硅基芯片集成的大工藝容差偏振旋轉器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高速大容量光纖傳輸系統，尤其涉及偏振態處理集成芯片。
【背景技術】
[0002]目前的硅基光子學已經成為了解決高性能光計算、光傳感與片上光信號處理單元的重要學科。硅基光學器件有著眾多優勢，如與傳統微電子生產工藝兼容、結構緊湊、功耗低等。然而，由于硅基器件本身芯層與包層的折射率差非常大，很大的結構雙折射效應導致了硅基器件對偏振非常敏感。偏振相關損耗、偏振模式色散和其他的偏振特性會嚴重的影響集成芯片的傳輸容量。為了克服這些問題，科學工作者提出了偏振分集的方法。其原理是，首先將入射的偏振態分束成橫電模(TE)和橫磁模(TM)，接著將其中一路的TM光利用偏振旋轉器件轉換成TE光，這樣片上的信號處理單元只需要工作在同一偏振態(TE)下即可。在輸出端，將另一路TE光再旋轉成TM光，最后再將兩路偏振光合束輸出。
[0003]目前報道的偏振旋轉器件的原理可以分為兩種，一種是基于模式耦合，另一種則是基于模式演化。相比前者，基于模式演化的偏振旋轉器件具有更大工作帶寬、更好偏振消光比等優點。目前比較典型的方案是采用波導刻蝕，其結構圖如圖1所示。這種方案通過對波導102的部分刻蝕，來改變結構的縱向對稱性。通常刻蝕部分101的刻蝕寬度為數十納米，然而目前業界的套刻精度在10納米量級，這樣的套刻誤差對波導的部分刻蝕影響是非常巨大的。因此在實際應用中，利用這種方案的偏振旋轉器件良品率比較低。有的科學工作者對這種方案進行了改進，如圖2所示。該方案是利用單側脊波導103取代了部分刻蝕，這么做同樣可以打破波導結構原有的對稱性，從而實現偏振旋轉。但是本方案需要對脊波導部分的厚度進行精確控制，在一定程度上增加了工藝的復雜度。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是發明一種工藝容差足夠大，能滿足現有工藝條件的偏振旋轉器件，并且本身工藝相對簡單。
[0005]為了解決上述技術問題，本發明提出硅基芯片集成的大工藝容差偏振旋轉器件，包括三個部分:入射波導部分、對稱性打破部分以及出射波導部分，其特征在于，所述對稱性打破部分的包層被部分刻蝕。所述部分刻蝕為平行于波導上表面的長方體形凹槽，所述長方體形凹槽位于所述對稱性打破部分的波導側上方的包層內，所述長方體形凹槽的長度滿足包層刻蝕后的兩本征模式之間具有180度的位相差，所述長方體形凹槽的寬度大于等于0.9微米，長方體凹槽從包層的頂部開始刻蝕，長方體形凹槽的最底面距離波導上表面的垂直間距，等于所述長方體形凹槽與波導之間的水平間距，所述垂直間距、水平間距的值均為O?0.2微米。
[0006]優選的，所述長方體形凹槽寬度為I?2微米，可獲得最好的偏振旋轉效果。
[0007]優選的，所述長方體形凹槽的長度等于所述對稱性打破部分的波導的長度。所述垂直間距、水平間距的值均為0.1微米。
[0008]輸入波導部分采用倒錐結構，波導寬度逐漸減少，使入射光的模場部分彌散到包層中。
[0009]輸出波導也采用錐形結構，使得旋轉的偏振態耦合輸出。
[0010]本發明的原理是，入射的偏振態首先經過入射波導部分輸入到結構中，會激勵起波導中的本征模式(TE模式或TM模式)并以本征模式的形式傳播，這時波導結構的本征光軸為圖3中的X軸和Y軸。在對稱性打破部分，由于存在包層部分刻蝕，波導結構縱向折射率的對稱性被打破，因而整個結構的本征光軸發生旋轉，原本的本征模式的偏振角度也隨之發生旋轉，沿著X’軸和Y’軸方向振動。當這一部分的長度為特定值(由兩個旋轉后的本征模式的縱向傳播常數之差決定)時，旋轉的本征模式之間產生180度的位相差，在輸出端面會合成與入射偏振態垂直的另一偏振態，從而實現偏振旋轉的功能。最后，旋轉后的偏振光經過輸出波導部分耦合輸出。
[0011]本發明的優點在于，對稱性打破部分是在包層上的部分刻蝕實現，由于包層的尺寸在微米量級，因此套刻精度帶來的誤差相對很小，工藝容差非常大。
【附圖說明】
[0012]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步具體說明。
[0013]圖1現有采用波導部分刻蝕的偏振旋轉器件結構示意圖，圖中，101—刻蝕部分、102—波導；
[0014]圖2現有改進的一種單側脊波導偏振旋轉器件結構示意圖，圖中，103—單側脊波寸；
[0015]圖3本征光軸旋轉Θ角度原理示意圖；
[0016]圖4本發明【具體實施方式】三維結構圖，圖中，104—入射波導部分、105—對稱性打破部分、106—出射波導部分；
