CN101833172B - 一种偏振光耦合及分光的方法及耦合分光器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振光耦合及分光的方法及耦合分光器件，该方法为：在光纤与微纳光波导之间设置有互相平行的两根光波导，其中一根为宽度渐变的光波导，用于耦合和传导TE模，另一根为等效厚度渐变的光波导，用于耦合和传导TM模，该两根光波导分别通过2根转弯方向相向或相背的弯波导与微纳光波导连接，实现偏振光的合光或分光。等效厚度渐变的波导可由一根占空比逐渐增大的亚波长光栅波导实现，相应地其有效折射率逐渐增加，可有效耦合TM模。该偏振光耦合及分光的方法及耦合分光器件能实现两种互相垂直偏振态的偏振光耦合及分光。

Description

一种偏振光耦合及分光的方法及耦合分光器件

技术领域

本发明涉及一种偏振光耦合及分光的方法及耦合分光器件。

技术背景

近年来，随着微电子技术和光电子技术的发展，微纳光子学的应用成为实现下一代超高速及超大容量通信与计算，超高灵敏度传感等技术的重要解决方案。由于采用了高折射率材料如硅，氮化硅等，单模光波导的截面尺寸可以缩小到微米甚至纳米尺寸，因而，相较于微电子芯片，未来的微纳集成光子芯片(Photonic-Integrated-Circuit)可以具有更高的集成度，更强的功能及更低的功耗。但是，由于硅材料本身结构的限制，能够与微纳集成光子芯片集成制作的硅基激光器目前还无法获得，因此，普遍采用的解决方法是利用光纤外接激光器，通过光纤-波导耦合器为微纳光子器件提供光源。但是，单模光纤的光斑尺寸一般大于12μm²，而单模硅基通道(Channel)型光波导的截面尺寸一般小于0.1μm²，两者的尺寸相差巨大，而且，由于硅材料的折射率约为3.5，光纤芯的折射率为1.5左右，二者的折射率差别也很大，这导致光纤和波导的模场不匹配。当光纤与波导直接耦合时，只有不到1％的光会进入波导中，其耦合效率十分低下。另一方面，由于光在光纤中传输时的光偏振方向不固定，而微纳尺寸光波导的传导模场是稳定的，且具有强烈的偏振选择性，如果光纤中光的偏振方向与光波导中传导的光偏振方向互相垂直，则光纤中的光无法耦合进光波导。一般地，光纤与微纳波导的直接耦合会造成不同偏振方向的偏振光耦合的不均匀性。微纳波导中一般只能传导TE(Transverse Electric，横电场，即电场方向与波导传导方向垂直)或TM(Transverse Magnetic，横磁场，即磁场方向与波导传导方向垂直)模。当不同幅度的TE和TM模同时在光波导中传输时，由于两者传输的速率不同，会造成严重的偏振相关的损耗，色散效应和延迟效应等，导致传输信号失真。为了解决偏振光耦合及偏振光分光的问题，研究人员提出利用二维光栅^【1】分别耦合TE和TM模，然后让这两种模分别沿各自的光路传导，或采用偏振态旋转器将其中一种偏振光或模场(TE或TM)旋转90度转化成为另外一种偏振光或模场(TM或TE)，然后将偏振态相同的这两束光汇合的方法。该种方法利用光纤与光栅结构呈近似垂直的角度耦合，并利用光栅的衍射原理实现偏振态互相垂直的偏振光分离。但是，该种方法存在耦合效率低，对入射光波波长敏感等缺点。Shoji等人提出利用单根宽度渐变的波导^【2】实现高效的光纤-波导耦合，其耦合效率达到0.8dB，但是该种耦合器结构不具有偏振分光的功能。同样地，Cheben等人提出的利用单个亚波长光栅^【3】进行光纤-波导耦合的方法也不具有偏振分光功能。Lipson等人^【4】及Tao等人^【5】则分别提出了利用双根宽度渐变的波导实现光纤-波导的高效耦合，但该类耦合器同样不具备偏振分光的功能。因此，能够高效地从单模光纤中耦合偏振态互相垂直的两种偏振光且能将这两种偏振光分离开来的耦合器具有实际的应用价值。

前文提到的参考文献如下：

1.平面紧凑波导与单模光纤之间高效耦合的异面耦合型光栅耦合器，国际电子电器工程师协会会刊：量子电子学杂志，(D.Taillaert，W.Bogaerts，P.Bienstman，T.F.Krauss，P.V.Daele，I.Moerman，S.Verstuyft，K.D.Mesel，and R.Baets，“An out-of-plane grating coupler for efficientbutt-coupling between compact planar waveguides and single-mode fibers，”IEEE J.QuantumElectron.38，949-955(2002)).

