一种大带宽、高偏振消光比的集成硅基起偏器

1.本发明涉及集成硅基起偏器，具体是一种大带宽、高偏振消光比的集成硅基起偏器。


背景技术：

2.近年来，随着硅基光子集成技术的快速发展，集成硅基起偏器逐渐成为光通信、光传感领域的研究热点。目前，集成硅基起偏器主要分为三种类型：第一种是基于非对称定向耦合器结构的集成硅基起偏器。此种集成硅基起偏器由于采用相位匹配原理进行工作，导致其存在带宽小（约为100nm）、偏振消光比低（约为20db）、加工误差敏感度高的问题。第二种是基于硅基混合等离子体光栅结构的集成硅基起偏器。此种集成硅基起偏器由于采用表面等离子激元（spps）原理进行工作，导致其在加工过程中需要用到与cmos工艺不兼容的金或银，由此导致其存在插入损耗高（高于1db）的问题。第三种是基于级联绝热弯曲结构的集成硅基起偏器。此种集成硅基起偏器一方面由于弯曲半径过小，导致其存在加工难度大、加工成本高的问题，另一方面由于需要以级联方式来提高偏振消光比，导致其存在尺寸不够紧凑的问题。基于此，有必要发明一种大带宽、高偏振消光比的集成硅基起偏器，以解决现有集成硅基起偏器带宽小、偏振消光比低、加工误差敏感度高、插入损耗高、加工难度大、加工成本高、尺寸不够紧凑的问题。


