一种硅基片上双波段偏振分束器

1.本发明属于硅基光子学领域，更具体地，涉及一种硅基片上双波段偏振分束器。


背景技术：

2.基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator，soi)平台的光子集成技术以低损耗、结构紧凑、与coms工艺兼容等一系列优势已被广泛应用于通信、传感等各种应用领域。这些优点允许使用电子设备来制造光子集成电路(photonic integrated circuit，pic)。由于制造的局限性，最初人们主要集中在大截面soi光波导上，以实现低损耗的光传输。对于大尺寸脊型波导，其弯曲半径一般在100μm以上，因此难以实现超小型集成光子器件。近年来，随着工艺制造水平的不断提升，soi光波导尺寸不断小型化，在片上实现了高度紧凑的光子集成器件，如光栅耦合器、多模干涉耦合器等。然而，硅光子波导通常具有双折射效应，因此有高度的偏振依赖性。这种双折射会在pic中带来很强的偏振敏感性问题。对于光纤通信系统，来自光纤的光通常具有随机的偏振态，因此信噪比在经过偏振敏感的pic后会下降。理论上通过精细的设计可以实现pic偏振不敏感；但是，由于这些高对比度波导的纳米级工艺精度，在技术上很难实现。
3.解决基于硅基纳米波导的光子集成器件的偏振敏感性问题的一般解决方案是使用偏振分集技术。其基本原理如下：输入光由偏振分束器分开，并获得两个偏振光束(横电模te和横磁模tm)，然后将一个偏振光束(例如tm)用偏振旋转器转换成正交光束(te)，接着具有相同偏振状态的两个光束分别进入两个相同的pic。作为核心组件之一，偏振分束器在实现偏振不敏感的pic方面起着巨大的作用。此外，偏振分束器也是许多应用的关键器件，例如相干光通信，这在长途光纤通信中引起了很多关注，提高了频谱效率，从而增强了通信系统容量。然而，目前几乎所有的偏振分束器都不能在两个广泛分离的波段中工作，这限制了它们未来在多波段光通信系统中的应用。因此，迫切需要设计一个工作在广泛分离的波段的偏振分束器，以满足未来多波段偏振复用系统的需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种硅基片上双波段偏振分束器，目的在于提升硅基片上偏振分束器的带宽，使得单个偏振分束器能够同时用于两个分立的波段。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种硅基片上双波段偏振分束器，该偏振分束器制作在soi晶圆上，包括片上双波段模式复用器，第一布拉格光栅和第二布拉格光栅；双波段模式复用器包括两个宽度不同的锥形渐变波导，其中较宽的波导为总线波导，较窄的波导为接入波导，接入波导两端通过s弯曲波导与总线波导分离，总线波导与第一布拉格光栅直接连接。双波段模式复用器用于将第一波段和第二波段后向传播的te1模式转换为接入波导中的te0模式；第一布拉格光栅用于将第一波段前向传播的te0模式转换为后向传播的te1模式，第二布拉格光栅用于将第二波段前向传播的te0模式转换为后向传播的te1模式。优选地，第一波段为1550nm波段，第二波段为2000nm波段。
6.工作时，1550nm波段和2000nm波段的te0模式在器件左端从双波段模式复用器的总线波导输入，通过双波段模式复用器后，由布拉格光栅转化为后向传输的te1模式，再由双波段模式复用器转换为接入波导中的te0模式，并通过s弯曲波导输出。1550nm波段和2000nm波段的tm0模式在器件左端从双波段模式复用器的总线波导输入，以较低的损耗直接通过双波段模式复用器和布拉格光栅，并最终在器件的右端口输出。
7.作为上述技术的改进方案，所述双波段模式复用器采用双芯锥形波导，将反向传播的te1模式解复用为te0模式，较宽的波导为总线波导，较窄的波导为接入波导，s波导用于引导解复用后的te0模式。锥形波导可以增大模式转换的带宽，同时增大器件的工艺容差。
8.作为上述方案的进一步改进，所述布拉格光栅通过在内部刻蚀周期性分布的两排孔形成的，两排孔错位半个周期以产生π的相位差，使前向传播的te0模式能够被转换为后向传播的te1模式，并且可以达到增大反射带宽的目的。这些孔可以是矩形孔，也可以是圆形孔。孔的大小可以根据需要进行选择，孔的周期根据布拉格反射条件进行计算，占空比可以根据特征尺寸的需求任意选择。
