光分别从第一输出端口3和第二输出端口4输出，达到偏振分束的效果。
在具体应用中，可根据实际的加工条件以及横电波TE与横磁波TM在耦合区5中耦合长度差一倍来确定光栅结构的结构参数，如图3所示的光栅外延t和t’，光栅结构的周期长度Λ以及光栅脊宽a，从而使横电波TE与横磁波TM在所述耦合区5中的耦合长度差一倍，达到偏振分束的效果。
相比于现有技术，本发明的偏振分束器，利用光栅对波导模式等效折射率的调控作用，使得TE的奇对称模和偶对称模之间的等效折射率差是TM的两倍，即TE的耦合长度是TM的一半，从而实现偏振分束。
可见，本实施例公开的偏振分束器具有器件尺寸小，损耗小，消光比高，工作带宽大，易于加工、集成的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
在一个具体的例子中，所述光栅结构的排列方向与光传播方向一致。
在一个具体的例子中，所述光栅结构的周期长度Λ小于所述光栅结构中传播的光的波长。
在一个具体的例子中，所述光波导为沟道波导、脊波导或条型波导。
在一个具体的例子中，所述光波导为非良导体波导。
在一个具体的例子中，所述非良导体波导为电介质波导、半导体波导或有机物波导。
在一个具体的例子中，所述电介质波导为二氧化硅波导、二氧化钛波导或氧化镓波导；所述半导体波导为硅波导、锗波导、氮化硅波导或三五族光电子化合物波导。
在一个具体的例子中，所述三五族光电子化合物波导为磷化铟波导或氮化镓波导。
图4中以上包层为二氧化硅的绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)材料为例，通过三维时域差分方法(3D finite difference time domain，FDTD)数值仿真示出了结构中光场能流的分布情况。图4的(a)中，光场从图3所示的偏振分束器的上波导以TE基模入射到偏振分束器中，逐渐耦合到下波导，再逐渐耦合回上波导的TE基模。图4的(b)中，光场从图3所示的偏振分束器的上波导以TM基模入射到偏振分束器中，逐渐耦合到下波导的TM基模。TE和TM两种偏振光输入，而TE耦合长度是TM耦合长度的一半，所以它们从上下波导分别输出，即本偏振分束器实现了偏振分束功能。本实施例的耦合区5中，对光栅结构的外延设置了渐变区Lt，即外延的长度从t变到t’(或从t’变到t)，以减少条形波导模式和光栅模式转换而造成的损耗。本实施例的仿真过程中采用的结构参数为：SOI的顶硅厚度为340nm；条形波导的总宽度W为500nm；波导间隔G为230nm；光栅的周期Λ为232nm，光栅脊宽a为120nm，光栅外延t和t’分别为300nm和100nm。整个光栅区域包含81个光栅周期，即光栅区域的总长度LSWG为18.792μm，其中单个渐变区中包含9个光栅周期，即单个渐变区长度Lt为2.088μm，无光栅的直波导区长度Ls为2.208μm。
图5展示了当入射光波长在1450nm至1650nm范围内变化时，仿真得到的偏振分束器耦合效率。由图可见，在波长1550nm处，TE和TM的消光比分别达到28.7dB和24.8dB。此时的插入损耗分别为0.10dB和0.11dB。在1450-1625(1495-1610nm)的光谱范围内，TE(TM)偏振的消光比高于10dB。该光谱范围完全涵盖了光通信领域的C波段，由此可见本发明提供的偏振分束器具有很大的工作带宽，足以满足集成光电子系统的应用。
图6a和图6b通过改变偏振分束器的光栅结构的尺寸来模拟实际加工中工艺误差造成的加工尺寸不精准。由图6a可见波导宽度W偏离设定尺寸Δw为±20nm的范围内，偏振分束器的消光比都在10dB以上，且TE和TM的插入损耗分别低于0.73dB和0.23dB；由图6a图可见光栅周期Λ偏离设定尺寸±20nm的范围内，偏振分束器消光比都在10dB以上，且TE和TM的插入损耗分别低于0.86dB和0.14dB。目前的集成光电子器件主流加工工艺中加工此类无尖锐楔形结构的器件时通常都可以将加工误差控制在±20nm以内，因此本器件的工艺容差足以满足集成光电子器件加工的需求。
可见，本发明实施例至少具有如下有益效果：
本发明提供的偏振分束器，利用光栅对波导模式等效折射率的调控作用，使得TE的奇对称模和偶对称模之间的等效折射率差是TM的两倍，即TE的耦合长度是TM的一半，从而实现偏振分束。本设计具有器件尺寸小，损耗小，消光比高，工作带宽大，易于加工的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (8)
1.一种偏振分束器，其特征在于，包括：
第一输入端口（1）或第二输入端口（2），耦合区（5）以及第一输出端口（3）和第二输出端口（4）；
其中，所述第一输入端口（1）或所述第二输入端口（2）与所述耦合区（5）的输入端口连接，所述第一输出端口（3）和所述第二输出端口（4）与所述耦合区（5）的输出端口连接；
其中，所述耦合区（5）由两个相邻的光波导组成，两个光波导均处于对方波导模式倏逝场范围内；
其中，所述耦合区（5）中通过预设数量的光栅结构连接这两个波导，并向这两个波导外侧延伸预设长度，以使横电波TE的耦合长度是横磁波TM耦合长度的一半，且所述光栅结构的外延设置了渐变区。
2.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于：
所述光栅结构的排列方向与光传播方向一致。
3.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于：
所述光栅结构的周期长度Λ小于所述光栅结构中传播的光的波长。
4.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于：
所述光波导为沟道波导、脊波导或条型波导。
5.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于：
所述光波导为非良导体波导。
6.根据权利要求5所述的偏振分束器，其特征在于：
所述非良导体的材料为电介质、半导体或有机物。
7.根据权利要求6所述的偏振分束器，其特征在于：
所述电介质为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓；所述半导体为硅、锗、氮化硅或三五族光电子化合物。
8.根据权利要求7所述的偏振分束器，其特征在于：
所述三五族光电子化合物为磷化铟或氮化镓。
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| 基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器;王剑威等;《激光与光电子学进展》;20100510(第05期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106094107A (zh) | 2016-11-09 |
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