CN113820773B - 一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统，包括光波导、移相器和二阶光栅；所述光波导具有两个输入端口，用于输入相向传输的模式形成驻波场；所述二阶光栅刻蚀在光波导两个输入端口之间，用于衍射光波导内形成的驻波场；所述移相器位于二阶光栅与光波导一侧的输入端口之间；用于精准调控光波导内相向传输的模式的相移，进而实现二阶光栅对驻波场中不同电场分量的衍射；本发明能够产生可调谐性和灵活性强的衍射偏振光。
Description
技术领域
本发明属于集成光电子器件的技术领域，具体涉及一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统。
背景技术
随着近年来光子集成技术的发展，光子集成回路(Photonic IntegratedCircuit)的规模越来越大，且在产品设计和应用等方面日渐成熟，极大地推动了大数据、云计算、物联网、5G等信息业务的快速发展。在光子集成回路中，各种光子集成器件被特殊设计，以用于操控微纳尺度内的光场，实现各种不同的功能，典型的基本光子集成器件包括光栅、耦合器、激光器、调制器、探测器和滤波器等等。其中，光栅无论是在无源器件还是有源器件中均应用广泛，扮演着重要角色。常见的二阶光栅则被用于实现平面内波导光场的衍射，实现波导和自由空间/光纤模式之间的有效耦合。然而，由于平面波导内横电 (TE)和横磁(TM)模式之间较大折射率差，导致这两种偏振模式下的光栅周期差距较大，因此，常规的光栅均是偏振敏感的光栅，且衍射光场偏振态不可调谐。
近些年来，国内外研究团队对衍射光栅的结构和偏振特性进行了深入的研究。光栅结构的总体优化设计思路是通过对光栅结构周期和形状的设计实现双偏振模式衍射。
中国香港中文大学Xia Chen等人于2011年在Optics Letters(Vol.36，No.6)上发表论文“Polarization-independent grating couplers for silicon-on-insulatornanophotonic waveguides”，提出了一种使用亚波长结构的光栅耦合器，使得其光栅耦合器可以达到64％的峰值耦合效率。IBM公司Jeong Hwan Song等人于 2015年在OpticsLetters(Vol.40，No.17)上发表论文“Polarization-independent nonuniform gratingcouplers on silicon-on-insulator”,提出了一种具有不均匀光栅周期的光栅耦合器，使得其光栅耦合器峰值耦合效率大于20％，并且在-3dB 带宽内其偏振相关损耗小于0.5dB。多伦多大学的Jasao C.C.Mak等人于2018 年在Optics Express(Vol.26,No.28)上发表论文“Multi-layer silicon nitride-on- silicon polarization-independent gratingcouplers”，提出了一种基于优化算法设计的三层硅上氮化硅光栅耦合器，使得其光栅耦合器峰值耦合效率为-4.8dB， 1.0dB偏振相关损耗带宽超过100nm。得克萨斯大学XinYu Ma等人于2020年在OPTICS EXPRESS(Vol.28,No.11)上发表论文“Polarization-independentone- dimensional grating coupler design on hybrid silicon/LNOI platform”，提出一种基于混合硅/LNOI平台的一维光栅耦合器，使得单偏振的耦合效率可以超过 70％，偏振无关的耦合效率可以达到51％，其1.0dB偏振相关损耗带宽超过 50nm。浙江大学XiaoFeiWang等人于2021年在OPTICS LETTERS(Vol.46,No 2)上发表论文“Polarization-independent fiber-chip grating couplers optimized by the adaptive geneticalgorithm”，提出了一种采用自适应遗传算法优化设计的一维光栅耦合器，并且通过调整耦合效率和偏振相关损耗带宽之间的相对权重，使得设计一在TE模式下耦合效率为-7.6dB，在TM模式下耦合效率为-7.9dB，其1.0dB偏振相关损耗带宽为25.0nm；设计二在TE模式下耦合效率为- 7.6dB，在TM模式下耦合效率为-7.2dB，其1.0dB偏振相关损耗带宽为22.0nm。
