CN112711093A - 一种偏振分束器结构及偏振分束方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振分束器结构及偏振分束方法，其输入区域包括结构为条形直波导的输入波导结构一和结构为脊形直波导的输入波导结构二。其耦合区域包括结构为条形直波导的耦合波导结构一和结构为脊形直波导的耦合波导结构二，耦合波导结构一的输入端口与输入波导结构一的输出端口相连，耦合波导结构二的输入端口与输入波导结构二的输出端口相连。其输出区域包括结构为条形直波导的输出波导结构一和结构为脊形直波导的输出波导结构二，输出波导结构一的输入端口与耦合波导结构一的输出端口相连，输出波导结构二的输入端口与耦合波导结构二的输出端口相连。本发明分束器结构紧凑、可以实现工艺容差大、插入损耗低、消光比高、传输带宽较宽等特性。

Description

一种偏振分束器结构及偏振分束方法
技术领域
本发明属于光子集成领域，特别涉及一种偏振分束器结构及偏振分束方法。
背景技术
现光子集成的快速发展主要依赖于大量插入损耗低、结构紧凑的功能器件的成功研制并应用。在波导尺寸较小的器件中通常会存在一个严重的问题：双折射现象不可能消除，这会导致不同模式间出现较大的相位差，从而使得光子集成器件的性能出现严重恶化。另外，在光通信长距传输领域，偏振复用技术已被成功应用于拓宽通信系统的传输容量。为了能够实现偏振态的分别控制，横电场模式（TE）和横磁场模式（TM）必须通过偏振分束器分开。因此，人们提出了很多种方法，用于研制偏振分束器。其中，基于多模干涉耦合器（MMI）的偏振分束器结构尺寸非常大，虽然可以通过准静态成像和级联结构减少尺寸，但是尺寸仍然在mm量级。基于马赫-增德尔干涉仪（MZI）的偏振分束器结构比较容易制作，但是尺寸往往也比较大且带宽比较窄。基于光子晶体的偏振分束器结构比较复杂、插入损耗较大、且不容易制备。为了实现尺寸较小的偏振分束器结构，纳米线和纳米槽（Slot）结构均被提出用于研制偏振分束器结构，但是，这些结构对工艺要求比价苛刻，制备难度大。
在偏振分束器结构中，定向耦合器由于结构简单、容易制作而成为非常受欢迎的结构。在高折射率差的强双折射材料如SOI波导中，基于定向耦合器的偏振分束器需要引入纳米槽、桥接波导、锥形波导等结构才能实现高消光比、高宽带传输等特性。其中，纳米槽结构的工艺制作要求高；桥接波导结构对波导宽度、波导间距的制作容差比较小，且插入损耗比较大；锥形波导结构虽然可以实现高消光比、工艺容差大的偏振分束器，但是器件结构不够紧凑，而且需要特殊设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种偏振分束器结构及偏振分束方法，本发明器件结构简单、紧凑，而且对工艺要求不苛刻、工艺容差大，可以实现低插入损耗、高消光比、宽带传输特性。本发明提出的偏振分束器结构及偏振分束方法在光子集成中的偏振控制、光通信长距传输中的偏振复用等领域具有重要的研究和应用价值。
本发明的技术方案是：一种偏振分束器结构，包括：
输入区域，所述输入区域包括输入波导结构一和输入波导结构二，其中输入波导结构一为条形直波导结构，输入波导结构二为脊形直波导结构；
耦合区域，所述耦合区域包括耦合波导结构一和耦合波导结构二，其中耦合波导结构一为条形直波导结构，耦合波导结构二为脊形直波导结构；耦合波导结构一的输入端口与输入波导结构一的输出端口相连，耦合波导结构二的输入端口与输入波导结构二的输出端口相连；
输出区域，所述输出区域包括输出波导结构一和输出波导结构二，其中输出波导结构一为条形直波导结构，输出波导结构二为脊形直波导结构；输出波导结构一的输入端口与耦合波导结构一的输出端口相连，输出波导结构二的输入端口与耦合波导结构二的输出端口相连。
上述输入区域的输入波导结构中至少一者为弯曲波导结构或者直波导加弯曲波导结构，所述弯曲波导的作用是避免光在输入区域的输入端口发生耦合，以及方便与其他器件进行集成。
