阅读说明：本技术 基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器 (Polarization-independent power divider based on symmetrical three-waveguide and sub-wavelength structure ) 是由 肖金标 杨楠 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器,该功率分配器从下至上依次为硅基衬底(8)、掩埋氧化层(9)、硅波导层(11)和上包层(10),硅波导层(11)由右路直通通道(2)、中路直通通道(3)和左路直通通道(4)构成对称三波导定向耦合器结构(7),对称三波导定向耦合器结构(7)的一侧设置有输入通道(1),另一侧设置有右输出通道(5)和左输出通道(6),且各个通道表面均附有亚波长光栅结构；定向耦合器结构(7)将输入的不同偏振光进行3dB功率分配。该功率分配器有效降低了现有功率分配器的插入损耗和反射损耗,改善了器件的功分比,缩短了器件的尺寸。(The invention discloses a power divider which is based on a symmetrical three-waveguide and has no relation with polarization of a sub-wavelength structure, the power divider sequentially comprises a silicon-based substrate (8), a buried oxide layer (9), a silicon waveguide layer (11) and an upper cladding (10) from bottom to top, the silicon waveguide layer (11) forms a symmetrical three-waveguide directional coupler structure (7) by a right path through channel (2), a middle path through channel (3) and a left path through channel (4), one side of the symmetrical three-waveguide directional coupler structure (7) is provided with an input channel (1), the other side of the symmetrical three-waveguide directional coupler structure is provided with a right output channel (5) and a left output channel (6), and the surface of each channel is attached with a sub-wavelength grating structure; the directional coupler structure (7) performs 3dB power distribution on input light with different polarizations. The power divider effectively reduces the insertion loss and the reflection loss of the existing power divider, improves the power dividing ratio of a device, and shortens the size of the device.)

基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器

技术领域

本发明涉及一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器，属于集成光学技术领域。

背景技术

光子集成电路(PIC)通过提供低成本的光互连的解决方案和较高的传输速率，被认为下一代光网络中发展光学计算和高宽带互连的良好选择。近几年，为实现光子集成电路，绝缘硅片(SOI)材料系以其与COMS兼容的制备工艺、高折射率对比度、低损耗的纳米线波导和器件占用空间小等优点，引起了人们的广泛关注，并在许多光学领域得到了实际的应用。而功率分配器是模多路复用器、光相控阵和光开关等复杂光学器件的重要组成元件。由于芯层与包层之间的折射率对比度高，对于极化特性不同的横向电场模(TE)和横向磁场模(TM)，基于SOI平台的功率分配器具有很强的双折射特性；从而使得大部分基于SOI的功率分配器普遍具有偏振敏感性，这将对PIC的性能产生负面影响。传统的偏振无关的功率分配器，通过引入较厚的硅波导层，较宽的波导间隙，弯曲波导或者较低的波导宽度来实现TE和TM模式的耦合长度相等；但同时会带来更高的设计复杂度和功率分配比(SR)，也会使得***损耗与反射损耗更高。近年来，亚波长光栅(SWG)结构由于多种有效的衍射抑制能力和指数处理能力，倍受研究学者关注；为光学器件设计提供一个新的自由度。因此，设计出一种具有紧凑结构、低***损耗、工作带宽大且功分比均匀的功分器是实现下一代PIC的必然要求。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器，该功分器采用右路直通通道、中路直通通道和左路直通通道构成的对称三波导定向耦合器结构，将输入的不同偏振光TE(TM)进行功率3dB分配，使其耦合至输出通道波导中；该方案有效降低了功分器的***损耗，改善了器件的功分比，缩短了器件的尺寸。

技术方案：本发明提供了一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的功率分配器，该功率分配器采用绝缘硅片平台制造，功率分配器最底层为硅基衬底，硅基衬底上表面为掩埋氧化层，在掩埋氧化层上表面分布有硅波导层，硅波导层覆盖有上包层，其中：

硅波导层包括输入通道、右路直通通道、中路直通通道、左路直通通道、右输出通道和左输出通道，且所有通道的材质均为硅波导；

右路直通通道、中路直通通道和左路直通通道平行且对齐布置，构成对称三波导定向耦合器结构，且左路直通通道与右路直通通道宽度保持一致；

对称三波导定向耦合器结构的一侧设置有输入通道，且输入通道与中路直通通道的一端相连接；

对称三波导定向耦合器结构的另一侧设置有右输出通道和左输出通道，右输出通道与右路直通通道的一端相连接，左输出通道与左路直通通道的一端相连接，且右输出通道的右侧面与右路直通通道的右侧面对齐，左输出通道左侧面与左路直通通道左侧面对齐；

