CN104950390A - 一种基于氮化硅的非对称波导结构 - Google Patents

一种基于氮化硅的非对称波导结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于半导体的偏振相关模式转换器，包括：一种用SiNX波导材料或其他折射率在1.7至2.3之间的固态波导材料制成的波导，且内嵌于一种含SiO2的包层材料中或其他折射率低于1.6且高于1的固态包层材料中，其中所述波导包括在其纵向延伸部分的具有垂直非对称结构的第一段，所述非对称结构包括位于所述波导材料之上的薄硅层，在垂直方向的所述薄硅层的厚度小于相同垂直方向的所述波导材料的厚度。

Description

一种基于氮化硅的非对称波导结构
技术领域
本发明涉及光子集成电路领域，尤其涉及一种基于氮化硅或其他折射率在氮化硅范围内的半导体的波导结构，比如偏振分光器、偏振分光器与旋转器。
背景技术
硅光子学作为一种广泛应用在电信、数据通讯、互联及传感的通用技术平台变得越来越重要。硅光子通过在高品质、低成本的硅衬底上使用互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)可兼容晶圆级技术以实现光子功能。然而，纯无源硅波导设备在插入损耗、相位噪声(可导致信道串音)和温度依赖性方面受到性能限制。因为SiO2(二氧化硅)包层和Si(硅)核之间存在很高的折射率反差，硅层厚度的不均匀，并且硅的热光效应很大。
基于氮化硅的无源设备无论是在插入损耗还是在相位噪声方面均可具有超高的性能。主要是因为氮化硅(n＝2)和二氧化硅(1.5)之间与硅(n＝3.5)和二氧化硅之间的折射率反差略微较低。然而两种材料系统(硅和氮化硅波导)均具有强烈的偏振依赖性(例如，与二氧化硅波导相比)。为了装配偏振相关光路，需要将偏振分光器与旋转器(polarization splitter and rotator，PSR) 作为关键块。已公开发布使用氮化硅的偏振分离器与旋转器的数量非常有限。存在基于模式演化设计的出版物。
例如，Barwicz等人作过基于模式演化的偏振分光器与旋转器的报告。2007年《自然光子学》第1卷第57页刊登了《偏振透明的微光子设备使用存在极大的局限性》的文章。PSR在大波长范围中具有良好性能，曾用于以环形谐振器作为光学元件的极化分集结构中。所述波导由420nm厚的SiNX构成。然而，该设备及所有基于模式演化的PSRs的主要缺点通常在于其装配的复杂性。其需要多级图案结构、高纵横比特性，且局部较厚的SiNX层。
Chen等人2012年在美国光纤通信展览会及研讨会(OFC/NFOEC)上发表了文章《无需偏振相关波长漂移的极化分集式密集波分复用硅接收器》(OW3G.7)，介绍了一种在极化分集结构中的SiNX阵列式波导光栅。然而，这正是将SiNX作为一种高性能无源波导层用于活性硅光子电路上面的典型例子。在硅层更加简单直接地实现分离/旋转功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能且易制作的、基于氮化硅波导或类似的波导材料的偏振相关模式转换器或偏振分光器与旋转器。
第一方面，本发明提供了一种基于半导体的偏振相关模式转换器，包括：一种用SiNX波导材料或其他折射率在1.7至2.3之间的固态波导材料制成的波导，且嵌于一种含SiO2的包层材料中或其他折射率低于1.6且高于1的固 态包层材料中，其中所述波导包括在其纵向延伸部分的具有一个垂直非对称结构第一段，所述非对称结构包括位于所述波导材料之上的薄硅层，所述垂直方向薄硅层的厚度小于相同垂直方向的所述波导材料的厚度。
在也可称为“绝热椎形”的所述第一段中，所述垂直非对称波导横截面会将TM偏振模式(TM0)转换为一阶TE偏振模式(TE1)，而所述TE偏振模式(TE0)不受影响。因此，具有所述垂直非对称性的所述绝热椎形提供偏振转换。
根据本发明的第一种实现方式，所述硅层在垂直方向的厚度在10nm至100nm之间。所述波导材料在相同垂直方向的厚度可在100nm以上至600nm之间，较佳地，在300nm至500nm之间。
