一種偏振分束?合束器的制作方法

本發明涉及一種平面光波導集成的偏振調控器件，尤其是涉及了一種偏振分束-合束器，適用于片上光通信、光傳感系統中需要偏振分束、偏振合束和偏振濾波的場合。

背景技術：

平面集成光波導器件技術日趨成熟，隨著各類集成器件性能的完善、尺寸的減小，單片集成器件數飛速增長，集成系統的復雜度迅速提高，集成系統中的偏振控制問題已經不容忽視。由于小尺寸、高集成度的器件往往采用對光有較強限制能力的高折射率差波導結構，此類波導結構有很大的雙折射特性，因此基于此類波導結構的器件有很強偏振相關性。絕大部分集成器件設計為特定的偏振工作，為避免對器件性能的影響，在光進入器件前需要對不同偏振進行分離，或者將工作偏振以外的其它偏振光濾除。與此同時，平面集成光波導利用其結構特點能夠極好的保持其中傳輸光的偏振特性，不同偏振的光之間沒有相互作用和串擾。在集成光通信系統中，通過在不同偏振的光上加載不同的信號，并在傳輸鏈路的首末端分別加入偏振合束、偏振分束器件，即可在不增加鏈路數量和器件復雜度的情況下，以極低的成本實現通信容量的翻倍。在集成光傳感系統中，利用不同偏振對于傳感變量的靈敏度不同，同時實現多個變量的監測。在相干接收系統中，控制信號光與本振光擁有相同或相近的偏振對于提高探測靈敏度也十分重要。

在器件的性能要求方面，偏振分束-合束器，一般級聯在功能性集成器件之前，用于分離傳輸鏈路中不同偏振態的光，或者濾除其他干擾偏振的光；也可以放置在傳輸鏈路前，用于將復用的不同偏振光合束；因此集成系統對偏振分束-合束器性能有非常高的要求。一方面，要求器件擁有盡量大的帶寬，在大量器件集成的系統中，偏振分束-合束器不可以成為限制整個系統帶寬的瓶頸；另一方面，要求偏振分束-合束器有盡量大的消光比，在高速通信系統中盡量減小串擾，也為后續器件的設計留有一定的余量。

目前在硅基平面光波導上的偏振分束-合束器，主要有兩種實現途徑。第一，采用具有雙折射特性的波導結構，利用不同偏振的光對波導結構中某一項參數(如寬度、高度、彎曲半徑等)變化的敏感程度不同，選擇參數相差較大的兩根波導，使得其中較為敏感的偏振有較大的相位失配，而較不敏感的偏振相位匹配，從而實現不同偏振光的分離，其存在的問題是，器件的尺寸較大，工作帶寬較小，對工藝的容差較小；第二，利用不同材料的雙折射特性，通過將平面硅波導與其他材料結合，對不同偏振的光產生更強的雙折射，用更小尺寸的器件實現不同偏振的分離，其存在的問題是，器件消光比性能較低，由于其他材料的引入，增加了工藝的復雜度，也會引入較大的損耗。

技術實現要素：

針對背景技術中存在的問題，本發明的目的在于提供了一種偏振分束-合束器，基于硅基平面光波導非對稱彎曲波導方向耦合器制成，具有低串擾大容差高性能的優勢，具有重要的應用價值。

本發明所采用的技術方案是：

本發明包括輸入波導、第一彎曲耦合波導、第二彎曲耦合波導、第一連接波導、第二連接波導、S型波導、第三彎曲耦合波導、第四彎曲耦合波導、第一輸出波導和第二輸出波導；輸入波導依次經第一彎曲耦合波導、第一連接波導、S型波導后與第一輸出波導相連接，第二彎曲耦合波導經第二連接波導和第三彎曲耦合波導相連接，第四彎曲耦合波導與第二輸出波導相連接；第一彎曲耦合波導與第二彎曲耦合波導相耦合，第三彎曲耦合波導與第四彎曲耦合波導相耦合。

所述的第一彎曲耦合波導與第二彎曲耦合波導緊鄰平行排列，從而形成耦合；第三彎曲耦合波導與第四彎曲耦合波導緊鄰平行排列，從而形成耦合。

所述的第一彎曲耦合波導、第二彎曲耦合波導的彎曲半徑和寬度均滿足第一彎曲耦合波導TE偏振基模與第二彎曲耦合波導TE偏振基模的相位失配條件，并且所述的第一彎曲耦合波導、第二彎曲耦合波導的彎曲半徑和寬度均滿足第一彎曲耦合波導TM偏振基模與第二彎曲耦合波導TM偏振基模的相位匹配條件，并且所述的第一彎曲耦合波導的長度和第二彎曲耦合波導的長度相匹配使得將第一彎曲耦合波導中TM偏振基模能量完全耦合到第二彎曲耦合波導中TM偏振基模。

