CN113189708B - 一种偏振不敏感的定向耦合器结构及方法 - Google Patents

一种偏振不敏感的定向耦合器结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种偏振不敏感的定向耦合器结构及方法，该结构包括输入区、TE模式耦合区、TM模式耦合区、输出区；我们通过设计TE模式耦合区和TM模式耦合区的耦合波导结构，使得TE模式在TE模式耦合区可以发生相互耦合而在TM模式耦合区不发生耦合，TM模式在TM模式耦合区可以发生相互耦合而在TE模式耦合区不发生耦合。因而，可以通过优化耦合波导结构和耦合长度，实现TE模式和TM模式的同一分光比输出，进而实现偏振不敏感的传输特性。该定向耦合器结构还可以实现宽带传输特性，且在硅基光子集成领域和光通信领域具有重要的研究和应用价值。

Description

一种偏振不敏感的定向耦合器结构及方法
技术领域
本发明涉及光器件技术领域，具体涉及一种偏振不敏感的定向耦合器结构及方法。
背景技术
近年来，绝缘体上硅（SOI）材料的发展非常迅速，因为它可以实现非常小的波导尺寸，而且其制作工艺和CMOS兼容，被认为是实现单片光电集成回路的最有潜力和希望的材料。然而，硅（Si）和二氧化硅（SiO2）之间较大的折射率差使得SOI波导具有很强的双折射效应，导致横电场模式（TE）和横磁场模式（TM）之间具有较大的相位差，而使得光器件的性能恶化。为了解决该问题，人们研制出偏振分束、偏振转换等器件使得注入光器件的光维持单一偏振态，但是，这些器件的引入会增加光路的插入损耗和复杂性。只有研制出偏振不敏感的光器件，才能从根本上解决SOI波导双折射的问题。
光耦合器结构作为硅基光子集成回路中最基本的单元结构，在许多光通信领域如波分复用、光开关等都有涉及。基于Y波导、定向耦合器和多模干涉耦合器（MMI）的光耦合器结构已经被人们广泛研究。然而，Y波导结构具有较小的工艺容差，MMI结构通常具有较大的尺寸，不适于应用到光子集成器件中。相比于其他结构，定向耦合器结构由于制作工艺简单，而且可以实现任意分光比，已经成为硅基光子集成领域中常见的光耦合器结构。然而，基于SOI的定向耦合器结构也存在双折射的问题，研制一种偏振不敏感的定向耦合器结构是非常必要的。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种偏振不敏感的定向耦合器结构，通过设计非对称波导耦合结构，不仅可以实现偏振不敏感的传输特性，而且可以实现宽带传输特性，还可通过设计不同的波导耦合结构，实现对输入光信号的任意分光比功能，解决了现有技术中基于SOI的定向耦合器结构存在的双折射问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种偏振不敏感的定向耦合器结构，包括：
输入区，所述输入区包括输入波导I和输入波导II；
TE模式耦合区，所述TE模式耦合区包括耦合波导I和耦合波导II；所述耦合波导I的输入端连接输入波导I的输出端，所述耦合波导II的输入端连接输入波导II的输出端；其中，所述耦合波导I与所述耦合波导II是非对称分布的，且呈平行设置，使TE模式的偏振光能够在TE模式耦合区相互耦合，TM模式的偏振光在TE模式耦合区不发生耦合；
TM模式耦合区，所述TM模式耦合区包括耦合波导III和耦合波导IV；所述耦合波导III的输入端连接耦合波导I的输出端；所述耦合波导IV的输入端连接耦合波导II的输出端；其中，所述耦合波导III与所述耦合波导IV是非对称分布的，且呈平行设置，使TM模式的偏振光能够在TM模式耦合区相互耦合，TE模式的偏振光在TM模式耦合区不发生耦合；
输出区，所述输出区包括输出波导I和输出波导II；所述输出波导I的输入端连接耦合波导III的输出端，所述输出波导II的输入端连接耦合波导IV的输出端。
进一步，所述输入波导I与所述输入波导II中至少有一个为弯曲波导结构，以避免光在输入区发生耦合。
