CN109085702B - 偏振衰减器及偏振衰减方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种偏振衰减器及偏振衰减方法，目的是解决光学器件的偏振相关损耗问题，或作为偏振器结构应用在光学器件或系统中。该偏振衰减器包括依次设置的第一主波导、偏移波导和第二主波导；第一主波导的输出面与偏移波导的输入面部分重合；偏移波导的输出面与第二主波导的输入面部分重合；第一主波导或第二主波导支持基模，且至少支持一个高阶模。同时，本发明还提供了一种偏振衰减方法，包括以下步骤；1)光信号进入第一主波导；2)光信号在第一主波导和偏移波导的连接处激发出高阶模；3)在第二主波导和偏移波导的连接处，信号再次混合，偏移波导的基模与高阶模之间的功率再次在第二主波导的基模与高阶模之间重新分配。

Description

偏振衰减器及偏振衰减方法
技术领域
本发明涉及集成光路领域，具体涉及一种偏振衰减器及偏振衰减方法。
背景技术
在光学系统中，PDL(Polarization Dependent Loss偏振相关损耗)是不希望出现的，因为光学系统不能沿光纤链路始终保持偏振态，偏振自然而然地会使光信号变得混乱不可预测，并且链路是围绕两种偏振态的均衡功率进行优化的。集成光学组件经常会出现PDL现象，例如在集成光路中，通常一种偏振态的损耗要高于另一种偏振态的损耗，这是由于两种偏振态之间传播损耗的差异，或是由于某些光学元件响应的偏振差异所导致，在这些光路中，一般希望能够达到PDL的平衡。偏振衰减器是一种可达到PDL平衡的器件，偏振衰减器是相对于一种偏振态，衰减另一种偏振态的装置，这种器件可用于降低偏振的相关损耗，即为PDL。
偏振衰减器的另一个应用是作为偏振器。相对于第二偏振态，偏振器对第一偏振态具有非常高的消光度。在理想情况下，偏振器会在一个偏振态下产生无限的衰减。在实际中，可能需要偏振器对期望的偏振态产生-10dB至-30dB的衰减。
发明内容
本发明提供一种偏振衰减器及偏振衰减方法，目的是解决光学器件的偏振相关损耗问题，或作为偏振器结构应用在光学器件或系统中。
本发明的技术方案是：
一种偏振衰减器，包括依次设置的第一主波导、偏移波导和第二主波导；所述第一主波导的输出面与偏移波导的输入面部分重合；所述偏移波导的输出面与第二主波导的输入面部分重合；所述第一主波导或第二主波导支持基模，且至少支持一个高阶模。
进一步地，所述第一主波导和第二主波导的截面形状和尺寸相同。
进一步地，所述偏移波导和第一主波导的截面形状和尺寸相同，且第一主波导和第二主波导同轴设置，所述偏移波导的中心线相对于第一主波导和第二主波导的中心线向上偏移设置。
进一步地，所述偏移波导和第一主波导的截面形状和尺寸相同，所述偏移波导的中心线相对于第一主波导的中心线向上偏移设置，所述第二主波导的中心线相对于偏移波导的中心线向上偏移设置。
进一步地，所述偏移波导的截面尺寸小于第一主波导、第二主波导的截面尺寸，且与第一主波导、第二主波导的同轴设置。
进一步地，所述偏移波导的截面尺寸小于第一主波导、第二主波导的截面尺寸，且第一主波导和第二主波导同轴设置，所述偏移波导的中心线相对于第一主波导、第二主波导的中心线向下或向上偏移设置。
进一步地，所述偏移波导的截面尺寸小于第一主波导、第二主波导的截面尺寸，且第一主波导和第二主波导同轴设置，偏移波导的中心线相对于第一主波导、第二主波导的中心线向左或向右偏移设置。
进一步地，所述第一主波导的截面尺寸大于偏移波导的截面尺寸，所述偏移波导的截面尺寸大于第二主波导的截面尺寸，或者所述第一主波导的截面尺寸小于偏移波导的截面尺寸，所述偏移波导的截面尺寸小于第二主波导的截面尺寸。
同时，本发明还提供了一种使用上述偏振衰减器实现偏振衰减的方法，包括以下步骤；
1)光信号进入第一主波导；
2)光信号在第一主波导和偏移波导的连接处激发出高阶模；
3)在第二主波导和偏移波导的连接处，信号再次混合，偏移波导段的基模与高阶模之间的功率再次在第二主波导的基模与高阶模之间重新分配。
