CN117452558A - 一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，包括硅衬底和设置于硅衬底上表面且包覆有二氧化硅包层的硅波导芯层；硅波导芯层包括定向耦合器和偏振滤波器；定向耦合器由两段宽度相同的光波导和九段宽度相同的亚波长光栅波导组成，在两段光波导和九段亚波长光栅波导中TM偏振的有效光程相同，而TE偏振的有效光程不同，因此将TM偏振耦合到TM输出端，同时亚波长光栅波导用以过滤TE偏振；偏振滤波器包裹在TE输出端，包括十段弯曲波导，用以过滤TM偏振；本发明可利用集成工艺制备，工艺简单且容差较大，且具有带宽大、偏振消光比高、插入损耗小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种宽带偏振分束器，尤其是一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，属于光子集成技术领域。
背景技术
偏振分束器PBS作为一种无源光器件已广泛地应用于光通信中，其主要功能是将一束入射光分解成两束相互垂直的线偏振光，它在激光、液晶显示、光储存以及偏振成像等领域中有着至关重要的作用。PBS的类型有很多，比如多模干涉(Multiple ModeInterference，MMI)、定向耦合器(Directional Coupler，DC)、等离子体波导等。但是对于上述这些结构，它们均存在占地面积大，消光比低等缺陷。因此，设计一种具有高消光比、短耦合长度的PBS，对提升光子器件性能有着十分重要的意义。
各向异性超材料(Anisotropic Metamaterials，AM)技术可以实现偏振器件的超紧凑化，AM通过调节材料结构的物理尺寸和拓扑方式，打破了一些明显的自然规律的束缚，获得了超越自然原始物理特性的异常功能和效果。亚波长光栅(Sub-wavelength Grating，SWG)由于其强大的各向异性和平坦的色散，是实现超材料合成的必要且有效的结构。超材料亚波长结构可以在不同方向对光学材料折射率进行控制，为光学器件的设计提供了新的方法和思路。
发明内容
本发明针对现有偏振分束器的不足，提供一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，实现尺寸小、低插入损耗、高消光比，大工作带宽的特性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，包括硅衬底和设置于硅衬底上表面且包覆有二氧化硅包层的硅波导芯层；
所述硅波导芯层包括两段宽度相同且间隔设置的波导，一段波导为第二直通光波导，另一段波导包括前半部分的第一直通光波导和后半部分的设置为半圆形的第一弯曲波导，且第一直通光波导的端部为入射端、第一弯曲波导的端部为输出端；
所述第一直通光波导与第二直通光波导之间设置有九段宽度相同的亚波长光栅，形成用于耦合TM偏振光的定向耦合器；所述九段宽度相同的亚波长光栅每三个为一组分别设置于第一直通光波导的一侧、第一直通光波导和第二直通光波导之间、第二直通光波导一侧，九段亚波长光栅由上至下依次为第一亚波长光栅、第二亚波长光栅、第三亚波长光栅、第四亚波长光栅、第五亚波长光栅、第六亚波长光栅、第七亚波长光栅、第八亚波长光栅、第九亚波长光栅；
所述第一弯曲波导的外侧包裹有与其为同心圆的均呈半圆形的九段弯曲波导，形成用于过滤TE偏振光的偏振滤波器；由第一弯曲波导向外依次为第二弯曲波导、第三弯曲波导、第四弯曲波导、第五弯曲波导、第六弯曲波导、第七弯曲波导、第八弯曲波导、第九弯曲波导、第十弯曲波导，且宽度依次减小。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一直通光波导和第二直通光波导的高为220nm、宽为500nm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述九段宽度相同的亚波长光栅中的每个亚波长光栅的高度均为220nm，宽度均为50nm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一直通光波导和第二直通光波导的耦合间距为350nm，每两个相邻亚波长光栅之间的耦合间距均为50nm，第一直通光波导分别与第三亚波长光栅、第四亚波长光栅之间的耦合间距为50nm，第二直通光波导分别与第六亚波长光栅、第七亚波长光栅之间的耦合间距为50nm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述偏振滤波器满足TM偏振态的相位匹配条件。