所述垂直非对称波导结构的合理设计在所述TM0模式转换为所述TE1模式且TE和TM已启动偏振模式的输入和输出恰当地限制于所述波导结构中时，可使已启动的TE0模式保持其偏振状态，。因此，所述模式转换非常有效，且可容许所述横截面尺寸的微小变化。
根据本发明的第二种实现方式，所述薄硅层可直接置于所述波导材料的顶部(顶部是指在所述垂直方向的顶部)。根据一种替代实现方式，所述薄硅层与垂直方向所述波导材料的所述顶部之间由包层材料的层隔开。位于所述波导材料的上表面和所述薄硅层的下表面之间的所述包层材料在所述垂直方向的厚度可在1nm至100nm之间。
所述波导材料与所述薄硅层之间存在或不存在分隔层的结构均可对波导中相关TE、TM模式构成足够限制。
根据本发明的第三种实现方式，所述薄硅层在所述波导的纵向长度在100μm至800μm之间，较佳地，在200μm至600μm之间。与使用其他顶部包层材料以形成垂直非对称的其他氮化硅波导相比(例如，二氧化硅底部包层与一种折射率为1.7的材料顶部包层)，所述不对称段的总长度可以更短，从而有利于集成波导电路的构建。
根据本发明的第四种实现方式，所述薄硅层在第一末端和/或第二末端有一个或多个锥状过渡区，其中所述第一和第二末端分别根据同所述波导纵向上的所述波导的垂直非对称部分的输入和输出端定义。与所述对称波导结构和所述非对称波导结构间的急剧过渡相比，所述椎形过渡区域可以有利于减少电磁波进入或离开所述波导结构的垂直非对称部分时所产生的反射。一个或多个所述过渡区可表现为三角形的形式，且所述三角形的顶端背离所述薄硅层的相应末端。根据再一种实现方式，所述过渡区可包括两个或互相紧挨的三角形，且所述的两个或更多三角形的顶端均背离所述硅层的相应末端。根据一种优选的实施方式，位于所述第一末端的所述过渡区包括单个三角形，且位于所述第二末端的所述过渡区包括两个互相紧挨的三角形。
根据本发明的第五种实现方式，所述过渡区还可包括一个在所述一个或更多三角形的底与所述硅层的全宽之间形成过渡的梯形区域，。所述梯形还可从所述过渡区域外侧部分向所述硅层两端之间的中间部分构成平滑过渡，其中所述硅层包括其全宽。
根据本发明的第六种实现方式，同一横截面中，所述薄硅层在水平方向的宽度等于所述波导材料在水平方向的宽度。根据本实施例，只有位于所述波导垂直非对称部分的所述第一末端和/或所述第二末端的所述过渡区域，如果存在的话，具有薄硅层，且其宽度小于同一横截面中所述波导材料的对应宽度。
本发明第二方面指一种偏振分光器与旋转器，包括本发明第一方面中的所述偏振相关模式转换器和所述第二段，其中所述第二包括将来自所述偏振相关模式转换器的TE1模式转换为TE0模式、并将其耦合至第一输出端口的构件，以及无需在第二输出端口的转换而耦合来自所述偏振相关模式转换器的TE0模式的构件。因此，所述联合的偏振分光器与旋转器的第二段可在所述第一输出端口提供TE0模式(为原始TE模式)且在第二输出端口提供TE0模式(由所述原始TM模式转换得到)。
对于本发明所述第二方面的所述第二段，无需垂直非对称性。根据本发明的第七种实现方式，所述第二段包括垂直对称性。这有利于所述部分的便利生产。
根据本发明的第八种实现方式，所述第二段中的构件方式可包括一种定向耦合器。根据本发明的第九种实现方式，作为一种替代方式，所述第二段中的所述构伯还包括Y形接头、用于在所述Y形接头各分支间引入相移的相位段、以及多模干涉耦合器。两种实现方式均可实现以下效果：将TE1模式转换为TE0模式，并将其耦合到所述第一输出端口，无需转换而耦合TE0模式到第二输出端口。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术特性，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，这些实施例在不违背本发明如权利要求书中所定义的保护范围的情况下，可以进行修改。
图1示出了本发明实施例提供的一种垂直非对称结构的波导横截面；
图2示出了图1中无上表层包层材料的波导结构的立体图；
图3为可选实施例提供的包含过渡区域的图1所示波导结构的立体图；
图4为本发明实施例提供的一种无上表层包层材料的垂直非对称波导结构的俯视图；
图5为又一实施例提供的一种无上表层包层材料的垂直非对称波导结构的俯视图；
图6分别为本发明实施例提供的一种TE和TM偏振光在垂直非对称波导结构中传播的俯视图、输入端横截面图和输出端横截面图；
