一種硅基可調偏振旋轉器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電子技術和平面光波導集成領域，涉及一種硅基可調偏振旋轉器件。
【背景技術】
[0002]近年來，為了突破“電子瓶頸”的局限，光子作為新的信息的載體得到了廣泛的重視。在長距離通信領域，光通信以高帶寬、低損耗等優勢取得了巨大的成功；隨著技術的發展，光通信將朝著更高的集成密度和更短傳輸距離發展，即光器件的規模化和單片集成化。由于硅材料具有大的晶圓面積、CMOS工藝兼容等優勢，利用硅波導體系實現集成光學的方案受到了越來越廣泛的關注。目前，在SOI (Silicon on Insulator)材料上已經實現了多種無源器件以及有源的調制器、光開關等，具有良好的發展前景。
[0003]由于SOI材料大的折射率差，硅波導中TEO模和TMO模的有效折射率、損耗、色散特性都有較大的不同，硅基光波導器件一般具有高度的偏振敏感特性。盡管很多硅波導器件能夠有效地工作在單一的TEO偏振態，在波導內實現動態的偏振控制對硅基光子學的發展具有重要意義。一方面，雖然目前在硅波導內很容易實現光場的振幅、相位、波長的動態控制，但是，實現對光場基本性質之一的偏振態的動態控制還非常的困難。另一方面，偏振調制、偏振復用、量子計算和偏振分集等應用亟需可調的偏振旋轉器件，盡管市場上已經有商用的鈮酸鋰和砷化鎵可調偏振旋轉器件，硅基的可調偏振旋轉器件由于其CMOS兼容、便于大規模生產等特性能夠有效的降低成本。
[0004]硅基無源偏振旋轉器件已經有多種實現方法，原理上可以分為基于模式演化的器件和基于模式干涉的器件，很多無源器件已經可以達到很好的性能，例如大制作容差、大光學帶寬、低損耗、高消光比。但是，很少有關于CMOS工藝兼容、簡單結構的動態可調偏振旋轉器件的報道。文獻“一種大制作容差的可調偏振旋轉機制”(”Highly toleranttunable waveguide polarizat1nrotator scheme，，，0L.37，3534-3536 (2012))中提出的可調偏振旋轉器件，需要可調的偏振相關相移器，但是硅波導的偏振相關相移特性較弱，導致這種機制的可調偏振旋轉器件尺寸過長，不利于大規模集成。文獻“Electricallytunable optical polarizat1n rotat1n on a si I icon chip using Berry’ sphase”(NC.5(2014))提出的硅基可調偏振旋轉器件，并不是完全的平面波導結構。文獻“一種基于標準有源娃基平臺的偏振旋轉分離器件”(“Polarizat1n rotator-splitters instandard active silicon photonics platforms，，，0E.22，3777-3786 (2014))提出了一種基于一般偏振分離旋轉器件和2X23dB耦合器的可調偏振旋轉器件，為實現TEO和TMO偏振態之間的動態可調變化，至少需要2個一般偏振分離旋轉器件和2個3dB耦合器。
[0005]為實現波導內偏振態的動態可調變化，本發明擬提出一種基于對稱偏振旋轉分離器的機制。該機制具有CMOS工藝兼容、大寬帶的、大消光比、低插損等特性，結構上只需要兩個對稱偏振旋轉分離器件和一個相移臂，器件的可調性利用硅波導的熱光或者電光效應，調節過程簡單。
【發明內容】
[0006]鑒于此，本發明要解決傳統的可調偏振旋轉器件結構復雜、器件尺寸過大的缺點，擬在硅基波導中采用對稱偏振旋轉分離器件、相移臂和反向的對稱偏振旋轉分離器件的結構，利用娃波導的熱光或電光效應，實現一種TEO和TMO之間動態可調的偏振旋轉器件。
[0007]為實現上述目的，根據本發明，該硅基可調偏振旋轉器件可以描述為:
[0008]一種硅基可調偏振旋轉器，其特征在于，偏振旋轉器的設計和制作基于平面光波導技術和半導體工藝。
