一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器
阅读说明：本技术 一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器 (InP polarization beam splitter based on double asymmetric arm Mach-Zehnder interferometer ) 是由 潘盼 闻军 查申龙 马宏亮 占生宝 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明提出的一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器,包括：输入波导、第一多模干涉仪、第一波导、第二波导、第二多模干涉仪、第一输出波导和第二输出波导；所述输入波导与第一多模干涉仪直接连接,所述输入波导通过第一多模干涉仪分别与第一波导、第二波导连接,所述第一波导和所述第二波导均与第二多模干涉仪连接,所述第二多模干涉仪分别与第一输出波导和第二输出波导连接。为了实现在不增加额外调制的情况下提高工艺容差,保持结构相对紧凑,基于InP材料采用波导结构和波导宽度双非对称马赫-曾德干涉仪结构来引入双折射,实现不同偏振光束的分离；实现在不增加额外调制的情况下提高工艺容差,保持结构相对紧凑。(The invention provides an InP polarization beam splitter based on a double asymmetric arm Mach-Zehnder interferometer, which comprises: an input waveguide, a first multimode interferometer, a first waveguide, a second multimode interferometer, a first output waveguide, and a second output waveguide; the input waveguide is directly connected with the first multimode interferometer, the input waveguide is respectively connected with the first waveguide and the second waveguide through the first multimode interferometer, the first waveguide and the second waveguide are both connected with the second multimode interferometer, and the second multimode interferometer is respectively connected with the first output waveguide and the second output waveguide. In order to improve the process tolerance and keep the structure relatively compact under the condition of not increasing extra modulation, a waveguide structure and a waveguide width double-asymmetric Mach-Zehnder interferometer structure are adopted to introduce birefringence based on an InP material, so that the separation of different polarized light beams is realized; the process tolerance is improved under the condition that extra modulation is not added, and the structure is kept relatively compact.)
技术领域
本发明涉及偏振分束器技术领域，特别涉及一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器。
背景技术
