CN108919426B - 一种氮化硅光波导偏振模式分离器 - Google Patents

一种氮化硅光波导偏振模式分离器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化硅光波导偏振模式分离器，解决现有装置消光比差、功耗高、损耗大的问题。所述分离器包含：第一、第二多模干涉耦合器、氮化硅光波导；第一多模干涉耦合器用于接收包含TE和TM模式的光信号，分光后输出第一光信号、第二光信号；氮化硅光波导，包含第一、第二波导臂，第一波导臂上有宽波导；第一光信号经第一波导臂，宽波导用于TE模式、TM模式分离，输出TE模式与TM模式相位差为180度移相光；第二光信号经第二波导臂输出参考光信号；第二多模干涉耦合器用于对所述移相光、参考光信号进行耦合，通过两个输出端口分别输出TE模式光、TM模式光。本发明实现了纯无源结构设计，结构简单易生产。

Description

一种氮化硅光波导偏振模式分离器
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种氮化硅光波导偏振模式分离器。
背景技术
基于偏振分离复用的相干检测技术在下一代光通信网络中具有较好的应用前景，目前可以实现正交偏振模式分离的方案主要分为两类：基于镀膜技术的PBS棱镜和通过电光调制的MZI改变折射率实现模式分离。通过PBS棱镜实现TE/TM模式分离，缺点是棱镜的体积较大，难以在集成光器件中使用，同时，PBS棱镜对入射光线的角度要求较高，否者会引起偏振消光比变差。基于电光调制的MZI通过改变其中一个臂长的折射率可以有效地实现TE/TM模式分离，但利用电光调制会增加功耗，提升系统的复杂度，同时要求外加电场强度控制精确，频繁的改变波导晶体结构会降低器件的使用寿命。
发明内容
本发明提供一种氮化硅光波导偏振模式分离器，解决现有装置消光比差、功耗高、损耗大的问题。
一种氮化硅光波导偏振模式分离器，包含：第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、氮化硅光波导；所述第一多模干涉耦合器用于接收包含TE和TM模式的光信号，分光后输出第一光信号、第二光信号；所述氮化硅光波导，包含第一、第二波导臂，所述第一波导臂上有宽波导；所述第一光信号经所述第一波导臂，所述宽波导用于TE模式、TM模式分离，输出TE模式与TM模式相位差为180度的移相光至所述第二多模干涉耦合器的输入端口；所述第二光信号经所述第二波导臂输出参考光信号至所述第二多模干涉耦合器的另一输入端口；所述第二多模干涉耦合器用于对所述移相光、参考光信号进行耦合，通过两个输出端口分别输出TE模式光、TM模式光。
进一步地，所述宽波导的长度为：
Figure BDA0001736213420000021
或者
Figure BDA0001736213420000022
其中，L为所述宽波导的长度，N＝1，2，3，……，λ为所述光信号的波长，B为TE/TM模式在所述氮化硅光波导中的双折射差，Bg为由几何结构引起的双折射差。
优选地，所述宽波导的长度为30～34微米。
作为本发明进一步优化的实施例，在宽波导长度的基础上，优选地，所述第一、第二多模干涉耦合器的宽度为7～10微米，长度为160～165微米，所述第一、第二波导臂的长度为1631微米。
进一步优选地，所述宽波导的宽度不小于4微米。
进一步地，第一波导臂上向所述宽波导过渡处有不连续性结构，所述第二波导臂上也包含所述不连续性结构。
本发明有益效果包括：本发明实现的氮化硅光波导偏振模式分离器，利用氮化硅波导的TE/TM模式的双折射特点，结合MZI模式干涉功能，实现TE模式、TM模式的模式分离，有较好的分离效果、消光比高，同时所述装置为纯无源结构设计，功耗低、结构简单、易于实现，波导截面尺寸与光纤接近，光纤和芯片之间的耦合损耗较小。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种氮化硅光波导偏振模式分离器实施例；
图2(a)为一种氮化硅光波导偏振模式分离器TE模式输入光的光场分布实施例；
图2(b)为一种氮化硅光波导偏振模式分离器TM模式输入光的光场分布实施例；
图3(a)为一种氮化硅光波导偏振模式分离器TE模式输出光功率实施例；
图3(b)为一种氮化硅光波导偏振模式分离器TM模式输出光功率实施例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
图1为一种氮化硅光波导偏振模式分离器实施例，本发明提供的实施例利用氮化硅波导的TE/TM模式的双折射特点，结合MZI模式干涉的功能，实现TE/TM模式分离。一种氮化硅光波导偏振模式分离器，包含：第一多模干涉耦合器11、第二多模干涉耦合器12、氮化硅光波导13、第一波导臂15、第二波导臂14。