图7a为一种不同波导结构中对于非对称段长度的从TM0到TE1的转换效率函数图；
图7b为一种图7a参考的不同波导结构的横截面图；
图8a为随长度为250μm非对称段中不同波导宽度变化的转换效率图；
图8b为与图8a对应的但非对称段长度为500μm的曲线图；
图9为本发明实施例提供的一种偏振分光器与旋转器波导结构的俯视图；
图10为本发明可选实施例提供的一种偏振分光器与旋转器波导结构的俯视图。
具体实施方式
结合图1，图1示出了在硅顶与硅底包层内的氮化硅波导的横截面。波导2包括由氮化硅(一般称作SiNX)，例如化学计量氮化硅：Si3N4，制成的波导材料。
厚度约在10nm至100nm之间的薄硅层4置于所述波导材料的顶部以形成垂直非对称。所述薄硅层4在垂直方向的厚度小于所述波导材料2的厚度。所述波导材料2的厚度由所述应用中的波长决定。若波长约1.55μm，所述波导材料的典型厚度约为400nm。
所述波导材料2和所述薄硅层4均嵌于包含SiO2的包层材料6中。
本领域技术人员可以理解到，折射率(对于约为1.5μm的波长而言)约为2的所述波导材料SiNX可替代为其他折射率在1.7至2.3之间的波导材料。 例如，此类也可构成本发明实施例的波导材料为SiC(碳化硅)或SiOxNy(氮氧化硅)，其中x、y为达到期望的折射率的数值。此外，包含折射率约为1.45的SiO2的所述包层材料也替代为其他折射率范围在1以上、1.7以内的固态包层材料，例如，根据本发明不同实施例的由SiOxNy(氮氧化硅)，其中x、y为达到期望的折射率的数值。
根据第一个实施例，如图2所示，具有对称包层的所述标准氮化硅波导2可对接耦合至所述垂直非对称段。这样，由于从所述垂直对称波导段向所述垂直非对称波导段的急剧过渡存在电磁波反射，可导致过渡损耗。如图3实施例所示，通过添加包含短椎形的过渡区域8，所述过渡损耗即可忽略不计。根据图3所示的实施例，每个过渡区域8都表现为单个三角形的形式，且其顶端背离所述垂直非对称波导段的相应末端。
图4和5示出了更多具有不同过渡区域类型的实施例。
根据图4所示的实施例，所述第一过渡区域8包括单个的、顶端背离所述薄层4的第一末端的三角形。此外，所述第一过渡区域8包括一个位于所述薄层4的所述三角形部分和主体部分之间的梯形9形式的过渡区域。图4为对应的与所述波导纵向相垂直的横截面图。如在所述过渡区域横截面图中所看到的，所述薄硅层覆盖了所述波导材料2的全宽，而在所述垂直非对称波导的主体段，所述薄硅层4仅覆盖了所述波导材料2的全宽的一部分。
图5为在所述非对称波导段的第一末端存在与图4所示实施例相同的过渡区域8、9的另一个实施例，然而所述非对称波导段第二末端的过渡区域包 括一个在梯形区域9后面的、包含两个互相紧挨的三角形10的过渡区域。两个三角形的顶端均背离所述非对称波导段的所述第二末端。
如上所呈现的所述波导结构构成了一种很强的垂直非对称性。这样，可高效地实现如下所述的偏振相关模式转换。
图6为长度为200μm的非对称波导段在波导横截面图上的运行状况，所述非对称波导段包括顶部有80nm厚的硅层4的、厚度为400nm的SiNx波导2。所述波导材料2和所述硅层4之间的所述包层材料6的接口层厚度为5nm。第一、第二行分别示出了对于TE和TM已启动偏振的所述垂直非对称波导段输入、输出的模式剖面图。
通过对所述非对称波导段的恰当设计，如图6中第一行所示，所述已启动的TE模式将保持其偏振状态不变(TE0>TE0)，而如图6中第二行所示，TM模式会转换为一阶TE模式(TM0>TE1)。因此，所述非对称波导段提供了一种偏振相关模式转换器，可用于不同应用之中，比如用于偏振分光器中或用于一种联合的偏振分光器与旋转器中。
结合图7a和7b，演示了所述模式转换的效率。图7a示出了在如图7b的横截面图所示的不同的垂直非对称波导结构中从TM到TE1的转换效率。
