CN112230338B - 一种基于反向双锥非对称耦合器的超宽带片上偏振分束旋转器 - Google Patents

一种基于反向双锥非对称耦合器的超宽带片上偏振分束旋转器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反向双锥非对称耦合的超宽带片上偏振分束旋转器，属于基于SOI平台的光子集成波导(PIC)领域。该偏振分束旋转器基于标准的SOI晶元结构，包括衬底(1)和位于衬底顶部的输入和输出波导；其中硅材料的输入引导波导(2)、输出引导波导(3)及输入锥形波导(4)和输出锥形波导(5)形成在偏振模耦合区域(6)的反向双锥非对称波导结构。本发明基于该反向双锥非对称波导结构，在较宽的工作波段内，两种输入偏振光TE0和TM0其***损耗均较低，偏振转换效率和串扰较优，公差分析表明该偏振分束‑旋转器在当前光纤通信从O到U波段仍具有较高的工作波长范围。

Description

一种基于反向双锥非对称耦合器的超宽带片上偏振分束旋 转器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种超宽带片上偏振分束旋转器。
背景技术
兼容CMOS(CMOS，complementary metal-oxide-semiconductor)工艺的硅 光子器件在过去数十年间受到了广泛的关注，其中基于SOI(Silicon-on-insulator) 平台的光子集成波导(PIC)在科研领域占据了主导地位。SOI材料的高折射率 对比度以及亚微米级结构导致基于SOI的PIC器件具有非常高的双折射，引起 了偏振相关损耗及偏振模色散，限制了SOI器件在光通信方向的应用。针对这 个问题目前的解决方案是设计偏振透明的光子集成回路或片上偏振分集***， 其主要由偏振分束器(PBS)、偏振旋转器(PR)和偏振分束-旋转器组成(PSR)。 当前实现PSR的原理可分为基于非对称定向耦合以及基于模式演化两种，前者 在沿光传输方向波导横截面固定不变，通过在波导中引入光学上的非对称性， 包括采用具有非对称截面的直波导、光程匹配的弯曲波导和亚波长光栅辅助结 构等，使特定两正交偏振模式间发生能量转移，在特定长度下实现偏振分束-旋 转功能。由于耦合系数会受到入射光波长、工艺误差的影响，该类PSR工作带 宽较窄，制造容差较小，由散射引入的***损耗较大。而模式演化型PSR的波 导截面在沿光传输方向是渐变的，模式混杂发生在整个耦合区间内，导致对不 同光波长和工艺误差存在一定的适应性，因此工作带宽更宽，具有较大的制造 公差和较低的***损耗而得到广泛关注。
由于制造工艺的限制，SOI波导的宽度普遍大于波导高度，TE0模式与TM0 模式之间有效折射率差较大，因此，当前模式演化型PSR一般由TM0-TE1偏振 旋转器和TE1-TE0模式转换器两部分级联组成。例如使用绝热渐变波导作为 TM0-TE1偏振旋转器，使用非对称定向耦合器(ADC)、Y分叉、多模干涉仪(MMI) 作为TE1-TE0模式转换分束器的PSR；或是以交错渐变波导(bi-level taper)作 TM0-TE1偏振旋转器，以ADC作TE1-TE0模式转换分束器。上述级联结构使 得PSR结构较为复杂，导致制造成本增加。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提出了一种基于模式演化原理反向双锥 非对称型的新型超宽带PSR，可将输入光信号TE0与TM0分开，并将TM0模 式转换为TE0模式输出,结构简单，工艺可行性高。
一种基于反向双锥非对称耦合的超宽带片上偏振分束旋转器，包括衬底和 位于衬底顶部的输入和输出波导；其中衬底为SOI结构，其特殊之处在于：
