级联MMI结构的可调控偏振分束器设计与分析.docx

级联MMI结构的可调控偏振分束器设计与分析 王亚新 唐雄贵摘 要：可调控偏振分束器是一种新型光波导功能器件，对于提升集成光子系统性能或发展新应用有重要作用。采用多模干涉光波导结构，利用液晶NLC（SLC077015-000）的各向异性和大双折射特性，提出了一种新型可调控偏振分束器。采用光束传输方法，对可调控偏振分数器的光学性能进行了仿真分析。结果表明：该偏振分束器通过调控液晶晶轴的取向，不仅可以动态调控TE模和TM模的输出端口，而且其消光比大于28.7dB，光损耗小于0.024dB。并且该器件结构简单，易于设计与制作，易于与其它光子器件进行集成，在集成光子系统中有着广阔的应用前景。关键词：多模干涉；可调控；偏振分束器；液晶NLC1 引言偏振分束器是一种重要的光学功能器件，且在多种光学领域有着广泛的应用。传统偏振分束器采用棱镜结构1-2，属于体光学器件。虽然偏振分离在这种光学系统中易于实现，但其存在体积大、质量重等缺点。这种传统器件可应用于自由空间传输系统，但其不能在集成光子系统中应用。基于此，人们提出了多种波导型偏振分离方案，但是这些器件通常属于静态型器件，其偏振输出不能在线动态调控，这使得其应用领域和范围受到诸多限制，无法满足未来集成光子系统的需要。针对上述器件所存在的问题，人们积极探索新结构来实现可调控偏振分离，积极发展新应用。2结构设计与工作原理通常，根据器件制作材料的来源分为无机波导、有机波导、混合型波导。为便于器件设计与制作，这里采用混合型波导。其器件的原理结构如图1所示，其中图1（a）为器件的俯视图，图1（b）横截面图。在图1（a）中，器件由输入直波导、多模波导和输出直波导三部分组成，其中多模区波导为级联结构，长度分别为 和 ，宽度分别为 和 ，输入直波导和输出直波导的宽度均为 。器件横截面为条形波导结构，横截面图如图1（b）所示由下包层、芯层和上包层构成，下包层、芯层的折射率分别为 、 ，图中蓝色所示部分是上包层，其材料为液晶，具有正双折射特性。芯层的脊高为 ，脊的宽度为 。在图1（b）中，当电极间的电压为0时，液晶光轴初始取向与基板平行；但当上下电极之间施加饱和电压为U0时，由于电光效应其光轴取向从水平状态旋转到垂直状态。通常，在多模干涉型波导中存在自成像效应，即在传播方向上会周期性地产生自身像，这是由多模区不同模场在传播过程中互相干涉形成。其周期性成像距离为3：3模拟与分析在所设计的器件中，波导芯层为有机聚合物材料IPC-E（25wt.%），其折射率为1.672；波导下包层和上包层材料分别为SiO2和NLC（SLC077015-000）向列液晶，其中SiO2材料的折射率为1.455，液晶NLC材料，其寻常光和非常光所对应的折射率分别为1.472和1.55。条形波导的脊高和宽度分别为1.7m和3m，其中多模区波导长度L1和L2分别为732m和289m，宽度W1和W2分别为为12m和7m，光信号波长为1.55m。这里，采用光束传播法（BPM-3D）对所提出的波导型可调控偏振分束器的光学性能进行仿真模拟。当两端电极不施加控制电压时，液晶NLC的晶轴取向沿水平方向。经计算得出，TE波和TM波的消光比分别高达28.7dB和29dB，光损耗分别仅为0.024dB 和0.012dB。实际上，光源并不是单色光，通常具有几十至上百纳米的谱宽，因而需要考虑光波长变化对器件性能的影响。这里假设入射光的波长变化范围为1.525m 1.565m。当液晶晶轴沿水平方向时，模拟结果表明，器件在较大波长变化范围内偏振消光比变化较小，这对于其实际应用十分有用。此外，由于器件在工艺制作过程中会存在一定的偏差，因而需考察工艺偏差对其光学性能影响。通常，基于MMI結构的光波导功能器件具有结构简单，工艺宽容度大等优点，这里限于论文篇幅，仅对波导脊高变化对偏振分离性能影响进行分析，其模拟结果表明，当波导脊高工艺偏差在0.1m范围内时，其光功率输出变化很小。在目前工艺水平条件下可容易使工艺偏差控制在0.1m内。4 结论本文采用多模干涉型波导结构，巧妙利用液晶的各向异性特性，设计了一种偏振分离器。通过电光效应，改变液晶光轴取向，从而实现偏振光输出端口动态可调。数值模拟结果表名明，该器件能实现消光比大于28.7dB的偏振分离，同时光损耗小于0.024dB。该器件结构简单，制作简便，易于与其它波导功能器件集成，实现新型集成光子系统。参考文献：1Wong G， Pilkington R， Harvey A. R， et al. Achromatization of Wollaston polarizing beam splittersJ. Optics Letters， 2011， 36（8）： 1332-1334.2Li H X， Fan J Y， Su F F， et al. Suppressing the disturbance in the transmission spectrum of Glan -Thompson-type prism polarizersJ. Optics Letters， 2010， 8（4）： 428-430.3Huang Y W， Tu Z， Yi H X， et al. Polarization beam splitter based on cascaded step-size multimode interference couplerJ. Optical Engineering， 2013， 52（7）： 077103.科学与财富2018年31期科学与财富的其它文章电泵井专用防喷器在辽河油田的应用电力市场改革与传统电力企业转型的研究试论汽车CAN总线技术及其检测维修经济新常态下水利系统人力资源管理未来发展走向构建虚拟现实软硬件实训平台研究电力计量装置异常的原因与监测方法分析 -全文完-