CN110646884B - 一种具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器，偏振分束器在传播方向上，包括输入波导、多模干涉耦合器、两条相移波导、2×2多模干涉耦合器、输出波导；多模干涉耦合器把输入波导的光强等分，分别进入上下两条相移波导，然后通过2×2多模干涉耦合器干涉输出。波导的朝向与晶体的
Figure DDA0002123368990000011
方向的具有45～135度的夹角。通过在两条相移波导上施加电压，分别改变TE和TM偏振光的有效折射率，使TE和TM偏振光的相位分别满足2×2MMI的干涉相长相消条件，实现偏振分束。本发明通过改变TE和TM偏振光的有效折射率来补偿制作工艺偏差造成的偏振光额外的相位差，因此具有大的制作容差；另外由于2×2MMI能实现很高的消光比,因此本发明的偏振分束器具有高的偏振消光比。

Description

一种具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器
技术领域
本发明涉及一种光学元器件，尤其涉及一种偏振分束器。
背景技术
随着光通信传输速率要求的不断提高，传统的幅度调制方式已经无法满足通信网络的升级要求，偏振复用的正交相移调制格式被广泛采用，信号解调方式也由传统的直接探测升级为相干探测。同时，光通信器件小型化低功耗低成本的发展趋势，需要让不同功能的光学器件集成到一起。因此单片集成的双偏振正交相移键控接收机变得至关重要，而无法实现高性能的波导型偏振分束器是阻碍相干接收机单片集成的主要原因。如今商用相干接收机的偏振分束器都是基于自由光空间微透镜组，这会大大提高芯片的封装成本和尺寸。
波导型偏振分束器的工作原理主要是基于模式干涉，例如：多模干涉耦合器(MMIs)，定向耦合器(DCs)，以及马赫曾德干涉仪(MZIs)。利用两种偏振模式的传播常数不同，在不同的输出端口干涉相长或者相消，实现偏振分束。基于多模干涉耦合器的偏振分束技术需要多个MMI的级联，这大大增加了器件尺寸，降低了制作容差。基于定向耦合器的偏振分束器件尺寸很小，但是需要精确控制波导之间的间距实现相位匹配，这大大提高了工艺制作的难度。马赫曾德干涉仪利用两臂宽度不同的波导的双折射实现偏振分束，也同样面临着制作容差小的问题。但是马赫曾德干涉仪的两臂波导易于引入移相器调节相位差，因此增大了制作容差。有人提出在两臂波导上引入热调相移器，克服两臂波导制作误差，从而增大制作容差(D.X.Dai,Z.Wang, J.E.Bowers,Considerations for the design ofasymmetrical Mach-Zehnder interferometers used as polarization beam splitterson a submicrometer silicon-on-insulator platform,J.Lightwave Technol.,2011,29(12):1808-1817.)。事实上这种方式有很大局限性，因为温度能同时影响TE和TM偏振光的有效折射率(主要电场垂直于外延片生长方向和波导的传播方向的为TE偏振光，而主要电场平行于外延片生长方向并且垂直于波导的传播方向的则为TM偏振光。)，很难同时实现TE和TM偏振光在各自输出端口干涉相长。如果两臂波导上的相移器能分别改变这TE和TM偏振光的有效折射率，便能够轻松实现偏振分束。为此有人把偏振无关的量子限制斯塔克效应(QCSE)和偏振相关的一阶电光效应(PE)组合使用，实现了TE偏振光的单独相位控制，而不影响TM偏振光的相位，可以在1550nm处获得14dB的偏振消光比(K. Watanabe,Y.Nasu,Y.Ohiso,R.Lga,Easy adjustment structure and method for realizing InP basedpolarization beam splitter via Pockels effect dependence on crystalorientation,Jpn.J.Appl.Phys.,2016,55,08RB04)。但是复杂的器件结构加大了制作难度，而且量子限制斯塔克效应的波长依赖性让该方案的偏振消光比无法在C波段内满足应用要求。
