CN105866885A

CN105866885A - 偏振分束旋转器

Info

Publication number: CN105866885A
Application number: CN201510031371.0A
Authority: CN
Inventors: 汪敬; 甘甫烷; 盛振; 武爱民; 仇超; 王曦; 邹世昌
Original assignee: NANTONG OPTO-ELECTRONICS ENGINEERING CENTER CHINESE ACADEMY OF SCIENCES; Jiangsu Sunfy Optoelectronics Technology Co ltd; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: CN105866885B

Abstract

本发明提供一种偏振分束旋转器，至少包括：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、双刻蚀波导和定向耦合波导；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；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。本发明提供的偏振分束旋转器分别利用这两个结构的宽带和尺寸小的特点，可以解决传统偏振分束旋转器件不能同时满足宽带特性和尺寸小的缺点。

Description

偏振分束旋转器

技术领域

本发明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

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。

在过去，硅基光互连的研究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究状态，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。

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(1×2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。

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。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明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。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种偏振分束旋转器，所述偏振分束旋转器至少包括：

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、双刻蚀波导和定向耦合波导；

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；

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。

优选地，所述单模输入波导为直条状。

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；

其中，所述第一刻蚀区的宽度线性递增；

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。

优选地，所述单模输入波导的宽度为350nm～650nm，高度为200nm～500nm。

优选地，包括：

所述第二刻蚀区的波导高度为50nm～150nm；

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0nm～50nm；

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～1000nm；

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0nm～50nm。

优选地，进入所述偏振分束旋转器的光的波长范围为1.25μm～1.75μm。

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，

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；

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。

优选地，在所述耦合过渡区，所述弯曲波导为半径为5μm～50μm的圆弧状；在所述去耦合过渡区，所述弯曲波导为S状。

优选地，包括：

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0.1μm～0.25μm；

在所述去耦合过渡区的尾端，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1μm～2μm。

优选地，所述耦合过渡区的长度为0μm～50μm，所述主要耦合区的长度为0μm～50μm，所述去耦合过渡区的长度为10μm～30μm。

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。

如上所述，本发明的偏振分束旋转器，具有以下有益效果：

1、本发明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。

2、本发明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。

3、本发明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，本发明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

图1显示为本发明的实施例中提供的偏振分束旋转器的俯视图的示意图。

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。

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。

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。

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。

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。

图7显示为图1中所示的偏振分束旋转器在虚线GG’或虚线HH’处的器件横截面示意图。

元件标号说明

100 单模输入波导

101 第二刻蚀区

102 第一刻蚀区

103 弯曲波导

104 直通波导

105 输出单模波导

106 输出单模波导

204 二氧化硅上包层

205 二氧化硅下包层

S1 二氧化硅上包层高度

S2 二氧化硅下包层高度

W1 宽度

W2 宽度

W3 宽度

W4 宽度

W5 宽度

W6 宽度

L1 长度

L2 长度

L3 长度

L4 长度

L5 长度

L6 长度

L7 长度

C1 宽度

C2 宽度

C3 宽度

R 半径

G1 间隔宽度

G2 间隔宽度

H1 高度

H2 高度

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图7。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参考图1至图7所示，本实施例中提供的偏振分束旋转器为形成在SOI材料上，所述波导部分(图1中标号100、102、103、104和105所在部分)形成在顶层硅中，顶层硅的高度H1的范围为200nm～500nm，二氧化硅上包层204的厚度S1的范围1μm～5μm，二氧化硅下包层205的厚度S2的范围为1μm～5μm。其中，顶层硅的厚度H1和二氧化硅下包层205的厚度S2的取值由市场上售卖的各种规格的SOI圆片材料决定，二氧化硅上包层204是由化学气相沉积工艺形成，其厚度S1是根据形成所述化学气相沉积工艺进行的条件决定的。

本实施例中进入所述偏振分束旋转器的光的波长范围为1.25μm～1.75μm。

如图1所示，整个硅基偏振分束旋转器包括形成在SOI材料的顶层硅上的波导，所述波导至少包括顺次连接的单模输入波导100、双刻蚀波导和定向耦合波导。具体为图1中虚线AA’到虚线BB’之间的单模输入波导100、虚线BB’到虚线DD’之间的双刻蚀波导的第二刻蚀区101和第一刻蚀区102、从虚线DD’到虚线GG’之间的定向耦合波导。另外，本实施例中，所述波导还包括从虚线GG’到虚线HH’之间的单模输出波导。