9.作为上述方案的进一步改进，第一布拉格光栅和第二布拉格光栅的布拉格周期不同，分别与第一波段和第二波段对应，并且波长越大周期越大，其周期大小是根据布拉格反射条件计算出来的。
10.作为上述方案的更近一步改进，所述布拉格光栅内部的孔进行切趾处理；即布拉格光栅中间沿着两边的孔的周期和宽度逐渐减小，以达到减小散射损耗和进一步增大反射带宽的目的。两个布拉格光栅进行级联，使得两个分立波段的前向传播的te0模式转换为后向传播的te1，并由双波段模式复用器解复用为te0模式从接入波导输出。
11.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下
12.有益效果：
13.(1)相比于传统的偏振分束器，本发明能够同时用于两个分立的波段，同时器件的尺寸相对较小，达到了集成光电子器件的尺寸要求，能够灵活的应用于片上多波段偏振复用系统中。
14.(2)本发明采用的多波段模式复用器和布拉格光栅可以根据所需要的两个波段进行灵活的设计，不局限于1550nm波段和2000nm波段，在设计上具有一定的灵活性和可扩展性，并且为偏振分束器的多波段工作提供一种全新的思路。
15.(3)本发明通过对布拉格光栅内部的孔进行切趾处理，达到了既减小了散射损耗，又提升了反射带宽的目的，为设计宽带布拉格反射器提供了新思路。
16.(4)本发明硅基片上双波段模式复用器基于成熟的半导体工艺，并且只需要一个刻蚀步骤，制造流程简单。
附图说明
17.图1是本发明提供的硅基片上双波段偏振分束器结构示意图。
18.图2是本发明在工作时te0模式和tm0模式的传输情况，(a)是te0模式的传输情况，(b)是tm0模式的传输情况。
19.图3是本发明理论仿真te0模式和tm0模式在不同端口的传输谱线，(a)是1550nm波
段的te0模式在不同端口的传输谱线，(b)是1550nm波段的tm0模式在不同端口的传输谱线，(c)是2000nm波段te0模式在不同端口的传输谱线，(d)是2000nm波段tm0模式在不同端口的传输谱线。
20.图4是本发明模拟的te0模式和tm0模式的光场传播情况，(a)是1550nm波段te0模式的光场传播情况，(b)是1550nm波段tm0模式的光场传播情况，(c)是2000nm波段te0模式的光场传播情况，(d)是2000nm波段tm0模式的光场传播情况。
21.图5是本发明实验测得的te0模式和tm0模式在不同端口的传输谱线，(a)是1550nm波段的te0模式在不同端口的传输谱线，(b)是1550nm波段的tm0模式在不同端口的传输谱线，(c)是2000nm波段te0模式在不同端口的传输谱线，(d)是2000nm波段tm0模式在不同端口的传输谱线。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
23.如图1所示，本发明提供的这种硅基片上双波段偏振分束器，包括双波段模式复用器1，第一布拉格光栅2和第二布拉格光栅3组成。
24.双波段模式复用器1由两根锥形波导组成，其中宽波导是总线波导，窄波导是接入波导，作用是将1550nm波段和2000nm波段后向传输的te1模式解复用为接入波导中的te0模式。第一布拉格光栅2和第二布拉格光栅3是通过在多模波导内部刻蚀两排孔形成的，这两排孔错位半个周期以产生π的相位差。这些孔可以是矩形孔，也可以是圆形孔，并且这些孔进行了切趾的处理以减小插入损耗并增大工作带宽。第一布拉格光栅2和第二布拉格光栅3的作用是分别将1550nm波段和2000nm波段前向传播的te0模式转换为后向传播的te1模式。
25.如图2中的(a)和(b)所示，1550nm波段和2000nm波段的te0模式输入时，分别由第一布拉格光栅2、第二布拉格光栅3转换为后向传播的te1模式，后向传播的te1模式再由双波段模式复用器1转换为接入波导中te0模式，并最终在接入波导左端口输出。1550nm波段和2000nm波导的tm0模式输入时，直接通过双波段模式复用器1、第一布拉格光栅2和第二布拉格光栅3，最终在器件右端口输出。