综上所述，如今的偏振分束器偏振消光比达不到应用要求，且制作容差小，阻碍了单片集成相干接收机的大规模应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提高偏振分束器的制作容差，且器件的偏振消光比达到应用要求。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种大制作容差高偏振消光比的偏振分束器。在传播方向上，所述偏振分束器包括输入波导，第一多模干涉耦合器，两条相移波导，2×2多模干涉耦合器，输出波导。两条相移波导作为相移器，一波导可以施加反向偏压，另一波导可以施加正向偏压或者其上覆盖热电极施加电流。
波导朝向与晶体的
Figure RE-GDA0002290150690000021
方向具有45～135度的夹角，晶体材料生长方向是[100]。
进一步的，当其中一条相移波导臂被施加正向偏压Vforward，注入的载流子能改变TE和TM偏振光的有效折射率，另一条相移波导臂被施加反向偏压 Vreverse，仅能改变TM偏振光的有效折射率，偏振分束器实现偏振分束要求 TE偏振光和TM偏振光从两臂输出后的相位差分别满足以下公式：
Figure RE-GDA0002290150690000031
Figure RE-GDA0002290150690000032
上式中，λ为偏振分束器的入射光波长，m为任意正整数，L为波导臂相移区的长度。
或者，当其中一条相移波导臂上覆盖的热电极被通电发热，热光效应能够改变TE和TM偏振光的有效折射率，另一条相移波导臂施加反向偏压 Vreverse，仅能改变TM偏振光的有效折射率，偏振分束器实现偏振分束要求 TE偏振光和TM偏振光从两臂输出后的相位差分别满足以下公式：
Figure RE-GDA0002290150690000033
Figure RE-GDA0002290150690000034
上式中，Pthermal是热电极产生的热功率。
优选地，在波导臂上施加正向偏压所引起的载流子色散效应或者波导臂上的热电极通电所引起的热光效应可以同时改变TE和TM偏振光的相位。
优选地，在波导臂上施加反向偏压时，可以引起一阶电光效应、二阶电光效应、载流子色散效应、能带填充效应，其中一阶电光效应只对TE偏振光有作用。对于TM偏振光，二阶电光效应、载流子色散效应、能带填充效应都会增大有效折射率。对于TE偏振光，选择合适的波导朝向，一阶电光效应能够降低有效折射率，其他三种电光效应依旧能够增大有效折射率，并且一阶电光效应所带来的折射率变化能够被其他三种效应近似抵消。因此反向偏压下，TE偏振光总的有效折射率变化非常小。
优选地，调节波导朝向与晶向的夹角大小可以影响一阶电光效应的强弱，使得TE偏振光在反向偏压下的有效折射率变化最小。
优选地，波导芯层的厚度直接影响相同电压下的电场强度，进而影响一阶电光效应、二阶电光效应的强弱，可以选择合适芯层厚度使得TE偏振光在反向偏压下的有效折射率变化最小。
优选地，调节波导芯层的掺杂程度可以影响载流子色散效应、能带填充效应的强弱，使得TE偏振光在反向偏压下的有效折射率变化最小。
优选地，对于四元化合物的波导芯层，调节其材料组分可以影响一阶电光效应、二阶电光效应、载流子色散效应、能带填充效应的强弱，使得TE偏振光在反向偏压下的有效折射率变化最小。