上述输出区域的输出波导结构中至少一者为弯曲波导结构或者直波导加弯曲波导结构，所述弯曲波导的作用是避免光在输出区域的输出端口发生耦合，以及方便与其他器件进行集成。
上述耦合区域为直波导结构，光在耦合波导结构一和耦合波导结构二之间发生相互耦合。
上述耦合波导结构二的脊形直波导两侧均设有平板波导区域或者只在其脊形直波导的一侧设置平板波导区域。
上述偏振分束器结构为基于SOI波导结构的偏振分束器。
一种如上述偏振分束器结构的偏振分束方法，包括如下步骤：
通过设计不同的耦合波导结构，实现非对称定向耦合器结构，使得TE模式在两个波导之间的折射率出现较大差异，从而不能满足相位匹配条件而无法实现耦合，直接从耦合波导结构一输出，而由于TM模式在两个耦合波导结构间的折射率差异比较小，则仍可以满足相位匹配条件，从而能够实现相互耦合，故通过优化设计耦合区域的长度，使得TM模式从耦合波导结构二输出，实现偏振分束功能。
本发明的有益效果：
（1）本发明提供的偏振分束器结构简单、紧凑，非常适于与其他器件集成；
（2）本发明提供的偏振分束器结构可以通过光刻、电子束刻蚀、等离子体刻蚀等与CMOS兼容的工艺进行制作，且对工艺要求不苛刻、制备容差大、容易实现，非常适于批量生产；
（3）本发明提供的偏振分束器结构可以实现低插入损耗低、高消光比、宽带传输特性；
（4）本发明提供的偏振分束器结构在光子集成中的偏振控制、光通信长距传输中的偏振复用等领域具有重要的研究和应用价值。
附图说明
图1为本发明的偏振分束器结构示意图；
图2为耦合区域的波导结构横截面示意图；
图3为脊形直波导和条形直波导的TE模式和TM模式的折射率差异随H_Slab变化的情况；
图4为采用BPM法仿真的偏振分束器结构；
图5为偏振分束器的仿真结果；
图6为偏振分束器的插入损耗仿真结果；
图7为偏振分束器的消光比仿真结果；
图8为插入损耗随波导宽度变化的仿真结果；
图9为消光比随波导宽度变化的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
依据本发明实施的一种偏振分束器结构如图1所示。主要包括输入区域、耦合区域和输出区域。其中，输入区域包括输入波导结构一1和输入波导结构二2，输入波导结构一1为条形直波导结构，输入波导结构二2为脊形直波导结构。耦合区域包括耦合波导结构一3和耦合波导结构二4，耦合波导结构一3为条形直波导结构，耦合波导结构二4为脊形直波导结构。耦合波导结构一3的输入端口与输入波导结构一1的输出端口相连，耦合波导结构二4的输入端口与输入波导结构二2的输出端口相连。输出区域包括输出波导结构一5和输出波导结构二6，输出波导结构一5为条形直波导结构，输出波导结构二6为脊形直波导结构。输出波导结构一5的输入端口与耦合波导结构一3的输出端口相连，输出波导结构二6的输入端口与耦合波导结构二4的输出端口相连。所述输入区域、耦合区域以及输出区域中的条形直波导结构和脊形直波导结构的波导宽度相同或者不同。输入区域的输入波导结构一1和输入波导结构二2中至少一个输入波导结构为弯曲波导结构或者直波导加弯曲波导结构；其中直波导加弯曲波导结构的直波导段与对应的耦合波导结构连接，其弯曲波导段作为输入一端；引入弯曲波导的作用是避免光在输入区域的输入端口发生耦合，也方便与其他器件进行集成。输出区域的输出波导结构一5和输出波导结构二6中至少一个输出波导结构为弯曲波导结构或者直波导加弯曲波导结构，同样地，其中直波导加弯曲波导结构的直波导段与对应的耦合波导结构连接，其弯曲波导段作为输出一端；引入弯曲波导的作用是避免光在输出区域的输出端口发生耦合，也方便与其他器件进行集成。耦合区域为直波导结构，其横截面示意图如图2所示，耦合波导结构一3和耦合波导结构二4的宽度相同，为W。光在耦合波导结构一3和耦合波导结构二4之间发生相互耦合。耦合区域的耦合波导结构二4在和耦合波导结构一3相互耦合的间隙内的脊平板波导宽度为零，或者也可以为大于零的某一值。所述耦合波导结构二4的脊形直波导两侧均设有平板波导区域或者只在其脊形直波导的一侧设置平板波导区域。