2.0.3μm²硅波导到单模光纤的低损耗光波模场尺寸匹配器，电子学快报(T.Shoji，T.Tsuchizawa，T.Watanabe，K.Yamada，and H.Morita，“Low loss mode size converter from 0.3μmsquare Si wire waveguides to single mode fibres，”Electron.Lett.38，1669-1670(2002).)

3.用于集成光学的模式转换和光耦合的亚波长波导光栅，光学特快(P.Cheben，D-X.Xu，S.Janz，and A.Densmore，″Subwavelength waveguide grating for mode conversion and lightcoupling in integrated optics，″Opt.Express 14，4695-4702(2006)).

4.高折射率差的分布式布拉格反射器，世界专利(M.Lipson，and D.Almedia，″High-IndexContrast Distributed Bragg Reflector，″PatentWO 03/062883A2(2003).)

5.利用双根尖形耦合器提高光纤-波导耦合效率，光学特快(S.H.Tao，Junfeng Song，QingFang，Mingbin Yu，Guoqiang Lo，and Dimlee Kwong，″Improving coupling efficiency offiber-waveguide coupling with a double-tip coupler，″Opt.Express  16，20803-20808(2008)).

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏振光耦合及分光的方法及耦合分光器件，该偏振光耦合及分光的方法及耦合分光器件能实现两种互相垂直偏振态的偏振光耦合及分光。

本发明的技术解决方案如下：

一种偏振光耦合及分光的方法，其特征在于，在光纤与微纳光波导之间设置有互相平行的两根光波导，其中一根为宽度渐变的光波导，用于耦合和传导TE模，另一根为等效厚度渐变的光波导，用于耦合和传导TM模，该两根光波导分别通过2根转弯方向相向或相背的弯波导与微纳光波导连接，实现偏振光的合光或分光。

等效厚度渐变的光波导由占空比渐变的亚波长光栅组成。

一种偏振光耦合分光器件，其特征在于，该偏振光耦合分光器件设置在光纤与微纳光波导之间，包括2根互相平行的光波导和2根方向相向或相背的弯波导，2根光波导分别通过2根弯波导与微纳光波导连接，其中一根光波导用于耦合和传导TE模的宽度渐变的光波导，另一根光波导为用于耦合和传导TM模的等效厚度渐变的光波导。光波导也称为光波导耦合器。

等效厚度渐变的光波导由占空比渐变的亚波长光栅组成。占空比为光栅脊宽度与光栅周期之比，亚波长光栅的占空比在整个光栅波导长度里是增加的。亚波长光栅的占空比设置为从小到大沿光纤到波导方向逐渐增加，可以是呈连续阶梯状增加，例如从0.1到0.9按步长0.01增加，或分段逐步增加，其中每段的长度及占空比都保持相同。

所述的宽度渐变的光波导的宽度从100nm线性增加到300nm，宽度渐变段的长度为10-300μm；所述的弯波导的为通道型单模硅波导，其转弯半径为10～500μm，弯波导的转弯段的长度为以转弯半径构成的圆的周长的四分之一。

所述的偏振光耦合分光器件的底层为硅基衬底，隔绝层为二氧化硅材质，顶层为覆盖层，覆盖层采用氧化硅或氮化硅材料；光波导层设置在覆盖层与隔绝层之间，光波导材料为单晶硅。偏振光耦合分光器件也可由其它波导材料***如Ⅲ-Ⅴ族材料，或聚合物(Polymer)等制成。

