一种大容差偏振旋转分束器

1.本发明涉及无源光学元器件技术领域，具体为一种大容差偏振旋转分束器。


背景技术：

2.随着5g、物联网、人工智能等新一代信息技术的发展，对光通信容量和功耗提出了更高的要求。当单通道数据传输速度达到极限值时，偏振复用可以有效地增加通信容量。偏振旋转分束器是偏振复用的核心器件，分离相互垂直的两种偏振态模式，同时对其中一种偏振态进行旋转，使得系统只需要对同一种偏振态进行操控。近年来，相干光通信系统向集成化、小型化、低成本的方向发展，具有大带宽和大工艺容差的片上高性能偏振旋转分束器是相干收发集成芯片走向应用的关键器件。
3.实现偏振旋转分束器的方式主要包含模式耦合和模式演化，区别在于是否引入te高阶模。模式耦合基于双波导耦合系统中存在te基模和tm基模的杂化超模来实现偏振旋转分束，对于常用的薄膜波导来讲，只有波导宽度小于波导厚度时才可能出现正交基模的杂化，尺寸小但结构复杂制作难度高；模式演化基于tm基模与te高阶模实现偏振旋转，再通过一个耦合器实现te基模和te高阶模的分离。基于模式演化的偏振旋转分束器降低了工艺难度，具有更大的制作容差。
4.基于模式演化的偏振旋转分束器结构主要包括两部分，偏振旋转和耦合分束。偏振旋转的实现依赖于非对称波导结构中tm基模与te高阶模的混杂模式，基于该模式的绝热演化，在由窄变宽的锥形波导中实现tm基模向te高阶模的演化，该过程基于绝热演化，通过合适的始末宽度设计很容易实现大的带宽和制作容差。耦合分束具有多种选择：非对称定向耦合器，多模干涉耦合器以及y分支。非对称定向耦合器和多模干涉耦合器的长度依赖于te高阶模和te基模的传播常数差，只有满足实现固定相位差的长度才能实现高的耦合效率，当波导宽度变化导致折射率差改变时，所设计长度不能很好的完成耦合，导致输出端口偏振消光比的下降。y分支的极窄间隙加大了制作难度，不完美的制作极易增大传输模式的损耗。
5.因此，如何提供一种具有大制作容差的偏振旋转分束器成为了本领域技术人员急需解决的技术问题


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种大制作容差的偏振旋转分束器，目的在于增大制作容差，提高波长不敏感性，提高两个端口的偏振消光比，利用快速、低成本的光刻技术即可使器件达到应用要求。
7.为达上述目的，本发明提供了一种大容差偏振旋转分束器，包括：第一偏振旋转区、绝热耦合器和滤波区；所述偏振旋转区和所述绝热耦合器的直通波导之间通过第一锥形波导连接；所述滤波区连接在所述绝热耦合器远离所述第一偏振旋转区的一端；
8.所述第一偏振旋转区用于将入射的tm基模旋转为te高阶模，入射的te基模偏振态
不发生变化；
9.所述绝热耦合器包括直通波导和交叉波导；
10.所述交叉波导位于直通波导的一侧，根据直通波导与交叉波导的位置关系，将直通波导与交叉波导之间的区域分为靠近区、耦合区和远离区；
11.所述绝热耦合器用于将te高阶模耦合到所述交叉波导的te基模，入射的te基模从所述直通波导输出；
12.所述滤波区用于滤除所述直通波导输出的te高阶模和tm基模；
13.所述耦合区中间位置的所述直通波导中的te高阶模和所述交叉波导中的te基模满足相位匹配关系。
14.进一步的，所述滤波区包括第一1
×
1多模干涉耦合器、第二偏振旋转区和第二1
×
1多模干涉耦合器；所述第一1
×
1多模干涉耦合器和所述第二偏振旋转区之间通过第二锥形波导连接；所述第二1
×
1多模干涉耦合器连接在所述第二偏振旋转区远离所述第一1
×
1多模干涉耦合器的一端；
15.所述第一1
×
1多模干涉耦合器用于滤除te高阶模；
16.所述第二偏振旋转区用于将所述直通波导输出的tm基模旋转为te高阶模；
17.所述第二个1
×
1多模干涉耦合器用于滤除所述第二偏振旋转区之后的te高阶模式。
18.进一步的，所述第一偏振旋转区为宽度由窄变宽的锥形波导。
19.进一步的，所述靠近区和所述远离区的所述直通波导和所述交叉波导宽度固定。
