CN110376753B - 一种高性能偏振分束器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能偏振分束器及其设计方法。高性能偏振分束器包括n+1个级联定向耦合器、n个合束器和n个移相器（n≥2）。其中每个定向耦合器或合束器包括了两个S弯曲输入波导、耦合区和两个S弯曲输出波导，耦合区包括了两根平行单模直波导，两根单模直波导中间平行放置了m根亚波长结构（m≥2）。所述的两个S弯曲输入波导一端分别与耦合区两根单模直波导一端连接；耦合区两根单模直波导另一端分别与两个S弯曲输出波导一端连接。本发明可以通过设置定向耦合器耦合区长度和移相器长度，实现通信波段内超高消光比或超大带宽偏振分束设计。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子器件领域，具体涉及一种偏振分束器及其设计方法。
背景技术
偏振分束器应用于光通信领域，它是复用和解复用光波导中不同偏振信号的关键器件，也是调控高折射率差材料偏振相关器件的重要组件。过去十几年的研究里，研究人员提出了多种偏振分束器结构，包括多模干涉耦合器、马赫曾德干涉器、光栅耦合器和非对称定向耦合器等，目前性能较好的报道中消光比在20dB水平，工作波长带宽大约100nm，损耗1dB。
但是对于更高消光比，比如大于35dB，只停留在中心波长附近。另外，近年来光通信对频谱的进一步利用，特别提高片上光互连通信容量，采用更多通道的粗波分复用，对工作波长带宽提出更高要求，偏振分束器也必须满足同样的工作波段，比如在偏振和波分复合复用技术应用上。
发明内容
为了克服现有技术的不足，为满足在特定波段内偏振分束更高消光比需求，比如在C波段消光比大于35dB；或者在偏振分束器插入损耗和消光比满足集成光电子系统应用下，实现更大工作带宽，比如大于300nm。根据不同的应用场合需求，可以设计相应的偏振分束器参数。本发明的目的是提供一种偏振分束器及其设计方法。
本发明提出一种高性能偏振分束器，包括n+1个级联定向耦合器、n个合束器和n个移相器（n≥2）；定向耦合器D1上输出端与下一级定向耦合器D2上输入端连接，以此类推至定向耦合器Dn上输出端与下一级定向耦合器Dn+1上输入端连接；耦合器Dn+1下输出端与合束器Hn上输入端连接；合束器Hn上输出端与合束器Hn-1上输入端连接，以此类推至合束器H2上输出端与合束器H1上输入端连接；定向耦合器Di下输出端与移相器Si一端连接，移相器Si另一端与合束器Hi下输入端连接（i=1,2,…,n）。
更进一步具体实施方式中，所述每个定向耦合器或合束器包括了两个S弯曲输入波导、耦合区和两个S弯曲输出波导，耦合区包括了两根平行单模直波导，两根单模直波导中间平行放置了m根亚波长结构（m≥2）。所述的两个S弯曲输入波导一端分别与耦合区两根单模直波导一端连接；耦合区两根单模直波导另一端分别与两个S弯曲输出波导一端连接。
更进一步具体实施方式中，所述每个定向耦合器或合束器的耦合区，包括两根宽度一样的平行的单模直波导和放置在两根单模直波导中间的m根平行的亚波长结构（m≥2）；亚波长结构的宽度和间距相等，长度比所述两根单模直波导左右各长波导宽度的3.5倍。
更进一步具体实施方式中，所述定向耦合器D1、定向耦合器D2递增至定向耦合器Dn+1组成的n+1级级联定向耦合器，他们的耦合区长度分别等于不同波长下的TM偏振光的拍长。
更进一步具体实施方式中，所述的偏振分束器，合束器H1、合束器H2递增至合束器Hn作为TM偏振光合束器，合束器Hi和定向耦合器Di的结构完全一样（i=1,2,…,n）。
更进一步具体实施方式中，通过设置移相器Si的长度，使得TM偏振光从合束器Hi
上输入端和下输入端输入时，能够从上输出端输出（i= 1,2,…,n）。
更进一步具体实施方式中，所述S弯曲波导、耦合区直波导和亚波长结构包括高折
射率的矩形芯层、低折射率的上包层和低折射率的下包层。
