CN110554458A - 一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，包括：输入通道、右路直通通道、右输出通道、中路直通通道、左路直通通道和左路输出通道；右路直通通道的一端和输入通道相连、另一端和右输出通道相连；左路直通通道的一端和左路输出通道相连接；左路直通通道、中路直通通道和右路直通通道平行且对齐摆放，三通道之间的距离为200nm，构成对称三波导定向耦合器结构。本发明有效降低了分束器的插入损耗，提高了器件消光比，缩短了器件的尺寸。

Description

一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器
技术领域
本发明涉及集成光学技术领域，尤其是一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器。
背景技术
近几年，绝缘硅片(SOI)波导器件由于其低功耗、高集成密度以及互补金属氧化物半导体(CMOS)的兼容性，引起了广泛的关注；并在许多光学领域得到了实际的应用。在SOI材料中，包层与芯层的高折射率差使得器件结构紧凑，有利于光子系统集成；但同时也带来双折射现象，从而导致器件具有偏振相关等性质。因此，偏振分束器(PBS)作为基于SOI集成系统中的基础元件之一，用于分离/合并TE偏振光和TM偏振光；同时，PBS也是偏振分集技术、相干光通信和量子通信等多种应用的关键单元。传统的偏振分束器，通过使用槽型波导、锥形波导、或者弯曲波导实现对TE和TM两种偏振光的分离；但同时也带来更高的设计复杂度和损耗，不利于工艺操作。亚波长光栅(SWG)结构得益于其周期结构具有抑制衍射的能力，在亚波长区域可视为均匀材料；近年来倍受学者关注。该种结构为偏振分束器的设计提供新的自由度。所以，设计出一款结构紧凑、高消光比、低损耗的偏振分束器对于光子集成系统是很有必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，有效降低了分束器的插入损耗，提高了器件消光比，缩短了器件的尺寸。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，包括：输入通道1、右路直通通道2、右输出通道3、中路直通通道4、左路直通通道5、左路输出通道6；右路直通通道2的一端和输入通道1相连、另一端和右输出通道3相连；左路直通通道5的一端和左路输出通道6相连接；左路直通通道5、中路直通通道4和右路直通通道2平行且对齐摆放，三通道之间的距离为200nm～500nm，构成对称三波导定向耦合器结构7。
优选的，输入通道1、右路直通通道2、右输出通道3、中路直通通道4、左路直通通道5和左路输出通道6均为硅波导。
优选的，中路直通通道4中间刻有宽为100nm，周期为200nm，占空比为50％的亚波长光栅(SWG)结构。
优选的，亚波长光栅结构(SWG)由高折射材料层和低折射率材料层交替组成；其中一个高折射率材料层与一个低折射率材料层构成一个周期；若高折射率材料的宽度为a，两者组成的周期为Λ，占空比定义为f＝a/Λ。
优选的，右路直通通道2、中路直通通道4和左路直通通道5的尺寸满足：(a)中路直通通道4和两侧直通通道所支持的TE模有效折射率大于0.2，相位失配；(b)中路直通通道4和两侧直通通道所支持的TM模有效折射率相差小于0.1，相位匹配；(c)两侧直通通道所支持的TE和TM模的有效折射率相等。
优选的，对称三波导定向耦合器结构7的耦合长度LC满足下式：
式中：λ为工作波长，表示对称定向耦合器结构7所支持的第0阶TM模的有效折射率，表示对称定向耦合器结构7所支持的第1阶TM模的有效折射率。
优选的，偏振分束器采用绝缘硅片SOI平台制造，硅基衬底8为标准的6英寸硅晶片，掩埋氧化层9是在衬底上热生长的2μm厚的二氧化硅材料，上包层10为二氧化硅，且覆盖整个器件区域。