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一弯曲波导的高为220nm，宽为500nm，弯曲半径为2.5μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述九段弯曲波导的高均为220nm，宽度由内向外依次为140nm、130nm、120nm、110nm、100nm、90nm、80nm、70nm、60nm，弯曲半径由内向外依次为2.63μm、2.765μm、2.905μm、3.05μm、3.245μm、3.4μm、3.56μm、3.725μm、3.895μm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一弯曲波导和第二弯曲波导的间距为60nm；所述第二弯曲波导和第三弯曲波导的间距为70nm；所述第三弯曲波导和第四弯曲波导的间距为80nm；所述第四弯曲波导和第五弯曲波导的间距为90nm；所述第五弯曲波导和第六弯曲波导的间距为100nm；所述第六弯曲波导和第七弯曲波导的间距为110nm；所述第七弯曲波导和第八弯曲波导的间距为120nm；所述第八弯曲波导和第九弯曲波导的间距为130nm；所述第九弯曲波导和第十弯曲波导的间距为140nm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述偏振滤波器满足TM偏振态的相位匹配条件。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明通过在耦合器中引入超材料亚波长光栅结构，使得TE偏振态在耦合区处于反射态，降低其耦合效率，而TM偏振态几乎没有影响，因此在保证TM高耦合效率前提下，大大提升了TE偏振态的消光比。耦合器的形成原理是基于相位匹配原理，通过改变亚波长光栅的占空比，使得TE偏振态在波导中的有效光程不同，而TM偏振态的有效光程相同，进而导致TM相位匹配，有效地耦合到TM输出波导。
为了进一步地提升TM偏振态的消光比，本发明在耦合器的TE输出端口引入了由超材料所组成的偏振滤波器，可以将未完全耦合到光栅波导中的TM偏振态滤除，从而提升了器件的工作带宽。
本发明器件可利用集成工艺制备，工艺简单且容差较大，在较宽的波长范围内均可以实现较高的消光比，易于实现与其他器件的集成，为下一代光或量子通信提拱了技术支持。
附图说明
图1为本发明实施例中基于超材料亚波长结构的偏振分束器中主体结构的俯视图；
图2为本发明实施例中定向耦合器的俯视图；
图3为本发明实施例中偏振滤波器的俯视图；
图4为本发明实施例中偏振分束器TE，TM奇模和偶模的有效折射率随光波导间隙的变化曲线示意图；
图5为本发明实施例中偏振分束器有偏振滤波器和无偏振滤波器TM偏振在输出端口处透射率随波长的变化示意图；
图6为本发明实施例中偏振分束器的透射率、消光比、插入损耗与耦合长度、条带宽度关系示意图；
图7为本发明实施例中偏振分束器的TE、TM偏振的光能分布图；
图8为本发明实施例中偏振分束器的消光比、插入损耗与波长之间的关系；
图9为本发明实施例中偏振分束器的波导宽度、高度制作公差对TM、TE偏振的影响；
其中，1、第一直通光波导，2、第二直通光波导，3、第一亚波长光栅，4、第二亚波长光栅，5、第三亚波长光栅，6、第四亚波长光栅，7、第五亚波长光栅，8、第六亚波长光栅，9、第七亚波长光栅，10、第八亚波长光栅，11、第九亚波长光栅，12、第一弯曲波导，13、第二弯曲波导，14、第三弯曲波导，15、第四弯曲波导，16、第五弯曲波导，17、第六弯曲波导，18、第七弯曲波导，19、第八弯曲波导，20、第九弯曲波导，21、第十弯曲波导。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在附图中示出了根据本发明实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差。
一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，包括：硅衬底、硅波导芯层和二氧化硅包层；所述波导芯层位于二氧化硅包层内部且二氧化硅包层位于所述衬底上表面。
如图1所示，所述波导芯层包括定向耦合器和偏振滤波器。
如图2所示为定向耦合器的俯视图，平行的第一直通光波导1与第二直通光波导2的两侧被由亚波长光栅周期性排列构成的超材料结构所覆盖，当光束从入射端输入时，TE偏振光由于不满足相位匹配条件，保持在第一直通光波导1中，而TM偏振光满足相位匹配条件，被耦合到下方的第二直通光波导2中。
定义超材料包层几何结构的主要参数——周期T、周期数N和填充系数f，如果仔细选择这些参数，我们可以使TE偏振具有超长耦合即弱耦合结构，而TM偏振的耦合长度与之相比短几个数量级。使用定向耦合理论来进行器件设计，PBS的耦合长度LC由公式(1)确定。
其中λ为入射波长，nodd与neven分别表示为奇对称模和偶对称模的有效折射率。
