CN106405733B - 一种偏振分束-合束器 - Google Patents

一种偏振分束-合束器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏振分束‑合束器。本发明包括输入波导、第一弯曲耦合波导、第二弯曲耦合波导、第一连接波导、第二连接波导、S型波导、第三弯曲耦合波导、第四弯曲耦合波导、第一输出波导和第二输出波导；输入波导依次经第一弯曲耦合波导、第一连接波导、S型波导后与第一输出波导相连接，第二弯曲耦合波导经第二连接波导和第三弯曲耦合波导相连接，第四弯曲耦合波导与第二输出波导相连接；第一弯曲耦合波导与第二弯曲耦合波导相耦合，第三弯曲耦合波导与第四弯曲耦合波导相耦合。本发明可用于偏振滤波、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-合束器
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，尤其是涉及了一种偏振分束-合束器，适用于片上光通信、光传感系统中需要偏振分束、偏振合束和偏振滤波的场合。
背景技术
平面集成光波导器件技术日趋成熟，随着各类集成器件性能的完善、尺寸的减小，单片集成器件数飞速增长，集成系统的复杂度迅速提高，集成系统中的偏振控制问题已经不容忽视。由于小尺寸、高集成度的器件往往采用对光有较强限制能力的高折射率差波导结构，此类波导结构有很大的双折射特性，因此基于此类波导结构的器件有很强偏振相关性。绝大部分集成器件设计为特定的偏振工作，为避免对器件性能的影响，在光进入器件前需要对不同偏振进行分离，或者将工作偏振以外的其它偏振光滤除。与此同时，平面集成光波导利用其结构特点能够极好的保持其中传输光的偏振特性，不同偏振的光之间没有相互作用和串扰。在集成光通信系统中，通过在不同偏振的光上加载不同的信号，并在传输链路的首末端分别加入偏振合束、偏振分束器件，即可在不增加链路数量和器件复杂度的情况下，以极低的成本实现通信容量的翻倍。在集成光传感系统中，利用不同偏振对于传感变量的灵敏度不同，同时实现多个变量的监测。在相干接收系统中，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-合束器，一般级联在功能性集成器件之前，用于分离传输链路中不同偏振态的光，或者滤除其他干扰偏振的光；也可以放置在传输链路前，用于将复用的不同偏振光合束；因此集成系统对偏振分束-合束器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，偏振分束-合束器不可以成为限制整个系统带宽的瓶颈；另一方面，要求偏振分束-合束器有尽量大的消光比，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的偏振分束-合束器，主要有两种实现途径。第一，采用具有双折射特性的波导结构，利用不同偏振的光对波导结构中某一项参数(如宽度、高度、弯曲半径等)变化的敏感程度不同，选择参数相差较大的两根波导，使得其中较为敏感的偏振有较大的相位失配，而较不敏感的偏振相位匹配，从而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；第二，利用不同材料的双折射特性，通过将平面硅波导与其他材料结合，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，器件消光比性能较低，由于其他材料的引入，增加了工艺的复杂度，也会引入较大的损耗。
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-合束器，基于硅基平面光波导非对称弯曲波导方向耦合器制成，具有低串扰大容差高性能的优势，具有重要的应用价值。
本发明所采用的技术方案是：
本发明包括输入波导、第一弯曲耦合波导、第二弯曲耦合波导、第一连接波导、第二连接波导、S型波导、第三弯曲耦合波导、第四弯曲耦合波导、第一输出波导和第二输出波导；输入波导依次经第一弯曲耦合波导、第一连接波导、S型波导后与第一输出波导相连接，第二弯曲耦合波导经第二连接波导和第三弯曲耦合波导相连接，第四弯曲耦合波导与第二输出波导相连接；第一弯曲耦合波导与第二弯曲耦合波导相耦合，第三弯曲耦合波导与第四弯曲耦合波导相耦合。
