一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器，属于光子集成技术领域，包括硅衬底、硅波导芯层和二氧化硅包层；硅波导芯层位于二氧化硅包层内部；二氧化硅包层位于硅衬底上表面；硅波导芯层包括输入波导、定向耦合器第一段弯曲波导、定向耦合器第二段弯曲波导、定向耦合器第三段弯曲波导、滤波器第一段弯曲波导、滤波器第二段弯曲波导、TE偏振输出波导和TM偏振输出波导。本发明专利技术在耦合器中引入亚波长光栅结构，使得TE偏振态在耦合区处于反射态，降低其耦合效率，TM偏振态几乎没有影响，保证了TM高耦合效率，提升了TE偏振态的消光比；可利用集成工艺制备，工艺简单且容差大，具有带宽大、偏振消光比高、插入损耗小、尺寸小的优点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器


[0001]本专利技术涉及一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器，属于光子集成


技术介绍

[0002]绝缘体上硅波导的包层和芯层之间存在着较高的折射率差，可以很好地对光场进行限制，然而高折射率差还会导致偏振模式色散和偏振相关的损耗等问题。在光通信技术中，由于通过光纤传输的光信号随机偏振，因此要求器件对偏振不敏感，通常采用偏振分集方案解决光子器件的偏振问题。偏振分束器可以分裂或组合两个正交偏振模式的光，是偏振分集方案中消除偏振灵敏度的重要关键器件。
[0003]近年来，人们已经研制出基于定向耦合器、光子晶体、多模干涉耦合器(MMI)、混合等离子体硅波导等结构的偏振分束器结构。基于光子晶体的偏振分束器结构比较复杂、插入损耗较大、且不容易制备。基于多模干涉耦合器的偏振分束器结构尺寸非常大，虽然可以通过准静态成像和级联结构减少尺寸，但是尺寸仍然在mm量级。基于马赫增德尔干涉仪(MZI)的偏振分束器结构比较容易制作，但是尺寸往往也比较大且带宽比较窄。混合等离子体波导可以加强耦合，缩短器件长度，但是，这种波导由于金属吸收而受到额外的损耗。
[0004]定向耦合型偏振分束器具有设计和制作简单、尺寸小便于集成、性能良好等优势，近几年引起了科研者的广泛关注，但寻常定向耦合型偏振分束器的工作带宽小、串扰高。普通的光栅耦合器会由于光栅中光的能量泄漏导致耦合效率低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器，实现尺寸小、低插入损耗、高消光比特性和宽带传输特性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器，包括硅衬底、硅波导芯层和二氧化硅包层；所述硅波导芯层位于二氧化硅包层内部；所述二氧化硅包层位于硅衬底的上表面；
[0008]所述硅波导芯层包括输入波导、定向耦合器第一段弯曲波导、定向耦合器第二段弯曲波导、定向耦合器第三段弯曲波导、滤波器第一段弯曲波导、滤波器第二段弯曲波导、TE偏振输出波导和TM偏振输出波导；所述输入波导、定向耦合器第一段弯曲波导、滤波器第二段弯曲波导和TE偏振输出波导依次相连接；所述定向耦合器第三段弯曲波导与TM偏振输出波导相连接；
[0009]所述定向耦合器第一段弯曲波导、定向耦合器第二段弯曲波导、定向耦合器第三段弯曲波导由上自下依次排列且三者的圆心相同；
[0010]所述滤波器第一段弯曲波导位于滤波器第二段弯曲波导的上方，且所述滤波器第一段弯曲波导的前端弯曲波导与滤波器第二段弯曲波导的圆心相同；
[0011]所述定向耦合器第二段弯曲波导为亚波长光栅结构，所述光栅结构由连接桥连接，所述定向耦合器第一段弯曲波导、定向耦合器第二段弯曲波导和定向耦合器第三段弯
曲波导的TM偏振的有效光程相同，用以耦合TM偏振，所述定向耦合器第二段弯曲波导的TE偏振处于反射状态，用以过滤TE偏振。
[0012]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述输入波导高为220nm，宽为550nm，弯曲角度为28.5
°
，弯曲半径为8μm。
[0013]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述定向耦合器第一段弯曲波导高为220nm，宽为550nm，弯曲角度为28.5
°
，弯曲半径为18.5μm。
[0014]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述定向耦合器第二段弯曲波导高为220nm，光栅周期为500nm，占空比为0.8，纳米岛宽为490nm，连接桥宽度为15nm，弯曲角度为28.5
°
，弯曲半径为19.1μm。
[0015]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述定向耦合器第三段弯曲波导高为220nm，宽为390nm，弯曲角度为28.5
°
，弯曲半径为19.65μm。
[0016]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述定向耦合器第一段弯曲波导和定向耦合器第二段弯曲波导的耦合间距为80nm；所述定向耦合器第二段弯曲波导和定向耦合器第三段弯曲波导的耦合间距为110nm。