另外，本发明提供一种上述高性能偏振分束器的设计方法：定向耦合器D1上输出端与下一级定向耦合器D2上输入端连接，以此类推至定向耦合器Dn上输出端与下一级定向耦合器Dn+1上输入端连接；耦合器Dn+1下输出端与合束器Hn上输入端连接；合束器Hn上输出端与合束器Hn-1上输入端连接，以此类推至合束器H2上输出端与合束器H1上输入端连接；定向耦合器Di下输出端与移相器Si一端连接，移相器Si另一端与合束器Hi下输入端连接（i=1,2,…,n）。
更进一步具体实施方式中，TE偏振光从定向耦合器D1上输入端输入时，在耦合区不会发生耦合，直接从该定向耦合器上输出端输出，进入下一级的定向耦合器D2上输入端，以此类推直至从定向耦合器Dn+1上输出端输出。
更进一步具体实施方式中，TM偏振光从定向耦合器D1上输入端输入时，特定波长下的拍长等于耦合区的长度，该波长的光将从下输出端口耦合输出，其他波长的光从上输出端口输出，进入下一级的定向耦合器D2上输入端，以此类推，不同波长的TM偏振光将从不同的定向耦合器Di下输出端输出（i=1,2,…,n+1）。
更进一步具体实施方式中，所述每个定向耦合器或合束器的耦合区由两根宽度一样的平行的单模直波导和放置在两根单模直波导中间的m根平行的亚波长结构组成（m≥2）；亚波长结构的宽度和间距相等，长度比所述两根单模直波导左右各长波导宽度的3.5倍。m根亚波长结构等效成各向异性材料，能够阻止TE偏振光在两根单模直波导之间的耦合，同时加强TM偏振光在两根单模直波导之间的耦合。
更进一步具体实施方式中，所述定向耦合器D1、定向耦合器D2递增至定向耦合器Dn+1组成的n+1级级联定向耦合器，他们的耦合区长度分别等于不同波长下的TM偏振光的拍长，所选取的波长由设计的工作波段范围所决定。
更进一步具体实施方式中，所述合束器（H1）、合束器（H2）递增至合束器（Hn）作为TM偏振光合束器，合束器（Hi）和定向耦合器（Di）的结构完全一样（i=1,2,…,n）。
更进一步具体实施方式中，通过设置移相器Si的长度，使得TM偏振光从合束器Hi上输入端和下输入端输入时，能够从上输出端输出（i= 1,2,…,n）。
更进一步具体实施方式中，所述S弯曲波导、耦合区直波导和亚波长结构由高折射率的矩形芯层外部包裹一个低折射率的上包层和一个低折射率的下包层。
本发明的有益效果：
（1）本发明在定向耦合器或合束器耦合区中间加入等效的各向异性材料，单个定向耦合器或合束器能更有效地分离TE和TM偏振光，中心波长处消光比高；
（2）本发明利用级联的定向耦合器，在保持较低插入损耗前提下，在特定波段范围内，比如C波段，偏振分束器可以实现超高的消光比（＞35dB）；
（3）本发明利用级联的定向耦合器，在偏振分束器插入损耗和消光比满足集成光电子系统应用下，偏振分束器可以实现超大的工作带宽（＞300nm）；
本发明的任一技术方案不一定能全部实现以上有益效果。
附图说明
图1为本发明中的高性能偏振分束器的结构示意图；
图2为本发明中高性能偏振分束器里所针对的定向耦合器或合束器的结构示意图；
图3为定向耦合器或合束器耦合区的横截面图；
图4为本发明中高性能偏振分束器里所针对的移相器结构示意图；
图5为本发明具体实施例取三级级联，即n=2时的偏振分束器的结构示意图；
图6为波长1.55μm的TE偏振光在本发明实施例2超高消光比偏振分束器中传输的光场图；
图7为波长1.55μm的TM偏振光在本发明实施例2超高消光比偏振分束器中传输的光场图；
图8为波长1.6μm的TE偏振光在本发明实施例3超大带宽偏振分束器中传输的光场图；
图9为波长1.45μm的TM偏振光在本发明实施例3超大带宽偏振分束器中传输的光场图；
图10为波长1.6μm的TM偏振光在本发明实施例3超大带宽偏振分束器中传输的光场图；
图11为波长1.75μm的TM偏振光在本发明实施例3超大带宽偏振分束器中传输的光场图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示，所述偏振分束器包括n+1个级联定向耦合器、n个合束器和n个移相器（n≥2）；定向耦合器D1上输出端与下一级定向耦合器D2上输入端连接，以此类推至定向耦合器Dn上输出端与下一级定向耦合器Dn+1上输入端连接；耦合器Dn+1下输出端与合束器Hn上输入端连接；合束器Hn上输出端与合束器Hn-1上输入端连接，以此类推至合束器H2上输出端与合束器H1上输入端连接；定向耦合器Di下输出端与移相器Si一端连接，移相器Si另一端与合束器Hi下输入端连接（i=1,2,…,n）。
