[发明专利]基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器

说明书

本发明公开了基于垂直耦合结构的硅‑氮化硅集成偏振分束器，包括输入波导、偏振分束波导、第一输出波导和第二输出波导，所述输入波导与偏振分束波导一端连接，所述偏振分束波导另一端分别与第一输出波导、第二输出波导连接，所述偏振分束波导是由下至上硅‑氮化硅‑硅构成的三层结构。本发明结构紧凑，具有较短的横向尺寸和纵向长度，提高了器件的集成度；具有较高的偏振消光比；有较大的制造容差，对光刻工艺的精度要求相对较低，大大降低了工艺成本。

技术领域

本发明涉及偏振分束器，特别涉及基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器。

背景技术

随着人们对信息交换需求日益增长，光通信系统需要越来越大的传输容量和越来越快的处理速度，对电路与光路集成度的要求也越来越高。5G技术的逐步应用以及数据中心高速光互连使得大规模的光子集成成为未来发展的方向。近年来，基于绝缘体上硅(SOI)平台的光子集成回路开始获得广泛的关注和应用，主要得益于二氧化硅和硅之间超高折射率差的特性，能将光场很好的限制在芯层，因而能够实现亚微米尺寸的器件横截面以及小半径的波导弯曲。然而，由于极高的结构双折射，基于SOI的光子集成系统对光的偏振态十分敏感，即对于传输光的横向电场(TE)和横向磁场(TM)模式会产生不同的响应，因此对光偏振态的控制和管理就相当重要。偏振分束器作为一种能够有效分离TE和TM模式的光学器件，在SOI集成光学系统中必不可少。为此，众多偏振分束器件方案被提出，包括定向耦合器型、多模干涉型、光子晶体型、表面等离激元型等，其中定向耦合器型偏振分束器由于结构简单，性能优良，成为偏振分束器的主要组成结构。

然而，现有的定向耦合器型偏振分束器有以下缺陷：其一，定向耦合器一般由两个并列的波导发生模式耦合，需要两个波导的尺寸正好满足模式的相位匹配条件，因此一般的定向耦合器具有比较小的制造容差，对制造精度有较高的要求；其二，定向耦合器主要是水平耦合结构，需要两个波导横向排列，因此器件的水平尺寸较大，对大规模光子集成不利。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种具有较大制造容差以及结构紧凑的基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器。

技术方案：本发明所述的一种基于垂直耦合结构的硅-氮化硅集成偏振分束器，包括用于输入光信号的输入波导、偏振分束波导、用于输出光信号的第一输出波导和第二输出波导，所述输入波导与偏振分束波导一端连接，所述偏振分束波导另一端分别与第一输出波导、第二输出波导连接，所述偏振分束波导是由下至上依次分布的硅-氮化硅-硅构成的三层结构，输入光信号的TE偏振在偏振分束器的上硅层和下硅层之间垂直耦合。

所述输入波导和第一输出波导是由下至上依次分布的硅-氮化硅构成的两层结构。

所述第二输出波导是单层硅结构，呈S形弯曲形状。

所述偏振分束器还包括包层，包覆在输入波导、偏振分束波导、第一输出波导和第二输出波导外侧。

所述输入波导、偏振分束波导、第一输出波导、第二输出波导中硅层厚度为80～180微米，氮化硅层厚度为300～600微米。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、输入光信号中TE模式主要在偏振分束波导的下硅层和上硅层之间垂直耦合，不需要两条波导横向排列，因此本发明的横向尺寸较小；通过调整偏振分束波导中硅-氮化硅-硅结构各层的厚度，使TE模式的奇模和偶模具有较大的有效折射率差，大大减小TE模式的耦合长度，实现较短的器件纵向长度，结构紧凑，大大提高了器件的集成度；

2、本发明的偏振分束波导中，TE模式分布在上、下硅层，TM模式分布在中间氮化硅层，使得两种模式分开传输，并且在第二输出波导的S形弯曲波导输出后，将TE模式分离出去时少有TM模式存在，大大提高了偏振消光比；