一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，属于光纤通信技术领域。该偏振旋转器包括：衬底；衬底的顶部设置有一段条形波导，形成偏振旋转区域；沿着入射光的传输方向，条形波导的其中一组对角上分别开有若干个第一凹槽和若干个第二凹槽，形成第一亚波长光栅和第二亚波长光栅；若干个第一凹槽和第二凹槽内均填充有二氧化硅。在本发明专利技术中，该偏振旋转器结构简单，易于片上集成，并且在300nm(1400nm

【技术实现步骤摘要】
一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器


[0001]本专利技术涉及光纤通信
，特别涉及一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器。

技术介绍

[0002]近年来，硅光子学的发展为高密度光子集成奠定了坚实的理论基础，使得片上硅光子器件及波导中各种光学特性得到了深入研究。偏振作为除波长、相位和振幅之外的光波又一特征参量，也被用于超快光子信息传输和处理领域。然而，光纤中光波的偏振态会随着周围环境参数(如温度、应力等)的随机变化而改变，特别是在光子集成电路(Photonic integrated circuit，PIC)中，绝缘体上硅(Silicon on insulator，SOI)材料中纤芯与包层间的高折射率对比度进一步加剧了偏振依赖性，导致横向电模(TE)和横向磁模(TM)在高度受限的硅纳米线波导中拥有不同的传播特性，从而引起偏振相关的色散和损耗。同时，不同偏振模式在波导中会产生不同的响应(如光孤子形成与演化、四波混频、交叉相位调制等非线性光学效应强弱均与光波偏振态密切相关)，最终会对光学系统性能造成严重的影响。为消除偏振特性对光通信系统性能的影响，Barwicz等人提出了具有偏振分集功能的光子集成回路，实现了偏振透明分插滤波功能。片上偏振旋转器作为该光子集成回路中的关键器件，在光通信、光传感和光学量子计算等领域有广泛应用。
[0003]到目前为止，已经报道了各种基于SOI的片上PRs设计方案，其原理可以分为两类：模式演化和模式干涉。其中，基于模式演化的PRs通常使用具有较大制造公差的扭曲波导，由于扭曲波导可以将光轴旋转，因此该结构中的偏振方向会沿光波传输方向发生旋转。然而，此类PRs通常需要较长的波导长度(>100μm)才能实现偏振转换，有较大尺寸的器件封装需求。并且该类PRs顶层大多覆盖具有较为尖锐的棱角结构，会极大地增加制造难度。而基于模式干涉PRs的核心思想是利用旋转区域产生模式干涉效应，以实现TE与TM模式之间的转换。实现此类PRs的途径通常有两种：一种是使用非对称定向耦合器(Asymmetric directional coupler，ADC)，将输入波导中TE/TM模式的功率耦合到输出波导的TM/TE模式中。此方法虽然可以减小器件的长度和工艺难度，但通常很难精确满足相位匹配条件，且ADC型PRs具有较强的波长敏感性，导致其工作带宽普遍较窄。另一种途径是将波导光轴旋转以产生超模的干涉效应，从而实现偏振转换，这可以通过破坏波导结构的对称性来实现，为了进一步减小器件尺寸，表面等离子体也被用于PRs的设计中，但是由于金属层与波导间存在较大的欧姆损耗，会使器件的插入损耗增大，因此限制了这类器件的应用。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术的问题，本专利技术提供了一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器。所述偏振旋转器包括：衬底；
[0005]所述衬底的顶部设置有一段条形波导，形成偏振旋转区域；
[0006]沿着入射光的传输方向，所述条形波导的其中一组对角上分别开有若干个第一凹
槽和若干个第二凹槽，形成第一亚波长光栅和第二亚波长光栅；
[0007]所述若干个第一凹槽和第二凹槽内均填充有二氧化硅。
[0008]进一步地，所述衬底为二氧化硅衬底；所述条形波导为硅波导。
[0009]进一步地，所述条形波导的周围包覆有二氧化硅层。
[0010]进一步地，所述衬底的厚度为2μm。
[0011]进一步地，所述条形波导的厚度H＝400nm，宽度W＝400nm，长度L
C
＝5.75μm。
[0012]进一步地，所述第一凹槽和所述第二凹槽个数相同。
[0013]进一步地，所述第一凹槽的长度为W
A
＝210～290nm，所述第一凹槽的高度为H
A
＝135～165nm，所述第二凹槽的长度为W
B
＝135～165nm，所述第二凹槽的高度为H
B
＝210～290nm。
[0014]进一步地，所述第一凹槽和所述第二凹槽的宽度均为a＝95～130nm；
[0015]相邻所述第一凹槽之间的距离和相邻所述第二凹槽之间均为Λ＝95～130nm。
[0016]本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在本专利技术中，衬底为二氧化硅，上面是一段由对角刻蚀的亚波长光栅组成的条形硅波导，结构简单，易于片上集成，并且在300nm(1400nm
‑
1700nm)波长范围内，实现TE和TM两种输入偏振光之间的相互转化，对于入射光(TE/TM基模)在S
‑
到U
‑
波段范围内插入损耗小于0.5dB，同时偏振旋转效率高于91％，1550nm中心波长处插入损耗小于0.18dB，偏振旋转效率高于99.92％。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1是本专利技术提供的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器的结构示意图；
[0019]图2是本专利技术提供的一种条形波导的结构示意图；
[0020]图3是本专利技术提供的一种条形波导的截面图；
[0021]图4是本专利技术提供的一种超模HP1与HP2在亚波长光栅结构区域横截面上的磁场分布图；
[0022]图5是本专利技术提供的在一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器分别输入TE与TM模式时，磁场能量沿传输方向的能量分布图。
[0023]图6是本专利技术提供的在一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器分别输入TE与TM模式时，该偏振旋转器的插入损耗、偏振消光比和偏振旋转效率随波长变化的曲线图。
[0024]图7是本专利技术提供的一种W
A
、H
B
、W
B
、H
A
这四个结构参数的工艺容差能力图。
[0025]附图标记：1
‑
衬底；2
‑
条形波导；3
‑
第一凹槽；4
‑
第二凹槽；5
‑
二氧化硅层。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方
式作进一步地详细描述。
[0027]参见图1
‑
3，一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，包括：衬底1；衬底1由二氧化硅组成，在1550nm波长下二氧化硅的折射率为n
SiO2
＝1.445，衬底1的厚度为2μm，衬底1的顶部设置有一段条形波导2，形成偏振旋转区域，条形波导2由硅组成，在1550nm波长下硅的折射率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，所述偏振旋转器包括：衬底(1)；所述衬底(1)的顶部设置有一段条形波导(2)，形成偏振旋转区域；沿着入射光的传输方向，所述条形波导(2)的其中一组对角上分别开有若干个第一凹槽(3)和若干个第二凹槽(4)，形成第一亚波长光栅和第二亚波长光栅；所述若干个第一凹槽(3)和第二凹槽(4)内均填充有二氧化硅。2.根据权利要求1所述的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，所述衬底(1)为二氧化硅衬底；所述条形波导(2)为硅波导。3.根据权利要求1所述的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，所述条形波导(2)的周围包覆有二氧化硅层(5)。4.根据权利要求2所述的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，所述衬底(1)的厚度为2μm。5.根据权利要求1所述的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，所述条形波导(2)的厚度H＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：惠战强，文习建，韩冬冬，李田甜，葛海波，巩稼民，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：