进一步地，步骤3)中，控制偏移波导段的长度，可控制第二主波导和偏移波导的连接处后第二主波导中最终重新分配的功率。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明的偏振衰减器是一种产生低值PDL光波导连接结构，PDL的值可以在0dB至-2dB之间。
2.本发明的偏振衰减器作为偏振器应用时，可以产生高达-30dB的消光比。
附图说明
图1为本发明偏振衰减器第一实施例的示意图；
图2为本发明偏振衰减器第一实施例的具体结构示意图；
图3为本发明偏振衰减器中，两种偏振态模拟强度与第二波导长度的函数关系示意图；
图4A为本发明偏振衰减器一种偏振态的模拟光场强度和具体长度示意图；
图4B为本发明偏振衰减器另一种偏振态的模拟光场强度和具体长度示意图；
图5为本发明偏振衰减器在不同偏移值时输出的模拟强度示意图；
图6A为本发明偏振衰减器第二实施例的示意图；
图6B为本发明偏振衰减器第三实施例的示意图；
图6C为本发明偏振衰减器第四实施例的示意图；
图7为本发明偏振衰减器在接缝和模式上主要属性的广泛化示意图；
图8为本发明多个偏振衰减器串联以增大某一偏振态衰减并同时减少另一种偏振态损耗的示意图。
附图标记：1-第一主波导，2-第二主波导，3-偏移波导，4-第一个接缝，5-第二个接缝。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明公开一种产生低值PDL光波导连接结构，PDL的值可以在0dB至-2dB之间。当作为偏振器应用时，可以产生高达-30dB的消光比。本发明适用于集成光路，例如平面光波导(PLC)，此类波导在芯片中导送信号，并构成芯片上其他光学元件的基础。
偏振衰减器的原理是，沿着光路的特定位置，相对于一种偏振态，增大另一种偏振状态的损耗。在本发明最简单的偏振衰减器结构中，可通过引入一段偏移的波导实现，从而在波导边界中产生不连续性。
本发明偏振衰减器的结构是：主波导包括第一主波导1、第二主波导2，偏移波导3设置在第一主波导1、第二主波导2之间，第一主波导1的输出面与偏移波导3的输入面部分重合；偏移波导3的输出面与第二主波导2的输入面部分重合。偏移波导段相对于主波导具有一定的偏移值(在此用“h”表示)，并且偏移波导段具有一定的长度，该长度用“L”表示。
第一主波导1、第二主波导2和偏移波导3不限于截面形状，截面形状通常为矩形，但不限于矩形，例如也可为圆形等。第一主波导1、偏移波导3和第二主波导2的截面形状可以相同也可不同，同时第一主波导1、偏移波导3和第二主波导2不限于同轴设置，第一主波导1、偏移波导3和第二主波导2的截面尺寸(截面面积)可以相同也可不同。
假设光信号从左向右传播，并假定在该结构的主波导输入段中，波导只支持单一基模输入信号。在偏移波导段的两端，波导是不连续的，因此激发出高阶模。也就是说，自第一偏移(第一个波导衔接结构或第一个接缝4)处，主波导输入段的基模在偏移波导的基模与偏移波导的一个或多个高阶模之间重新分配。在各基模和高阶模下，光信号以其自身的特性传播常数或相位速度传播。相位速度取决于光信号特定的偏振态以及模式阶数。长度L上的光学相位的累加取决于偏振态和模式阶数。在第二个波导衔接结构处，信号再次混合。偏移波导的基模与高阶模之间的功率再次在主波导输出段的基模与高阶模(如果支持)之间重新分配。由于光线信号是连续的，因而经过第二个波导衔接结构后，在主波导中得到的基模或高阶模功率取决于紧邻第二个波导衔接机构之前的基模和高阶模的相对相位。通过控制偏移波导段的长度L，可以控制第二个波导衔接结构之后主输出波导中的最终重新分配的功率。
本发明提供的偏振衰减方法，包括以下步骤；
1)光信号进入第一主波导；
2)光信号在第一主波导和偏移波导的连接处激发出高阶模；
3)在第二主波导和偏移波导的连接处，信号再次混合，偏移波导段的基模与高阶模之间的功率再次在第二主波导的基模与高阶模之间重新分配。