当所述顶部包层材料为气态，即折射率为1，或其他折射率为1.7的材料时，即能够获得很强的垂直非对称性。如在图7a图解中所看到的，所述气态包层材料在长度达到约200μm时会提供足够的转换效率。然而，这样的例子 很难实现，因为需要一种能够将所述气态包层限制于所述气态材料顶部区域的气密包装。另一个相当的例子中包括如图7a中的图解所示的、材料折射率为1.7的上层包层材料。可以发现，即使长度超过1,000μm，所述模式转换的效率也很难令人满意。长度超过1,000μm后，所述转换效率仍低于95％。然而，本发明实施例的使用薄硅层的垂直非对称波导结构却可以实现更好的结果。从图7a最左边的图解中可以看出，80nm或100nm的硅层以及SiO2包层材料在不到100μm长度时便已实现近100％的转换效率。因此，与上层包层材料为n＝1.7的氮化硅波导相比，本发明实施例可实现更短的非对称波导段。此外，与所述使用气态上层包层材料的相当的例子相比，无需使用气封包装。
因此，大部分采用折射率为1.7的CMOS兼容材料的例子均需要使用很长的非对称部分(L>1,000μm)以获得较高的转换效率。
另一方面，在所述SiNX波导顶部采用一种气态(n＝1)包层也可形成很强的非对称性和可能较短的波导结构。然而，为了使所述上层包层材料的折射率保持恒定，该例中需要使用一种气封包装。
通过使用本发明中包含所述薄硅层4的非对称波导结构，即可得以非常有效的转换。对于硅层薄度为30nm，长度为800μm的非对称波导段，达到95％的转换效率。
稍微将所述厚度增至50nm，所述椎形长度甚至可减少至400μm。若进一步增加所述厚度，则所述非对称波导段的所需长度将会饱和。在图7a所示 的模拟示例中，饱和时所述硅层的厚度约为70nm至80nm。对于这些厚度，与采用气态包层时所需的长度相比，甚至可达到一种更短的非对称长度。对于厚度为80nm的硅层，所需长度仅为50μm的情况下可达到95％的转换效率。
图7a中的模拟是以波长λ＝1.55μm时的转换效率而呈现的，但是也可能是使用其他的波长，例如1.3μm至2μm。
结合图8a和8b，演示了制造缺陷的容差。可以看出，若选择足够长的所述非对称段，比如图8b所示的500μm，那么可轻易容许线宽变化和±10％的层厚度变化。
图8a和8b显示了TM0到TE1转换效率的模拟结果，其中包括波导宽度变化。这些实施例中，所述硅层厚度仅为50nm，即需要稍长的非对称段。所述模拟的SiNX波导厚度为400nm，其包括所述波导材料2的顶部与所述硅层4的面间的5nm的SiO2厚度。
根据本发明的又一方面，本发明实施例中如前面所述的所述非对称波导段可成为偏振分光器与旋转器的一部分。所述偏振分光器与旋转器包括第二段，其中所述TE1模式(即所述原始TM模式)需转换为TE0模式，并耦合至第一输出端口，同时所述TE0模式(即所述原始TE模式)需耦合至第二输出端口。对于所述第二段，无需垂直非对称性，可使用波导材料的顶部和底部有SiO2包层材料的常规SiNX波导。图9和10示出了根据本发明的不同实施例的所述第二段的可能结构。
在图9和10中，黑色部分代表所述垂直对称的横截面，包括顶部和底部有SiO2包层的SiNX波导；而数字4所指示的部分为所述薄硅层的俯视图，包括共同构成该设备非对称段的各过渡区域8。
根据图9所示的实施例，所述非对称段后面紧跟着定向耦合器12。其中，耦合至所述非对称段的、转换为TE1模式的TM0模式，现耦合至所述定向耦合器的所述第一输出端口，而另一方面，未曾在所述非对称段中进行转换的所述原始TE0模式耦合至所述定向耦合器的第二输出端口。
根据图10所示的实施例，与图9中所述定向耦合器所描述的相同功能可通过Y形接头(分光器)14、相位段16以及多模干涉耦合器18来实现。同样对于所述第二段，无需所述垂直非对称性，且垂直对称构造的优点在于其更易于制造。，来自所述非对称段输出端口的所述TE0模式和所述TE1模式在所述Y形接头14中分开。所述相位段16可在所述Y形接头的一个分支实现相移，比如π/2相移。在所述多模干涉耦合器18的后面，与所述原始TE0模式相对应的TE0模式耦合至第一输出端口，且源于所述TM0模式的TE0模式耦合至所述第二输出端口。
上文所有描述仅仅为本发明的实施方式，本发明所保护的范围并不仅限于此。本领域技术人员可很容易地进行任意的修改或替代。因此，本发明的保护范围应从属于所附权利要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种基于半导体的偏振相关模式转换器，其特征在于，包括
一种用SiNX波导材料(2)或其他折射率在1.7至2.3之间的固态波导材料(2)制成的波导，且嵌于一种含SiO2的包层材料中或其他折射率低于1.6且高于1的固态包层材料中，