26.对这个结构的模拟仿真结果如图3和图4所示。仿真中，通过选择不同波段的不同偏振，可以得到1550nm波段和2000nm波段te0模式和tm0模式在不同端口的模拟传输谱线。图3中的(a)是1550nm波段的te0模式在不同端口的传输谱线，(b)是1550nm波段的tm0模式在不同端口的传输谱线，(c)是2000nm波段te0模式在不同端口的传输谱线，(d)是2000nm波段tm0模式在不同端口的传输谱线。图4显示的是1550nm波段和2000nm波段te0模式和tm0模式的光场传播图。图4中的(a)是1550nm波段的te0模式模拟的光场传播情况，(b)是1550nm波段的tm0模式模拟的光场传播情况，(c)是2000nm波段te0模式模拟的光场传播情况，(d)是2000nm波段tm0模式模拟的光场传播情况。
27.对这个结构的实验测试结果如图5所示。实验中，通过选择不同波段的不同偏振，可以得到1550nm波段和2000nm波段te0模式和tm0模式在不同端口实验测量的传输谱线。图
5中的(a)是1550nm波段的te0模式在不同端口测得的传输谱线，(b)是1550nm波段的tm0模式在不同端口测得的传输谱线，(c)是2000nm波段te0模式在不同端口测得的传输谱线，(d)是2000nm波段tm0模式在不同端口测得的传输谱线。可以发现，1550nm波段和2000nm波段的te0模式和tm0模式通过本发明进行了分离。
28.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种硅基片上双波段偏振分束器，其特征在于，包括依次级联的双波段模式复用器(1)、第一布拉格光栅(2)和第二布拉格光栅(3)，所述双波段模式复用器(1)包括两个宽度不同的锥形渐变波导，其中较宽的波导为总线波导，较窄的波导为接入波导，接入波导两端通过s弯曲波导与总线波导分离，总线波导与第一布拉格光栅(2)直接连接；所述双波段模式复用器(1)用于将第一波段和第二波段后向传播的te1模式转换为接入波导中的te0模式；第一布拉格光栅(2)用于将第一波段前向传播的te0模式转换为后向传播的te1模式，第二布拉格光栅(3)用于将第二波段前向传播的te0模式转换为后向传播的te1模式。2.根据权利要求1所述的硅基片上双波段偏振分束器，其特征在于，工作时，第一波段和第二波段的te0模式从双波段模式复用器(1)的总线波导输入，通过双波段模式复用器(1)后，由第一布拉格光栅(2)和第二布拉格光栅(3)转化为后向传输的te1模式，再由双波段模式复用器(1)转换为接入波导中的te0模式，并通过s弯曲波导输出；第一波段和第二波段的tm0模式从双波段模式复用器(1)的总线波导输入，直接通过双波段模式复用器(1)、第一布拉格光栅(2)和第二布拉格光栅(3)，并最终输出。3.根据权利要求2所述的硅基片上双波段偏振分束器，其特征在于，所述第一布拉格光栅(2)和第二布拉格光栅(3)通过在多模波导内部刻蚀两排孔，并且两排孔错位半个周期形成π的相位差。4.根据权利要求3所述的硅基片上双波段偏振分束器，其特征在于，所述孔为矩形或者圆形。5.根据权利要求1所述的硅基片上双波段偏振分束器，其特征在于，所述第一布拉格光栅(2)和第二布拉格光栅(3)的布拉格周期不同，分别与第一波段和第二波段对应。6.根据权利要求5所述的硅基片上双波段偏振分束器，其特征在于，所述第一波段为1550nm波段，第二波段为2000nm波段。7.根据权利要求1所述的硅基片上双波段偏振分束器，其特征在于，所述第一布拉格光栅(2)和所述第二布拉格光栅(3)的两端孔的周期及宽度逐渐减小的。

技术总结
本发明公开了一种硅基片上双波段偏振分束器，属于硅基光子学领域。包括双波段模式复用器、第一布拉格光栅和第二布拉格光栅。双波段模式复用器由两个锥形波导组成，其中较宽的波导是总线波导，较窄的波导是接入波导，接入波导和总线波导通过S弯曲波导分离。布拉格光栅是通过在内部刻蚀孔形成的，用于1550nm波段和2000nm波段的模式转换，将前向传播的TE0模式转换为后向传播的TE1模式，再将后向传播的TE1模式解复用为接入波导中的TE0模式并进行分离。而TM0模式可以直接通过双波段模式复用器和布拉格光栅进行传输，从而形成一种片上双波段偏振分束器。本发明明显提升了器件的工作带宽，满足集成光电子器件的尺寸要求，将更灵巧的应用于光互连系统中。巧的应用于光互连系统中。巧的应用于光互连系统中。


技术研发人员：沈力 程光炼 衣启源 郑爽
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/21