如图2所示，所述第一直通光波导1和第二直通光波导2的高为220nm、宽为500nm。所述九段宽度相同的亚波长光栅中的每个亚波长光栅的高度均为220nm，宽度均为50nm。所述第一直通光波导1和第二直通光波导2的耦合间距为350nm，每两个相邻亚波长光栅之间的耦合间距均为50nm，第一直通光波导1分别与第三亚波长光栅5、第四亚波长光栅6之间的耦合间距为50nm，第二直通光波导2分别与第六亚波长光栅8、第七亚波长光栅9之间的耦合间距为50nm。
通过对耦合长度Lc的计算和模拟仿真优化，最终选取以上波导参数。
图3为偏振滤波器的俯视图；由于第一弯曲波导12外侧存在超材料包层结构，即与其为同心圆的均呈半圆形的九段弯曲波导，剩余的TM偏振大部分从波导中耦合到自由空间。而对于TE偏振，弯曲损耗非常小，可以忽略。无论波长如何，TM偏振都将耦合到自由空间中，从而可以被有效的过滤掉。
定义弯曲波导处超材料包层几何结构的主要参数—周期P、硅肋数量N1和填充系数ff。想要有效地将TM偏振耦合到自由空间，当TM偏振离开直通光波导WG芯时，超材料包层的ff需要线性减小，这意味着Si肋的宽度需要从包层的内侧到外侧逐渐减小。实际设计的超材料结构为在固定空间周期P＝200nm情况下，ff参数从WG芯附近的0.7线性变化到超材料结构外侧的0.3。弯曲光栅的最小特征尺寸为50nm，因此在WG芯附近空气间隙和包层外侧的Si肋宽度都设计为60nm，便于加工。周期数N1需要足够高，以使TM偏振有效地衍射到自由空间中，这里选择N1＝9。
如图3所示，第一弯曲波导12的高为220nm，宽为500nm，弯曲角度为180°，弯曲半径为2.5μm。所述九段弯曲波导的高均为220nm，弯曲角度均为180°，宽度由内向外依次为140nm、130nm、120nm、110nm、100nm、90nm、80nm、70nm、60nm，弯曲半径由内向外依次为2.63μm、2.765μm、2.905μm、3.05μm、3.245μm、3.4μm、3.56μm、3.725μm、3.895μm。所述第一弯曲波导12和第二弯曲波导13的间距为60nm；所述第二弯曲波导13和第三弯曲波导14的间距为70nm；所述第三弯曲波导14和第四弯曲波导15的间距为80nm；所述第四弯曲波导15和第五弯曲波导16的间距为90nm；所述第五弯曲波导16和第六弯曲波导17的间距为100nm；所述第六弯曲波导17和第七弯曲波导18的间距为110nm；所述第七弯曲波导18和第八弯曲波导19的间距为120nm；所述第八弯曲波导19和第九弯曲波导20的间距为130nm；所述第九弯曲波导20和第十弯曲波导21的间距为140nm。
需要注意的是，本实施例提供的器件参数仅为说明原理的典型值，涉及具体加工工艺时，可采用其他合理值，但需要符合器件工作原理。
图4为偏振分束器TE，TM奇模和偶模的有效折射率随光波导间隙的变化曲线示意图；当第一直通光波导1和第二直通光波导2间隙为350nm，即N＝3时，TE的奇模和偶模的数值已经相差很小，考虑到器件的尺寸问题，则不再增加N的数量。根据公式1可知，此时TM偏振的耦合长度LC为8.7μm，而TE偏振的LC为484μm。因此，该结构可以有效的抑制TE耦合，增强TM耦合。
图5为偏振分束器有偏振滤波器和无偏振滤波器TM偏振在输出端口处透射率随波长的变化示意图；由于输出端口滤波器的存在，剩余TM偏振被有效的耦合到了自由空间，而输出端口没有滤波器时，TM偏振只在很小的波长范围内有较小的透射率，严重影响了TM偏振的消光比，使该分束器的有效带宽大大减小。
在整个器件的设计中，将消光比(Polarization Extinction Ratio,PER)和插入损耗(Insertion Loss,IL)作为评价偏振分束器性能的好坏的重要指标，其定义为：
PERTM＝10log10(PTM_B/PTM_A) (2)
PERTE＝10log10(PTE_A/PTE_B) (3)
ILTE＝10log10(PTE_A/PInput_TE) (4)
ILTM＝10log10(PTM_B/PInput_TM) (5)
其中，PTE_A、PTE_B、PTM_A、PTM_B分别为TE、TM偏振在输出端口A、B处的功率，PInput_TE、PInput_TM为输入端口处TE、TM偏振的功率。
以下对本发明的偏振分束器的仿真结果按图示进行详细说明，本发明采用时域有限差分法(FDTD)对偏振分束器结构进行仿真。
在考虑到亚波长光栅之间的间距不能太窄，减少工艺加工的难度，将狭缝d始终固定为50nm。令W2＝f·T，之后将亚波长光栅的宽度W2固定为50nm，扫描亚波长光栅的耦合长度Lc(6μm～10μm)。为了使器件效果在图中更加清晰，将1550nm波长作为参考点。
