基于截面L形波导和非对称Y分支的偏振旋转与合束器

摘要

本发明公开了一种基于截面L形波导和非对称Y分支的偏振旋转与合束器，包括截面为L形的波导和分支波导高度不同的Y分支，偏振旋转与合束器通过所述L形波导和Y分支，实现偏振态的转换、合束或分束。本发明，采用分支波导高度不同的非对称Y分支，实现一个分支端口入射的TE0模与类TE1模之间的高效率转换，同时另一个分支入射的TE0模保持不变。合束后的两个模式入射到宽度变化的截面为L形的波导中，经过波导后，类TE1模转化为TE0模，而TE0模依然保持不变，从而实现了高效的偏振旋转合束功能，因此本发明具有带宽高、工艺复杂度低、集成度高、容差大、制作成本低以及成品率高等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信器件领域，具体涉及一种基于截面L形波导和非对 称Y分支的偏振旋转与合束器。

背景技术

集成化偏振旋转与合束器是光通信中偏振复用等应用的一个重要器 件。

目前使用的集成化偏振旋转与合束器可归纳为两种，第一种是级联分 离的偏振旋转器和合束器，由于多个器件级联，可能引入额外的插损，降 低工作带宽，同时增加了器件的尺寸。

第二种是单个器件同时具有偏振旋转和合束的功能，其常用结构又分 为以下两种：一是非对称定向耦合器，定向耦合器的其中一根波导为直线 形或者宽度渐变的条波导，另一根波导是部分刻蚀截面形状为L的波导或 者是亚波长光栅结构的条波导，这种结构的器件要么对定向耦合器的带隙 较为敏感以致成品率不高，要么长度很长降低了集成度，或者需要较高的 加工精度最终导致制作成本较高；二是T型脊波导连接宽度非对称定向耦 合器或者非对称Y分支，宽度非对称定向耦合器对带隙也较为敏感，所以 成品率也不高，而对于和倒T形连接的非对称Y分支，由于两个分支波导 的高度相同，需要同时光刻和刻蚀，所以很难将开始分支处的尖端写出并 刻出来，以致实际做出来的器件效率偏低。

现有的集成化偏振旋转与合束器存在损耗高、带宽低、集成度低、成 品率低以及制作成本较高等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的集成化偏振旋转与合束器存在损 耗高、带宽低、集成度低、成品率低以及制作成本较高等问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于截 面L形波导和非对称Y分支的偏振旋转与合束器，包括截面为L形的波导 和分支波导高度不同的Y分支，偏振旋转与合束器通过所述L形波导和Y 分支，实现偏振态的转换、合束或分束。

在上述方案中，所述分支波导高度不同的Y分支依次包括：

第一直波导(1)，其左端为输入或输出端；

弯曲波导(5)，其左端为输入或输出端；

所述截面为L形的波导依次包括：

第一梯形波导(2)，其左端与所述第一直波导(1)的右端连接，所述 第一直波导(1)的右端与所述第一梯形波导(2)的左端宽度相等，所述 第一梯形波导(2)为一段或多段波导；

第二梯形波导(3)，其左端与所述第一梯形波导(2)的右端连接，所 述第一梯形波导(2)的右端与所述第二梯形波导(3)的左端宽度相等， 所述第二梯形波导(3)为一段或多段波导；

第三梯形波导(4)，其左端与所述第二梯形波导(3)的右端连接，所 述第二梯形波导(3)的右端与所述第三梯形波导(4)的左端宽度相等， 所述第三梯形波导(4)为一段或多段波导；

第四梯形波导(6)，其左端与所述弯曲波导(5)的右端连接，所述弯 曲波导(5)的右端与所述第四梯形波导(6)的左端宽度相等，所述第四 梯形波导(6)为一段或多段波导；

第五梯形波导(7)，其左端与所述第四梯形波导(6)的右端连接，所 述第四梯形波导(6)的右端与所述第五梯形波导(7)的左端宽度相等， 所述第五梯形波导(7)为一段或多段波导；

第六梯形波导(8)，其左端与所述第五梯形波导(7)的右端连接，所 述第五梯形波导(7)的右端与所述第六梯形波导(8)的左端宽度相等， 所述第六梯形波导(8)为一段或多段波导；

