CN107450126A - 一种偏振分束器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种偏振分束器及其设计方法，所述偏振分束器包括输入波导、多模干涉区和两个输出波导，所述多模干涉区的一端与所述输入波导的一端连接，所述多模干涉区的另一端分别与所述两个输出波导的一端连接；所述多模干涉区内设置有光栅，所述光栅沿入射光在所述多模干涉区内的传播方向设置。本发明提供的一种偏振分束器，通过在多模干涉区内设置光栅，有效减小了偏振分束器的整体尺寸，使得该偏振分束器易于集成。

Description

一种偏振分束器及其设计方法

技术领域

本发明涉及集成光电子器件领域，更具体地，涉及一种偏振分束器及其设计方法。

背景技术

在光纤通信领域中，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-Interference coupler，MMIcoupler)、方向耦合器(directional coupler)和光栅耦合器(grating coupler)等。其中多模干涉耦合器的方案因为结构简单、设计方便而被广泛采用。

目前的基于多模干涉耦合器的偏振分束器的一般采用条形波导制成，但由于这种偏振分束器结构中多模干涉区的长度过长，甚至超过130μm，极大的增加了偏振分束器整体的集成难度及成本。

因此，现急需提供一种小尺寸的偏振分束器，以降低偏振分束器的集成难度。

发明内容

为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种偏振分束器及其设计方法。

一方面，本发明提供了一种偏振分束器，所述偏振分束器包括输入波导、多模干涉区和两个输出波导，所述多模干涉区的一端与所述输入波导的一端连接，所述多模干涉区的另一端分别与所述两个输出波导的一端连接；所述多模干涉区内设置有光栅，所述光栅沿入射光在所述多模干涉区内的传播方向设置，用于缩短所述多模干涉区的长度。

优选地，所述多模干涉区为多模光波导。

优选地，所述光栅的总长度与所述多模光波导的长度相同。

优选地，所述入射光中包括两种不同偏振的光，所述两种不同偏振的光在所述多模光波导内的拍长比为L_A:L_B＝(p+q):p，其中，p为正整数，q为奇数，L_A和L_B分别为两种不同偏振的光在所述多模光波导内的拍长。

优选地，所述多模干涉区的长度为L_m＝pL_A＝(p+q)L_B，L_m为所述多模干涉区的长度。

优选地，所述光栅的光栅周期长度小于所述多模干涉区内传播的入射光的波长。

优选地，所述输入波导与所述多模干涉区之间设置有第一宽度渐变区，所述输出波导与所述多模干涉区之间设置有第二宽度渐变区。

优选地，所述输入波导、所述多模光波导和所述输出波导的波导类型相同，所述波导类型为沟道波导、脊波导或条形波导。

优选地，所述输入波导、所述多模光波导和所述输出波导的材料为电介质、半导体或有机物中的一种或多种。

另一方面，本发明提供了一种上述偏振分束器的设计方法，包括：

根据入射光的性质设计光栅；

将所述光栅沿入射光在偏振分束器的多模干涉区内的传播方向设置在所述多模干涉区内；

在所述多模干涉区的两端分别连接输入波导和两个输出波导。

本发明提供的偏振分束器及其设计方法，通过在多模干涉区内设置光栅，缩短了偏振分束器的长度。在具体应用中，可根据实际的加工条件适当的减小多模干涉区的长度，可进一步减小偏振分束器的整体尺寸，使得该偏振分束器易于集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对各实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述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1为本发明实施例提供的偏振分束器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的偏振分束器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的从偏振分束器的输入波导输入TE偏振光得到的多模干涉区的电场幅度分布示意图；

图4为本发明实施例提供的从偏振分束器的输入波导输入TM偏振光得到的多模干涉区的电场幅度分布示意图；

图5为本发明实施例提供的偏振分束器的设计方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种偏振分束器，所述偏振分束器包括输入波导11、多模干涉区12和两个输出波导。所述多模干涉区12的一端与所述输入波导11的一端连接，所述多模干涉区12的另一端分别与所述两个输出波导的一端连接。

