一种宽波段高消光比片上集成偏振器及设计方法技术

本发明专利技术属于集成光子学、光传感技术领域，具体涉及一种宽波段高消光比片上集成偏振器及设计方法。本发明专利技术宽波段高消光比片上集成偏振器包括衬底6、上包层5、以及设置在衬底和上包层之间的波导芯层，所述波导芯层按光传播方向顺次分成三部分，分别为输入直波导芯层(1)、倾斜光栅波导芯层(2)及输出直波导芯层(3)，其中，设置在输入直波导芯层(1)与输出直波导芯层(3)之间的倾斜光栅波导芯层(2)包含若干个周期且相互倾斜平行设置。本发明专利技术提供的偏振器结构简单、工艺实现难度低，同时利用一维光子晶体能带理论设计倾斜光栅参数，可得到较大的工作带宽，具有较大加工误差容限，同时可保证TM模式低损透射而TE模式高效反射，实现超高偏振消光比。振消光比。振消光比。

【技术实现步骤摘要】
一种宽波段高消光比片上集成偏振器及设计方法


[0001]本专利技术属于集成光子学、光传感
，具体涉及一种宽波段高消光比片上集成偏振器及设计方法。

技术介绍

[0002]在许多光纤通讯、光传感系统，如光开关、集成光学陀螺、偏振相干探测等领域中，为了抑制偏振相关误差，往往仅允许单一模式光传输，因此实现偏振控制功能必不可少。其中片上偏振控制器件因其具有尺寸小，性能稳定，可批量生产等优势受到广泛关注。近年来基于不同结构原理的偏振控制器件包括偏振分束器(Polarization beam splitter,PBS)，偏振旋转器(Polarization rotator,PR)以及片上偏振器已经实现。其中基于弯曲定向耦合器(Directional coupler,DC)的偏振分束器和基于表面等离子体波导的偏振器被大量研究报道。基于DC结构的偏振分束器可实现TE与TM模式的分离，结构相对简单，但对波长和温度比较敏感，为了实现较高消光比需设计弯曲结构，增加器件尺寸及损耗；而基于表面等离子体波导的偏振器主要利用TM模式光在混合等离子表面传输衰减，TE模在介质波导中传输几乎不受影响，因此可得到极高的偏振消光比(30dB以上)。但其结构比较复杂，需要沉积负折射率的金属薄膜形成表面等离子体基元，增加了工艺难度；且该结构要求介质波导与表面等离子体波导模式相位匹配，因此对波导尺寸变化非常敏感，这对刻蚀精度也提出了更高要求。上述两种偏振控制结构在带宽、消光比及工艺难度等方面存在不足，大大限制了其在光子集成领域的应用推广。
专利技术内容
[0003]本专利技术针对现有结构设计存在的不足，提供一种紧凑结构、加工误差容限大的宽波段高消光比片上集成偏振器设计。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：
[0004]本专利技术的技术方案：一种宽波段高消光比片上集成偏振器，其包括衬底6、上包层5、以及设置在衬底和上包层之间的波导芯层，所述波导芯层按光传播方向顺次分成三部分，分别为输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2及输出直波导芯层3，其中，设置在输入直波导芯层1与输出直波导芯层3之间的倾斜光栅波导芯层2为若干个且相互倾斜平行设置。
[0005]所述输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2邻近输出直波导芯层3端面与输出直波导芯层3平行，以实现光栅高效衍射。
[0006]输入直波导芯层1、输出直波导芯层3结构相同，倾斜光栅波导芯层2刻蚀深度及宽度在光传输方向上的投影与输入直波导芯层1/输出直波导芯层3尺寸相同，以有效减少偏振器的插入损耗。
[0007]所述输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2及输出直波导芯层3折射率相同，且比设置在其相互之间间隙内的上包层5折射率大，因此工艺实现难度小，易于实施。
[0008]倾斜光栅波导2的倾斜角度不大于从而减小TM模式的全反射。
[0009]一种所述的宽波段高消光比片上集成偏振器的设计方法，其利用一维光子晶体能带理论计算出TE和TM两种模式的归一化频率与归一化波矢之间的关系，选取TE模式禁带与TM导带两部分带隙重叠的带隙确定倾斜光栅倾斜角度、间隙以及光栅周期，以实现TE模式高效反射，TM模式高效透射，从而在宽波段范围内实现超高偏振消光比。
[0010]倾斜光栅波导芯层2的有效折射率为n1，其间隙内的上包层折射率为n2，且二者宽度分别为a1、a2时，根据一维光子晶体能带理论，利用传输矩阵法可分别计算出TE和TM两种模式能带结构关于归一化频率与归一化波矢k1平面的分布。
[0011]根据归一化频率归一化波矢k1关系直线与能带结构在归一化频率与归一化波矢k1平面分布的交叠，可以确定TE模式禁带与TM导带两部分带隙重叠区域。
[0012]根据TE模式禁带与TM导带两部分带隙重叠区域的上下边界，计算获取直光栅周期d。