20.进一步的，所述耦合区的所述直通波导和所述交叉波导均是宽度渐变的锥形波导，所述耦合区的所述直通波导宽度由宽变窄，所述耦合区的所述交叉波导宽度由窄变宽。
21.进一步的，所述耦合区末端的所述直通波导的宽度大于所述交叉波导的宽度。
22.进一步的，所述耦合区中间位置的所述直通波导的宽度大于所述交叉波导的宽度。
23.进一步的，所述滤波区的第二偏振旋转区为宽度由窄变宽的锥形波导。
24.本发明的有益效果在于：
25.本发明提出了一种具有大制作容差的片上偏振旋转分束器，包含偏振旋转区、绝热耦合器和滤波区。输入的tm偏振光经过第一偏振旋转区变为te高阶模，该te高阶模经过绝热耦合器耦合到te基模输出；输入的te偏振光经过第一偏振旋转区和绝热耦合器不改变偏振态，以te基模从直通输出。绝热耦合器远离区直通波导宽度大于交叉波导宽度，确保te基模对交叉输出端口具有极小的串扰，提高交叉输出端口的偏振消光比；滤波区级联了第一1
×
1多模干涉耦合器、第二偏振旋转区和第二1
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1多模干涉耦合器，滤除未耦合的te高阶模以及未旋转的tm基模。本发明的无源片上偏振旋转分束器具有大的制作容差和工作带宽，并表现出了优异的偏振消光性能。
附图说明
26.图1为本技术实施例一种大制作容差的片上偏振旋转分束器结构示意图；
27.图2为本技术实施例中的部分刻蚀脊波导横截面结构示意图；
28.图3为本技术实施例中的全部刻蚀条形波导横截面结构示意图；
29.图4为本技术实施例中偏振旋转区脊波导的模式有效折射率随脊波导宽度的变化曲线图；
30.图5为本技术实施例中全部刻蚀条形波导模式有效折射率随条形波导宽度的变化曲线图；
31.图6为本技术实施例中偏振旋转分束器的光传输仿真结果图；
32.图7为本技术实施例中偏振旋转分束器的模式传输随波长的变化图。
33.图8为本技术实施例中偏振旋转分束器的模式传输随器件整体宽度改变量的变化图。
34.其中，图中：
35.1、第一偏振旋转区；2、第一锥形波导；3、绝热耦合器；4、直通波导；5、交叉波导；6、靠近区；7、耦合区；8、远离区；9、第一1
×
1多模干涉耦合器；10、第二锥形波导；11、第二偏振旋转区；12、第二1
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1多模干涉耦合器；13、波导层；14、部分刻蚀波导的平板；15、波导衬底；16、基底；17、波导上包层。
具体实施方式
36.为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及构造，结合附图就本发明较佳实施例详加说明其特征与功能。
37.如图1-3所示，本发明提供了一种大容差偏振旋转分束器，包括：第一偏振旋转区1、绝热耦合器3和滤波区；所述偏振旋转区和所述绝热耦合器3的直通波导4之间通过第一锥形波导2连接；所述滤波区连接在所述绝热耦合器3远离所述第一偏振旋转区1的一端；
38.所述第一偏振旋转区1用于将入射的tm基模旋转为te高阶模，入射的te基模偏振态不发生变化；
39.所述绝热耦合器3用于将te高阶模耦合到所述交叉波导5的te基模，入射的te基模从所述直通波导4输出；
40.所述滤波区用于滤除所述直通波导4输出的te高阶模和tm基模。
41.所述绝热耦合器3包括直通波导4和交叉波导5；所述交叉波导5位于直通波导4的一侧，根据直通波导4与交叉波导5的位置关系，将直通波导4与交叉波导5之间的区域分为靠近区6、耦合区7和远离区8。
42.所述滤波区包括第一1
×
1多模干涉耦合器9、第二偏振旋转区11和第二1
×
1多模干涉耦合器12；所述第一1
×
1多模干涉耦合器9和所述第二偏振旋转区11之间通过第二锥形波导10连接；所述第二1
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1多模干涉耦合器12连接在所述第二偏振旋转区11远离所述第一1
×
1多模干涉耦合器9的一端；所述第一1
×
1多模干涉耦合器9用于滤除te高阶模；所述第二偏振旋转区11用于将所述直通波导4输出的tm基模旋转为te高阶模；所述第二个1