对称三波导定向耦合器结构中右路直通通道的左侧面、左路直通通道的右侧面、中路直通通道的左右两侧面均附有亚波长光栅结构；

输入通道的两侧附有锥形亚波长光栅结构组成过渡结构，且过渡结构中锥形亚波长光栅结构和输入通道的宽度之和与中路直通通道和其左右附有的亚波长光栅结构的宽度之和相等；

右输出通道的左侧面和左输出通道的右侧面附有锥形亚波长光栅结构，且右输出通道和其左侧面上的锥形亚波长光栅宽度之和与右路直通通道和其左侧面上的亚波长光栅结构宽度之和相等，左输出通道和其右侧面上的锥形亚波长光栅宽度之和与左路直通通道和其右侧面上的亚波长光栅结构宽度之和相等；

所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构均由高折射材料层和低折射率材料层交替组成；其中一个高折射率材料层与一个低折射率材料层构成一个周期，若高折射率材料沿通道方向的长度为a，两者组成的周期为∧，则占空比定义为f＝a/∧，所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构具有相同的周期与占空比。

其中：

所述的右路直通通道与其左侧面的亚波长光栅结构的宽度之和、左路直通通道与其右侧面的亚波长光栅结构的宽度之和均为490nm～500nm，其中右路直通通道左侧面上的亚波长光栅结构和左路直通通道右侧面上亚波长光栅结构的宽度均为200nm～250nm、周期均为200nm～240nm、占空比均为45％～50％；中路直通通道与其左右两侧面上的亚波长光栅结构的宽度之和为510nm～570nm，其中左右两侧面的亚波长光栅结构的宽度分别为130nm～160nm、周期为200nm～240nm、占空比为45％～50％。

中路直通通道的宽度与输入通道和中路直通通道的接触端的宽度相同，为245～255nm；右路直通通道的宽度与输出通道和右路直通通道的接触端的宽度相同，为250nm～300nm；左路直通通道的宽度与输出通道和左路直通通道的接触端的宽度相同，为250nm～300nm；右路直通通道的宽度与左路直通通道的宽度保持相同。

所述的输入通道的宽度从与中路直通通道接触端至远端由245～255nm过渡至490nm～500nm，且其宽度与左右两侧附有的过渡结构中锥形亚波长光栅结构宽度之和为510nm～570nm，光栅的周期为200nm～240nm、占空比为45％～50％。

所述的右输出通道(和其左侧面上的锥形亚波长光栅结构宽度之和、左输出通道和其右侧面上的锥形亚波长光栅结构宽度之和均为490nm～500nm，其中右输出通道和左输出通道从与称定向耦合器结构接触端至远端由250nm～300nm过渡至490nm～500nm，其表面附有的锥形亚波长光栅结构的周期为200nm～240nm，其宽度在3μm～4μm内从与称定向耦合器结构接触端至远端由200nm～250nm线性过渡至50nm～70nm、占空比为45％～50％。

所述的右路直通通道、中路直通通道和左路直通通道平行且对齐布置中，中路直通通道和其左右两侧面上的亚波长光栅组成的结构分别与右路直通通道和其左侧面的亚波长光栅组成的结构、左路直通通道和其右侧面的亚波长光栅组成的结构之间的间距相等，均为为100～150nm。

所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构具有统一周期与占空比。

所述的高折射率材料层的材料为硅，低折射率材料层的材料为二氧化硅。

所述的右路直通通道、中路直通通道和左路直通通道的尺寸满足以下条件：

1)右路直通通道和左路直通通道所支持的TE和TM模式的有效折射率相等；

2)中路直通通道与分布在两侧的右路直通通道和左路直通通道所支持的TE模有效折射率相差小于0.1，相位匹配；

3)中路直通通道与分布在两侧的右路直通通道和左路直通通道所支持的TM模有效折射率相差小于0.1，相位匹配；

4)对称三波导定向耦合器结构所支持的最低阶偶模TE₀和TE₂的有效折射率差与其所支持TM₀和TM₂的有效折射率差相等。

所述的对称三波导定向耦合器结构的耦合长度L_C满足下式：

式中：λ为工作波长，表示对称三波导定向耦合器结构所支持的第0阶TM或者TE模的有效折射率，表示对称三波导定向耦合器结构所支持的第2阶TM或者TE模的有效折射率。

所述的硅基衬底为标准尺寸的硅晶片，掩埋氧化层的厚度为1μm～3μm，其材质为二氧化硅材料；所述的上包层材料为二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯或者空气。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、***损耗低：本发明中的偏振无关的3dB双模式功分器所满足的最重要的条件是TE和TM模式都满足相位匹配条件；TE偏振光和TM偏振光经相位匹配，近50％的功率耦合致两侧直通通道，所以***损耗低；若进一步调整结构参数，降低两种偏振光的耦合距离，缩小器件尺寸，***损耗将进一步降低。