[0009]這種硅基可調偏振旋轉器件，設計思路如附圖1，旋轉器包含，101對稱偏振旋轉分離器件；102可調相移臂；103反向的對稱偏振旋轉分離器件。101對稱的偏振旋轉分離器件包括104雙層的非對稱taper和106對稱的分支，105表示平板波導taper ；107熱調或電調相移部分；103反向的對稱偏振旋轉分離器件包括108反向的對稱分支和109反向的雙層非對稱taper。
[0010]這種硅基可調偏振旋轉器件，其101是一種靜態的模式轉換器件，工作過程可以描述為:輸入TEO (TMO)，輸出兩個振幅相等、相位相同(反)的ΤΕ0。104非對稱taper包括條波導taper和105平板波導taper兩層，105平板波導taper打破了條波導結構垂直方向的對稱性，完成TEO-TEO和TMO-TEl的模式轉換；106對稱的分支完成TEO(TEl)到兩個振幅相等、相位相同(反)的TEO的轉換。
[0011]這種硅基可調的偏振旋轉器件，其102是可調相移臂，主要部分是107的熱調或電調部分，電調結構可以采用PIN結構或者反向PN結構，完成調節輸入的兩個TEO相對相位的功能。
[0012]這種硅基可調偏振旋轉器件，其103是一種靜態模式轉換器件；工作過程可以描述為:輸入兩個振幅相等，相位相同(反)的ΤΕ0，輸出TEO(TMO)。其中108反向的對稱分支完成振幅相等、相位相同(反)的TEO到輸出TEO(TEl)的轉換；109反向的雙層非對稱taper完成ΤΕ0-ΤΕ0、TEl-TMO的模式轉換。
[0013]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0014]1.本發明提供的這種硅基可調偏振旋轉器件，相對于傳統的無源偏振旋轉器件，具有動態可調和大制作容差的優點，動態可調可以為系統提供更大的靈活性，并能夠補償器件在制造過程中存在的制造誤差。
[0015]2.本發明提供的這種硅基可調偏振旋轉器件，相對于傳統的硅基可調偏振旋轉器件，具有結構簡單、調節簡單、光學帶寬較大的優點。
[0016]3.本發明提供的這種硅基可調偏振旋轉器件，可調相移臂根據不同的需求可以設計成不同的結構，既可以利用硅波導的熱光效應，也可以利用硅波導的電光效應，電學結構設計成PIN型結構，也可以設計成反向PN結構。
[0017]4.本發明提供的這種硅基可調偏振旋轉器件，其中對稱偏振旋轉分離器件有多種實現方式，可以由雙層的非對稱taper加對稱分支實現，也可以由絕熱的耦合器件實現。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明提供的硅基可調偏振旋轉器件結構示意圖1，其中對稱偏振旋轉器件由雙層的非對稱taper加對稱分支實現；
[0019]圖2為本發明提供的硅基可調偏振旋轉器件結構的示意圖2;
[0020]201絕熱耦合的對稱偏振旋轉分離器件，202相移臂，203反向的絕熱耦合對稱偏振旋轉分離器件；
[0021]圖3為本發明提供的硅基可調偏振旋轉器件波導的104處截面示意圖；
[0022]301硅波導層，302下二氧化硅包層，303襯底硅，304上二氧化硅包層，305平板波
B B寸)石；
[0023]圖4為有限時域差分方法模擬的硅基可調偏振旋轉器件的輸出端偏振態隨溫度增量的變化關系。
【具體實施方式】
[0024]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0025]具體實施例:結構示意I中的硅基可調偏振旋轉器件，可調相移臂采用熱調形式。
[0026]該可調偏振旋轉器件基于硅絕緣體(SOI)材料，截面結構如圖3，由301硅波導層、302下二氧化硅包層、303襯底硅、304上二氧化硅包層和305平板波導層。當305平板波導層厚度為零時，表示條波導；當305平板波導厚度不零O時，表示脊波導。
