一种片上偏振旋转分束结构的制作方法

本发明涉及一种片上偏振旋转分束结构。

背景技术：

1、随着光子集成电路（pic）向高密度、多功能化方向发展，片上偏振控制技术已成为实现偏振复用系统的核心支撑。偏振旋转分束器（prs）作为能够将入射的任意偏振态光信号（通常为te模式和tm模式）高效分离并进行旋转以实现同向偏振输出的关键光子器件，在光通信及光计算领域具有重要的应用价值。

2、目前，基于绝缘体上硅（soi）平台的片上偏振旋转分束结构主要通过非对称定向耦合器（adc）、亚波长光栅、非对称波导结构或模式演化绝热锥形结构来实现。尽管上述结构在一定程度上实现了偏振的分离与旋转，但在实际应用中仍面临一些技术瓶颈，其中一个重要的方面是结构复杂性和制造工艺容差较低，具体来说，部分高性能prs设计需要复杂的层叠结构、复杂的波导横截面设计或特殊的掺杂工艺，这不仅增加了光刻工艺的复杂度，也提高了制造成本，且与标准的cmos兼容工艺流程的适配性较差，并且为了实现精确的模式转化与分束，现有结构往往需要极高的工艺精度。微小的加工偏差（如波导侧壁粗糙度、刻蚀深度误差等）即会导致模式耦合效率大幅下降，造成串扰增加及消光比恶化，导致器件良率难以在大规模生产中得到保障。另外，许多基于模式耦合或干涉原理的prs结构对波长变化较为敏感，导致其工作带宽较窄。在宽带光通信应用中，这些器件难以在整个通信波段内保持稳定的消光比和插入损耗，限制了其实际应用场景。

3、综上所述，现有片上偏振旋转分束结构在实现紧凑尺寸、宽工作带宽、高制造容差及低插入损耗之间难以取得理想的平衡。因此，亟需设计一种新型的片上偏振旋转分束结构，实现结构简单且工艺容差较高的高性能prs结构，进一步提升光子集成系统的整体性能。

技术实现思路

1、本发明目的是提出一种片上偏振旋转分束结构，采取的技术方案：

2、一种片上偏振旋转分束结构，包括输入氮化硅波导、模式转换器、模式耦合器和输出硅波导，模式转换器的一端连接输入氮化硅波导，模式转换器的另一端与模式耦合器相连；输入氮化硅波导将光纤中的tm和te两个偏振模式耦合输入，经过模式转换器将氮化硅波导层中的tm基模转化为硅波导层中te1模式，te基模耦合到硅波导层中仍为te0模式；再经过模式耦合器将硅波导层中的te1模式和te0模式转化成两个波导输出端口的te0模式，最后由输出硅波导分别传输。

3、对本发明技术方案的进一步优选，模式转换器为一段反向拉锥波导结构，包括氮化硅拉锥波导和硅拉锥波导，氮化硅拉锥波导的起始端与输入氮化硅波导相连；硅拉锥波导的起始端与氮化硅拉锥波导在垂直方向上重叠，且氮化硅拉锥波导位于上方；氮化硅拉锥波导的宽度沿模式传输方向逐渐减小，硅拉锥波导的宽度沿模式传输方向逐渐增大。

4、对本发明技术方案的进一步优选，反向拉锥波导结构中的波导边缘变化函数是一阶、二阶或三阶中的任一一种。具体来说，一阶函数对应波导宽度随拉锥长度均匀变化的情况，二阶或者三阶函数对应从窄端开始波导宽度随长度先缓慢变化后快速变化的情况。二阶或是三阶函数的波导边缘，可以使得窄端部分更充分地耦合，进而缩短该结构的总长度，但同时对波导刻蚀工艺提出了更高的要求。

5、对本发明技术方案的进一步优选，模式耦合器包括第一耦合波导和第二耦合波导，第一耦合波导和第二耦合波导平行设置，第一耦合波导的起始端与硅拉锥波导的终止端相连；第一耦合波导的波导宽度与硅拉锥波导终止端的波导宽度相等；模式转换器输出的te1模式和te0模式进入第一耦合波导，第一耦合波导传输te0模式并将te1模式能量耦合到第二耦合波导中，变为第二耦合波导中的te0模式。

6、对本发明技术方案的进一步优选，输出硅波导包括第一输出硅波导和第二输出硅波导，第一输出硅波导一端连接第一耦合波导的终止端，输出第一te0模式；第二输出硅波导一端连接第二耦合波导，输出第二te0模式。

7、对本发明技术方案的进一步优选，所有波导均为条形波导。

8、对本发明技术方案的进一步优选，片上偏振旋转分束结构，从下至上依次包括：衬底层、硅波导层和氮化硅波导层，四周均为氧化硅，其中硅波导层截面为梯形，侧壁倾角为θ；氮化硅波导层的厚度范围为100纳米至500纳米，氮化硅波导层宽度为90纳米至2微米；硅波导层的厚度范围为200纳米至1微米，硅波导层的宽度为90纳米至2微米。

9、对本发明技术方案的进一步优选，硅波导层的侧壁倾角θ的范围为50°至85°。波导侧壁倾角越小，在波导垂直方向上的非对称性越强，模式杂化效应也越强，所需拉锥波导的长度也越短，该偏振旋转分束结构的整体长度也会越短，更利于片上集成。

