偏振分束器和旋转器设备制造技术

一种偏振分束器和旋转器设备(500)包括：光模式转换器(501)，包括第一光波导(511)，其中所述第一光波导的芯层(515、517a、517b)的形状是不对称的，从而引发耦合到所述第一光波导(511)中的偏振光将其零阶的横磁模(TM0)转换到一阶的横电模(TE0)同时保持其零阶的横电模(TE0)不变；输出耦合器(503)，包括耦合到所述第一光波导(511)的第二光波导(512)和绝热耦合到所述第二光波导(512)的第三光波导(513)，所述绝热耦合引发从所述第一光波导(511)耦合到所述第二光波导(512)中的所述偏振光通过将其一阶的横电模(TE1)作为零阶的横电模(TE0)耦合到所述第三光波导(513)中并且保持其零阶的横电模(TE0)在所述第二光波导(512)中传播无需耦合到所述第三光波导(513)，在所述第二光波导(512)和所述第三光波导(513)之间传播其能量。

Polarization beam splitter and rotating device

\u4e00\u79cd\u504f\u632f\u5206\u675f\u5668\u548c\u65cb\u8f6c\u5668\u8bbe\u5907(500)\u5305\u62ec\uff1a\u5149\u6a21\u5f0f\u8f6c\u6362\u5668(501)\uff0c\u5305\u62ec\u7b2c\u4e00\u5149\u6ce2\u5bfc(511)\uff0c\u5176\u4e2d\u6240\u8ff0\u7b2c\u4e00\u5149\u6ce2\u5bfc\u7684\u82af\u5c42(515\u3001517a\u3001517b)\u7684\u5f62\u72b6\u662f\u4e0d\u5bf9\u79f0\u7684\uff0c\u4ece\u800c\u5f15\u53d1\u8026\u5408\u5230\u6240\u8ff0\u7b2c\u4e00\u5149\u6ce2\u5bfc(511)\u4e2d\u7684\u504f\u632f\u5149\u5c06\u5176\u96f6\u9636\u7684\u6a2a\u78c1\u6a21(TM0)\u8f6c\u6362\u5230\u4e00\u9636\u7684\u6a2a\u7535\u6a21(TE0)\u540c\u65f6\u4fdd\u6301\u5176\u96f6\u9636\u7684\u6a2a\u7535\u6a21(TE0)\u4e0d\u53d8\uff1b\u8f93\u51fa\u8026\u5408\u5668(503)\uff0c\u5305\u62ec\u8026\u5408\u5230\u6240\u8ff0\u7b2c\u4e00\u5149\u6ce2\u5bfc(511)\u7684\u7b2c\u4e8c\u5149\u6ce2\u5bfc(512)\u548c\u7edd\u70ed\u8026\u5408\u5230\u6240\u8ff0\u7b2c\u4e8c\u5149\u6ce2\u5bfc(512)\u7684\u7b2c\u4e09\u5149\u6ce2\u5bfc(513)\uff0c\u6240\u8ff0\u7edd\u70ed\u8026\u5408\u5f15\u53d1\u4ece\u6240\u8ff0\u7b2c\u4e00\u5149\u6ce2\u5bfc(511)\u8026\u5408\u5230\u6240\u8ff0\u7b2c\u4e8c\u5149\u6ce2\u5bfc(512)\u4e2d\u7684\u6240\u8ff0\u504f\u632f\u5149\u901a\u8fc7\u5c06\u5176\u4e00\u9636\u7684\u6a2a\u7535\u6a21(TE1)\u4f5c\u4e3a\u96f6\u9636\u7684\u6a2a\u7535\u6a21(TE0)\u8026\u5408\u5230\u6240\u8ff0\u7b2c\u4e09\u5149\u6ce2\u5bfc(513)\u4e2d\u5e76\u4e14\u4fdd\u6301\u5176\u96f6\u9636 The transverse electric mode (TE0) in the second optical waveguide (512) without coupling to the third light waveguide (513), in the second optical waveguide (512) and the third light waveguide (513) between the energy spread.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】偏振分束器和旋转器设备
本专利技术涉及一种偏振分束器和旋转器设备，尤其涉及一种用于氮化硅平台的基于横截面不对称波导的绝缘转换和绝缘解复用的偏振分束器和旋转器设备。本专利技术还涉及一种用于生产偏振分束器和旋转器设备的方法。本专利技术一般涉及光子集成电路领域。
技术介绍