优选地，所述偏振分束器的输入输出波导和两臂相移波导均为单模波导，单模波导与MMI的多模波导区相连部分可以采用锥形渐变波导，降低了连接损耗。
优选地，所述波导芯层附近可以引入不掺杂的低折射率间隔层，降低波导盖层和衬底掺杂带来的波导损耗。
优选地，波导横截面的结构可以是P-I-N型、N-I-P、N-P-I-N型、N-I-P-N 型或者其他的正反向偏压下类似P-I-N或N-I-P型的结构。
需要说明的是，对于[100]方向生长的材料，P-I-N型波导结构对应的反向电压沿[100]的正方向；N-I-P型波导结构对应的反向电压沿[100]的反方向。
优选地，可以选择合适的上下两臂双折射区域波导的宽度和长度，使得两臂累积的TE偏振光相位差与TM偏振光相位差相差π，以降低实现偏振分束所需反向电压的大小和两臂相移波导的长度。
本发明通过正向偏压注入载流子或者热电极通电发热引起的热光效应改变TE偏振光的有效折射率，使其在2×2多模干涉耦合器的其中一个输出端口满足干涉相长的相位条件；选择合适波导朝向使得TE偏振光的有效折射率不受反向偏压效应的影响，因此利用反向偏压仅仅改变TM偏振光的有效折射率，使其在2×2多模干涉耦合器的另一端口满足干涉相长的相位条件，从而实现偏振分束。通过调整正反向偏压或者热电极发热功率改变偏振光的相位，可以补偿两个相移波导臂的工艺制作误差给TE和TM 偏振光引入的额外相位差，这样依旧能实现偏振分束，从而大大提高器件的制作容差。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明的偏振分束器结构示意图。
图2为本发明实例一的偏振分束器结构示意图。
图3为本发明实例一的波导截面结构示意图。
图4为本发明实例一中TE偏振光在相移波导施加不同反向偏压时，电光效应导致的相位变化的计算结果图。
图5为本发明实例一中TM偏振光在相移波导施加不同反向偏压时，电光效应导致的相位变化的计算结果图。
图6为本发明实例一中，在电极7施加合适正向偏压使得TE偏振光从波导10输出后，在电极8施加不同反向偏压，波导10的输出光强度的计算结果。
图7为本发明实例一中，在电极7施加合适正向偏压使得TE偏振光从波导10输出后，在电极8施加不同反向偏压，波导11的输出光强度的计算结果。
图8为本发明实例一中，在电极7施加合适正向偏压使得TE偏振光从波导10输出后，在电极8施加不同反向偏压，波导10和波导11偏振消光比的计算结果。
图9为本发明实例二的偏振分束器结构示意图。
图10为本发明实例二的波导截面结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的偏振分束器结构示意图，从左往右包括输入波导1、第一多模干涉耦合器2、上波导臂3、下波导臂4、上臂双折射区域波导5、下臂双折射区域波导6、上臂电极7、下臂电极8、2×2多模干涉耦合器9、输出波导10和输出波导11。本领域技术人员清楚，上波导臂3 包括上臂双折射区域波导5和直波导，上臂电极7设置于直波导区域。下波导臂4包括下臂双折射区域波导6和直波导，下臂电极8设置于直波导区域。对于本发明而言，波导朝向与
Figure RE-GDA0002290150690000061
方向之间的夹角β值为45～135 度以使得一阶电光效应的折射率变化为负。
入射光进入输入波导1后被第一多模干涉耦合器2分成两束光分别进入上下相移波导。然后这两束光在2×2多模干涉耦合器中干涉输出。若上下两臂的双折射区域波导的宽度与直波导一致，在理想情况下，上下两臂波导对TE和TM偏振光所累积的相位完全相同。若选择合适的上下两臂的双折射区域波导的宽度和长度，可以使得上下两臂波导对TE和TM的偏振光所累积的相位差相差π。当上臂电极被施加合适的正向偏压或者热电极通电加热时，载流子色散效应或热光效应改变TE偏振光的有效折射率，使得TE偏振光完全从波导10输出。由于上下两臂波导双折射区域存在制作误差，TM偏振光并不能完全从波导10或波导11输出。此时在下臂电极施加反向偏压，改变TM偏振光的有效折射率，使其完全从波导11输出。由于TE偏振光一阶电光效应带来折射率变化被二阶电光效应、载流子色散效应和能带填充效应所抵消，因此反向电压不会影响TE偏振光的相位，它依旧能从波导10输出。