[0027]以輸入TMO偏振態為例，附圖1所示的結構的工作原理為:輸入的TMO偏振態經104非對稱雙層taper后轉換為TEl模式；再經106對稱分支，分為上下兩路振幅相等、相位相反的TEO ;再經102可調相移臂對兩路TEO引入不同的相位；這兩路TEO再經108反向分支結構合束在一起，引入的相位差為O ()，則合束成TEO(TEl);再經109反向的對稱分支，完成TEO (TEl)到TEO (TM。)的轉換。
[0028]在1550nm波長附近，硅波導的熱光系數近似為1.86X10-4K-1，附圖4是用有限時域差分方法仿真的，輸入TMO偏振態時，輸出端偏振態隨硅波導折射率增量和溫度增量的變化關系。從圖4可以看出，硅波導的折射率(溫度)增量為0.007 (37.66Κ)時，輸入的TMO偏振態完全轉換為輸出端TEO偏振態；當折射率(溫度)的增量為O或0.014(0或75.32Κ)時，仍然輸出TMO偏振態；當折射率(溫度)增量為其他值時，輸出端同時有TEO和TMO偏振態，并且兩者之間的功率比隨折射率(溫度)增量的變化而變化。
[0029]上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種硅基可調偏振旋轉器件，器件主要包含三個功能器件:對稱偏振旋轉分離器件(101);可調相移臂(102)和反向的對稱偏振旋轉分離器件(103)，其中對稱的偏振旋轉分離器件(101)包括雙層的非對稱taper (104)對稱的分支(106);可調相移臂(102)包括熱調或電調相移部分(107);反向的對稱偏振旋轉分離器件(103)包括反向的對稱分支(108)和反向的雙層非對稱taper (109)，器件輸入TEO或TMO偏振態，輸出TEO和TMO偏振態的功率比連續可調。2.根據權利要求1所述的硅基可調偏振旋轉器件，其特征在于，對稱偏振旋轉分離器件(101)由絕熱的耦合器或者非對稱雙層taper加對稱分支組成，把輸入的TEO或TMO分為輸出的兩個振幅相等、相位相同或相反的ΤΕ0。3.根據權利要求1所述的硅基可調偏振旋轉器件，其特征在于，可調相移臂(102)利用娃波導的熱光效應或利用娃波導的電光效應實現，調節輸入的兩個TEO相對相位。4.根據權利要求1所述的硅基可調偏振旋轉器件，其特征在于，反向的對稱偏振旋轉分離器件(103)是一個反向的對稱偏振旋轉分離器件，由絕熱的耦合器，或者非對稱雙層taper加對稱分支組成，把輸入的兩個振幅相等、相位相同或相反的TEO合成輸出TEO或TMO05.根據權利要求4所述的硅基可調偏振旋轉器件，其特征在于，熱調或電調部分(107)的電調采用PIN結構或者反向PN結構，調節輸入的兩個TEO相對相位。6.根據權利要求1-5任一所述的硅基可調偏振旋轉器件，其特征在于，該可調偏振旋轉器件采用硅絕緣體(SOI)材料制備，由硅波導層(301)、下二氧化硅包層(302)、襯底硅(303)、上二氧化硅包層(304)和平板波導層(305)組成。
【專利摘要】本發明公開了一種硅基可調偏振旋轉器件，硅基可調偏振旋轉器的設計和制作基于平面光波導技術和半導體工藝，可實現波導中TEO和TMO偏振態之間的動態可調轉換；該可調偏振旋轉器主要包含三個功能器件：101.對稱偏振旋轉分離器件，102.相移臂，103.反向的對稱偏振旋轉分離器件；功能器件101結構上可以由絕熱的耦合器或者非對稱雙層taper加對稱分支實現，功能器件102結構上可以是電光的也可以是熱光的，功能器件103可以由絕熱的耦合器或者非對稱雙層taper加對稱分支實現；相比以往的各種可調偏振旋轉器件，該器件基于硅基平面光波導技術，具有CMOS兼容的優點，且器件結構簡單，制作工藝簡單。
【IPC分類】G02B6/12, G02B6/126, G02B27/28, G02F1/01
【公開號】CN105204113
【申請號】CN201510716751
【發明人】郭德汾, 儲濤, 候康
【申請人】中國科學院半導體研究所
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年10月29日