基于鈮酸鋰光子線的極化分裂器的設(shè)計(jì)和仿真

薛 贊，陳 迪，陳 明

(西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，西安710121)

引 言

在當(dāng)今的信息社會(huì)，光極化分裂器已經(jīng)是光子集成電路中光信號(hào)重新分配的一個(gè)重要組成部分。因?yàn)楣鈽O化分裂器可以在輸出端將準(zhǔn)橫磁模(quasi transverse magnetic mode，QTM)和準(zhǔn)橫電模(quasi transverse electric mode，QTE)波分開(kāi)。在過(guò)去的幾年里，許多專家學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)出了不少基于光子晶體的光極化分裂器，但是基于光子晶體的設(shè)備卻有如下兩個(gè)固有缺點(diǎn):一方面，該設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循光子晶體的晶格取向，這就使得光波的靈活性受到了影響;另一方面，該設(shè)備使用時(shí)需要廣闊的光子晶體為背景(至少要幾個(gè)晶格常數(shù))，這樣橫截面尺寸會(huì)比較大，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高度集成的光子集成電路來(lái)說(shuō)基本上是不可能克服的困難，而基于鈮酸鋰光子線的波導(dǎo)就沒(méi)有這方面的擔(dān)憂，它可以以任意形狀在較小的尺寸下實(shí)現(xiàn)相同的功能。因此，有理由相信基于鈮酸鋰光子線的光極化分裂器會(huì)有很好的應(yīng)用前景。光電子技術(shù)，尤其是激光技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了新型偏振器件的發(fā)展。光波導(dǎo)分束器要解決的問(wèn)題是將兩個(gè)模式的偏振光從不同的端口輸出。LiNbO3晶體有很好的光電效應(yīng)、雙折射、非線性光學(xué)特性、聲光效應(yīng)、光折變效應(yīng)等特性，機(jī)械性能十分穩(wěn)定、耐高溫、抗腐蝕，易于加工且成本低。在實(shí)施參雜后能呈現(xiàn)出各種各樣的特性［1-5］。所以，在集成光器件已經(jīng)實(shí)用化的今天，以LiNbO3材料為襯底的集成光器件的發(fā)展處于領(lǐng)先的地位［6-10］。本文中采用基于有限元的商用軟件對(duì)基于鈮酸鋰光子線的極化分裂器進(jìn)行了建模設(shè)計(jì)和仿真。

1 模型設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的相似極化分裂器結(jié)構(gòu)多以兩根平行直波導(dǎo)或帶彎曲S波導(dǎo)組成［11-12］，而作者提出了由3根平行波導(dǎo)組成的極化分裂器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其相互之間的耦合關(guān)系更加復(fù)雜，卻縮短了器件總長(zhǎng)度，由于省去了彎曲波導(dǎo)進(jìn)而縮小了橫截面積，使其結(jié)構(gòu)更緊湊。圖1中的3個(gè)小圖分別為鈮酸鋰光子線［13］極化分裂器的結(jié)構(gòu)示意圖和橫截面圖和俯視圖。它是由3根相互平行且長(zhǎng)短不一的鈮酸鋰直波導(dǎo)構(gòu)成，波導(dǎo)1分別與波導(dǎo)2和波導(dǎo)3形成兩段耦合區(qū)域。由于模式不同的光波的耦合長(zhǎng)度不同，最終它們會(huì)從不同的端口輸出，從而實(shí)現(xiàn)TE和TM波分裂的功能。

Fig.1 Architecture of a polarization splitter

其中，該極化分裂器的工作波長(zhǎng)為1.55μm，鈮酸鋰波導(dǎo)在不同的光波模式下折射率不一樣的，其在TE和TM模式光波下折射率分別為n0=2.2112，ne=2.1381，二氧化硅緩沖層的折射率為nSiO2=1.44，兩個(gè)相互平行的鈮酸鋰光波導(dǎo)的高度為h=0.73μm，寬度為W0=0.5μm，如此選擇可以確保實(shí)現(xiàn)單模傳輸［14］，z切鈮酸鋰襯底的厚度為1μm，二氧化硅緩沖層的厚度為1.3μm，鈮酸鋰襯底和二氧化硅緩沖層的寬度均為3μm。