所述多模干涉区12内设置有光栅13，所述光栅13沿入射光在所述多模干涉区内的传播方向设置，用于缩短所述多模干涉区12的长度。

具体地，本发明所提供的偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)是一种将一束混合有两种不同偏振的入射光按偏振态进行光束分离的光学元件。

本实施例中，以入射光内存在TE和TM这两种不同偏振的光为例，相应地，需要偏振分束器具有两个输出波导，两个输出波导分别为第一输出波导14和第二输出波导15。在偏振分束器进行偏振分束时，输入波导11没有与多模干涉区12连接的一端为偏振分束器的光输入端，第一输出波导14和第二输出波导15没有与多模干涉区12连接的一端为偏振分束器的两个光输出端。两种不同偏振的光经偏振分束器的光输入端输入至多模干涉区12内，进入多模干涉区12后分别经第一输出波导14和第二输出波导15输出。两种不同偏振的光经偏振分束器的光输入端输入至多模干涉区12后，由原来的单模变为多模，并发生多模干涉效应，形成自成像效应，可在多模干涉区12内形成像点。其中，输入波导11与多模干涉区12相连接的一端与第一个单自镜像点(first single self-image)之间的水平距离即为对应偏振的光的拍长。

在多模干涉区12内设置有光栅13，根据光栅13对多模干涉区等效折射率的调控作用，使得两种不同偏振的光的拍长均缩短，进而缩短多模干涉区12的长度。这里，由于在多模干涉区12内加入了光栅13，使多模干涉区12的内部结构发生变化，进而影响了多模干涉区12的等效折射率。也就是说，可以通过改变光栅13的结构参数实现对多模干涉区12的等效折射率的调控。

本实施例提供的一种偏振分束器，通过在多模干涉区内设置光栅，缩短了偏振分束器的长度。在具体应用中，可根据实际的加工条件适当的减小多模干涉区的长度，可进一步减小偏振分束器的整体尺寸，使得该偏振分束器易于集成。

在上述实施例的基础上，所述多模干涉区具体可为多模光波导。在多模光波导中可以支持至少2种模式的光发生干涉作用。

在上述实施例的基础上，所述光栅的总长度与所述多模光波导的长度相同。通过将光栅的总长度与所述多模光波导的长度设置成相同，可以直接将多模光波导的长度作为光栅的总长度，使光栅充分利用的同时，可将多模干涉区的长度设置得最小。

在上述实施例的基础上，所述入射光内包含两种不同偏振的光，所述两种不同偏振的光在所述多模光波导内的拍长比为L_A:L_B＝(p+q):p，其中，p为正整数，q为奇数，L_A和L_B分别为两种不同偏振的光在所述多模光波导内的拍长。

在上述实施例的基础上，光栅的总长度即多模干涉区的长度为L_m＝pL_A＝(p+q)L_B。

作为优选方案，令q＝1，则L_m＝pL_A＝(p+1)L_B，L_A:L_B＝(p+1):p。

在具体应用中，可根据实际的加工条件以及需要分离的两种不同偏振的光的拍长满足(p+1):p的比例关系来确定光栅的结构参数。如图2所示，光栅周期长度为Λ，光栅槽宽为a，光栅宽度为w_s。

为进一步的说明本方案，本发明还提供了一种偏振分束器的应用实例，入射光由TE偏振光和TM偏振光构成。

参见图2，以偏振分束器的外部包层材料为二氧化硅的绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)材料为例，通过时域差分方法(Finite Difference Time Domain，FDTD)数值仿真示出了偏振分束器结构中光的电场幅度分布情况。

如图3所示，在所述偏振分束器进行偏振分束时，TE偏振光从偏振分束器的输入波导11入射，经过多模干涉区12，从第一输出波导14输出。如图4所示，TM偏振的光信号从偏振分束器的输入波导11入射到偏振分束器中，经过多模干涉区12，从第二输出波导15输出。TE偏振光的拍长L_TE和TM偏振光的拍长L_TM满足4:3的比例关系，此时取多模干涉区的长度为L_m＝3×L_TE＝4×L_TM，通过设置光栅的结构参数，使TM偏振光和TE偏振光分别从第一输出波导14和第二输出波导15输出，实现偏振分束功能。

