[发明专利]一种宽波段高消光比片上集成偏振器及设计方法

说明书

本发明属于集成光子学、光传感技术领域，具体涉及一种宽波段高消光比片上集成偏振器及设计方法。本发明宽波段高消光比片上集成偏振器包括衬底6、上包层5、以及设置在衬底和上包层之间的波导芯层，所述波导芯层按光传播方向顺次分成三部分，分别为输入直波导芯层(1)、倾斜光栅波导芯层(2)及输出直波导芯层(3)，其中，设置在输入直波导芯层(1)与输出直波导芯层(3)之间的倾斜光栅波导芯层(2)包含若干个周期且相互倾斜平行设置。本发明提供的偏振器结构简单、工艺实现难度低，同时利用一维光子晶体能带理论设计倾斜光栅参数，可得到较大的工作带宽，具有较大加工误差容限，同时可保证TM模式低损透射而TE模式高效反射，实现超高偏振消光比。

技术领域

本发明属于集成光子学、光传感技术领域，具体涉及一种宽波段高消光比片上集成偏振器及设计方法。

背景技术

在许多光纤通讯、光传感系统，如光开关、集成光学陀螺、偏振相干探测等领域中，为了抑制偏振相关误差，往往仅允许单一模式光传输，因此实现偏振控制功能必不可少。其中片上偏振控制器件因其具有尺寸小，性能稳定，可批量生产等优势受到广泛关注。近年来基于不同结构原理的偏振控制器件包括偏振分束器(Polarization beam splitter,PBS)，偏振旋转器(Polarization rotator,PR)以及片上偏振器已经实现。其中基于弯曲定向耦合器(Directional coupler,DC)的偏振分束器和基于表面等离子体波导的偏振器被大量研究报道。基于DC结构的偏振分束器可实现TE与TM模式的分离，结构相对简单，但对波长和温度比较敏感，为了实现较高消光比需设计弯曲结构，增加器件尺寸及损耗；而基于表面等离子体波导的偏振器主要利用TM模式光在混合等离子表面传输衰减，TE模在介质波导中传输几乎不受影响，因此可得到极高的偏振消光比(30dB以上)。但其结构比较复杂，需要沉积负折射率的金属薄膜形成表面等离子体基元，增加了工艺难度；且该结构要求介质波导与表面等离子体波导模式相位匹配，因此对波导尺寸变化非常敏感，这对刻蚀精度也提出了更高要求。上述两种偏振控制结构在带宽、消光比及工艺难度等方面存在不足，大大限制了其在光子集成领域的应用推广。

发明内容

本发明针对现有结构设计存在的不足，提供一种紧凑结构、加工误差容限大的宽波段高消光比片上集成偏振器设计。为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

本发明的技术方案：一种宽波段高消光比片上集成偏振器，其包括衬底6、上包层5、以及设置在衬底和上包层之间的波导芯层，所述波导芯层按光传播方向顺次分成三部分，分别为输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2及输出直波导芯层3，其中，设置在输入直波导芯层1与输出直波导芯层3之间的倾斜光栅波导芯层2为若干个且相互倾斜平行设置。

所述输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2邻近输出直波导芯层3端面与输出直波导芯层3平行，以实现光栅高效衍射。

输入直波导芯层1、输出直波导芯层3结构相同，倾斜光栅波导芯层2刻蚀深度及宽度在光传输方向上的投影与输入直波导芯层1/输出直波导芯层3尺寸相同，以有效减少偏振器的插入损耗。

所述输入直波导芯层1、倾斜光栅波导芯层2及输出直波导芯层3折射率相同，且比设置在其相互之间间隙内的上包层5折射率大，因此工艺实现难度小，易于实施。

倾斜光栅波导2的倾斜角度不大于从而减小TM模式的全反射。

一种所述的宽波段高消光比片上集成偏振器的设计方法，其利用一维光子晶体能带理论计算出TE和TM两种模式的归一化频率与归一化波矢之间的关系，选取TE模式禁带与TM导带两部分带隙重叠的带隙确定倾斜光栅倾斜角度、间隙以及光栅周期，以实现TE模式高效反射，TM模式高效透射，从而在宽波段范围内实现超高偏振消光比。