[0017]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述定向耦合器第一段弯曲波导、定向耦合器第二段弯曲波导和定向耦合器第三段弯曲波导满足TM偏振态的相位匹配条件。
[0018]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述滤波器第一段弯曲波导高为220nm，宽为340nm，弯曲角度为30
°
，弯曲半径为8.7μm。
[0019]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述滤波器第二段弯曲波导高为220nm，宽为550nm，弯曲角度为30
°
，弯曲半径为8μm。
[0020]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述滤波器第一段弯曲波导和滤波器第二段弯曲波导满足TM偏振态的相位匹配条件。
[0021]由于采用了上述技术方案，本专利技术取得的技术效果有：
[0022]本专利技术通过在耦合器中引入亚波长光栅结构，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，通过改变定向耦合器三段波导的宽度，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。
[0023]为了进一步地提升TM偏振态的消光比，本专利技术采用偏振滤波器串联在耦合器的TE输出端口，其对于TM偏振态满足了相位匹配条件。在耦合器的TE输出端口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。
[0024]本专利技术器件可利用集成工艺制备，工艺简单且容差较大，尺寸较小，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，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。
附图说明
[0025]图1是本专利技术硅波导芯层的俯视图；
[0026]图2是本专利技术定向耦合器第二段弯曲波导的俯视图；
[0027]图3是本专利技术定向耦合器第二段弯曲波导输入TM、TE模的透过率与光栅周期的关
系示意图；
[0028]图4是本专利技术偏振分束器输入TM模和TE模时的电场图；
[0029]图5是本专利技术偏振分束器输入TM、TE模的偏振消光比和插入损耗与输入波长的关系示意图；
[0030]图6是本专利技术偏振分束器的波导宽度变换为
±
20nm时，TM、TE模的偏振消光比和插入损耗与输入波长的关系示意图；
[0031]其中，1、输入波导，2、定向耦合器第一段弯曲波导，3、定向耦合器第二段弯曲波导，4、定向耦合器第三段弯曲波导，5、滤波器第一段弯曲波导，6、滤波器第二段弯曲波导，7、TE偏振输出波导，8、TM偏振输出波导。
具体实施方式
[0032]下面将结合本申请实施例中的附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器，其特征在于：包括硅衬底、硅波导芯层和二氧化硅包层；所述硅波导芯层位于二氧化硅包层内部；所述二氧化硅包层位于硅衬底的上表面；所述硅波导芯层包括输入波导(1)、定向耦合器第一段弯曲波导(2)、定向耦合器第二段弯曲波导(3)、定向耦合器第三段弯曲波导(4)、滤波器第一段弯曲波导(5)、滤波器第二段弯曲波导(6)、TE偏振输出波导(7)和TM偏振输出波导(8)；所述输入波导(1)、定向耦合器第一段弯曲波导(2)、滤波器第二段弯曲波导(6)和TE偏振输出波导(7)依次相连接；所述定向耦合器第三段弯曲波导(4)与TM偏振输出波导(8)相连接；所述定向耦合器第一段弯曲波导(2)、定向耦合器第二段弯曲波导(3)、定向耦合器第三段弯曲波导(4)由上自下依次排列且三者的圆心相同；所述滤波器第一段弯曲波导(5)位于滤波器第二段弯曲波导(6)的上方，且所述滤波器第一段弯曲波导(5)的前端弯曲波导与滤波器第二段弯曲波导(6)的圆心相同；所述定向耦合器第二段弯曲波导(3)为亚波长光栅结构，所述光栅结构由连接桥连接，所述定向耦合器第一段弯曲波导(2)、定向耦合器第二段弯曲波导(3)和定向耦合器第三段弯曲波导(4)的TM偏振的有效光程相同，用以耦合TM偏振，所述定向耦合器第二段弯曲波导(3)的TE偏振处于反射状态，用以过滤TE偏振。2.根据权利要求1所述的一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器，其特征在于：所述输入波导(1)高为220nm，宽为550nm，弯曲角度为28.5
°
，弯曲半径为8μm。3.根据权利要求1所述的一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器，其特征在于：所述定向耦合器第一段弯曲波导(2)高为220nm，宽为550nm，弯曲角度为28.5
°
，弯...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志斌，赵梦雄，贾梦菲，侯旭伟，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：