一种偏振分束器
阅读说明：本技术 一种偏振分束器 (Polarization beam splitter ) 是由 白谋 颜博霞 亓岩 韩哲 周密 范元媛 王宇 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本公开提供一种偏振分束器,包括：波导芯层、包覆层和衬底；波导芯层包括输入条形直波导、交叉区渐进型波导、第一输出条形直波导、S型弯曲波导、第二输出条形直波导以及增强型条形直波导；其中,输入条形直波导、交叉区渐进型波导、第一输出条形直波导、第二输出条形直波导和增强型条形直波导的长度方向均为同一方向；S型弯曲波导两个端面分别贴合连接输入条形直波导和第二输出条形直波导；交叉区渐进型波导与第一输出条形直波导通过同一端面贴合连接；交叉区渐进型波导、输入条形直波导和增强型条形直波导由上到下依次平行排列。本公开的偏振分束器不仅结构紧凑,而且可以实现工艺容差大、插入损耗低、消光比高、宽传输带宽等特性。(The present disclosure provides a polarizing beam splitter comprising: a waveguide core layer, a cladding layer and a substrate; the waveguide core layer comprises an input strip-shaped straight waveguide, a progressive waveguide in an intersection region, a first output strip-shaped straight waveguide, an S-shaped bent waveguide, a second output strip-shaped straight waveguide and an enhanced strip-shaped straight waveguide; the length directions of the input strip-shaped straight waveguide, the intersection region progressive waveguide, the first output strip-shaped straight waveguide, the second output strip-shaped straight waveguide and the enhanced strip-shaped straight waveguide are all in the same direction; two end faces of the S-shaped bent waveguide are respectively attached and connected with the input strip-shaped straight waveguide and the second output strip-shaped straight waveguide; the progressive waveguide in the intersection region is in fit connection with the first output strip-shaped straight waveguide through the same end face; the progressive waveguide, the input strip-shaped straight waveguide and the enhanced strip-shaped straight waveguide in the intersection area are sequentially arranged in parallel from top to bottom. The polarization beam splitter disclosed by the invention is compact in structure, and can realize the characteristics of large process tolerance, low insertion loss, high extinction ratio, wide transmission bandwidth and the like.)
技术领域
本公开涉及光子集成技术领域，具体涉及一种偏振分束器。
背景技术