所述输入和输出波导包括输入引导波导、输出引导波导及输入锥形波导和 输出锥形波导，均由硅材料组成；所述输入引导波导、输出引导波导在偏振模 耦合区域相互平行，所述输入锥形波导和输出锥形波导位于偏振模耦合区域并 分别对应形成于输入引导波导和输出引导波导的顶部；所述输入锥形波导的锥 宽沿输入方向逐渐变窄，而输出锥形波导的锥宽沿输入方向逐渐变宽，使得TM0 模式注入时，因输入端TM0模式与cross端TE0模式的有效折射率曲线变化趋 势相反实现两模式的有效折射率在波导某一截面上相等。
进一步地，所述输入引导波导与输出引导波导之间以空气间隙为媒介隔开。
进一步地，设偏振模耦合区域的长度为Lc，输入引导波导、输出引导波导 及输入锥形波导和输出锥形波导，输入引导波导的宽度为Ws1，输出引导波导的 宽度为Ws2，输入锥形波导的锥宽为Wt1，输出锥形波导的锥宽为Wt2，则在输 入端口上Wt1与Ws1相等，沿着Z方向线性减小，经过长度Lc后，Wt1变为零； cross端口上Wt2沿着Z方向从零线性变宽，经过长度Lc后，Wt2与Ws2相等。
进一步地，所述衬底的硅层厚度Hco＝220nm，底层埋氧化物厚度为2μm。
进一步地，所述底层埋氧化物为二氧化硅。
进一步地，所述输入锥形波导和输出锥形波导分别基于输入引导波导和输 出引导波导刻蚀形成，刻蚀最大深度均为Ht。
进一步地，输入引导波导和输入锥形波导的整体高度、输出引导波导和输 出锥形波导的整体高度均为Hco。
进一步地，输入引导波导的宽度Ws1＝1μm，输出引导波导的宽度Ws2＝0.35μm， 偏振模耦合区域的长度Lc＝520μm，输入锥形波导和输出锥形波导的厚度 Ht＝0.07μm，输入引导波导与输出引导波导(3)的间隙Wg＝0.12μm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
在本发明中，基于标准的SOI晶元结构，底层埋氧化物(BOX，SiO2)， 上面是由输入和输出引导波导与基于反向双锥非对称结构的硅层构成。该结构 组成了反向双锥非对称耦合器的超宽带片上偏振分束旋转器，从而得到在500nm (1250nm-1750nm)的入射波长范围内，对于入射TE基模损耗IL<0.05dB，模 式能量从Through端口输出，同时具有非常低的串扰及非常高的偏振消光比 (PER>60dB,CT<-60dB)，对于入射TM基模，模式能量从Cross端口输出， 偏振转换效率高于95％(IL<0.2dB)同时具有高偏振消光比(PER>15dB)和低串 扰(CT<-20dB)。通过公差分析得出，当器件耦合区域参数偏离±1％时，器件 在400nm带宽内保持了较高的偏振转换效率(IL<0.4dB)，制造公差大，且结 构简单，工艺可行性高，在片上光子集成领域具有潜在的应用价值。
附图说明
图1是本发明提供的基于反向双锥非对称耦合器的超宽带片上偏振分束旋 转器的截面示意图：(a)三维视图；(b)横截面；(c)俯视图；
图2是本发明提供的一种反向双锥非对称结构特定几何参数下在波长 1250nm、1350nm、1450nm、1550nm、1650nm、1750nm时，通过比较不同锥波 导截面作用下，锥形蚀刻波导输入端口的：(a)TE0模式；(b)TM0模式的有效折 射率关系图；
图3本发明提供的一种反向双锥非对称结构特定几何参数下，在输入端输 入波长为1550nm的TM0模式和TE0模式时，波导中混合模的γx随顶部锥型区 宽度变化的曲线，以及波导耦合区不同截面下混合模的电场分布图；
图4是本发明提供的一种反向双锥非对称结构在特定几何参数下(a)Lc；(b) Ht的TM0输入时的偏振转换效率曲线；