进一步，所述耦合波导I与所述耦合波导II的波导宽度和高度均不同，使TE模式的偏振光能够在TE模式耦合区相互耦合，TM模式的偏振光在TE模式耦合区不发生耦合。
更进一步，所述耦合波导I的波导宽度小于所述耦合波导II的宽度；所述耦合波导I的高度大于所述耦合波导II的高度。
进一步，所述耦合波导III与所述耦合波导IV的波导宽度和高度均不同，使TM模式的偏振光能够在TM模式耦合区相互耦合，TE模式的偏振光在TM模式耦合区不发生耦合。
更进一步，所述耦合波导III的波导宽度小于所述耦合波导IV的宽度；所述耦合波导III的高度大于所述耦合波导IV的高度。
进一步，所述输出波导I与所述输出波导II中至少有一个为弯曲波导结构，以避免光在输出区发生耦合。
进一步，该偏振不敏感的定向耦合器结构为基于SOI的定向耦合器结构。
进一步，该偏振不敏感的定向耦合器结构是通过光刻或者等离子体刻蚀与CMOS兼容的工艺制作而成。
进一步，所述输入波导I的输入端连接输入端口I，所述输入波导II的输入端连接输入端口II；所述输出波导I的输出端连接输出端口I，所述输出波导II的输出端连接输出端口II。
本发明还提供一种上述偏振不敏感的定向耦合器结构的偏振分束或合束方法，包括如下步骤：
当TE模式的偏振光从输入波导I或输入波导II输入时，在TE模式耦合区，由于满足相位匹配条件而发生相互耦合，通过设计耦合波导I和耦合波导II的波导结构和耦合长度，能够实现TE模式的不同分光比输出；而在TM模式耦合区，由于TE模式的偏振光不满足相位匹配条件而不发生相互耦合，使得TE模式的偏振光保持原来的分光比从输出波导I和输出波导II输出；
当TM模式的偏振光从输入波导I或输入波导II输入时，在TE模式耦合区，由于TM模式的偏振光不满足相位匹配条件而不发生相互耦合；在TM模式耦合区，由于满足相位匹配条件而发生相互耦合，通过设计耦合波导III和耦合波导IV的波导结构和耦合长度，能够实现TM模式的不同分光比输出，使得TM模式的偏振光保持原来的分光比从输出波导I和输出波导II输出；
通过设计TE模式耦合区和TM模式耦合区的耦合波导结构和耦合长度，使得从同一输入波导注入的TE模式和TM模式的光具有相同的分光比输出，实现偏振不敏感的分束或合束功能。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的偏振不敏感的定向耦合器结构，通过设计非对称波导耦合结构，不仅可以实现偏振不敏感的传输特性，而且可以实现宽带传输特性。
2、本发明提出的偏振不敏感的定向耦合器结构还可通过设计不同的波导耦合结构，实现对输入光信号的任意分光比功能。
3、本发明提出的偏振不敏感的定向耦合器结构可以通过光刻、等离子体刻蚀等与CMOS兼容的工艺制作，对工艺要求不严苛，容易实现。
4、本发明提出的偏振不敏感的定向耦合器结构在硅基光子集成领域和光通信领域具有重要的研究和应用价值。
附图说明
图1为偏振不敏感的定向耦合器的结构示意图。
图2为TE模式耦合区的耦合波导的截面结构示意图。
图3为TM模式耦合区的耦合波导的截面结构示意图。
图4为TE模式耦合区的定向耦合器结构的仿真结果。
图5为TM模式耦合区的定向耦合器结构的仿真结果。
图6为偏振不敏感的定向耦合器结构的仿真结果。
图7为偏振不敏感的定向耦合器结构的宽带传输特性仿真结果。
图中：1、输入波导I；2、输入波导II；3、耦合波导I；4、耦合波导II；5、耦合波导III；6、耦合波导IV；7、输出波导I；8、输出波导II；1-1、输入端口I；2-1、输入端口II；7-1、输出端口I；8-1、输出端口II。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明实施例所提供的一种偏振不敏感的定向耦合器结构的结构示意图。该偏振不敏感的定向耦合器结构包括：输入区、TE模式耦合区、TM模式耦合区和输出区。
