CN112269224A - 基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于垂直耦合结构的硅‑氮化硅集成偏振分束器，包括输入波导、偏振分束波导、第一输出波导和第二输出波导，所述输入波导与偏振分束波导一端连接，所述偏振分束波导另一端分别与第一输出波导、第二输出波导连接，所述偏振分束波导是由下至上硅‑氮化硅‑硅构成的三层结构。本发明结构紧凑，具有较短的横向尺寸和纵向长度，提高了器件的集成度；具有较高的偏振消光比；有较大的制造容差，对光刻工艺的精度要求相对较低，大大降低了工艺成本。

Description

基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器

技术领域

本发明涉及偏振分束器，特别涉及基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器。

背景技术

随着人们对信息交换需求日益增长，光通信***需要越来越大的传输容量和越来越快的处理速度，对电路与光路集成度的要求也越来越高。5G技术的逐步应用以及数据中心高速光互连使得大规模的光子集成成为未来发展的方向。近年来，基于绝缘体上硅(SOI)平台的光子集成回路开始获得广泛的关注和应用，主要得益于二氧化硅和硅之间超高折射率差的特性，能将光场很好的限制在芯层，因而能够实现亚微米尺寸的器件横截面以及小半径的波导弯曲。然而，由于极高的结构双折射，基于SOI的光子集成***对光的偏振态十分敏感，即对于传输光的横向电场(TE)和横向磁场(TM)模式会产生不同的响应，因此对光偏振态的控制和管理就相当重要。偏振分束器作为一种能够有效分离TE和TM模式的光学器件，在SOI集成光学***中必不可少。为此，众多偏振分束器件方案被提出，包括定向耦合器型、多模干涉型、光子晶体型、表面等离激元型等，其中定向耦合器型偏振分束器由于结构简单，性能优良，成为偏振分束器的主要组成结构。

然而，现有的定向耦合器型偏振分束器有以下缺陷：其一，定向耦合器一般由两个并列的波导发生模式耦合，需要两个波导的尺寸正好满足模式的相位匹配条件，因此一般的定向耦合器具有比较小的制造容差，对制造精度有较高的要求；其二，定向耦合器主要是水平耦合结构，需要两个波导横向排列，因此器件的水平尺寸较大，对大规模光子集成不利。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种具有较大制造容差以及结构紧凑的基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器。

技术方案：本发明所述的一种基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器，包括用于输入光信号的输入波导、偏振分束波导、用于输出光信号的第一输出波导和第二输出波导，所述输入波导与偏振分束波导一端连接，所述偏振分束波导另一端分别与第一输出波导、第二输出波导连接，所述偏振分束波导是由下至上依次分布的硅-氮化硅-硅构成的三层结构，输入光信号的TE偏振在偏振分束器的上硅层和下硅层之间垂直耦合。

所述输入波导和第一输出波导是由下至上依次分布的硅-氮化硅构成的两层结构。

所述第二输出波导是单层硅结构，呈S形弯曲形状。

所述偏振分束器还包括包层，包覆在输入波导、偏振分束波导、第一输出波导和第二输出波导外侧。

所述输入波导、偏振分束波导、第一输出波导、第二输出波导中硅层厚度为80～180微米，氮化硅层厚度为300～600微米。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、输入光信号中TE模式主要在偏振分束波导的下硅层和上硅层之间垂直耦合，不需要两条波导横向排列，因此本发明的横向尺寸较小；通过调整偏振分束波导中硅-氮化硅-硅结构各层的厚度，使TE模式的奇模和偶模具有较大的有效折射率差，大大减小TE模式的耦合长度，实现较短的器件纵向长度，结构紧凑，大大提高了器件的集成度；

2、本发明的偏振分束波导中，TE模式分布在上、下硅层，TM模式分布在中间氮化硅层，使得两种模式分开传输，并且在第二输出波导的S形弯曲波导输出后，将TE模式分离出去时少有TM模式存在，大大提高了偏振消光比；

3、本发明的垂直耦合结构，在硅光工艺中硅层厚度通过调节淀积参数比较容易地精确控制，光刻工艺造成的波导宽度误差对器件性能的影响极少，有较大的制造容差，对光刻工艺的精度要求相对较低，大大降低工艺成本。