[0017]圖5本發明【具體實施方式】橫截面圖，圖中，107—對稱性打破部分的波導、108—波導與包層刻蝕的間隔、109—包層部分刻蝕部位。
[0018]圖6 (a)是本發明【具體實施方式】的本征光軸旋轉后的本征模式I。
[0019]圖6 (b)是本發明【具體實施方式】的本征光軸旋轉后的本征模式2。
【具體實施方式】
[0020]本發明提出的大工藝容差的偏振旋轉器件包括三個部分:入射波導部分104、對稱性打破部分105以及出射波導部分106，其中對稱性打破部分是通過包層部分刻蝕實現。
[0021]結合圖4和圖5所示，輸入波導部分采用倒錐結構，波導寬度逐漸減少，這樣入射光的模場會部分彌散到包層中。在對稱性打破部分，包層被部分刻蝕。包層部分刻蝕109為平行于波導上表面的長方體形凹槽，長方體形凹槽位于對稱性打破部分的波導107側上方的包層內。長方體形凹槽的長度滿足包層刻蝕后的兩本征模式之間具有180度的位相差，本具體實施例中，長方體形凹槽的長度等于對稱性打破部分的波導的長度。一般情況下，長方體形凹槽的寬度需大于0.9微米，以保證偏振旋轉性能。本具體實施例的優選的長方體形凹槽的寬度為I?2微米。
[0022]長方體形凹槽的最底面距離波導上表面的垂直間距，等于長方體形凹槽與波導之間的水平間距，垂直間距、水平間距的值均為O?0.2微米。垂直間距、水平間距的值的取值越小，旋轉后的兩個本征模式產生180度的位相差相對越容易，因此凹槽的長度取值也會小一些，更利于芯片的集成化。然而距離過小會導致工藝容差的劣化。作為權衡，本具體實施例的長方體形凹槽的最底面與波導上表面的垂直間距為0.1微米，長方體形凹槽與波導的水平間距為0.1微米，如波導與包層刻蝕的間隔108所指示。
[0023]在上述結構下，從入射波導輸入的光見到的折射率對稱性被打破，并通過控制包層刻蝕的長度、深度、寬度以及相對位置，得到適當旋轉的本征模式，如圖6(a)和(b)所示，圖中的紅色箭頭是本征模式的電場方向。
[0024]由于包層的尺寸在微米量級，因此套刻精度帶來的誤差相對很小。最后，輸出波導也采用錐形結構，使得旋轉的偏振態耦合輸出。
[0025]需要注意的是，以上實施示例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1.硅基芯片集成的大工藝容差偏振旋轉器件，包括三個部分:入射波導部分、對稱性打破部分以及出射波導部分，其特征在于，所述對稱性打破部分的包層被部分刻蝕； 所述部分刻蝕為平行于波導上表面的長方體形凹槽，所述長方體形凹槽位于所述對稱性打破部分的波導側上方的包層內，所述長方體形凹槽的長度滿足包層刻蝕后的兩本征模式之間具有180度的位相差，所述長方體形凹槽的寬度大于等于0.9微米，長方體凹槽從包層的頂部開始刻蝕，長方體形凹槽的最底面距離波導上表面的垂直間距，等于所述長方體形凹槽與波導之間的水平間距，所述垂直間距、水平間距的值均為O?0.2微米。2.根據權利要求1所述的硅基芯片集成的大工藝容差偏振旋轉器件，其特征在于，所述長方體形凹槽寬度為I?2微米。3.根據權利要求1所述的硅基芯片集成的大工藝容差偏振旋轉器件，其特征在于，所述長方體凹槽的長度等于所述對稱性打破部分的波導的長度。4.根據權利要求1所述的硅基芯片集成的大工藝容差偏振旋轉器件，其特征在于，所述垂直間距、水平間距的值均為0.1微米。5.根據權利要求1所述的硅基芯片集成的大工藝容差偏振旋轉器件，其特征在于，所述輸入波導、輸出波導均采用倒錐結構。
【專利摘要】本發明是一種硅基芯片集成的大工藝容差的偏振旋轉器件，包括入射波導部分、對稱性打破部分以及出射波導部分，對稱性打破部分的包層被部分刻蝕。包層的部分刻蝕為平行于波導上表面的長方體形凹槽，凹槽位于對稱性打破部分的波導側上方的包層內，其長度滿足包層刻蝕后的兩本征模式之間具有180度的位相差，長方體形凹槽的寬度需大于等于0.9微米，長方體凹槽從包層的頂部開始刻蝕，長方體形凹槽的最底面距離波導上表面的垂直間距，等于長方體形凹槽與波導之間的水平間距，垂直間距、水平間距的值均為0～0.2微米。本發明的優點在于，對稱性打破部分是在包層上的部分刻蝕實現，由于包層的尺寸在微米量級，因此套刻精度帶來的誤差相對很小,工藝容差非常大。
【IPC分類】G02B6/126
【公開號】CN104950392
【申請號】CN201510413952
【發明人】余宇, 秦亞光, 張新亮
【申請人】華中科技大學
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年7月14日