[发明专利]一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器

说明书

本发明涉及一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器，属于光子集成技术领域，包括硅衬底、硅波导芯层和二氧化硅包层；硅波导芯层位于二氧化硅包层内部；二氧化硅包层位于硅衬底上表面；硅波导芯层包括输入波导、定向耦合器第一段弯曲波导、定向耦合器第二段弯曲波导、定向耦合器第三段弯曲波导、滤波器第一段弯曲波导、滤波器第二段弯曲波导、TE偏振输出波导和TM偏振输出波导。本发明在耦合器中引入亚波长光栅结构，使得TE偏振态在耦合区处于反射态，降低其耦合效率，TM偏振态几乎没有影响，保证了TM高耦合效率，提升了TE偏振态的消光比；可利用集成工艺制备，工艺简单且容差大，具有带宽大、偏振消光比高、插入损耗小、尺寸小的优点。

技术领域

本发明涉及一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器，属于光子集成技术领域。

背景技术

绝缘体上硅波导的包层和芯层之间存在着较高的折射率差，可以很好地对光场进行限制，然而高折射率差还会导致偏振模式色散和偏振相关的损耗等问题。在光通信技术中，由于通过光纤传输的光信号随机偏振，因此要求器件对偏振不敏感，通常采用偏振分集方案解决光子器件的偏振问题。偏振分束器可以分裂或组合两个正交偏振模式的光，是偏振分集方案中消除偏振灵敏度的重要关键器件。

近年来，人们已经研制出基于定向耦合器、光子晶体、多模干涉耦合器(MMI)、混合等离子体硅波导等结构的偏振分束器结构。基于光子晶体的偏振分束器结构比较复杂、插入损耗较大、且不容易制备。基于多模干涉耦合器的偏振分束器结构尺寸非常大，虽然可以通过准静态成像和级联结构减少尺寸，但是尺寸仍然在mm量级。基于马赫增德尔干涉仪(MZI)的偏振分束器结构比较容易制作，但是尺寸往往也比较大且带宽比较窄。混合等离子体波导可以加强耦合，缩短器件长度，但是，这种波导由于金属吸收而受到额外的损耗。

定向耦合型偏振分束器具有设计和制作简单、尺寸小便于集成、性能良好等优势，近几年引起了科研者的广泛关注，但寻常定向耦合型偏振分束器的工作带宽小、串扰高。普通的光栅耦合器会由于光栅中光的能量泄漏导致耦合效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器，实现尺寸小、低插入损耗、高消光比特性和宽带传输特性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于定向耦合型的宽带偏振分束器，包括硅衬底、硅波导芯层和二氧化硅包层；所述硅波导芯层位于二氧化硅包层内部；所述二氧化硅包层位于硅衬底的上表面；

所述硅波导芯层包括输入波导、定向耦合器第一段弯曲波导、定向耦合器第二段弯曲波导、定向耦合器第三段弯曲波导、滤波器第一段弯曲波导、滤波器第二段弯曲波导、TE偏振输出波导和TM偏振输出波导；所述输入波导、定向耦合器第一段弯曲波导、滤波器第二段弯曲波导和TE偏振输出波导依次相连接；所述定向耦合器第三段弯曲波导与TM偏振输出波导相连接；

所述定向耦合器第一段弯曲波导、定向耦合器第二段弯曲波导、定向耦合器第三段弯曲波导由上自下依次排列且三者的圆心相同；

所述滤波器第一段弯曲波导位于滤波器第二段弯曲波导的上方，且所述滤波器第一段弯曲波导的前端弯曲波导与滤波器第二段弯曲波导的圆心相同；

所述定向耦合器第二段弯曲波导为亚波长光栅结构，所述光栅结构由连接桥连接，所述定向耦合器第一段弯曲波导、定向耦合器第二段弯曲波导和定向耦合器第三段弯曲波导的TM偏振的有效光程相同，用以耦合TM偏振，所述定向耦合器第二段弯曲波导的TE偏振处于反射状态，用以过滤TE偏振。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述输入波导高为220nm，宽为550nm，弯曲角度为28.5°，弯曲半径为8μm。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述定向耦合器第一段弯曲波导高为220nm，宽为550nm，弯曲角度为28.5°，弯曲半径为18.5μm。