技术实现要素：

3.本发明为了解决现有集成硅基起偏器带宽小、偏振消光比低、加工误差敏感度高、插入损耗高、加工难度大、加工成本高、尺寸不够紧凑的问题，提供了一种大带宽、高偏振消光比的集成硅基起偏器。
4.本发明是采用如下技术方案实现的：一种大带宽、高偏振消光比的集成硅基起偏器，包括芯层波导、亚波长光栅、两个渐变锥形波导；其中，芯层波导包括开口向右的半圆弧波导段、分别延伸设置于半圆弧波导段两端的两个直波导段；亚波长光栅的各个栅条均为开口向右的半圆弧形栅条；亚波长光栅的周期为固定值；亚波长光栅的各个栅条的占空比由内向外逐渐减小；亚波长光栅的第一个栅条平行耦合于半圆弧波导段的外侧；两个渐变锥形波导均呈左宽右窄设置，且两个渐变锥形波导的左端分别与亚波长光栅的第一个栅条的两端对接；两个渐变锥形波导分别平行耦合于两个直波导段的外侧；半圆弧波导段的厚度、两个直波导段的厚度、亚波长光栅的厚度均一致；两个渐变锥形波导的厚度均大于亚波长光栅的厚度；半圆弧波导段的宽度、两个直波导段的宽度均一致；两个渐变锥形波导的左端宽度均大于亚波长光栅的第一个栅条的宽度；两个渐变锥形波导与两个直波导段的耦合间距均等于亚波长光栅的第一个栅条与半圆弧波导段的耦
合间距。
5.工作时，在第一个直波导段的右端放置光源。光源发出的光束依次经第一个直波导段、半圆弧波导段、第二个直波导段进行传播。在传播过程中，光束中的tm模衍射至自由空间，光束中的te模则依次经第一个直波导段、半圆弧波导段、第二个直波导段进行传播，具体如下：当光束经过第一个直波导段时，tm模在第一个渐变锥形波导内导通，并在第一个渐变锥形波导的引导下进入亚波长光栅，然后经亚波长光栅衍射至自由空间。与此同时，te模在第一个渐变锥形波导和第二个渐变锥形波导内截止，因此对芯层波导中te模的传播起保护作用。依据亚波长光栅的形式双折射公式（第一条公式为：n
o2 = f · n
si2
(1-f)
· n
air2 ；第二条公式为：1 / n
e2 = f / n
si2
(1-f) / n
air2
）可知，对于本发明而言，在亚波长光栅中te模的有效折射率可近似成ne（非寻常折射率），tm模的有效折射率为no（寻常折射率），故当光束经过半圆弧波导段时，半圆弧波导段利用弯曲形成对te模与tm模造成极大差异的偏振相关损耗，亚波长光栅对te模形成强限制（对tm模形成弱限制），由此使得tm模进入亚波长光栅，然后经亚波长光栅衍射至自由空间。在上述过程中，由于第一个渐变锥形波导呈左宽右窄设置（有效折射率左大右小），使得tm模的反射损耗极低。由于亚波长光栅的各个栅条的占空比由内向外逐渐减小，使得tm模在衍射过程中回波损耗极低。由于渐变锥形波导的左端宽度大于亚波长光栅的第一个栅条的宽度，使得渐变锥形波导对tm模的引导能力极强。
6.基于上述过程，与现有集成硅基起偏器相比，本发明所述的一种大带宽、高偏振消光比的集成硅基起偏器通过采用全新结构，具备了如下优点：其一，与基于非对称定向耦合器结构的集成硅基起偏器相比，本发明不再采用相位匹配原理进行工作，因此其带宽更大、偏振消光比更高、加工误差敏感度更低。其二，与基于硅基混合等离子体光栅结构的集成硅基起偏器相比，本发明不再采用表面等离子激元（spps）原理进行工作，因此其在加工过程中无需用到与cmos工艺不兼容的金或银，由此使得插入损耗更低。其三，与基于级联绝热弯曲结构的集成硅基起偏器相比，本发明一方面具有更大的弯曲半径，因此其加工难度更小、加工成本更低，另一方面无需级联即可达到高偏振消光比，因此其尺寸紧凑。
7.图4所示为本发明的偏振消光比（per）和插入损耗（el）仿真结果。偏振消光比（per）由以下公式定义：per=10lg(t
teout
/t
tmout
)。插入损耗（el）由以下公式定义：el=-10lg(t
teout
)。由图4可知：当波长为1.373μm~1.8μm时，本发明能够以大于427nm的带宽保持大于20db的偏振消光比；当波长为1.439μm~1.736μm时，本发明能够以297nm的带宽保持大于30db的偏振消光比，且损耗小于1db；当波长为1.492μm~1.698μm时，本发明能够以206nm的带宽保持大于40db的偏振消光比，且损耗小于1db。
8.本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有集成硅基起偏器带宽小、偏振消光比低、加工误差敏感度高、插入损耗高、加工难度大、加工成本高、尺寸不够紧凑的问题，适用于光通信、光传感领域。
附图说明
9.图1是本发明的结构示意图。
10.图2是图1的右视图。
11.图3是图1的俯视图。
12.图4是本发明的偏振消光比（per）和插入损耗（el）仿真结果图。
13.图中：1-半圆弧波导段，2-直波导段，3-亚波长光栅的栅条，4-渐变锥形波导。
具体实施方式
14.一种大带宽、高偏振消光比的集成硅基起偏器，包括芯层波导、亚波长光栅、两个渐变锥形波导4；其中，芯层波导包括开口向右的半圆弧波导段1、分别延伸设置于半圆弧波导段1两端的两个直波导段2；亚波长光栅的各个栅条3均为开口向右的半圆弧形栅条；亚波长光栅的周期为固定值；亚波长光栅的各个栅条3的占空比由内向外逐渐减小；亚波长光栅的第一个栅条3平行耦合于半圆弧波导段1的外侧；两个渐变锥形波导4均呈左宽右窄设置，且两个渐变锥形波导4的左端分别与亚波长光栅的第一个栅条3的两端对接；两个渐变锥形波导4分别平行耦合于两个直波导段2的外侧；半圆弧波导段1的厚度、两个直波导段2的厚度、亚波长光栅的厚度均一致；两个渐变锥形波导4的厚度均大于亚波长光栅的厚度；半圆弧波导段1的宽度、两个直波导段2的宽度均一致；两个渐变锥形波导4的左端宽度均大于亚波长光栅的第一个栅条3的宽度；两个渐变锥形波导4与两个直波导段2的耦合间距均等于亚波长光栅的第一个栅条3与半圆弧波导段1的耦合间距。
15.亚波长光栅的周期是指亚波长光栅的相邻两个栅条3的内径之差；亚波长光栅的某个栅条3的占空比是指该栅条3的宽度与亚波长光栅的周期之比。
16.半圆弧波导段1的厚度为210nm~340nm；半圆弧波导段1的宽度为350nm~550nm；半圆弧波导段1的内径小于5μm；两个直波导段2的厚度均为210nm~340nm；两个直波导段2的宽度均为350nm~550nm；亚波长光栅的厚度为210nm~340nm；亚波长光栅的栅条3个数为2~15；亚波长光栅的周期为200nm~350nm；亚波长光栅的第一个栅条3与半圆弧波导段1的耦合间距为50nm~150nm；亚波长光栅的最大占空比为0.55~0.75；亚波长光栅的最小占空比为0.01~0.3；亚波长光栅的第i个栅条3的内径ri满足如下公式：ri=r0 w
wg
gap λ
·
(i-1)；式中：r0表示半圆弧波导段1的内径；w
wg
表示半圆弧波导段1的宽度；gap表示亚波长光栅的第一个栅条3与半圆弧波导段1的耦合间距；λ表示亚波长光栅的周期；亚波长光栅的各个栅条3的占空比由内向外逐渐均匀减小，以保证有效折射率由内向外逐渐均匀减小；亚波长光栅的最小占空比在加工允许最小线宽下设置得尽可能小；两个渐变锥形波导4的厚度均为300nm~450nm；两个渐变锥形波导4的左端宽度均为140nm~250nm；两个渐变锥形波导4的右端宽度均小于140nm；两个渐变锥形波导4的长度均大于2μm且小于20μm；两个渐变锥形波导4与两个直波导段2的耦合间距均为50nm~150nm。
17.两个渐变锥形波导4可以替换为一个渐变锥形波导4；渐变锥形波导4呈左宽右窄设置，且渐变锥形波导4的左端与亚波长光栅的第一个栅条3的一端对接；渐变锥形波导4平行耦合于第一个直波导段2的外侧；渐变锥形波导4的厚度大于亚波长光栅的厚度；渐变锥
形波导4的左端宽度大于亚波长光栅的第一个栅条3的宽度；渐变锥形波导4与第一个直波导段2的耦合间距等于亚波长光栅的第一个栅条3与半圆弧波导段1的耦合间距。
18.该集成硅基起偏器是基于soi平台加工而成的。
19.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。