[发明专利]基于双层曲线边沿波导结构的TM0-TE1光模式转换器及光学装置

说明书

本发明提出一种基于双层曲线边沿波导结构的TM0‑TE1光模式转换器及光学装置，该模式转换器具有双层波导结构，每层波导包含若干个可优化位置的关键结点，并通过二次或三次样条插值法确定波导边沿的具体形状。该模式转换器能够将输入波导的横磁基模即TM0模式转换为一阶横电模即TE1模式，而同时不改变输入的横电基模即TE0模式。本发明相比于传统的基于双层线性渐变波导结构的TM0‑TE1模式转换器，能够在更紧凑的尺寸内通过优化更密集的关键结点参数以获得更高的模式转换效率，同时能严格保证波导边沿的平滑性，确保其工艺可制备。

技术领域

本发明涉及集成光子学技术领域，特别涉及基于双层曲线边沿波导结构的TM0-TE1光模式转换器及光学装置。

背景技术

在集成光学领域，绝大部分的集成光子器件对入射光的偏振态有特殊要求，例如只在横电模(transverse electric mode, TE)偏振光入射时正常工作。基于片上偏振旋转分束器的偏振分集接收方案可以很好的解决这个问题，偏振旋转分束器可以将入射光的横电模(TE)和横磁模(TM)分量分成两路，且将TM分量转换为TE分量。偏振旋转分束器一般由一个TM0-TE1光模式转换器和一个TE0/TE1模式分离器级联组成。传统的基于双层线性渐变波导结构的TM0-TE1模式转换器通常需要较长的尺寸完成模式的平滑过度，难以同时兼顾器件紧凑尺寸和高转换效率的双重要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双层曲线边沿波导结构的TM0-TE1光模式转换器及光学装置，可以在实现紧凑尺寸的同时获得高转换效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种基于双层曲线边沿波导结构的TM0-TE1光模式转换器，所述光模式转换器由波导层和波导外围组成，所述波导外围包裹所述波导层，所述波导层为双层结构，包括脊层和平板层，所述脊层位于所述平板层的上方，所述脊层和平板层采用同种高折射率的光波导材料；所述波导外围采用低折射率材料；所述光模式转换器包括输入端、核心部分和输出端，所述输入端与输出端均为脊层宽度等于平板层宽度的条波导结构，所述核心部分为脊层宽度不等于平板层宽度的脊波导结构；所述脊层和平板层的轮廓由若干个关键结点拟合成的光滑曲线构成；所述波导层沿光传播方向呈轴对称结构。

作为优选，所述高折射率的光波导材料为硅；所述低折射率材料为二氧化硅。

作为优选，所述核心部分中，平板层的宽度相较于脊层的宽度先逐渐变大后逐渐减小。

作为优选，所述输入端的条波导结构的宽度小于输出端的条波导结构的宽度。

作为优选，构成光滑曲线的关键结点在沿光传播方向上呈等距离分布；构成光滑曲线的关键结点在垂直于光传播方向上通过逆向设计算法进行距离优化；所述光滑曲线由关键结点通过二次或三次样条插值法拟合而成。

作为优选，所述逆向设计算法包括粒子群优化算法或伴随法。

作为优选，所述脊层和平板层的轮廓的第一个关键结点位于输入端条波导结构的尾端；所述脊层和平板层的轮廓的最后一个关键结点位于输出端条波导结构的头端。

作为优选，所述中间核心部分为脊层宽度小于平板层宽度的脊波导结构。

本发明还公开了一种光学装置，所述光学装置包括本体和上述的基于双层曲线边沿波导结构的TM0-TE1光模式转换器，其中，所述基于双层曲线边沿波导结构的TM0-TE1光模式转换器设于所述本体上。

本发明的有益效果：

本发明一种基于双层曲线边沿波导结构的TM0-TE1光模式转换器，相比于传统的基于双层线性渐变波导结构的TM0-TE1模式转换器，能够在更紧凑的尺寸内通过优化更密集的关键结点参数以获得更高的模式转换效率，同时能严格保证波导边沿的平滑性，确保其工艺可制备。