阅读说明：本技术 一种宽波段高消光比片上集成偏振器及设计方法 (Broadband high-extinction-ratio on-chip integrated polarizer and design method ) 是由 毛玉政 陈琳 王少华 袁钊 谢良平 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于集成光子学、光传感技术领域,具体涉及一种宽波段高消光比片上集成偏振器及设计方法。本发明宽波段高消光比片上集成偏振器包括衬底6、上包层5、以及设置在衬底和上包层之间的波导芯层,所述波导芯层按光传播方向顺次分成三部分,分别为输入直波导芯层(1)、倾斜光栅波导芯层(2)及输出直波导芯层(3),其中,设置在输入直波导芯层(1)与输出直波导芯层(3)之间的倾斜光栅波导芯层(2)包含若干个周期且相互倾斜平行设置。本发明提供的偏振器结构简单、工艺实现难度低,同时利用一维光子晶体能带理论设计倾斜光栅参数,可得到较大的工作带宽,具有较大加工误差容限,同时可保证TM模式低损透射而TE模式高效反射,实现超高偏振消光比。(The invention belongs to the technical field of integrated photonics and optical sensing, and particularly relates to an on-chip integrated polarizer with a wide waveband high extinction ratio and a design method. The integrated polarizer on the broadband high extinction ratio chip comprises a substrate 6, an upper cladding 5 and a waveguide core layer arranged between the substrate and the upper cladding, wherein the waveguide core layer is sequentially divided into three parts according to the light propagation direction, namely an input straight waveguide core layer (1), an inclined grating waveguide core layer (2) and an output straight waveguide core layer (3), wherein the inclined grating waveguide core layer (2) arranged between the input straight waveguide core layer (1) and the output straight waveguide core layer (3) comprises a plurality of periods and is arranged in parallel in an inclined mode. The polarizer provided by the invention has the advantages of simple structure and low process realization difficulty, and simultaneously designs inclined grating parameters by utilizing the energy band theory of the one-dimensional photonic crystal, so that a larger working bandwidth can be obtained, a larger processing error tolerance is realized, meanwhile, the low-loss transmission of a TM mode and the high-efficiency reflection of a TE mode can be ensured, and the ultrahigh polarization extinction ratio is realized.)

一种宽波段高消光比片上集成偏振器及设计方法

技术领域

本发明属于集成光子学、光传感技术领域，具体涉及一种宽波段高消光比片上集成偏振器及设计方法。

背景技术

在许多光纤通讯、光传感系统，如光开关、集成光学陀螺、偏振相干探测等领域中，为了抑制偏振相关误差，往往仅允许单一模式光传输，因此实现偏振控制功能必不可少。其中片上偏振控制器件因其具有尺寸小，性能稳定，可批量生产等优势受到广泛关注。近年来基于不同结构原理的偏振控制器件包括偏振分束器(Polarization beam splitter,PBS)，偏振旋转器(Polarization rotator,PR)以及片上偏振器已经实现。其中基于弯曲定向耦合器(Directional coupler,DC)的偏振分束器和基于表面等离子体波导的偏振器被大量研究报道。基于DC结构的偏振分束器可实现TE与TM模式的分离，结构相对简单，但对波长和温度比较敏感，为了实现较高消光比需设计弯曲结构，增加器件尺寸及损耗；而基于表面等离子体波导的偏振器主要利用TM模式光在混合等离子表面传输衰减，TE模在介质波导中传输几乎不受影响，因此可得到极高的偏振消光比(30dB以上)。但其结构比较复杂，需要沉积负折射率的金属薄膜形成表面等离子体基元，增加了工艺难度；且该结构要求介质波导与表面等离子体波导模式相位匹配，因此对波导尺寸变化非常敏感，这对刻蚀精度也提出了更高要求。上述两种偏振控制结构在带宽、消光比及工艺难度等方面存在不足，大大限制了其在光子集成领域的应用推广。

发明内容

本发明针对现有结构设计存在的不足，提供一种紧凑结构、加工误差容限大的宽波段高消光比片上集成偏振器设计。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

本发明的技术方案：一种宽波段高消光比片上集成偏振器，其包括衬底6、上包层5、以及设置在衬底和上包层之间的波导芯层，所述波导芯层按光传播方向顺次分成三部分，分别为输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2及输出直波导芯层3，其中，设置在输入直波导芯层1与输出直波导芯层3之间的倾斜光栅波导芯层2为若干个且相互倾斜平行设置。

所述输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2邻近输出直波导芯层3端面与输出直波导芯层3平行，以实现光栅高效衍射。

输入直波导芯层1、输出直波导芯层3结构相同，倾斜光栅波导芯层2刻蚀深度及宽度在光传输方向上的投影与输入直波导芯层1/输出直波导芯层3尺寸相同，以有效减少偏振器的插入损耗。

所述输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2及输出直波导芯层3折射率相同，且比设置在其相互之间间隙内的上包层5折射率大，因此工艺实现难度小，易于实施。

倾斜光栅波导2的倾斜角度不大于从而减小TM模式的全反射。

一种所述的宽波段高消光比片上集成偏振器的设计方法，其利用一维光子晶体能带理论计算出TE和TM两种模式的归一化频率与归一化波矢之间的关系，选取TE模式禁带与TM导带两部分带隙重叠的带隙确定倾斜光栅倾斜角度、间隙以及光栅周期，以实现TE模式高效反射，TM模式高效透射，从而在宽波段范围内实现超高偏振消光比。