×
1多模干涉耦合器用于滤除所述第二偏振旋转区11之后的te高阶模式。
43.本实施例中，所述第一偏振旋转区1为宽度由窄变宽的锥形波导，所述第一偏振旋转区1的锥形波导为部分刻蚀的脊波导。
44.本实施例中，所述靠近区6和所述远离区8的所述直通波导4和所述交叉波导5宽度固定。
45.本实施例中，所述耦合区7的所述直通波导4和所述交叉波导5均是宽度渐变的锥
形波导，所述耦合区7的所述直通波导4宽度由宽变窄，所述耦合区7的所述交叉波导5宽度由窄变宽。
46.本实施例中，所述耦合区7末端的所述直通波导4的宽度大于所述交叉波导5的宽度。
47.本实施例中，所述耦合区7中间位置的所述直通波导4的宽度大于所述交叉波导5的宽度。
48.本实施例中，所述耦合区7中间位置的所述直通波导4中的te高阶模和所述交叉波导5中的te基模满足相位匹配关系。
49.本实施例中，所述滤波区的第二偏振旋转区11为宽度由窄变宽的锥形波导，所述第二偏振旋转区11的锥形波导为部分刻蚀的脊波导。
50.波导横截面示意图如图2和图3所示，图2为部分刻蚀脊波导横截面，图3为全部刻蚀条形波导横截面，部分刻蚀脊波导包含由下至上依次设置的基底16、波导衬底15、部分刻蚀波导的平板14、波导层13、波导上包层17；全部刻蚀条形波导包含由下至上依次设置的基底16、波导衬底15、波导层13、波导上包层17。
51.在本实施例中，输入的tm模式经过第一偏振旋转区1绝热演化为te高阶模，同时存在极少部分未完成偏振旋转的tm基模；te高阶模经过绝热耦合器3，从直通波导4耦合到交叉波导5中以te基模输出，同时直通波导4中存在少部分未完成耦合的te高阶模；直通波导4输出的te高阶模经过第一1
×
1多模干涉耦合器9被滤除；直通波导4输出的tm基模经过第二偏振旋转区11绝热演化为te高阶模；第二偏振旋转区11输出的te高阶模经过第二1
×
1多模干涉耦合器12后被滤除。输入的te基模经过第一偏振旋转区1、第一锥形连接波导2、绝热耦合器3的直通波导4、第一1
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1多模干涉耦合器9、第二偏振旋转区11、第二1
×
1多模干涉耦合器12从直通端口输出。
52.第一偏振旋转区1是部分刻蚀的脊波导，且脊波导宽度由窄变宽；优化波导宽度使第一偏振旋转区1中存在tm基模与te高阶模的混杂模式，始末宽度差的选择要满足工艺容差要求，第一偏振旋转区1的长度要尽可能保证高效的模式转化，减少未转化的tm基模。
53.绝热耦合器3包含直通波导4和交叉波导5、靠近区6、耦合区7和远离区8；靠近区6和远离区8的直通波导4和交叉波导5的宽度固定；耦合区7的直通波导4宽度由宽变窄，耦合区7的交叉波导5的宽度由窄变宽。
54.耦合区7末端直通波导4的宽度大于交叉波导5的宽度，优化该宽度差及波导间隔控制直通波导4中的te基模对交叉波导5中te基模的串扰满足设计需求；耦合区7中，直通波导4起始宽度下te高阶模的有效折射率大于交叉波导5起始宽度下te基模的有效折射率；耦合区7中，直通波导4中心宽度下te高阶模的有效折射率基本等于交叉波导5中心宽度下te基模的有效折射率；耦合区7中，直通波导4末端宽度下te高阶模的有效折射率小于交叉波导5末端宽度下te基模的有效折射率；直通波导4选择宽度时要避免出现tm基模与te高阶模的混杂模式；直通波导4和交叉波导5的始末宽度差要满足工艺容差要求，确保工艺误差范围内的宽度变化下，耦合区7内包含直通波导4中te高阶模和交叉波导5中te基模的相位匹配宽度；耦合区7的长度要尽可能保证高效的模式耦合，减少未完成耦合的te高阶模。
55.绝热耦合器3的靠近区6和远离区8中，直通波导4和交叉波导5为固定宽度；直通波导4中te高阶模和交叉波导5中te基模的传播常数差与耦合区7相比较大，可以以较快的速
度将直通波导4和交叉波导5分离；优化靠近区6和远离区8的波导长度，即控制直通波导4和交叉波导5的间隔变化速度，确保尽可能高的绝热性，在靠近区6尽量少地激发交叉波导5中的te基模，以及在远离区8尽量少地激发直通波导4中的te高阶模。