图5中(a)-(f)分别给出了当入射光波长为1250nm、1550nm、1750nm时输 入TM0模式、TE0模式时xoz平面内的磁场分布图；
图6中的(a)是本发明提供的输入TE0模式时各端口输出TE基模与TM基 模的透射率曲线。
图6中的(b)是本发明提供的输入TM0模式时各端口输出TE基模与TM基 模的透射率曲线；
图7中的(a)-(b)是本发明提供的TM0模式入射时的波导高度变化为 ΔHco＝+10nm与ΔHco＝-10nm的各端口基模的透射率曲线。
图7中的(c)-(d)是本发明提供的输入端波导宽度误差ΔWs1＝+10nm及 ΔWs1＝-10nm时各端口基模输出透射率曲线。
图7中的(e)-(f)是本发明提供的输入端波导误差ΔWs2＝+3nm及ΔWs2＝-3nm时各端口基模输出透射率曲线。
图7(g)-(h)是本发明提供的输入端波导误差ΔHt＝+10nm及ΔHt＝-10nm时各端口基模输出透射率曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明提供的基于反向双锥非对称耦合器的超宽带片上偏振分束旋 转器的截面示意图。参见图1，该反向双锥非对称光波导包括：衬底1，衬底1 采用二氧化硅绝缘层；在衬底1的顶部设置有输入和输出波导；所述输入和输 出波导中包括：输入引导波导2、输出引导波导3及输入锥形波导4和输出锥形 波导5，在偏振模耦合区域6，输入端波导的锥宽沿Z方向逐渐变窄，而输出端 的锥宽沿Z方向逐渐变宽，即耦合区域由两条反向双锥非对称型波导组成，波 导均由材料硅构成。
需要说明的是，随着信息社会的高速发展，基于模式演化型PSR原理下的 基于一般级联结构使得PSR结构较为复杂，导致制造成本增。故而本发明提出 了一种基于模式演化原理的新型超宽带PSR，可将输入光信号TE0与TM0分开， 并将TM0模式转换为TE0模式输出的一种有效方案。偏振分束-旋转器因同时 具备分束和旋转功能而受到更多关注。它可以看作是PR和PBS的结合，在将 输入光信号分解为两个正交偏振方向分量的同时，将其中一个光束偏振方向旋 转90°，实现在分别保留两个正交偏振信号所携带信息的同时，线路中只存在一 个偏振态，避免了偏振相关色散及偏振相关损耗，因此，该器件在光子集成回路，偏分复用相干光通信，量子通信中存在广泛的应用，为未来光子器件微型 化提供便利。
在以往报道的基于SOI平台、模式演化原理的PSR器件中，其cross端波 导中TE0模式和输入端TM0模式之间难以满足相位匹配条件，需要引入TE1 模式作为过渡态辅助模式演化，导致偏振分束-旋转的过程遵循TM0—TE1—TE0 的过程。即沿光传输方向，PSR分为两段分别实现TM0—TE1的偏振旋转和TE1 —TE0的模式转换。
本发明中，提出了一种基于反向双锥非对称耦合器结构，当TM0模式注入 时，由于两波导的结构特性随着传输长度逐渐反转，输入端TM0模式与cross 端TE0模式的有效折射率曲线变化趋势相反，可以实现两模式的有效折射率在 波导某一截面上相等，形成“X”型曲线，使PSR在宽波段内达到相位匹配的 条件。当器件耦合区域结构参数偏离±1％时，器件在较宽的波段内保持了较高 的偏振转换效率(IL<0.4dB)，且结构简单，工艺可行性高。
二氧化硅衬底层在1550nm波长下二氧化硅的折射率为nSiO2＝1.445。
输入引导波导2和输出引导波导3以空气间隙为媒介隔开，两者均以硅制 成，在1550nm波长下硅的折射率为nSi＝3.455；所述输入引导波导2和输出引导 波导3之间以空气隔开。
输入锥形波导4的锥宽沿Z方向逐渐变窄，而输出锥形波导5的锥宽沿Z 方向逐渐变宽。
