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NLC

1 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1.7μm和3μm，其中多模区波导长度L1和L2分别为732μm和289μm，宽度W1和W2分别为为12μm和7μm，光信号波长为1.55μm。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1.525μm～ 1.565μm。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±0.1μm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±0.1μm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：

[1]Wong G， Pilkington R， Harvey A. R， et al. Achromatization of Wollaston polarizing beam splitters[J]. Optics Letters， 2011， 36（8）： 1332-1334.

[2]Li H X， Fan J Y， Su F F， et al. Suppressing the disturbance in the transmission spectrum of Glan -Thompson-type prism polarizers[J]. Optics Letters， 2010， 8（4）： 428-430.

[3]Huang Y W， Tu Z， Yi H X， et al. Polarization beam splitter based on cascaded step-size multimode interference coupler[J]. Optical Engineering， 2013， 52（7）： 077103.