56.滤波区的第一1
×
1多模干涉耦合器9的尺寸满足te基模自映像，同时te高阶模基本被滤除；第二偏振旋转区11是宽度由窄变宽的脊波导，优化宽度和长度使第二偏振旋转区11内存在tm基模与te高阶模的混杂模式，始末宽度差的选择满足工艺容差要求，第二偏振旋转区11的长度的选择尽可能保证高效的模式转化；第二1
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1多模干涉耦合器12的尺寸满足te基模自映像，同时te高阶模基本被滤除；第二锥形连接波导10连接第一1
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1多模干涉耦合器9和第二偏振旋转区11，宽度从宽变窄，选择全部刻蚀的条形波导，避免tm基模向te高阶模的转化；当波导侧壁倾斜导致第二锥形连接波导10中存在混杂模式时，第二锥形连接波导10的末端宽度应尽可能小，确保te高阶模被损耗的同时te基模的损耗满足设计要求。
57.为了进一步说明本实施例方案，下面以具体的实例进行详细说明。
58.本实施例所选波导层13材料是薄膜铌酸锂，厚度为300nm，基底16为硅，波导衬底15和波导上包层17均为二氧化硅。
59.本实施例的第一偏振旋转区1和第二偏振旋转区11为部分刻蚀脊波导，刻蚀深度为250nm，即脊高250nm，部分刻蚀波导的平板14厚度为150nm，横截面结构示意图如图2所示。绝热耦合器3、第一1
×
1多模干涉耦合器9、第二锥形连接波导10和第二1
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1多模干涉耦合器12均是条形波导，即刻蚀深度为300nm，横截面结构示意图如图3所示。第一锥形连接波导2处于部分刻蚀和全部刻蚀的过渡区，脊波导宽度从窄变宽连接第一偏振旋转区1和绝热耦合器3的直通波导4；第一偏振旋转区1和第二偏振旋转区11的前后各有一段锥形平板波导作为深浅刻蚀区域的过渡。
60.第一偏振旋转区1采用部分刻蚀的脊波导，垂直方向的不对称性加强模式的杂化度，利用有限差分(fde)求解器得到脊波导中的te0模、tm0模、te1模的有效折射率随脊波导宽度的变化曲线，如图4(a)所示,各模式中的te偏振占比如图4(b)所示。可以看出，在宽度为1.2μm附近，模式2和模式3为tm0模与te1模的一对混杂模式，此时无法分辨这两种偏振态。波导宽度由窄变宽的过程中，模式2实现tm0向te1模式的转化，模式3实现te1向tm0模式的转化，模式2和模式3之间始终有一个折射率差，因此只要脊波导宽度变化缓慢，tm0模就可以以模式2的路径绝热地演化为te1模。第一偏振旋转区1的中心宽度设为1.2μm，起始宽度为0.9μm，末端宽度为1.5μm，始末宽度为中心宽度变化
±
300nm，满足光刻容差要求，长度为400μm实现偏振旋转功能。
61.绝热耦合器3为全部刻蚀的条形波导，利用fde求解器得到条形波导中的te0模、tm0模、te1模的有效折射率随条形波导宽度的变化曲线，如图5所示。由于刻蚀导致的侧壁倾斜，条形波导在宽度为1.4μm存在tm0模与te1模的混杂模式。为避免te1模向tm0模的演化，应避免直通波导4中tm0模与te1模混杂模式的出现，直通波导4在耦合区7的末端宽度设计为1.6μm，确保制作容差下不存在混杂模式；直通波导4在耦合区7的起始宽度为2.2μm，交叉波导5在耦合区7的起始宽度为0.64μm，交叉波导5在耦合区7的末端宽度为0.95μm，可知靠近区6直通波导4和交叉波导5的宽度分别为2.2μm和0.64μm，远离区8直通波导4和交叉波导5的宽度分别为1.6μm和0.95μm。从图5可以看出，耦合区7的中心宽度2μm和0.7μm下，直通波