本发明的有益效果为：(1)插入损耗低：本发明中的偏振分束器所满足的重要条件是TE偏振光不符合定向耦合器的相位匹配条件，而TM偏振光符合；因此，TE偏振光因为相位失配而被限制在右路波导中传输，而TM偏振光耦合致左路直通通道并输出；所以插入损耗较低，如若进一步调整结构参数，降低耦合距离，插入损耗能进一步地降低；(2)工作带宽大：本发明中的偏振分束器采取对称式设计，并引入亚波长光栅结构和三波导定向耦合器结构实现TE和TM偏振光的分离；其中只有TM偏振光参与耦合过程；亚波长结构使得器件性能更加稳定，降低TM耦合性能对波长的依赖性；通过合理设计亚波长结构和器件整体的参数，可以使得该偏振分束器在较大的波长范围内正常工作；(3)消光比高：该偏振分束器中的TE偏振光通过右通道几乎无损传输，而TM模式因符合相位匹配条件可完全耦合致左通道中；该器件采取三波导定向耦合器结构，增大左右通道之间间距，进一步降低左右通道之间的弱耦合；所以，右通道中几乎不存在TM偏振光，左通道中也几乎无TE偏振光，从而使得该偏振分束器可以实现很高的消光比。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施例1中对称三波导定向耦合器结构的横截面结构示意图。
图3为本发明实施例1中两侧与中间通道在1.55μm处基模的有效折射率与通道宽度(nm)的变化关系示意图。
图4为本发明实施例1中对称三波导定向耦合器结构在1.55μm处TM1和TM2模的有效折射率和对应的耦合长度与通道间距之间的关系示意图。
图5为本发明实施例1中两侧直通通道与中间通道的基模的有效折射率与工作波长的变化关系示意图。
图6为本发明实施例1中对称三波导定向耦合器结构中TE和TM两种模式的传输损耗与SWG周期的变化关系示意图。
图7为本发明实施例1中1.55μm工作波长处TE0模和TM0模的主分量在偏振分束器中的传输示意图。
其中，1、输入通道；2、右路直通通道；3、右输出通道；4、中路直通通道；5、左路直通通道；6、左路输出通道；7、对称定向耦合器结构；8、硅基衬底；9、掩埋氧化层；10、上包层；11、硅波导层。
具体实施方式
如图1所示，一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，包括：输入通道1、右路直通通道2、右输出通道3、中路直通通道4、左路直通通道5、左路输出通道6；右路直通通道2的一端和输入通道1相连、另一端和右输出通道3相连；左路直通通道5的一端和左路输出通道6相连接；左路直通通道5、中路直通通道4和右路直通通道2平行且对齐摆放，三通道之间的距离为200nm～500nm，构成对称三波导定向耦合器结构7。
图2是对称三波导定向耦合器结构7的横截面示意图。耦合区域的中路直通通道的中间刻蚀为亚波长光栅结构(SWG)；该SWG结构由高折射材料层和低折射率材料层交替组成；其中一个高折射率材料层与一个低折射率材料层构成一个周期。
合理设计耦合区域波导的尺寸使之满足以下两个条件：1)中路直通通道和两侧直通通道所支持的TE模有效折射率相差较大(大于0.2)，相位失配；2)中路直通通道和两侧直通通道所支持的TM模有效折射率相差较小(小于0.1)，相位匹配。这样，当输入端口输入TE模时，能量会被限制在右侧的硅基波导中；而当TM模式进入输入端口时，如果耦合长度LC满足：
那么，TM模式的能量会完全耦合到左侧波导中。(1)式中λ为工作波长，表示对称定向耦合器结构所支持的第0阶TM模的有效折射率，表示对称定向耦合器结构所支持的第1阶TM模的有效折射率。此处选择的三波导定向耦合器结构，有效地避免了弯曲波导的使用，增大两侧波导的间隙，减小插入损耗，提高消光比，提升器件的整体性能。
图3给出了两侧通道与中间通道在1.55μm处基模的有效折射率与通道宽度(nm)的变化关系图。其中硅波导的高度为250nm，亚波长结构的占空比为50％，周期为200nm。从图中可以看出，当中间波导的带状波导宽度为250nm，两侧硅波导的宽度为350nm时，TM0模满足相位匹配条件而TE0模相位失配。
图4给出了对称三波导定向耦合器结构在1.55μm处TM1和TM2模的有效折射率和对应的耦合长度与通道间距之间的关系图。其中，TM1和TM2模是三波导定向耦合器整体结构支持的模式。从图中可以看出，随着通道间距的增加，两个模式的有效折射率差不断减小，从而TM模式的耦合长度呈指数形式增长。为实现紧凑型偏振分束器，通道间距应选择在300nm以下。