为了进一步说明本方案，本发明还提供了两种偏振分束器的应用实例。
实例一所选波导芯层厚度为0.4μm，材料是InGaAsP，宽度为2μm，波导衬底和盖层是InP，相移波导的长度为2.5mm，入射波长1550nm。波导朝向与晶体的
Figure RE-GDA0002290150690000071
方向的角度β为90°，双折射区域波导的宽度与直波导一致，如图2所示。
波导采用了P-I-N型的结构。图3是P-I-N波导结构的截面图，从下往上依次是N型掺杂的波导衬底12，不掺杂的波导芯层13和P型掺杂的波导盖层14。
首先我们具体分析一阶电光效应、二阶电光效应、载流子色散效应和能带填充效应。
一阶电光效应是指有效折射率的变化与外加电场强度成线性关系。对于具有闪锌矿晶体结构的III-V族化合物来说，线性电光张量仅剩下r41这一项，因此一阶电光效应对TM偏振光没有作用，对TE偏振光的作用也会跟其电场偏振方向有关。如果定义波导朝向与晶体的
Figure RE-GDA0002290150690000072
方向的角度为β，电压方向为[100]方向，一阶电光效应满足以下公式：
Figure RE-GDA0002290150690000073
从上式可以看出，调节β大小影响一阶电光效应的强弱，当β在45～135 度时，一阶电光效应将会降低TE偏振光的有效折射率，β为90度时有效折射率的降低量最大。
二阶电光效应是指有效折射率的变化与外加电场的平方成线性关系。同样对于具有闪锌矿晶体结构的III-V族化合物来说，如果施加的电压方向沿着[100]方向，二阶电光张量只有R11和R12能够改变TM和TE偏振光的有效折射率，并且满足以下公式：
Figure RE-GDA0002290150690000074
Figure RE-GDA0002290150690000075
载流子色散效应是指载流子注入或者抽取出材料能够改变其介电常数的实部和虚部。根据经典的Drude模型：
Figure RE-GDA0002290150690000081
Figure RE-GDA0002290150690000082
可以计算出有效折射率的变化和光的损耗。在这里，e是电子电荷，ε0是自由空间的介电常数，ΔNe是电子浓度的变化，ΔNh是空穴浓度变化，m* ce和m* ch分别是电子有效质量和空穴有效质量，μe和μh分别是电子迁移率和空穴迁移率。这里需要指出的是，在本实例中，施加正向偏压时，可以估算出载流子色散效应改变π的相移只需要5mA的电流，其导致的光损耗小于0.15dB，2 ×2MMI的消光比依旧能大于30dB(输入光强不平衡度小于0.3dB)。
能带填充效应是指材料掺杂或者载流子注入会导致导带中低能量的空穴被占据，随之会造成吸收峰的蓝移。即使入射光的能量低于材料能带宽度，因为Kramers-Kronig关系，依旧会降低入射偏振光的有效折射率。需要说明的是，本发明实例中施加反向偏压，实际是降低载流子密度形成耗尽区，造成吸收峰的红移，能够增大有效折射率，可以根据Brian等人得出的线性模型估算(B.R.Bennett,R.A.Soref,J.A.D.Alamo, Carrier-induced change in refractive index of InP,GaAs,and InGaAsP,J. LightwaveTechnol.,1990,26(1):113-122.)
