一种偏振分束旋转器及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光通讯技术领域，特别是涉及一种偏振分束旋转器及其设计方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着宽带接入网的迅速发展，宽带化成为接入网发展的最显著特征。视频点播、网络电视(IPTV)和网络游戏等高带宽业务逐渐被电信运营商和广电运营商视为新的业务增长点，用户对接入带宽的要求不断增张，因此，以现有的非对称数字用户环路(ADSL)为主的宽带接入方式已经很难满足用户对高带宽、双向传输能力以及安全性等方面的要求。面对这一困境，各国电信运营商把关注的目光投向了光纤到户(FTTH，Fiber ToThe Home)技术。光纤到户技术能够满足数据、语音、视频等综合业务对高宽带的需求，增强了网络对数据格式、速率、波长和协议的透明性支持，同时放宽了系统对环境条件和供电等要求，从而降低了安装和使用维护的成本，是一种理想的接入模式。
[0003]单纤三向复用器是光纤到户(FTTH)系统中最为关键的器件之一，如图1所示，单纤三向复用器将光系统中三个波段的光信号复用/解复用到一路信号中去，其中1310nm波段的光信号用于将用户信息上载到数据中心，1490nm波段的光信号用于将普通信息下载到用户终端，1550nm波段的光信号用于将视频信息下载到用户终端。
[0004]目前，各种类型的单纤三向复用器已经在SOI平台中被设计出来，但这些单纤三向复用器大多是具有偏振相关性的，只能工作在一种模式下(一般为横电波零阶模式TE。)。单纤三向复用器的复用端与单模光纤进行光耦合，而单模光纤中的光信号具有随机的偏振态，因此光耦合的过程中就有两个困难需要解决，分别是偏振敏感性和大带宽耦合。为了解决这两个困难，研究人员设计出双波段偏振分束二维光栅耦合器和双波段偏振分束旋转器，但这两个器件都只能工作在1310nm波段、1490nm波段以及1550nm波段中的两个波段，且均是波长和工艺偏差敏感的，这些因素导致它们不能真正的应用于实际的光纤到户系统中去，即使应用到光纤到户系统中，其产生的效果也无法满足实际使用要求。
[0005]因此，如何解决单纤三向复用器的偏振敏感性和大带宽耦合问题、提高单纤三向复用器的实用性，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种偏振分束旋转器及其设计方法，用于解决现有技术中光纤到户系统中单纤三向复用器的偏振敏感性和大带宽耦合的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种偏振分束旋转器，所述偏振分束旋转器至少包括:串联的双层梯形模式转换器以及反向锥形耦合器；其中，
[0008]所述双层梯形模式转换器包括串联的第一梯形波导及第二梯形波导，所述第一梯形波导将横磁波零阶模式转化为横电波一阶模式、将横电波零阶模式直接输出，所述第二梯形波导连接于所述第一梯形波导及所述反向锥形耦合器之间，防止横电波一阶模式转化回横磁波零阶模式；
[0009]所述反向锥形耦合器包括于串联于所述第二梯形波导的第三梯形波导以及平行设置于所述第三梯形波导同一平面的第四梯形波导，所述第三梯形波导将所述双层梯形模式转换器输出的横电波零阶模式直接输出，所述第三梯形波导及所述第四梯形波导将横电波一阶模式耦合转化为横电波零阶模式后由所述第四梯形波导输出。
[0010]优选地，所述第一梯形波导包括中间凸起的第一脊形区和两侧下凹的第一平板区，所述第一脊形区和所述第一平板区的输入端宽度相等，且所述第一脊形区和所述第一平板区的宽度沿入射光的传输方向逐渐增大；所述第二梯形波导包括中间凸起的第二脊形区和两侧下凹的第二平板区，所述第二脊形区的宽度沿入射光的传输方向逐渐增大，所述第二平板区的宽度沿入射光的传输方向逐渐减小，且所述第二脊形区和所述第二平板区的输出端宽度相等。
[0011]优选地，所述第三梯形波导与所述第四梯形波导为矩形波导；所述第三梯形波导的宽度沿入射光的传输方向逐渐减小；所述第四梯形波导的宽度沿入射光的传输方向逐渐增大，且所述第三梯形波导的宽度大于所述第四梯形波导的宽度。
[0012]优选地，所述第三梯形波导和所述第四梯形波导的输出端分别连接一输出波导，两段输出波导之间的距离沿入射光的传输方向逐渐增大，以避免串扰。
[0013]优选地，所述第四梯形波导的输入端还连接一圆弧波导，用于消除由于波导不连续引起的模式耦合损耗和辐射损耗。
[0014]更优选地，所述偏振分束旋转器制备于绝缘体上硅平台，且所述偏振分束旋转器上覆盖有包层。
[0015]更优选地，所述偏振分束旋转器适用于1310nm波段?1550nm波段。
