PSR

偏振分束旋轉器 (Polarizaion Splitter-Rotator，PSR) 是由絕熱錐度 (Adiabatic Taper)、非對稱定向耦合器 (Asymmetric Directional Coupler，ADC) 和多模干涉 (Multimode Interference，MMI) 模式濾波器組成的光子集成器件。絕熱錐度可以使在寬波導中從發射的 TM0 模式到 TE1模式的有效模式轉換，然后通過 ADC 耦合到窄波導的 TE0 模式。同時，發射的 TE0 模式沒有直接的模式轉換，因此可以通過端口的輸出。MMI 模式濾波器在直通端口進行級聯，過濾出TE1 模式的剩余功率，大大提高了 PSR 的消光比。PSR 的總長度為 70μm，所制作的 PSR 在
1547~1597nm 的寬帶范圍內的消光比為 20dB

_{Figure 1: PSR Geometric Structure in the view window}

在軟件視圖窗口中展示 PSR 的結構，如 Fig.1所示。本仿真中，PSR 的各個端口均布置監控器，監測在不同模式激勵情況下 S 參數和透射譜 T 。
1.1.1.仿真結構介紹

_{Figure 2: PSR Geometric Structure and Scene Schematic Diagram}

PSR 幾何結構和場景如 Fig.2所示，在寬度W_in 為1μm 的直通段輸入端口后，連接長度為48μm的絕熱錐度波導（由多段 Taper 波導結構組成），再接長度 L_dc為8.9μm 的 ADC，ADC的寬度 W₃為0.75μm 和 W₄為 0.367μm，再接MMI濾波器結構，MMI的長度L_MMI為5.2μm，寬度W_MMI為1.8μm，直通段輸出端口寬度W₂ 為0.7μm。彎曲段與直通段 ADC 間距 W_gap為0.12μm，彎曲段的輸出端口寬度 W₄ 為 0.367μm。將PSR結構放置在 3.5μm厚的硅襯底上（硅襯底上表面 Z=0μm）
1.1.2. 工作原理介紹
當偏振光通過絕熱錐度波導，可以使其中的寬波導將發射的TM₀模式轉換到 T E₁模式的有效模式，然后通過ADC耦合到窄波導的TE₀模式。同時，發射的TE₀ 模式沒有直接的模式轉換，因此可以從直通段的端口輸出。MMI 模式濾波器在直通段端口進行級聯，過濾出TE₁模式的剩余功率，提高 PSR 的消光比。
1.1.3. 重點關注特性
將TE₀模式光源作為激勵從直通段輸入端口 int1 注入，監測 out2 輸出端口為 TE₀ 模式時的場分布、S 參數和透射譜 T。將 TM₀ 模式光源作為激勵從直通段輸入端口 int1 注入，監測out2 輸出端口為 TE₁ 模式時的場分布、S 參數和透射譜 T。

1.2. 結果和討論

在軟件的后處理界面中，可以查看 PSR 各端口處的模式分布，光的傳播特性，以及各端口間的 S 矩陣。

^{Figure 3: TE₀ mode at through part int1 port}

直通段入射端口 int1 的 1 階模式分布如 Fig.3所示。模式電場模主要集中在波導中心，且呈對稱分布。由 TE 極化比例、波導 TE/TM 比例可以判斷該模式是準 TE 模式。同時可以看到當前模式的波長和對應的有效折射率。

_{^{Figure 4: TE}0^{mode at through part out2 port}}

直通段出射端口 out2 處的 1 階模式分布如 Fig.4所示。模式電場模主要集中在波導中心，且呈對稱分布。由 TE 極化比例、波導 TE/TM 比例可以判斷該模式是準 TE 模式。同時可以看到當前模式的波長和對應的有效折射率

_{^{Figure 5: TE}0^{mode through part field profile at Z=0.11μ}}

在直通段入射端口 int1 處，以 TE₀ 模式作為激勵源，查看在直通段 int1-out2 傳播時的場分布，如 Fig.8所示。傳播的場分布沿 X 方向形式不變，TE₀ 模式在傳播中沒有發生了模式轉換，因此，在直通段光可以 TE₀ 單模式進行傳播

_{^{Figure 6: T M}0^{mode at through part int1 port}}

直通段入射端口 int1 的 2 階模式分布如 Fig.6所示。模式電場模主要集中在波導上下邊緣。由 TE 極化比例、波導 TE/TM 比例可以判斷該模式是準 TM 模式。同時可以看到當前模式的波長和對應的有效折射率。

_{^{Figure 7: T E}1^{mode at through part out2 port}}

直通段入射端口 int1 的 2 階模式分布如 Fig.7所示。模式電場模對稱分布，模式分布與 1 階模 Fig.4有明顯區別。由 TE 極化比例、波導 TE/TM 比例可以判斷該模式是準 TE 模式。同時可以看到當前模式的波長和對應的有效折射率。

^{Figure 8: T M₀ to TE₁ mode through part field profile at Z=0.11μm}

在直通段入射端口 int1 處，以 TM₀ 模式作為激勵源，查看在直通段 int1-out2 傳播時的場分布，如 Fig.8所示。傳播的場分布有明顯變化，這就是 TM₀ 模式在直通段 Adiabatic Taper 中發生了模式轉換，由 TM₀ 模式轉換為 TE₁ 模式的過程

_{Figure 9: Mode Expension Coefficients – Forward}

根據模式展開理論，可以將光場展開成一組向前傳播的場和向后傳播的場，Fig.9為場的前向傳播波的復傳輸系數的實部。

_{Figure 10: User S Matrix with int1-out2 port}

為了解直通段光場傳播的透射和反射特性，可以查看 int1-out2 端口的 S 矩陣，如 Fig.10所示。

_{Figure 11: Bend part field profile part at Z=0.11μm}

對于彎曲波導段的傳播特性，可以查看彎曲波導段的場分布，如 Fig.11所示，光在彎曲波導中的傳播分布使用了 CVCS (Continuously Varying Cross Section) 方法后，對彎曲波導的傳播特性得到了很好的優化

_{Figure 12: User S Matrix with two port of bend part}

彎曲波導段的 S 參數如 Fig.12所示，其中 1-4 分別代表彎曲波導的左端口的模式 1 和模式2，右端口的模式 1 和模式 2，可以通過矩陣圖 S ? internal 和 S ? use 了解光在彎曲波導段傳播的透射和反射特性。以 S₃1(左端口模式 1 作為輸入，右端口模式 1 作為輸出的 S 參數) 為例，S₃1 的值是 1 左右，說明光從彎曲波導左端口入射，從右端口基本全部透射出去，沒有能量損失