CN106443883A - 一种偏振分束器 - Google Patents

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方舟
李蒙
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Abstract

本发明提供了一种偏振分束器，该偏振分束器包括：平行设置并设有一预设间隙的条形的第一波导以及L形第二波导；第二波导包括依次连接的第二耦合波导和用于输出横磁TM模的第二输出波导；第二耦合波导包括位于底部的第一结构部和与第一结构部垂直连接的第二结构部；第二结构部包括相位近似匹配波导和至少一个过渡波导，相位近似匹配波导顶部的形状为直角梯形，直角梯形的下底朝向第二输出波导设置。本发明提供的偏振分束器通过设置过渡波导，减小了耦合波导的长度，实现了尺寸优化，降低了制造成本；且本发明耦合效率高，损耗以及串扰性能小，且工艺步骤相对标准，便于芯片集成。

Description

一种偏振分束器
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别涉及一种偏振分束器。
背景技术
偏振是指横波的振动矢量(垂直于波的传播方向)偏于某些方向的现象。偏振控制在许多应用领域起着非常关键的作用，例如通信，生物传感，量子光学等，而高效率和小尺寸的偏振控制器件在这些领域具有非常重要的应用价值。光通信中的偏振分束器(polarization beam splitter，或者polarization splitter androtator)是一种集成光电子器件，用于实现TE(横电)模和TM(横磁)模的分离，而在硅光相干通信芯片中，还需实现TM模转换为TE模。偏振分束器的实现方法主要基于二维光栅和波导两大类，目前基于波导的偏振分束器有着比较广泛的应用，然而基于波导的偏振分束器大多尺寸大，不适合芯片集成，且工艺容差小，需要复杂甚至非标准的工艺步骤。
发明内容
本发明提供了一种偏振分束器，其目的是为了解决现有的基于波导的偏振分束器尺寸大，不适合芯片集成且工艺容差小的问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种偏振分束器，该偏振分束器包括：平行设置并设有一预设间隙的条形的第一波导以及L形第二波导；
第二波导包括依次连接的第二耦合波导和用于输出横磁TM模的第二输出波导；
第二耦合波导包括位于底部的第一结构部和与第一结构部垂直连接的第二结构部；第二结构部包括相位近似匹配波导和至少一个过渡波导，相位近似匹配波导顶部的形状为直角梯形，直角梯形的下底朝向第二输出波导设置。
进一步地，该偏振分束器还包括：位于第一波导以及第二波导底部的埋层，位于第一波导以及第二波导顶部、第一波导以及第二波导之间的包层；第一波导以及第二波导的折射率均大于包层和埋层的折射率。
进一步地，第一波导包括依次连接的用于输入横电TE模、TM模的输入波导，第一耦合波导以及用于输出TE模的第一输出波导；第一耦合波导和第二耦合波导的长度相同。
进一步地，第一波导对TE模的有效折射率大于第二波导对TE模的有效折射率；第一波导对TM模的有效折射率等于第二波导对TE模的有效折射率。
进一步地，第二结构部包括相位近似匹配波导和两个过渡波导，两个过渡波导分别与直角梯形的上底和下底连接。
进一步地，第二结构部包括相位近似匹配波导和一个过渡波导，过渡波导与直角梯形的上底连接。
进一步地，第二结构部包括相位近似匹配波导和一个过渡波导，过渡波导与直角梯形的下底连接。
进一步地，过渡波导的顶部的形状为楔形或流线型或弧形。
进一步地，第一波导以及第二波导的材质为硅，包层和埋层的材质均为二氧化硅。
进一步地，第一波导以及第二结构部的高度均为220纳米。
本发明的上述方案至少包括以下有益效果：
本发明提供的偏振分束器通过设置过渡波导，减小了耦合波导的长度，实现了尺寸优化，降低了制造成本；且本发明耦合效率高，损耗以及串扰性能小，且工艺步骤相对标准，便于芯片集成。
附图说明
图1为本发明所述的偏振分束器的第一耦合波导以及第二耦合波导的俯视图；
图2为本发明所述的偏振分束器的第一耦合波导以及第二耦合波导的左视图；
图3为本发明所述的偏振分束器的插入损耗性能仿真结果；
图4为楔形耦合波导的偏振分束器的插入损耗性能仿真结果；
图5为本发明所述的偏振分束器的串扰性能仿真结果；
图6为楔形耦合波导的偏振分束器的串扰性能仿真结果。
附图标记说明：
1，第一耦合波导；2、第二耦合波导；3、包层；4、埋层；5、第二结构部；6、第一结构部；7、相位近似匹配波导；8、过渡波导；G、预设间隙的宽度；L、耦合波导的长度；W1、第一波导的宽度；W2、第一结构部的宽度；W3、相位近似匹配波导的宽度；H1、第一波导的高度；H2、第二结构部的高度。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
参见图1及图2，本发明针对现有的问题，提供了一种偏振分束器，该偏振分束器包括：平行设置并设有一预设间隙的条形的第一波导以及L形第二波导；其中，第一波导以及第二波导组成非对称波导；该预设间隙的宽度G可以为100纳米或200纳米。
第二波导包括依次连接的第二耦合波导2和用于输出横磁TM模的第二输出波导；
