偏振分束旋转器（PSR）

GMPT, 2023/09/18

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1. 简介

  偏振分束旋转器(Polarizaion splitter-rotator)是由绝热锥度、非对称定向耦合器(ADC)和多模干涉(MMI)模式滤波器组成的光子集成器件。绝热锥度可以实现在宽波导中从发射的TM0模式到TE1模式的有效模式转换，然后通过ADC耦合到窄波导的TE0模式。同时，发射的TE0模式没有直接的模式转换，因此可以通过端口的输出。MMI模式滤波器在通波端口进行级联，过滤出TE1模式的剩余功率，大大提高了PSR的消光比。

偏振分束旋转器器件结构（非等比显示）：

2. 工作原理介绍

  当偏振光通过绝热锥度波导，可以使其中的宽波导将发射的TM0模式转换到TE1模式的有效模式，然后通过ADC耦合到窄波导的TE0模式。同时，发射的TE0模式没有直接的模式转换，因此可以从直通段的端口输出。MMI模式滤波器在直通端口进行级联，过滤出TE1模式的剩余功率，提高PSR的消光比。

器件结构示意图：

3. 仿真结构介绍

  在宽度 Win 为 1μm 的直通段输入端口后，连接长度为 48μm 的绝热锥度波导（由多段 Taper 波导结构组成），再接长度 Ldc 为 8.9μm 的 ADC，ADC 的宽度 W3 为 0.75μm 和 W4 为 0.367μm，再接 MMI 滤波器结构，MMI 的长度 LMMI 为 5.2μm ，宽度 WMMI 为 1.8μm，直通段输出端口宽度 W2 为 0.7μm。弯曲段与直通段ADC间距 Wgap 为 0.12μm，弯曲段的输出端口宽度 W4 为 0.367μm。将 PSR 结构放置在 3.5μm厚的硅衬底上（硅衬底上表面即Z=0 μm）。 本仿真中的器件结构来源文献[1]，PSR的总长度为 70μm，所制作的PSR在 1547~1597nm 的宽带范围内的消光比为 20dB。

4. 仿真结果展示

  本仿真中，在 PSR 的各个端口均布置监控器，监测在不同模式激励情况下S 参数和透射谱。

• 1）将TE0模式光源作为激励从直通段输入端口注入，监测ADC输出端口为TE0模式时的场分布、S 参数和透射谱。

TE0模式激励的场分布：

TE0模式激励，Through_Port端口和Cross_Port端口输出TE0模式的S参数：

• 2）将TM0模式光源作为激励从直通段输入端口注入，监测ADC输出端口为TE1模式时的场分布、S 参数和透射谱。

TM0模式激励的场分布：

通过仿真得到不同模式激励下，输出端口的透射特性，结果如下表：

入射模式	端口	透射率
TE0	Through_Port	0.97558
TE0	Cross_Port	0.00094854
TM0	Through_Port	0.016925
TM0	Cross_Port	0.89184

TM0 输入，模式光源的偏振转换与耦合：

[1] Daoxin Dai and Hao Wu, "Realization of a compact polarization splitter-rotator on silicon," Opt. Lett. 41, 2346-2349 (2016)