Δn＝-1.6×10-12×(ΔNe+ΔNh)
基于上述的理论分析，可以计算本发明实例中反向偏压下TE和TM 偏振光相移的变化。
通过有限元方法计算相移波导在正反向偏压下电场强度和载流子密度的分布情况，通过光束传播法计算相移波导TE偏振光和TM偏振光的电场幅度分布情况。由此可以计算出反向偏压下，电光效应改变有效折射率变化的大小，进而计算出不同反向偏压下TE和TM偏振光在相移波导里传播时的相移变化。下面我们具体给出实例一的仿真结果：
图4分别计算出了TE偏振光在不同反向偏压下一阶电光效应、二阶电光效应、载流子色散效应和能带填充效应的相移大小。结果显示一阶电光效应造成的相移为负，且数值最大。另三种效应的相移为正。当反向偏压小于10V 时，TE偏振光总的相移很小。
图5分别计算出了TM偏振光在不同反向偏压下二阶电光效应、载流子色散效应和能带填充效应的相移大小。由于三种效应的相移都为正，TM偏振光总的相移很大。
当入射光为TE偏振光时，相移波导的电极7施加正向偏压，让TE偏振光完全从波导10输出。
考虑到两相移波导的制作误差，会给波导中的TE偏振光带来相位差，可以选择在电极7或电极8施加较小的正向偏压，让TE偏振光完全从波导10 或者波导11输出。为了叙述方便，选择电极7施加正向偏压，波导10输出 TE偏振光。
当入射光切换为TM偏振光时，波导臂的电极8施加反向偏压，让TM 偏振光完全从波导11输出。
图6给出了输出波导10在TE和TM偏振光输入时光功率随电极8的电压变化的情况。这里忽略了电极7的正向偏压下，载流子色散效应对TM 和TE偏振光有效折射率变化的不同影响。所以当反向偏压为0时，TE和TM 偏振光都会从波导10输出。可以看出反向偏压对TE偏振光的影响很微弱， TM偏振光的Vπ在7V左右。
图7给出了输出波导11当TE和TM偏振光输入时光功率随电极8的电压变化的情况。当反向偏压为0时，波导11几乎没有光强输出。当反向偏压逐渐增大，波导11的TM偏振光会很快被调节至光强最大，而此端口的TE 偏振光依旧很微弱。
图8给出了在不同反向偏压下，两个输出端口的偏振消光比。当电极8 的反向偏压为7V时，波导10主要输出TE偏振光，波导11主要输出TM偏振光，且两个端口的偏振消光比都大于25dB。
从上述描述可知，本发明的应用实例一提供的偏振分束器，利用载流子色散效应改变TE偏振光的有效折射率，调节TE偏振光的相位让其完全从波导10输出，利用调整过的电光效应仅仅改变TM偏振光的有效折射率，让其从波导11输出，实现偏振分束。本设计具有制作容差大，消光比高的特点，能够实现相干接收机的单片集成。
在上述实例一中，当电压沿着[100]方向时，一阶电光效应导致的有效折射率变化为
Figure RE-GDA0002290150690000101
其中n0是TE偏振光的有效折射率，r41是线性电光系数，E是反向偏压下的电场强度。由于波导朝向与晶向之间的夹角β由实际波导的具体结构参数决定，β只需满足45～135度即可。器件制作之后，β作为波导本身的属性，已经确定。在β既定的前提下，调节TE 偏振光一阶电光效应的强弱，使得TE偏振光的总有效折射率变化最小。
此外，在上述实例一的基础上，波导芯层的掺杂程度能够改变反向偏压时载流子色散效应、能带填充效应的强弱，使得TE偏振光总的电光效应引起的有效折射率变化最小。
在上述实例一的基础上，波导芯层的厚度直接影响相同电压下的电场强度，进而影响一阶电光效应、二阶电光效应的强弱，可以选择合适芯层厚度使得TE偏振光总的电光效应引起的有效折射率变化最小。
在上述实例一的基础上，可以通过调节波导芯层的组分，进而调节一阶电光效应、二阶电光效应、载流子色散效应和能带填充效应的强弱，使得TE 偏振光总的电光效应引起的有效折射率变化最小。
在上述实例一中的波导均为单模波导，多模干涉耦合器的干涉区实际是多模波导，两者之间采用了锥形渐变波导使其相连，可大大降低连接时的损耗。
在上述实例一的基础上，在波导芯层附近可以引入不掺杂的低折射率间隔层，降低波导损耗。
在上述实例一的基础上，波导横截面的结构可以是P-I-N、N-I-P、N-P-I-N、 N-I-P-N型或者其他的正反向偏压下类似P-I-N、N-I-P型的结构。
实例二所选波导芯层厚度为0.4μm，材料是InGaAsP，宽度为2μm，波导衬底和盖层是InP，波导芯层下2μm处有1.5um厚的InGaAs间隔层，相移波导的长度为2.5mm，入射波长1550nm，上臂波导覆盖热电极15 和下臂波导电极16。波导朝向与晶体的
Figure RE-GDA0002290150690000111
方向的角度β为90°，如图9所示。
波导采用了P-I-N型的结构。图10是P-I-N波导结构的截面图，从下往上依次是N型掺杂的波导衬底17，N型掺杂的间隔层18，不掺杂的波导芯层19和P型掺杂的波导盖层20。
