1、偏振分束器
基於絕緣體上矽（SOI）平臺，利用定向耦合器可實現緊湊且高效的偏振分束器（PBS）。本文對一種集成亞波長光柵（SWG）波導與槽型波導的偏振分束器進行了模擬[1]。該設計借助亞波長光柵波導和槽型波導的獨特特性，在小尺寸範圍內實現基於偏振的光束分離。偏振分束器的直通路徑採用亞波長光柵波導，交叉路徑採用槽型波導。亞波長光柵波導由週期性亞波長結構構成，其有效折射率可實現精細調控。在本設計中，亞波長光柵波導作為橫電（TE）偏振光的直通波導，使其傳播時與槽型波導的耦合程度極低；同時，它支持橫磁（TM）偏振光寬頻耦合至槽型波導。此外，亞波長光柵波導中的錐形過渡結構可最大限度減少其與條形波導介面處的反射，保證高效耦合。槽型波導由兩個間距緊密的矽側壁及狹窄的二氧化矽間隙組成，這種結構使 TE 偏振的電場被強烈限制在低折射率的間隙內，而 TM 偏振在槽型波導中的場分佈則與條形波導相似。亞波長光柵的尺寸經過定制，僅使 TM 偏振實現條形波導（直通路徑）與槽型波導（交叉路徑）之間的模式匹配，從而實現從直通路徑到交叉路徑的高效耦合，完成偏振選擇性的能量傳輸。
2、模擬
偏振分束器的模擬採用三維時域有限差分法（OptiFDTD），工作波長為 1550nm。在三維 OptiFDTD 中，通過有限元法（FEM）求解器進行精確的模式分析，以獲取光源注入的光模式分佈（有限元法通用求解器的設置詳見表 1）。偏振分束器的三維模型分為三個部分：輸入區、耦合區和分離區，所有區域均位於 SOI 平臺上（結構的幾何參數詳情見圖 1、圖 2 及表 2）。
圖1 OptiFDTD中偏振分束器的俯視示意圖
圖2 偏振分束器耦合區及相關尺寸示意圖（其中 N=29 為耦合區中亞波長光柵單元數量；i=1,2,…,N）
採用表 3 所述的非均勻網格，僅在波導間隙（ωg）等小特徵尺寸區域應用精細網格單元，實現計算效率的優化。
耦合區包含帶線性錐形亞波長光柵的條形波導和槽型波導；分離區包含一個 S 形彎曲結構，沿 z 軸和 x 軸的偏移量分別為2.1μm和0.9μm。
矽（Si）和二氧化矽（SiO?）的折射率分別取3.47 和1.44；邊界條件設置為 x、y、z 方向的各向異性完美匹配層（APML）；模擬區域的晶圓尺寸為：長度9μm，寬度6μm。
3、結果
採用連續波（CW）模態輸入場對TE和TM偏振進行三維模擬。TE 偏振（Ex 為主分量）和 TM 偏振（Ey 為主分量）的電場強度如圖3所示，其模式的有效折射率分別為2.58 和1.86。
圖4 輸入波導處 TE 和 TM 偏振的電場強度（主分量分別為 Ex 和 Ey）
圖5 xz 平面內 TE（上圖）和 TM（下圖）偏振的電場實部（主分量分別為 Ex 和 Ey）
TE 偏振輸入波主要沿亞波長光柵波導傳輸，與槽型波導的耦合極少（見圖 4）；相反，TM 偏振實現了向槽型波導的最大耦合（見圖 4 下圖）。這兩種狀態驗證了該設計在分離 TE 和 TM 偏振方面的有效性。
參考文獻：
1. S. Mao, C. Cheng, C. Zhao, and H. Y. Fu, “Ultra-broadband and ultra-compact polarization beam splitter based on a tapered subwavelength-grating waveguide and slot waveguide,” Opt. Exp., vol. 29, no. 18, pp. 28066-28077, Aug. 2021.
|