作为在电信、数据通信、互连和传感中广泛应用的通用技术平台，硅光子学显得日趋重要。其可以通过在高质量低成本的硅衬底上使用互补型金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)兼容的晶圆级技术来实现光子功能。然而，纯无源硅波导设备的性能在插入损耗、相位噪声(导致信道串扰)和温度依存性方面仍然受限。这是因为SiO2(二氧化硅)包层和Si(硅)芯层之间的相对折射率差高、Si层厚度不均匀以及硅的热光效应大。基于氮化硅的无源设备提供优越性能。已经证明，SiNx(氮化硅)芯层厚度为640nm的波导具有0.1dB/cm的传播损耗，而芯层厚度为50nm的波导具有甚至低于0.1dB/m的传播损耗。此外，SiNx(n＝2)和SiO2(n＝1.45)对照Si(n＝3.5)和SiO2(n＝1.45)之间的相对折射率(n)差略小，导致相位噪声更少而制造容差更大。这有助于制造高性能但是仍然非常紧凑的光电路，例如阵列波导光栅(ArrayedWaveguideGrating)、环形谐振器等。氮化硅波导既作为有源硅光子芯片上的高性能无源波导层报道过，而且还作为‘独立’无源光芯片报道过。硅和氮化硅材料系统(相比于石英波导)的高相对折射率差引入了强偏振依存性。为了实现偏振无关光电路，通常采用使用偏振分束器和旋转器(polarizationsplitterandrotator，PSR)的偏振分集结构。偏振分束/旋转功能可以在单个设备(PSR)或者独立偏振分束器(polarizationsplitter，PS)和偏振旋转器(polarizationrotator，PR)的组合中实现。在如图1所示的偏振分集结构100中，输入信号102由偏振分束器101划分为两个正交偏振分量(TE106和TM104)，这些分量中的一个104旋转103了90°(TM104→TE108)以实现单个片上偏振状态。两个相同的光子分量105、107用于架构的两臂。输出处，两臂112、114重新组合111以在旋转109其中一个偏振分量110之后提供输出信号116，从而避免两个信号之间的干扰。这样，偏振透明电路是由两个偏振敏感光子分量创建而来的。硅中的许多偏振分束器和旋转器(polarizationsplitterandrotator，PSR)利用以下事实：偏振转换可能存在于图2a和图2b所示的垂直不对称波导结构200a、200b中。这时，下包层201、211是石英(SiO2)，上包层203、213是不同的材料，其折射率小于硅(n＝3.45)205、215。使用空气(n＝1)200a，参见图2a，以及使用氮化硅(n＝2)200b，参见2b，作为上包层材料203、213的两种设备都已经报道过。波导横截面如图2a和2b所示。关于空气上包层结构200a的问题在于，这些设备需要气密性封装，以便保持折射率恒定。氮化硅包覆的PSR200b并不存在这个情况。图2a和图2b的示例利用具有石英下包层和氮化硅或空气上包层的不对称硅波导。将垂直不对称性引入氮化硅波导并不简单，因为空气在没有明显增加生产成本的情况下无法用作上包层。上包层材料的折射率需要尽可能地与二氧化硅(n＝1.45)不同，但是需要低于氮化硅芯层(n＝2)的折射率。该范围太小以致于不能获得强不对称性。此外，材料需要与CMOS兼容。另一结构300使用具有石英上包层303和下包层301的氮化硅波导305以及波导之上的薄硅层302(10至100nm)以产生垂直不对称性，如图3所示。为便于制造，薄硅层304(<100nm)可以出现在中间。波导的高度(h)取决于应用的波长。对于约1.55μm的波长，代表值为约400nm。具有对称包层的标准氮化硅波导与不对称波导可以对接耦合。但是，在这种情况下存在转变损耗。这种转变损耗通过添加短的锥形(L<50μm)可以忽略不计。两种结构如图4a和图4b所示。图4a示出了结构400a，其中在标准垂直对称SiNx波导403与不对称波导401之间进行转变。这种转变可以如图4a所示直接进行或通过使用如图4b所示的垂直对称波导与不对称波导之间的锥形405进行。注意的是，这些图中未示出石英上包层。这种方法存在若干好处，但是缺点包括存在额外的硅层以及需要控制氮化硅与多晶硅之间的氧化物的厚度。需要高性能并且易于制造偏振分束器和旋转器，尤其是在氮化硅平台上。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高性能且易于制造的偏振分束器和旋转器。该目的通过独立权利要求的特征来实现。更多实施形式从附属权利要求、具体描述和附图中显而易见。为了详细描述本专利技术，将使用以下术语、缩略语和符号。PSR：偏振分束器和旋转器TEmode：电磁波的横电模TE0mode：零阶的TE模TE1mode：一阶的TE模TMmode：电磁波的横磁模TM0mode：零阶的TM模CMOS：互补型金属氧化物半导体SiO2：二氧化硅、石英SiNx：氮化硅AWGs：阵列波导光栅RI，n：折射率，缩写为nSOI：绝缘体硅片um：微米，μmadiabatic：绝热耦合是一个光导模到另一个导模的转换，这一转换逐步发生而且光不会散射到其它模式根据第一方面，本专利技术涉及一种偏振分束器和旋转器设备，包括：光模式转换器，包括第一光波导，其中所述第一光波导的芯层的形状是不对称的，从而引发耦合到所述第一光波导中的偏振光将其零阶的横磁模转换到一阶的横电模同时保持其零阶的横电模不变；输出耦合器，包括耦合到所述第一光波导的第二光波导和绝热耦合到所述第二光波导的第三光波导，所述绝热耦合引发所述从所述第一光波导耦合到所述第二光波导中的偏振光通过将其一阶的横电模作为零阶的横电模耦合到所述第三光波导并且保持其零阶的横电模在所述第二光波导中传播无需耦合到所述第三光波导，在所述第二光波导和所述第三光波导之间传播其能量。