输入区包括输入波导I 1和输入波导II 2；输入波导I 1与输入波导II 2中至少有一个为弯曲波导结构，以避免光在输入区发生耦合。其中，输入波导I 1的输入端连接输入端口I 1-1，输入波导II 2的输入端连接输入端口II 2-1。
TE模式耦合区包括耦合波导I 3和耦合波导II 4；耦合波导I 3的输入端连接输入波导I 1的输出端，耦合波导II 4的输入端连接输入波导II 2的输出端；其中，耦合波导I 3与耦合波导II 4是非对称分布的，且呈平行设置，通过设计不同的波导结构，使TE模式的偏振光能够在TE模式耦合区相互耦合，TM模式的偏振光在TE模式耦合区不发生耦合。具体地，耦合波导I 3与耦合波导II 4的波导宽度和高度均不同，使TE模式的偏振光能够在TE模式耦合区相互耦合，TM模式的偏振光在TE模式耦合区不发生耦合。例如，耦合波导I3的波导宽度小于耦合波导II4的宽度；耦合波导I3的高度大于耦合波导II4的高度。上述TE模式耦合区中，通过改变耦合波导I 3与耦合波导II 4的波导结构和耦合长度，可以实现TE模式的任意分光比输出。当然，TE模式耦合区的耦合波导I和耦合波导II之间可以设计的间隙较小，也可以设计的间隙较大，可以根据具体的需求进行设计。
TM模式耦合区包括耦合波导III 5和耦合波导IV 6；耦合波导III 5的输入端连接耦合波导I 3的输出端；耦合波导IV 6的输入端连接耦合波导II 4的输出端；其中，耦合波导III 5与耦合波导IV 6是非对称分布的，且呈平行设置，通过设计不同的波导结构，使TM模式的偏振光能够在TM模式耦合区相互耦合，TE模式的偏振光在TM模式耦合区不发生耦合。具体地，耦合波导III 5与耦合波导IV 6的波导宽度和高度均不同，使TM模式的偏振光能够在TM模式耦合区相互耦合，TE模式的偏振光在TM模式耦合区不发生耦合。例如，耦合波导III5的波导宽度小于耦合波导IV6的宽度；耦合波导III5的高度大于耦合波导IV6的高度。上述TM模式耦合区中，通过改变耦合波导III 5与耦合波导IV 6的波导结构和耦合长度，可以实现TM模式的任意分光比输出。当然，TM模式耦合区的耦合波导III和耦合波导IV之间可以设计的间隙较小，也可以设计的间隙较大，可以根据具体的需求进行设计。TE模式耦合区与TM模式耦合区的长度可以根据波导结构设计为不同的数值，根据具体的需求进行设置。
输出区包括输出波导I 7和输出波导II 8；输出波导I 7与输出波导II 8中至少有一个为弯曲波导结构，以避免光在输出区发生耦合。其中，输出波导I 7的输入端连接耦合波导III 5的输出端，输出波导II 8的输入端连接耦合波导IV 6的输出端。输出波导I 7的输出端连接输出端口I 7-1，输出波导II 8的输出端连接输出端口II 8-1。
本实施方式中，该偏振不敏感的定向耦合器结构为基于SOI的定向耦合器结构。该偏振不敏感的定向耦合器结构是通过光刻或者等离子体刻蚀与CMOS兼容的工艺制作而成。
上述偏振不敏感的定向耦合器结构的实现原理为：
当TE模式的偏振光从输入端口I 1-1或输入端口II 2-1输入时，在TE模式耦合区，由于满足相位匹配条件而发生相互耦合，通过设计耦合波导I 3和耦合波导II 4的波导结构和耦合长度，能够实现TE模式的不同分光比输出；而在TM模式耦合区，由于TE模式的偏振光不满足相位匹配条件而不发生相互耦合，使得TE模式的偏振光保持原来的分光比从输出波导I 7和输出波导II8输出；
当TM模式的偏振光从输入波导I 1或输入波导II 2输入时，在TE模式耦合区，由于TM模式的偏振光不满足相位匹配条件而不发生相互耦合；在TM模式耦合区，由于满足相位匹配条件而发生相互耦合，通过设计耦合波导III 5和耦合波导IV 6的波导结构和耦合长度，能够实现TM模式的不同分光比输出，使得TM模式的偏振光保持原来的分光比从输出端口I 7-1和输出端口II 8-1输出；
