基于铌酸锂光子线的极化分裂器的设计和仿真

薛 赞，陈 迪，陈 明

(西安邮电大学电子工程学院，西安710121)

引 言

在当今的信息社会，光极化分裂器已经是光子集成电路中光信号重新分配的一个重要组成部分。因为光极化分裂器可以在输出端将准横磁模(quasi transverse magnetic mode，QTM)和准横电模(quasi transverse electric mode，QTE)波分开。在过去的几年里，许多专家学者们设计出了不少基于光子晶体的光极化分裂器，但是基于光子晶体的设备却有如下两个固有缺点:一方面，该设备在设计时必须遵循光子晶体的晶格取向，这就使得光波的灵活性受到了影响;另一方面，该设备使用时需要广阔的光子晶体为背景(至少要几个晶格常数)，这样横截面尺寸会比较大，这对于实现高度集成的光子集成电路来说基本上是不可能克服的困难，而基于铌酸锂光子线的波导就没有这方面的担忧，它可以以任意形状在较小的尺寸下实现相同的功能。因此，有理由相信基于铌酸锂光子线的光极化分裂器会有很好的应用前景。光电子技术，尤其是激光技术的迅速发展，促进了新型偏振器件的发展。光波导分束器要解决的问题是将两个模式的偏振光从不同的端口输出。LiNbO3晶体有很好的光电效应、双折射、非线性光学特性、声光效应、光折变效应等特性，机械性能十分稳定、耐高温、抗腐蚀，易于加工且成本低。在实施参杂后能呈现出各种各样的特性［1-5］。所以，在集成光器件已经实用化的今天，以LiNbO3材料为衬底的集成光器件的发展处于领先的地位［6-10］。本文中采用基于有限元的商用软件对基于铌酸锂光子线的极化分裂器进行了建模设计和仿真。

1 模型设计

现有的相似极化分裂器结构多以两根平行直波导或带弯曲S波导组成［11-12］，而作者提出了由3根平行波导组成的极化分裂器的设计结构，其相互之间的耦合关系更加复杂，却缩短了器件总长度，由于省去了弯曲波导进而缩小了横截面积，使其结构更紧凑。图1中的3个小图分别为铌酸锂光子线［13］极化分裂器的结构示意图和横截面图和俯视图。它是由3根相互平行且长短不一的铌酸锂直波导构成，波导1分别与波导2和波导3形成两段耦合区域。由于模式不同的光波的耦合长度不同，最终它们会从不同的端口输出，从而实现TE和TM波分裂的功能。

Fig.1 Architecture of a polarization splitter

其中，该极化分裂器的工作波长为1.55μm，铌酸锂波导在不同的光波模式下折射率不一样的，其在TE和TM模式光波下折射率分别为n0=2.2112，ne=2.1381，二氧化硅缓冲层的折射率为nSiO2=1.44，两个相互平行的铌酸锂光波导的高度为h=0.73μm，宽度为W0=0.5μm，如此选择可以确保实现单模传输［14］，z切铌酸锂衬底的厚度为1μm，二氧化硅缓冲层的厚度为1.3μm，铌酸锂衬底和二氧化硅缓冲层的宽度均为3μm。

2 仿真结果和讨论

利用COMSOL Multiphysics软件优化后，得出其波导芯层中心截面上的电场模分布如图2所示，并且此时相应的结构参量为:上面的耦合区域的长度L=28μm，下面的耦合区域的长度L2=13μm，器件的总长度L0=35μm，波导间距D1=0.2μm 和D2=0.38μm，输出端的直波导长度L1=5μm，输出端口的轴间距W=1.58μm。光波首先会通过由两根平行波导形成的第1段耦合区域(L－L2)，再通过第2段耦合区域L2，而第2段耦合区域是由3根平行波导形成的。

Fig.2 a—electric field distribution of center section of waveguide core with TE wave passing through b—electric field distribution of center section of waveguide core with TM wave passing through

图2表明，对于TE波，在经过第1段耦合区域时，大部分光功率都已经耦合到波导2中，于是波导3对光功率并没有太大的影响，光功率几乎都从波导2的端口输出，仿真结果表明透射率达到83%;而对于TM波，经过第1段耦合区域之后，光能量几乎全部耦合至波导2，然后又耦合回到波导1中，最后由波导1耦合至波导3，最终光功率由波导3的端口输出，仿真结果表明透射率达到85%。

本结构的极化分裂器在两种模式光波的带宽、透射率随耦合区域长度L2与L的变化曲线以及透射率随制作工艺产生的波导宽度的变化曲线分别如图3、图4和图5所示。

Fig.3 Relationship of transmittance and wavelength

从图3中可以看出，对于TE光波，透射率大于80%的带宽为30nm，而对于TM光波，透射率大于80%的带宽为40nm;从图4中可以看出，当TM和TE的透射率达到最大值时其耦合长度分别对应图2中的L2与L，当耦合区域的长度L2在小范围内变化时TM波透射率急剧变化，所以对工艺要求较高，从图中分析得出，L2在12.2μm到13.5um 之间变化时，透射率能保证在最大透射率的50%以上;从图5中看出，如果制作工艺引起波导宽度的减小，器件的工作性能也会随之下降［15］。

Fig.4 Relationship between the transmittance and the coupling length

Fig.5 Relationship between the transmittance and the waveguide width

3 结论

用LiNbO3矩形波导设计的极化分裂器比光子晶体更易制作，更易实现光集成。具有能量通过率高，带宽大的特点。本文中设计了基于铌酸锂光子线的极化分裂器，并且利用COMSOL Multiphysics对其进行了仿真，最后给出了每种单模光波的带宽、透射率与耦合区域长度的关系曲线以及透射率随制作工艺产生的波导宽度的变化曲线。其结构紧凑，有一定的可行性和工程应用性。

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