[0013]利用直光栅周期d与倾斜光栅周期a以及各介质层宽度a1与a2确定参数。
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0015]本专利技术提供的偏振器结构简单、工艺实现难度低，同时利用一维光子晶体能带理论设计倾斜光栅参数，可得到较大的工作带宽，参数选择自由大，具有较大加工误差容限，同时选择TM导带与TE禁带的重叠带隙设计，可保证TM模式低损透射而TE模式高效反射，从而实现30dB以上的超高偏振消光比。
附图说明
[0016]图1为本专利技术倾斜光栅波导偏振器结构示意图；
[0017]图2为平面直光栅结构示意图；
[0018]图3为光栅的能带结构图；
[0019]图4为TE模式与TM模式的场分布图；
[0020]图5为偏振器的输出谱图。
具体实施方式
[0021]为了使本专利技术方案的技术方案及优势更加清楚明了，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行详细、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0022]下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：
[0023]参见图1，本专利技术的一种宽波段高消光比片上偏振器，主要由输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2及输出直波导芯层3三部分组成。其中，输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2及输出直波导芯层3刻蚀深度相同，倾斜光栅波导芯层2在传输方向上投影的宽度与输入直波导芯层1/输出直波导芯层3宽度相同。TE与TM混合模式光从输入直波导芯层1入射，传输经过倾斜光栅芯层2，其中TE模式光发生高效反射，TM模式光低损透射继续在输出
直波导芯层3中传输。
[0024]倾斜光栅波导芯层2按折射率n1、n2及宽度a1、a2周期交替排列组成，且与传输方向成固定夹角θ，芯层折射率n2与上包层折5射率相同。倾斜光栅周期a＝a1+a2，可由一维光子晶体能带理论计算求得。
[0025]本专利技术一种所述的宽波段高消光比片上集成偏振器的设计方法，其利用一维光子晶体能带理论计算出TE和TM两种模式的归一化频率与归一化波矢k1的关系，选取TE模式禁带与TM导带两部分带隙重叠的带隙确定倾斜光栅倾斜角度、间隙以及光栅周期，以实现TE模式高效反射，TM模式高效透射，从而在宽波段范围内实现超高偏振消光比，其详细过程如下：
[0026]步骤1，如图2直光栅结构，n1为光栅波导芯层的有效折射率，其与倾斜光栅存在结构关系：周期d＝a
×
sinθ，光与入射面法线夹角φ和倾斜角θ满足关系φ+θ＝90
°
，定义刻蚀层宽度比例因子f＝d2/d；
[0027]步骤2，根据一维光子晶体能带理论，利用传输矩阵法可分别计算出TE模式光与TM模式在交替折射率分别为n1和n2，宽度比例因子为f的周期介质层结构中能带结构关于归一化频率与归一化波矢k1的分布，见图3中光子能带结构；
[0028]步骤3，根据归一化频率及波矢定义：k1＝k
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽波段高消光比片上集成偏振器，其特征在于，包括衬底6、上包层5、以及设置在衬底和上包层之间的波导芯层，所述波导芯层按光传播方向顺次分成三部分，输入直波导芯层(1)、倾斜光栅波导芯层(2)及输出直波导芯层(3)，其中，设置在输入直波导芯层(1)与输出直波导芯层(3)之间的倾斜光栅波导芯层(2)为若干个周期且相互倾斜平行设置。2.根据权利要求1所述的宽波段高消光比片上集成偏振器，其特征在于，所述输入直波导芯层(1)、倾斜光栅波导芯层(2)邻近输出直波导芯层(3)端面与输出直波导芯层(3)平行。3.根据权利要求1所述的宽波段高消光比片上集成偏振器，其特征在于，输入直波导芯层(1)、输出直波导芯层(3)结构相同，倾斜光栅波导芯层(2)刻蚀深度及宽度在传输方向上的投影与输入直波导芯层(1)/输出直波导芯层(3)尺寸相同。4.根据权利要求1所述的宽波段高消光比片上集成偏振器，其特征在于，所述输入直波导芯层(1)、倾斜光栅波导芯层(2)及输出直波导芯层(3)折射率相同，且大于在其相互之间间隙内的上包层(5)折射率。5.根据权利要求1所述的宽波段高消光比片上集成偏振器，其特征在于，倾斜光栅波导芯层(2)的倾斜角度不大于...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛玉政，陈琳，王少华，袁钊，谢良平，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：