基于标准的SOI晶元结构中硅层厚度Hco＝220nm，底层埋氧化物(BOX， SiO2)厚度为2μm。
图中所示输入引导波导2、输出引导波导3，左侧cross端的宽度为Ws2，右 侧输入端的宽度为Ws1。
输入锥形波导4和输出锥形波导5的刻蚀深度均为Ht，波导高度为Hco，波 导耦合区长度为Lc，Wg为波导间隙，Wt2和Wt1分别为左右锥型波导的宽度。
右侧锥形波导在输入端口上Wt1与Ws1相等，沿着Z方向线性减小，经过长 度Lc后，锥宽Wt1变为零；cross端锥型区宽度Wt2变化趋势相反，沿着Z方向 从零线性变宽，经过长度Lc后，Wt2与Ws2相等。
图1所示实施例基于标准的SOI晶元结构的参数分别设置为Ws1＝1μm， Ws2＝0.35μm，Wt1，Wt2均为线性渐变结构Lc＝520μm，Ht＝0.07μm，Wg＝0.12μm。 在以上参数设置下，该超宽带片上偏振分束旋转器可实现在较宽(500nm)的工 作波段内，两种输入偏振光TE0和TM0，其***损耗均较低，偏振转换效率和 串扰较优。公差分析表明该偏振分束-旋转器在当前光纤通信从O到U波段仍具 有较高的工作波长范围。
图1为所设计的PSR的结构，整个PSR由输入和输出引导波导以及偏振模 耦合区域组成，耦合区域由两条渐变脊型波导构成，其中输入端波导的脊宽沿Z 方向逐渐变窄，而输出端的脊宽沿Z方向逐渐变宽。Ws2为左侧cross端波导的 宽度，Ws1为右侧输入端波导的宽度，波导刻蚀深度为Ht，波导高度为Hco，波 导耦合区长度为Lc，Wg为波导间隙，Wt2和Wt1分别为左右波导脊型区的宽度， 在输入端口上Wt1与Ws1相等，沿着Z方向线性减小，经过长度Lc后，脊宽Wt1变为零；cross端脊型区宽度Wt2变化趋势相反，沿着Z方向从零线性变宽，经 过长度Lc后，Wt2与Ws2相等。文中设计基于标准的SOI晶元(硅层厚度 Hco＝220nm，底层埋氧化物(BOX，SiO2)厚度为2μm)，在1550nm波长下 Si和SiO2的折射率分别为nSi＝3.455和nSiO2＝1.445。为了增大器件垂直方向的折 射率不对称，使用空气作为包层即nAir＝1。根据现有深紫外光刻工艺的精度限制， 在两条波导之间的间隙宽度被确定为Wg＝120nm。
图2为所选波长下均存在一个波导耦合区截面使两模式间有效折射率相等， 满足能量完全耦合的条件，推测出在1250nm-1750nm波长范围内的入射TM0 模式都遵循这个规律。在TE0模式注入时，由于through端波导的宽高比相对较 大，顶层taper宽度变化对波导中TE0模式的有效折射率的影响不大，导致输入 TE0模式与cross端波导中存在的模式有效折射率之差较大。这一点可进一步由 图2中的(b)解释。图中输入端TE0模式有效折射率与cross端波导TE0模式 有效折射率没有交点，两模式间的折射率差最小值为0.23，位于1250nm模式输 入时的耦合区末端，此时已无法发生耦合，故两模式之间具有明显的相位失配， 能量被限制在through波导中，达到了偏振分束-旋转的效果。
图3表示的是分别在输入端输入波长为1550nm的TM0模式和TE0模式时， 波导中混合模的γx随顶部脊型区宽度变化的曲线，以及波导耦合区不同截面下 混合模的电场分布。从图中可以看出，当输入端注入TE0模式时，γx随波导结 构的变化几乎不变，而输入TM0时，γx在整个区域内完成了从γx＜5％到γx＞95％ 的变化，综合γx和电场分布来分析，输入端TM0模式会在整个区间内向cross 波导上的TE0模式转移。并且在耦合区域一截面上γx＝50％，这代表着模式完全 杂化，通过选择合适的耦合长度Lc可以达到高效地完成偏振态旋转。
