基于鈮酸鋰光子線的極化分裂器的設計和仿真

薛 贊，陳 迪，陳 明

(西安郵電大學電子工程學院，西安710121)

引 言

在當今的信息社會，光極化分裂器已經是光子集成電路中光信號重新分配的一個重要組成部分。因為光極化分裂器可以在輸出端將準橫磁模(quasi transverse magnetic mode，QTM)和準橫電模(quasi transverse electric mode，QTE)波分開。在過去的幾年里，許多專家學者們設計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備卻有如下兩個固有缺點:一方面，該設備在設計時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，該設備使用時需要廣闊的光子晶體為背景(至少要幾個晶格常數)，這樣橫截面尺寸會比較大，這對于實現高度集成的光子集成電路來說基本上是不可能克服的困難，而基于鈮酸鋰光子線的波導就沒有這方面的擔憂，它可以以任意形狀在較小的尺寸下實現相同的功能。因此，有理由相信基于鈮酸鋰光子線的光極化分裂器會有很好的應用前景。光電子技術，尤其是激光技術的迅速發展，促進了新型偏振器件的發展。光波導分束器要解決的問題是將兩個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、雙折射、非線性光學特性、聲光效應、光折變效應等特性，機械性能十分穩定、耐高溫、抗腐蝕，易于加工且成本低。在實施參雜后能呈現出各種各樣的特性［1-5］。所以，在集成光器件已經實用化的今天，以LiNbO3材料為襯底的集成光器件的發展處于領先的地位［6-10］。本文中采用基于有限元的商用軟件對基于鈮酸鋰光子線的極化分裂器進行了建模設計和仿真。

1 模型設計

現有的相似極化分裂器結構多以兩根平行直波導或帶彎曲S波導組成［11-12］，而作者提出了由3根平行波導組成的極化分裂器的設計結構，其相互之間的耦合關系更加復雜，卻縮短了器件總長度，由于省去了彎曲波導進而縮小了橫截面積，使其結構更緊湊。圖1中的3個小圖分別為鈮酸鋰光子線［13］極化分裂器的結構示意圖和橫截面圖和俯視圖。它是由3根相互平行且長短不一的鈮酸鋰直波導構成，波導1分別與波導2和波導3形成兩段耦合區域。由于模式不同的光波的耦合長度不同，最終它們會從不同的端口輸出，從而實現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為1.55μm，鈮酸鋰波導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=1.44，兩個相互平行的鈮酸鋰光波導的高度為h=0.73μm，寬度為W0=0.5μm，如此選擇可以確保實現單模傳輸［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 仿真結果和討論

利用COMSOL Multiphysics軟件優化后，得出其波導芯層中心截面上的電場模分布如圖2所示，并且此時相應的結構參量為:上面的耦合區域的長度L=28μm，下面的耦合區域的長度L2=13μm，器件的總長度L0=35μm，波導間距D1=0.2μm 和D2=0.38μm，輸出端的直波導長度L1=5μm，輸出端口的軸間距W=1.58μm。光波首先會通過由兩根平行波導形成的第1段耦合區域(L－L2)，再通過第2段耦合區域L2，而第2段耦合區域是由3根平行波導形成的。

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，對于TE波，在經過第1段耦合區域時，大部分光功率都已經耦合到波導2中，于是波導3對光功率并沒有太大的影響，光功率幾乎都從波導2的端口輸出，仿真結果表明透射率達到83%;而對于TM波，經過第1段耦合區域之后，光能量幾乎全部耦合至波導2，然后又耦合回到波導1中，最后由波導1耦合至波導3，最終光功率由波導3的端口輸出，仿真結果表明透射率達到85%。

本結構的極化分裂器在兩種模式光波的帶寬、透射率隨耦合區域長度L2與L的變化曲線以及透射率隨制作工藝產生的波導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，對于TE光波，透射率大于80%的帶寬為30nm，而對于TM光波，透射率大于80%的帶寬為40nm;從圖4中可以看出，當TM和TE的透射率達到最大值時其耦合長度分別對應圖2中的L2與L，當耦合區域的長度L2在小范圍內變化時TM波透射率急劇變化，所以對工藝要求較高，從圖中分析得出，L2在12.2μm到13.5um 之間變化時，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寬度的減小，器件的工作性能也會隨之下降［15］。

Fig.4 Relationship between the transmittance and the coupling length

Fig.5 Relationship between the transmittance and the waveguide width

3 結論

用LiNbO3矩形波導設計的極化分裂器比光子晶體更易制作，更易實現光集成。具有能量通過率高，帶寬大的特點。本文中設計了基于鈮酸鋰光子線的極化分裂器，并且利用COMSOL Multiphysics對其進行了仿真，最后給出了每種單模光波的帶寬、透射率與耦合區域長度的關系曲線以及透射率隨制作工藝產生的波導寬度的變化曲線。其結構緊湊，有一定的可行性和工程應用性。

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