所述的第一弯曲耦合波导与第二弯曲耦合波导紧邻平行排列，从而形成耦合；第三弯曲耦合波导与第四弯曲耦合波导紧邻平行排列，从而形成耦合。
所述的第一弯曲耦合波导、第二弯曲耦合波导的弯曲半径和宽度均满足第一弯曲耦合波导TE偏振基模与第二弯曲耦合波导TE偏振基模的相位失配条件，并且所述的第一弯曲耦合波导、第二弯曲耦合波导的弯曲半径和宽度均满足第一弯曲耦合波导TM偏振基模与第二弯曲耦合波导TM偏振基模的相位匹配条件，并且所述的第一弯曲耦合波导的长度和第二弯曲耦合波导的长度相匹配使得将第一弯曲耦合波导中TM偏振基模能量完全耦合到第二弯曲耦合波导中TM偏振基模。
所述的第三弯曲耦合波导、第四弯曲耦合波导的弯曲半径和宽度均满足第三弯曲耦合波导TE偏振基模与第四弯曲耦合波导TE偏振基模的相位失配条件，并且所述的第三弯曲耦合波导、第四弯曲耦合波导的弯曲半径和宽度均满足第三弯曲耦合波导TM偏振基模与第四弯曲耦合波导TM偏振基模的相位匹配条件，并且所述的第三弯曲耦合波导的长度和第四弯曲耦合波导的长度相匹配使得将第三弯曲耦合波导中TM偏振基模能量完全耦合到第四弯曲耦合波导TM偏振基模。
所述的输入波导、第一弯曲耦合波导、第二弯曲耦合波导、第一连接波导、第二连接波导、S型波导、第三弯曲耦合波导、第四弯曲耦合波导、第一输出波导、第二输出波导均是具有对称截面或者非对称截面的光波导结构。
所述的具有对称横截面的光波导结构，其横截面上下对称，即波导中覆盖于芯层之上的上包层与位于芯层之下的下包层的折射率相等。
所述的具有非对称横截面的光波导结构，其横截面上下不对称，即波导中覆盖于芯层之上的上包层与位于芯层之下的下包层的折射率、厚度和宽度中至少有一个不相同。
所述的具有非对称横截面的光波导结构，光波导芯层为脊型，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。
所述的具有非对称横截面的光波导结构，光波导横截面左右不对称，即左侧包层与右侧包层折射率不相等、或是宽度不相等、或是两者均不相等。
所述的具有非对称横截面的光波导结构，光波导芯层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。
本发明具有的有益效果是：
本发明能获得具有更小尺寸(长度15μm)的器件，具有结构简单、设计简易、工艺简便等优点，与现有的CMOS工艺完全兼容，在性能方面，具有高消光比(>32dB)、大带宽(大于25dB消光比带宽32nm，大于20dB消光比带宽55nm)、大容差(-20nm～50nm)、低损耗(<0.9dB)等优异性能。
本发明在小尺寸的情况不仅没有降低器件性能，反而提高了器件性能，在未来片上光通信、光传感中的偏振调控方面有着重要的应用。
附图说明
图1是本发明偏振分束-合束器的结构示意图。
图2是本发明偏振分束-合束器的尺寸示意图。
图3是本发明第一种具有对称横截面的光波导示意图。
图4是本发明第一种具有非对称横截面的光波导示意图。
图5是本发明第二种具有非对称横截面的光波导示意图。
图6是本发明第三种具有非对称横截面的光波导示意图。
图7是本发明第四种具有非对称横截面的光波导示意图。
图8是本发明第五种具有非对称横截面的光波导示意图。
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11是本发明仿真得到输入横电TE/横磁TM基模时的各输出端口的频谱响应。
图12是本发明实验测得输入横电TE/横电TM基模时的各输出端口的频谱响应。
图13是本发明波导宽度与最佳宽度偏差-20nm时实验测得输入横电TE/横电TM基模时的各输出端口的频谱响应。
图14是本发明波导宽度与最佳宽度偏差20nm时实验测得输入横电TE/横电TM基模时的各输出端口的频谱响应。
图15是本发明波导宽度与最佳宽度偏差50nm时实验测得输入横电TE/横电TM基模时的各输出端口的频谱响应。
图中：1、输入波导，2a、第一弯曲耦合波导、2b、第二弯曲耦合波导，3a、第一连接波导，3b、第二连接波导，4a、S型波导，4b、第三弯曲耦合波导，4c、第四弯曲耦合波导，5a、第一输出波导，5c、第二输出波导。