综上所述，针对双偏振模式衍射的光栅均需特殊结构设计，以同时满足TE和TM行波场模式的衍射，但上述方案中的波导结构尺寸较大，且均不能够实现双偏振的调谐。因此，发展一种结构简单紧凑、偏振可调谐的衍射光栅结构对于光场灵活调控十分重要。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统，能够产生可调谐性和灵活性强的衍射偏振光。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统，包括光波导、移相器和二阶光栅；
所述光波导具有两个输入端口，用于输入相向传输的模式形成驻波场；
所述二阶光栅刻蚀在光波导两个输入端口之间，用于衍射光波导内形成的驻波场；
所述移相器位于二阶光栅与光波导一侧的输入端口之间；用于精准调控光波导内相向传输的模式的相移，进而实现二阶光栅对驻波场中不同电场分量的衍射。
进一步地，所述光波导为高折射率差光波导。
进一步地，所述衍射系统还包括衬底和限制层，衬底和限制层设置在光波导下方。
进一步地，所述二阶光栅通过在光波导侧壁刻蚀周期性波纹实现。
进一步地，所述周期性波纹的周期大小取决于波导内模式的有效折射率。
有益效果：
1.本发明提供了一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统，通过光波导内相向传输的模式之间的干涉形成驻波场，使不同方向的电场分量沿波导传输方向上周期性分开，为二阶光栅对不同电场分量的衍射提供了有利条件，可实现衍射光场的偏振可调谐。相比于现有技术，本发明进一步深入微纳尺度内的光场调控，充分利用了光波导中沿传输方向的电场分量。
2.本发明提供了一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统，通过引入移相器精准控制光波导内相向传输的模式之间的相移，调整驻波场中不同方向电场分量与二阶光栅的相对位置，从而通过控制二阶光栅对不同电场分量的衍射，实现衍射光场的偏振可调谐。相比于现有技术，本发明具有结构简单紧凑、可调谐性和灵活性强等优势。
附图说明
图1为本发明一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统的结构示意图。
图2为本发明一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统的俯视结构示意图。
图3(a)为实施例光波导内基本模式的模场分布图，(b)为实施例光波导内基本模式在垂直于传播方向上的分量的模场分布图，(c)为实施例光波导内基本模式在沿传播方向上的分量的模场分布图。
图4(a)为实施例用于衍射沿y方向偏振的干涉场时的驻波场分布图，
(b)为此时驻波场沿y方向偏振的电场分量，(c)为此时驻波场沿x方向偏振的电场分量。
图5(a)为实施例用于衍射沿x方向偏振的干涉场时的驻波场分布图，
(b)为此时驻波场沿y方向偏振的电场分量，(c)为此时驻波场沿x方向偏振的电场分量。
图6为实施例衍射沿x和y方向偏振的干涉场时，消光比随相移变化的仿真结果。
其中，1-衬底，2-限制层，3-高折射率差光波导，4-移相器，5-二阶光栅。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
图1为本发明一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统的结构示意图。如图1所示，一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统包括由下至上依次连接的衬底1、限制层2、高折射率差光波导3、移相器4和二阶光栅5。
高折射率差光波导3有左右两个输入端口，用于传输相向传输的模式。由于微纳尺度内高折射率差光波导的模式沿传输方向有很强且不可忽视的电场分量，相向传输的两个模式之间将干涉形成驻波场，且不同方向的电场分量在波导传输方向上分开分布。
移相器4位于所述二阶光栅与高折射率差光波导一侧的输入端口之间，可通过离子色散效应、热光效应或光学非线性效应对光波导内模式的有效折射率进行调控。改变光波导内模式的有效折射率将使相向传输的模式产生相移，通过精准调控相移量的大小，可以实现对光波导中驻波场的调节，进而实现二阶光栅对驻波场中不同电场分量的衍射。
二阶光栅5位于所述高折射率差光波导的中间，用于衍射波导内形成的驻波场。