近年来，基于绝缘体上硅(SOI)平台的光子集成技术得到了快速的发展和应用，它是利用二氧化硅和硅之间超高折射率差这一特性，将光场很好的限制在波导芯层，从而能够实现亚微米尺寸器件的制造。然而，在波导尺寸较小的器件中通常由于极高的结构双折射的存在导致不同模式间出现较大的相位差。同时基于SOI的光子集成系统对光的偏振态十分敏感，对于传输光的横向电场(TE)模式和横向磁场(TM)模式会产生不同的响应，因此对光偏振态的分离与控制就显得相当重要。
在SOI集成光学系统中，偏振分束器是一种能够分离TE模和TM模的光学器件。因此包括定向耦合器型、多模干涉型、光子晶体型、表面等离激元型、光栅型等偏振分束器件被设计与应用。
然而现有的这些偏振分束器依然存在一些缺陷，例如基于多模干涉耦合器(MMI)的偏振分束器由于其结构上对偏振的灵敏性不强，将其作为偏振分束器时需要长的结构尺寸才能将偏振态进行有效分离，如有的多模干涉区的长度达136.561μm，又如有的耦合区虽然增加光栅结构来减少耦合长度，但其在多模干涉区的长度仍达到43.4μm。基于马赫增德尔干涉仪(MZI)的偏振分束器结构虽比较容易制作，但尺寸较大且带宽较窄，如现有的一种MZI臂的波导长度为6毫米且带宽仅为50nm。基于光子晶体的偏振分束器设计复杂且加工制作难度大，如有的耦合区的波导需要嵌入25个半径为50nm的圆柱形光子晶体，同时有可能会由于散射而产生较大的损耗。基于定向耦合器的偏振分束器在高折射率差的双折射SOI材料波导中往往需要采用纳米槽(slot)和锥形波导来获得高消光比、高宽带传输等特性。然而，纳米槽结构的工艺制作要求高，如有的纳米槽两边波导宽度由180nm逐渐减少到0nm，刻蚀工艺精度要求高。又如有的需要在窄缝中分别填充氧化铟锡ITO材料和二氧化硅从而增加工艺难度。锥形波导结构对波导宽度、波导间距的制作容差比较小，且尺寸大，如有的耦合长度就达到200μm。基于光栅型的偏振分束器结构复杂，
带宽非常有限，需要增加不同长度的光栅波导来连接两个耦合波导导致其结构复杂且不易制造。表面等离激元型偏振分束器加工难度大，需要多个加工步骤，且需要在波导中掺杂某种材料。
发明内容
本公开的目的是提供一种偏振分束器，以解决上述现有偏振分束器的缺陷。
本公开实施例提供一种偏振分束器，包括：
波导芯层、包覆层和衬底；所述波导芯层位于所述衬底上表面；所述波导芯层和所述衬底均位于所述包覆层内部；
所述波导芯层包括输入条形直波导、交叉区渐进型波导、第一输出条形直波导、S型弯曲波导、第二输出条形直波导以及增强型条形直波导；其中，
所述输入条形直波导、交叉区渐进型波导、第一输出条形直波导、第二输出条形直波导和增强型条形直波导的长度方向均为同一方向；
所述S型弯曲波导两个端面分别贴合连接所述输入条形直波导和所述第二输出条形直波导；
所述交叉区渐进型波导与所述第一输出条形直波导通过同一端面贴合连接；
所述交叉区渐进型波导、所述输入条形直波导和所述增强型条形直波导由上到下依次平行排列。
优选的，所述输入条形直波导高为220nm，宽为450nm，长为14μm。
优选的，所述交叉区渐进型波导为直角梯形形状，直角梯形的高度由短边逐渐向长边呈线性增加形成渐进型波导结构；
所述交叉区渐进型波导的耦合边长度为4.3μm，宽度为450nm，直角梯形的短边高为0.2μm，长边为0.55μm。
优选的，所述第一输出条形直波导高为220nm，宽为550nm，长为14μm。
优选的，所述S型弯曲波导由两段半径为5μm，宽度为450nm，高度为220nm的圆环的0°至π/4°长度部分组成。
优选的，所述第二输出条形直波导高为220nm,宽为450nm,长为8μm。
优选的，所述增强型条形直波导高为220nm，宽为200nm，长为4.2μm。
优选的，所述交叉区渐进型波导的直角边与所述输入条形直波导的耦合长度为4.3μm，耦合间距为0.2μm；
所述第一输出条形直波导与输入条形直波导的耦合长度为0.65μm，耦合间距为0.2μm；
所述输入条形直波导和所述增强型条形直波导的耦合长度为4.2μm，耦合间距为0.25μm；
其中，所述耦合间距是指两耦合波导之间的空白距离。
优选的，所述增强型条形直波导的输出端面与所述输入条形直波导的输出端面的水平距离为0.85μm。
优选的，所述波导芯层的材料为硅，所述包覆层和所述衬底的材料均为二氧化硅。
本公开与现有技术相比的优点在于：
本公开提供的偏振分束器，其形成原理是基于非对称耦合模理论，通过改变渐变型波导的宽度来改变其折射率，使之与输入波导的TE模和TM模的有效折射率差不同，进而导致模式匹配程度不同，以此实现偏振态的分离。同时添加增强型条形直波导能够最大限度的提高偏振消光比和降低偏振插入损耗。该偏振分束器不仅结构紧凑，而且可以实现工艺容差大、插入损耗低、消光比高、宽传输带宽等特性，本公开的偏振分束器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