本发明的技术构思如下：

偏振光耦合分光器件是一种能在光纤与微纳波导之间同时耦合偏振态互相垂直的偏振光耦合装置。该装置基于SOI材料***，Ⅲ-Ⅴ族材料***，或Polymer等，分为衬底，隔绝层，波导层，和覆盖层。光耦合部分由两根平行的耦合器组成，其中一个耦合器用于耦合TE光波，为宽度渐变的波导，另一个耦合器用于耦合TM光波，为厚度渐变的波导。但是，为了方便制作，可以利用空间调制的亚波长光栅结构实现厚度渐变的效果，即让亚波长光栅的周期维持不变，分光比(光栅脊宽与周期之比)逐渐增大。

本发明的方法，是利用弯波导分别连接前述的两根平行的耦合器波导，可以使平行耦合器波导中分别传输的TE和TM模沿各自连接的弯波导继续传输，实现TE和TM光波的分离。由于互相平行的两个波导耦合器的结构不同，因此它们会倾向于分别传输TE和TM模。根据光路可逆原理，当光波从耦合器向光纤方向输出时，可以将波导耦合器中分别传导的TE和TM模同时高效地耦合进光纤中。

有益效果：

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1.本发明提出的装置可以同时耦合TE和TM光波即两种偏振态互相垂直的偏振光，理论上其耦合效率高于单个宽度渐变波导的耦合效率，且T1(宽度渐变的光波导)和T2(等效厚度渐变的光波导，见图1)中的偏振光消光比超过40dB。文献2中的单波导耦合器虽然能同时耦合TE和TM模，但不能将两种模场分离。虽然文献3中采用了亚波长光栅结构，但该结构只针对一种偏振光，仍无法同时高效地耦合偏振态互相垂直的偏振光，更无法将两种偏振光分离。文献4，5采用了双波导结构，但该种双波导只能同时高效地耦合一种偏振态的光。文献1采用了二维光栅结构，可以同时耦合两种偏振态互相垂直的偏振光，但是其耦合效率只有19％，对入射的光波长变换较敏感。实践表明，采用本发明的方法和器件，TM模和TE模的耦合效率能达到约80％。

2.本耦合器不仅能从光纤中同时耦合偏振态互相垂直的偏振光，而且还能通过弯波导将耦合后的偏振光汇合或分离。反过来，波导中传输的TE和TM光波也可以同时利用本发明中的耦合器方便地耦合到光纤中。

3.若其中的T2(见图1)为亚波长光栅结构，则该耦合器可以利用现有的微制作技术方便地制作出来，因此，本发明的方法和器件便于工业上实施。

4.光纤与耦合器的耦合为平面耦合方式，操作简便。

5.由于亚波长光栅耦合偏振光是基于有效介质理论，而不是基于光的衍射原理，因此该耦合器对输入光的波长变化不敏感，适用于宽谱光源。

附图说明

图1为本发明原理示意图；(a)光纤与两个耦合波导T1和T2的示意图。T1是一个宽度渐变的波导，T2是一个受亚波长光栅调制的波导。两个耦合波导的位置可以互换。(b)是利用两个波导耦合器进行偏振分光的示意图。当偏振态互相垂直的偏振光分别从T1和T2耦合进波导后，两束偏振光会沿着各自连接的弯波导逐渐分离。弯波导曲率半径的选择是尽量使波导在转弯处的光损耗低同时弯波导的尺寸尽可能小。对于Channel型的单模硅波导，其转弯半径一般设计为大于10μm。(c)耦合器的截面示意图。从底部往上分别为硅基衬底，隔绝层，波导层(包含耦合波导T1和T2)，以及覆盖层。图中的两个小方块分别为T1和T2。(由于T1为宽度渐变的波导，所以其尖端比较窄，T2为亚波长光栅，其厚度和宽度都为正常波导的尺寸。)

图2光波入射时T1和T2同时耦合光波的示意图；(a)TE光波入射时T1(左边光束，光强较强)和T2(右边光束，光强较弱)同时耦合光波的情形，(b)TM光波入射时T1(左边光束，光强较弱)和T2(右边光束，光强较强)同时耦合光波的情形。