多模干涉区12中，波导中间位置分布有预设数量的光栅结构。输入波导11与多模干涉区12之间设置有第一宽度渐变区，第一输出波导14与多模干涉区12之间，以及第二输出波导15与多模干涉区12之间设置有第二宽度渐变区，第一宽度渐变区和第二宽度渐变区的长度相同，均为L_t，即输入波导11的宽度从w渐变为w_t，第一输出波导14和第二输出波导15的宽度均从w_t变为w，以减少模式转换损耗。

仿真过程中采用的结构参数为：SOI的顶硅厚度为220nm；输入波导、第一输出波导14和第二输出波导15的宽度相同，均为w＝450nm；L_t为5μm，w_t为0.9μm；多模干涉区12的宽度w_m为2μm，多模干涉区12的长度L_m为42μm；光栅的周期Λ为180nm，光栅槽宽a为60nm，光栅宽度w_s为60nm。整个多模干涉区包含233个光栅周期。

该应用实例中，通过设置上述光栅的结构参数，使TE偏振光的拍长为10.80μm，TM偏振光的拍长为14.46μm，满足4:3的关系，即p＝3，q＝1。通过拍长的关系计算得到的多模干涉区的长度L_m为14.46×3≈10.80×4≈43.4μm，基本与设定的多模干涉区12的长度一致。而没有光栅结构，其他参数相同时，TE的拍长为27.95μm，TM的拍长为29.5μm，基本满足18:19的关系，p＝18，q＝1。整个多模干涉区的长度大约为500μm。可以看出光栅结构的引入使得多模干涉区12内的偏振光的拍长减小，并且p的取值更小，所以器件长度更短。

并且仿真得到的偏振分束器在波长1550nm处，TE偏振光和TM偏振光输入时，两个输出波导之间的消光比分别达到13.71dB和13.00dB。此时的插入损耗分别为0.52dB和0.59dB，满足集成光电子系统的应用。

从上述描述可知，本发明的应用实例提供的偏振分束器，利用光栅对波导偏振等效折射率的调控作用，使得TE偏振光的拍长L_TE和TM偏振光的拍长L_TM满足4:3的比例关系。取多模干涉区的长度L_m＝3×L_TE＝4×L_TM时，TM偏振光和TE偏振光分别从第一输出波导14和第二输出波导15输出，从而实现偏振分束。本设计具有器件尺寸小，损耗小，消光比高的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。

在上述实施例的基础上，所述光栅的光栅周期长度小于所述多模干涉区内传播的入射光的波长。光栅周期长度可根据需要进行设置。在本实施例中，所提供的光栅实际上是亚波长光栅，这种光栅的光栅周期长度Λ与工作波长λ相当，或小于工作波长λ，工作波长λ也就是指多模干涉区内传播的入射光的波长λ。

在上述实施例的基础上，由于光栅的光栅周期长度小于入射光的波长，而光栅的总长度又与多模干涉区的长度相同，所以此时在多模干涉区内存在多个光栅周期，具体光栅周期的个数可通过光栅的总长度与光栅周期长度相除得到。

在上述实施例的基础上，所述输入波导与所述多模干涉区之间设置有第一宽度渐变区，所述输出波导与所述多模干涉区之间设置有第二宽度渐变区。

具体地，本发明中，为了方便与其他器件互连，采用输入波导和两个输出波导为长度相同、宽度相同的单模光波导。由于偏振分束器的输入波导和输出波导均为单模光波导，而偏振分束器中的多模干涉区实际上是一种多模光波导，而且，输入波导和输出波导的宽度相同，均小于多模光波导的宽度。如此，在单模的输入波导或输出波导和多模光波导连接时，若直接将宽度较小的输入波导或输出波导与宽度较大的多模光波导进行连接，则会导致连接时产生的损耗变大，所以本发明在宽度较小的输入波导或输出波导与宽度较大的多模光波导之间，分别采用第一宽度渐变区和第二宽度渐变区进行连接，可大大降低连接时产生的损耗。

