一种基于双锥形非对称定向耦合器型光偏振分束旋转器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双锥形非对称定向耦合器型光偏振分束旋转器，包括输入波导和输出波导两个部分；输入波导包括输入引导波导、输入锥形波导、输入弯曲波导及输入直波导；输出波导包括输出锥形波导、输出弯曲波导及输出直波导；输出锥形波导位于输入锥形波导上方且留有一定的预设距离；输入锥形波导沿着输入方向线性变窄，输出锥形波导沿着输出方向线性变宽，输入锥形波导与输出锥形波导共同构成非对称定向耦合器；当TM0偏振态输入时，输入锥形波导与输出锥形波导在某一截面上的有效折射率相等，从而实现偏振模式的旋转。本发明专利技术具有结构紧凑、消光比高，制作容差大等特点，在光偏振复用解复用、偏振信号处理、光通信等领域具有重要作用。重要作用。重要作用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双锥形非对称定向耦合器型光偏振分束旋转器


[0001]本专利技术属于硅基光子集成与光学器件技术，涉及光偏振复用与解复用、光信号多维复用等领域，具体涉及一种基于双锥形非对称定向耦合器型光偏振分束旋转器。

技术介绍

[0002]近年来，由于绝缘层上硅(SOI，Silicon
‑
on
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insulator)材料具有高折射率对比度且在工艺上与互补金属氧化物半导体(CMOS,Complementary Metal
‑
oxide
‑
semiconductor)兼容的特点，使得光子集成链路(PIC，Photonic Integrated Circuit)的研究取得飞速发展并在科研领域占据了主导地位。由于CMOS工艺与材料本身的特性，导致基于SOI的PIC器件具有很高的双折射，因此引起了偏振模色散与偏振相关损耗，使得硅光子器件对偏振十分敏感。针对这个问题的解决方案是设计一种小尺寸、低损耗、高消光比的偏振控制器件，如偏振分束器(PBS),偏振旋转器(PR)以及结合了二者功能的偏振分束旋转器(PSR，Polarization Splitter
‑
rotator)，偏振分束旋转器(PSR)是解决SOI平台上光波导器件偏振敏感问题的关键器件。
[0003]PSR是同时具备偏振分束与偏振旋转功能的器件，两束不同偏振态光波经过PSR后可以以两束相同偏振态的模式光输出。即可以将输入的TE0/TM0模式分离的同时完成模式的旋转，此时的输出端只有一种偏振态。
[0004]根据不同的模式转换机制，偏振分束旋转器可以分为模式耦合与模式演化两种机制。基于模式演化机制的PSR，模式转换需要两步完成。例如，首先将输入的TM0模式转化成高阶TE1模式，然后与输入TE0模式分离并将分离后的TE1转化为TE0模式输出，即基于模式演化机制的PSR一般由TM0‑
TE1偏振旋转器和TE1‑
TE0模式转换器两部分级联组成。相关论文包括：
[0005]1)Dai D X,Wu H.Realization of a compact polarization splitter
‑
rotator on silicon[J].Optics Letters,2016,41(10):2346
‑
2349。
[0006]2)Chung H C,Tseng S Y.Ultrashort and broadband silicon polarization splitter
‑
rotator using fast quasiadiabatic dynamics[J].Optics Express,2018,26(8):9655
‑
9665。
[0007]3)Wang J,Niu B,Sheng Z,et al.Novel ultra
‑
broadband polarization splitter
‑
rotator based on mode
‑
evolution tapers and a mode
‑
sorting asymmetric Y
‑
junction[J].Optics Express,2014,22(11):13565
‑
13571。
[0008]4)Wang J,Qi M H,Xuan Y,et al.Proposal for fabrication
‑
tolerant SOI polarization splitter
‑
