OptiFDTD应用：偏振分束器

1、偏振分束器

基于绝缘体上硅（SOI）平台，利用定向耦合器可实现紧凑且高效的偏振分束器（PBS）。本文对一种集成亚波长光栅（SWG）波导与槽型波导的偏振分束器进行了仿真[1]。该设计借助亚波长光栅波导和槽型波导的独特特性，在小尺寸范围内实现基于偏振的光束分离。偏振分束器的直通路径采用亚波长光栅波导，交叉路径采用槽型波导。亚波长光栅波导由周期性亚波长结构构成，其有效折射率可实现精细调控。在本设计中，亚波长光栅波导作为横电（TE）偏振光的直通波导，使其传播时与槽型波导的耦合程度极低；同时，它支持横磁（TM）偏振光宽频耦合至槽型波导。此外，亚波长光栅波导中的锥形过渡结构可最大限度减少其与条形波导界面处的反射，保证高效耦合。槽型波导由两个间距紧密的硅侧壁及狭窄的二氧化硅间隙组成，这种结构使 TE 偏振的电场被强烈限制在低折射率的间隙内，而 TM 偏振在槽型波导中的场分布则与条形波导相似。亚波长光栅的尺寸经过定制，仅使 TM 偏振实现条形波导（直通路径）与槽型波导（交叉路径）之间的模式匹配，从而实现从直通路径到交叉路径的高效耦合，完成偏振选择性的能量传输。

2、仿真

偏振分束器的仿真采用三维时域有限差分法（OptiFDTD），工作波长为 1550nm。在三维 OptiFDTD 中，通过有限元法（FEM）求解器进行精确的模式分析，以获取光源注入的光模式分布（有限元法通用求解器的设置详见表 1）。偏振分束器的三维模型分为三个部分：输入区、耦合区和分离区，所有区域均位于 SOI 平台上（结构的几何参数详情见图 1、图 2 及表 2）。

图1.OptiFDTD中偏振分束器的俯视示意图

图2.偏振分束器耦合区及相关尺寸示意图（其中 N=29 为耦合区中亚波长光栅单元数量；i=1,2,…,N）

采用表 3 所述的非均匀网格，仅在波导间隙（ωg）等小特征尺寸区域应用精细网格单元，实现计算效率的优化。

耦合区包含带线性锥形亚波长光栅的条形波导和槽型波导；分离区包含一个 S 形弯曲结构，沿 z 轴和 x 轴的偏移量分别为2.1μm和0.9μm。

硅（Si）和二氧化硅（SiO₂）的折射率分别取3.47 和1.44；边界条件设置为 x、y、z 方向的各向异性完美匹配层（APML）；仿真区域的晶圆尺寸为：长度9μm，宽度6μm。

表1.FEM求解器的设置详情

表2.耦合区波导参数

表3.非均匀网格参数

3、结果

采用连续波（CW）模态输入场对TE和TM偏振进行三维仿真。TE 偏振（Ex 为主分量）和 TM 偏振（Ey 为主分量）的电场强度如图3所示，其模式的有效折射率分别为2.58 和1.86。

图4.输入波导处 TE 和 TM 偏振的电场强度（主分量分别为 Ex 和 Ey）

图5.xz 平面内 TE（上图）和 TM（下图）偏振的电场实部（主分量分别为 Ex 和 Ey）

TE 偏振输入波主要沿亚波长光栅波导传输，与槽型波导的耦合极少（见图 4）；相反，TM 偏振实现了向槽型波导的最大耦合（见图 4 下图）。这两种状态验证了该设计在分离 TE 和 TM 偏振方面的有效性。

参考文献：

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.