导4的te1模和交叉波导5的te0模满足相位匹配条件，相位匹配宽度居中的设计保证器件具有较大的制作容差；另外，耦合区7的起始宽度和末端宽度下，直通波导4中te1模和交叉波导5中te0模的有效折射率差绝对值相等但符号相反。靠近区6波导间隔由9μm变化到0.5μm，长度为100μm，远离区6波导间隔由0.5μm变化到9μm，长度为100μm，耦合区7长度为800μm，可以完成直通波导4中te1模向交叉波导5中te0模的绝热演化。
62.滤波区为提高直通端口的偏振消光性能而设计。制作误差的不确定性可能导致未完全旋转的tm0模和未完全耦合的te1模增多，残余在直通波导4中，第一1
×
1多模干涉耦合器9的入射波导宽度为1.6μm，多模波导宽度为5μm，宽度为1.6μm，长度为30μm时，满足te0的自映像同时te1模基本被滤除；第二锥形连接波导10的宽度从1.6μm变化到0.9μm，长度为200μm；然后连接第二偏振旋转区11，其脊波导宽度从0.9μm增大到1.6μm，脊波导长度为300μm，第二锥形连接波导10和第二偏振旋转区11之间深刻蚀向浅刻蚀过渡的锥形平板波导长度为100μm，平板波导宽度从0.9μm增大到6μm；第二偏振旋转区11和第二1
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1多模干涉耦合器12之间深刻蚀向浅刻蚀过渡的锥形平板波导长度为100μm，平板宽度从6μm减小到1.6μm；第二1
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1多模干涉耦合器12的入射波导宽度为1.6μm，多模波导宽度为5μm，宽度为1.6μm，长度为30μm时，满足te0的自映像同时te1模基本被滤除。
63.根据上述描述，输入的tm0模式经过第一偏振旋转区1绝热演化为te1模，te1模经过绝热耦合器3，从直通波导4耦合到交叉波导5中以te0模输出；直通波导4输出的未耦合的te1模经过第一1
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1多模干涉耦合器9被滤除；直通波导4输出的未旋转的tm0模经过第二偏振旋转区11绝热演化为te1模；第二偏振旋转区11输出的te1模经过第二1
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1多模干涉耦合器12后被滤除。输入的te0模经过第一偏振旋转区1、第一锥形连接波导2、绝热耦合器3、第一1
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1多模干涉耦合器9、第二偏振旋转区11、第二1
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1多模干涉耦合器12从直通端口输出。利用本征模展开eme求解器计算示例中的光场传输如图6(a)和6(b)所示，输入te0从直通端口输出，输入tm0从交叉端口输出。
64.利用eme求解器计算了c+l波段内，分别输入的te0和tm0到两个输出端口的传输效率，如图7所示，在整个c+l波段，两个端口的偏振消光比均大于30db。计算了器件整体宽度变化
±
200nm的传输效率变化，如图8所示，在
±
200nm的器件整体宽度变化下，两个端口的偏振消光比均大于20db。
65.绝热耦合器3的宽度和长度具有较大的选择自由度，但离不开以下几个条件的约束：耦合区7末端，直通波导4的宽度大于交叉波导5的宽度，结合合理的波导间隔设计，使直通波导4中te0模对交叉波导5中te0模的串扰满足设计要求；耦合区7始端，直通波导4中te1模的有效折射率大于交叉波导5中te0模的有效折射率；耦合区7末端，直通波导4中te1模的有效折射率小于交叉波导5中te0模的有效折射率；耦合区7中间位置，直通波导4的te1模与交叉波导5的te0模满足相位匹配条件，即有效折射率相等，满足相位条件的位置具有较快的功率耦合和较差的绝热性，设计在耦合区7的中心位置有利于实现较大的制作容差；耦合区7中，直通波导4的宽度变化值应满足容差要求，变化值越大耦合区7的长度越长，靠近区6和远离区8所需的长度越短，权衡宽度容差和绝热耦合器长度确定绝热耦合器的结构参数。
