CN112327411B - 基于绝热锥形非对称耦合与y分支的硅基偏振分束旋转器 - Google Patents

基于绝热锥形非对称耦合与y分支的硅基偏振分束旋转器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于绝热锥形非对称耦合与Y分支的硅基偏振分束旋转器，具体采用二氧化硅作为基底以及包覆层；在基底与包覆层中间添加硅材料的缓冲层，并在缓冲层上构建脊形波导，形成偏振分束旋转器主体；脊型波导由三段结构组成：第一段为绝热锥形结构，宽度从W1渐变到W2，在波导1内部实现TM0偏振模式到TE1偏振模式的转化；第二段采用非对称耦合结构和绝热锥形结构，实现波导1到波导2的偏振分束和旋转；第三段由一个Y分支构成，通过一个S形弯曲结构与第二段连接，实现第二级偏振分束和旋转。本发明的硅基光偏振旋转分束器具有大工作波长范围、高消光比、低损耗等优点，在光通信与光电信号处理等系统中具有重要应用。

Description

基于绝热锥形非对称耦合与Y分支的硅基偏振分束旋转器
技术领域
本发明属于硅基光子集成、光信号多维复用以及偏振模式转化等领域，尤其涉及一种基于绝热锥形非对称耦合与Y分支的硅基偏振分束旋转器。
背景技术
硅基光波导偏振处理器器件是一种基于硅材料偏振特性的集成化偏振处理器件。光的偏振在硅基光波导中主要有TE(横电模)和TM(横磁模)两种偏振模式，实际应用主要集中在这两种偏振模式的基模，即TE0和TM0偏振模式(或者准TE0偏振模式和准TM0偏振模式)。偏振分束主要采用相位匹配原理，通过偏振模式耦合实现分离；而偏振处理的难点主要是偏振模式转化，目前实现偏振模式转化的方式主要有三种：一是通过在垂直结构上使用不同材料实现垂直方向上的折射率对称打破，可在某一宽度区域内产生混杂超模，偏振比接近50％时可实现偏振模式转化；二是通过非对称耦合结构，将水平和垂直两个方向的折射率对称同时打破，从而在波导间形成混杂超模，通过偏振模式耦合效应在偏振分离的过程中实现偏振模式转化；三是使用一个Y分支结构，利用偏振模式分类原理，实现多种偏振模式间的转化。由于硅材料的高折射率对比度以及偏振相关的特性，这些偏振模式转化方式可以在硅光子集成平台中以极小的尺寸、极低的损耗实现。因此硅基光波导偏振处理器件在未来集成化偏振处理器件制备领域有重要的研究以及应用价值。其中硅基光波导偏振分束旋转器可以将输入的多种偏振模式转化为一种偏振模式输出，而当前光信号处理器件普遍存在偏振敏感性，更少的偏振态意味着更简单的后续处理以及更少的偏振损耗，因此在未来集成化的数据通信，量子通信领域应用中，偏振分束旋转器是实现多维复用/解复用系统的必要器件。
目前的偏振分束旋转器设计中，多数采用非对称耦合结构，相关论文包括：1)J.Wang,B.Niu,Z.Sheng,A.Wu,X.Wang,S.Zou,M.Qi,and F.Gan,"Design of a SiO2 top-cladding and compact polarization splitter-rotator based on a rib directionalcoupler,"Opt.Express 22,4137(2014)；2)D.Dai and J.E.Bowers,"Novel concept forultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires,"Opt.Express 19,10940(2011)；3)L.Chen,C.R.Doerr,and Y.K.Chen,"Compactpolarization rotator on silicon for polarization-diversified circuits,"Opt.Lett.36,469–471(2011)。硅基平台上采用Y分支结构的相关论文较少，目前主要为：J.Wang,B.Niu,Z.Sheng,A.Wu,W.Li,X.Wang,S.Zou,M.Qi,and F.Gan,"Novel ultra-broadband polarization splitter-rotator based on mode-evolution tapers and amode-sorting asymmetric Y-junction,"Opt.Express 22,13565(2014)。上述论文多为单级耦合或多级非对称耦合，然而非对称耦合结构虽然结构简单，但是对波导宽度以及耦合长度非常敏感，这使得器件的制作容差极小，例如J.Wang等人设计的脊形波导多级非对称耦合偏振分束旋转器，其对波导厚度的制作容差低于5nm，因此难以满足当前技术工艺的要求(J.Wang,B.Niu,Z.Sheng,A.Wu,X.Wang,S.Zou,M.Qi,and F.Gan,"Design of a SiO2top-cladding and compact polarization splitter-rotator based on a ribdirectional coupler,"Opt.Express 22,4137(2014))，尽管可采用绝热锥形结构增大制作容差，但普通的绝热锥形提高程度有限，而二次刻蚀的绝热锥形结构虽然具有大的制作容差，例如Y Xiong等人设计的锥形刻蚀非对称耦合偏振分束器，具有50nm的制作容差，但是多层刻蚀又对制作工艺产生新的要求，增大了制作难度(Y.Xiong,D.X.Xu,J.H.Schmid,P.Cheben,S.Janz,and W.N.Ye,"Fabrication tolerant and broadband polarizationsplitter and rotator based on a taper-etched directional coupler,"Opt.Express22,17458(2014))。采用Y分支结构的偏振分束旋转器，通常具有较大的制作容差，然而由于结构上天然存在的缺点，如偏振分离度差，所以基于该结构的偏振处理器件，偏振消光比通常较低。