所述的第三彎曲耦合波導、第四彎曲耦合波導的彎曲半徑和寬度均滿足第三彎曲耦合波導TE偏振基模與第四彎曲耦合波導TE偏振基模的相位失配條件，并且所述的第三彎曲耦合波導、第四彎曲耦合波導的彎曲半徑和寬度均滿足第三彎曲耦合波導TM偏振基模與第四彎曲耦合波導TM偏振基模的相位匹配條件，并且所述的第三彎曲耦合波導的長度和第四彎曲耦合波導的長度相匹配使得將第三彎曲耦合波導中TM偏振基模能量完全耦合到第四彎曲耦合波導TM偏振基模。

所述的輸入波導、第一彎曲耦合波導、第二彎曲耦合波導、第一連接波導、第二連接波導、S型波導、第三彎曲耦合波導、第四彎曲耦合波導、第一輸出波導、第二輸出波導均是具有對稱截面或者非對稱截面的光波導結構。

所述的具有對稱橫截面的光波導結構，其橫截面上下對稱，即波導中覆蓋于芯層之上的上包層與位于芯層之下的下包層的折射率相等。

所述的具有非對稱橫截面的光波導結構，其橫截面上下不對稱，即波導中覆蓋于芯層之上的上包層與位于芯層之下的下包層的折射率、厚度和寬度中至少有一個不相同。

所述的具有非對稱橫截面的光波導結構，光波導芯層為脊型，其脊兩側被部分刻蝕或全部刻蝕，其脊兩側刻蝕深度相等或不同。

所述的具有非對稱橫截面的光波導結構，光波導橫截面左右不對稱，即左側包層與右側包層折射率不相等、或是寬度不相等、或是兩者均不相等。

所述的具有非對稱橫截面的光波導結構，光波導芯層為雙脊或多層脊的結構，具有兩層或兩層以上的不同高度的脊。

本發明具有的有益效果是：

本發明能獲得具有更小尺寸(長度15μm)的器件，具有結構簡單、設計簡易、工藝簡便等優點，與現有的CMOS工藝完全兼容，在性能方面，具有高消光比(>32dB)、大帶寬(大于25dB消光比帶寬32nm，大于20dB消光比帶寬55nm)、大容差(-20nm～50nm)、低損耗(<0.9dB)等優異性能。

本發明在小尺寸的情況不僅沒有降低器件性能，反而提高了器件性能，在未來片上光通信、光傳感中的偏振調控方面有著重要的應用。

附圖說明

圖1是本發明偏振分束-合束器的結構示意圖。

圖2是本發明偏振分束-合束器的尺寸示意圖。

圖3是本發明第一種具有對稱橫截面的光波導示意圖。

圖4是本發明第一種具有非對稱橫截面的光波導示意圖。

圖5是本發明第二種具有非對稱橫截面的光波導示意圖。

圖6是本發明第三種具有非對稱橫截面的光波導示意圖。

圖7是本發明第四種具有非對稱橫截面的光波導示意圖。

圖8是本發明第五種具有非對稱橫截面的光波導示意圖。

圖9是本發明輸入橫電TE基模時的光場傳輸圖。

圖10是本發明輸入橫磁TM基模時的光場傳輸圖。

圖11是本發明仿真得到輸入橫電TE/橫磁TM基模時的各輸出端口的頻譜響應。

圖12是本發明實驗測得輸入橫電TE/橫電TM基模時的各輸出端口的頻譜響應。

圖13是本發明波導寬度與最佳寬度偏差-20nm時實驗測得輸入橫電TE/橫電TM基模時的各輸出端口的頻譜響應。

圖14是本發明波導寬度與最佳寬度偏差20nm時實驗測得輸入橫電TE/橫電TM基模時的各輸出端口的頻譜響應。

圖15是本發明波導寬度與最佳寬度偏差50nm時實驗測得輸入橫電TE/橫電TM基模時的各輸出端口的頻譜響應。

圖中：1、輸入波導，2a、第一彎曲耦合波導、2b、第二彎曲耦合波導，3a、第一連接波導，3b、第二連接波導，4a、S型波導，4b、第三彎曲耦合波導，4c、第四彎曲耦合波導，5a、第一輸出波導，5c、第二輸出波導。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1所示，包含輸入波導1、第一彎曲耦合波導2a、第二彎曲耦合波導2b、第一連接波導3a、第二連接波導3b、S型波導4a、第三彎曲耦合波導4b、第四彎曲耦合波導4c、第一輸出波導5a、第二輸出波導5c；輸入波導1依次與第一彎曲耦合波導2a、第一連接波導3a、S型波導4a、第一輸出波導5a相連接；第二彎曲耦合波導2b依次與第二連接波導3b、第三彎曲耦合波導4b相連接；第四彎曲耦合波導4c與第二輸出波導5c相連接；第一彎曲耦合波導2a與第二彎曲耦合波導2b為同心圓弧，緊鄰平行排列；第三彎曲耦合波導4b與第四彎曲耦合波導4c為同心圓弧，緊鄰平行排列。

