基于非对称耦合的两级亚波长光栅硅基光偏振分束旋转器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于非对称耦合的两级亚波长光栅硅基光偏振分束旋转器，采用二氧化硅作为基底，空气作为上包层以打破垂直对称性；使用硅波导，形成偏振分束旋转器主体；硅波导分为三部分：波导1为一级耦合亚波长光栅波导，等效拓宽波导特征尺寸，进而增大制作容差；波导2为两级锥形刻蚀波导，第一级锥形刻蚀与波导1完成相位匹配，实现偏振旋转，第二级刻蚀恢复波导厚度以参与二级耦合；波导3为二级亚波长光栅波导，对残留的TM0偏振模式进行二次耦合滤除。本发明专利技术的偏振分束旋转器采用多级耦合、多级滤除结构在紧凑的结构下实现了高偏振消光比、大制作容差，在光通信与光电信号处理中具有重要应用。中具有重要应用。中具有重要应用。

【技术实现步骤摘要】
directional coupler,"Opt.Express 22,17458(2014))。因此亚波长光栅成为在紧凑结构上增大制作容差较好的选择，然而当下基于亚波长结构的偏振分束旋转器却鲜有做到兼顾消光比性能，例如W Yun等人设计的基于亚波长光栅结构的偏振分束旋转器，仅可在50nm带宽范围内实现10dB的消光比(W.Yun,M.Ma,Y.Han,Z.Lu,and L.Chrostowski,"Ultra-compact sub-wavelength grating polarization splitter-rotator for Silicon-on-Insulator platform,"IEEE Photonics J.PP,1(2016))。
[0005]根据以上分析可知，目前基于亚波长光栅的硅基光偏振分束旋转器在实现较大制作容差的情况下，难以兼顾消光比这一关键指标，而偏振消光比作为衡量一个偏振处理器件性能以及实用性的重要指标，它们直接影响了所设计器件的实际应用价值。

