一种偏振不敏感的光功率耦合器

1.本发明涉及光功率耦合器技术领域，具体涉及一种偏振不敏感的光功率耦合器。


背景技术：

2.光功率耦合器是用于集成光路中用于分离和组合光信号的关键组成部分之一，也是更复杂的光学器件和功能的基本构建模块，例如马赫-曾德尔干涉仪、光学相控阵、模式多路复用器等。尽管已经在soi平台上通过实验证明了分束器的许多实现方式，但低损耗、宽带和偏振不敏感的光功率耦合器对于超高带宽通信，例如，多维多路复用系统，是非常需要的。定向耦合器是实现功率分配器的最流行方法之一。
3.然而，传统硅定向耦合器的功率分配器的性能对波长和偏振高度敏感。
4.现有的文献，h.morino,t.maruyama,and k.iiyama,“reduction of wavelength dependence of coupling characteristics using si optical waveguide curved directional coupler,”j.lightw.technol.,vol.32,no.12,pp.2188
–
2192,jun.2014，仅能针对特定偏振状态有效实现功率分配。


技术实现要素：

5.为了克服以上现有技术存在的问题，本发明提出一种偏振不敏感的光功率耦合器，将准te和准tm模式的耦合长度比控制在1左右，能够实现偏振无关的功率分配，该器件具有偏振不敏感性。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种偏振不敏感的光功率耦合器，包括两个结构形状相同的波导结构，所述波导结构为长条状，两个波导结构左右平行设置，每个所述波导结构包括依次紧贴设置的左氮化硅层、中间狭缝层和右氮化硅层；所述波导结构外侧包覆有包层材料，所述中间狭缝层的材料和所述包层材料均为二氧化硅或者均为低折射率的电光聚合物。
8.所述低折射率电光聚合物为折射率低于氮化硅且有较大的电光系数。
9.所述光功率耦合器的狭缝材料和包层材料为低折射率的电光聚合物时，通过对两波导结构外加电压，为两波导结构供电，改变波导结构的中间狭缝及包层折射率，拓展本发明可调谐性质；中间狭缝层的折射率会随着电压的调节而改变，从而改变两波导整体的折射率，此时x或y偏振奇对称模和偶对称模的折射率对应改变，根据模式耦合理论，得到新的x或y偏振的耦合长度，通过电压调整，两偏振态耦合长度之比被再次调节到1左右，即可实现偏振不敏感的功率分配。
10.所述两波导结构中的各参数定义如下：几何中心之间间距是d，每个波导结构整体的高度h，波导结构整体宽度w，所述波导结构中间狭缝的厚度ws，左侧层氮化硅的厚度w
l
，右侧层氮化硅的厚度wr；
11.所述波导结构间距d在100-900nm之间，高度h在500-2000nm之间，宽度w在500-2000nm，中间狭缝层的厚度ws在50-200nm之间。
12.所述光功率耦合器中，准te模式的耦合长度为l
te
，准tm模式的耦合长度为l
tm
，当耦合长度的比率(l
te
/l
tm
)为1时，光功率耦合器具有偏振不敏感特性。
13.所述光功率耦合器应用于波长为1550nm时，所述w＝1700nm,h＝1200nm，当w
l＝
wr＝775nm,ws＝150nm时，两个偏振态对应的耦合长度之比最接近于1。
14.所述偏振不敏感的光功率耦合器各参数，通过以下步骤调整；步骤一：
15.在左或右侧波导结构中入射准te或tm模式的光，光会逐渐耦合到相邻的波导结构中，根据仿真结果可分别得到两波导x偏振奇对称模、x偏振偶对称模、y偏振奇对称模、y偏振偶对称模对应的有效折射率；
16.耦合方式具体为：
17.基于模式耦合理论即下方公式，偏振不敏感的功率分配器中的传播行为被视为沿波导结构的偶对称模和奇对称模的总和，两个相互正交的偏振态的耦合长度表示为：
18.l
te
＝λ/[2*(n
e,te-n
o,te
)]
[0019]
l
tm
＝λ/[2*(n
e,tm-n
o,tm
)]
[0020]
其中l
te
耦合长度，l
tm
是准tm模式的耦合长度，n
e,te
是准te模式的偶对称模的有效折射率，n
o,te
是准te模式的奇对称模的有效折射率，n
e,tm
是准tm模式的偶对称模的有效折射率，n
o,tm
是准tm模式的奇对称模的有效折射率；
[0021]
步骤二：
[0022]
优化两波导截面结构的各参数及两波导结构间距，使耦合长度的比率(l
te
/l
tm
)设置为1，此时得到能使得本器件实现偏振不敏感特性的横截面结构参数；
[0023]
步骤三：随着传输距离的增加，光会从入射波导逐渐耦合到相邻的波导中，直至全部从相邻的波导结构中耦合出来，即在波导长度l为不同数值时，在两波导中可得到不同比例的准te或tm模式光，从而实现不同的功率分配。