所述基于截面L形波导和非对称Y分支的偏振旋转与合束器还包括：

第二直波导(9)，其左端与所述第六梯形波导(8)的右端连接，所述 第六梯形波导(8)的右端与所述第二直波导(9)的左端宽度相等，所述 第二直波导(9)的右端为输出或输入端。

在上述方案中，在波导的长度方向上，所述第一梯形波导(2)的左端 和所述第四梯形波导(6)的左端对齐，所述第一梯形波导(2)和第四梯 形波导(6)的长度相等，所述第二梯形波导(3)和第五梯形波导(7)的 长度相等，所述第三梯形波导(4)和第六梯形波导(8)的长度相等。

在上述方案中，在波导的高度方向上，所述弯曲波导(5)、第四梯形 波导(6)、第五梯形波导(7)、第六梯形波导(8)和第二直波导(9)的 高度均为H；所述第一直波导(1)、第一梯形波导(2)、第二梯形波导(3) 和第三梯形波导(4)的高度均为H2；刻蚀深度为台阶高度H1，且H1＝H-H2。

在上述方案中，由所述第一直波导(1)的左端入射TE₀模，在由所述 第一直波导(1)的右端和所述弯曲波导(5)的右端组成的截面为L形的 出射口出射，此时模式转换为类TE₁模，类TE₁模依次经过分别由所述第一 梯形波导(2)和第四梯形波导(6)、所述第二梯形波导(3)和第五梯形 波导(7)、所述第三梯形波导(4)和第六梯形波导(8)所组成的3段截 面为L形的波导后，转换为TM₀模并从所述第二直波导(9)的右端输出；

由所述弯曲波导(5)的左端入射TE₀模，在由所述第一直波导(1)的 右端和所述弯曲波导(5)的右端组成的截面为L形的出射口出射，此时模 式仍为TE₀模，再依次经过分别由所述第一梯形波导(2)和第四梯形波导 (6)、所述第二梯形波导(3)和第五梯形波导(7)、所述第三梯形波导(4) 和第六梯形波导(8)所组成的3段截面L形截面波导后，保持为TE₀模从 所述第二直波导(9)的右端输出。

在上述方案中，由所述第二直波导(9)的右端输入TE₀模或TM₀模，再 依次经过分别由所述第三梯形波导(4)和第六梯形波导(8)、所述第二梯 形波导(3)和第五梯形波导(7)、所述第一梯形波导(2)和第四梯形波 导(6)所组成的3段截面L形截面波导后转换为TE₀模和类TE₁模，再分别 经由所述第一直波导(1)的左端和所述弯曲波导(5)的左端组成的截面 为L形的出射口出射，并分别在所述弯曲波导(5)的左端和所述第一直波 导(1)的左端输出TE₀模。

本发明，采用分支波导高度不同的非对称Y分支，实现一个分支端口 入射的TE₀模与类TE₁模之间的高效率转换，同时另一个分支入射的TE₀模 保持不变。合束后的两个模式入射到宽度变化的截面为L形的波导中，经 过波导后，类TE₁模转化为TE₀模，而TE₀模依然保持不变，从而实现了高 效的偏振旋转合束功能，因此本发明具有带宽高、工艺复杂度低、集成度 高、容差大、制作成本低以及成品率高等特点。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为图1中沿A-A方向的俯视图；

图3为图1中沿B-B方向的仰视图；

图4为图1中沿C1-C1方向的剖视图；

图5为图1中沿C2-C2方向的剖视图；

图6为图1中沿C3-C3方向的剖视图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供的基于截面L形波导和非对称Y分支的偏振 旋转与合束器，包括截面为L形的波导和分支波导高度不同的Y分支，偏 振旋转与合束器通过所述L形波导和Y分支，实现偏振态的转换、合束或 分束。

如图2至图6所示，具体来说，分支波导高度不同的Y分支依次包括： 第一直波导1、弯曲波导5；截面为L形的波导依次包括：第一梯形波导2、 第二梯形波导3、第三梯形波导4、第四梯形波导6、第五梯形波导7、第 六梯形波导8；此外，基于截面L形波导和非对称Y分支的偏振旋转与合束 器还包括：第二直波导9，弯曲波导5为S型波导，且其弯曲角度优选为 35度，其中本实施例以第一梯形波导2、第二梯形波导3、第三梯形波导4、 第四梯形波导6、第五梯形波导7、第六梯形波导8为一段波导为例进行说 明。