如圖1所示，第一彎曲耦合波導2a和第二彎曲耦合波導2b的彎曲半徑和寬度滿足第一彎曲耦合波導2a的TM偏振基模與第二彎曲耦合波導2b的TM偏振基模的相位匹配條件；第一彎曲耦合波導2a和第二彎曲耦合波導2b的長度滿足將第一彎曲耦合波導2a中TM偏振基模能量完全耦合到第二彎曲耦合波導2b中TM偏振基模。因此，當輸入波導1中的TM偏振基模從第一彎曲耦合波導2a左側輸入，經過由第一彎曲耦合波導2a和第二彎曲耦合波導2b組成的耦合區域，其能量會耦合至第二彎曲耦合波導2b中的TM偏振基模，并從第二彎曲耦合波導2b右側進入第二連接波導3b。同時，由于第一彎曲耦合波導2a中的TE偏振基模和第二彎曲耦合波導2b中的TE偏振基模相位失配，因此當輸入波導1中的TE偏振基模從第一彎曲耦合波導2a左側輸入，其主要能量不發生耦合，直接從第一彎曲耦合波導2a右側輸出進入第一連接波導3a，并經過S型波導4a，最終從第一輸出波導5a輸出。

如圖1所示，第三彎曲耦合波導4b和第四彎曲耦合波導4c的彎曲半徑和寬度滿足第三彎曲耦合波導4b的TM偏振基模與第四彎曲耦合波導4c的TE偏振基模的相位匹配條件；第三彎曲耦合波導4b和第四彎曲耦合波導4c的長度滿足將第三彎曲耦合波導4b中TM偏振基模能量完全耦合到第四彎曲耦合波導4c中TM偏振基模。因此當第二連接波導3b中的TM偏振基模從第三彎曲耦合波導4b左側輸入，經過由第三彎曲耦合波導4b和第四彎曲耦合波導4c組成的耦合區域，其能量會耦合至第四彎曲耦合波導4c中的TM偏振基模，并從第四彎曲耦合波導4c右側進入第二輸出波導5c。同時，由于第三彎曲耦合波導4b中的TE偏振基模和第四彎曲耦合波導4c中的偏振基模相位失配，因此當第二連接波導3b中的少量TE偏振基模能量從第三彎曲耦合波導4b左側輸入時，其主要能量不發生耦合，從第三彎曲耦合波導4b右側輸出進入自由空間。

具體實施中，本發明的各條波導可以是具有對稱截面的光波導結構或者是非對稱截面的光波導結構。

具有對稱橫截面的光波導結構，其橫截面上下對稱，即波導中覆蓋于芯層101之上的上包層100與位于芯層101之下的下包層100的折射率相等，如圖3所示。

具有非對稱橫截面的光波導結構，其橫截面上下不對稱，即波導中覆蓋于芯層101之上的上包層100與位于芯層101之下的下包層102的折射率、厚度和寬度中至少有一個不相同。如圖4所示，上包層100與下包層100的折射率不相等。

具有非對稱橫截面的光波導結構，光波導芯層101為脊型，其脊兩側被部分刻蝕或全部刻蝕，如圖5-圖8所示，其脊兩側刻蝕深度相等或不同。

具有非對稱橫截面的光波導結構，光波導橫截面左右不對稱，即左側包層與右側包層折射率不相等、或是寬度不相等、或是兩者均不相等。

具有非對稱橫截面的光波導結構，光波導芯層為雙脊或多層脊的結構，具有兩層或兩層以上的不同高度的脊。

本發明的具體實施工作過程為：

1)當工作在偏振分束狀態時，以器件的工作中心波長為中心，超寬帶波長范圍的光從輸入波導1左側輸入，輸入波導1左側作為輸入端口，第一輸出波導5a和第二輸出波導5c作為輸出端口。

1.a)當輸入的模式為TE偏振基模時，經過第一彎曲耦合波導2a，主要能量從第一彎曲耦合波導2a右側輸出，依次經過第一連接波導3a、S型波導4a，最終進入第一輸出波導5a；極少量能量從第一彎曲耦合波導2a經倏逝場耦合進入第二彎曲耦合波導2b，從第二彎曲耦合波導2b右側依次經過第二連接波導3b和第三彎曲耦合波導4b，從第三彎曲耦合波導4b末端進入自由空間。第三彎曲耦合波導4b末端極少量能量中的極少部分(可忽略不計)由第三彎曲耦合波導4b進入第四彎曲耦合波導4c，從第二輸出波導5c端口輸出。