上臂波导的热电极15通电加热能够改变TE偏振光的有效折射率，使得 TE偏振光完全从波导10输出。
下臂波导电极16施加反向电压，改变TM偏振光的有效折射率，使得TM 偏振光完全从波导11输出。
在上述实例二的基础上，其反向电压下对TE和TM偏振光的影响与实例一相同。
可见，上述实例一和实例二分别根据实际波导的具体结构参数可以设计波导朝向与晶向的倾斜角度β，通过调整TE偏振光一阶电光效应的强弱，使得TE偏振光反向偏压下的总的有效折射率变化最小，而TM偏振光反向偏压下的总的有效折射率变化很大。这样，通过调整一个臂上正向偏压(或者热电极上电流)大小来调节TE偏振光，同时调整反向偏压的大小来调节TM偏振光，使TE和TM偏振光的相位分别满足2×2多模干涉耦合器在不同输出端口处的干涉相长相消条件，从而使得偏振分束器实现TE、TM偏振分束。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器，其特征在于，所述偏振分束器在传播方向上，包括一条输入波导、第一多模干涉耦合器、上臂相移波导、下臂相移波导、2×2多模干涉耦合器、两条输出波导；所述输入波导连接第一多模干涉耦合器的输入端，第一多模干涉耦合器的两个输出端分别连接上臂相移波导、下臂相移波导，所述第一多模干涉耦合器把输入波导的光强等分，分别进入上、下臂相移波导，上、下臂相移波导分别连接所述2×2多模干涉耦合器的两个输入端，2×2多模干涉耦合器的两个输出端连接两条输出波导；
所述输入波导、相移波导、输出波导的朝向与晶体的
Figure FDA0002123368960000011
方向具有45～135度的夹角，晶体材料生长方向是[100]；
其中一条相移波导被施加正向偏压、或者在该相移波导上覆盖热电极，用于改变相移波导上的TE偏振光的有效折射率，另一条相移波导臂被施加反向偏压，用于改变相移波导上的TM偏振光的有效折射率，使TE和TM偏振光的相位分别满足2×2多模干涉耦合器的干涉相长相消条件，实现偏振分束。
2.根据权利要求1所述的具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器，其特征在于，调节波导朝向与晶向的夹角大小影响一阶电光效应的强弱，从而影响TE偏振光在反向偏压下的有效折射率变化量。
3.根据权利要求1所述的具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器，其特征在于，波导芯层的厚度直接影响相同电压下的电场强度，进而影响一阶电光效应、二阶电光效应的强弱，合适芯层厚度的选择影响TE偏振光在反向偏压下的有效折射率变化量。
4.根据权利要求1所述的具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器，其特征在于，波导芯层的掺杂程度影响载流子色散效应、能带填充效应的强弱，从而影响TE偏振光在反向偏压下的有效折射率变化量。
5.根据权利要求1所述的具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器，其特征在于，所述偏振分束器的输入输出波导和两臂相移波导均为单模波导，单模波导与第一多模干涉耦合器、2×2多模干涉耦合器的多模波导区相连部分采用锥形渐变波导，以降低连接损耗。
6.根据权利要求1所述的具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器，其特征在于，所述波导芯层附近引入不掺杂的低折射率间隔层，以降低波导盖层和衬底掺杂带来的波导损耗。
7.根据权利要求1所述的具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器，其特征在于，所述波导横截面的结构为P-I-N、N-I-P、N-P-I-N或N-I-P-N型。
8.根据权利要求1所述的具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器，其特征在于，选择上下两臂相移波导的宽度和长度，使得两臂累积的TE偏振光相位差与TM偏振光相位差相差π，以降低实现偏振分束所需反向电压的大小和两臂相移波导的长度。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111399118B (zh) * 2020-02-20 2021-06-15 浙江大学 一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器
CN111239896A (zh) * 2020-03-26 2020-06-05 北京爱杰光电科技有限公司 一种基于混合表面等离子体槽波导实现的有源偏振旋转器
CN111458948B (zh) * 2020-04-17 2021-11-26 中国科学院半导体研究所 实现开关消光比提高的电光强度调制器及其应用
