CN113253384A - 一种高消光比的偏振分束器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高消光比的偏振分束器结构，属于光器件技术领域。包括依次设置的输入区、TE模式耦合区、TM模式耦合区、输出区；输入区：包括输入波导；TE模式耦合区：第一TE模式耦合波导和第二TE模式耦合波导；TM模式耦合区：第一TM模式耦合波导、第二TM模式耦合波导及第三TE模式耦合波导，输出区：第一输出波导和第二输出波导；第一TE模式耦合波导和第二TE模式耦合波导均为条形直波导结构；第二TM模式耦合波导为脊形直波导结构。本发明通过分别设计TE模式和TM模式的非对称波导耦合结构，即可实现低插入损耗、高消光比特性和宽带传输特性。
Description
技术领域
本发明属于光器件技术领域，具体涉及一种高消光比的偏振分束器结构。
背景技术
在硅基光子学领域，绝缘体上的硅（SOI）材料由于Si和SiO2之间的较大材料折射率差异容易获得较小尺寸、结构紧凑的光波导器件，而且SOI光波导器件工艺与成熟的硅基CMOS工艺完全兼容，更易实现批量化生产。因此，从20世纪80年代开始，发展基于SOI光波导器件的光电子集成回路，已经成为硅基光电子集成技术的重要趋势之一。然而，在亚微米级的SOI波导中，强限制光波导结构会导致横电场模式（TE）和横磁场模式（TM）在同一SOI光波导中呈现出不同的光学传输特性。在相干光通信、光互联等领域，SOI光波导的双折射效应可能会恶化光信号，因而，研制偏振分束、偏振转换等器件在硅基光子学领域是非常重要的。
近年来，人们已经研制出基于定向耦合器、光子晶体、马赫-增德尔干涉仪（MZI）、混合等离子体硅波导等结构的偏振分束器结构。然而，大多数已经报道的偏振分束器结构的消光比通常被限制在20dB以内。为了提高TE模式和TM模式的偏振消光比特性，基于非对称定向耦合器的偏振分束器结构可以有效地提高消光比，减小器件尺寸和获得一个较大的工艺容差。相比于纳米沟槽（Slot）、混合等离子体波导等结构，三个耦合波导结构由于容易实现高消光比性能，已经成为一种非常好的偏振分束器实现方案。然而，基于三个耦合波导的偏振分束结构仍需引入纳米沟槽、等离子体辅助等结构或Si3N4等材料来实现，对工艺要求高，且制备较为复杂，不适宜批量化和规模化生产。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供的一种高消光比的偏振分束器结构，该结构不需要引入纳米沟槽、等离子体辅助等结构或Si3N4等材料，通过分别设计TE模式和TM模式的非对称波导耦合结构，即可实现低插入损耗、高消光比特性和宽带传输特性。器件结构紧凑，且可通过普通的光刻、等离子体刻蚀等CMOS工艺即可制备，对工艺要求不苛刻。本发明提出的高消光比的偏振分束器结构在硅基光子学具有广阔的应用前景。
本发明第一个目的是提供一种高消光比的偏振分束器结构，包括依次设置的输入区、TE模式耦合区、TM模式耦合区、输出区；
所述输入区：包括输入波导；
所述TE模式耦合区：包括第一TE模式耦合波导和第二TE模式耦合波导；所述第一TE模式耦合波导一端与所述输入波导一端相连；
所述TM模式耦合区：包括第一TM模式耦合波导、第二TM模式耦合波导及第三TE模式耦合波导，所述第一TM模式耦合波导一端与所述第一TE模式耦合波导另一端相连，所述第三TE模式耦合波导一端与所述第二TE模式耦合波导一端相连，所述第一TM模式耦合波导位于所述第三TE模式耦合波导与所述第二TM模式耦合波导之间；
所述输出区：包括第一输出波导和第二输出波导，所述第一输出波导一端与所述第三TE模式耦合波导另一端相连，所述第二输出波导与所述第二TM模式耦合波导一端相连；
所述第一TE模式耦合波导和第二TE模式耦合波导均为条形直波导结构；
所述第二TM模式耦合波导为脊形直波导结构。
优选的，所述脊形直波导结构由条形直波导结构及所述条形直波导结构一侧或两侧设有平板波导结构组成。
更优选的，所述第二TM模式耦合波导由条形直波导Ⅰ及所述条形直波导Ⅰ远离所述第一TM模式耦合波导一侧设有的平板波导组成。
更优选的，所述第三TE模式耦合波导和所述第一TM模式耦合波导均为条形直波导结构。