这样的偏振分束器和旋转器设备提供了高性能且易于制造。根据所述第一方面，在所述PSR设备的第一可能实施形式中，所述第一光波导的所述芯层的所述形状相对于所述第一光波导的纵轴和/或横轴是不对称的。这样的不对称性足以将所述TM模式转换为TE模式。根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的所述第一实施形式，在所述PRS设备的第二可能实施形式中，所述第一光波导的所述芯层包括形成所述芯层的所述不对称形状的至少一处磨损。所述芯层中的磨损能够很容易产生，例如通过蚀刻或磨削生产工艺。根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任意前述实施形式，在所述PSR设备的第三可能实施形式中，所述第一光波导的所述芯层包括第一部分和第二部分，所述第二部分的厚度与所述第一部分的不同，其中所述第一部分和所述第二部分的所述不同厚度形成所述芯层的所述不对称形状。形成厚度不同的两部分很容易产生，例如通过蚀刻或磨削到不同高度。根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任意前述实施形式，在所述PSR设备的第四可能实施形式中，所述第一光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种偏振分束器和旋转器设备(500)，其特征在于，包括：光模式转换器(501)，包括第一光波导(511)，其中所述第一光波导(511)的芯层(515、517a、517b)的形状是不对称的，引发耦合到所述第一光波导(511)中的偏振光将其零阶的横磁模(TM0)转换到一阶的横电模(TE1)同时保持其零阶的横电模(TE0)不变；输出耦合器(503)，包括耦合到所述第一光波导(511)的第二光波导(512)和绝热耦合到所述第二光波导(512)的第三光波导(513)，所述绝热耦合引发从所述第一光波导(511)耦合到所述第二光波导(512)的所述偏振光通过将其一阶的横电模(TE1)作为零阶的横电模(TE0)耦合到所述第三光波导(513)中并且保持其零阶的横电模(TE0)在所述第二光波导(512)中传播无需耦合到所述第三光波导(513)，在所述第二光波导(512)和所述第三光波导(513)之间传播其能量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.10.28 EP 14190695.81.一种偏振分束器和旋转器设备(500)，其特征在于，包括：光模式转换器(501)，包括第一光波导(511)，其中所述第一光波导(511)的芯层(515、517a、517b)的形状是不对称的，引发耦合到所述第一光波导(511)中的偏振光将其零阶的横磁模(TM0)转换到一阶的横电模(TE1)同时保持其零阶的横电模(TE0)不变；输出耦合器(503)，包括耦合到所述第一光波导(511)的第二光波导(512)和绝热耦合到所述第二光波导(512)的第三光波导(513)，所述绝热耦合引发从所述第一光波导(511)耦合到所述第二光波导(512)的所述偏振光通过将其一阶的横电模(TE1)作为零阶的横电模(TE0)耦合到所述第三光波导(513)中并且保持其零阶的横电模(TE0)在所述第二光波导(512)中传播无需耦合到所述第三光波导(513)，在所述第二光波导(512)和所述第三光波导(513)之间传播其能量。2.根据权利要求1所述的偏振分束器和旋转器设备(500)，其特征在于：所述第一光波导(511)的所述芯层(515、517a、517b)的所述形状相对于所述第一光波导(511)的纵轴和/或横轴是不对称的。3.根据权利要求1或2所述的偏振分束器和旋转器设备(500)，其特征在于：所述第一光波导(511)的所述芯层(515、517a、517b)包括形成所述芯层(515、517a、517b)的所述不对称形状的至少一处磨损。4.根据前述权利要求之一所述的偏振分束器和旋转器设备(500)，其特征在于：所述第一光波导(511)的所述芯层(515、517a、517b)包括第一部分(515)和第二部分(517a、517b)，所述第二部分(517a、517b)的厚度与所述第一部分(515)的不同，其中所述第一部分(515)和所述第二部分(517a、517b)的所述不同厚度形成所述芯层(515、517a、517b)的所述不对称形状。5.根据前述权利要求之一所述的偏振分束器和旋转器设备(500)，其特征在于：所述第一光波导(511)的所述芯层(515、517a、517b)的横截面是不对称的。6.根据前述权利要求之一所述的偏振分束器和旋转器设备(500)，其特征在于：所述第一光波导(511)的所述芯层(515、517a、517b)的横截面的形状是第一矩形(521)，所述第一矩形(521)放置在第二矩形(523...

【专利技术属性】
技术研发人员：马科·兰波尼，乔斯特·布洛卡特，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44