通过设计耦合波导结构一3和耦合波导结构二4中不同的波导结构，使得两个波导结构中的TE模式的折射率出现较大差异，不能满足相位匹配条件而无法实现耦合，因而，直接从耦合波导结构一3输出。而两个耦合波导结构中的TM模式的折射率差异比较小，仍可以满足相位匹配条件，从而实现相互耦合。因而，可以通过优化设计耦合区域的长度，使得TM模式从耦合波导结构二4输出。实现偏振分束功能。该偏振分束器结构不仅紧凑，而且可以实现工艺容差大、插入损耗低、消光比高、传输带宽等特性。
本实施例以SOI光波导结构为例，进行说明。
实施例1
设计的波导结构材料为硅，折射率为3.455，缓冲层和上盖层为二氧化硅，折射率为1.445。条形直波导结构高度H为220nm，宽度W为450nm，脊形直波导结构高度H为220nm，宽度为450nm。采用有限元分析法计算的脊形直波导和条形直波导的TE模式和TM模式的折射率差异（△Neff）随平板区域高度（H_Slab）变化的情况如图3所示，其中条形直波导结构对应H_Slab=0的情况。可见，随着H_Slab增加，TE模式的折射率逐渐增加，且与条形直波导的折射率差异越来越大，而TM模式的折射率变化比较小。当H_Slab选取某一值时，TE模式由于不满足相位匹配条件，而不发生耦合，TM模式则仍满足相位匹配条件，可以发生相互耦合。选取平板区域高度H_Slab为120nm。耦合波导1和耦合波导2的间距为250nm。
首先，采用束传播法（BPM）对偏振分束器结构进行仿真。从偏振分束器结构的输入波导结构一1或输入波导结构二2的任何一个输入波导结构输入光波即可实现将所输入光波进行偏振分束，故为了便于仿真，省略掉了输入区域中输入波导结构一1的弯曲波导和输入波导结构二2，并设定波长为1.55 μm的光从输入波导结构一1输入，其仿真结构如图4所示。当耦合区域的长度L_Coupler为13.5 μm，输出区域的弯曲波导沿传输方向的长度L_Bend为5μm时，偏振分束器的仿真结果如图5所示（图中Z的方向为波导传输方向）。可见，TE模式的光从输出波导结构一5输出，TM模式的光从输出波导结构二6输出，实现了偏振分束功能，而且耦合区域的长度只有13.5 μm，结构十分紧凑。还可以进一步压缩耦合区域的尺寸通过减少耦合间距。仿真的TE模式的插入损耗为0.05dB，消光比为27.3dB，TM模式的插入损耗为0.18dB，消光比为28.4dB。可见，在工作波长1.55um波段内，TE模式和TM模式的插入损耗均小于0.2dB，消光比均大于27dB，表现出良好的偏振分束特性。
接着，对偏振分束器结构的工作带宽进行仿真分析，设定扫描波长（Wavelength）区间为1.4um-1.7um，其插入损耗（Insertion Loss）和消光比（Extinction Ratio）的仿真结果分别如图6和图7所示。从仿真结果可以看出，在波段1.47um-1.64um区间内，TE模式和TM模式的插入损耗均小于1dB，消光比均大于10dB，其工作带宽达到170nm，可以覆盖整个C波段和L波段，可以实现宽带传输特性。
最后，对偏振分束器的工艺容差进行分析，图8和图9分别为插入损耗（InsertionLoss）和消光比（Extinction Ratio）随波导宽度（Width）变化的仿真结果。由于耦合区域的耦合波导结构一3和耦合波导结构二4间距非常近，在仿真时考虑耦合波导结构一3和耦合波导结构二4发生相同变化时的情况。可以看出，当波导宽度的变化范围在390nm-530nm之内时，TE模式和TM模式的插入损耗均小于1dB，消光比均大于10dB。因此，偏振分束器对波导宽度的工艺容差有140nm。