倾斜光栅波导芯层2的有效折射率为n₁，其间隙内的上包层折射率为n₂，且二者宽度分别为a₁、a₂时，根据一维光子晶体能带理论，利用传输矩阵法可分别计算出TE和TM两种模式能带结构关于归一化频率与归一化波矢k₁平面的分布。

根据归一化频率归一化波矢k₁关系直线与能带结构在归一化频率与归一化波矢k₁平面分布的交叠，可以确定TE模式禁带与TM导带两部分带隙重叠区域。

根据TE模式禁带与TM导带两部分带隙重叠区域的上下边界，计算获取直光栅周期d。

利用直光栅周期d与倾斜光栅周期a以及各介质层宽度a₁与a₂确定参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的偏振器结构简单、工艺实现难度低，同时利用一维光子晶体能带理论设计倾斜光栅参数，可得到较大的工作带宽，参数选择自由大，具有较大加工误差容限，同时选择TM导带与TE禁带的重叠带隙设计，可保证TM模式低损透射而TE模式高效反射，从而实现30dB以上的超高偏振消光比。

附图说明

图1为本发明倾斜光栅波导偏振器结构示意图；

图2为平面直光栅结构示意图；

图3为光栅的能带结构图；

图4为TE模式与TM模式的场分布图；

图5为偏振器的输出谱图。

具体实施方式

为了使本发明方案的技术方案及优势更加清楚明了，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的一种宽波段高消光比片上偏振器，主要由输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2及输出直波导芯层3三部分组成。其中，输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2及输出直波导芯层3刻蚀深度相同，倾斜光栅波导芯层2在传输方向上投影的宽度与输入直波导芯层1/输出直波导芯层3宽度相同。TE与TM混合模式光从输入直波导芯层1入射，传输经过倾斜光栅芯层2，其中TE模式光发生高效反射，TM模式光低损透射继续在输出直波导芯层3中传输。

倾斜光栅波导芯层2按折射率n₁、n₂及宽度a₁、a₂周期交替排列组成，且与传输方向成固定夹角θ，芯层折射率n₂与上包层折5射率相同。倾斜光栅周期a＝a₁+a₂，可由一维光子晶体能带理论计算求得。

本发明一种所述的宽波段高消光比片上集成偏振器的设计方法，其利用一维光子晶体能带理论计算出TE和TM两种模式的归一化频率与归一化波矢k₁的关系，选取TE模式禁带与TM导带两部分带隙重叠的带隙确定倾斜光栅倾斜角度、间隙以及光栅周期，以实现TE模式高效反射，TM模式高效透射，从而在宽波段范围内实现超高偏振消光比，其详细过程如下：

步骤1，如图2直光栅结构，n₁为光栅波导芯层的有效折射率，其与倾斜光栅存在结构关系：周期d＝a×sinθ，光与入射面法线夹角φ和倾斜角θ满足关系φ+θ＝90°，定义刻蚀层宽度比例因子f＝d2/d；

步骤2，根据一维光子晶体能带理论，利用传输矩阵法可分别计算出TE模式光与TM模式在交替折射率分别为n₁和n₂，宽度比例因子为f的周期介质层结构中能带结构关于归一化频率与归一化波矢k₁的分布，见图3中光子能带结构；

步骤3，根据归一化频率及波矢定义：k₁＝k_y/(2π/d)，利用归一化频率归一化波矢k₁关系

步骤4，利用上述关系在光子能带结构中，分别做入射角度为φ时TE与TM模式的归一化频率归一化波矢k₁关系直线，分别与光子能带边界相交，得到φ角入射下TE模式禁带与TM模式导带的重叠部分；

步骤5，选取TE模式禁带下边界图3中A点与TM模式导带的上边界图3中B点之间带隙计算光栅结构参数，根据公式可计算出选取的能带边界对应的波长边界设计中心波长λ＝(λ₁+λ₂)/2，得到周期

步骤6，根据几何关系θ＝90°-φ，a＝d/sinθ，f＝d₂/d＝a₂/a，可求出光栅倾角θ，倾斜光栅周期a及各介质层宽度a₁与a₂，确定光栅结构。

设计完成。

实施例：

为了更好地体现本发明的优势，依据本发明的技术方案，我们设计了基于绝缘体上硅SOI材料平台的倾斜光栅波导型偏振器。设计器件的中心波长λ＝1550nm，硅材料折射率n₁＝3.47，SiO₂材料折射率n₂＝3.47，直波导尺寸为500nm×220nm。计算可得到二维平面波导有效折射率n_eff＝2.848。选取介质层宽度比例f＝0.75，入射角φ＝25°，计算光子能带结构得到从而求得d＝426.7nm。利用几何关系得到，θ＝65°，a＝470.8nm，a₁＝353.1nm，a₂＝117.7nm。

利用上述参数建模仿真，得到中心波长处TE与TM模式分布，很明显TE模式几乎被完全反射，而TM模式低损耗透过。TE模式透射率为0.000285，TM模式透射率0.867，因此可得到34.8dB的高偏振相关比。根据图5可以发现，该偏振器结构约在1340nm-1700nm波段360nm的大带宽内均可实现30dB以上的高消光比。

综上所述本发明宽波段高消光比片上集成偏振器结构简单、工艺实现难度低，同时利用一维光子晶体能带理论设计倾斜光栅参数，可得到较大的工作带宽，具有较大加工误差容限，同时可保证TM模式低损透射而TE模式高效反射，实现超高偏振消光比。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术，即可以由常规产品替代。但本发明的保护范围不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。