1.b)當輸入模式為TM偏振基模時，經過由第一彎曲耦合波導2a和第二彎曲耦合波導2b組成的耦合區域，其能量耦合到第二彎曲耦合波導2b的TM偏振基模，并從第二彎曲耦合波導2b右側經過第二連接波導3b進入由第三彎曲耦合波導4b和第四彎曲耦合波導4c組成的耦合區域，其主要能量耦合到第四彎曲耦合波導4c的TM偏振基模，并從第四彎曲耦合波導4c右側進入第二輸出波導5c。

1.c)當輸入模式為TM偏振基模和TE偏振基模時，由上述TM偏振基模和TE偏振基模各自的傳輸過程可知，從輸入波導1左側輸入后，TE偏振基模從第一輸出波導5a輸出，TM偏振基模從第二輸出波導5c作輸出。

2)當工作在偏振合束狀態時，以器件的工作中心波長為中心，超寬帶波長范圍的TE偏振和TM偏振光分別從第一輸出波導5a和第二輸出波導5c輸入，輸入波導1左側作為輸出端口，第一輸出波導5a和第二輸出波導5c作為輸入端口。由工作在偏振分束狀態的描述再根據器件的互易性原理可知，TE偏振和TM偏振的光將分別從第一輸出波導5a和第二輸出波導5c輸入，均從輸入波導1輸出。

下面給出一種偏振分束-合束器的具體實施例：

在此，選用基于硅絕緣體(SOI)材料的硅納米線光波導:其芯層(101)是硅材料，厚度為220nm、在1550nm波長折射率為3.4744；其下包層(102)材料是二氧化硅，厚度為2μm、在1550nm波長折射率為1.4404；上包層(100)材料是空氣，折射率為1。

對于如圖2所示的偏振分束-合束器尺寸圖，其相關參數為：輸入波導1、第一彎曲耦合波導2a、第一連接波導3a、S型波導4a、第一輸出波導5a、第四彎曲耦合波導4c、第二輸出波導5c寬度相等，寬度W₁＝0.430μm；第二彎曲耦合波導2b、第二連接波導3b、第三彎曲耦合波導4b寬度相等，寬度W₂＝0.504μm；第一彎曲耦合波導2a與第二彎曲耦合波導2b之間的間隔和第三彎曲耦合波導4b與第四彎曲耦合波導4c之間的間隔相等，間隔W_g＝0.233μm；第一彎曲耦合波導2a和第四彎曲耦合波導4c的彎曲半徑相等，彎曲半徑R₁＝20μm；第二彎曲耦合波導2b和第三彎曲耦合波導4b的彎曲半徑相等，彎曲半徑R₂＝19.3μm；第一彎曲耦合波導2a、第二彎曲耦合波導2b和第一連接波導3a圓弧角度相等，圓弧角度θ₁＝16.8°；第一連接波導3a彎曲半徑R₃＝4μm；S型波導4a橫向位移l_x＝6μm、縱向位移l_y＝0.67μm；第三彎曲耦合波導4b和第四彎曲耦合波導4c的圓弧角度相等，圓弧角度θ₂＝20.8°；第二輸出波導5c圓弧部分彎曲半徑R₄＝3μm；圓弧角度角度θ₃＝4°。

本發明的總長度約15μm，相比現有器件總長度20μm以上，減少了尺寸，同時在性能方面也有很大的提升。

本實施例基于上述結構尺寸，其對于橫電TE基模輸入的仿真響應如圖9所示，對于橫磁TM基模輸入的仿真響應如圖10所示。

對于橫電TE基模輸入和橫磁TM基模輸入的仿真頻譜響應如圖11所示，對于橫電TE基模輸入和橫磁TM基模輸入的測試頻譜響應如圖12所示，圖中可見對于橫電TE基模和橫磁TM基模，峰值消光比均>32dB，在測量的波長范圍內，損耗均小于0.9dB，25dB消光比帶寬為32nm，20dB消光比帶寬為55nm。性能均優于現有已報道過的偏振分束器。

當波導寬度與設計值分別有-20nm、20nm和50nm的偏差時，對于橫電TE基模和橫磁TM基模輸入的測試頻譜響應分別如圖13、圖14、圖15所示，由此可見，當波導寬度有-20nm～50nm的偏差時，該偏振分束-合束器的性能沒有太多下降，仍然有大于20dB的消光比。這樣的工藝容差要求優于現有已報道過的偏振分束器，并且利用現有的CMOS技術完全能夠實現。

由此可見，本發明利用了波導結構對于不同偏振的響應，實現了偏振的分束合束，結構簡單、設計簡易、工藝簡便等優點，與現有的CMOS工藝完全兼容，在性能方面，具有高消光比、大帶寬、大容差、低損耗等優異性能，在未來片上光集成器件中將會有重要作用。