所述第一多模干涉耦合器用于接收包含TE和TM模式的光信号，分光后输出第一光信号、第二光信号；所述氮化硅光波导，包含第一、第二波导臂，所述第一波导臂上有宽波导；所述第一光信号经所述第一波导臂，所述宽波导用于TE模式、TM模式分离，输出TE模式与TM模式相位差为180度的移相光至所述第二多模干涉耦合器的输入端口；所述第二光信号经所述第二波导臂输出参考光信号至所述第二多模干涉耦合器的另一输入端口；所述第二多模干涉耦合器用于对所述移相光、参考光信号进行耦合，通过两个输出端口分别输出TE模式光、TM模式光。
需要说明的是，所述第一光信号和第二光信号相位相差90度，幅度相同，即所述第一多模干涉耦合器为3dB耦合器；所述第二多模干涉耦合器为3dB耦合器。
进一步地，所述宽波导的长度为：
Figure BDA0001736213420000041
B＝Bg+Bs
Bs＝(σx-σy)*(C1-C2)
Bg＝nTM0-nTE0
其中，L为所述宽波导的长度，N＝1，2，3，……，λ为所述光信号的波长，B为TE/TM模式在所述氮化硅光波导中的双折射差，Bs为由应力引起的双折射差、Bg为由几何结构引起的双折射差，σx、σy分别为光波导在水平、垂直方向上的应力，C1、C2分别为氮化硅材料的光弹性常数，nTE0、nTM0分别为由所述光波导几何形状决定的TE模式、TM模式的光波导有效折射率。
研究表明，氮化硅波导的双折射主要由几何结构影响，因此Bg是主要的设计参数；当忽略应力引起的双折射效应，即忽略Bs，设计结果能满足要求。此时，取宽波导的长度为：
Figure BDA0001736213420000051
优选地，所述宽波导的宽度不小于4微米。所述宽波导宽度的选择要考虑TE/TM模式的双折射效应，根据理论分析和试验，在所述宽波导宽度0～8微米的范围内，随着波导宽度的增加，所述TE/TM模式在氮化硅光波导中的双折射差增大，且逐渐平缓，所述TE/TM模式在氮化硅光波导中的双折射差在所述宽波导宽度自4um(微米)以上基本不变，考虑到设计和制作容差，因此选择宽波导宽度5um。
需要说明的是，所述宽波导的宽度也可以是其他大于4um的数值(如8um)，或取4～8um范围的任意数值。
需要说明的是，所述宽波导对TE模式、TM模式进行模式分离的原因是由于TE模式、TM模式在宽波导中有双折射效应。
优选地，所述第一、第二多模干涉耦合器的宽度为7～10um，长度为160～165um，所述第一、第二波导臂的长度为1631um，所述宽波导的长度为30～34um。
进一步地，所述宽波导有不连续性，所述第一波导臂上包含向所述宽波导过渡的不连续性结构。所述宽波导的不连续性为所述宽波导左右边缘有三角形结构，所述第二波导臂上也包含所述宽波导上的不连续性结构，体现为所述第二波导臂上有所述宽波导左右边缘两个三角形结构拼接的菱形结构。
本发明实施例提供的氮化硅光波导偏振模式分离器利用氮化硅光波导在不同的宽度条件下，由于波导芯层在横截面的几何结构和应力作用下，TE/TM模式具有不同有效折射率的特点，通过对MZI其中一个臂长的波导宽度和长度进行优化设计，从而实现TE/TM模式的分离。本发明实施例具有较好的模式分离效果，且采用纯无源结构设计，功耗低、结构简单、易于实现，波导截面尺寸与光纤接近，光纤和芯片之间的耦合损耗较小。
图2(a)为一种氮化硅光波导偏振模式分离器TE模式输入光的光场分布实施例，本发明实施例提供一种氮化硅光波导偏振模式分离器的TE模式输入光。
一种氮化硅光波导偏振模式分离器，包含：第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、氮化硅光波导、第一波导臂、第二波导臂。
所述第一多模干涉耦合器通过第一输入端口接收包含TE模式的光信号，分光后输出第一光信号、第二光信号；所述第一光信号经所述第一波导臂至所述第二多模干涉耦合器的输入端口；所述第二光信号经所述第二波导臂至所述第二多模干涉耦合器的另一输入端口；所述第二多模干涉耦合器对输入光进行耦合后，通过第一输出端口输出所述TE模式光。
图2(b)为一种氮化硅光波导偏振模式分离器TM模式输入光的光场分布实施例，本发明实施例提供一种氮化硅光波导偏振模式分离器的TM模式输入光的光场分布。
所述第一多模干涉耦合器通过第一输入端口接收包含TM模式的光信号，分光后输出第一光信号、第二光信号；所述第一光信号经所述第一波导臂至所述第二多模干涉耦合器的输入端口；所述第二光信号经所述第二波导臂至所述第二多模干涉耦合器的另一输入端口；所述第二多模干涉耦合器对输入光进行耦合后，通过第二输出端口输出所述TM模式光。
需要说明的是，输入的所述包含TE模式、TM模式的光信号可以通过所述第一多模干涉耦合器的第一输入端口输入，也可以通过所述第一多模干涉耦合器的第二输入端口输入，这里不做特别限定。