随着光通信传输容量和速率的要求不断提升，在波分复用基础上，相干光通信技术快速发展。双偏振-相移键控技术可以充分利用光的偏振和相位信息，增大通信容量和速率。偏振分束器是光通信乃至量子通信中实现偏振控制的重要器件。InP材料相比于其他常用的硅和二氧化硅等材料，具有高速、可以实现有源和无源器件单片集成等特点，是单片光子集成芯片的优良材料。InP基相干光发射和接收芯片的研究越来越成熟，并已实现商用。尽管如此，偏振分束器也存在着许多问题需要进一步解决。
常用的偏振分束器芯片基于马赫-曾德干涉仪结构和定向耦合结构，然而这两种结构都对波导宽度十分敏感，在芯片制备过程中，几纳米的工艺误差就会引起器件性能的急剧下降。在实际应用中，需要增加主动调制的方法来补偿误差，如电光调制、热光调制等。但这会增加能耗同时加大了芯片的复杂性，不利于大规模商用。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出的一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器，实现在不增加额外调制的情况下提高工艺容差，保持结构相对紧凑。
一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器，包括：
输入波导、第一多模干涉仪、第一波导、第二波导、第二多模干涉仪、第一输出波导和第二输出波导；
所述输入波导与第一多模干涉仪直接连接，所述输入波导通过第一多模干涉仪分别与第一波导、第二波导连接，所述第一波导和所述第二波导均与第二多模干涉仪连接，所述第二多模干涉仪分别与第一输出波导和第二输出波导连接。
进一步地，所述第一波导为宽臂浅脊型波导，所述宽臂浅脊型波导由InP 衬底、InP缓冲层、InGaAsP芯层、InP覆盖层组成；所述第二波导为窄臂深脊型波导，所述窄臂深脊型波导由InP衬底、InP缓冲层、InGaAsP芯层、InP覆盖层组成。
进一步地，所述第一波导的宽度为5.5微米，所述第二波导的宽度为4微米。
进一步地，第一多模干涉仪为1×2多模干涉仪。
进一步地，第二多模干涉仪为2×2多模干涉仪。
进一步地，臂长计算公式为：
(Δn)TE·L＝N·λ
其中L为臂长，λ为工作波长，N和M分别为正整数。
进一步地，偏振消光比的公式为：
其中，PTE/PTM分别是TE/TM偏振光的输出光功率。
进一步地，损耗(IL)的公式为：
其中，PTE/PTM分别是TE/TM偏振光的输出光功率，Pinput是输入光功率。
进一步地，波导制作工艺如下：
(1)在InP衬底片上依次沉积生长5微米厚度的InP缓冲层、0.5微米厚度的InGaAsP芯层和1.5微米厚度的InP覆盖层；
(2)先对器件整体进行一次浅刻蚀，即刻蚀1.7微米，芯层只刻蚀了0.2 微米，形成浅脊型波导结构；
(3)再将宽臂区域保护后进行二次刻蚀，刻蚀深度大于1.5微米，即刻透缓冲层，形成强限制深脊型波导。
进一步地，步骤(1)中的InP缓冲层、InGaAsP芯层、InP覆盖层的折射率分别为3.169、3.253、3.169。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器，为了实现在不增加额外调制的情况下提高工艺容差，保持结构相对紧凑，基于InP材料，采用波导结构和波导宽度双非对称马赫-曾德干涉仪结构来引入双折射，实现不同偏振光束的分离；该结构包括输入波导、 1×2多模干涉仪、非对称臂的两个波导、2×2多模干涉仪和两个输出波导；其中宽臂采用浅脊型波导结构，窄臂和偏振分束器的其他部分均采用深脊型波导结构；一束TE和TM混合光从输入波导耦合进入偏振分束器，在1×2多模干涉仪处等分成功率相等的两束光分别进入两个传输臂，由于两臂具有波导结构和波导宽度双非对称性，因此TE和TM偏振光在两臂中传输时产生较大且互异的相位差，合理设计两臂的长度，使TE和TM偏振光到达2×2多模干涉仪时将发生干涉分别耦合进入输出波导1和输出波导2，实现偏振分束功能；双非对称臂结构可以缩短器件尺寸，降低损耗和偏振分光比的宽度敏感性，实现在不增加额外调制的情况下提高工艺容差，且保持结构相对紧凑。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器结构示意图；
图2a为本发明提出的一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器形成浅脊波导结构示意图；
图2b为本发明提出的一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器形成深脊型波导示意图；
图3为本发明提出的一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器深脊和浅脊型波导结构折射率随宽度变化曲线图；
图4a为本发明提出的一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器偏振消光比随波导宽度变化关系图；