第一宽度渐变区由小宽度逐渐变为大宽度，用于连接输入波导和多模干涉区，第二宽度渐变区由大宽度逐渐变为小宽度，用于连接多模干涉区和输出波导，每一个输出波导均对应着一个第二宽度渐变区。

在上述实施例的基础上，所述输入波导、所述多模光波导和所述输出波导的波导类型相同，所述波导类型为沟道波导、脊波导或条形波导。

在上述实施例的基础上，所述输入波导、所述多模光波导和所述输出波导的材料为电介质、半导体或有机物。其中，电介质可以为二氧化硅、二氧化钛或氧化镓，半导体可以为硅、锗、氮化硅或三五族化合物。这里的三五族化合物可以为磷化铟或氮化镓。

如图5所示，本发明另一实施例提供了一种上述偏振分束器的设计方法，包括：

S1，根据入射光的性质设计光栅；

S2，将所述光栅沿入射光在偏振分束器的多模干涉区内的传播方向设置在所述多模干涉区内；

S3，在所述多模干涉区的两端分别连接输入波导和两个输出波导。

在上述实施例的基础上，光栅周期长度小于多模干涉区中的入射光波长，可根据需要设置合适的光栅周期长度。通过设置光栅槽宽和光栅宽度，调节入射光中不同偏振的光在多模干涉区中的拍长L_A和L_B，使得拍长比例满足L_A:L_B＝(p+q):p。根据拍长L_A和L_B，以及L_A:L_B＝(p+q):p，确定多模干涉区的长度为L_m＝pL_A＝(p+q)L_B，并将多模干涉区的长度作为所述光栅的总长度，其中，p为正整数，q为奇数。作为优选方案，q＝1。

根据光栅的总长度及光栅周期长度，确定光栅周期的个数。

根据所述光栅的总长度、光栅周期长度、光栅周期的个数、光栅槽宽以及光栅宽度，得到所述光栅。

具体地，偏振分束器的设计方法的设计过程、参数的选择与上述偏振分束器的实施例是一一对应的，在此不再赘述。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种偏振分束器，其特征在于，所述偏振分束器包括输入波导、多模干涉区和两个输出波导，所述多模干涉区的一端与所述输入波导的一端连接，所述多模干涉区的另一端分别与所述两个输出波导的一端连接；

所述多模干涉区内设置有光栅，所述光栅沿入射光在所述多模干涉区内的传播方向设置，所述光栅根据所述入射光的性质设计得到。

2.根据权利要求1所述的偏振分束器，其特征在于，所述多模干涉区为多模光波导。

3.根据权利要求2所述的偏振分束器，其特征在于，所述光栅的总长度与所述多模光波导的长度相同。

4.根据权利要求3所述的偏振分束器，其特征在于，所述入射光中包括两种不同偏振的光，所述两种不同偏振的光在所述多模光波导内的拍长比为L_A:L_B＝(p+q):p，其中，p为正整数，q为奇数，L_A和L_B分别为两种不同偏振的光在所述多模光波导内的拍长。

5.根据权利要求4所述的偏振分束器，其特征在于，所述多模干涉区的长度为L_m＝pL_A＝(p+q)L_B，其中，L_m为所述多模干涉区的长度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的偏振分束器，其特征在于，所述光栅的光栅周期长度小于所述多模干涉区内传播的入射光的波长。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的偏振分束器，其特征在于，所述输入波导与所述多模干涉区之间设置有第一宽度渐变区，所述输出波导与所述多模干涉区之间设置有第二宽度渐变区。

8.根据权利要求2-5中任一项所述的偏振分束器，其特征在于，所述输入波导、所述多模光波导和所述输出波导的波导类型相同，所述波导类型为沟道波导、脊波导或条形波导。

9.根据权利要求8所述的偏振分束器，其特征在于，所述输入波导、所述多模光波导和所述输出波导的材料为电介质、半导体或有机物中的一种或多种。

10.一种权利要求1至9中任一项所述偏振分束器的设计方法，其特征在于，包括：

根据入射光的性质设计光栅；

将所述光栅沿入射光在偏振分束器的多模干涉区内的传播方向设置在所述多模干涉区内；

在所述多模干涉区的两端分别连接输入波导和两个输出波导。