根据以上分析可知，目前硅基光波导偏振分束旋转器在偏振消光比和制作容差这两个指标上难以实现平衡，而这两项指标是衡量偏振处理性能及其实用性的重要指标，直接影响了器件的实际应用价值。
发明内容
鉴于上述的硅基光偏振分束旋转器的偏振消光比和制作容差的平衡问题，本发明提供了一种基于绝热锥形非对称耦合与Y分支的硅基偏振分束旋转器。
本发明的基于绝热锥形非对称耦合与Y分支的硅基偏振分束旋转器，采用二氧化硅作为基底以及包覆层；在基底与包覆层中间添加硅材质的缓冲层，并在缓冲层上构建脊形波导，形成偏振分束旋转器主体
上述脊形波导由三段结构组成：
第一段为绝热锥形结构，宽度从W1渐变到W2，渐变过程中经过偏振模式转化临界宽度W0，在波导1内部实现TM0偏振模式到TE1偏振模式的转化。
第二段采用非对称耦合结构和绝热锥形结构，该绝热锥形位于波导1，其末端宽度设为W3，波导2为直波导，宽度设为W6；实现波导1到波导2的偏振分束和旋转。
第三段为一个Y分支结构，通过一个S形弯曲结构与第二段连接，实现第二级偏振分束和旋转，Y分支的两个分支宽度分别为W4和W5，进行二级滤波以提高偏振消光比。
在第二段结构中，波导1中的TE1偏振模式与波导2中的TE0满足相位匹配条件：
neff1(TE1)＝neff2(TE0) (1)
其中，neff1(TE1)表示波导1中TE1偏振模式的有效折射率，neff2(TE0)表示波导2中TE0偏振模式的有效折射率。
在第三段结构中，满足偏振模式分类原理条件：
|neffW3(TE1)-neffw4(TM0)|＞|neffW3(TE1)-neffw5(TE0)| (2)
其中，neffw3(TE1)和neffw4(TM0)分别表示波导宽度为W3和W4时TE1和TM0偏振模式的有效折射率，neffw5(TE0)表示波导宽度为W5时TE0偏振模式的有效折射率。
优选的，第一段长度L1设为18μm；第二段的长度L2设为83μm；第三段长度L3设为39μm；包括各段之间的连接区，最终该偏振分束旋转器总长度约为155μm。
W0＝0.67μm、W1＝0.65μm、W2＝0.7μm、W3＝1μm、W4＝0.55μm、W5＝0.48μm、W6＝0.4μm。
本发明的有益技术效果为：
1、在不使用多次刻蚀的条件下保证了较大的制作容差；
2、通过级联结构，以较大工艺制作容差实现了在100nm带宽下大于25dB的偏振消光比，同时插入损耗小于0.5dB。
3、本发明的硅基光偏振旋转分束器具有大工作波长范围、高消光比、低损耗等优点，在光通信与光电信号处理等系统中具有重要应用。
附图说明
图1为本发明偏振旋转分束器结构示意图。
图2为有效折射率随脊波导宽度变化。
图3为第一段结构中偏振模式转化效率随长度变化。
图4为第二段结构中偏振模式耦合效率随长度变化。
图5为第三段结构中Y分支结构偏振模式转化效率与长度的关系。
图6为不同偏振模式输入下各端口的输出光谱：(a)TM0输入；(b)TE0输入。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
本发明的基于绝热锥形非对称耦合与Y分支的硅基偏振分束旋转器如图1所示，采用二氧化硅作为基底以及包覆层；在基底与包覆层中间添加硅材料的缓冲层，并在缓冲层上构建脊形波导，形成偏振分束旋转器主体。
上述脊形波导由三段结构组成：
第一段为绝热锥形结构，宽度从W1渐变到W2，渐变过程中经过偏振模式转化临界宽度W0，在波导1内部实现TM0偏振模式到TE1偏振模式的转化。
第二段采用非对称耦合结构和绝热锥形结构，该绝热锥形位于波导1，其末端宽度设定为W3，波导2为直波导，宽度设为W6；实现波导1到波导2的偏振分束和旋转。
第三段为一个Y分支结构，通过一个S形弯曲结构与第二段连接，实现第二级偏振分束和旋转，Y分支的两个分支宽度分别为W4和W5，进行二级滤波以提高偏振消光比。
第一段为一个绝热锥形，其宽度从W1渐变到W2。根据图2中的脊波导有效折射率随宽度变化的关系可以知道，TM0到TE1的转化临界宽度为W0＝0.67μm；所以本发明将第一段的W1和W2分别设置为0.65μm和0.7μm，此时偏振模式转化效率与该段的长度密切相关。从图3可以看到，随着长度的增加，偏振模式转化效率先是不断增加，最后转化率接近100％，最后基本保持不变。此处需要注意，较长的绝热锥形尺寸可以保证更大的制作容差，因此综合考虑器件整体的尺寸尽可能小的同时，将第一段长度L1设为18μm。
第二段为偏振模式耦合区，由一个绝热锥形波导(波导1)和一个直波导(波导2)组成。该绝热锥形的末端宽度设为W3＝1μm，此时结合该段所要完成的功能考虑，根据图2可知：波导2的宽度必须设定在0.28μm到0.48μm之间。本发明将波导2宽度设为W6＝0.4μm。结合上述所设定的宽度条件，我们对耦合效率与长度的关系做了分析，如图4所示：随着耦合长度的增加，TE1-TE0的耦合效率不断提高；当耦合长度大于53μm时达到峰值，并在在之后小幅度波动。与第一段同理，更长的耦合长度，会使得器件整体具有更大的制作容差，因此本发明将第二段长度L2设为83μm，此时耦合效率接近100％。
第三段为一个Y分支结构，经由一个S形弯曲结构与第二段连接；其主要作用是二级滤波，将前两段中残留的TE1偏振模式滤除，提高整体偏振消光比。该段必须满足偏振模式分类原理条件：|neffW3(TE1)-neffw4(TM0)|＞|neffW3(TE1)-neffw5(TE0)|，否则将无法完成预期的滤波效果。需要注意的是，此处Y分支不仅需要保证滤除残留的TE1偏振模式，还需要保证TE0偏振模式低损耗的进入2端口。因此根据图2的脊形波导折射率随宽度变化趋势，本发明将Y分支的宽度W4和W5分别设为0.55μm和0.48μm。在此条件下，Y分支的偏振模式转化效率和其整体长度密切相关。图5分析了偏振模式转化效率和Y分支结构长度的关系，因此本发明将第三段的长度L3设为39μm。
基于以上三段的参数优化设计，本发明整体结构的传输性能如图6所示：测量不同输入偏振模式(TM0、TE0)条件下各端口输出光谱。其性能总结如下：在100nm带宽内偏振消光比大于25dB、插入损耗低于0.5dB。