通过设计TE模式耦合区和TM模式耦合区的耦合波导结构和耦合长度，使得从同一输入波导注入的TE模式和TM模式的光具有相同的分光比输出，实现偏振不敏感的分束或合束功能。在此，上述偏振不敏感的定向耦合器结构可以实现偏振不敏感的分束功能，当然，根据光路可逆的原理，同样也可以实现偏振不敏感的定向耦合器的合束功能。
本实施例以SOI光波导结构为例，进行说明。
实施例1
一种偏振不敏感的定向耦合器的结构如图1所示。TE模式耦合区和TM模式耦合区的波导结构截面结构如图2和图3所示。TE模式耦合区和TM模式耦合区均为非对称定向耦合器结构。其中，TE模式耦合区的耦合波导I 3的宽度和高度为W1=400nm，H1=220nm，耦合波导II 4的宽度和高度为W2=575nm，H2=159.3nm，耦合间距G=200nm。TM模式耦合区的耦合波导III 5的宽度和高度为W1=400nm，H1=220nm，耦合波导IV 6的高度为H3=202.5nm，宽度W3=575nm，耦合间距G=200nm。输出区弯曲波导沿光束传播方向的长度为30μm。
首先，我们采用束传播法对TE模式耦合区的定向耦合器结构进行仿真，设定波长为1550 nm的光从输入端口I输入，其仿真结果如图4所示。我们以50%：50%光耦合器为例，当耦合区长度为19.4μm时，TE模式可以实现50%：50%的分光，TM模式则因不满足相位匹配条件，沿着原来的波导输出。
接着，我们对TM模式耦合区的定向耦合器结构进行仿真，其仿真结果如图5所示。我们仍以50%：50%光耦合器为例，当耦合区长度为8μm时，TM模式可以实现50%：50%的分光，TE模式则因不满足相位匹配条件，沿着原来的波导输出。
最后，我们对整个偏振不敏感的定向耦合器结构进行仿真，当输入波长为1550 nm时，仿真结果如图6所示，由于光在输出区弯曲波导之间存在部分耦合的影响，我们对TE模式耦合区和TM模式耦合区的耦合长度进一步进行了优化，TE模式的耦合区长度为22.4μm，TM模式的耦合区长度为4μm。可见，当TE模式和TM从输入端口I注入时，均可实现50%：50%的分光比功能。
进一步，我们研究了偏振不敏感的定向耦合器结构的宽带传输特性，仿真结果如图7所示，波长在1500nm-1600nm的区间内，TE模式和TM模式的分光比变化分别小于0.07和0.12，而传统定向耦合器结构的TE模式和TM模式的分光比变化分别小于0.29和0.22。可见，偏振不敏感的定向耦合器结构还可以实现宽带传输特性。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种偏振不敏感的定向耦合器结构，其特征在于，包括：
输入区，所述输入区包括输入波导I(1)和输入波导II(2)；
TE模式耦合区，所述TE模式耦合区包括耦合波导I(3)和耦合波导II(4)；所述耦合波导I(3)的输入端连接输入波导I(1)的输出端，所述耦合波导II(4)的输入端连接输入波导II(2)的输出端；其中，所述耦合波导I(3)与所述耦合波导II(4)是非对称分布的，且呈平行设置，使TE模式的偏振光能够在TE模式耦合区相互耦合，TM模式的偏振光在TE模式耦合区不发生耦合；
TM模式耦合区，所述TM模式耦合区包括耦合波导III(5)和耦合波导IV(6)；所述耦合波导III(5)的输入端连接耦合波导I(3)的输出端；所述耦合波导IV(6)的输入端连接耦合波导II(4)的输出端；其中，所述耦合波导III(5)与所述耦合波导IV(6)是非对称分布的，且呈平行设置，使TM模式的偏振光能够在TM模式耦合区相互耦合，TE模式的偏振光在TM模式耦合区不发生耦合；
输出区，所述输出区包括输出波导I(7)和输出波导II(8)；所述输出波导I(7)的输入端连接耦合波导III(5)的输出端，所述输出波导II(8)的输入端连接耦合波导IV(6)的输出端；
所述耦合波导I(3)的波导宽度小于所述耦合波导II(4)的宽度；所述耦合波导I(3)的高度大于所述耦合波导II(4)的高度；使TE模式的偏振光能够在TE模式耦合区相互耦合，TM模式的偏振光在TE模式耦合区不发生耦合；