第二耦合波导2包括位于底部的第一结构部6和与第一结构部6垂直连接的第二结构部5；第二结构部5包括相位近似匹配波导7和至少一个过渡波导8，相位近似匹配波导7顶部的形状为直角梯形，相位近似匹配波导的宽度W3均匀变化，而第一结构部的宽度W2保持不变；直角梯形的下底朝向第二输出波导设置。其中，过渡波导8的设置相对于楔形耦合波导(无过渡波导的耦合波导)缩短了耦合波导长度L，对尺寸优化有重要意义。
进一步地，该偏振分束器还包括：位于第一波导以及第二波导底部的埋层4，位于第一波导以及第二波导顶部、第一波导以及第二波导之间的包层3；第一波导以及第二波导的折射率均大于包层3和埋层4的折射率，保证光信号在该偏振分束器内发生全反射。
进一步地，第一波导以及第二波导的材质为硅，包层3和埋层4的材质均为二氧化硅。
进一步地，第一波导包括依次连接的用于输入横电TE模、TM模的输入波导，第一耦合波导1以及用于输出TE模的第一输出波导；第一耦合波导1和第二耦合波导2的长度相同，即为耦合波导的长度L；第一波导的宽度W1保持不变。
进一步地，第一波导对TE模的有效折射率大于第二波导对TE模的有效折射率，因此，从输入波导输入的TE模将从第一输出波导输出，而不会耦合到第二波导；第一波导对TM模的有效折射率等于第二波导对TE模的有效折射率，因此，从输入波导输入的TM模将耦合到第二波导，从第二输出波导输出。
进一步地，第二结构部5包括相位近似匹配波导7和两个过渡波导8，两个过渡波导8分别与直角梯形的上底和下底连接。
参见图3及图5，图3为该偏振分束器的插入损耗性能仿真结果，图3为该偏振分束器的串扰性能仿真结果；由图可知，当耦合波导的长度L在60微米时，便可实现较为稳定的耦合输出。
参见图4及图6，图4和图6分别为相同条件下，楔形耦合波导的偏振分束器的插入损耗性能以及串扰性能仿真结果，其中，当耦合波导的长度L在120微米时，才能实现较为稳定的耦合输出。
因此，本发明提供的偏振分束器通过设置过渡波导8，减小了耦合波导的长度L，实现了尺寸优化，降低了制造成本；且本发明耦合效率高，损耗以及串扰性能小，且工艺步骤相对标准，便于芯片集成。
进一步地，第二结构部5包括相位近似匹配波导7和一个过渡波导8，过渡波导8与直角梯形的上底连接；其中，可以设置较宽的的相位匹配波导而省略掉与直角梯形的下底连接的过渡波导8。
进一步地，第二结构部5包括相位近似匹配波导7和一个过渡波导8，过渡波导8与直角梯形的下底连接。其中，可以设置较宽的的相位匹配波导而省略掉与直角梯形的上底连接的过渡波导8。
进一步地，过渡波导8的顶部的形状为楔形或流线型或弧形。
继续参见图2，第一波导H1以及第二结构部5的高度H2均为220纳米，满足现有硅光工艺标准。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种偏振分束器，其特征在于，包括：平行设置并设有一预设间隙的条形的第一波导以及L形第二波导；
所述第二波导包括依次连接的第二耦合波导和用于输出横磁TM的第二输出波导；
所述第二耦合波导包括位于底部的第一结构部和与所述第一结构部垂直连接的第二结构部；所述第二结构部包括相位近似匹配波导和至少一个过渡波导，所述相位近似匹配波导顶部的形状为直角梯形，所述直角梯形的下底朝向所述第二输出波导设置。
2.如权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述偏振分束器还包括：位于所述第一波导以及第二波导底部的埋层，位于所述第一波导以及第二波导顶部、所述第一波导以及第二波导之间的包层；所述第一波导以及第二波导的折射率均大于所述包层和埋层的折射率。
3.如权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述第一波导包括依次连接的用于输入横电TE模、TM模的输入波导，第一耦合波导以及用于输出TE模的第一输出波导；所述第一耦合波导和第二耦合波导的长度相同。
4.如权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述第一波导对TE模的有效折射率大于所述第二波导对TE模的有效折射率；所述第一波导对TM模的有效折射率等于所述第二波导对TE模的有效折射率。
5.如权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述第二结构部包括相位近似匹配波导和两个过渡波导，两个过渡波导分别与所述直角梯形的上底和下底连接。
6.如权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述第二结构部包括相位近似匹配波导和一个过渡波导，所述过渡波导与所述直角梯形的上底连接。
7.如权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述第二结构部包括相位近似匹配波导和一个过渡波导，所述过渡波导与所述直角梯形的下底连接。
8.如权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述过渡波导的顶部的形状为楔形或流线型或弧形。
9.如权利要求2所述的偏振分束器，其特征在于，所述第一波导以及第二波导的材质为硅，所述包层和埋层的材质均为二氧化硅。
10.如权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述第一波导以及第二结构部的高度均为220纳米。
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