如图1所示，为本发明的第一实施例。第一主波导1、第二主波导2的截面形状和尺寸相同，偏移波导3和第一主波导1的截面形状和尺寸也相同，偏移波导3相对于第一主波导1和第二主波导2向上偏移设置，且第一主波导1和第二主波导2关于偏移波导3对称(即第一主波导1和第二主波导2同轴设置)。
为了实现图1中的偏振衰减构型，必须适当选择偏移波导段的长度L，(该长度可根据束传播法或BPM仿真软件求得)。相位累加不仅取决于模式阶数，还取决于偏振态。针对一个偏振态，给定偏移波导的长度L，使得在偏移波导中的大多数高阶模，在波导输出端重新构建成基模。也就是说，高阶模在第二个波导衔接结构处被重新分配回基模。因此，这种模式本质上是“无损”的。另一方面，对于另一偏振态，基模与高阶模混合，使得来自基模的更多功率被重新分配至主波导输出的高阶模。在主波导段中，高阶模可能包括辐射模，因此基模会出现额外的损耗，损耗程度取决于波导的细节，特别是偏移波导的偏移值h(该偏移值h可根据束传播法或BPM仿真软件求得)。
图2、3、4A和4B给出了偏振衰减器代表性特征的说明性示例，图2为具有代表性的波导，其宽度为2μm，波导芯层折射率nco＝1.58，芯层各侧包覆层折射率ncl＝1.45。偏移量为h＝0.15μm。以1.310μm的光波对结构进行模拟。出于图示说明的目的，这是一个二维波导，或所谓的“平板波导”。所有结果、结论和物理学原理同样适用于完整的三维波导。(模拟采用了光束传播法，或叫作“BPM”法。在该领域中，BPM法广为人们所知并得到应用。)
图3显示经过长度为L的偏移波导及第二个衔接结构(第二个接缝5)之后，主波导中基模所剩余的模拟功率。偏振态1曲线显示一种偏振态的基模功率，而偏振态2曲线显示第二种偏振态的基模功率。在两种状态下的剩余功率均为长度L的周期函数，在无损和某些最大损耗之间变化。每个偏振态的振荡周期不完全相同。最终，在某个特定长度时，某一种偏振态几乎无损，而第二种偏振态则经历最大衰减(对于给定偏移值h)。在该实施例中，该长度L＝285μm。
对于图2中的结构，图4A和4B给出了偏移波导段长度L＝285μm，波长为1.310μm时波导结构内的模拟光场强度。光场自左向右传播，由于左边的入射光场在遇到第一个衔接结构(第一个接缝4)之前完全处于基模，因而是均匀的。在与偏移波导段的第一个衔接结构相互作用时，该光场激发出偏移波导中的基模以及高阶模。这两种模式沿偏移波导段以不同相位速度共同传播。因为光场是连续的，所以这两种模式相互“冲撞”，从而沿着该波导段形成“摇摆”或“振荡”的复合场。在偏移波导末端的第二个衔接结构(第二个接缝5)处，这些模式再次混合进入主波导输出段。在图4A中，对于第一种偏振态，主波导输出段的光场再次均匀，这表明偏移波导中的所有功率已经转换为单一基模。在图4B中，对于第二种偏振态，主波导输出段处的光场振荡明显增强，这表明额外的功率已经从基模转换成一个或多个高阶模，因此，与第一种偏振相比，第二中偏振态的基模具有更高的损耗。
图5所示为改变偏移值h的效果示例，模拟偏振衰减器的结构与图2、3、4A和4B中所示的结构相同，且长度L＝285μm，但是这里偏移量h是变化的，随着h增加，其中一种偏振态的衰减增加，通过调整h可以在一定范围内连续改变PDL值。
图6A到6C所示为可能的各种其它偏移结构和衔接结构，但不局限于图示结构。图6A为本发明第二实施例的示意图，显示了偏移波导从主波导输入段(第一主波导1)向上偏移，其后的主波导输出段(第二主波导2)沿相同方向偏移。图6A和图1是互补的，波导的几何形状、长度和偏移值参数均相同，图1中为一种偏振态的衰减，而图6A中为另一种态偏振的衰减。图6B为本发明第三实施例的示意图，其波导的一个边沿发生偏移，而另一个边沿则保持连续性。图6C为本发明第三实施例的示意图，所示为偏移波导段被“压缩”，并且其宽度小于主波导段的宽度或其高度小于主波导段的高度(主波导宽度两侧同样可以增大)。所有这些构型，以及这些构型的组合，均导致相似的物理现象。该物理现象为：在衔接结构处的两个相邻波导不连续，将形成入射基模功率的耦合并重新分配至第二段波导的基模和高阶模，重要的细节仅在于计算出将会有效地激发出哪个高阶模，以及激发到何种程度。由于配图所示为二维平面，可以表示为俯视图和侧视图两种形式。所有上述波导几何形状以及偏振衰减器运行的一个基本要求是，在衔接结构处的第二段(但不一定必需是主输入和输出波导)，必须支持基模，并且至少支持一个高阶模。