优选的，所述第二TE模式耦合波导支持TE偏振模式，与所述第一TE模式耦合波导之间具有间隙通过倏逝波耦合，使所述第二TE模式耦合波导输出TE偏振模式。
优选的，所述第三TE模式耦合波导支持TE偏振模式，与所述第一TM模式耦合波导之间具有间隙通过倏逝波耦合，使所述第三TE模式耦合波导输出TE偏振模式。
优选的，所述第二TM模式耦合波导支持TM偏振模式，与所述第一TM模式耦合波导之间具有间隙通过倏逝波耦合，使所述第二TM模式耦合波导输出TM偏振模式。
优选的，所述输入波导远离所述第一TE模式耦合波导的一端设为输入端口；
所述第一输出波导远离所述第三TE模式耦合波导的一端设为第一输出端口，所述第一输出端口输出TE偏振模式；
所述第二输出波导远离所述第二TM模式耦合波导的一端设为第二输出端口，所述第二输出端口输出TM偏振模式。
本发明第二个目的是提供一种高消光比的偏振分束器，所述偏振分束器包括上述的偏振分束器结构。
本发明第三个目的是提供一种偏振分束器在硅基光子学中的应用。
本发明提供的高消光比的偏振分束器结构的实现原理为：
通过分别设计TE模式耦合区和TM模式耦合区的波导结构，使得在TE模式耦合区，TE模式满足相位匹配条件发生相互耦合，TM模式则因相位不匹配而不发生耦合；在TM模式耦合区，TM模式满足相位匹配条件发生相互耦合，TE模式则因相位不匹配而不发生耦合。
当TE模式的偏振光从输入端口注入时，在TE模式耦合区发生耦合，通过设计耦合长度，使得TE模式的偏振光从输出端口1输出。当TM模式的偏振光从输入端口注入时，在TM模式耦合区发生耦合，通过设计耦合长度，使得TM模式的偏振光从输出端口2输出，从而实现偏振分束功能。
由于该偏振分束器结构为三个不同的耦合波导结构，且TE模式在TM模式耦合区几乎不发生耦合，而TM模式在TE模式耦合区几乎不发生耦合，因而可以实现偏振分束的高消光比特性。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供的一种高消光比的偏振分束器结构，该结构不需要引入纳米沟槽、等离子体辅助等结构或Si3N4等材料只通过分别设计TE模式和TM模式的非对称波导耦合结构，即可实现低插入损耗、高消光比特性和宽带传输特性。器件结构紧凑，且可通过普通的光刻、等离子体刻蚀等CMOS工艺即可制备，对工艺要求不苛刻。本发明提出的高消光比的偏振分束器结构在硅基光子学具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1提供的高消光比的偏振分束器结构示意图；
图2为实施例1提供的高消光比的偏振分束器结构中TE模式耦合区的波导结构横截面意图；
图3为实施例1提供的高消光比的偏振分束器结构中TM模式耦合区的波导结构横截面意图；
图4为实施例1提供的高消光比的偏振分束器结构的仿真结果图示；
图5为实施例1提供的高消光比的偏振分束器结构于TE模式和TM模式的插入损耗随波长变化的仿真结果曲线图；
图6为实施例1提供的高消光比的偏振分束器结构于TE模式和TM模式的消光比性能随波长变化的仿真结果曲线图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供一种高消光比的偏振分束器结构，见图1~3所示，包括依次设置的输入区100、TE模式耦合区200、TM模式耦合区300、输出区400；
输入区100：包括输入波导101；
TE模式耦合区200：包括第一TE模式耦合波导201和第二TE模式耦合波导202；第一TE模式耦合波导201一端与输入波导101一端相连；
TM模式耦合区300：包括第一TM模式耦合波导301、第二TM模式耦合波导302及第三TE模式耦合波导303，第一TM模式耦合波导301一端与第一TE模式耦合波导201另一端相连，第三TE模式耦合波导303一端与第二TE模式耦合波导202一端相连，第一TM模式耦合波导301位于第三TE模式耦合波导303与第二TM模式耦合波导302之间；
输出区400：包括第一输出波导401和第二输出波导402，第一输出波导401一端与第三TE模式耦合波导303另一端相连，第二输出波导402与第二TM模式耦合波导302一端相连；