所述波导包括在其纵向延伸部分的具有垂直非对称结构的第一段，所述非对称结构包括位于所述波导材料(2)之上的薄硅层(4)，所述垂直方向薄硅层(4)的厚度小于相同垂直方向的所述波导材料的厚度。
2.根据权利要求1所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，所述薄硅层(4)在垂直方向的厚度在10nm至100nm之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，所述波导材料(2)的厚度(高)在100nm以上至600nm之间，较佳地，在300nm至500nm之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，所述薄硅层直接置于所述波导材料的顶部。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，所述薄硅层(4)与垂直方向的所述波导材料(2)的顶部之间由在所述垂直方向的厚度在1nm至100nm之间的所述包层材料(6)的层隔开。
6.根据前述权利要求中任一项所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，所述薄硅层(45)在所述波导的纵向长度(L)在10μm至2000μm之间，较佳地，在200μm至1500μm之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，所述薄硅层(4)在第一末端和/或第二末端有锥状过渡区(8、9、10)，其中所述第一和第二末端分别由在所述波导纵向上的所述波导的垂直非对称部分的输入和输出端定义。
8.根据权利要求7所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，所述过渡区的至少一个为三角形(10)的形式且所述三角形的顶端背离所述薄硅层(4)的相应的末端。
9.根据权利要求7或8所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，所述过渡区(8)的至少一个包括两个或更多互相紧挨的三角形，且所述的两个或更多三角形的顶端均背离所述薄硅层的相应的末端。
10.根据权利要求8和9所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，位于所述第一末端上的所述过渡区包括单个三角形(8)，位于所述第二末端上的所述过渡区包括两个互相紧挨的三角形(10)。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，一个或两个所述过渡区还包括一个在所述一个或多个三角形的底与硅层(4)的全宽之间形成过渡的梯形(9)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，同一横截面中，所述薄硅层(4)在水平方向的宽度等于所述波导材料(2)在水平方向的宽度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的偏振相关模式转换器，其特征在于，所述波导(2)的所述水平宽度从所述非对称段的输入区域向输出区域沿所述非对称段中波导的全长逐渐变细。
14.一种偏振分光器与旋转器，其特征在于，包括前述权利要求中任一项所述的偏振相关模式转换器和第二段，其中所述第二段包括将来自所述偏振相关模式转换器的TE1模式转换为TE0模式、并将其耦合至第一输出端口的构件，以及无需在第二输出端口的转换而耦合来自所述偏振相关模式转换器的TE0模式的构件。
15.根据权利要求13所述的偏振分光器与旋转器，所述第二段包括垂直对称性。
16.根据权利要求14或15所述的偏振分光器与旋转器，所述构件包括一种定向耦合器(12)。
17.根据权利要求14或15所述的偏振分光器与旋转器，所述第二段的构件包括Y形接头(14)、用于在所述Y形接头各分支间引入相移的相位段(16)以及多模干涉耦合器(18)。
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