CN112558221A (zh) * 2020-12-08 2021-03-26 北京量子信息科学研究院 一种提高偏振消光比的方法、装置及系统
CN112526774A (zh) * 2020-12-22 2021-03-19 电子科技大学 一种基于色散补偿的超宽带集成非互易光学器件
CN112817091A (zh) * 2021-01-05 2021-05-18 中国科学院半导体研究所 一种马赫曾德尔干涉仪及多通道粗波分复用器
CN113176693A (zh) * 2021-04-30 2021-07-27 南京刻得不错光电科技有限公司 多模干涉元件及马赫曾德尔调制器
CN113534504B (zh) * 2021-07-27 2023-06-02 华中科技大学 一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法及器件
CN113655565B (zh) * 2021-08-28 2023-07-28 北京工业大学 一种基于相变材料调控的y分支波导结构偏振分束器
CN117991445A (zh) * 2022-11-07 2024-05-07 华为技术有限公司 光功率分配
CN116047793B (zh) * 2023-04-03 2023-07-04 众瑞速联（武汉）科技有限公司 一种双通道热光移相器及光芯片

Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1330776A (zh) * 1998-12-16 2002-01-09 西门子公司 无直流电压漂移的偏振变换方法和无直流电压漂移的偏振变换器
CN1564030A (zh) * 2004-03-19 2005-01-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于光纤光栅的偏振模色散补偿器
CN1580840A (zh) * 2003-08-11 2005-02-16 武汉光迅科技有限责任公司 基于微光学和平面波导技术的mz外调制器
CN1670556A (zh) * 2004-03-15 2005-09-21 中国科学院半导体研究所 可提高消光比的电光型波导光开关结构
CN102520471A (zh) * 2011-12-30 2012-06-27 中国科学院上海光学精密机械研究所 偏振无关宽带反射光栅
CN102841407A (zh) * 2012-09-20 2012-12-26 电子科技大学 一种波导型偏振光分束器
CN103339541A (zh) * 2011-01-26 2013-10-02 日本电信电话株式会社 波导型偏振分束器
CN104007513A (zh) * 2014-05-08 2014-08-27 北京大学 一种光偏振分束器
CN104181706A (zh) * 2014-08-13 2014-12-03 华中科技大学 一种偏振角度可调节光学偏振旋转器
JP2014224896A (ja) * 2013-05-16 2014-12-04 株式会社島津製作所 光導波路型回折格子および光モジュール
CN104218993A (zh) * 2014-08-15 2014-12-17 无锡信欧光电科技有限公司 一种偏振相关损耗及差分群时延控制器
CN104216050A (zh) * 2014-09-18 2014-12-17 光越科技(深圳)有限公司 一种偏振分束合束器
CN105829933A (zh) * 2013-12-25 2016-08-03 华为技术有限公司 波导偏振分离和偏振转换器
CN105891956A (zh) * 2014-11-07 2016-08-24 徐州旭海光电科技有限公司 反射型光环形器阵列
US9726822B1 (en) * 2016-03-29 2017-08-08 Fujikura Ltd. Optical integrated circuit
CN207051530U (zh) * 2017-05-27 2018-02-27 武汉华工正源光子技术有限公司 一种光环行器以及otdr光模块

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5157785B2 (ja) * 2008-09-26 2013-03-06 富士通株式会社 光機能デバイス
US20170163000A1 (en) * 2015-04-29 2017-06-08 Infinera Corporation Photonic Integrated Circuit Including Compact Lasers With Extended Tunability