2、功分比均匀：本发明中的偏振无关的3dB双模式功分器采取中心对称式设计，TE和TM模式的偏振光从中路直通通道输入，经对称三波导定向耦合器，对称地耦合致两侧直通通道；所以左输出通道和右输出通道获得的功率可高度近似相等，从而使得输出功率比近似为1。

3、反射损耗低：本发明中的3dB双模式功分器除了采取对称式设计，还引入亚波长光栅结构和三波导定向耦合器结构；这两种结构的综合使用使得器件性能更稳定；同时可免去弯曲输出波导的使用，从而降低反射损耗，使耦合效率更高。

附图说明

图1为本发明实施例1中硅波导层结构示意图；

图2为本发明实施例1中对称三波导定向耦合器结构的横截面结构示意图；

图3为本发明实施例1中传统对称三波导定向耦合器结构在1.55μm处TE和TM模式相应的耦合长度与通道间距变化的关系图；

图4为本发明实施例1中传统对称三波导定向耦合器结构在1.55μm处TE和TM模式相应的耦合长度与中路直通通道宽度变化的关系图；

图5为本发明实施例1中加入SWG结构之后的对称三波导定向耦合器结构在1.55μm处TE和TM模式相应的耦合长度与中路波导中SWG宽度变化的关系图；

图6为本发明实施例1中加入SWG结构之后对称三波导定向耦合器结构在1.55μm处TE和TM模式相应的耦合长度与SWG周期变化的关系图；

图7为本发明实施例1中1.55μm工作波长处TE₀模和TM₀模的主分量在功分器中的传输图；

图中有：输入通道1、右路直通通道2、中路直通通道3、左路直通通道4、右输出通道5、左输出通道6、对称三波导定向耦合器结构7、硅基衬底8、掩埋氧化层9、上包层10、硅波导层11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

实施例1

一种基于对称三波导与亚波长结构的偏振无关的硅基功分器(如图1、图2所示)，该功率分配器采用绝缘硅片平台制造，功率分配器最底层为标准的6英寸硅晶片组成的硅基衬底8，硅基衬底8上表面有热生长的2μm厚的掩埋氧化层9，其材质为二氧化硅材料，在掩埋氧化层9上表面分布有硅波导层11，硅波导层11覆盖有二氧化硅组成的上包层10，其中：

硅波导层11包括输入通道1、右路直通通道2、中路直通通道3、左路直通通道4、右输出通道5、左输出通道6、对称三波导定向耦合器结构7，且所有通道的材质均为硅波导；

右路直通通道2、中路直通通道3和左路直通通道4平行且对齐布置，构成对称三波导定向耦合器结构7，且左路直通通道4与右路直通通道2宽度保持一致；

对称三波导定向耦合器结构7的一侧设置有输入通道1，且输入通道1与中路直通通道3的一端相连接；

对称三波导定向耦合器结构7的另一侧设置有右输出通道5和左输出通道6，右输出通道5与右路直通通道2的一端相连接，左输出通道6与左路直通通道4的一端相连接，且右输出通道5的右侧面与右路直通通道2的右侧面对齐，左输出通道6左侧面与左路直通通道4左侧面对齐；

对称三波导定向耦合器结构7中右路直通通道2的左侧面、左路直通通道4的右侧面、中路直通通道3的左右两侧面均附有亚波长光栅结构，其中右路直通通道2的左侧面和左路直通通道4的右侧面的亚波长光栅结构的宽度为220nm，周期为220nm、占空比为50％、中路直通通道3的左右两侧面的亚波长光栅结构的宽度为160nm、周期为220nm、占空比为50％；

中路直通通道3的宽度与输入通道1和中路直通通道3的接触端的宽度相同，为250nm；右路直通通道2的宽度与右输出通道5和右路直通通道2的接触端的宽度相同，为280nm；左路直通通道4的宽度与左输出通道6和左路直通通道4的接触端的宽度相同，为280nm；输入通道1的宽度从与中路直通通道3接触端至远端由250nm过渡至500nm；左输出通道6和右输出通道5从与称定向耦合器结构7接触端至远端在4μm内由280nm过渡至500nm；左输出通道6右侧刻蚀的SWG结构和右输出通道5左侧刻蚀的SWG结构的宽度在周期为220nm、占空比为50％的条件下由220nm过渡至50nm；后面残留锥形空白部分不进行刻蚀SWG结构；