[0024]
所述步骤二中，得到两偏振态的耦合长度l
te
和l
tm
后，计算耦合长度比率(l
te
/l
tm
)之比，将其和1作比较，并衡量其耦合长度是否过长(超过100μm)，如耦合长度过大，会增大整体的器件长度，对波导结构进行调整。
[0025]
所述步骤二中波导结构调整的具体方法为：
[0026]
首先：调节两波导结构之间的间距d，使得器件长度小于100μm；
[0027]
其次：粗调波导结构整体的宽度w、高度h，通过步骤一计算x、y偏振的耦合长度之比，继续调整中间狭缝厚度，左右侧氮化硅层的厚度w
l
、wr、中间狭缝层的厚度ws，输出光功率对于两种偏振态具有相似响应，从而表现出偏振不敏感特性。
[0028]
所述步骤三中，将入射波导定义为bar端口，相邻波导定义为cross端口。
[0029]
根据目标所需的功率分配比例，可进一步确定器件长度l，如目标分配比为50：50，当波导结构长度为l＝1/2l
te
＝1/2l
tm
时，则器件长度为34.76μm。当选取不同的光功率耦合器长度时，实现包括但不限于10：90、20：80、30：70、40：60、50：50的等分光比，同时，两种偏振模式针对于这些光功率耦合比都实现几乎相同的状态，具有偏振不敏感特性。
[0030]
本发明的有益效果：
[0031]
本发明通过设计一种新型的功率分配器结构，使得其对准te和准tm模式两种偏振模式不敏感。数值计算结果表明通过适当调整该器件的结构参数，可以使本发明在大规模集成光网络中实现偏振不敏感的功率分配。由于该结构同时能够适用于不同耦合比的功率
分配器，所以具有较强的适用性。
[0032]
本发明所述光功率耦合器适用于不同比例的功率分配，使其对准te和准tm模式有相同的响应，即具有偏振不敏感性。本发明基于氮化硅集成波导。具有cmos兼容性，较大的制造工差等优势，同时与硅基波导相比，不受双光子吸收的影响，适用于高功率系统，用于多维多路复用系统技术领域。
附图说明
[0033]
图1是本发明的基本结构示意图。
[0034]
图2是本发明的拓展结构图。
[0035]
图3是本发明的优化过程代表图。
[0036]
图4是本发明针对准te、tm两种偏振状态，不同耦合长度和归一化强度之间的结果示意图。
[0037]
图5是本发明在一定的几何参数设定下，针对不同功率分配比时，准te、tm两种偏振状态表现出的偏差示意图。
[0038]
图6是准te、tm两种偏振状态在bar端口和cross端口的归一化强度，在波长1500-1600nm范围内表现出的波长依赖性。
具体实施方式
[0039]
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0040]
本发明基于具有偏振不敏感特性的集成功率分配器如图1所示，包括具有一定间距的两个氮化硅垂直狭缝波导。在本发明中，准te/tm模式在两端口相互耦合时，表现相同，即表现为偏振不敏感的功率分配。
[0041]
图1为两种偏振状态下功率分配机制，包括两个有氮化硅垂直狭缝波导结构着重于本发明的参数优化过程，包含优化调整两波导几何中心间距d，每个波导整体的高度h，波导整体宽度w，中间狭缝的厚度ws，左侧层氮化硅的厚度w
l
，右侧层氮化硅的厚度w
r，
表现出对准te和准tm模式的偏振不敏感特性。中间的狭缝材料和包层材料为二氧化硅或者低折射率的电光聚合物。
[0042]
所述中间狭缝和包层材料包括但不限于二氧化硅，低折射率电光材料等。
[0043]
基于低折射率电光材料形成狭缝层时，通过对两波导外加电压，中间狭缝层的折射率会随着电压的调节而改变，从而改变两波导整体的折射率，此时x或y偏振奇对称模和偶对称模的折射率对应改变，根据模式耦合理论，可以得到新的x或y偏振的耦合长度，在一定的电压数值下，两偏振态耦合长度之比被再次调节到1左右，即可实现偏振不敏感的功率分配。
[0044]
本发明基于氮化硅垂直狭缝波导，，波导芯由三种材料构成，由左至右分别是氮化硅、二氧化硅、氮化硅材料，结合二氧化硅包层。两条线分别代表准te和准tm模式在本发明中的耦合状态。其中中间狭缝和包层材料也可以被填充为低折射率的电光聚合物材料，通过外加电压来改变中间聚合物的折射率。在外加电场作用下，电光聚合物自身的电光系数和外加电场强度，决定的该聚合物的折射率和整个波导的折射率对比度。
[0045]
如图2所示，包层和中间狭缝的材料均可被替换为低折射率的聚合物材料。同时在
两个波导结构两侧做出电极，可为两狭缝波导供电，从而改变中间狭缝及包层折射率，拓展本发明可调谐性质。
[0046]
如图3所示：l
te
、l
tm