见图2所示，第一TE模式耦合波导201和第二TE模式耦合波导202均为条形直波导结构；
第二TM模式耦合波导302为脊形直波导结构。
脊形直波导结构由条形直波导结构及条形直波导结构一侧或两侧设有平板波导结构组成。
见图3所示，第二TM模式耦合波导302由条形直波导Ⅰ3021及条形直波导Ⅰ3021远离第一TM模式耦合波导301一侧设有的平板波导3022组成；第三TE模式耦合波导303和第一TM模式耦合波导301均为条形直波导结构。
第二TE模式耦合波导202支持TE偏振模式，与第一TE模式耦合波导201之间具有间隙通过倏逝波耦合，使第二TE模式耦合波导202输出TE偏振模式。
第三TE模式耦合波导303支持TE偏振模式，与第一TM模式耦合波导301之间具有间隙通过倏逝波耦合，使第三TE模式耦合波导303输出TE偏振模式。
第二TM模式耦合波导302支持TM偏振模式，与第一TM模式耦合波导301之间具有间隙通过倏逝波耦合，使第二TM模式耦合波导302输出TM偏振模式。
输入波导101远离第一TE模式耦合波导201的一端设为输入端口；
第一输出波导401远离第三TE模式耦合波导303的一端设为第一输出端口，第一输出端口输出TE偏振模式；
第二输出波导402远离第二TM模式耦合波导302的一端设为第二输出端口，第二输出端口输出TM偏振模式。
本发明提供的高消光比的偏振分束器结构可以基于硅、SOI、二氧化硅、氮化硅、InP、GaAs等波导结构材料；
本发明提供的高消光比的偏振分束器可以通过光刻、电子束刻蚀、等离子体刻蚀等工艺制作，结构紧凑。
需要说明的是，除过第二TM模式耦合波导为脊形直波导结构以外，其余的波导可以是本发明提供的脊形直波导结构，或者是条形直波导结构；
下述各实施例便于说明本发明提供的偏振分束器结构的相关性能，将第二TM模式耦合波导设为脊形直波导结构，其余的波导均设为条形直波导结构。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例
一种高消光比的偏振分束器结构，见图1~3所示，包括依次设置的输入区100、TE模式耦合区200、TM模式耦合区300、输出区400；
输入区100：包括输入波导101，将输入波导101设为条形直波导结构，其宽度和高度为W1=400nm，H1=220nm；
TE模式耦合区200：包括第一TE模式耦合波导201和第二TE模式耦合波导202；第一TE模式耦合波导201一端与输入波导101一端相连；见图2所示，第一TE模式耦合波导201和第二TE模式耦合波导202均为条形直波导结构；
其第一TE模式耦合波导201宽度和高度为W1=400nm，H1=220nm，第二TE模式耦合波导202的宽度和高度为W2=610nm，H2=150nm；
第二TE模式耦合波导202支持TE偏振模式，与第一TE模式耦合波导201之间具有间隙通过倏逝波耦合，使第二TE模式耦合波导202输出TE偏振模式；TE模式耦合区的耦合间距为150nm。
TM模式耦合区300：包括第一TM模式耦合波导301、第二TM模式耦合波导302及第三TE模式耦合波导303，第一TM模式耦合波导301一端与第一TE模式耦合波导201另一端相连，第三TE模式耦合波导303一端与第二TE模式耦合波导202一端相连，第一TM模式耦合波导301位于第三TE模式耦合波导303与第二TM模式耦合波导302之间；
将第一TM模式耦合波导301设为条形直波导结构，其宽度和高度为W1=400nm，H1=220nm；
将第二TM模式耦合波导302为脊形直波导结构，脊形直波导结构由条形直波导结构及条形直波导结构一侧或两侧设有平板波导结构组成；
见图3所示，第二TM模式耦合波导302由条形直波导Ⅰ3021及条形直波导Ⅰ3021远离第一TM模式耦合波导301一侧设有的平板波导3022组成；
条形直波导Ⅰ3021其宽度和高度为W1=400nm，H1=220nm；平板波导3022的截面宽为210nm，高度为150nm；
第三TE模式耦合波导303也设为条形直波导结构，其宽度和高度为W2=610nm，H2=150nm；
第二TM模式耦合波导302支持TM偏振模式，与第一TM模式耦合波导301之间具有间隙通过倏逝波耦合，使第二TM模式耦合波导302输出TM偏振模式，TM模式耦合区的耦合间距为200nm。
