偏振分束旋轉(zhuǎn)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種光學器件領(lǐng)域，特別是涉及一種偏振分束旋轉(zhuǎn)器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對信息傳輸、處理速度要求的不斷提高和多核計算時代的來臨，基于金屬的電互連將會由于過熱、延遲、電子干擾等缺陷成為發(fā)展瓶頸。而采用光互連來取代電互連，可以有效解決這一難題。在光互連的具體實施方案中，硅基光互連以其無可比擬的成本和技術(shù)優(yōu)勢成為首選。硅基光互連既能發(fā)揮光互連速度快、帶寬大、抗干擾、功耗低等優(yōu)點，又能充分利用微電子工藝成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等優(yōu)勢，其發(fā)展必將推動新一代高性能計算機、光通信系統(tǒng)的發(fā)展，有著廣闊的市場應用前景。
[0003]在過去，硅基光互連的研宄重點主要是在硅基上實現(xiàn)各種光功能性器件，如硅基電泵浦激光器、電光調(diào)制器、光電探測器、波分復用器件及模分復用器件等。除了片上光互連之外，其他形式的光互連不可避免地需要和外部世界連接。在現(xiàn)階段的技術(shù)背景下，往往采用光纖作為對外連接媒介。但是，一方面，光纖中的偏振態(tài)是隨機的；另一方面，SOI波導有著比傳統(tǒng)集成光波導(如二氧化硅波導)大得多的材料折射率差，使得TE和TM模式的有效折射率差別很大，造成器件性能對偏振態(tài)極其敏感。因此，如果不妥善解決器件性能偏振敏感的問題，硅基光子學將只能局限于不與外界連接的研宄狀態(tài)，無法像傳統(tǒng)集成光學那樣可以實現(xiàn)更加復雜的器件回路或者器件網(wǎng)絡，更加無法實現(xiàn)光互連替代電互連的目標。目前一種解決方案是針對每種器件專門設(shè)計其偏振不敏感的結(jié)構(gòu)，但是，在偏振不敏感優(yōu)化尺寸下的器件一般情況下都不是性能最佳的，而且這些器件往往需要特殊的器件結(jié)構(gòu)和復雜的工藝控制，效果很難保證；另一個解決方案是采用方形波導，但此方案需要精確控制尺寸，在工藝上很難實現(xiàn)，而且遇到耦合、彎曲等構(gòu)型時依然是偏振敏感的。
[0004]一種更加有效的方案是采用極化分集機制。從光纖耦合進入芯片的任意偏振的光可以看成是TE和TM模式的線性疊加，這兩個正交的分量在經(jīng)過一個偏振分束旋轉(zhuǎn)器(I X 2端口)后，TE模式保持不變，而TM模式將轉(zhuǎn)化為TE模式，并從相鄰的端口輸出。這兩個TE模式的光分別經(jīng)過兩個工作于TE模式的硅基功能器件，實現(xiàn)各種功能和信號處理。輸出的光再通過相反的過程將偏振態(tài)重新組合起來，在輸出端由另外一根光纖接收。在這樣的機制下面，功能性器件全部工作于TE模式，外界偏振態(tài)不影響內(nèi)部工作，因此極大地降低了對功能器件的設(shè)計要求，顯著地提高硅基光子器件在光互連、光通信等領(lǐng)域的可行性和應用前景。
[0005]上述極化分集機制的核心器件是偏振分束旋轉(zhuǎn)器。在這個器件中需要實現(xiàn)由TM模式到TE模式的轉(zhuǎn)換，就必須將這兩個原本正交的模式變成混合模式，這一點可以通過非對稱的波導來實現(xiàn)。一種最簡單的方式是采取空氣上包層，因為此時上包層(空氣)和下包層(二氧化硅)的材料不一致，使得波導橫截面的對稱性被打破。雖然制作這樣的器件工藝步驟較少，但是因為沒有上包層，器件易被氧化、還會吸收空氣中的水分，使器件變得不穩(wěn)定。而且對基于CMOS工藝的大規(guī)模硅基光電集成來說，必須要求有二氧化硅上包層?？諝馍习鼘拥钠骷o法和諸如調(diào)制器、濾波器這樣的器件進行集成。因此找到具有二氧化硅上包層的非對稱波導，并實現(xiàn)具有二氧化硅上包層的偏振分束旋轉(zhuǎn)器，是目前業(yè)界關(guān)注的熱點。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本實用新型的目的在于提供一種偏振分束旋轉(zhuǎn)器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中難以實現(xiàn)具有二氧化硅上包層的偏振分束旋轉(zhuǎn)器的問題。
[0007]為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本實用新型提供一種偏振分束旋轉(zhuǎn)器，所述偏振分束旋轉(zhuǎn)器至少包括:
[0008]形成在SOI材料的頂層硅中的波導，所述波導至少包括順次連接的單模輸入波導、雙刻蝕波導和定向親合波導；
[0009]所述雙刻蝕波導，包括一端與所述單模輸入波導的尾端相連接的第一刻蝕區(qū)和位于所述第一刻蝕區(qū)兩側(cè)的第二刻蝕區(qū)，所述第一刻蝕區(qū)的高度大于所述第二刻蝕區(qū)的高度；
[0010]所述定向耦合波導，包括相互分離的直通波導和彎曲波導，所述直通波導連接所述第一刻蝕區(qū)的尾端，所述彎曲波導位于所述直通波導一側(cè)。
