偏振分束旋转器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种光学器件领域，特别是涉及一种偏振分束旋转器。
【背景技术】
[0002]随着人们对信息传输、处理速度要求的不断提高和多核计算时代的来临，基于金属的电互连将会由于过热、延迟、电子干扰等缺陷成为发展瓶颈。而采用光互连来取代电互连，可以有效解决这一难题。在光互连的具体实施方案中，硅基光互连以其无可比拟的成本和技术优势成为首选。硅基光互连既能发挥光互连速度快、带宽大、抗干扰、功耗低等优点，又能充分利用微电子工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等优势，其发展必将推动新一代高性能计算机、光通信系统的发展，有着广阔的市场应用前景。
[0003]在过去，硅基光互连的研宄重点主要是在硅基上实现各种光功能性器件，如硅基电泵浦激光器、电光调制器、光电探测器、波分复用器件及模分复用器件等。除了片上光互连之外，其他形式的光互连不可避免地需要和外部世界连接。在现阶段的技术背景下，往往采用光纤作为对外连接媒介。但是，一方面，光纤中的偏振态是随机的；另一方面，SOI波导有着比传统集成光波导(如二氧化硅波导)大得多的材料折射率差，使得TE和TM模式的有效折射率差别很大，造成器件性能对偏振态极其敏感。因此，如果不妥善解决器件性能偏振敏感的问题，硅基光子学将只能局限于不与外界连接的研宄状态，无法像传统集成光学那样可以实现更加复杂的器件回路或者器件网络，更加无法实现光互连替代电互连的目标。目前一种解决方案是针对每种器件专门设计其偏振不敏感的结构，但是，在偏振不敏感优化尺寸下的器件一般情况下都不是性能最佳的，而且这些器件往往需要特殊的器件结构和复杂的工艺控制，效果很难保证；另一个解决方案是采用方形波导，但此方案需要精确控制尺寸，在工艺上很难实现，而且遇到耦合、弯曲等构型时依然是偏振敏感的。
[0004]一种更加有效的方案是采用极化分集机制。从光纤耦合进入芯片的任意偏振的光可以看成是TE和TM模式的线性叠加，这两个正交的分量在经过一个偏振分束旋转器(I X 2端口)后，TE模式保持不变，而TM模式将转化为TE模式，并从相邻的端口输出。这两个TE模式的光分别经过两个工作于TE模式的硅基功能器件，实现各种功能和信号处理。输出的光再通过相反的过程将偏振态重新组合起来，在输出端由另外一根光纤接收。在这样的机制下面，功能性器件全部工作于TE模式，外界偏振态不影响内部工作，因此极大地降低了对功能器件的设计要求，显著地提高硅基光子器件在光互连、光通信等领域的可行性和应用前景。
[0005]上述极化分集机制的核心器件是偏振分束旋转器。在这个器件中需要实现由TM模式到TE模式的转换，就必须将这两个原本正交的模式变成混合模式，这一点可以通过非对称的波导来实现。一种最简单的方式是采取空气上包层，因为此时上包层(空气)和下包层(二氧化硅)的材料不一致，使得波导横截面的对称性被打破。虽然制作这样的器件工艺步骤较少，但是因为没有上包层，器件易被氧化、还会吸收空气中的水分，使器件变得不稳定。而且对基于CMOS工艺的大规模硅基光电集成来说，必须要求有二氧化硅上包层。空气上包层的器件无法和诸如调制器、滤波器这样的器件进行集成。因此找到具有二氧化硅上包层的非对称波导，并实现具有二氧化硅上包层的偏振分束旋转器，是目前业界关注的热点。
【实用新型内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种偏振分束旋转器，用于解决现有技术中难以实现具有二氧化硅上包层的偏振分束旋转器的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种偏振分束旋转器，所述偏振分束旋转器至少包括:
[0008]形成在SOI材料的顶层硅中的波导，所述波导至少包括顺次连接的单模输入波导、双刻蚀波导和定向親合波导；
[0009]所述双刻蚀波导，包括一端与所述单模输入波导的尾端相连接的第一刻蚀区和位于所述第一刻蚀区两侧的第二刻蚀区，所述第一刻蚀区的高度大于所述第二刻蚀区的高度；
[0010]所述定向耦合波导，包括相互分离的直通波导和弯曲波导，所述直通波导连接所述第一刻蚀区的尾端，所述弯曲波导位于所述直通波导一侧。
[0011]优选地，所述单模输入波导为直条状。