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1330776A (zh) * 1998-12-16 2002-01-09 西门子公司 无直流电压漂移的偏振变换方法和无直流电压漂移的偏振变换器
CN1580840A (zh) * 2003-08-11 2005-02-16 武汉光迅科技有限责任公司 基于微光学和平面波导技术的mz外调制器
CN1670556A (zh) * 2004-03-15 2005-09-21 中国科学院半导体研究所 可提高消光比的电光型波导光开关结构
CN1564030A (zh) * 2004-03-19 2005-01-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 基于光纤光栅的偏振模色散补偿器
CN103339541A (zh) * 2011-01-26 2013-10-02 日本电信电话株式会社 波导型偏振分束器
CN102520471A (zh) * 2011-12-30 2012-06-27 中国科学院上海光学精密机械研究所 偏振无关宽带反射光栅
CN102841407A (zh) * 2012-09-20 2012-12-26 电子科技大学 一种波导型偏振光分束器
JP2014224896A (ja) * 2013-05-16 2014-12-04 株式会社島津製作所 光導波路型回折格子および光モジュール
CN105829933A (zh) * 2013-12-25 2016-08-03 华为技术有限公司 波导偏振分离和偏振转换器
CN104007513A (zh) * 2014-05-08 2014-08-27 北京大学 一种光偏振分束器
CN104181706A (zh) * 2014-08-13 2014-12-03 华中科技大学 一种偏振角度可调节光学偏振旋转器
CN104218993A (zh) * 2014-08-15 2014-12-17 无锡信欧光电科技有限公司 一种偏振相关损耗及差分群时延控制器
CN104216050A (zh) * 2014-09-18 2014-12-17 光越科技(深圳)有限公司 一种偏振分束合束器
CN105891956A (zh) * 2014-11-07 2016-08-24 徐州旭海光电科技有限公司 反射型光环形器阵列
US9726822B1 (en) * 2016-03-29 2017-08-08 Fujikura Ltd. Optical integrated circuit
CN207051530U (zh) * 2017-05-27 2018-02-27 武汉华工正源光子技术有限公司 一种光环行器以及otdr光模块

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Bing Shen等.An integrated-nanophotonics polarization beamsplitter with 2.4 × 2.4 μm2 footprint.《nature photonics》.2015, *
Compact polarization beam splitter using an asymmetrical Mach–Zehnder interferometer based on silicon-on-insulator waveguide;Daoxin Dai等;《IEEE Photonics Technology Letters》;20120415;第24卷(第8期);全文 *
High-extinction-ratio directional-coupler-type polarization beam splitter with a bridged silicon wire waveguide;Yoohan Kim等;《Optics Letters》;20180705;第43卷(第14期);全文 *
High-extinction-ratio silicon polarization beam splitter with tolerance to waveguide width and coupling length variations;Yong Zhang等;《Optics Express》;20160316;第24卷(第6期);全文 *

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Publication number Publication date
CN110646884A (zh) 2020-01-03

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