图6为偏振分束器的透射率、消光比、插入损耗与耦合长度、条带宽度关系示意图；
如图6所示，在8.2～10μm范围内，对于TE，TM偏振，PBS的透射效率分别大于90％和91％。由图6b和6c所示，PER的值在6.8μm到10μm范围内均>20dB，IL<1dB，特别是在耦合长度为9.2μm时，TE偏振和TM偏振分别可以实现22dB和53dB的高偏振消光比。由于W2的取值，会影响不同偏振模式的有效折射率，因此将W2从20nm扫至80nm，如图6d所示。在30～60nmTE和TM偏振的透射效率分别大于90％和91％。图6e和6f所示，40～60nm的范围内，PER>20dB，IL<0.7dB。当宽度为50nm时，TE偏振和TM偏振的PER分别为22dB和53dB。最后，选择耦合长度Lc＝9.2μm，条带宽度W2＝50nm作为优化后的参数。
利用器件优化后的参数，对器件进一步进行了仿真。
图7为偏振分束器的TE、TM偏振的光能分布图；如图7所示，TM偏振光从上方第一直通光波导1被很好的耦合到了下方第二直通光波导2并从B端口输出，TE偏振光沿着上方第一直通光波导1从A端口输出，结果表明，所设计的PBS可以有效工作。
图8为偏振分束器的消光比、插入损耗与波长之间的关系；如图8所示，在1466nm-1580nm处TM偏振的PER>20dB，IL<1dB，且在1550nm处PER＝53dB，IL＝0.1dB。而TE偏振的PER>20dB，且IL<0.5dB，在1550nm处PER＝22dB，IL＝0.4dB。
该器件在实际制造过程中不可避免地存在一定的尺寸变化，从而影响器件性能，本发明选择在±20nm波导宽度和±5nm波导厚度公差范围内评估工艺容差。PBS的波导的宽度W1误差ΔW(W1＝W1+ΔW)从-20nm到+20nm等间隔10nm变化，Si波导厚度误差Δh(h＝h+Δh)从-5nm到+5nm等间隔5nm变化。
图9为本发明实施例中所述偏振分束器的波导宽度、高度制作公差对TM、TE偏振的影响；如图9所示，当波导的宽度和厚度远离初始值时，每个曲线获得了不同的波动变化。在±20nm波导宽度W1的容差范围内，当输入TM模式时，在1466nm～1580nm波长范围内，TM模式的PER<-22dB，插入损耗<1.5dB，TE模式的PER<-18dB，IL<0.9dB，在±5nm的si波导厚度的容差范围内，TM模式的PER<-21dB,IL<-1.3dB,TE模式的PER<-19dB,IL<0.4dB,因此该器件具有相当大的制作容差，在容差范围内，器件的性能良好。
本发明中通过在耦合器中引入亚波长超材料结构，使得TE偏振态的耦合效率大大降低，且对于TM偏振态几乎没有影响，还降低了耦合长度。在耦合器中会有少量耦合到光栅波导中的TE偏振态，但由于满足布拉格反射条件，会被光栅波导反射回去，从而大大提高TE偏振态的消光比。该光栅波导结构简单紧凑，使得TM偏振态在耦合器中对于波长与器件尺寸偏差不再非常敏感，因此该器件对工艺误差有较大的容错率。
为了进一步提升TM偏振态的消光比，本发明采用偏振滤波器包裹在TE输出端，其对TM偏振态满足了相位匹配条件，可以将未完全耦合到光栅波导中的TM偏振态滤除。
以上仿真结果表明，本发明的偏振分束器表现出良好的偏振分束特性，该偏振分束器不仅结构紧凑，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。本发明的偏振分束器结构简单、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。
Claims (9)
1.一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，其特征在于：包括硅衬底和设置于硅衬底上表面且包覆有二氧化硅包层的硅波导芯层；
所述硅波导芯层包括两段宽度相同且间隔设置的波导，一段波导为第二直通光波导(2)，另一段波导包括前半部分的第一直通光波导(1)和后半部分的设置为半圆形的第一弯曲波导(12)，且第一直通光波导(1)的端部为入射端、第一弯曲波导(12)的端部为输出端；
所述第一直通光波导(1)与第二直通光波导(2)之间设置有九段宽度相同的亚波长光栅，形成用于耦合TM偏振光的定向耦合器；所述九段宽度相同的亚波长光栅每三个为一组分别设置于第一直通光波导(1)的一侧、第一直通光波导(1)和第二直通光波导(2)之间、第二直通光波导(2)一侧，九段亚波长光栅由上至下依次为第一亚波长光栅(3)、第二亚波长光栅(4)、第三亚波长光栅(5)、第四亚波长光栅(6)、第五亚波长光栅(7)、第六亚波长光栅(8)、第七亚波长光栅(9)、第八亚波长光栅(10)、第九亚波长光栅(11)；