图3TE光入射时，耦合效率曲线以及光耦合和传导过程示意图。(a)T1的耦合效率(上端曲线)和T2的耦合效率(下端曲线)随T1和T2之间的距离(Gap)变化的曲线；(b)Gap＝4.4μm时T1(左边光束)和T2(右边光束)的光耦合和传导过程示意图。

图4为TM光入射时，耦合效率曲线以及光耦合和传导过程示意图。(a)T1的耦合效率(下端曲线)和T2的耦合效率(上端曲线)随T1和T2之间的距离(Gap)变化的曲线；(b)Gap＝4.4μm时T1(左边光束)和T2(右边光束)的光耦合和传导过程示意图。

具体实施方式

以下结合具体实例和附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：

光波导耦合及分光器的结构如图1所示，在图1(a)中，两个耦合波导T1和T2并行排列，它们之间的距离为几百纳米到几微米之间。T1和T2的位置可以互换。T1是一个厚度恒定，宽度从窄逐渐增大到正常单模波导宽度的波导。例如，本发明中正常单模波导的厚度和宽度均设为300nm。T1的厚度为300nm，但宽度从100nm线性增加到300nm。由于T1尖端的TE模场与单模光纤的光场在折射率和光斑尺寸上匹配，因此该波导耦合器可以有效地耦合TE模；T2是一个宽度和厚度恒定(均为300nm)的亚波长光栅。光栅的周期小于入射光的波长，其中光栅的占空比(定义为光栅脊宽与光栅周期之比)沿光束从光纤耦合进波导传导的方向逐渐增大。根据有效介质理论，占空比逐渐增大的亚波长光栅其等效折射率会逐渐增加。这种折射率增大的波导可以等效于折射率恒定但厚度逐渐增大的波导。根据模场匹配理论，该种波导(厚度单纯增加的波导，或折射率沿光传导方向单纯增加的波导)可以有效地耦合TM模。因此，T1被设计为只耦合TE模，T2被设计为只耦合TM模。T1和T2从尖端到末端逐渐恢复为正常波导。由于T1和T2之间的距离较短，当它们分别连接到正常的直波导时，直波导中传导的光之间会存在相互耦合(directional coupling)。两者的距离越近，相互耦合越强，对波导中光场分布的影响越大。为了消除波导在耦合后还存在的相互耦合影响，两个曲率半径大于10μm的弯波导被用来连接T1和T2的末端。转弯方向相向或相背的弯波导可以使T1和T2中的光汇合或分离。如图1(b)所示，两个相背的弯波导将T1和T2中传导的TE和TM模分开。考虑到当前微纳制作技术的特点，我们可以制作出亚波长光栅来实现光波导的等效厚度逐渐增大的效果。由于本发明中的亚波长光栅的宽度与厚度恒定，因此该光束耦合及分光器可以利用现有的CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)工艺来制作实现。光波导的材料可以为硅晶体，多晶硅，氮化硅，Polymer，及Ⅲ-Ⅴ族等可用于光波导的材料。隔绝层和覆盖层的材料可以相同或不同，一般选取比波导层材料折射率低的二氧化硅或氮化硅等材料。为了详细说明器件的结构，本发明以建立在Silicon-On-Insulator(SOI)材料***上的光波导结构来说明。结构中波导材料为单晶硅。隔绝层为二氧化硅，用于防止光从波导泄漏到底层的硅基衬底。覆盖层的材料为二氧化硅或氮化硅等材料，其厚度为1μm-5μm，宽度为1-6μm或覆盖整个芯片。整个耦合器件的截面如图1(c)所示。为了说明本发明的用途，下面以器件的一个具体结构为例作为说明。器件的材料和结构参数在实际运用中可以有所不同。器件中所用的隔绝层的厚度为2μm，材料为二氧化硅；覆盖层的厚度为2μm，宽度为4μm，材料为二氧化硅；波导层的厚度为300nm，材料为硅晶体，其中正常光波导的截面尺寸为300nm×300nm；T1的厚度为300nm，长度为15μm，宽度从100nm至300nm线性增加；T2为亚波长光栅结构，其厚度与宽度均为300nm，光栅周期为300nm，光栅长度也为15μm。T1与T2互相平行，它们之间的间距选为3.4μm。三维有限差分时域(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)模拟结果发现，T1强烈地耦合TE模，而T2强烈地耦合TM模。模拟结果如图2所示。