是功率分配器针对准te、tm模式的耦合长度。图3是具有不同波导间距，准te模式耦合长度，和两种偏振态耦合长度之比(l
te
/l
tm
)的变化。
[0047]
根据图1所示概念图，说明本发明实施方法及过程：
[0048]
步骤一：
[0049]
在左/右侧波导中入射准te/tm模式，经过一定的传输距离l，光逐渐耦合到相邻的波导结构中，直至全部从相邻的波导中耦合出来，在右/左侧波导结构中得到一定比例的准te/tm模式光；
[0050]
步骤二：
[0051]
优化两波导结构参数及两波导结构间距，将耦合长度比率(l
te
/l
tm
)设置为接近于1。
[0052]
根据图3调整本发明两个氮化硅垂直波导间距和耦合长度比率(l
te
/l
tm
)和准te模式的耦合长度。根据图2所示趋势，两波导间距越大，准te模式的耦合长度先增加后减小。为了达到偏振不敏感的效果，选择l
te
/l
tm
接近1的几何参数。
[0053]
步骤三：根据一定的功率分配比需求，选择一定的器件长度。
[0054]
当准te、tm模式的光从一个端口入射，在传输一定距离之后，会全部耦合进相邻的波导结构中，之间会经历其他的光功率分配比，如果想产生一定的光功率分配比，只需要选择特定的传输长度即可，同时两种偏振状态在该长度下具有非相近似的响应。
[0055]
当本发明选择一定的结构参数后，根据图4所示结果图，可以针对te模式实现包括但不仅限于10：90、20：80、50：50、70：30等的耦合比，此时te模式与tm模式的耦合比偏差仅为0.22％。在此条件下，两个偏振态的耦合长度比接近于1，因此，两个正交极化的偏振态可以有效地在1550nm处是相同的耦合状态。
[0056]
根据图5可知，本发明以te模式的功率分配比为准，tm模式的功率分配比的偏差。体现出本发明针对与不同的功率分配比，两种偏振模式之间均有低于1.6％的偏差，以此说明本发明对于偏振态的不敏感性。
[0057]
步骤四：以50：50分配比为例，说明本发明的波长依赖性。
[0058]
根据图6可知，本发明包括但不限于以1550nm为设计中心，准te/和tm模式在bar端口和cross端口归一化强度较小的波长依赖性。
[0059]
实施例：本实施例针对1550nm进行；
[0060]
得到两偏振态的耦合长度后，计算其耦合长度之比，将其和1作比较，并衡量其耦合长度是否过长。如耦合长度l过大，会增大整体的器件长度，此时可优先调节两波导之间的间距d，使得器件长度在理想的范围内(小于100μm)后，粗调波导整体的宽度w、高度h至w＝1700nm,h＝1200nm左右。通过计算x、y偏振的耦合长度之比，继续调整中间狭缝厚度，左右侧氮化硅层的厚度w
l
、wr、中间狭缝层的厚度w
.
。当w
l＝
wr＝775nm,ws＝150nm时，可得到1550nm波长处两个偏振态对应的耦合长度之比最接近于1。对于两种偏振态具有相似响应，从而表现出偏振不敏感特性。
[0061]
本发明将准te和准tm模式的耦合长度比(l
te
/l
tm
)控制在1左右，能够实现偏振无关的功率分配，其耦合长度为几十微米。同时，该器件的偏振不敏感性具有一定的适用性，
当器件的长度不同时，在bar端口和cross端口的功率分配比例不同，但对准te和准tm两种偏振模式均表现出相同的响应，即偏振不敏感性。
[0062]
当光从一个波导入射后，经过一段时间后，使得一部分光耦合到cross端口，另一部分从bar端口通过，从而实现一定的耦合比。当选取不同的器件长度时，可以实现包括但不限于10：90、20：80、30：70、40：60、50：50等等分光比。
[0063]
当波导长度为l＝1/2l
te
＝1/2l
tm＝
34.76μm时，即可实现50：50的分光比。两种偏振模式针对于这些光功率耦合比都实现几乎相同的状态，具有偏振不敏感特性。
[0064]
氮化硅狭缝垂直波导结构，基于模式耦合理论，提出同时使用两个垂直狭缝波导结构包括但不限于以1550nm为设计中心，准te和准tm模式在本发明中的波长依赖特性。
[0065]
该发明能够实现一种偏振不敏感的光功率耦合器，针对波导结构参数，两波导间距，器件长度有多种选择及组合方式，中间狭缝的折射率材料也可被进一步拓展为电光聚合物，可通过给该材料加电实现波导整体折射率对比度的调节。因此任何包含本发明的进一步扩展也属于本发明的保护范围。
[0066]
以上结合附图对本发明实施例进行了详细说明，此处的附图是用来提供对本发明的进一步理解。但本发明的保护范围不限于公开的实施例，意在覆盖所附权利要求的精神和范围之内所包括的多种变形和等效设置。因此，对属于本发明技术构思，并且仅仅是技术方案显而易见的改动，均应属于本发明保护范围。