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本公开所提供的一种偏振分束器主体结构的俯视图；
图2示出了本公开偏振分束器的耦合区域的俯视图；
图3示出了本公开偏振分束器的耦合区域的横截面图；
图4示出了本公开偏振分束器输入TE模和TM模时的电场图；
图5示出了本公开偏振分束器输入TE模的透过率和TM模的透过率与输入波长的关系示意图之一；
图6示出了本公开偏振分束器输入TE模的透过率和TM模的透过率与输入波长的关系示意图之二；
图7示出了本公开偏振分束器输入TE模的偏振消光比和TM模的偏振消光比与波长的关系示意图；
图8示出了本公开偏振分束器输入TE模的插入损耗和TM模的插入损耗与波长的关系图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本公开实施例提供一种基于谐振器的物质浓度检测装置及浓度检测方法，下面结合附图进行说明。
本公开提供的偏振分束器，包括：波导芯层、包覆层和衬底；所述波导芯层位于所述衬底上表面；所述波导芯层和所述衬底均位于所述包覆层内部。
图1示出了本公开所提供的波导芯层的示意图；如图1所示，所述波导芯层包括输入条形直波导21、交叉区渐进型波导11、第一输出条形直波导12、S型弯曲波导(22和23组成)、第二输出条形直波导24以及增强型条形直波导3。
如图1所示，所述输入条形直波导21、交叉区渐进型波导11、第一输出条形直波导12、第二输出条形直波导24和增强型条形直波导3的长度方向均为同一方向，图中所示为X方向；
如图1所示，所述S型弯曲波导(22和23组成)两个端面分别贴合连接所述输入条形直波导21的输出端和所述第二输出条形直波导24的输入端，21、22、23和24之间端面贴合连接，简称波导结构2；
如图1所示，所述交叉区渐进型波导11与所述第一输出条形直波导12通过同一端面贴合连接，简称波导结构1；
如图1所示，所述交叉区渐进型波导11、所述输入条形直波导21和所述增强型条形直波导3由上到下依次平行排列。
如图1所示，波导结构1和波导结构2之间存在间隔且非对称。通过设计波导结构1和波导结构2中不同的波导结构宽度，使得两个波导结构中的TE模式的折射率出现较大差异，不能满足相位匹配条件而无法实现高效耦合，因此，当TE模输入时直接从波导结构2的右端输出，即直通端(Through port)输出。
而波导结构1和波导结构2中不同的波导结构宽度，使得两个耦合波导结构中的TM模式的折射率差异比较小，满足相位匹配条件，从而实现很好的耦合。因此，可以通过优化设计耦合区域的尺寸，使得TM模式波从第一输出条形直波导结构12右端输出，即交叉端(Cross port)输出。从而实现偏振分束功能。
本公开中，增强型条形直波导3，对TM模而言，通过优化波导长度，提高了TM模的耦合效率，进而提升了TM模的偏振消光比(PER-TM)和降低TM模的偏振插入损耗(Insertionlosses，IL)。而对于TE模而言，增强型条形直波导3与波导结构2由于波导宽度不同，相位失配严重，从而几乎没有TE模耦合到增强型条形直波导3中，不会对TE模偏振消光比(PER-TE)和偏振插入损耗产生过多影响。
以下实施例以SOI光波导结构为例对本公开的偏振分束器进行说明。
本实施例中，偏振分束器的衬底和包覆层的材料均为二氧化硅(折射率为1.45)。所提及的波导芯层结构的材料均为硅(折射率为3.45)以及波导的高度均为220nm，均采用的是深刻蚀技术加工制备。
交叉区渐进型波导11的宽度从左边0.2μm逐渐增加到右边的0.55μm，即渐变型波导的宽度沿着光传播的方向(图1中X方向)逐渐增大，此器件结构具备良好的工艺误差容忍度。因此，相较于现有技术，本公开中的偏振分束器的主体结构的加工相对简单，能够解决现有技术的偏振分束器的加工难度大这一技术问题。
本公开中，波导结构1与波导结构2之间的间隔为gap1，一般取硅光加工技术允许的常用典型值gap1＝200nm。优化波导结构1与波导结构2的有效折射率匹配差异实现TE模直通输出和TM模耦合交叉输出。波导结构2与增强型条形直波导3之间的间隔为gap2＝250nm，实现明显增强偏振态的偏振消光比和偏振插入损耗，特别是对于TM模而言。
图2为本公开偏振分束器的耦合区域的俯视图。图3为本公开偏振分束器的耦合区域的横截面图。
如图2和图3所示，优选的，所述输入条形直波导11高为220nm，宽为450nm，长为14μm。
