一种光学偏振分束合束器

摘要

一种光学偏振分束合束器，属于集成光子器件，解决现有偏振分束器存在的无法同时满足损耗、串扰、集成以及尺寸要求的问题。本发明由在衬底上自下而上依次生长的包层、下导波层和上导波层构成，所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导、第一准直透镜、光栅楔形棱镜、第二准直透镜、第一输出波导和第二输出波导构成，各组成部分的材料相同。本发明带宽高、损耗低、串扰低、体积小，与现有制作工艺兼容，可方便地进行单片集成，在偏振复用高速光通信系统中，可用于发射端将两个被分别调制的相互垂直的偏振光进行合束而并入一路传输，也可用于接收端将一束包含有两个相互垂直偏振分量的输入光分解成两束垂直和水平偏振的输出光束。

主权项

1.一种光学偏振分束合束器，由在衬底(10)上自下而上依次生长的包层(9)、下导波层(8)和上导波层(7)构成，其特征在于：所述上导波层为图形层，由沿z方向依次排列的输入波导(1)、第一准直透镜(2)、光栅楔形棱镜(3)、第二准直透镜(4)、第一输出波导(5)和第二输出波导(6)构成，各组成部分的材料相同；A.所述输入波导(1)为水平截面矩形的长方体；B.所述第一准直透镜(2)为扁平柱体，包括连为一体的两部分，第一部分水平截面形状为矩形；第二部分水平截面形状为半椭圆形，其长轴a₁和短轴b₁分别满足：a₁＝(a_1TE+a_1TM)/2，$a_{1\mathrm{TE}}=\frac{b_1{n}_{1\mathrm{TE}}}{\sqrt{{n_{1\mathrm{TE}}}^2-{n_{0\mathrm{TE}}}^2}},$$a_{1\mathrm{TM}}=\frac{b_1{n}_{1\mathrm{TM}}}{\sqrt{{n_{1\mathrm{TM}}}^2-{n_{0\mathrm{TM}}}^2}},$b₁≥160λ/(n_1TE+n_1TM)，b₁越大性能越好，但器件尺寸增大，n_1TM，n_1TE分别为光束TM和TE在所述第二部分的等效折射率；n_0TM，n_0TE分别为光束TM和TE在下导波层、包层和衬底总的等效折射率，所述半椭圆形短轴与所述第一部分矩形y方向的边拼接；C.所述光栅楔形棱镜(3)由N个z方向长度依次递减的柱体沿y方向等间隔排列为近似直角三角形，该近似直角三角形顶角θ为：$\theta =\arctan \left(\frac{\mathrm{\Delta y}{n}_0}{L_{f_2}(N_{\mathrm{TM}}-N_{\mathrm{TE}})}\right),$其中，△y为垂直偏振波束TE和水平偏振波束TM沿y方向分开的距离，Δy≥2um，△y越大性能越好，但器件尺寸增大，为第二准直透镜第一部分焦距，N_TM和N_TE分别是水平偏振波束TM和垂直偏振波束TE在光栅楔形棱镜中的等效折射率，其估算公式为：$N_{\mathrm{TM}}={[n_{\mathrm{hTM}}^2\alpha +n_{\mathrm{lTM}}^2(1-\alpha )]}^{1/2}$$N_{\mathrm{TE}}={[(1/n_{\mathrm{hTE}}^2)\alpha +(1/n_{\mathrm{lTE}}^2)(1-\alpha )]}^{-1/2};$柱体之间间隔小于光在上导波层内的波长，占空比初始值α为：由束传播法优化得到最终占空比；n_hTE、n_hTM分别为波束TE和TM在柱体内的等效折射率；n_lTE、n_lTM分别为波束TE和TM在柱体之间的等效折射率，每个柱体垂直截面形状均为矩形，每个柱体水平截面形状均为直角梯形；D.所述第二准直透镜(4)为扁平柱体，包括连为一体的三部分，第一部分水平截面形状为半椭圆形，其长轴a₂和短轴b₂分别满足：a₂＝(a_2TE+a_2TM)/2，$a_{2\mathrm{TE}}=\frac{{2n}_{2\mathrm{TE}}{L}_{f_2\mathrm{TE}}}{n_{2\mathrm{TE}}+n_{0\mathrm{TE}}},$$a_{2\mathrm{TM}}=\frac{{2n}_{2\mathrm{TM}}{L}_{f_2\mathrm{TM}}}{n_{2\mathrm{TM}}+n_{0\mathrm{TM}}},$$L_{f_2\mathrm{TE}}=\frac{b_2}{2}\sqrt{\frac{n_{2\mathrm{TE}}+n_{0\mathrm{TE}}}{n_{2\mathrm{TE}}-n_{0\mathrm{TE}}}},$$L_{f_2\mathrm{TM}}=\frac{b_2}{2}\sqrt{\frac{n_{2\mathrm{TM}}+n_{0\mathrm{TM}}}{n_{2\mathrm{TM}}-n_{0\mathrm{TM}}}},$$L_{f_2}=(L_{f_2\mathrm{TE}}+L_{f_2\mathrm{TM}})/2,$b₂≥160λ/(n_2TE+n_2TM)，b₂越大性能越好，但器件尺寸增大，n_2TM、n_2TE分别为光束TM和TE在第二准直透镜第一部分的等效折射率；为第二准直透镜第一部分焦距；半椭圆形的长轴方向与所述光栅楔形棱镜输出光的偏折角度一致，第二部分水平截面形状为矩形，矩形的长边与所述第一部分半椭圆形短轴拼接；第三部分水平截面形状为矩形，第三部分矩形的短边与所述第二部分矩形的长边拼接；所述第一输出波导(5)为水平截面形状为矩形的长方体；所述第二输出波导(6)为水平截面形状为矩形的长方体；所述输入波导的输出端面和第一准直透镜的输入端面连为一体，第一准直透镜的输出端面和光栅楔形棱镜的输入端面不接触，光栅楔形棱镜的输出端面和第二准直透镜的输入端面不接触，所述第一准直透镜、光栅楔形棱镜和第二准直透镜的顶面为同一水平面，第二准直透镜的第三部分和第一输出波导的输入端面连为一体，第二准直透镜的第二部分和第二输出波导的输入端面连为一体；所述x、y、z方向分别为沿纸面垂直向上方向、垂直纸面向外方向、沿纸面向右方向。