图1和图6A、6B、6C给出了各种形状的波导几何结构，本发明采用这些几何形状给出典型的简单实施例，可以忽略具体几何形状的细节，并启发式地根据在基模与一个或多个高阶模之间形成功率耦合的衔接结构，对工作原理展开讨论。
图7所示为通过由长度为L的偏移波导段分隔的两个连续衔接结构，基模相互作用的示意图。图中分为三段，并且假定光场从左向右传播。第一部分称为主波导的输入段，第三部分称为主波导的输出段。在主波导的输入和输出段之间，存在长度为L的第二段，我们称之为“偏移”波导。在此“偏移”意味着从第一段到第二段的波导边界是不连续的，而其从第二段到第三段也是不连续的。正是这些不连续的衔接结构，导致模式能量的耦合或重新分配。振幅为
Figure BDA0001801106430000071
的光场进入第一段，并向第二段传播。上标“p”表示两个偏振态“1”或“2”中的一个，下标“0”表示基模，
Figure BDA0001801106430000072
传播通过第一个衔接结构，将耦合到第二段波导中的两个光波，分别标记为
Figure BDA0001801106430000073
和
Figure BDA0001801106430000074
“p”同样表示偏振态，下标“0”表示基模，“1”表示一个高阶模(常见)或一组高阶模(较不常见)。模式
Figure BDA0001801106430000075
和
Figure BDA0001801106430000076
以其各自的相位速度沿着第二段波导传播，并且经过第二个衔接结构。在通过第二段波导传播到第三段波导中之后，光场
Figure BDA0001801106430000077
和
Figure BDA0001801106430000078
在第三段中被耦合或重新分配为模式
Figure BDA0001801106430000079
和
Figure BDA00018011064300000710
“p”再次表示偏振态，下标“0”表示基模，而下标“1”表示一个高阶模或一个高阶模的集合。通过选择第一个衔接结构和第二个衔接结构的具体细节以及第二段波导的长度，使得一种偏振态从第一段波导到第三段波导中通过时，比第二段波导中偏振态出现更高的衰减。
为了更好地得出第二段波导即偏移波导段的长度L，本发明可以借助一些数学计算。在第二段波导中只考虑一个高阶模的激励，这也是通常期望的情况。基模的相位传播常数为βp 0，高阶模的相位传播常数为βp 1，其中下标为0或1分别表示第一种偏振态或第二种偏振态。可以通过精确的数值方法(例如有限差分或有限元)，从波导几何结构计算出这些传播常数，或者通过诸如本领域中公知的有效指数法等分析方法做出近似地估计。经过偏移波导段整个长度L上的传播之后，两个模式之间的累加相位差为L*(βp 0-βp 1)。选择L使得一种偏振态的相位累加为2π的整数，例如2Nπ，其中N是整数，并且第二种偏振态的相位累加为2π的整数倍加上额外的累加π，即可2Mπ+π，其中M是另一个整数。这两个整数可以相同，即N＝M。在上述相位关系下，一种偏振是无损的，而另一种则针对给定的偏移值h具有最大衰减。更一般地说，衰减的偏振只需要服从这个最大衰减的方程，而对于非最大衰减，其他数值也是可能的。另一方面，对于希望没有损耗或极少损耗的偏振，也应该严格遵守这个公式。哪一种偏振态被衰减以及哪一种是无损的，其间的区别取决于N和M的值以及不连续性的类型(如图6A和图1的选择)。
偏振衰减器通过将来自基模的功率重新分配至高阶模而发挥作用，可能希望舍弃主波导中由高阶模携带的功率。一种方法是非突然性地缩小波导的宽度，直至高阶模被截止，在截止时，高阶模将转换为辐射模，功率将从波导中耗散掉。