66.以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种大容差偏振旋转分束器，其特征在于，包括：第一偏振旋转区、绝热耦合器和滤波区；所述偏振旋转区和所述绝热耦合器的直通波导之间通过第一锥形波导连接；所述滤波区连接在所述绝热耦合器远离所述第一偏振旋转区的一端；所述第一偏振旋转区用于将入射的tm基模旋转为te高阶模，入射的te基模偏振态不发生变化；所述绝热耦合器包括直通波导和交叉波导；所述交叉波导位于直通波导的一侧，根据直通波导与交叉波导的位置关系，将直通波导与交叉波导之间的区域分为靠近区、耦合区和远离区；所述绝热耦合器用于将te高阶模耦合到所述交叉波导的te基模，入射的te基模从所述直通波导输出；所述滤波区用于滤除所述直通波导输出的te高阶模和tm基模；所述耦合区中间位置的所述直通波导中的te高阶模和所述交叉波导中的te基模满足相位匹配关系。2.如权利要求1所述的一种大容差偏振旋转分束器，其特征在于，所述滤波区包括第一1
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1多模干涉耦合器、第二偏振旋转区和第二1
×
1多模干涉耦合器；所述第一1
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1多模干涉耦合器和所述第二偏振旋转区之间通过第二锥形波导连接；所述第二1
×
1多模干涉耦合器连接在所述第二偏振旋转区远离所述第一1
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1多模干涉耦合器的一端；所述第一1
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1多模干涉耦合器用于滤除te高阶模；所述第二偏振旋转区用于将所述直通波导输出的tm基模旋转为te高阶模；所述第二个1
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1多模干涉耦合器用于滤除所述第二偏振旋转区之后的te高阶模式。3.如权利要求1所述的一种大容差偏振旋转分束器，其特征在于，所述第一偏振旋转区为宽度由窄变宽的锥形波导。4.如权利要求3所述的一种大容差偏振旋转分束器，其特征在于，所述靠近区和所述远离区的所述直通波导和所述交叉波导宽度固定。5.如权利要求1或4所述的一种大容差偏振旋转分束器，其特征在于，所述耦合区的所述直通波导和所述交叉波导均是宽度渐变的锥形波导，所述耦合区的所述直通波导宽度由宽变窄，所述耦合区的所述交叉波导宽度由窄变宽。6.如权利要求5所述的一种大容差偏振旋转分束器，其特征在于，所述耦合区末端的所述直通波导的宽度大于所述交叉波导的宽度。7.如权利要求6所述的一种大容差偏振旋转分束器，其特征在于，所述耦合区中间位置的所述直通波导的宽度大于所述交叉波导的宽度。8.如权利要求2所述的一种大容差偏振旋转分束器，其特征在于，所述滤波区的第二偏振旋转区为宽度由窄变宽的锥形波导。

技术总结
本发明关于一种大容差偏振旋转分束器，涉及无源光学元器件技术领域。包括第一偏振旋转区、绝热耦合器和滤波区；偏振旋转区和绝热耦合器的直通波导连接；滤波区与绝热耦合器的直通波导连接；第一偏振旋转区将入射的TM基模旋转为TE高阶模，入射的TE基模偏振态不发生变化；绝热耦合器将TE高阶模耦合到交叉波导的TE基模，入射的TE基模从直通波导输出；滤波区滤除直通波导输出的TE高阶模和TM基模。本发明输入的TM基模演化为TE高阶模，该TE高阶模经过绝热耦合器耦合到交叉波导的TE基模输出；输入的TE基模从直通波导输出。本发明无源片上偏振旋转分束器具有大的制作容差和工作带宽，表现出优异的偏振消光性能。优异的偏振消光性能。优异的偏振消光性能。


技术研发人员：国伟华 宋丽媛 戴向阳 陆巧银
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/7/22