如图2和图3所示，优选的，所述交叉区渐进型波导11为直角梯形形状，直角梯形的高度由短边逐渐向长边呈线性增加形成渐进型波导结构；所述交叉区渐进型波导的耦合边长度为4.3μm，宽度为450nm，直角梯形的短边高为0.2μm，长边为0.55μm。
如图2和图3所示，优选的，所述第一输出条形直波导12高为220nm，宽为550nm，长为14μm。
如图2和图3所示，优选的，所述S型弯曲波导由两段半径为5μm，宽度为450nm，高度为220nm的圆环的0°至π/4°长度部分(22和23)组成。
如图2和图3所示，优选的，所述第二输出条形直波导24高为220nm,宽为450nm,长为8μm。
如图2和图3所示，优选的，所述增强型条形直波导3高为220nm，宽为200nm，长为4.2μm。
如图2和图3所示，优选的，所述交叉区渐进型波导11的直角边与所述输入条形直波导21的耦合长度为4.3μm，耦合间距为0.2μm；所述第一输出条形直波导12与输入条形直波导21的耦合长度为0.65μm，耦合间距为0.2μm；所述输入条形直波导21和所述增强型条形直波导3的耦合长度为4.2μm，耦合间距为0.25μm；其中，所述耦合间距是指两耦合波导之间的空白距离。
如图2和图3所示，优选的，所述增强型条形直波导3的输出端面与所述输入条形直波导21的输出端面的水平距离为0.85μm。
需要注意的是，本实施例提供的器件参数仅为说明原理的典型值，涉及具体加工工艺时，可采用其他合理值，但需要符合器件工作原理。
综上可见，本实施例与CMOS硅光工艺兼容，其加工工艺简单，无需复杂甚至非标准的工艺步骤。渐进波导结构允许加工工艺容差大。增强型波导结构3能够提升偏振态的偏振消光比和降低偏振态的插入损耗，提升偏振分束器的整体性能。同时也实现了器件小型化，提高集成水平。
以下对本公开的偏振分束器的仿真结果按图示进行详细说明，本公开采用时域有限差分法(FDTD)对偏振分束器结构进行仿真。
图4为本公开实施案例提供的偏振分束器输入TE模和TM模时的电场图。并设定波长为1550nm的光从波导结构2的输入端输入。如图4所示，TE模信号直接从波导结构2的输出端输出，即直通端(Through port)。而TM模信号从波导结构2耦合到波导结构1输出端输出，即交叉端(Cross port)，实现了偏振分束的功能。
图5为输入TE模的透过率和TM模的透过率与波长(1500nm-1600nm)的关系图。具体为，当TE模输入时，在直通端(Through port)TE模的透过率归一化后大于0.983，TM模输入时在交叉波导输出端(Cross port)TM模的透过率归一化后大于0.984。特别是光波长为1550nm时，TM模偏振透过率达到99.16％，同时TE模的偏振透过率为98.96％。
图6为当TE模输入时在交叉波导输出端(Cross port)TE模的透过率归一化后小于0.013，TM模输入时在直通端(Through port)TM模的透过率归一化后小于0.005。特别是光波长为1550nm时TM模偏振转化率仅为0.9％，同时TE模的偏振转化率0.93％。所以本公开的偏振分束器具有很好的偏振分束效果。
图7为输入TE模偏振消光比(PER-TE)和TM模的偏振消光比(PER-TM)与波长(1500nm-1600nm)的关系图。具体为当TE模输入时，在直通端(Through port)TE模的偏振消光比大于19dB，TM模输入时在交叉波导输出端(Cross port)TM模的偏振消光比大于23dB。特别是光波长为1550nm时TE模偏振消比达到20.24dB，同时TM模偏振消光比达30.39dB。
图8为输入TE模的插入损耗(IL-TE)和TM模的插入损耗(IL-TM)与波长(1500nm-1600nm)的关系图。具体为，当TE模输入时在直通端(Through port)TE模的插入损耗小于0.076dB，TM模输入时在交叉波导输出端(Cross port)TM模的插入损耗小于0.07dB。特别是光波长为1550nm时TE模插入损耗为0.045dB，同时TM模的插入损耗0.036dB。
以上仿真结果表明，本公开的偏振分束器表现出良好的偏振分束特性，该偏振分束器不仅结构紧凑，而且可以实现工艺容差大、插入损耗低、消光比高、传输带宽等特性。本公开的偏振分束器结构能够通过光刻、电子束刻蚀、等离子体刻蚀工艺制作，其结构简单、紧凑、工艺容差大，本公开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。
为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
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