[发明专利]偏振分束器和旋转器设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种偏振分束器和旋转器设备，尤其涉及一种用于氮化硅平台的基于横截面不对称波导的绝缘转换和绝缘解复用的偏振分束器和旋转器设备。本发明还涉及一种用于生产偏振分束器和旋转器设备的方法。本发明一般涉及光子集成电路领域。

背景技术

作为在电信、数据通信、互连和传感中广泛应用的通用技术平台，硅光子学显得日趋重要。其可以通过在高质量低成本的硅衬底上使用互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)兼容的晶圆级技术来实现光子功能。然而，纯无源硅波导设备的性能在插入损耗、相位噪声(导致信道串扰)和温度依存性方面仍然受限。这是因为SiO₂(二氧化硅)包层和Si(硅)芯层之间的相对折射率差高、Si层厚度不均匀以及硅的热光效应大。

基于氮化硅的无源设备提供优越性能。已经证明，SiNx(氮化硅)芯层厚度为640nm的波导具有0.1dB/cm的传播损耗，而芯层厚度为50nm的波导具有甚至低于0.1dB/m的传播损耗。此外，SiN_x(n＝2)和SiO₂(n＝1.45)对照Si(n＝3.5)和SiO₂(n＝1.45)之间的相对折射率(n)差略小，导致相位噪声更少而制造容差更大。这有助于制造高性能但是仍然非常紧凑的光电路，例如阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating)、环形谐振器等。氮化硅波导既作为有源硅光子芯片上的高性能无源波导层报道过，而且还作为‘独立’无源光芯片报道过。

硅和氮化硅材料系统(相比于石英波导)的高相对折射率差引入了强偏振依存性。为了实现偏振无关光电路，通常采用使用偏振分束器和旋转器(polarization splitter and rotator，PSR)的偏振分集结构。偏振分束/旋转功能可以在单个设备(PSR)或者独立偏振分束器(polarization splitter，PS)和偏振旋转器(polarization rotator，PR)的组合中实现。

在如图1所示的偏振分集结构100中，输入信号102由偏振分束器101划分为两个正交偏振分量(TE 106和TM 104)，这些分量中的一个104旋转103了90°(TM 104→TE 108)以实现单个片上偏振状态。两个相同的光子分量105、107用于架构的两臂。输出处，两臂112、114重新组合111以在旋转109其中一个偏振分量110之后提供输出信号116，从而避免两个信号之间的干扰。这样，偏振透明电路是由两个偏振敏感光子分量创建而来的。

硅中的许多偏振分束器和旋转器(polarization splitter and rotator，PSR)利用以下事实：偏振转换可能存在于图2a和图2b所示的垂直不对称波导结构200a、200b中。这时，下包层201、211是石英(SiO₂)，上包层203、213是不同的材料，其折射率小于硅(n＝3.45)205、215。使用空气(n＝1)200a，参见图2a，以及使用氮化硅(n＝2)200b，参见2b，作为上包层材料203、213的两种设备都已经报道过。波导横截面如图2a和2b所示。

关于空气上包层结构200a的问题在于，这些设备需要气密性封装，以便保持折射率恒定。氮化硅包覆的PSR 200b并不存在这个情况。

图2a和图2b的示例利用具有石英下包层和氮化硅或空气上包层的不对称硅波导。将垂直不对称性引入氮化硅波导并不简单，因为空气在没有明显增加生产成本的情况下无法用作上包层。上包层材料的折射率需要尽可能地与二氧化硅(n＝1.45)不同，但是需要低于氮化硅芯层(n＝2)的折射率。该范围太小以致于不能获得强不对称性。此外，材料需要与CMOS兼容。

另一结构300使用具有石英上包层303和下包层301的氮化硅波导305以及波导之上的薄硅层302(10至100nm)以产生垂直不对称性，如图3所示。为便于制造，薄硅层304(<100nm)可以出现在中间。波导的高度(h)取决于应用的波长。对于约1.55μm的波长，代表值为约400nm。