第一直波导1的左端可作为输入或输出端，第一梯形波导2的左端与 第一直波导1的右端连接，第一直波导1的右端与第一梯形波导2的左端 宽度相等；第二梯形波导3的左端与第一梯形波导2的右端连接，第一梯 形波导2的右端与第二梯形波导3的左端宽度相等；第三梯形波导4的左 端与第二梯形波导3的右端连接，第二梯形波导3的右端与第三梯形波导4 的左端宽度相等。

弯曲波导5的左端可作为输入或输出端，第四梯形波导6的左端与弯 曲波导5的右端连接，弯曲波导5的右端与第四梯形波导6的左端宽度相 等；第五梯形波导7的左端与第四梯形波导6的右端连接，第四梯形波导6 的右端与第五梯形波导7的左端宽度相等；第六梯形波导8的左端与第五 梯形波导7的右端连接，第五梯形波导7的右端与第六梯形波导8的左端 宽度相等；第二直波导9的左端与第六梯形波导8的右端连接，第六梯形 波导8的右端与第二直波导9的左端宽度相等，第二直波导9的右端为输 出或输入端。

进一步优选地，在波导的长度方向上，第一梯形波导2的左端和第四 梯形波导6的左端对齐，第一梯形波导2和第四梯形波导6的长度相等， 第二梯形波导3和第五梯形波导7的长度相等，第三梯形波导4和第六梯 形波导8的长度相等。

进一步优选地，在波导的高度方向上，弯曲波导5、第四梯形波导6、 第五梯形波导7、第六梯形波导8和第二直波导9的高度均为H；第一直波 导1、第一梯形波导2、第二梯形波导3和第三梯形波导4的高度均为H2； 本实施例以刻蚀深度为台阶高度H1，且H1＝H-H2。本实施例的工作原理简 述为下：

第一直波导1和弯曲波导5构成所述分支波导高度不同的Y分支；

由第一直波导1的左端入射TE₀模，在由第一直波导1的右端和弯曲波 导5的右端组成的截面为L形的出射口出射，此时模式转换为类TE₁模，类 TE₁模依次经过分别由第一梯形波导2和第四梯形波导6、第二梯形波导3 和第五梯形波导7、第三梯形波导4和第六梯形波导8所组成的3段截面为 L形的波导后，转换为TM₀模并从第二直波导9的右端输出；

由弯曲波导5的左端入射TE₀模，在由第一直波导1的右端和弯曲波导 5的右端组成的截面为L形的出射口出射，此时模式仍为TE₀模，再依次经 过分别由第一梯形波导2和第四梯形波导6、第二梯形波导3和第五梯形波 导7、第三梯形波导4和第六梯形波导8所组成的3段截面L形截面波导后， 保持为TE₀模从第二直波导9的右端输出。

相反地，由第二直波导9的右端输入TE₀模或TM₀模，再依次经过分别 由第三梯形波导4和第六梯形波导8、第二梯形波导3和第五梯形波导7、 第一梯形波导2和第四梯形波导6所组成的3段截面L形截面波导后转换 为TE₀模和类TE₁模，再分别经由第一直波导1的左端和弯曲波导5的左端 组成的截面为L形的出射口出射，并分别在弯曲波导5的左端和第一直波 导1的左端输出TE₀模。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有 技术。

本发明，采用分支波导高度不同的非对称Y分支，实现一个分支端口 入射的TE₀模与类TE₁模之间的高效率转换，同时另一个分支入射的TE₀模 保持不变。合束后的两个模式入射到宽度变化的截面为L形的波导中，经 过波导后，类TE₁模转化为TE₀模，而TE₀模依然保持不变，从而实现了高 效的偏振旋转、合束功能，因此本发明具有带宽高、工艺复杂度低、集成 度高、容差大、制作成本低以及成品率高等特点。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示 下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本 发明的保护范围之内。