級聯(lián)MMI結(jié)構(gòu)的可調(diào)控偏振分束器設(shè)計與分析

王亞新 唐雄貴

摘 要：可調(diào)控偏振分束器是一種新型光波導(dǎo)功能器件，對于提升集成光子系統(tǒng)性能或發(fā)展新應(yīng)用有重要作用。采用多模干涉光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用液晶NLC（SLC077015-000）的各向異性和大雙折射特性，提出了一種新型可調(diào)控偏振分束器。采用光束傳輸方法，對可調(diào)控偏振分數(shù)器的光學(xué)性能進行了仿真分析。結(jié)果表明：該偏振分束器通過調(diào)控液晶晶軸的取向，不僅可以動態(tài)調(diào)控TE模和TM模的輸出端口，而且其消光比大于28.7dB，光損耗小于0.024dB。并且該器件結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計與制作，易于與其它光子器件進行集成，在集成光子系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：多模干涉；可調(diào)控；偏振分束器；液晶NLC

1 引言

偏振分束器是一種重要的光學(xué)功能器件，且在多種光學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)偏振分束器采用棱鏡結(jié)構(gòu)[1-2]，屬于體光學(xué)器件。雖然偏振分離在這種光學(xué)系統(tǒng)中易于實現(xiàn)，但其存在體積大、質(zhì)量重等缺點。這種傳統(tǒng)器件可應(yīng)用于自由空間傳輸系統(tǒng)，但其不能在集成光子系統(tǒng)中應(yīng)用。基于此，人們提出了多種波導(dǎo)型偏振分離方案，但是這些器件通常屬于靜態(tài)型器件，其偏振輸出不能在線動態(tài)調(diào)控，這使得其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍受到諸多限制，無法滿足未來集成光子系統(tǒng)的需要。針對上述器件所存在的問題，人們積極探索新結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)可調(diào)控偏振分離，積極發(fā)展新應(yīng)用。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

通常，根據(jù)器件制作材料的來源分為無機波導(dǎo)、有機波導(dǎo)、混合型波導(dǎo)。為便于器件設(shè)計與制作，這里采用混合型波導(dǎo)。其器件的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中圖1（a）為器件的俯視圖，圖1（b）橫截面圖。在圖1（a）中，器件由輸入直波導(dǎo)、多模波導(dǎo)和輸出直波導(dǎo)三部分組成，其中多模區(qū)波導(dǎo)為級聯(lián)結(jié)構(gòu)，長度分別為 和 ，寬度分別為 和 ，輸入直波導(dǎo)和輸出直波導(dǎo)的寬度均為 。器件橫截面為條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，橫截面圖如圖1（b）所示由下包層、芯層和上包層構(gòu)成，下包層、芯層的折射率分別為 、 ，圖中藍色所示部分是上包層，其材料為液晶，具有正雙折射特性。芯層的脊高為 ，脊的寬度為 。在圖1（b）中，當電極間的電壓為0時，液晶光軸初始取向與基板平行；但當上下電極之間施加飽和電壓為U0時，由于電光效應(yīng)其光軸取向從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)。

通常，在多模干涉型波導(dǎo)中存在自成像效應(yīng)，即在傳播方向上會周期性地產(chǎn)生自身像，這是由多模區(qū)不同模場在傳播過程中互相干涉形成。其周期性成像距離為[3]：

3模擬與分析

在所設(shè)計的器件中，波導(dǎo)芯層為有機聚合物材料IPC-E（25wt.%），其折射率為1.672；波導(dǎo)下包層和上包層材料分別為SiO2和NLC（SLC077015-000）向列液晶，其中SiO2材料的折射率為1.455，液晶NLC材料，其尋常光和非常光所對應(yīng)的折射率分別為1.472和1.55。條形波導(dǎo)的脊高和寬度分別為1.7μm和3μm，其中多模區(qū)波導(dǎo)長度L1和L2分別為732μm和289μm，寬度W1和W2分別為為12μm和7μm，光信號波長為1.55μm。這里，采用光束傳播法（BPM-3D）對所提出的波導(dǎo)型可調(diào)控偏振分束器的光學(xué)性能進行仿真模擬。當兩端電極不施加控制電壓時，液晶NLC的晶軸取向沿水平方向。經(jīng)計算得出，TE波和TM波的消光比分別高達28.7dB和29dB，光損耗分別僅為0.024dB 和0.012dB。

實際上，光源并不是單色光，通常具有幾十至上百納米的譜寬，因而需要考慮光波長變化對器件性能的影響。這里假設(shè)入射光的波長變化范圍為1.525μm～ 1.565μm。當液晶晶軸沿水平方向時，模擬結(jié)果表明，器件在較大波長變化范圍內(nèi)偏振消光比變化較小，這對于其實際應(yīng)用十分有用。

此外，由于器件在工藝制作過程中會存在一定的偏差，因而需考察工藝偏差對其光學(xué)性能影響。通常，基于MMI結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)功能器件具有結(jié)構(gòu)簡單，工藝寬容度大等優(yōu)點，這里限于論文篇幅，僅對波導(dǎo)脊高變化對偏振分離性能影響進行分析，其模擬結(jié)果表明，當波導(dǎo)脊高工藝偏差在±0.1μm范圍內(nèi)時，其光功率輸出變化很小。在目前工藝水平條件下可容易使工藝偏差控制在±0.1μm內(nèi)。

4 結(jié)論

本文采用多模干涉型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，巧妙利用液晶的各向異性特性，設(shè)計了一種偏振分離器。通過電光效應(yīng)，改變液晶光軸取向，從而實現(xiàn)偏振光輸出端口動態(tài)可調(diào)。數(shù)值模擬結(jié)果表名明，該器件能實現(xiàn)消光比大于28.7dB的偏振分離，同時光損耗小于0.024dB。該器件結(jié)構(gòu)簡單，制作簡便，易于與其它波導(dǎo)功能器件集成，實現(xiàn)新型集成光子系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]Wong G， Pilkington R， Harvey A. R， et al. Achromatization of Wollaston polarizing beam splitters[J]. Optics Letters， 2011， 36（8）： 1332-1334.

[2]Li H X， Fan J Y， Su F F， et al. Suppressing the disturbance in the transmission spectrum of Glan -Thompson-type prism polarizers[J]. Optics Letters， 2010， 8（4）： 428-430.

[3]Huang Y W， Tu Z， Yi H X， et al. Polarization beam splitter based on cascaded step-size multimode interference coupler[J]. Optical Engineering， 2013， 52（7）： 077103.