输入通道1的两侧附有锥形亚波长光栅结构组成过渡结构，过渡结构中锥形亚波长光栅结构与输入通道1的宽度之和为570nm、周期为220nm、占空比为50％；

所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构均由高折射材料层和低折射率材料层交替组成；其中一个高折射率材料层与一个低折射率材料层构成一个周期；若高折射率材料沿通道方向的长度为a，两者组成的周期为∧，占空比定义为f＝a/∧；

所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构具有相同的周期与占空比。

其中：

所述的右路直通通道2、中路直通通道3和左路直通通道4平行且对齐布置中，中路直通通道3和其左右两侧面上的亚波长光栅组成的结构分别与右路直通通道2和其左侧面的亚波长光栅组成的结构、左路直通通道4和其右侧面的亚波长光栅组成的结构之间的间距为200nm。

如图2所示，所述的亚波长光栅结构和锥形亚波长光栅结构具有统一周期与占空比。

所述的右路直通通道2、中路直通通道3和左路直通通道4的尺寸满足以下条件：

1)右路直通通道2和左路直通通道4所支持的TE和TM模式的有效折射率相等；

2)中路直通通道3与分布在两侧的右路直通通道2和左路直通通道4所支持的TE模有效折射率相差小于0.1，相位匹配；

3)中路直通通道3与分布在两侧的右路直通通道2和左路直通通道4所支持的TM模有效折射率相差小于0.1，相位匹配；

4)对称三波导定向耦合器结构7所支持的最低阶偶模TE₀和TE₂的有效折射率差与其所支持TM₀和TM₂的有效折射率差相等。

所述的对称三波导定向耦合器结构7的耦合长度L_C满足下式：

式中：λ为工作波长，表示对称三波导定向耦合器结构7所支持的第0阶TM或者TE模的有效折射率，表示对称三波导定向耦合器结构7所支持的第2阶TM或者TE模的有效折射率。

对称三波导定向耦合器结构7将TM和TE模式的能量完全均匀地耦合到两侧右路直通通道2和左路直通通道4中。此处选择的对称三波导定向耦合器结构7，有效地避免了弯曲波导的使用，增大两侧波导的间隙，减小***损耗和反射损耗，提高器件的整体性能。

图3给出了在1.55μm工作波长下，传统三波导定向耦合器中TE和TM模的耦合长度与通道间隙的关系图，其中硅波导的高度为250nm。从图中可以看出，在相同通道宽度下，通道间隙越大，TE模的耦合长度呈指数形式增长；而对于TM模，其耦合长度相对稳定，变化微小；所以需要增强TE模的耦合能力以实现双模式的耦合长度相等，从而实现偏振无关；为实现紧凑的功分器，波导间隙选为200nm。

图4给出了在1.55μm工作波长下，传统三波导定向耦合器中TE和TM模的耦合长度与中路通道宽度的关系图；其中两侧波导宽度为500nm，波导间隙为200nm。从图中可以看出，改变波导的宽度，可以增强TE模式的耦合能力，使得TE模的耦合长度变短，甚至小于同等条件下TM的耦合长度；所以可以横向对波导做出调整，如加入SWG结构，可实现偏振无关。

图5给出了1.55μm工作波长下，在间隙两侧加入SWG之后，对称定向耦合器中TE和TM模的耦合长度与中路通道最大宽度(对应两侧带状波导不同宽度)的关系图。从图中可以看出，带状波导的宽度越窄，代表两侧SWG的宽度越宽，越有利于TE模式耦合；中间SWG越宽，越有利于TE的耦合，从而减小其耦合长度；而对于TM模式，SWG结构的加入与加宽，使得TM模式的有效耦合间距变宽，微弱地增加了其耦合长度，但对其耦合强度的影响相对很小；当中间波导总宽度达到570nm时，两侧带状波导280nm时，TE和TM模式的耦合长度达到一致，耦合长度小于10μm，实现紧凑的偏振无关的功分器。

图6给出了在1.55μm工作波长处，在间隙两侧加入SWG之后，3种不同占空比情况下，对称定向耦合器中TE和TM模式耦合的损耗和SWG周期的关系图。从图中可以看出，在周期等于220nm时，且占空比为0.48时，TE和TM耦合的损耗相对其他情况最小，总体性能最佳。

图7分别给出了TE₀模E_y分量和TM₀模E_z分量在功分器中的传输变化图。可以看出，TE₀模式和TM₀模式在对称三波导耦合器中逐渐从中间波导均匀耦合致两侧波导，且几乎没有损耗。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。