希望将偏振衰减器作为偏振器工作时，需要对一种偏振态形成较大的衰减。如图5所示，通过增加偏移值h，可以实现越来越大的衰减。然而，最终当h足够大时，衔接结构会导致两种偏振均激发出辐射模。辐射模将从波导中带走两种偏振的功率。这种损耗不可恢复。尽管一种偏振可能会经历非常高的衰减，但在这种情况下，第二种偏振也会经历不希望的损失。同时实现一个偏振的高衰减以另一个偏振的低损耗的实用方法是将多个相同的偏振衰减器串联，每个偏振衰减器各自具有较小的偏移量h和较低的损耗，如图8中所示。在各段之间，必须舍弃高阶模，因为其存在可能导致未衰减的偏振在后续的衔接结构处出现不期望的损耗，或者可能导致原本需要有较大损耗的偏振却被重新耦合回基模。或者，如果不舍弃高阶模，则应该选择两段之间的距离L2，从而在随后的衔接结构处，所期望的无损偏振态不会出现损耗。L2的计算类似于之前关于L的讨论。
也可以调谐偏振衰减器以改变差分衰减的程度，或在两种偏振状态之间切换以接收衰减。对第二段的指标进行调节。例如可以通过热光学方式调整折射率，或者如果材料具有电光效应，则可以通过电光学方式进行调整。

Claims (10)

1.一种偏振衰减器，其特征在于：包括依次设置的第一主波导(1)、偏移波导(3)和第二主波导(2)；
所述第一主波导(1)的输出面与偏移波导(3)的输入面部分重合；
所述偏移波导(3)的输出面与第二主波导(2)的输入面部分重合；
所述第一主波导(1)或第二主波导(2)支持基模，且至少支持一个高阶模。
2.根据权利要求1所述的偏振衰减器，其特征在于：所述第一主波导(1)和第二主波导(2)的截面形状和尺寸相同。
3.根据权利要求2所述的偏振衰减器，其特征在于：所述偏移波导(3)和第一主波导(1)的截面形状和尺寸相同，且第一主波导(1)和第二主波导(2)同轴设置，所述偏移波导(3)的中心线相对于第一主波导(1)和第二主波导(2)的中心线向上偏移设置。
4.根据权利要求2所述的偏振衰减器，其特征在于：所述偏移波导(3)和第一主波导(1)的截面形状和尺寸相同，所述偏移波导(3)的中心线相对于第一主波导(1)的中心线向上偏移设置，所述第二主波导(2)的中心线相对于偏移波导(3)的中心线向上偏移设置。
5.根据权利要求2所述的偏振衰减器，其特征在于：所述偏移波导(3)的截面尺寸小于第一主波导(1)的截面尺寸，所述偏移波导(3)、第一主波导(1)和第二主波导(2)同轴设置。
6.根据权利要求2所述的偏振衰减器，其特征在于：所述偏移波导(3)的截面尺寸小于第一主波导(1)的截面尺寸，且第一主波导(1)和第二主波导(2)同轴设置，所述偏移波导(3)的中心线相对于第一主波导(1)、第二主波导(2)的中心线向下或向上偏移设置。
7.根据权利要求2所述的偏振衰减器，其特征在于：所述偏移波导(3)的截面尺寸小于第一主波导(1)的截面尺寸，且第一主波导(1)和第二主波导(2)同轴设置，所述偏移波导(3)的中心线相对于第一主波导(1)、第二主波导(2)的中心线向左或向右偏移设置。
8.根据权利要求1所述的偏振衰减器，其特征在于：所述第一主波导(1)的截面尺寸大于偏移波导(3)的截面尺寸，所述偏移波导(3)的截面尺寸大于第二主波导(2)的截面尺寸；
或者所述第一主波导(1)的截面尺寸小于偏移波导(3)的截面尺寸，所述偏移波导(3)的截面尺寸小于第二主波导(2)的截面尺寸。
9.一种偏振衰减方法，其特征在于，包括以下步骤；
1)光信号进入第一主波导；
2)光信号在第一主波导和偏移波导的连接处激发出高阶模；
3)在第二主波导和偏移波导的连接处，信号再次混合，偏移波导的基模与高阶模之间的功率再次在第二主波导的基模与高阶模之间重新分配。
10.根据权利要求9所述的偏振衰减方法，其特征在于：步骤3)中，通过控制偏移波导的长度，可控制第二主波导的基模与高阶模之间重新分配的功率。
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