输出区400：包括第一输出波导401和第二输出波导402，第一输出波导401一端与第三TE模式耦合波导303另一端相连，第二输出波导402与第二TM模式耦合波导302一端相连；
其将第一输出波导401设置成与第三TE模式耦合波导303相同的结构，将第二输出波导402设置成与第二TM模式耦合波导302相同的结构。
见图1所示，输入波导101远离第一TE模式耦合波导201的一端设为输入端口输入端；
第一输出波导401远离第三TE模式耦合波导303的一端设为第一输出端口输出端1，第一输出端口输出TE偏振模式；
第二输出波导402远离第二TM模式耦合波导302的一端设为第二输出端口输出端2，第二输出端口输出TM偏振模式。
另外，当TE模式从输入端口注入，设置第三TE模式耦合波导303支持TE偏振模式，与第一TM模式耦合波导301之间具有间隙通过倏逝波耦合，使第三TE模式耦合波导303输出TE偏振模式，其中，第三TE模式耦合波导303与第一TM模式耦合波导301之间设置耦合间距为150nm，可实现TE模式耦合，为此，可以将并列设置的第二TE模式耦合波导202与第三TE模式耦合波导303一同作为TE模式耦合区，而实现TE模式耦合。
见图2~3，本实施例提供的高消光比的偏振分束器结构基于硅材料，置于二氧化硅基底上而提供的一种；
本实施例以SOI光波导结构为例。
采用束传播法对高消光比的偏振分束器结构进行仿真，设定波长为1550nm的TE模式和TM模式的偏振光分别从输入端口注入，其仿真结果如图4所示。TE模式耦合区的耦合长度为24.7μm，TM模式耦合区的耦合长度为9.5μm。可见，TE模式的偏振光从输出端口1输出，而TM模式的偏振光从输出端口2输出，实现偏振分束功能。TE模式和TM模式的插入损耗分别为0dB和0.04dB，TE模式和TM模式的消光比分别为23.5dB和26.9dB，均大于20dB。
接着，我们对高消光比的偏振分束器结构的宽带传输特性进行了仿真，TE模式和TM模式的插入损耗如图5所示，消光比性能如图6所示。可见，波长从1465nm到1635nm的170nm的变化区间内，TE模式和TM模式的插入损耗均小于3dB，消光比均大于20dB。因此，我们提出的高消光比的偏振分束器结构可以实现宽带传输特性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种高消光比的偏振分束器结构，其特征在于，包括依次设置的输入区（100）、TE模式耦合区（200）、TM模式耦合区（300）、输出区（400）；
所述输入区（100）：包括输入波导（101）；
所述TE模式耦合区（200）：包括第一TE模式耦合波导（201）和第二TE模式耦合波导（202）；所述第一TE模式耦合波导（201）一端与所述输入波导（101）一端相连；
所述TM模式耦合区（300）：包括第一TM模式耦合波导（301）、第二TM模式耦合波导（302）及第三TE模式耦合波导（303），所述第一TM模式耦合波导（301）一端与所述第一TE模式耦合波导（201）另一端相连，所述第三TE模式耦合波导（303）一端与所述第二TE模式耦合波导（202）一端相连，所述第一TM模式耦合波导（301）位于所述第三TE模式耦合波导（303）与所述第二TM模式耦合波导（302）之间；
所述输出区（400）：包括第一输出波导（401）和第二输出波导（402），所述第一输出波导（401）一端与所述第三TE模式耦合波导（303）另一端相连，所述第二输出波导（402）与所述第二TM模式耦合波导（302）一端相连；
所述第一TE模式耦合波导（201）和第二TE模式耦合波导（202）均为条形直波导结构；
所述第二TM模式耦合波导（302）为脊形直波导结构。
2.根据权利要求1所述的高消光比的偏振分束器结构，其特征在于，所述脊形直波导结构由条形直波导结构及所述条形直波导结构一侧或两侧设有平板波导结构组成。
3.根据权利要求2所述的高消光比的偏振分束器结构，其特征在于，所述第二TM模式耦合波导（302）由条形直波导Ⅰ（3021）及所述条形直波导Ⅰ（3021）远离所述第一TM模式耦合波导（301）一侧设有的平板波导（3022）组成。
