[发明专利]一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器

说明书

本发明公开了一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，包括：输入通道、右路直通通道、右输出通道、中路直通通道、左路直通通道和左路输出通道；右路直通通道的一端和输入通道相连、另一端和右输出通道相连；左路直通通道的一端和左路输出通道相连接；左路直通通道、中路直通通道和右路直通通道平行且对齐摆放，三通道之间的距离为200nm，构成对称三波导定向耦合器结构。本发明有效降低了分束器的插入损耗，提高了器件消光比，缩短了器件的尺寸。

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，尤其是一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器。

背景技术

近几年，绝缘硅片(SOI)波导器件由于其低功耗、高集成密度以及互补金属氧化物半导体(CMOS)的兼容性，引起了广泛的关注；并在许多光学领域得到了实际的应用。在SOI材料中，包层与芯层的高折射率差使得器件结构紧凑，有利于光子系统集成；但同时也带来双折射现象，从而导致器件具有偏振相关等性质。因此，偏振分束器(PBS)作为基于SOI集成系统中的基础元件之一，用于分离/合并TE偏振光和TM偏振光；同时，PBS也是偏振分集技术、相干光通信和量子通信等多种应用的关键单元。传统的偏振分束器，通过使用槽型波导、锥形波导、或者弯曲波导实现对TE和TM两种偏振光的分离；但同时也带来更高的设计复杂度和损耗，不利于工艺操作。亚波长光栅(SWG)结构得益于其周期结构具有抑制衍射的能力，在亚波长区域可视为均匀材料；近年来倍受学者关注。该种结构为偏振分束器的设计提供新的自由度。所以，设计出一款结构紧凑、高消光比、低损耗的偏振分束器对于光子集成系统是很有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，有效降低了分束器的插入损耗，提高了器件消光比，缩短了器件的尺寸。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于亚波长结构的对称三波导型偏振分束器，包括：输入通道1、右路直通通道2、右输出通道3、中路直通通道4、左路直通通道5、左路输出通道6；右路直通通道2的一端和输入通道1相连、另一端和右输出通道3相连；左路直通通道5的一端和左路输出通道6相连接；左路直通通道5、中路直通通道4和右路直通通道2平行且对齐摆放，三通道之间的距离为200nm～500nm，构成对称三波导定向耦合器结构7。

优选的，输入通道1、右路直通通道2、右输出通道3、中路直通通道4、左路直通通道5和左路输出通道6均为硅波导。

优选的，中路直通通道4中间刻有宽为100nm，周期为200nm，占空比为50％的亚波长光栅(SWG)结构。

优选的，亚波长光栅结构(SWG)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；若高折射率材料的宽度为a，两者组成的周期为Λ，占空比定义为f＝a/Λ。

优选的，右路直通通道2、中路直通通道4和左路直通通道5的尺寸满足：(a)中路直通通道4和两侧直通通道所支持的TE模有效折射率大于0.2，相位失配；(b)中路直通通道4和两侧直通通道所支持的TM模有效折射率相差小于0.1，相位匹配；(c)两侧直通通道所支持的TE和TM模的有效折射率相等。

优选的，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，表示对称定向耦合器结构7所支持的第0阶TM模的有效折射率，表示对称定向耦合器结构7所支持的第1阶TM模的有效折射率。

优选的，偏振分束器采用绝缘硅片SOI平台制造，硅基衬底8为标准的6英寸硅晶片，掩埋氧化层9是在衬底上热生长的2μm厚的二氧化硅材料，上包层10为二氧化硅，且覆盖整个器件区域。