如图2所示，本发明中所针对的定向耦合器或合束器由一个上输入S弯曲波导1、一个下输入S弯曲波导2、一对平行的单模直波导3和4、一个上输出S弯曲波导5、一个下输出S弯曲波导6和m个平行于直波导的亚波长结构组成（m≥2）。两个输入S弯曲波导分别与两个平行单模直波导一端连接，两个平行单模直波导另一端与两个输出S弯曲波导连接，亚波长结构位于两个单模直波导之间，整个定向耦合器或合束器结构关于水平和垂直中心线对称。
如图2、3所示，亚波长结构的宽度为Wm，亚波长结构的长度即耦合区的长度为Lc，亚波长结构与直波导之间的间距和亚波长结构之间的间距均为G，S弯曲波导和直波导的宽度均为Wwg，S弯曲波导横向跨度长为Ls，纵向跨度长为Ws，直波导3和4的长度比亚波长结构的长度小直波导宽度的7倍，即为Lc-7*Wwg。本发明中所述不同的定向耦合器或合束器其耦合区长度Lc不同。
如图4所示，本发明中所针对的移相器由两段渐变锥形器10、直波导11和渐变锥形器12组成，渐变锥形器10与直波导11连接，直波导11另一端与渐变锥形器12连接。输入输出波导宽度均为Wwg，渐变锥形器的长度均为Lt，直波导11宽度为Wp，长度为Lp。
如图3所示，本发明所述的所有波导和亚波长结构均以高折射率材料为芯层，厚度为H，还具有一个低折射率上包层8和一个低折射率下包层9。
本发明的工作原理为，TE或TM偏振的光从定向耦合器D1上输入端输入，通过调节亚波长结构7的宽度Wm和间距G，使得TE偏振的倏逝波更好地局限在波导的附近，大大地减小两根波导之间的耦合，TE偏振光将从定向耦合器D1上输出端输出，进入下一级定向耦合器D2上输入端，以此类推，TE偏振的光最终从定向耦合器Dn+1上输出端输出。亚波长结构等效成各向异性包层材料，对于TM偏振的光，会有更多的倏逝波扩散到亚波长结构区域，增强了两根波导之间耦合。当耦合区长度满足特定波长的拍长时，该波长的光将从定向耦合器D1下输出端输出，其他波长的光或者部分光从定向耦合器D1上输出端输出，进入下一级的定向耦合器D2上输入端，以此类推至定向耦合器Dn+1。在所要设计的波段范围内，当选取的定向耦合器（D1,D2,…,Dn+1）耦合区的长度分别等于不同波长的TM偏振光的拍长时，标记定向耦合器耦合区长度分别为Lc1，Lc2，…，Lcn+1。这样让不同波长的TM偏振光从定向耦合器（D1,D2,…,Dn+1）的下输出端输出。合束器（H1,H2,…,Hn）的结构跟定向耦合器（D1,D2,…,Dn）的结构完全相同，其工作过程是定向耦合器的逆过程。例如定向耦合器Dn上输出端的TM偏振光经过定向耦合器Dn+1后进入合束器Hn上输入端，定向耦合器Dn下输出端的TM偏振光经过移相器进入合束器Hn下输入端，通过调节移相器Sn长度，使得合束器Hn上输入端和下输入端相干合束至上输出端输出，以此类推调节各级的移相器Si，标记移相器长度分别为Lp1，Lp2，…，Lpn+1，使得定向耦合器Di输出的两路TM偏振光在合束器Hi合束输出（i=1,2,…,n），TM偏振的光最终从合束器H1上输出端输出。
实施例2
如图5选取三个级联定向耦合器D1~D3，两个合束器H1~H2和两个移相器S1~S2组成的偏振分束器，即n=2。其中定向耦合器D1上输出端与定向耦合器D2上输入端通过直波导13连接，直波导13长度Lz1=12μm；定向耦合器D2上输出端与定向耦合器D3的上输入端通过S弯曲波导14连接，S弯曲波导14横向跨度长为Ls1=15μm，纵向跨度长为Ws1=2.09μm；定向耦合器D3下输出端直接与合束器H2上输入端连接；合束器H2的上输出端与合束器H1上输入端通过直波导15连接，直波导15长度Lz4=12μm；定向耦合器D2下输出端与合束器H2下输入端通过移相器S2和直波导18依次相连接，移相器S2的长度为Lp2=45μm，直波导18的长度Lz2=3.3μm；定向耦合器D1下输出端与合束器H1下输入端通过S弯曲波导16、移相器S1、直波导17和S弯曲波导19依次相连接，移相器S1的长度为Lp1=46μm，直波导17的长度Lz3=31.7μm，S弯曲波导16和19横向跨度长均为Ls2=30μm，纵向跨度长为Ws2=3.5μm。以1.52μm~1.58μm波段范围内实现高消光比设计为例，定向耦合器D1~D3耦合器的长度分别为Lc1=19.5μm，Lc2=20.7μm，Lc3=21.3μm，合束器H1~H2分别与定向耦合器D1~D2结构相同，定向耦合器和合束器如图2标示的其他参数为Wwg=0.55μm，Wm=60nm，G=60nm，Ws=0.5μm，Ls=8μm。整个偏振分束器选取芯层材料为硅，厚度H=220nm，上下包层材料都为二氧化硅。