技术实现思路

[0006]鉴于以上陈述的基于亚波长光栅结构的硅基光偏振分束旋转器的偏振消光比较低的问题，本专利技术提供一种基于非对称耦合的两级亚波长光栅硅基光偏振分束旋转器。
[0007]本专利技术的基于非对称耦合的两级亚波长光栅硅基光偏振分束旋转器，采用二氧化硅作为基底，空气作为上包层以打破垂直对称性；使用硅波导，形成偏振分束旋转器主体。
[0008]硅波导分为三部分：波导1为一级耦合亚波长光栅波导，等效拓宽波导特征尺寸，进而增大制作容差；波导2(或者称为BUS波导)为两级锥形刻蚀波导，第一级锥形刻蚀与波导1完成相位匹配，实现偏振旋转，第二级刻蚀为反锥形刻蚀，用于恢复波导厚度，参与二级耦合；波导3为二级亚波长光栅波导，对残留的TM0偏振模式进行二次耦合滤除。
[0009]为实现亚波长特性，波导1引入折射率的周期调制，并按照亚波长光栅折射率等效原理设计如下：
[0010]n
eq
＝pn1+(1-p)n2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0011]其中，n
eq
为等效折射率，p为光栅占空比，n1和n2分别为光栅两段的材料折射率；此处n2为空气，所以有效折射率为1。
[0012]波导2采用部分锥形刻蚀，刻蚀段分为两级。第一段为耦合区，通过部分刻蚀使得该段的TM0偏振态与波导1的TE0偏振态满足相位匹配条件：
[0013]n
eff1
(TE0)＝n
eff2
(TM0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]其中，n
eff1
(TE0)表示波导1中TE0偏振模式的有效折射率，n
eff2
(TM0)表示波导2中TM0偏振模式的有效折射率；选用刻蚀宽度渐变的锥形刻蚀的原因是提高该段的制作容差，通常在避免偏振态发生非预期耦合的情况下，将刻蚀段的中点设为相位匹配点；经过上述刻蚀，波导2的耦合段实现偏振分束旋转功能；而后波导2的第二级刻蚀将恢复波导2为均匀波导。
[0015]波导3同样为亚波长光栅结构，主要是与波导2完成偏振耦合，实现残留偏振模式的滤除；在完成耦合后尾部逐渐收窄，形成锥形将耦合而来的能量耗散到自由空间；
[0016]由于波导3的引入，在前两部分制作产生误差的情况下，将未按预期耦合进入波导1的TM0偏振模式滤除，从而解决亚波长光栅结构的偏振分束旋转器消光比较低的问题；
[0017]经过上述三部分组成的偏振分束旋转器后，TM0偏振模式成功被分束入波导1，同时完成TM0到TE0的偏振模式旋转，而整体结构并不对入射的TE0偏振模式发生作用，保证其以极低的损耗从波导2输出。
[0018]优选的，波导1中亚波长光栅的宽度为522nm，占空比为0.7；波导2中刻蚀深度设为70nm；波导3中亚波长光栅的宽度为678nm，占空比为0.6。
[0019]本专利技术的有益技术效果为：
[0020]1、在使用亚波长光栅结构的条件下利用总线波导的部分刻蚀完成TM0偏振的分离以及旋转。
[0021]2、在通过使用亚波长光栅结构增大整体误差容忍度的同时，使用二级耦合保证了整体结构的消光比性能。
[0022]3、本专利技术的偏振分束旋转器采用多级耦合、多级滤除结构在紧凑的结构下实现了高偏振消光比、大制作容差，在光通信与光电信号处理中具有重要应用。
附图说明
[0023]图1为本专利技术硅基光偏振分束旋转器结构示意图。
[0024]图2为有效折射率随宽度变化趋势。
[0025]图3为有效折射率随刻蚀宽度变化趋势。
[0026]图4为不同偏振模式输入情况下的偏振模式场分布：(a)输入TM0偏振模式；(b)输入TE0偏振模式。
[0027]图5为不同偏振模式输入下的光功率分布：(a)输入TM0偏振模式；(b)输入TE0偏振模式。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和具体实施方法对本专利技术做进一步详细说明。
[0029]本专利技术的基于非对称耦合的两级亚波长光栅硅基光偏振分束旋转器如图1所示，采用二氧化硅作为基底，空气作为上包层以打破垂直对称性；使用硅波导，形成偏振分束旋转器主体。
[0030]硅波导分为三部分：波导1为一级耦合亚波长光栅波导，等效拓宽波导特征尺寸，进而增大制作容差；波导2(或者称为BUS波导)为两级锥形刻蚀波导，第一级锥形刻蚀与波导1完成相位匹配，实现偏振旋转，第二级刻蚀恢复波导厚度，便于实现二级耦合；波导3为二级亚波长光栅波导，对残留的TM0偏振模式进行二次耦合滤除。
[0031]第一部分波导1的功能主要是与波导2进行一级耦合。由于偏振分束旋转器的功能要求，并为简化后续偏振态的处理难度，选择损耗更低的TE0偏振模式输出。因此，从图2和图3可以看到：均匀波导的情况下，过窄的波导宽度的制作工艺容差很小，现有工艺制作误差将会对器件性能产生致命影响。因此基于公式n
eq
＝pn1+(1-p)n2，将300nm的均匀波导等效转化为亚波长光栅，此时波导宽度被拓宽至522nm；针对波导宽度的敏感度下降，光栅的周期设为300nm、占空比设为0.7，此时该亚波长光栅的等效折射率计算为2.733。第二部分的刻蚀波导分为两步：第一步刻蚀采用部分刻蚀，刻蚀宽度从零逐渐增加至308nm；第二步刻蚀使用锥形刻蚀，在一个S形弯曲结构后在一步刻蚀的基础上将刻蚀宽度逐渐恢复，令波导2的输出端呈均匀波导状。在第二部分中，刻蚀宽度主要影响TM0偏振模式的交叉耦合损耗以及TE0偏振模式的传输损耗。本专利技术在经过标准工艺允许的150nm、130nm、70nm三种刻蚀深度的测试后，选择损耗最低的70nm刻蚀深度。在波导2的第二步刻蚀后，它与第三部分
(即波导3)发生耦合；为避免耦合波导宽度引入的误差，波导3同样采用亚波长光栅结构，其周本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于非对称耦合的两级亚波长光栅硅基光偏振分束旋转器，其特征在于，采用二氧化硅作为基底，空气作为上包层以打破垂直对称性；使用硅波导，形成偏振分束旋转器主体；所述硅波导分为三部分：波导1为一级耦合亚波长光栅波导，等效拓宽波导特征尺寸，进而增大制作容差；波导2为两级锥形刻蚀波导，第一级锥形刻蚀与波导1完成相位匹配，实现偏振旋转，第二级刻蚀为反锥形刻蚀，用于恢复波导厚度实现二级耦合；波导3为二级亚波长光栅波导，对残留的TM0偏振模式进行二次耦合滤除。2.根据权利要求1所述的基于非对称耦合的两级亚波长光栅硅基光偏振分束旋转器，其特征在于，所述波导1引入折射率的周期调制，并按照亚波长光栅折射率等效原理设计如下：n
eq
＝pn1+(1-p)n2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，n
eq
为等效折射率，p为光栅占空比，n1和n2分别为光栅两段的材料折射率；此处n2为空气，所以有效折射率为1。3.根据权利要求2所述的基于非对称耦合的两级亚波长光栅硅基光偏振分束旋转器，其特征在于，所述波导2采用部分锥形刻蚀，刻蚀段分为两级；第一段为耦合区，通过部分刻蚀使得该段的TM0偏振态与波导1的TE0偏振态满足相位匹配条件：n
eff1
(TE0)＝n
eff2
(TM0...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹喜华，解长健，李沛轩，潘炜，闫连山，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：