rotator based on cascaded MMI couplers and an assisted bilevel taper[J].Optics Express,2014,22(23):27869
‑
27879。
[0009]上述基于模式演化机制的PSR具有大带宽、大容差的特点，但结构比较复杂，导致结构尺寸较大，与其他器件不易兼容，制造成本增加的同时不利于紧凑的片上系统集成。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是设计一种利用模式耦合机制且结构紧凑、性能优异的偏振分束旋转器。为此，本专利技术提供一种基于双锥形非对称定向耦合器型光偏振分束旋转器。
[0011]本专利技术的一种基于双锥形非对称定向耦合器型光偏振分束旋转器，包括输入波导和输出波导两个部分。输入波导包括输入引导波导、输入锥形波导、输入弯曲波导及输入直波导；输出波导包括输出锥形波导、输出弯曲波导及输出直波导；输出锥形波导位于输入锥形波导上方且留有一定的预设距离。输入锥形波导沿着输入方向线性变窄，输出锥形波导沿着输出方向线性变宽，输入锥形波导与输出锥形波导共同构成非对称定向耦合器。
[0012]当TM0偏振态输入时，输入锥形波导与输出锥形波导在某一截面上的有效折射率相等，从而实现偏振模式的旋转。
[0013]在波导中输入锥形波导与输出锥形波导的偏振模式的相位匹配条件为：
[0014]neff1(TM0)＝neff2(TE0)
[0015]其中，neff1(TM0)表示输入波导中输入锥形波导的TM0偏振模式的有效折射率，neff2(TE0)表示输出波导中输出锥形波导的TE0偏振模式的有效折射率。
[0016]当TE0偏振态输入时，输入锥形波导的TE0偏振模式与输出锥形波导的TE0偏振模式处于不满足相位匹配状态，TE0偏振态以最低的损耗直接从端口2输出；当TM0偏振态输入时，输入锥形波导的TM0偏振模式有效折射率与输出锥形波导的TE0偏振模式有效折射率在某一截面上相等，满足相位匹配条件，实现TM0到TE0偏振模式的旋转，旋转后的TE0偏振态从端口3输出。
[0017]进一步的，本专利技术的一种基于双锥形非对称定向耦合器型光偏振分束旋转器采用绝缘层上硅材料，基本结构以硅作为主体、以二氧化硅为上包层。
[0018]优选的，输入引导波导的宽度为510nm，输入锥形波导长度为30μm，刻蚀深度为70nm,输入弯曲波导长度为40μm，输入直波导长度为30μm；输入波导与输出波导之间预设距离即间隙为340nm，输出锥形波导宽度由100nm线性变宽为800nm，高度为220nm，输出弯曲波导长度为40μm，输出直波导长度为30μm，非对称定向耦合器长度为30μm。
[0019]本专利技术的有益技术效果为：
[0020]1、本专利技术在使用输入锥形波导与输出锥形波导结构的条件下利用相位匹配条件完成TM0偏振模式的分离与旋转。
[0021]2、非对称定向耦合器采用了双锥形结构，提升整个器件的制作容差。
[0022]3、本专利技术提供一种基于双锥形非对称定向耦合器型光偏振分束旋转器，解决相关偏振分束旋转器消光比低、损耗大的问题。
附图说明
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双锥形非对称定向耦合器型光偏振分束旋转器，其特征在于，包括输入波导和输出波导两个部分；输入波导包括输入引导波导(1)、输入锥形波导(2)、输入弯曲波导(3)及输入直波导(4)；输出波导包括输出锥形波导(5)、输出弯曲波导(6)及输出直波导(7)；输出锥形波导(5)位于输入锥形波导(2)上方且留有一定的预设距离；所述输入锥形波导(2)沿着输入方向线性变窄，输出锥形波导(5)沿着输出方向线性变宽，输入锥形波导(2)与输出锥形波导(5)共同构成非对称定向耦合器；当TM0偏振态输入时，输入锥形波导(2)与输出锥形波导(5)在某一截面上的有效折射率相等，从而实现偏振模式的旋转。2.根据权利要求1所述的一种基于双锥形非对称定向耦合器型光偏振分束旋转器，其特征在于，所述波导中输入锥形波导(2)与输出锥形波导(5)的偏振模式的相位匹配条件为：neff1(TM0)＝neff2(TE0)其中，neff1(TM0)表示输入波导中输入锥形波导(2)的TM0偏振模式的有效折射率，neff2(TE0)表示输出波导中输出锥形波导(5)的TE0偏振模式的有效折射率；当TE0偏振态输入时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹喜华，黄瑶，解长健，谢小军，闫连山，潘炜，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：