2 仿真結(jié)果和討論

利用COMSOL Multiphysics軟件優(yōu)化后，得出其波導(dǎo)芯層中心截面上的電場(chǎng)模分布如圖2所示，并且此時(shí)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參量為:上面的耦合區(qū)域的長(zhǎng)度L=28μm，下面的耦合區(qū)域的長(zhǎng)度L2=13μm，器件的總長(zhǎng)度L0=35μm，波導(dǎo)間距D1=0.2μm 和D2=0.38μm，輸出端的直波導(dǎo)長(zhǎng)度L1=5μm，輸出端口的軸間距W=1.58μm。光波首先會(huì)通過(guò)由兩根平行波導(dǎo)形成的第1段耦合區(qū)域(L－L2)，再通過(guò)第2段耦合區(qū)域L2，而第2段耦合區(qū)域是由3根平行波導(dǎo)形成的。

Fig.2 a—electric field distribution of center section of waveguide core with TE wave passing through b—electric field distribution of center section of waveguide core with TM wave passing through

圖2表明，對(duì)于TE波，在經(jīng)過(guò)第1段耦合區(qū)域時(shí)，大部分光功率都已經(jīng)耦合到波導(dǎo)2中，于是波導(dǎo)3對(duì)光功率并沒(méi)有太大的影響，光功率幾乎都從波導(dǎo)2的端口輸出，仿真結(jié)果表明透射率達(dá)到83%;而對(duì)于TM波，經(jīng)過(guò)第1段耦合區(qū)域之后，光能量幾乎全部耦合至波導(dǎo)2，然后又耦合回到波導(dǎo)1中，最后由波導(dǎo)1耦合至波導(dǎo)3，最終光功率由波導(dǎo)3的端口輸出，仿真結(jié)果表明透射率達(dá)到85%。

本結(jié)構(gòu)的極化分裂器在兩種模式光波的帶寬、透射率隨耦合區(qū)域長(zhǎng)度L2與L的變化曲線以及透射率隨制作工藝產(chǎn)生的波導(dǎo)寬度的變化曲線分別如圖3、圖4和圖5所示。

Fig.3 Relationship of transmittance and wavelength

從圖3中可以看出，對(duì)于TE光波，透射率大于80%的帶寬為30nm，而對(duì)于TM光波，透射率大于80%的帶寬為40nm;從圖4中可以看出，當(dāng)TM和TE的透射率達(dá)到最大值時(shí)其耦合長(zhǎng)度分別對(duì)應(yīng)圖2中的L2與L，當(dāng)耦合區(qū)域的長(zhǎng)度L2在小范圍內(nèi)變化時(shí)TM波透射率急劇變化，所以對(duì)工藝要求較高，從圖中分析得出，L2在12.2μm到13.5um 之間變化時(shí)，透射率能保證在最大透射率的50%以上;從圖5中看出，如果制作工藝引起波導(dǎo)寬度的減小，器件的工作性能也會(huì)隨之下降［15］。

Fig.4 Relationship between the transmittance and the coupling length

Fig.5 Relationship between the transmittance and the waveguide width

3 結(jié)論

用LiNbO3矩形波導(dǎo)設(shè)計(jì)的極化分裂器比光子晶體更易制作，更易實(shí)現(xiàn)光集成。具有能量通過(guò)率高，帶寬大的特點(diǎn)。本文中設(shè)計(jì)了基于鈮酸鋰光子線的極化分裂器，并且利用COMSOL Multiphysics對(duì)其進(jìn)行了仿真，最后給出了每種單模光波的帶寬、透射率與耦合區(qū)域長(zhǎng)度的關(guān)系曲線以及透射率隨制作工藝產(chǎn)生的波導(dǎo)寬度的變化曲線。其結(jié)構(gòu)緊湊，有一定的可行性和工程應(yīng)用性。

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