4、本发明在硅基芯片上利用成熟的CMOS加工工艺实现单片集成，对于硅光子学的发展有着重要的意义。

附图说明

图1为本实施例俯视图；

图2为本实施例侧视图；

图3为本实施例输入波导中TE模式电场分布图；

图4为本实施例输入波导中TM模式电场分布图；

图5为本实施例偏振分束波导中TE模式电场分布图；

图6为本实施例偏振分束波导中TM模式电场分布图；

图7为本实施例TE模式的耦合长度随上、下硅层厚度变化曲线图。

具体实施方式

如图1，本实施例所述的基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器，包括输入波导1、偏振分束波导2、第一输出波导3和第二输出波导4，以及包覆在偏振分束器最外侧的包层5，输入波导1与偏振分束波导2一端连接，偏振分束波导2另一端分别与第一输出波导3、第二输出波导4连接，偏振分束波导2是由下至上依次分布的硅-氮化硅-硅构成的三层结构。本实施例中的偏振分束器制作在二氧化硅衬底6上。

输入波导1和第一输出波导3是由下至上依次分布的硅-氮化硅构成的两层结构。第二输出波导4是单层硅结构，呈S形弯曲形状。输入波导1、偏振分束波导2、第一输出波导3、第二输出波导4的宽度相等，均为600nm。输入波导1和第一输出波导3中的硅层、偏振分束波导2的上、下硅层以及第二输出波导4的高度相同，均为120nm。输入波导1、偏振分束波导2和第一输出波导3中氮化硅层的厚度为340nm。第一输出波导3、第二输出波导4的横向间距为2.5μm。

作为输入波导的硅-氮化硅二层结构，由于材料边界处的高折射率差，垂直于边界的电场分量将出现不连续性，使得TE和TM偏振的模式分布与普通硅线波导完全不同。如图3和图4所示，其TE模式主要分布在硅层，而TM模式主要分布在氮化硅层。因此，TE和TM模式天然地在不同材料层进行传输。偏振分束波导2是在输入波导1的基础上，在氮化硅上再淀积一层硅，称为上硅层23。上硅层23的厚度与下硅层相等，形成硅-氮化硅-硅的三层结构。这种结构的模式分布特性与硅-氮化硅二层结构有相似之处，TE模式主要分布在上下硅层，TM模式主要分布在氮化硅层，如图5和图6所示。只需将输入波导1中分布于第一下硅层11的TE模式经垂直耦合进入到偏振分束波导2的上硅层23，并通过一个S形第二输出波导4引出，实现与主要分布于氮化硅层有效分离。两种偏振模式沿不同介质进行传输，在分离时具有较高的偏振消光比。并且器件是垂直耦合结构，不需要耦合波导的横向排列，因此器件的横向尺寸较为紧凑。

如图2所示，光信号在实施例所述的偏振分束器中的传输特征如下：包含TE和TM模式的输入信号从输入波导1中输入，TE模式主要分布在第一下硅层11并传输进入偏振分束波导2。在偏振分束波导2中，位于第二下硅层21的TE模式与上硅层23因模场匹配，从而产生高效的垂直耦合。TE模式将耦合进入上硅层23，并传输进入S形的第二输出波导4。由于第二输出波导4与第一输出波导3逐渐分离，故第二输出波导4中的TE模式并不会耦合回第三下硅层31和第三氮化硅层32。另一方面，TM模式在进入输入波导1时主要分布于第一氮化硅层12，进入偏振分束波导2后主要分布于第二氮化硅层22，由于模式不匹配并不会与上、下硅层发生耦合，因此保持在氮化硅层传输，最终通过第三氮化硅层32输出。

图7为TE模式的耦合长度随偏振分束波导2上、下硅层的厚度的变化关系。当硅层厚度从80nm增加到180nm，TE模的耦合长度即偏振分束波导2的长度从2.2μm增加到8.6μm。硅层宽度取120nm时，耦合长度为3.8μm。加上输入输出波导，器件表面积尺寸小至3μm×10μm。

Claims (6)

1.基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器，其特征在于，包括输入波导(1)、偏振分束波导(2)、第一输出波导(3)和第二输出波导(4)，所述输入波导(1)与偏振分束波导(2)一端连接，所述偏振分束波导(2)另一端分别与第一输出波导(3)、第二输出波导(4)连接，所述偏振分束波导(2)是由下至上依次分布的硅-氮化硅-硅构成的三层结构。

2.根据权利要求1所述的基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器，其特征在于，所述输入波导(1)是由下至上依次分布的硅-氮化硅构成的两层结构。

3.根据权利要求1所述的基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器，其特征在于，所述第一输出波导(3)是由下至上依次分布的硅-氮化硅构成的两层结构。

4.根据权利要求1所述的基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器，其特征在于，所述第二输出波导(4)是单层硅结构，呈S形弯曲形状。

5.根据权利要求1所述的基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器，其特征在于，还包括包层(5)，包覆在输入波导(1)、偏振分束波导(2)、第一输出波导(3)和第二输出波导(4)外侧。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器，其特征在于，所述输入波导(1)、偏振分束波导(2)、第一输出波导(3)、第二输出波导(4)中硅层厚度为80～180微米，氮化硅层厚度为300～600微米。

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