4.根据权利要求3所述的高消光比的偏振分束器结构，其特征在于，所述第三TE模式耦合波导（303）和所述第一TM模式耦合波导（301）均为条形直波导结构。
5.根据权利要求1所述的高消光比的偏振分束器结构，其特征在于，所述第二TE模式耦合波导（202）支持TE偏振模式，与所述第一TE模式耦合波导（201）之间具有间隙通过倏逝波耦合，使所述第二TE模式耦合波导（202）输出TE偏振模式。
6.根据权利要求1所述的高消光比的偏振分束器结构，其特征在于，所述第三TE模式耦合波导（303）支持TE偏振模式，与所述第一TM模式耦合波导（301）之间具有间隙通过倏逝波耦合，使所述第三TE模式耦合波导（303）输出TE偏振模式。
7.根据权利要求1所述的高消光比的偏振分束器结构，其特征在于，所述第二TM模式耦合波导（302）支持TM偏振模式，与所述第一TM模式耦合波导（301）之间具有间隙通过倏逝波耦合，使所述第二TM模式耦合波导（302）输出TM偏振模式。
8.根据权利要求1所述的高消光比的偏振分束器结构，其特征在于，所述输入波导（101）远离所述第一TE模式耦合波导（201）的一端设为输入端口；
所述第一输出波导（401）远离所述第三TE模式耦合波导（303）的一端设为第一输出端口，所述第一输出端口输出TE偏振模式；
所述第二输出波导（402）远离所述第二TM模式耦合波导（302）的一端设为第二输出端口，所述第二输出端口输出TM偏振模式。
9.一种高消光比的偏振分束器，所述偏振分束器包括权利要求1~8任一项所述的偏振分束器结构。
10.一种权利要求9所述的偏振分束器在硅基光子学中的应用。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113253384B (zh) | 2021-10-19 |
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Legal Events
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Denomination of invention: A polarization beam splitter structure with high extinction ratio Effective date of registration: 20220324 Granted publication date: 20211019 Pledgee: Xi'an Science and Technology Financial Service Center Co.,Ltd. Pledgor: QXP TECHNOLOGIES Inc. Registration number: Y2022610000106 |
|
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Date of cancellation: 20230407 Granted publication date: 20211019 Pledgee: Xi'an Science and Technology Financial Service Center Co.,Ltd. Pledgor: QXP TECHNOLOGIES Inc. Registration number: Y2022610000106 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Polarization Beam Splitter Structure with High Extinction Ratio Effective date of registration: 20230920 Granted publication date: 20211019 Pledgee: Bank of China Limited Xi'an High tech Development Zone Sub branch Pledgor: QXP TECHNOLOGIES Inc. Registration number: Y2023980058074 |