图3(a)为一种氮化硅光波导偏振模式分离器TE模式输出光功率实施例，本发明实施例提供一种氮化硅光波导偏振模式分离器TE模式输出光的消光比结果，图3(b)为一种氮化硅光波导偏振模式分离器TM模式输出光功率实施例，本发明实施例提供一种氮化硅光波导偏振模式分离器TM模式输出光的消光比结果。
所述第一多模干涉耦合器用于接收包含TE和TM模式的光信号，分光后输出第一光信号、第二光信号；所述氮化硅光波导，包含第一、第二波导臂，所述第一波导臂上有宽波导；所述第一光信号经所述第一波导臂，所述宽波导用于TE模式、TM模式分离，输出TE模式与TM模式相位差为180度的移相光至所述第二多模干涉耦合器的输入端口；所述第二光信号经所述第二波导臂输出参考光信号至所述第二多模干涉耦合器的另一输入端口；所述第二多模干涉耦合器用于对所述移相光、参考光信号进行耦合，通过两个输出端口分别输出TE模式光、TM模式光。
在C波段所述光信号波长为1.52um、1.53m、1.54um、1.55um、1.56um、1.57um时，按照输入光TE模式光功率归一化，所述第二多模干涉耦合器的第一输出端口输出的TE模式光的功率均约为0dB，所述二多模干涉耦合器的第二输出端口输出的TE模式光的功率在-40～-20dB之间，且随着所述光信号波长增加而减少，所述TE模式分离的偏振光消光比大于20dB。
在C波段所述光信号波长为1.52um、1.53m、1.54um、1.55um、1.56um、1.57um时，按照输入光TM模式光功率归一化，所述第二多模干涉耦合器的第二输出端口输出的TM模式光的功率均约为0dB，所述二多模干涉耦合器的第一输出端口输出的TM模式光的功率在-30～-20dB之间，且随着所述光信号波长增加而减少，所述TM模式分离的偏振光消光比大于20dB。
本发明实施例提供的氮化硅光波导偏振模式分离器，利用氮化硅波导的TE/TM模式的双折射特点，实现TE/TM模式分离，偏振消光比大于20dB。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种氮化硅光波导偏振模式分离器，其特征在于，包含：第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、氮化硅光波导；
所述第一多模干涉耦合器用于接收包含TE和TM模式的光信号，分光后输出第一光信号、第二光信号；
所述第一、第二多模干涉耦合器为3dB耦合器，宽度为7～10微米，长度为160～165微米；
所述氮化硅光波导，包含第一、第二波导臂，所述第一、第二波导臂的长度为1631微米；所述第一波导臂上有宽波导；
所述第一光信号经所述第一波导臂，所述宽波导用于TE模式、TM模式分离，输出TE模式与TM模式相位差为180度的移相光至所述第二多模干涉耦合器的输入端口；
所述宽波导的长度为：
Figure FDA0002378736630000011
其中，L为所述宽波导的长度，N＝1，2，3，……，λ为所述光信号的波长，B为TE/TM模式在所述氮化硅光波导中的双折射差；
所述第二光信号经所述第二波导臂输出参考光信号至所述第二多模干涉耦合器的另一输入端口；
所述第二多模干涉耦合器用于对所述移相光、参考光信号进行耦合，通过两个输出端口分别输出TE模式光、TM模式光。
2.如权利要求1所述的氮化硅光波导偏振模式分离器，其特征在于，
B＝Bg+Bs
Bs＝(σx-σy)*(C1-C2)
Bg＝nTM0-nTE0
其中，Bs为由应力引起的双折射差、Bg为由几何结构引起的双折射差，σx、σy分别为光波导在水平、垂直方向上的应力，C1、C2分别为氮化硅材料的光弹性常数，nTE0、nTM0分别为由所述光波导几何形状决定的TE模式、TM模式的光波导有效折射率。
3.如权利要求1所述的氮化硅光波导偏振模式分离器，其特征在于，
B＝Bg
Bg＝nTM0-nTE0
其中，Bg为由几何结构引起的双折射差，nTE0、nTM0分别为由所述光波导几何形状决定的TE模式、TM模式的光波导有效折射率。
4.如权利要求1所述的氮化硅光波导偏振模式分离器，其特征在于，所述宽波导的长度为30～34微米。
5.如权利要求1～4任意一项所述的氮化硅光波导偏振模式分离器，其特征在于，所述宽波导的宽度不小于4微米。
6.如权利要求1～4任意一项所述的氮化硅光波导偏振模式分离器，其特征在于，向所述宽波导过渡处有不连续性结构，所述第二波导臂上包含所述不连续性结构。
7.如权利要求1～4任意一项所述的氮化硅光波导偏振模式分离器，其特征在于，所述宽波导的宽度为5微米。
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