Claims (4)

1.基于绝热锥形非对称耦合与Y分支的硅基偏振分束旋转器，采用二氧化硅作为基底以及包覆层；在基底与包覆层中间添加硅材料的缓冲层，并在缓冲层上构建脊形波导，形成偏振分束旋转器主体，其特征在于，所述脊形波导由三段结构组成：
第一段为绝热锥形结构，宽度从W1渐变到W2，渐变过程中经过偏振模式转化临界宽度W0，在波导1内部实现TM0偏振模式到TE1偏振模式的转化；
第二段采用非对称耦合结构和绝热锥形结构，该绝热锥形位于波导1，其末端宽度设为W3，波导2为直波导，宽度设为W6；实现波导1到波导2的偏振分束和旋转；
第三段为一个Y分支结构，通过一个S形弯曲结构与第二段连接，实现第二级偏振分束和旋转，Y分支的两个分支宽度分别为W4和W5，进行二级滤波以提高偏振消光比。
2.根据权利要求1所述的基于绝热锥形非对称耦合与Y分支的硅基偏振分束旋转器，其特征在于，所述第二段结构中，波导1中的TE1偏振模式与波导2中的TE0满足相位匹配条件：
neff1(TE1)＝neff2(TE0) (1)
其中，neff1(TE1)表示波导1中TE1偏振模式的有效折射率，neff2(TE0)表示波导2中TE0偏振模式的有效折射率。
3.根据权利要求1所述的基于绝热锥形非对称耦合与Y分支的硅基偏振分束旋转器，其特征在于，所述第三段结构中，满足偏振模式分类原理条件：
|neffW3(TE1)-neffw4(TM0)|＞|neffW3(TE1)-neffw5(TE0)| (2)
其中，neffw3(TE1)和neffw4(TM0)分别表示波导宽度为W3和W4时TE1和TM0偏振模式的有效折射率，neffw5(TE0)表示波导宽度为W5时TE0偏振模式的有效折射率。
4.根据权利要求1所述的基于绝热锥形非对称耦合与Y分支的硅基偏振分束旋转器，其特征在于，所述第一段长度L1设为18μm；第二段的长度L2设为83μm；第三段长度L3设为39μm；包括各段之间的连接区，最终该偏振分束旋转器总长度约为155μm；
所述W0＝0.67μm、W1＝0.65μm、W2＝0.7μm、W3＝1μm、W4＝0.55μm、W5＝0.48μm、W6＝0.4μm。
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