10、对本发明技术方案的进一步优选，氮化硅波导层和硅波导层之间的氧化硅厚度为200纳米到600纳米。

11、对本发明技术方案的进一步优选，氮化硅波导层上方氧化硅包层的厚度为1微米到6微米。

12、本发明与现有技术相比具有的有益效果：

13、本发明的片上偏振旋转分束结构，在输入波导部分，利用氮化硅波导的低折射率波导设计耦合和传输结构，与硅波导耦合器相比具有更低折射率差，降低了光纤中的模式到集成芯片内的耦合损耗。

14、本发明的片上偏振旋转分束结构，在模式转换器部分，通过氮化硅波导和硅波导的层间反向拉锥结构将氮化硅波导内的模式耦合到硅波导中，同时利用硅波导中的模式杂化效应，在缓慢拉锥过程中完成模式转换，此段结构兼具了模式层间耦合和模式杂化功能，降低了整体结构的总长度，提升了器件紧凑性和整体集成度。

15、本发明的片上偏振旋转分束结构，设计简单，由基础的条形波导器件单元构成，只需要进行单次刻蚀，降低了多次刻蚀引入的参数偏差风险，削减了刻蚀工艺的复杂度，整体工艺更具稳定性，从设计层面提升了器件良率。

16、本发明的片上偏振旋转分束结构，在功能上兼顾了耦合损耗和器件整体长度，实现了插损和集成度的优化。在工艺上，降低了刻蚀流程的复杂度，使制作更具稳定性，从设计层面提升了器件良率。

1.一种片上偏振旋转分束结构，其特征在于，包括输入氮化硅波导（7）、模式转换器（1）、模式耦合器（2）和输出硅波导，模式转换器（1）的一端连接输入氮化硅波导（7），模式转换器（1）的另一端与模式耦合器（2）相连；输入氮化硅波导（7）将光纤中的tm和te两个偏振模式耦合输入，经过模式转换器（1）将氮化硅波导层（3）中的tm基模转化为硅波导层（4）中te1模式，te基模耦合到硅波导层（4）中仍为te0模式；再经过模式耦合器（2）将硅波导层（4）中的te1模式和te0模式转化成两个波导输出端口的te0模式，最后由输出硅波导分别传输。

2.根据权利要求1所述的片上偏振旋转分束结构，其特征在于，模式转换器（1）为一段反向拉锥波导结构，包括氮化硅拉锥波导（101）和硅拉锥波导（102），氮化硅拉锥波导（101）的起始端与输入氮化硅波导（7）相连；硅拉锥波导（102）的起始端与氮化硅拉锥波导（101）在垂直方向上重叠，且氮化硅拉锥波导（101）位于上方；氮化硅拉锥波导（101）的宽度沿模式传输方向逐渐减小，硅拉锥波导（102）的宽度沿模式传输方向逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的片上偏振旋转分束结构，其特征在于，反向拉锥波导结构中的波导边缘变化函数是一阶、二阶或三阶中的任一一种。

4.根据权利要求2所述的片上偏振旋转分束结构，其特征在于，模式耦合器（2）包括第一耦合波导（201）和第二耦合波导（202），第一耦合波导（201）和第二耦合波导（202）平行设置，第一耦合波导（201）的起始端与硅拉锥波导（102）的终止端相连；第一耦合波导（201）的波导宽度与硅拉锥波导（102）终止端的波导宽度相等；模式转换器（1）输出的te1模式和te0模式进入第一耦合波导（201），第一耦合波导（201）传输te0模式并将te1模式能量耦合到第二耦合波导（202）中，变为第二耦合波导（202）中的te0模式。

5.根据权利要求4所述的片上偏振旋转分束结构，其特征在于，输出硅波导包括第一输出硅波导（8）和第二输出硅波导（9），第一输出硅波导（8）一端连接第一耦合波导（201）的终止端，输出第一te0模式；第二输出硅波导（9）一端连接第二耦合波导（202），输出第二te0模式。

6.根据权利要求5所述的片上偏振旋转分束结构，其特征在于，所有波导均为条形波导。

7.根据权利要求1所述的片上偏振旋转分束结构，其特征在于，所述片上偏振旋转分束结构，从下至上依次包括：衬底层（5）、硅波导层（4）和氮化硅波导层（3），四周均为氧化硅，其中硅波导层（4）截面为梯形，侧壁倾角为θ；氮化硅波导层（3）的厚度范围为100纳米至500纳米，氮化硅波导层（3）宽度为90纳米至2微米；硅波导层（4）的厚度范围为200纳米至1微米，硅波导层（4）的宽度为90纳米至2微米。

8.根据权利要求7所述的片上偏振旋转分束结构，其特征在于，硅波导层（4）的侧壁倾角θ的范围为50°至85°。

9.根据权利要求7所述的片上偏振旋转分束结构，其特征在于，氮化硅波导层（3）和硅波导层（4）之间的氧化硅厚度为200纳米到600纳米。

10.根据权利要求6所述的片上偏振旋转分束结构，其特征在于，氮化硅波导层（3）上方氧化硅包层的厚度为1微米到6微米。