[0011]優(yōu)選地，所述單模輸入波導為直條狀。
[0012]優(yōu)選地，所述雙刻蝕波導包括順次連接的第一雙刻蝕波導和第二雙刻蝕波導，所述第一雙刻蝕波導中的第一刻蝕區(qū)還與所述單模輸入波導相連接，所述第二雙刻蝕波導中的第一刻蝕區(qū)還與所述定向耦合波導相連接；
[0013]其中，所述第一刻蝕區(qū)的寬度線性遞增；
[0014]所述第一雙刻蝕波導中的所述第二刻蝕區(qū)的寬度線性遞增，所述第二雙刻蝕波導中的所述第二刻蝕區(qū)寬度線性遞增。
[0015]優(yōu)選地，所述單模輸入波導的寬度為350nm?650nm，高度為200nm?500nm。
[0016]優(yōu)選地，包括:
[0017]所述第二刻蝕區(qū)的波導高度為50nm?150nm ；
[0018]在與所述單模輸入波導相連的一端，所述第一刻蝕區(qū)的寬度與所述單模輸入波導的寬度相同，所述第二刻蝕區(qū)的寬度為Onm?50nm ；
[0019]在所述第一雙刻蝕波導和第二雙刻蝕波導交界處，所述第一刻蝕區(qū)的寬度比所述單模輸入波導的寬度大50nm?200nm，所述第二刻蝕區(qū)的寬度為200nm?100nm ；
[0020]在與所述定向耦合波導相連的一端，所述第一刻蝕區(qū)的寬度比位于所述第一雙刻蝕波導和第二雙刻蝕波導交界處的所述第一刻蝕區(qū)的寬度大500nm，所述第二刻蝕區(qū)的寬度為Onm?50nm。
[0021]優(yōu)選地，進入所述偏振分束旋轉(zhuǎn)器的光的波長范圍為1.25 μπι?1.75 μ mo
[0022]優(yōu)選地，所述定向耦合波導依次包括:耦合過渡區(qū)、主要耦合區(qū)和去耦合過渡區(qū)；其中，
[0023]在所述耦合過渡區(qū)和所述主要耦合區(qū)，所述直通波導為直條狀；在所述耦合過渡區(qū)，所述彎曲波導為逐漸靠近所述直通波導的圓弧狀；在所述主要耦合區(qū)，所述彎曲波導為與所述直通波導平行的直條狀；
[0024]在所述去耦合過渡區(qū)，所述直通波導為寬度逐漸變窄的錐形狀；所述彎曲波導為寬度漸增，且逐漸遠離所述直通波導的彎曲狀。
[0025]優(yōu)選地，在所述耦合過渡區(qū)，所述彎曲波導為半徑為5 μ m?50 μ m的圓弧狀；在所述去耦合過渡區(qū)，所述彎曲波導為S狀。
[0026]優(yōu)選地，包括:
[0027]在所述耦合過渡區(qū)和所述主要耦合區(qū)，所述直通波導的寬度與所述第一刻蝕區(qū)的尾端的寬度一致，所述彎曲波導的寬度為200nm?500nm，所述直通波導和所述彎曲波導的距離為0.1 μ m?0.25 μ m ;
[0028]在所述去親合過渡區(qū)的尾端，所述直通波導的寬度為350nm?650nm，所述彎曲波導的寬度為350nm?650nm，所述直通波導和所述彎曲波導的距離為I μπι?2 μπι。
[0029]優(yōu)選地，所述耦合過渡區(qū)的長度為Ομπι?50μπι，所述主要耦合區(qū)的長度為
Oμ m?50 μ m，所述去親合過渡區(qū)的長度為10 μ m?30 μ m。
[0030]優(yōu)選地，在所述去耦合過渡區(qū)的尾端，所述直通波導和所述彎曲波導還分別連接有直條狀的單模輸出波導。
[0031]如上所述，本實用新型的偏振分束旋轉(zhuǎn)器，具有以下有益效果:
[0032]1、本實用新型的技術(shù)方案提供的偏振分束旋轉(zhuǎn)器中利用第一刻蝕區(qū)和第二刻蝕區(qū)的高度不同，使得雙刻蝕波導的橫截面上下不對稱，從而使得在光的傳輸過程中，沿著傳輸方向，位于雙刻蝕波導中的第一雙刻蝕波導中會存在光的模式混合區(qū)域，即TE和TM的過渡形式。
[0033]2、本實用新型的技術(shù)方案提供的偏振分束旋轉(zhuǎn)器中，所述雙刻蝕波導的模式轉(zhuǎn)換是寬帶的，可以輔助整個器件工作在幾百個納米的波長范圍內(nèi)，而所述定向耦合器采用了嚴格的相位匹配條件，因此長度較短，可以滿足高密度光電集成的要求。結(jié)合利用這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，可以解決傳統(tǒng)器件中不能同時滿足寬帶特性和尺寸小的缺點。
[0034]3、本實用新型的實施例中提供的偏振分束旋轉(zhuǎn)器加工工藝比較簡單，本領(lǐng)域技術(shù)人員皆能理解，本實用新型提供的偏振分束旋轉(zhuǎn)器利用常規(guī)的CMOS工藝就可以實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0035]圖1顯示為本實用新型的實施例中提供的偏振分束旋轉(zhuǎn)器的俯視圖的示意圖。
[0036]圖2顯示為圖1中所示的偏振分束旋轉(zhuǎn)器在虛線AA’處的器件橫截面示意圖。
[0037]圖3顯示為圖1中所示的偏振分束旋轉(zhuǎn)器在虛線BB’處的器件橫截面示意圖。
[0038]圖4顯示為圖1中所示的偏振分束旋轉(zhuǎn)器在虛線CC’處的器件橫截面示意圖。
[0039]圖5顯示為圖1中所示的偏振分束旋轉(zhuǎn)器在虛線DD’處的器件橫截面示意圖。
[0040]圖6顯示為圖1中所示的偏振分束旋轉(zhuǎn)器在虛線EE’或虛線FF’處的器件橫截面示意圖。
[0041]圖