所述耦合波导III(5)的波导宽度小于所述耦合波导IV(6)的宽度；所述耦合波导III(5)的高度大于所述耦合波导IV(6)的高度；使TM模式的偏振光能够在TM模式耦合区相互耦合，TE模式的偏振光在TM模式耦合区不发生耦合；
通过设计TE模式耦合区和TM模式耦合区的耦合波导结构和耦合长度，使得从同一输入波导注入的TE模式和TM模式的光具有相同的分光比输出。
2.根据权利要求1所述的偏振不敏感的定向耦合器结构，其特征在于，所述输入波导I(1)与所述输入波导II(2)中至少有一个为弯曲波导结构，以避免光在输入区发生耦合。
3.根据权利要求1所述的偏振不敏感的定向耦合器结构，其特征在于，所述输出波导I(7)与所述输出波导II(8)中至少有一个为弯曲波导结构，以避免光在输出区发生耦合。
4.根据权利要求1所述的偏振不敏感的定向耦合器结构，其特征在于，该偏振不敏感的定向耦合器结构为基于SOI的定向耦合器结构；
该偏振不敏感的定向耦合器结构是通过光刻或者等离子体刻蚀与CMOS兼容的工艺制作而成。
5.根据权利要求1所述的偏振不敏感的定向耦合器结构，其特征在于，所述输入波导I(1)的输入端连接输入端口I(1-1)，所述输入波导II(2)的输入端连接输入端口II(2-1)；所述输出波导I(7)的输出端连接输出端口I(7-1)，所述输出波导II(8)的输出端连接输出端口II(8-1)。
6.一种如权利要求1～5中任意一项所述的偏振不敏感的定向耦合器结构的偏振分束或合束方法，包括如下步骤：
当TE模式的偏振光从输入波导I(1)或输入波导II(2)输入时，在TE模式耦合区，由于满足相位匹配条件而发生相互耦合，通过设计耦合波导I(3)和耦合波导II(4)的波导结构和耦合长度，能够实现TE模式的不同分光比输出；而在TM模式耦合区，由于TE模式的偏振光不满足相位匹配条件而不发生相互耦合，使得TE模式的偏振光保持原来的分光比从输出波导I(7)和输出波导II(8)输出；
当TM模式的偏振光从输入波导I(1)或输入波导II(2)输入时，在TE 模式耦合区，由于TM模式的偏振光不满足相位匹配条件而不发生相互耦合；在TM模式耦合区，由于满足相位匹配条件而发生相互耦合，通过设计耦合波导III(5)和耦合波导IV(6)的波导结构和耦合长度，能够实现TM模式的不同分光比输出，使得TM模式的偏振光保持原来的分光比从输出波导I(7)和输出波导II(8)输出；
通过设计TE模式耦合区和TM模式耦合区的耦合波导结构和耦合长度，使得从同一输入波导注入的TE模式和TM模式的光具有相同的分光比输出，实现偏振不敏感的分束或合束功能。
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Polarization-insensitive broadband 2×2 3dB power splitter based on silicon-bent directional couplers;XUN CHEN etal;《Optics Letters》;OSA;20170919;第42卷(第19期);正文第3738-3740页，附图1-6 *
Polarization-insensitive broadband 3dB optical power splitter based on silicon curved directional coupler with rib waveguide;Di Zheng etal;《Asia Communications and Photonics Conference》;OSA;20191231;全文 *

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CN113189708A (zh) 2021-07-30

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