通过时域有限差分方法（Finite Difference Time Domain，FDTD）数值仿真，1.52μm~1.58μm波段范围内，TE偏振光和TM偏振光输入时，两个输出端之间的消光比分别大于35dB和41.5dB，插入损耗分别小于0.1dB和0.36dB，在60nm波段内保持较小插入损耗的同时，拥有较高的消光比。图6显示该设计在TE偏振和波长为1.55μm的光输入时，光传输的电场幅度分布情况。图7显示该设计在TM偏振和波长为1.55μm的光输入时，光传输的电场幅度分布情况。
实施例3
如图5选取三个级联定向耦合器D1~D3，两个合束器H1~H2和两个移相器S1~S2组成的偏振分束器，即n=2。其中定向耦合器D1上输出端与定向耦合器D2上输入端通过直
波导13连接，直波导13长度Lz1=12μm；定向耦合器D2上输出端与定向耦合器D3的上输入端通过S弯曲波导14连接，S弯曲波导14横向跨度长为Ls1=15μm，纵向跨度长为Ws1=2.09μm；定向耦合器D3下输出端直接与合束器H2上输入端连接；合束器H2的上输出端与合束器H1上输入端通过直波导15连接，直波导15长度Lz4=12μm；定向耦合器D2下输出端与合束器H2下输入端通过移相器S2和直波导18依次相连接，移相器S2的长度为Lp2=75μm，直波导18的长度Lz2=4.8μm；定向耦合器D1下输出端与合束器H1下输入端通过S弯曲波导16、移相器S1、直波导17和S弯曲波导19依次相连接，移相器S1的长度为Lp1=80μm，直波导17的长度Lz3=35.8μm，S弯曲波导16和19横向跨度长均为Ls2=30μm，纵向跨度长为Ws2=3.5μm。以1.4μm~1.8μm波段范围内实现超大带宽设计为例，定向耦合器D1~D3耦合器的长度分别为Lc1=11.5μm，Lc2=24μm，Lc3=52.8μm，合束器H1~H2分别与定向耦合器D1~D2结构相同，定向耦合器和合束器如图2标示的其他参数为Wwg=0.55μm，Wm=60nm，G=60nm，Ws=0.5μm，Ls=8μm。整个偏振分束器选取芯层材料为硅，厚度H=220nm，上下包层材料都为二氧化硅。
通过时域有限差分方法（Finite Difference Time Domain，FDTD）数值仿真，1.42μm~1.765μm波段范围内，TE偏振光和TM偏振光输入时，两个输出端之间的消光比分别大于13dB和14dB，插入损耗分别小于1.5dB和0.26dB，在345nm超大带宽内插入损耗和消光比满足集成光电子系统应用的同时，拥有超大的工作带宽。图8显示该设计在TE偏振和波长为1.6μm的光输入时，光传输的电场幅度分布情况，其他波长下的电场分布图类似。图9~图11显示该设计在TM偏振和波长分别为1.45μm、1.6μm、1.75μm的光输入时，光传输的电场幅度分布情况。
Claims (10)
1.一种高性能偏振分束器，其特征在于，所述偏振分束器包括n+1个级联定向耦合器、n个合束器和n个移相器（n≥2）；定向耦合器D1上输出端与下一级定向耦合器D2上输入端连接，以此类推至定向耦合器Dn上输出端与下一级定向耦合器Dn+1上输入端连接；耦合器Dn+1下输出端与合束器Hn上输入端连接；合束器Hn上输出端与合束器Hn-1上输入端连接，以此类推至合束器H2上输出端与合束器H1上输入端连接；定向耦合器Di下输出端与移相器Si一端连接，移相器Si另一端与合束器Hi下输入端连接（i=1,2,…,n）；