图4使用模式扩展的方法(eigenmode expansion，EME)计算波导中的光传 播特性，对输入TM0模式转换为Cross端口TE0模式的情况，计算了随耦合长 度Lc和入射光波长λ变化的偏振转换效率。图4中的(a)给出了在此条件下分析 了偏振转换效率随脊型区刻蚀深度Lc及入射光波长λ的变化。从中可以看出随 着Lc的增长该PSR工作波段从长波长向短波长移动，为尽可能提高 1250nm-1750nm间输入TM0模式的转换效率，此处选择Lc＝520μm，虽然增长 Lc可以进一步向短波长拓展工作带宽，但是会降低在1500nm-1700nm波长内工 作的性能。同理，图4中的(b)给出了在此条件下分析了偏振转换效率随脊型区 刻蚀深度Ht及入射光波长λ的变化。其表明器件的taper刻蚀深度在70nm± 10nm时对于转换效率的影响较小，超出后对性能影响较为严重，因此选择taper 刻蚀深度Ht＝70nm，由此得到定义该PSR所有结构参数：Ws1＝1μm，Ws2＝0.35μm， Wt1，Wt2均为线性渐变结构Lc＝520μm，Ht＝0.07μm，Wg＝0.12μm。
图5中的(a)-(f)分别给出了当入射光波长为1250nm、1550nm、1750nm时 输入TM0模式、TE0模式时xoz平面内的磁场分布，可以观察到输入TM0模式 的大部分能量被转移到cross端，cross端磁场分布位置在不同波长下有差异，对 应FDE分析中不同波长下演化模式将发生在波导的不同截面上；另一方面对于 注入TE0模式，没有观察到波导间能量转移，最终在through端输出TE0模式。 即器件在工作带宽内实现了偏振分束旋转的功能。
图6中的(a)给出了输入TE0模式时各端口输出TE基模与TM基模的透射 率曲线，在1200nm-1800nm波段内***损耗小于0.05dB，串扰低于-60dB，偏 振消光比高于60dB。由于TE0模式在Through端未发生模式转换，因此损耗很 低。输入TM0模式的情况绘制在图6中的(b)中，可见大部分能量被耦合到 cross端TE0模式上，在1250nm处偏振消光比达到15dB并在1250nm-1750nm 内保持高于15db，该段内***损耗低于0.2dB，串扰低于-30dB，在设计波长范 围内表现出良好的性能。
现代DUV光刻工艺普遍可以达到片内线宽平整度优于0.6nm，片上线宽平 整度优于2.6nm，200mm SOI晶元内部非均匀性小于1％，由此选择宽度方向公 差最大值为宽度的1％，高度方向公差最大为10nm。
图7中的(a)-(b)给出了TM0模式入射时的波导高度误差变化为ΔHco＝+10nm 与ΔHco＝-10nm的各端口基模的归一化能量，得到这两种情况下针对TM0模式偏 振转换效率>91％(IL<0.4dB)的入射波长范围为1270nm-1720nm，同时在此波长 范围内有PER>11dB，CT<-15dB，这意味着该PSR可以在波导顶层高度误差|ΔHco|＜10nm时，波段范围为(1350nm到1720nm)的范围内正常工作。图7中 的(c)-(d)显示输入端波导宽度误差ΔWs1＝+10nm及ΔWs1＝-10nm下各端口基模输出 归一化能量，这两种情况下针对TM0模式偏振转换效率>91％(IL<0.4dB)的入射 波长范围为1310nm-1710nm，同时在此波长范围内有PER>13dB，CT<-15dB； 根据图7中的(e)-(f)中输入端波导误差ΔWs2＝+3nm及ΔWs2＝-3nm时各端口基模输出归一化能量，针对TM0模式偏振转换效率>91％(IL<0.4dB)的入射波长范围为 1270nm-1670nm，同时在此波长范围内有PER>12dB，CT<-14dB。