所述双刻蚀波导包括一端与所述单模输入波导100顺应连接的第一刻蚀区102和位于所述第一刻蚀区102两侧的第二刻蚀区101，所述第二刻蚀区101低于所述第一刻蚀区102。

所述定向耦合波导，包括相互分离的直通波导104和弯曲波导103，所述直通波导104连接所述第一刻蚀区102的尾端，所述弯曲波导103位于所述直通波导104一侧。

在工作中，光由虚线AA’到虚线BB’之间的单模输入波导100入射，再经过虚线BB’到虚线DD’之间的双刻蚀波导(101、102)和虚线DD’到虚线GG’之间的定向耦合波导，最后在弯曲波导103和直通波导104于虚线GG’处的截面输出。优选地，也可以在虚线GG’处两个波导截面分别设置与之连接的输出单模波导105、106。

本实施例中，以输入单模输入波导100的单模光为TE0模式和TM0模式(本领域技术人员能够理解的是TE0模式和TM0模式为正交模式)为例，在所述双刻蚀波导(101、102)之间，由于双刻蚀波导包括高度不同的第二刻蚀区101和第一刻蚀区102，使得双刻蚀波导具有非对称性，能够将原本正交的TE0和TM0模式变成混合模式，通过相关的结构和参数设计，使得从虚线DD’处输出至定向耦合波导的为TE0模式和TE1模式，然后经过定向耦合波导，分别从弯曲波导103和直通波导104输出TE0模式的光，从而实现输出光全部为TE模式。

具体的，本实施例所提供的偏振分束旋转器的结构和工作原理如下：

其中，图2为虚线AA’到虚线BB’之间的所述单模输入波导100的截面图。结合图1，对应图2所示，图1中，所述单模输入波导100为宽度为第一宽度W1，高度为H1，长度为L1的直条状。

一般的，在直条状的波导(矩形波导)高度一定的情况下，波导的越宽支持传输的模式就越多。

在本实施例中，所述单模输入波导100采用单模波导(即只支持传输TE0模式和TM0模式的光)，这样可以避免各个模式之间不必要的模式转化或者其他问题。具体的，本实施例中，所述单模输入波导100的高度为H1，H1的范围为200nm～500nm，设置所述第一宽度W1为350nm～650nm以满足波导的单模条件。在本实施例中，所述单模输入波导100的长度L1没有特别的限制。

图3至图5为图1中虚线BB’到虚线DD’之间所述双刻蚀波导的截面图。结合图1，对应图3至图5所示，所述双刻蚀波导包括一端与所述单模输入波导100顺应连接的第一刻蚀区102和位于所述第一刻蚀区102两侧的第二刻蚀区101，所述第一刻蚀区102的高度为H1，所述第二刻蚀区101的高度为H2。且所述第一刻蚀区102的高度与所述单模输入波导100的高度H1相等，并且大于所述第二刻蚀区101的高度H2。

所述双刻蚀波导的形成方式可以利用双刻蚀工艺。本实施例中所述双刻蚀工艺可以为：先利用第一刻蚀工艺在顶层硅中刻蚀出高度为H1的单模输入波导100、双刻蚀波导(包括第一刻蚀区102和第二刻蚀区101的形状)和定向耦合波导的形状，然后利用掩膜覆盖住高度为H1的单模输入波导100、第一刻蚀区102和定向耦合波导，暴露出所述第二刻蚀区101的区域；然后利用第二刻蚀工艺将所述第二刻蚀区101的区域的顶层硅的高度刻蚀至高度为H2。

再结合参考图1所示，所述双刻蚀波导包括位于虚线BB’到虚线CC’之间的第一双刻蚀波导和虚线CC’处到虚线DD’之间第二双刻蚀波导。其中，位于虚线BB’到虚线CC’之间的第一双刻蚀波导的长度为L2，虚线CC’处到虚线DD’之间第二双刻蚀波导的长度为L3。