图5给出了两侧直通通道与中间通道各自对应的基模的有效折射率与工作波长的变化关系图。从图中可以看出，在较大的波长范围内，TM模式的有效折射率基本匹配，满足相位匹配条件；而TE模式的有效折射率相差较大，相位失配。因此，该偏振分束器可以在较大的波长范围内正常工作。
图6给出了在1.55μm工作波长处对称三波导定向耦合器结构中TE和TM两种模式的传输损耗与SWG周期的变化关系图。其中SWG的占空比为50％。从图中可以看出随着SWG的周期在[180，240]内变化，TE和TM两种偏振光的损耗均小于0.25dB。当SWG的周期为200nm时，TE和TM模式的损耗最低，此时器件的性能最优。
图7分别给出了TE0模Ey分量和TM0模Ez分量在偏振分束器中的传输变化图。从图中可以看出，TE0模式在传输过程中始终被限制在右侧波导中，且几乎没有损耗；而TM0模式会逐渐耦合到左侧直通波导中，直到能量完全过渡。

Claims (7)

1.一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，其特征在于，包括：输入通道(1)、右路直通通道(2)、右输出通道(3)、中路直通通道(4)、左路直通通道(5)和左路输出通道(6)；右路直通通道(2)的一端和输入通道(1)相连、另一端和右输出通道(3)相连；左路直通通道(5)的一端和左路输出通道(6)相连接；左路直通通道(5)、中路直通通道(4)和右路直通通道(2)平行且对齐摆放，三通道之间的距离为200nm～500nm，构成对称三波导定向耦合器结构(7)。
2.如权利要求1所述的基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，其特征在于，输入通道(1)、右路直通通道(2)、右输出通道(3)、中路直通通道(4)、左路直通通道(5)和左路输出通道(6)均为硅波导。
3.如权利要求1所述的基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，其特征在于，中路直通通道(4)中间刻有宽为100nm，周期为200nm，占空比为50％的亚波长光栅SWG结构。
4.如权利要求3所述的基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，其特征在于，亚波长光栅结构SWG由高折射材料层和低折射率材料层交替组成；其中一个高折射率材料层与一个低折射率材料层构成一个周期；若高折射率材料的宽度为a，两者组成的周期为Λ，占空比定义为f＝a/Λ。
5.如权利要求1所述的基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，其特征在于，右路直通通道(2)、中路直通通道(4)和左路直通通道(5)的尺寸满足：(a)中路直通通道(4)和两侧直通通道所支持的TE模有效折射率大于0.2，相位失配；(b)中路直通通道(4)和两侧直通通道所支持的TM模有效折射率相差小于0.1，相位匹配；(c)两侧直通通道所支持的TE和TM模的有效折射率相等。
6.如权利要求1所述的基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，其特征在于，对称三波导定向耦合器结构(7)的耦合长度LC满足下式：
式中：λ为工作波长，表示对称定向耦合器结构(7)所支持的第0阶TM模的有效折射率，表示对称定向耦合器结构(7)所支持的第1阶TM模的有效折射率。
7.如权利要求1所述的基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，其特征在于，偏振分束器采用绝缘硅片SOI平台制造，硅基衬底(8)为标准的6英寸硅晶片，掩埋氧化层(9)是在衬底上热生长的2μm厚的二氧化硅材料，上包层(10)为二氧化硅，且覆盖整个器件区域。
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