输入端波导 误差ΔHt＝+10nm及ΔHt＝-10nm的透射率光谱绘制在图7中的(g)-(h)中，这两种 情况下针对TM0模式偏振转换效率>95％(IL<0.22dB)的入射波长范围为 1250nm-1750nm，同时在此波长范围内有PER>15dB，CT<-25dB。这说明在制 造工艺所允许的误差范围内，当前PSR在非常宽的波段内(1350nm-1670nm)内依 然保持良好的性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于反向双锥非对称耦合的超宽带片上偏振分束旋转器，衬底(1)和位于衬底(1)顶部的输入和输出波导；其中衬底(1)为SOI结构，其特征在于：
所述输入和输出波导包括输入引导波导(2)、输出引导波导(3)及输入锥形波导(4)和输出锥形波导(5)，均由硅材料组成；所述输入引导波导(2)、输出引导波导(3)在偏振模耦合区域(6)相互平行，所述输入锥形波导(4)和输出锥形波导(5)位于偏振模耦合区域并分别对应形成于输入引导波导(2)和输出引导波导(3)的顶部；所述输入锥形波导(4)的锥宽沿输入方向逐渐变窄，而输出锥形波导(5)的锥宽沿输入方向逐渐变宽，使得TM0模式注入时，因输入端TM0模式与cross端TE0模式的有效折射率曲线变化趋势相反实现两模式的有效折射率在波导某一截面上相等；
所述偏振模耦合区域由两条渐变脊型波导构成，其中输入端波导的脊宽沿Z方向逐渐变窄，而输出端的脊宽沿Z方向逐渐变宽。
2.如权利要求1所述的一种基于反向双锥非对称耦合的超宽带片上偏振分束旋转器，其特征在于，所述输入引导波导(2)与输出引导波导(3)之间以空气间隙为媒介隔开。
3.如权利要求1所述的一种基于反向双锥非对称耦合的超宽带片上偏振分束旋转器，其特征在于，设偏振模耦合区域(6)的长度为L c，输入引导波导(2)、输出引导波导(3)及输入锥形波导(4)和输出锥形波导(5)，输入引导波导(2)的宽度为W s1，输出引导波导(3)的宽度为W s2，输入锥形波导(4)的锥宽为W t1，输出锥形波导(5)的锥宽为W t2，则在输入端口上W t1与W s1相等，沿着Z方向线性减小，经过长度L c后，W t1变为零；cross端口上W t2沿着Z方向从零线性变宽，经过长度Lc后，W t2与W s2相等。
4.如权利要求1所述的一种基于反向双锥非对称耦合的超宽带片上偏振分束旋转器，其特征在于，所述衬底(1)的硅层厚度H co＝220nm，底层埋氧化物厚度为2μm。
5.如权利要求4所述的一种基于反向双锥非对称耦合的超宽带片上偏振分束旋转器，其特征在于，所述底层埋氧化物为二氧化硅。
6.如权利要求1所述的一种基于反向双锥非对称耦合的超宽带片上偏振分束旋转器，其特征在于，所述输入锥形波导(4)和输出锥形波导(5)分别基于输入引导波导(2)和输出引导波导(3)刻蚀形成，刻蚀最大深度均为H t。
7.如权利要求1所述的一种基于反向双锥非对称耦合的超宽带片上偏振分束旋转器，其特征在于，所述输入引导波导(2)和输入锥形波导(4)的整体高度、输出引导波导(3)和输出锥形波导(5)的整体高度均为H co。
8.如权利要求1所述的一种基于反向双锥非对称耦合的超宽带片上偏振分束旋转器，其特征在于，所述输入引导波导(2)的宽度W s1＝1μm，输出引导波导(3)的宽度W s2＝0.35μm，偏振模耦合区域(6)的长度L c＝520μm，输入锥形波导(4)和输出锥形波导(5)的厚度Ht＝0.07μm，输入引导波导(2)与输出引导波导(3)的间隙W g＝0.12μm。
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