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，包含输入波导1、第一弯曲耦合波导2a、第二弯曲耦合波导2b、第一连接波导3a、第二连接波导3b、S型波导4a、第三弯曲耦合波导4b、第四弯曲耦合波导4c、第一输出波导5a、第二输出波导5c；输入波导1依次与第一弯曲耦合波导2a、第一连接波导3a、S型波导4a、第一输出波导5a相连接；第二弯曲耦合波导2b依次与第二连接波导3b、第三弯曲耦合波导4b相连接；第四弯曲耦合波导4c与第二输出波导5c相连接；第一弯曲耦合波导2a与第二弯曲耦合波导2b为同心圆弧，紧邻平行排列；第三弯曲耦合波导4b与第四弯曲耦合波导4c为同心圆弧，紧邻平行排列。
如图1所示，第一弯曲耦合波导2a和第二弯曲耦合波导2b的弯曲半径和宽度满足第一弯曲耦合波导2a的TM偏振基模与第二弯曲耦合波导2b的TM偏振基模的相位匹配条件；第一弯曲耦合波导2a和第二弯曲耦合波导2b的长度满足将第一弯曲耦合波导2a中TM偏振基模能量完全耦合到第二弯曲耦合波导2b中TM偏振基模。因此，当输入波导1中的TM偏振基模从第一弯曲耦合波导2a左侧输入，经过由第一弯曲耦合波导2a和第二弯曲耦合波导2b组成的耦合区域，其能量会耦合至第二弯曲耦合波导2b中的TM偏振基模，并从第二弯曲耦合波导2b右侧进入第二连接波导3b。同时，由于第一弯曲耦合波导2a中的TE偏振基模和第二弯曲耦合波导2b中的TE偏振基模相位失配，因此当输入波导1中的TE偏振基模从第一弯曲耦合波导2a左侧输入，其主要能量不发生耦合，直接从第一弯曲耦合波导2a右侧输出进入第一连接波导3a，并经过S型波导4a，最终从第一输出波导5a输出。
如图1所示，第三弯曲耦合波导4b和第四弯曲耦合波导4c的弯曲半径和宽度满足第三弯曲耦合波导4b的TM偏振基模与第四弯曲耦合波导4c的TE偏振基模的相位匹配条件；第三弯曲耦合波导4b和第四弯曲耦合波导4c的长度满足将第三弯曲耦合波导4b中TM偏振基模能量完全耦合到第四弯曲耦合波导4c中TM偏振基模。因此当第二连接波导3b中的TM偏振基模从第三弯曲耦合波导4b左侧输入，经过由第三弯曲耦合波导4b和第四弯曲耦合波导4c组成的耦合区域，其能量会耦合至第四弯曲耦合波导4c中的TM偏振基模，并从第四弯曲耦合波导4c右侧进入第二输出波导5c。同时，由于第三弯曲耦合波导4b中的TE偏振基模和第四弯曲耦合波导4c中的偏振基模相位失配，因此当第二连接波导3b中的少量TE偏振基模能量从第三弯曲耦合波导4b左侧输入时，其主要能量不发生耦合，从第三弯曲耦合波导4b右侧输出进入自由空间。
具体实施中，本发明的各条波导可以是具有对称截面的光波导结构或者是非对称截面的光波导结构。
具有对称横截面的光波导结构，其横截面上下对称，即波导中覆盖于芯层101之上的上包层100与位于芯层101之下的下包层100的折射率相等，如图3所示。
具有非对称横截面的光波导结构，其横截面上下不对称，即波导中覆盖于芯层101之上的上包层100与位于芯层101之下的下包层102的折射率、厚度和宽度中至少有一个不相同。如图4所示，上包层100与下包层100的折射率不相等。
具有非对称横截面的光波导结构，光波导芯层101为脊型，其脊两侧被部分刻蚀或全部刻蚀，如图5-图8所示，其脊两侧刻蚀深度相等或不同。
具有非对称横截面的光波导结构，光波导横截面左右不对称，即左侧包层与右侧包层折射率不相等、或是宽度不相等、或是两者均不相等。
具有非对称横截面的光波导结构，光波导芯层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。
本发明的具体实施工作过程为：
1)当工作在偏振分束状态时，以器件的工作中心波长为中心，超宽带波长范围的光从输入波导1左侧输入，输入波导1左侧作为输入端口，第一输出波导5a和第二输出波导5c作为输出端口。
