[发明专利]硅基芯片集成的大工艺容差偏振旋转器件

说明书

本发明是一种硅基芯片集成的大工艺容差的偏振旋转器件，包括入射波导部分、对称性打破部分以及出射波导部分，对称性打破部分的包层被部分刻蚀。包层的部分刻蚀为平行于波导上表面的长方体形凹槽，凹槽位于对称性打破部分的波导侧上方的包层内，其长度满足包层刻蚀后的两本征模式之间具有180度的位相差，长方体形凹槽的宽度需大于等于0.9微米，长方体凹槽从包层的顶部开始刻蚀，长方体形凹槽的最底面距离波导上表面的垂直间距，等于长方体形凹槽与波导之间的水平间距，垂直间距、水平间距的值均为0～0.2微米。本发明的优点在于，对称性打破部分是在包层上的部分刻蚀实现，由于包层的尺寸在微米量级，因此套刻精度带来的误差相对很小,工艺容差非常大。

技术领域

本发明涉及高速大容量光纤传输系统，尤其涉及偏振态处理集成芯片。

背景技术

目前的硅基光子学已经成为了解决高性能光计算、光传感与片上光信号处理单元的重要学科。硅基光学器件有着众多优势，如与传统微电子生产工艺兼容、结构紧凑、功耗低等。然而，由于硅基器件本身芯层与包层的折射率差非常大，很大的结构双折射效应导致了硅基器件对偏振非常敏感。偏振相关损耗、偏振模式色散和其他的偏振特性会严重的影响集成芯片的传输容量。为了克服这些问题，科学工作者提出了偏振分集的方法。其原理是，首先将入射的偏振态分束成横电模(TE)和横磁模(TM)，接着将其中一路的TM光利用偏振旋转器件转换成TE光，这样片上的信号处理单元只需要工作在同一偏振态(TE)下即可。在输出端，将另一路TE光再旋转成TM光，最后再将两路偏振光合束输出。

目前报道的偏振旋转器件的原理可以分为两种，一种是基于模式耦合，另一种则是基于模式演化。相比前者，基于模式演化的偏振旋转器件具有更大工作带宽、更好偏振消光比等优点。目前比较典型的方案是采用波导刻蚀，其结构图如图1所示。这种方案通过对波导102的部分刻蚀，来改变结构的纵向对称性。通常刻蚀部分101的刻蚀宽度为数十纳米，然而目前业界的套刻精度在10纳米量级，这样的套刻误差对波导的部分刻蚀影响是非常巨大的。因此在实际应用中，利用这种方案的偏振旋转器件良品率比较低。有的科学工作者对这种方案进行了改进，如图2所示。该方案是利用单侧脊波导103取代了部分刻蚀，这么做同样可以打破波导结构原有的对称性，从而实现偏振旋转。但是本方案需要对脊波导部分的厚度进行精确控制，在一定程度上增加了工艺的复杂度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是发明一种工艺容差足够大，能满足现有工艺条件的偏振旋转器件，并且本身工艺相对简单。

为了解决上述技术问题，本发明提出硅基芯片集成的大工艺容差偏振旋转器件，包括三个部分：入射波导部分、对称性打破部分以及出射波导部分，其特征在于，所述对称性打破部分的包层被部分刻蚀。所述部分刻蚀为平行于波导上表面的长方体形凹槽，所述长方体形凹槽位于所述对称性打破部分的波导侧上方的包层内，所述长方体形凹槽的长度满足包层刻蚀后的两本征模式之间具有180度的位相差，所述长方体形凹槽的宽度大于等于0.9微米，长方体凹槽从包层的顶部开始刻蚀，长方体形凹槽的最底面距离波导上表面的垂直间距，等于所述长方体形凹槽与波导之间的水平间距，所述垂直间距、水平间距的值均为0～0.2微米。

优选的，所述长方体形凹槽宽度为1～2微米，可获得最好的偏振旋转效果。

优选的，所述长方体形凹槽的长度等于所述对称性打破部分的波导的长度。所述垂直间距、水平间距的值均为0.1微米。

输入波导部分采用倒锥结构，波导宽度逐渐减少，使入射光的模场部分弥散到包层中。

输出波导也采用锥形结构，使得旋转的偏振态耦合输出。