[发明专利]一种光偏振分束器

说明书

技术领域

本发明涉及一种包含多模干涉耦合器的波导型光偏振分束器，属于光器件领域。

背景技术

近年来，波导结构光电器件中，多模干涉耦合器(MMI Coupler)以其损耗低、均衡性好、结构紧凑、带宽大、制作容差大等优点越来越多地被用于集成光学回路中。已出现了许多基于MMI的功率分(合)束器、模式转换器、波分复用器、环形半导体激光器和光开关等。

自映像效应(self-image effect)是多模波导的重要特性。1973年，均匀折射率平板波导的自映像效应被首先提出，在此基础上人们研制了多模干涉耦合器。多模干涉耦合器制作工艺简单、结构紧凑及容差性好，其关键结构是能传输多个模式(一般大于三个)的多模波导。为了使光输入和输出多模波导，还必须有一些波导(一般为单模波导)放置在多模波导的起始端和终止端。具有这种结构的器件被称为N×M多模干涉耦合器，其中N和M分别为输入和输出波导数。自映像效应可以表述为：在多模波导中，输入场分布沿波导的传播方向周期性地复制出一个或多个映像的现象。实际上，由于多模波导能支持多个模式，光波在多模波导中传播时会产生很多个模式，而每个模式的传播常数不一样，所以模式与模式之间相互产生了干涉，在传播过程中相互叠加，最终效果是出现沿传播方向周期性出现了自映像。

一般来说，多模平板波导的宽度尺寸较大，可以支持多个模式，而根据多模波导的厚度尺寸是否也能支持多个模式的情况，自映像现象可分为二维与三维两种。三维自映像效应很复杂，所以一般应用中只利用二维的自映像效应，即多模波导厚度尺寸仅能支持一个模式的设计。后面的分析讨论都是基于二维自映像效应的前提下进行。

图1(a)出了多模波导结构的阶梯状折射率分布，波导宽度为W_M，波导折射率为n_r，覆盖层折射率为n_c。如图1(b)所示，多模波导的强导本征模(strongly guided eigenmodes)可表示为如下形式：

其中，v表示模式数，W_ev表示该模式的有效宽度，0≤x≤W_ev。

对高对比折射率材料波导来说，场的透过深度是非常小的，故多模波导有效宽度，在一般情况下，基本模式的有效宽度W_ev可以近似于W_e0：

其中在TE模式下σ＝0，在TM模式下σ＝1。

横向传播常数k_xv＝(v+1)π/W_ev，由色散方程，利用傍轴近似有，故传播常数可写为：

其中k₀＝2π/λ₀为真空波数，λ₀为真空波长。

定义拍长L_π为π除以最低两模式传播常数之差：

故传播常数间隔为：

设多模波导在z＝0处的输入场为Ψ(y,0)，从而在多模波导中激发各阶导模，故输入场可分解为：

其中ψ_v(x)为v阶导模分布函数，c_v为v阶模的场振幅。故在多模波导中沿光传播方向任意z处的场分布可写为各导模场的叠加：

上式可以改写为基模传播常数相关形式：

在z＝L处的场分布可以写为如下形式：

普通干涉(general interference)型MMI耦合器，输入光场位置任意，在此情况下，如果多模波导的长度为L＝p(3L_π),p＝0,1,2,...，那么此时式(1-8c)中的相位因子为1(p为偶数)或(-1)^v(p为奇数)。在p为偶数时，多模波导中所有导模的相位变化了2π，故输出场Ψ(x,L)是输入场Ψ(x,0)的直接复制；在p为基数时，奇模的相位变化为π的奇数倍，而偶模的相位变化为π的偶数倍，故奇模反相而偶模同相，由于奇模的奇对称性，故在输出场Ψ(x,L)为输入场Ψ(x,0)关于x＝0的单一对称映像，如图2所示。

针对普通干涉中多重映像的情况，定义一个特殊的长度：

其中M与N之间没有公约数。在之后的计算可以看出来，N实际上是自映像的个数，而M指第几次出现N重映像，当M＝1时波导长度最短。