[0016]为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种上述偏振分束旋转器的设计方法，所述偏振分束旋转器的设计方法至少包括:
[0017]选定所述第一梯形波导和所述第二梯形波导的输入端和输出端的宽度，在宽度确定的情况下，根据波导长度与模式转换效率的关系，确定所述第一梯形波导和所述第二梯形波导的长度；
[0018]选定所述第三梯形波导和所述第四梯形波导的输入端和输出端的宽度，在宽度确定的情况下，根据波导长度与模式耦合转化损耗的关系，确定所述反向锥形耦合器的长度。
[0019]优选地，选定所述第一梯形波导和所述第二梯形波导的输入端和输出端的宽度的具体步骤包括:
[0020]分析并计算脊形波导在1310nm波长和1550nm波长下的波导宽度与有效折射率的关系图；
[0021]从波导宽度与有效折射率的关系图上找到横磁波零阶模式与横电波一阶模式的模式混合区域，并将覆盖所述模式混合区域的波导宽度设定为所述第一梯形波导的输入端和输出端的宽度；
[0022]从波导宽度与有效折射率的关系图上根据横磁波零阶模式与横电波一阶模式的有效折射率差，找到避免横电波一阶模式转化回横磁波零阶模式所对应的所述第二梯形波导的输出端的宽度范围，同时考虑所述第二梯形波导的输出端的宽度与波导长度的关系，确定所述第二梯形波导的输出端的宽度。
[0023]优选地，确定所述第一梯形波导和所述第二梯形波导的长度的具体步骤包括:
[0024]在所述第一梯形波导及所述第二梯形波导的宽度确定的情况下，计算1310nm波长和1550nm波长下模式转换效率随所述第一梯形波导和所述第二梯形波导的长度变化的曲线，选定1310nm波长和1550nm波长的模式转换效率均大于98%所对应的波导长度为所述第一梯形波导和所述第二梯形波导的长度。
[0025]优选地，确定所述第三梯形波导和所述第四梯形波导的输入端和输出端宽度的具体步骤包括:
[0026]分析并计算所述第三梯形波导和所述第四梯形波导在1310nm波长和1550nm波长下的波导宽度与有效折射率的关系图；
[0027]设定所述第三梯形波导及所述第四梯形波导的宽度差，以确保横电波一阶模式转化为横电波零阶模式后不会再转化回横电波一阶模式，将所述第三梯形波导的宽度与有效折射率的关系曲线和所述第四梯形波导的宽度与有效折射率的关系曲线合并，使得所述第三梯形波导中横电波一阶模式和所述第四梯形波导中横电波零阶模式的有效折射率产生交叉点，满足相匹配条件，并将覆盖所述交叉点的波导宽度设定为所述第三梯形波导和所述第四梯形波导的输入端和输出端的宽度。
[0028]更优选地，所述相匹配条件为:
[0029]NeffTE0= Neff TE1,
[0030]其中，NeffTE。为所述第四梯形波导中横电波零阶模式的有效折射率，Neff TE1为所述第三梯形波导中横电波一阶模式的有效折射率。
[0031]优选地，确定所述反向锥形耦合器的长度的具体步骤包括:
[0032]在所述第一梯形波导及所述第二梯形波导的宽度确定的情况下，计算1310nm波长和1550nm波长下横电波一阶模式到横电波零阶模式的模式转换损耗随所述反向锥形耦合器长度变化的曲线；在模式转换损耗小于0.1dB的条件下，设定所述反向锥形耦合器的长度。
[0033]如上所述，本发明的偏振分束旋转器及其设计方法，具有以下有益效果:
[0034]本发明的偏振分束旋转器及其设计方法通过串联的双层梯形模式转换器和反向锥形耦合器，将横磁波零阶模式转化为横电波一阶模式，再将横电波一阶模式耦合转化为横电波零阶模式，同时通过参数优化实现大工作带宽，高转换效率、高制作容差等特性；在连接到耦合器和单纤三向复用器之间后，可实现1310nm波段?1550nm波段的光信号传输，提高单纤三向复用器的实用性。
[0035]本发明的偏振分束旋转器及其设计方法简单，与标准硅光子加工工艺过程兼容，只需两步光刻和刻蚀就可实现，因此制作简单，具有较大的实用价值和应用前景。
【附图说明】
[0036]图1显示为现有技术中的光纤到户系统原理示意图。
[0037]图2显示为本发明的光波导结构示意图。
[0038]图3显示为本发明的偏振分束旋转器的俯视结构示意图。
[0039]图4显示为脊形波导的横截面示意图。
[0040]图5显示为矩形波导的横截面示意图。
[0041]图6显示为本发明的偏振分束旋转器的设计方法流程示意图。
[0042]图7显示为横磁波零阶模式TM。、横电波零阶模式TE。、横电波一阶模式TE1的有效折射率随脊形波导宽度变化的曲线。
[0043]图8显示为横电波零阶模式TE。在1310nm波长入射脊形波导时的模式传输场图。
[0044]图9显示为横磁波零阶模式TM。在1310nm波长入射脊形波导时的模式传输场图。
[0045]图10显示为模式转换效率随