图2展示了本发明一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统的俯视结构示意图。其中，二阶光栅5通过在波导侧壁刻蚀周期性波纹实现，其周期大小取决于波导内模式的有效折射率。
图3(a)为实施例光波导内基本模式的模场分布图，图3(b)为实施例光波导内基本模式在垂直于传播方向上的分量的模场分布图，图3(c)为实施例光波导内基本模式在沿传播方向上的分量的模场分布图。波导内的模式沿传播方向具有很强的电场分量Ex，且垂直于传播方向的电场分量Ey和Ex有固定的π/2相位差。
模式在波导内传输时，其在传播方向上的电场分量Ey可表示为：
Ey＝exp(ikx) (1)
其中k是该模式的传播常数，x表示传输距离。
假设干涉区域长度为L，当两相向传输的模式进行干涉时，波导内干涉场沿y方向偏振的电场分量可以表示为：
EI_y＝exp(ikx)-exp(ik(L-x)) (2)
当exp(ikL)＝1时，干涉区域的传输相位满足整数个2π，波导内干涉场沿y 方向偏振的电场分量可进一步简化为：
EI_y＝i*2sin(kx) (3)
由于波导内干涉场沿x方向偏振的电场分量与沿y方向偏振的电场分量之间有固定的π/2相位差，因此，波导内干涉场沿x方向偏振的电场分量可以表示为：
EI_x＝-i*exp(ikx)-i*exp(ik(L-x)) (4)
可进一步简化为：
EI_x＝-i*2cos(kx) (5)
如附图3所示，波导内干涉场沿x方向偏振的电场的分布情况是两个瓣，且具有π的相位差，因此，在干涉场中，沿x方向偏振的电场幅度均可用上式来表示，仅相位不同。对比公式3和公式5中波导内干涉场沿x和y方向偏振的电场的分布情况，可以发现，干涉场中两偏振电场周期性分布在波导传输方向，其中一个呈正弦分布，另一个则为余弦分布。因此，可以通过二阶光栅分别独立衍射干涉场沿x和y方向偏振的电场分量。
图4(a)为实施例用于衍射沿y方向偏振的干涉场时的驻波场分布图，图 4(b)为此时驻波场沿y方向偏振的电场分量，图4(c)为此时驻波场沿x方向偏振的电场分量。利用三维时域有限差分计算方法进行仿真模拟，通过精准控制波导内相向传输的模式之间的相位差，调控驻波场分布，使二阶光栅与沿 y方向偏振的电场分量的相互作用增强，与沿x方向偏振的电场分量的相互作用减弱，从而实现沿y方向偏振的光场分量的散射。
图5(a)为实施例用于衍射沿x方向偏振的干涉场时的驻波场分布图，图 5(b)为此时驻波场沿y方向偏振的电场分量，图5(c)为此时驻波场沿x方向偏振的电场分量。利用三维时域有限差分计算方法进行仿真模拟，通过精准控制波导内相向传输的模式之间的相位差，调控驻波场分布，使二阶光栅与沿 x方向偏振的电场分量的相互作用增强，与沿y方向偏振的电场分量的相互作用减弱，从而实现沿x方向偏振的光场分量的散射。
图6为实施例衍射沿x和y方向偏振的干涉场时，消光比随相移变化的仿真结果。在相移为0和π时，衍射场沿x和y方向偏振的电场分量分别达到最大，且消光比均大于12dB。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统，其特征在于，包括光波导、移相器和二阶光栅；
所述光波导具有两个输入端口，用于输入相向传输的模式形成驻波场；
所述二阶光栅刻蚀在光波导两个输入端口之间，用于衍射光波导内形成的驻波场；
所述移相器位于二阶光栅与光波导一侧的输入端口之间；用于精准调控光波导内相向传输的模式的相移，进而实现二阶光栅对驻波场中不同电场分量的衍射。
2.如权利要求1所述的一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统，其特征在于，所述光波导为高折射率差光波导。
3.如权利要求1所述的一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统，其特征在于，所述衍射系统还包括衬底和限制层，衬底和限制层设置在光波导下方。
4.如权利要求1所述的一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统，其特征在于，所述二阶光栅通过在光波导侧壁刻蚀周期性波纹实现。
5.如权利要求4所述的一种基于驻波场调控的偏振可调谐二阶光栅衍射系统，其特征在于，所述周期性波纹的周期大小取决于波导内模式的有效折射率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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