基于三波導定向耦合器的緊湊型偏振分束器的設計

周冬梅，王愛環，李翠然，吳小所，閆保萬

（蘭州交通大學電子與信息工程學院，蘭州730070）

0 引言

近年來，絕緣體上硅（Silicon-on-Insulator，SOI）與互補金屬氧化物（Complementary Metal-oxide Semiconductor，CMOS）工藝具有兼容和易于集成的優點，吸引了人們對實現緊湊光子集成電路的大量關注［1，2］。然而，由于SOI 波導中硅和二氧化硅之間的高折射率差經常會引入強烈的偏振依賴性，使TE 和TM模式在SOI 波導中具有不同的傳播特性［3］，可能會干擾光互連和量子通信中的光信號。為了解決這個問題，提出了偏振旋轉器（Polarization Rotator，PR）［4，5］、偏振分束器（Polarization Beam Splitter，PBS）［6，7］和偏振分束轉換器（Polarization Splitter-Rotator，PSR）［8，9］等設備。其中，PBS 分離/組合兩種正交偏振模式，避免了光通信中的模式干擾問題。

目前，報道了各種波導結構來實現片上PBS，例如定向耦合器（Directional Coupler，DC）［10，11］、多模干涉儀（Multimode Interferometer，MMI）［12，13］、馬赫-曾德干涉儀（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）［14］和亞波長光柵（Subwavelength-Grating，SWG）［15-17］結構等。在這些結構中，基于DC 的PBS 由于其優越的性能和簡單的設計而受到關注，尤其是基于非對稱DC（Asymmetrical Directional Coupler，ADC）的PBS 依賴多個不同的波導，增強TE 和TM 模式之間的折射率對比，有效地實現高消光比和小占地面積。CHEN D 等［18，19］提出了由兩個平行的SOI 條形波導組成的PBS，其結構簡單易于實現，但該器件的耦合長度較長，導致器件整體占地面積大。FENG J 等［3，20］利用狹縫波導結構ADC 減小耦合長度，通過將模式限制在不同的波導區域獲得較小的占地面積，但是該器件的消光比（Extinction Ratio，ER）不足，并且刻蝕產生的狹縫波導側壁粗糙帶來的散射損耗也會影響器件的性能。DAI D X 等［21，22］提出了基于彎曲DC 的PBS 實現了超小尺寸和高制造容差，但由于DC 中有一些不希望的殘余交叉耦合，TE 偏振的ER 還是不高。……