虽然图2显示宽度渐变的波导和占空比渐变的亚波长光栅分别倾向于耦合TE和TM模，但是光束耦合的效率较低，而且两者的偏振消光比很差，即对于同一种偏振光入射，T1和T2都能部分耦合该偏振光。为了取得较好的耦合效率和偏振消光比，即T1和T2尽量分别只耦合一种偏振光，我们需要增大上述器件的尺寸并进行优化设计。但是，由于受到计算机性能的限制，我们无法对较大尺寸的耦合器进行三维FDTD模拟分析，因此我们采用光传输方法(Beam Propagation Method)来对耦合器的等效结构进行分析。如前所述，占空比渐变的亚波长结构光栅可以用厚度渐变的波导代替，因此，下面的模拟中所用到的耦合器结构如下：隔绝层厚度为2μm，材料为二氧化硅；覆盖层厚度为2μm，宽度为5μm，材料仍为二氧化硅；波导层厚度为300nm，材料为硅晶体；正常光波导的截面尺寸为300nm×300nm。T1的厚度为300nm，长度为200μm，宽度从100nm至300nm线性增加；T2为宽度恒定的波导，其宽度为300nm，厚度从100nm线性增加到300nm，其长度也为200μm。T1，T2的材料均为硅晶体。为了得到优化的结果，T1和T2之间的距离(Gap)从600nm逐渐增加到4.4μm，由此分别计算出的T1和T2的耦合效率(coupling efficiency)如图3(a)和图4(a)所示。当输入光为TE光波时，T1的耦合效率(上端曲线)和T2的耦合效率(下端曲线)如图3(a)所示，其中T1的耦合效率在Gap＝4.2μm时最高，约为80％，此时T1和T2中光强之比超过40dB。图3(b)显示当Gap＝4.4μm时T1(左边光束)和T2(右边光束)中光束耦合和传导的情况，证明了绝大部分TE光波进入T1中。类似地，当TM光输入时，图4(a)显示了T1的耦合效率(下端曲线)和T2的耦合效率(上端曲线)，此时，T2在Gap＝4.6μm时耦合效率最高，约为80％，且T1和T2中光强之比超过47dB，图4(b)显示当Gap＝4.4μm时T1(左边光束)和T2(右边光束)中光束耦合和传导的情况，证明了绝大部分TM光进入了T2中。

Claims (4)

1.一种偏振光耦合及分光的方法，其特征在于，在光纤与微纳光波导之间设置有互相平行的两根光波导，其中一根为宽度渐变的光波导，用于耦合和传导TE模，另一根为等效厚度渐变的光波导，用于耦合和传导TM模，该两根光波导分别通过2根转弯方向相向或相背的弯波导与微纳光波导连接，实现偏振光的合光或分光；

等效厚度渐变的光波导由占空比渐变的亚波长光栅组成。

2.一种偏振光耦合分光器件，其特征在于，该偏振光耦合分光器件设置在光纤与微纳光波导之间，包括2根互相平行的光波导和2根方向相向或相背的弯波导，2根互相平行的光波导分别通过2根弯波导与微纳光波导连接，其中一根光波导为用于耦合和传导TE模的宽度渐变的光波导，另一根光波导为用于耦合和传导TM模的等效厚度渐变的光波导；

等效厚度渐变的光波导由占空比渐变的亚波长光栅组成。

3.根据权利要求2所述的偏振光耦合分光器件，其特征在于，所述的宽度渐变的光波导的宽度从100nm线性增加到300nm，宽度渐变段的长度为10-300μm；所述的弯波导为通道型单模硅波导，其转弯半径为10～500μm，弯波导的转弯段的长度为以转弯半径构成的圆的周长的四分之一。

4.根据权利要求3所述的偏振光耦合分光器件，其特征在于，所述的偏振光耦合分光器件的底层为硅基衬底，隔绝层为二氧化硅材质，顶层为覆盖层，覆盖层采用氧化硅或氮化硅材料；光波导层设置在覆盖层与隔绝层之间，光波导材料为单晶硅。

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