[发明专利]一种光学偏振分束合束器

权利要求书

1.一种光学偏振分束合束器，由在衬底(10)上自下而上依次生长的包层(9)、下导波层(8)和上导波层(7)构成，其特征在于：

所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导(1)、第一准直透镜(2)、光栅楔形棱镜(3)、第二准直透镜(4)、第一输出波导(5)和第二输出波导(6)构成，各组成部分的材料相同；

A.所述输入波导(1)为水平截面矩形的长方体；

B.所述第一准直透镜(2)为扁平柱体，包括连为一体的两部分，第一部分水平截面形状为矩形；第二部分水平截面形状为半椭圆形，其长轴a₁和短轴b₁分别满足：

a₁＝(a_1TE+a_1TM)/2，a1TE=b1n1TEn1TE2-n0TE2,]]>a1TM=b1n1TMn1TM2-n0TM2,]]>

b₁≥160λ/(n_1TE+n_1TM)，b₁越大性能越好，但器件尺寸增大，n_1TM，n_1TE分别为光束TM和TE在所述第二部分的等效折射率；n_0TM，n_0TE分别为光束TM和TE在下导波层、包层和衬底总的等效折射率，所述半椭圆形短轴与所述第一部分矩形y方向的边拼接；

C.所述光栅楔形棱镜(3)由N个z方向长度依次递减的柱体沿y方向等间隔排列为近似直角三角形，该近似直角三角形顶角θ为：

θ=arctan(Δyn0Lf2(NTM-NTE)),]]>

其中，Δy为垂直偏振波束TE和水平偏振波束TM沿y方向分开的距离，Δy≥2um，Δy越大性能越好，但器件尺寸增大，为第二准直透镜第一部分焦距，

N_TM和N_TE分别是水平偏振波束TM和垂直偏振波束TE在光栅楔形棱镜中的等效折射率，其估算公式为：

NTM=[nhTM2α+nlTM2(1-α)]1/2]]>

NTE=[(1/nhTE2)α+(1/nlTE2)(1-α)]-1/2;]]>

柱体之间间隔小于光在上导波层内的波长，占空比初始值α为：α=(nhTEnhTE+nlTE+nhTEnhTM+nlTM)/2,]]>由束传播法优化得到最终占空比；

n_hTE、n_hTM分别为波束TE和TM在柱体内的等效折射率；n_lTE、n_lTM分别为波束TE和TM在柱体之间的等效折射率，每个柱体垂直截面形状均为矩形，每个柱体水平截面形状均为直角梯形；

D.所述第二准直透镜(4)为扁平柱体，包括连为一体的三部分，第一部分水平截面形状为半椭圆形，其长轴a₂和短轴b₂分别满足：

a₂＝(a_2TE+a_2TM)/2，a2TE=2n2TELf2TEn2TE+n0TE,]]>a2TM=2n2TMLf2TMn2TM+n0TM,]]>Lf2TE=b22n2TE+n0TEn2TE-n0TE,]]>Lf2TM=b22n2TM+n0TMn2TM-n0TM,]]>Lf2=(Lf2TE+Lf2TM)/2,]]>

b₂≥160λ/(n_1TE+n_1TM)，b₂越大性能越好，但器件尺寸增大，n_2TM、n_2TE分别为光束TM和TE在第二准直透镜第一部分的等效折射率；为第二准直透镜第一部分焦距；

半椭圆形的长轴方向与所述光栅楔形棱镜输出光的偏折角度一致，第二部分水平截面形状为矩形，矩形的长边与所述第一部分半椭圆形短轴拼接；第三部分水平截面形状为矩形，第三部分矩形的短边与所述第二部分矩形的长边拼接；

所述第一输出波导(5)为水平截面形状为矩形的长方体；

所述第二输出波导(6)为水平截面形状为矩形的长方体；

所述输入波导的输出端面和第一准直透镜的输入端面连为一体，第一准直透镜的输出端面和光栅楔形棱镜的输入端面不接触，光栅楔形棱镜的输出端面和第二准直透镜的输入端面不接触，所述第一准直透镜、光栅楔形棱镜和第二准直透镜的顶面为同一水平面，第二准直透镜的第三部分和第一输出波导的输入端面连为一体，第二准直透镜的第二部分和第二输出波导的输入端面连为一体；

所述x、y、z方向分别为沿纸面垂直向上方向、垂直纸面向外方向、沿纸面向右方向。

2.如权利要求1所述的光学偏振分束合束器，其特征在于：

所述衬底采用能够形成平面光波导的介质材料，包括单晶硅、磷化铟、砷化镓、蓝宝石、碳化硅；

所述包层采用能够形成平面光波导的介质材料，包括二氧化硅，磷化铟、铟镓砷磷、砷化镓、铝镓砷、氮化镓，铟镓氮、铝镓氮；

所述上、下导波层采用能够形成平面光波导的介质材料，包括非晶硅、铟镓砷磷、砷化镓、氮化镓、铟镓氮、铝镓氮。