1、偏振分束器
基于絕緣體上硅（SOI）平臺，利用定向耦合器可實(shí)現(xiàn)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(dǎo)與槽型波導(dǎo)的偏振分束器進(jìn)行了仿真[1]。該設(shè)計(jì)借助亞波長光柵波導(dǎo)和槽型波導(dǎo)的獨(dú)特特性，在小尺寸范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)基于偏振的光束分離。偏振分束器的直通路徑采用亞波長光柵波導(dǎo)，交叉路徑采用槽型波導(dǎo)。亞波長光柵波導(dǎo)由周期性亞波長結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其有效折射率可實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)控。在本設(shè)計(jì)中，亞波長光柵波導(dǎo)作為橫電（TE）偏振光的直通波導(dǎo)，使其傳播時(shí)與槽型波導(dǎo)的耦合程度極低；同時(shí)，它支持橫磁（TM）偏振光寬頻耦合至槽型波導(dǎo)。此外，亞波長光柵波導(dǎo)中的錐形過渡結(jié)構(gòu)可最大限度減少其與條形波導(dǎo)界面處的反射，保證高效耦合。槽型波導(dǎo)由兩個(gè)間距緊密的硅側(cè)壁及狹窄的二氧化硅間隙組成，這種結(jié)構(gòu)使 TE 偏振的電場被強(qiáng)烈限制在低折射率的間隙內(nèi)，而 TM 偏振在槽型波導(dǎo)中的場分布則與條形波導(dǎo)相似。亞波長光柵的尺寸經(jīng)過定制，僅使 TM 偏振實(shí)現(xiàn)條形波導(dǎo)（直通路徑）與槽型波導(dǎo)（交叉路徑）之間的模式匹配，從而實(shí)現(xiàn)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、仿真
偏振分束器的仿真采用三維時(shí)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(jìn)行精確的模式分析，以獲取光源注入的光模式分布（有限元法通用求解器的設(shè)置詳見表 1）。偏振分束器的三維模型分為三個(gè)部分：輸入?yún)^(qū)、耦合區(qū)和分離區(qū)，所有區(qū)域均位于 SOI 平臺上（結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)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(qū)及相關(guān)尺寸示意圖（其中 N=29 為耦合區(qū)中亞波長光柵單元數(shù)量；i=1,2,…,N）
采用表 3 所述的非均勻網(wǎng)格，僅在波導(dǎo)間隙（ωg）等小特征尺寸區(qū)域應(yīng)用精細(xì)網(wǎng)格單元，實(shí)現(xiàn)計(jì)算效率的優(yōu)化。
耦合區(qū)包含帶線性錐形亞波長光柵的條形波導(dǎo)和槽型波導(dǎo)；分離區(qū)包含一個(gè) S 形彎曲結(jié)構(gòu)，沿 z 軸和 x 軸的偏移量分別為2.1μm和0.9μm。
硅（Si）和二氧化硅（SiO₂）的折射率分別取3.47 和1.44；邊界條件設(shè)置為 x、y、z 方向的各向異性完美匹配層（APML）；仿真區(qū)域的晶圓尺寸為：長度9μm，寬度6μm。
表1.FEM求解器的設(shè)置詳情
表2.耦合區(qū)波導(dǎo)參數(shù)
表3.非均勻網(wǎng)格參數(shù)
3、結(jié)果
采用連續(xù)波（CW）模態(tài)輸入場對TE和TM偏振進(jìn)行三維仿真。TE 偏振（Ex 為主分量）和 TM 偏振（Ey 為主分量）的電場強(qiáng)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(dǎo)處 TE 和 TM 偏振的電場強(qiáng)度（主分量分別為 Ex 和 Ey）
圖5.xz 平面內(nèi) TE（上圖）和 TM（下圖）偏振的電場實(shí)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(dǎo)傳輸，與槽型波導(dǎo)的耦合極少（見圖 4）；相反，TM 偏振實(shí)現(xiàn)了向槽型波導(dǎo)的最大耦合（見圖 4 下圖）。這兩種狀態(tài)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)在分離 TE 和 TM 偏振方面的有效性。
參考文獻(xiàn)：
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.
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