[0012]优选地，所述双刻蚀波导包括顺次连接的第一双刻蚀波导和第二双刻蚀波导，所述第一双刻蚀波导中的第一刻蚀区还与所述单模输入波导相连接，所述第二双刻蚀波导中的第一刻蚀区还与所述定向耦合波导相连接；
[0013]其中，所述第一刻蚀区的宽度线性递增；
[0014]所述第一双刻蚀波导中的所述第二刻蚀区的宽度线性递增，所述第二双刻蚀波导中的所述第二刻蚀区宽度线性递增。
[0015]优选地，所述单模输入波导的宽度为350nm?650nm，高度为200nm?500nm。
[0016]优选地，包括:
[0017]所述第二刻蚀区的波导高度为50nm?150nm ；
[0018]在与所述单模输入波导相连的一端，所述第一刻蚀区的宽度与所述单模输入波导的宽度相同，所述第二刻蚀区的宽度为Onm?50nm ；
[0019]在所述第一双刻蚀波导和第二双刻蚀波导交界处，所述第一刻蚀区的宽度比所述单模输入波导的宽度大50nm?200nm，所述第二刻蚀区的宽度为200nm?100nm ；
[0020]在与所述定向耦合波导相连的一端，所述第一刻蚀区的宽度比位于所述第一双刻蚀波导和第二双刻蚀波导交界处的所述第一刻蚀区的宽度大500nm，所述第二刻蚀区的宽度为Onm?50nm。
[0021]优选地，进入所述偏振分束旋转器的光的波长范围为1.25 μπι?1.75 μ mo
[0022]优选地，所述定向耦合波导依次包括:耦合过渡区、主要耦合区和去耦合过渡区；其中，
[0023]在所述耦合过渡区和所述主要耦合区，所述直通波导为直条状；在所述耦合过渡区，所述弯曲波导为逐渐靠近所述直通波导的圆弧状；在所述主要耦合区，所述弯曲波导为与所述直通波导平行的直条状；
[0024]在所述去耦合过渡区，所述直通波导为宽度逐渐变窄的锥形状；所述弯曲波导为宽度渐增，且逐渐远离所述直通波导的弯曲状。
[0025]优选地，在所述耦合过渡区，所述弯曲波导为半径为5 μ m?50 μ m的圆弧状；在所述去耦合过渡区，所述弯曲波导为S状。
[0026]优选地，包括:
[0027]在所述耦合过渡区和所述主要耦合区，所述直通波导的宽度与所述第一刻蚀区的尾端的宽度一致，所述弯曲波导的宽度为200nm?500nm，所述直通波导和所述弯曲波导的距离为0.1 μ m?0.25 μ m ;
[0028]在所述去親合过渡区的尾端，所述直通波导的宽度为350nm?650nm，所述弯曲波导的宽度为350nm?650nm，所述直通波导和所述弯曲波导的距离为I μπι?2 μπι。
[0029]优选地，所述耦合过渡区的长度为Ομπι?50μπι，所述主要耦合区的长度为
Oμ m?50 μ m，所述去親合过渡区的长度为10 μ m?30 μ m。
[0030]优选地，在所述去耦合过渡区的尾端，所述直通波导和所述弯曲波导还分别连接有直条状的单模输出波导。
[0031]如上所述，本实用新型的偏振分束旋转器，具有以下有益效果:
[0032]1、本实用新型的技术方案提供的偏振分束旋转器中利用第一刻蚀区和第二刻蚀区的高度不同，使得双刻蚀波导的横截面上下不对称，从而使得在光的传输过程中，沿着传输方向，位于双刻蚀波导中的第一双刻蚀波导中会存在光的模式混合区域，即TE和TM的过渡形式。
[0033]2、本实用新型的技术方案提供的偏振分束旋转器中，所述双刻蚀波导的模式转换是宽带的，可以辅助整个器件工作在几百个纳米的波长范围内，而所述定向耦合器采用了严格的相位匹配条件，因此长度较短，可以满足高密度光电集成的要求。结合利用这两种结构的优点，可以解决传统器件中不能同时满足宽带特性和尺寸小的缺点。
[0034]3、本实用新型的实施例中提供的偏振分束旋转器加工工艺比较简单，本领域技术人员皆能理解，本实用新型提供的偏振分束旋转器利用常规的CMOS工艺就可以实现。
【附图说明】
[0035]图1显示为本实用新型的实施例中提供的偏振分束旋转器的俯视图的示意图。
[0036]图2显示为图1中所示的偏振分束旋转器在虚线AA’处的器件横截面示意图。
[0037]图3显示为图1中所示的偏振分束旋转器在虚线BB’处的器件横截面示意图。
[0038]图4显示为图1中所示的偏振分束旋转器在虚线CC’处的器件横截面示意图。
[0039]图5显示为图1中所示的偏振分束旋转器在虚线DD’处的器件横截面示意图。
[0040]图6显示为图1中所示的偏振分束旋转器在虚线EE’或虚线FF’处的器件横截面示意图。
[0041]图