[發明專利]一種偏振光耦合及分光的方法及耦合分光器件

無效

• 申請號: 201010200119.5
• 申請日: 2010-06-13
• 公開（公告）號: CN101833172A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 陶少華
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G02B27/28
• 分類號: G02B27/28;G02B6/26
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 黃美成

技術領域

本發明涉及一種偏振光耦合及分光的方法及耦合分光器件。

技術背景

近年來，隨著微電子技術和光電子技術的發展，微納光子學的應用成為實現下一代超高速及超大容量通信與計算，超高靈敏度傳感等技術的重要解決方案。由于采用了高折射率材料如硅，氮化硅等，單模光波導的截面尺寸可以縮小到微米甚至納米尺寸，因而，相較于微電子芯片，未來的微納集成光子芯片(Photonic-Integrated-Circuit)可以具有更高的集成度，更強的功能及更低的功耗。但是，由于硅材料本身結構的限制，能夠與微納集成光子芯片集成制作的硅基激光器目前還無法獲得，因此，普遍采用的解決方法是利用光纖外接激光器，通過光纖-波導耦合器為微納光子器件提供光源。但是，單模光纖的光斑尺寸一般大于12μm²，而單模硅基通道(Channel)型光波導的截面尺寸一般小于0.1μm²，兩者的尺寸相差巨大，而且，由于硅材料的折射率約為3.5，光纖芯的折射率為1.5左右，二者的折射率差別也很大，這導致光纖和波導的模場不匹配。當光纖與波導直接耦合時，只有不到1％的光會進入波導中，其耦合效率十分低下。另一方面，由于光在光纖中傳輸時的光偏振方向不固定，而微納尺寸光波導的傳導模場是穩定的，且具有強烈的偏振選擇性，如果光纖中光的偏振方向與光波導中傳導的光偏振方向互相垂直，則光纖中的光無法耦合進光波導。一般地，光纖與微納波導的直接耦合會造成不同偏振方向的偏振光耦合的不均勻性。微納波導中一般只能傳導TE(Transverse?Electric，橫電場，即電場方向與波導傳導方向垂直)或TM(Transverse?Magnetic，橫磁場，即磁場方向與波導傳導方向垂直)模。當不同幅度的TE和TM模同時在光波導中傳輸時，由于兩者傳輸的速率不同，會造成嚴重的偏振相關的損耗，色散效應和延遲效應等，導致傳輸信號失真。為了解決偏振光耦合及偏振光分光的問題，研究人員提出利用二維光柵^【1】分別耦合TE和TM模，然后讓這兩種模分別沿各自的光路傳導，或采用偏振態旋轉器將其中一種偏振光或模場(TE或TM)旋轉90度轉化成為另外一種偏振光或模場(TM或TE)，然后將偏振態相同的這兩束光匯合的方法。該種方法利用光纖與光柵結構呈近似垂直的角度耦合，并利用光柵的衍射原理實現偏振態互相垂直的偏振光分離。但是，該種方法存在耦合效率低，對入射光波波長敏感等缺點。Shoji等人提出利用單根寬度漸變的波導^【2】實現高效的光纖-波導耦合，其耦合效率達到0.8dB，但是該種耦合器結構不具有偏振分光的功能。同樣地，Cheben等人提出的利用單個亞波長光柵^【3】進行光纖-波導耦合的方法也不具有偏振分光功能。Lipson等人^【4】及Tao等人^【5】則分別提出了利用雙根寬度漸變的波導實現光纖-波導的高效耦合，但該類耦合器同樣不具備偏振分光的功能。因此，能夠高效地從單模光纖中耦合偏振態互相垂直的兩種偏振光且能將這兩種偏振光分離開來的耦合器具有實際的應用價值。

前文提到的參考文獻如下：

1.平面緊湊波導與單模光纖之間高效耦合的異面耦合型光柵耦合器，國際電子電器工程師協會會刊：量子電子學雜志，(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硅波導到單模光纖的低損耗光波模場尺寸匹配器，電子學快報(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).)