1.a)当输入的模式为TE偏振基模时，经过第一弯曲耦合波导2a，主要能量从第一弯曲耦合波导2a右侧输出，依次经过第一连接波导3a、S型波导4a，最终进入第一输出波导5a；极少量能量从第一弯曲耦合波导2a经倏逝场耦合进入第二弯曲耦合波导2b，从第二弯曲耦合波导2b右侧依次经过第二连接波导3b和第三弯曲耦合波导4b，从第三弯曲耦合波导4b末端进入自由空间。第三弯曲耦合波导4b末端极少量能量中的极少部分(可忽略不计)由第三弯曲耦合波导4b进入第四弯曲耦合波导4c，从第二输出波导5c端口输出。
1.b)当输入模式为TM偏振基模时，经过由第一弯曲耦合波导2a和第二弯曲耦合波导2b组成的耦合区域，其能量耦合到第二弯曲耦合波导2b的TM偏振基模，并从第二弯曲耦合波导2b右侧经过第二连接波导3b进入由第三弯曲耦合波导4b和第四弯曲耦合波导4c组成的耦合区域，其主要能量耦合到第四弯曲耦合波导4c的TM偏振基模，并从第四弯曲耦合波导4c右侧进入第二输出波导5c。
1.c)当输入模式为TM偏振基模和TE偏振基模时，由上述TM偏振基模和TE偏振基模各自的传输过程可知，从输入波导1左侧输入后，TE偏振基模从第一输出波导5a输出，TM偏振基模从第二输出波导5c作输出。
2)当工作在偏振合束状态时，以器件的工作中心波长为中心，超宽带波长范围的TE偏振和TM偏振光分别从第一输出波导5a和第二输出波导5c输入，输入波导1左侧作为输出端口，第一输出波导5a和第二输出波导5c作为输入端口。由工作在偏振分束状态的描述再根据器件的互易性原理可知，TE偏振和TM偏振的光将分别从第一输出波导5a和第二输出波导5c输入，均从输入波导1输出。
下面给出一种偏振分束-合束器的具体实施例：
在此，选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导:其芯层(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-合束器尺寸图，其相关参数为：输入波导1、第一弯曲耦合波导2a、第一连接波导3a、S型波导4a、第一输出波导5a、第四弯曲耦合波导4c、第二输出波导5c宽度相等，宽度W1＝0.430μm；第二弯曲耦合波导2b、第二连接波导3b、第三弯曲耦合波导4b宽度相等，宽度W2＝0.504μm；第一弯曲耦合波导2a与第二弯曲耦合波导2b之间的间隔和第三弯曲耦合波导4b与第四弯曲耦合波导4c之间的间隔相等，间隔Wg＝0.233μm；第一弯曲耦合波导2a和第四弯曲耦合波导4c的弯曲半径相等，弯曲半径R1＝20μm；第二弯曲耦合波导2b和第三弯曲耦合波导4b的弯曲半径相等，弯曲半径R2＝19.3μm；第一弯曲耦合波导2a、第二弯曲耦合波导2b和第一连接波导3a圆弧角度相等，圆弧角度θ1＝16.8°；第一连接波导3a弯曲半径R3＝4μm；S型波导4a横向位移lx＝6μm、纵向位移ly＝0.67μm；第三弯曲耦合波导4b和第四弯曲耦合波导4c的圆弧角度相等，圆弧角度θ2＝20.8°；第二输出波导5c圆弧部分弯曲半径R4＝3μm；圆弧角度角度θ3＝4°。
本发明的总长度约15μm，相比现有器件总长度20μm以上，减少了尺寸，同时在性能方面也有很大的提升。
本实施例基于上述结构尺寸，其对于横电TE基模输入的仿真响应如图9所示，对于横磁TM基模输入的仿真响应如图10所示。
对于横电TE基模输入和横磁TM基模输入的仿真频谱响应如图11所示，对于横电TE基模输入和横磁TM基模输入的测试频谱响应如图12所示，图中可见对于横电TE基模和横磁TM基模，峰值消光比均>32dB，在测量的波长范围内，损耗均小于0.9dB，25dB消光比带宽为32nm，20dB消光比带宽为55nm。性能均优于现有已报道过的偏振分束器。
当波导宽度与设计值分别有-20nm、20nm和50nm的偏差时，对于横电TE基模和横磁TM基模输入的测试频谱响应分别如图13、图14、图15所示，由此可见，当波导宽度有-20nm～50nm的偏差时，该偏振分束-合束器的性能没有太多下降，仍然有大于20dB的消光比。这样的工艺容差要求优于现有已报道过的偏振分束器，并且利用现有的CMOS技术完全能够实现。
由此可见，本发明利用了波导结构对于不同偏振的响应，实现了偏振的分束合束，结构简单、设计简易、工艺简便等优点，与现有的CMOS工艺完全兼容，在性能方面，具有高消光比、大带宽、大容差、低损耗等优异性能，在未来片上光集成器件中将会有重要作用。

Claims (7)

