基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器

本发明涉及的是一种集成光子领域的技术，具体是一种基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器。

背景技术：

1、在集成光路中，为了实现超宽的工作带宽和较小的传输损耗，需要设计结构尺寸紧凑、耦合效率高的光器件，其中一类重要的器件是偏振分束旋转器。偏振分束旋转器(psr)结合了偏振分束器和偏振旋转器的功能，能够分离两个偏振，并同时将其中一个偏振转换为另一个偏振。它作为一种具有紧凑占用空间的偏振管理设备引起了广泛关注。为充分利用不同材料的特性，设计制备高性能光电子集成器件，集成光子学领域一直在寻找新材料平台，该平台需要与硅基cmos工艺兼容，同时应具备低损耗、高折射率差、高非线性系数、高功率耐受性等特性。当前多种材料被发展，其中sic符合上述所有的光子学特性，因此sic被认为是一个极具潜力的新型光子平台。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术无法控制光模场在sic层中的占比以及需要离子注入来引入非线性的不足，提出一种基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，通过将光模场局限在碳化硅中使得其优良的光电学特性得以利用在传输过程，利用碳化硅材料的优良特性克服传统硅的部分限制，通过离子切割和层转移技术制备，无需离子注入工艺且与cmos兼容，制备过程较简单。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明包括：衬底以及依次设置于其上的掩埋氧化硅层、碳化硅层和设置于碳化硅层上的能够同时传播te模和tm模的硅波导，该硅波导包括：一个绝热锥度结构和一个非对称定向耦合器，其中：绝热锥度结构在输入端(w0)为单模结构，而在另一端(w3)为多模结构。

4、所述的绝热锥度结构的长度应该足够长，以使模态进行绝热转换。

5、所述的片上集成偏振分束旋转器的上包层为二氧化硅，n＝1.445。

6、所述的衬底和硅波导的折射率为n1≈3.42，碳化硅材料的折射率n2≈2.57。

7、所述的碳化硅层厚度为500nm保持恒定，硅层厚度可根据不同需求而沉积不同厚度，硅层厚度改变导致光模场局域在碳化硅层的比例值改变，具体改变情况为：光模场局域在碳化硅层的比例随硅厚度增加而减小。

8、技术效果

9、本发明充分利用碳化硅材料的优良特性，通过离子切割和层转移技术制备，无需离子注入工艺，克服传统硅的部分限制，并且与微电子cmos工艺相兼容，制备过程较简单。本发明利用绝热锥度和非对称定向耦合器的结构来实现极化处理功能；te和tm偏振光被分离，而tm基模也被转换为te基模。在1520-1600nm的带宽范围内，te通端口输出插入损耗小于-0.5db，消光比高于27db；在1525-1600nm的带宽范围内，tm交叉端口输出插入损耗小于-2db，消光比高于13db。

技术特征：

1.一种基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征在于，包括：衬底以及依次设置于其上的掩埋氧化硅层、碳化硅层和设置于碳化硅层上的能够同时传播te模和tm模的硅波导，该硅波导包括：一个绝热锥度结构和一个非对称定向耦合器，其中：绝热锥度结构在输入端为单模结构，而在另一端为多模结构。

2.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征是，所述的片上集成偏振分束旋转器的上包层为二氧化硅，n＝1.445。

3.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征是，所述的衬底和硅波导的折射率为n1≈3.42，碳化硅材料的折射率n2≈2.57。

4.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征是，所述的碳化硅层厚度为500nm保持恒定，硅层厚度可根据不同需求而沉积不同厚度，硅层厚度改变导致光模场局域在碳化硅层的比例值改变，具体改变情况为：光模场局域在碳化硅层的比例随硅厚度增加而减小。

5.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征是，所述的绝热锥度结构的两端的宽度(w0，w3)满足：w0小于1.075μm，w3大于1.075μm。

6.根据权利要求1或5所述的基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征是，所述的绝热锥度结构为三段锥度结构，其两端的宽度分别为w0＝0.6μm和w3＝1.35μm；第二段锥度的端部宽度(w1和w2)满足：w1＝1.005μm和w2＝1.145μm。

技术总结
一种基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，包括：衬底以及依次设置于其上的掩埋氧化硅层、碳化硅层和设置于碳化硅层上的能够同时传播TE模和TM模的硅波导，该硅波导包括：一个绝热锥度结构和一个非对称定向耦合器，其中：绝热锥度结构在输入端为单模结构，而在另一端为多模结构。本发明通过将光模场局限在碳化硅中使得其优良的光电学特性得以利用在传输过程，利用碳化硅材料的优良特性克服传统硅的部分限制，通过离子切割和层转移技术制备，无需离子注入工艺且与CMOS兼容，制备过程较简单。

技术研发人员：张永,陈雨琦,徐子涵,沈健,苏翼凯
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16