所述每个定向耦合器或合束器包括两个S弯曲输入波导、耦合区和两个S弯曲输出波导，耦合区包括两根平行单模直波导，两根单模直波导中间平行放置m根亚波长结构（m≥2）；所述的两个S弯曲输入波导一端分别与耦合区两根单模直波导一端连接；耦合区两根单模直波导另一端分别与两个S弯曲输出波导一端连接；所述移相器由一个渐变锥形器连接一根直波导，再连接一个渐变锥形器组成。
2.根据权利要求1所述的高性能偏振分束器，其特征在于，所述每个定向耦合器或合束器的耦合区，包括两根宽度一样的平行的单模直波导和放置在两根单模直波导中间的m根平行的亚波长结构（m≥2）；亚波长结构的宽度和间距相等，亚波长结构的长度即为耦合区的长度分别等于不同波长下的TM偏振光的拍长，比所述两根单模直波导左右各长波导宽度的3.5倍。
3.根据权利要求1所述的高性能偏振分束器，其特征在于，所述的合束器H1、合束器H2至合束器Hn作为TM偏振光合束器，合束器Hi和定向耦合器Di的结构完全一样（i=1,2,…,n）。
4.根据权利要求1所述的高性能偏振分束器，其特征在于，所述移相器Si，通过设置移相器Si的长度，使得TM偏振光从合束器Hi上输入端和下输入端输入时，能够从上输出端输出（i= 1,2,…,n）。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的高性能偏振分束器，其特征在于，所述S弯曲输入波导、S弯曲输出波导、耦合区直波导和亚波长结构包含高折射率的矩形芯层、低折射率的上包层和低折射率的下包层。
6.一种根据权利要求1所述的高性能偏振分束器的设计方法，其特征在于，n+1个级联定向耦合器、 n个合束器和n个移相器（n≥2）组成偏振分束器，定向耦合器D1上输出端与下一级定向耦合器D2上输入端连接，以此类推至定向耦合器Dn上输出端与下一级定向耦合器Dn+1上输入端连接；耦合器Dn+1下输出端与合束器Hn上输入端连接；合束器Hn上输出端与合束器Hn-1上输入端连接，以此类推至合束器H2上输出端与合束器H1上输入端连接；定向耦合器Di下输出端与移相器Si一端连接，移相器Si另一端与合束器Hi下输入端连接（i=1,2,…,n）；
TE偏振光从定向耦合器D1上输入端输入时，在耦合区不会发生耦合，直接从该定向耦合器上输出端输出，进入下一级的定向耦合器D2上输入端，以此类推直至从定向耦合器Dn+1上输出端输出；
TM偏振光从定向耦合器D1上输入端输入时，特定波长下的拍长等于耦合区的长度，该波长的光将从下输出端口耦合输出，其他波长的光从上输出端口输出，进入下一级的定向耦合器D2上输入端，以此类推，不同波长的TM偏振光将从不同的定向耦合器Di下输出端输出（i=1,2,…,n+1）。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述每个定向耦合器或合束器的耦合区由两根宽度一样的平行的单模直波导和放置在两根单模直波导中间的m根平行的亚波长结构组成（m≥2）；亚波长结构的宽度和间距相等，亚波长结构的长度即为耦合区的长度分别等于不同波长下的TM偏振光的拍长，比所述两根单模直波导左右各长波导宽度的3.5倍；m根亚波长结构等效成各向异性材料，能够阻止TE偏振光在两根单模直波导之间的耦合，同时加强TM偏振光在两根单模直波导之间的耦合。
8.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述的合束器H1、合束器H2递增至合束器Hn作为TM偏振光合束器，合束器Hi和定向耦合器Di的结构完全一样（i=1,2,…,n）。
9.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，通过设置移相器Si的长度，使得TM偏振光从合束器Hi上输入端和下输入端输入时，能够从上输出端输出（i= 1,2,…,n）。
10.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述S弯曲输入波导、S弯曲输出波导、耦合区直波导和亚波长结构由高折射率的矩形芯层外部包裹一个低折射率的上包层和一个低折射率的下包层。
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