1.一种偏振分束-合束器，其特征在于：包括输入波导(1)、第一弯曲耦合波导(2a)、第二弯曲耦合波导(2b)、第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)、S型波导(4a)、第三弯曲耦合波导(4b)、第四弯曲耦合波导(4c)第一输出波导(5a)和第二输出波导(5c)；输入波导(1)依次经第一弯曲耦合波导(2a)、第一连接波导(3a)、S型波导(4a)后与第一输出波导(5a)相连接，第二弯曲耦合波导(2b)经第二连接波导(3b)和第三弯曲耦合波导(4b)相连接，第四弯曲耦合波导(4c)与第二输出波导(5c)相连接；第一弯曲耦合波导(2a)与第二弯曲耦合波导(2b)相耦合，第三弯曲耦合波导(4b)与第四弯曲耦合波导(4c)相耦合；
所述的第一弯曲耦合波导(2a)、第二弯曲耦合波导(2b)的弯曲半径和宽度均满足第一弯曲耦合波导(2a)TE偏振基模与第二弯曲耦合波导(2b)TE偏振基模的相位失配条件，并且所述的第一弯曲耦合波导(2a)、第二弯曲耦合波导(2b)的弯曲半径和宽度均满足第一弯曲耦合波导(2a)TM偏振基模与第二弯曲耦合波导(2b)TM偏振基模的相位匹配条件，并且所述的第一弯曲耦合波导(2a)的长度和第二弯曲耦合波导(2b)的长度相匹配使得将第一弯曲耦合波导(2a)中TM偏振基模能量完全耦合到第二弯曲耦合波导(2b)中TM偏振基模；
所述的第三弯曲耦合波导(4b)、第四弯曲耦合波导(4c)的弯曲半径和宽度均满足第三弯曲耦合波导(4b)TE偏振基模与第四弯曲耦合波导(4c)TE偏振基模的相位失配条件，并且所述的第三弯曲耦合波导(4b)、第四弯曲耦合波导(4c)的弯曲半径和宽度均满足第三弯曲耦合波导(4b)TM偏振基模与第四弯曲耦合波导(4c)TM偏振基模的相位匹配条件，并且所述的第三弯曲耦合波导(4b)的长度和第四弯曲耦合波导(4c)的长度相匹配使得将第三弯曲耦合波导(4b)中TM偏振基模能量完全耦合到第四弯曲耦合波导(4c)TM偏振基模。
2.根据权利要求1所述的一种偏振分束-合束器，其特征在于：
所述的输入波导(1)、第一弯曲耦合波导(2a)、第二弯曲耦合波导(2b)、第一连接波导(3a)、第二连接波导(3b)、S型波导(4a)、第三弯曲耦合波导(4b)、第四弯曲耦合波导(4c)、第一输出波导(5a)、第二输出波导(5c)均是具有对称截面或者非对称截面的光波导结构，并且其中的输入波导(1)、第一弯曲耦合波导(2a)、第一连接波导(3a)、S型波导(4a)和第一输出波导(5a)为具有同种截面结构的光波导，第二弯曲耦合波导(2b)、第二连接波导(3b)和第三弯曲耦合波导(4b)为具有同种截面结构的光波导，第四弯曲耦合波导(4c)和第二输出波导(5c)为具有同种截面结构的光波导。
3.根据权利要求2所述的一种偏振分束-合束器，其特征在于：所述的具有对称横截面的光波导结构，其横截面上下对称，即波导中覆盖于芯层(101)之上的上包层(100)与位于芯层(101)之下的下包层(100)的折射率相等。
4.根据权利要求2所述的一种偏振分束-合束器，其特征在于：所述的具有非对称横截面的光波导结构，其横截面上下不对称，即波导中覆盖于芯层(101)之上的上包层(100)与位于芯层(101)之下的下包层(102)的折射率、厚度和宽度中至少有一个不相同。
5.根据权利要求2或4所述的一种偏振分束-合束器，其特征在于：所述的具有非对称横截面的光波导结构，光波导芯层(101)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。
6.根据权利要求2或4所述的一种偏振分束-合束器，其特征在于：所述的具有非对称横截面的光波导结构，光波导横截面左右不对称，即左侧包层与右侧包层折射率不相等、或是宽度不相等、或是两者均不相等。
7.根据权利要求2或4所述的一种偏振分束-合束器，其特征在于：所述的具有非对称横截面的光波导结构，光波导芯层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。
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