所述第一弯曲波导(12)的外侧包裹有与其为同心圆的均呈半圆形的九段弯曲波导，形成用于过滤TE偏振光的偏振滤波器；由第一弯曲波导(12)向外依次为第二弯曲波导(13)、第三弯曲波导(14)、第四弯曲波导(15)、第五弯曲波导(16)、第六弯曲波导(17)、第七弯曲波导(18)、第八弯曲波导(19)、第九弯曲波导(20)、第十弯曲波导(21)，且宽度依次减小。
2.根据权利要求1所述的一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，其特征在于：所述第一直通光波导(1)和第二直通光波导(2)的高为220nm、宽为500nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，其特征在于：所述九段宽度相同的亚波长光栅中的每个亚波长光栅的高度均为220nm，宽度均为50nm。
4.根据权利要求3所述的一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，其特征在于：所述第一直通光波导(1)和第二直通光波导(2)的耦合间距为350nm，每两个相邻亚波长光栅之间的耦合间距均为50nm，第一直通光波导(1)分别与第三亚波长光栅(5)、第四亚波长光栅(6)之间的耦合间距为50nm，第二直通光波导(2)分别与第六亚波长光栅(8)、第七亚波长光栅(9)之间的耦合间距为50nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，其特征在于：所述偏振滤波器满足TM偏振态的相位匹配条件。
6.根据权利要求1所述的一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，其特征在于：所述第一弯曲波导(12)的高为220nm，宽为500nm，弯曲半径为2.5μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，其特征在于：所述九段弯曲波导的高均为220nm，宽度由内向外依次为140nm、130nm、120nm、110nm、100nm、90nm、80nm、70nm、60nm，弯曲半径由内向外依次为2.63μm、2.765μm、2.905μm、3.05μm、3.245μm、3.4μm、3.56μm、3.725μm、3.895μm。
8.根据权利要求7所述的一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，其特征在于：所述第一弯曲波导(12)和第二弯曲波导(13)的间距为60nm；所述第二弯曲波导(13)和第三弯曲波导(14)的间距为70nm；所述第三弯曲波导(14)和第四弯曲波导(15)的间距为80nm；所述第四弯曲波导(15)和第五弯曲波导(16)的间距为90nm；所述第五弯曲波导(16)和第六弯曲波导(17)的间距为100nm；所述第六弯曲波导(17)和第七弯曲波导(18)的间距为110nm；所述第七弯曲波导(18)和第八弯曲波导(19)的间距为120nm；所述第八弯曲波导(19)和第九弯曲波导(20)的间距为130nm；所述第九弯曲波导(20)和第十弯曲波导(21)的间距为140nm。
9.根据权利要求1所述的一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器，其特征在于：所述偏振滤波器满足TM偏振态的相位匹配条件。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311600504.2A CN117452558A (zh) | 2023-11-28 | 2023-11-28 | 一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117452558A true CN117452558A (zh) | 2024-01-26 |
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ID=89587568
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311600504.2A Pending CN117452558A (zh) | 2023-11-28 | 2023-11-28 | 一种基于超材料亚波长结构的偏振分束器 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN117452558A (zh) |
-
2023
- 2023-11-28 CN CN202311600504.2A patent/CN117452558A/zh active Pending
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