图4b为本发明提出的一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器插入损耗随波导宽度变化关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器，包括：
输入波导1、第一多模干涉仪2、第一波导3、第二波导4、第二多模干涉仪5、第一输出波导6和第二输出波导7；所述第一波导3为宽臂型浅脊波导，所述宽臂型浅脊波导由InP衬底8、InP缓冲层9、InGaAsP芯层10、InP覆盖层11组成；所述第二波导4为窄臂型深脊波导，所述窄臂型深脊波导由InP衬底8、InP缓冲层9、InGaAsP芯层10、InP覆盖层11组成。所述第一波导3的宽度为5.5微米，所述第二波导4的宽度为4微米。
所述输入波导1与第一多模干涉仪2直接连接，所述输入波导1通过第一多模干涉仪2分别与第一波导3、第二波导4连接，所述第一波导3和所述第二波导4均与第二多模干涉仪5连接，所述第二多模干涉仪5分别与第一输出波导6和第二输出波导7连接。第一多模干涉仪2为1×2多模干涉仪。第二多模干涉仪5为2×2多模干涉仪。
偏振分束器是通过两臂不同波导结构和不同宽度引起的双折射(两臂中TE 偏振光的折射率差(Δn)TE－两臂中TM偏振光的折射率差(Δn)TM)实现偏振分光功能，因此偏振消光比对波导宽度敏感，对制作工艺要求高。采用薄膜模式匹配法对深脊型和浅脊型波导的折射率随宽度变化关系进行计算，得到图3。波导宽度越大波导折射率对宽度变化越不敏感，可以提高工艺容差，但同时双折射也越小，相位差的累积需要更长的臂长。选取折射率随宽度变化相对缓慢的区间，两臂宽度分别设置为5.5微米和4微米，计算了三种情况下的双折射：两臂均为浅脊型波导时双折射为0.0002、两臂均为深脊型波导时为0.0003、两臂分别为深脊和浅脊型波导时为0.0004。双折射越大意味着积累干涉所需相位差的臂长越短，器件结构越紧凑。臂长计算公式为：
(Δn)TE·L＝N·λ
其中L为臂长，λ为工作波长，N和M分别为正整数。
偏振消光比的公式为：
其中，PTE/PTM分别是TE/TM偏振光的输出光功率，Pinput是输入光功率。
插入损耗(IL)的公式为：
其中，PTE/PTM分别是TE/TM偏振光的输出光功率，Pinput是输入光功率。传统的非对称马赫-曾德干涉仪型偏振分束器对宽度非常敏感，本文中双非对称马赫 -曾德干涉仪型偏振分束器的偏振消光比和插入损耗随宽度变化关系如图4所示。当波导宽度误差在±20nm以内，偏振消光比保持大于20dB，插入损耗大于 -0.9dB。当波导宽度误差在±50nm时，TE模式偏振消光比大于15dB，TM模式偏振消光比大于11dB，插入损耗依然保持大于-0.9dB。相比于传统非对称马赫- 曾德干涉仪型偏振分束器在不加调制的情况下仅仅几纳米的宽度容差有非常大的提升。
波导制作工艺如下：该偏振分束器涉及两种不同的波导结构，深脊型和浅脊型波导。在InP衬底8片上依次沉积生长5微米厚度的InP缓冲层9(折射率 3.169)、0.5微米厚度的InGaAsP芯层10(折射率3.253)和1.5微米厚度的 InP覆盖层11(折射率3.169)。在制作过程中，先对器件整体进行一次浅刻蚀，即刻蚀1.7微米，芯层只刻蚀了0.2微米，形成浅脊波导结构，如图2(a)所示。再将宽臂区域保护后进行二次刻蚀，刻蚀深度大于1.5微米，即刻透缓冲层，形成强限制深脊型波导，如图2(b)所示。
综上所述，一种基于双非对称臂马赫-曾德干涉仪的InP偏振分束器，为了实现在不增加额外调制的情况下提高工艺容差，保持结构相对紧凑，基于InP 材料，采用波导结构和波导宽度双非对称马赫-曾德干涉仪结构来引入双折射，实现不同偏振光束的分离；该结构包括输入波导、1×2多模干涉仪、非对称臂的两个波导、2×2多模干涉仪和两个输出波导；其中宽臂采用浅脊型波导结构，窄臂和偏振分束器的其他部分均采用深脊型波导结构；一束TE和TM混合光从输入波导耦合进入偏振分束器，在1×2多模干涉仪处等分成功率相等的两束光分别进入两个传输臂，由于两臂具有波导结构和波导宽度双非对称性，因此TE 和TM偏振光在两臂中传输时产生较大且互异的相位差，合理设计两臂的长度，使TE和TM偏振光到达2×2多模干涉仪时将发生干涉分别耦合进入输出波导1 和输出波导2，实现偏振分束功能；双非对称臂结构可以缩短器件尺寸，降低损耗和偏振分光比的宽度敏感性，实现在不增加额外调制的情况下提高工艺容差，保持结构相对紧凑。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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