本发明提供的偏振分束器结构主要包括输入区域、耦合区域和输出区域，假设光从输入区域内的输入波导结构一1输入，在耦合区域，通过设计耦合波导结构一3和耦合波导结构二4中不同的波导结构，使得两个耦合波导结构中的TE模式的折射率出现较大差异，不能满足相位匹配条件而无法实现耦合，因而，直接从耦合波导结构一3输出。而两个耦合波导结构中的TM模式的折射率差异比较小，仍可以满足相位匹配条件，从而实现相互耦合。因而，可以通过优化设计耦合区域的长度，使得TM模式从耦合波导结构二4输出。实现偏振分束功能。该偏振分束器结构不仅结构紧凑，而且可以实现工艺容差大、插入损耗低、消光比高、传输带宽等特性。本发明偏振分束器结构能够通过光刻、电子束刻蚀、等离子体刻蚀工艺制作，其结构简单、紧凑、工艺容差大，本发明在光子集成中的偏振控制、光通信长距传输中的偏振复用等领域具有重要的研究和应用价值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种偏振分束器结构，其特征在于，包括：
输入区域，所述输入区域包括输入波导结构一（1）和输入波导结构二（2），其中输入波导结构一（1）为条形直波导结构，输入波导结构二（2）为脊形直波导结构；
耦合区域，所述耦合区域包括耦合波导结构一（3）和耦合波导结构二（4），其中耦合波导结构一（3）为条形直波导结构，耦合波导结构二（4）为脊形直波导结构；耦合波导结构一（3）的输入端口与输入波导结构一（1）的输出端口相连，耦合波导结构二（4）的输入端口与输入波导结构二（2）的输出端口相连；
输出区域，所述输出区域包括输出波导结构一（5）和输出波导结构二（6），其中输出波导结构一（5）为条形直波导结构，输出波导结构二（6）为脊形直波导结构；输出波导结构一（5）的输入端口与耦合波导结构一（3）的输出端口相连，输出波导结构二（6）的输入端口与耦合波导结构二（4）的输出端口相连。
2.如权利要求1所述的一种偏振分束器结构，其特征在于，所述输入区域的输入波导结构中至少一者为弯曲波导结构或者直波导加弯曲波导结构，所述弯曲波导的作用是避免光在输入区域的输入端口发生耦合，以及方便与其他器件进行集成。
3.如权利要求1所述的一种偏振分束器结构，其特征在于，所述输出区域的输出波导结构中至少一者为弯曲波导结构或者直波导加弯曲波导结构，所述弯曲波导的作用是避免光在输出区域的输出端口发生耦合，以及方便与其他器件进行集成。
4.如权利要求1所述的一种偏振分束器结构，其特征在于，所述耦合区域为直波导结构，光在耦合波导结构一（3）和耦合波导结构二（4）之间发生相互耦合。
5.如权利要求1所述的一种偏振分束器结构，其特征在于，所述耦合波导结构二（4）的脊形直波导两侧均设有平板波导区域或者只在其脊形直波导的一侧设置平板波导区域。
6.如权利要求1所述的一种偏振分束器结构，其特征在于，该偏振分束器结构为基于SOI波导结构的偏振分束器。
7.一种如权利要求1-6任一权利要求所述的偏振分束器结构的偏振分束方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过设计不同的耦合波导结构，实现非对称定向耦合器结构，使得TE模式在两个波导之间的折射率出现较大差异，从而不能满足相位匹配条件而无法实现耦合，直接从耦合波导结构一（3）输出，而由于TM模式在两个耦合波导结构间的折射率差异比较小，则仍可以满足相位匹配条件，从而能够实现相互耦合，故通过优化设计耦合区域的长度，使得TM模式从耦合波导结构二（4）输出，实现偏振分束功能。
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Denomination of invention: A Polarization Beam Splitter Structure and Polarization Beam Splitting Method

Effective date of registration: 20230920

Granted publication date: 20210720

Pledgee: Bank of China Limited Xi'an High tech Development Zone Sub branch

Pledgor: QXP TECHNOLOGIES Inc.

Registration number: Y2023980058074