如图3所示，所述第一刻蚀区102在与所述单模输入波导100相连处(即图1中虚线BB’处)的宽度为W1，所述第一刻蚀区102某一侧的第二刻蚀区101在靠近所述单模输入波导100的一端(即图1中虚线BB’处)的宽度为C1。

如图4所示，所述第一刻蚀区102在与所述第一双刻蚀波导和第二双刻蚀波导交界处(即图1中虚线CC’处)的宽度为W2，所述第一刻蚀区102其中一侧的第二刻蚀区101在靠近所述单模输入波导100的一端(即图1中虚线CC’处)的宽度为C2。

如图5所示，所述第一刻蚀区102在与定向耦合波导的相连处(即图1中虚线DD’处)的宽度为W3，所述第一刻蚀区102其中一侧的第二刻蚀区101在靠近所述定向耦合波导的一端(即图1中虚线DD’处)的宽度为C3。

在图1中虚线BB’到虚线CC’之间的第一双刻蚀波导中的所述第一刻蚀区102为宽度递增的锥形波导，所述第二刻蚀区101的宽度也线性递增。

本实施例中，在图1中虚线BB’处，所述第一刻蚀区102的宽度为单模输入波导的宽度，为第一宽度W1，范围为350nm～650nm。所述第二刻蚀区101的宽度C1为0nm～50nm。在图1中虚线CC’处，所述第一刻蚀区102的宽度W2＝W1+50nm～W1+200nm，所述第二刻蚀区101的宽度C2为200nm～1000nm。在虚线BB’到虚线CC’之间，所述第一刻蚀区102的宽度由W1线性增加到W2，所述第二刻蚀区101的宽度由C1线性增加到C2。并且，第二刻蚀区101的高度H2为50nm～150nm。

在诠释位于虚线BB’到虚线CC’之间的第一双刻蚀波导的工作原理之前，需要先阐述一些概念，具体如下：

一般来说，波导越宽，所能支持传输的模式越多。比如，一波导支持5个模式，按照模式有效折射率从大到小，分别从0到4标号，称作0阶模，1阶模，一直到4阶模。这5个模式假设有3个TE模式和2个TM模式，那么TE模式按照有效折射率从大到小排列分别是TE0，TE1，TE2，而TM模式按照有效折射率从大到小排列分别是TM0，TM1。综合起来，这能传播5个模式的波导可传输的模式为TE0，TM0，TE1，TM1，TE2。

一般采用对称波导进行光的传输时，波导中的模式分别是TE0，TE1，TE2，…，TM0，TM1，TM2，……。其中的TE的电场方向是平行于横向，TM的电场方向是垂直于横向的传播方向，上述模式中任意两个模式如果求重叠积分都是0，所以上述模式TE0，TE1等模式为正交模式。

但是如果波导横截面不是对称的，那么在某些尺寸下的波导支持的模式的电场方向既不垂直也不平行，模式表现出既不是TE也不是TM的混合模式，即理解成TE和TM的过渡形式。

具体的，本实施例中，在已经确定好单模输入波导的宽度W1和高度H1的基础上，通过对第一刻蚀区102在虚线CC’处的宽度W2，第二刻蚀区101在虚线BB’处的宽度C1，第二刻蚀区101在虚线CC’处的宽度C2以及第二刻蚀区101的高度H2这四个参数的设置，可以使得波导在虚线BB’处的横截面(图3所示横截面)所支持传输的光的0阶模为TE0模式，1阶模为TM0模式，而在虚线CC’处的横截面(图4所示横截面)所支持传输的光的0阶模为TE0模式、1阶模为TE1模式、2阶模为TM0模式。

由于第一刻蚀区102和第二刻蚀区101的高度不同，使得双刻蚀波导的横截面上下不对称，故在传输过程中，沿着传输方向，位于虚线BB’到虚线CC’之间的第一双刻蚀波导中会存在模式混合区域，即TE和TM的过渡形式。

所以虚线BB’处截面输入的1阶TM0模式可以缓慢地转化为虚线CC’处截面输出的1阶TE1模式，而虚线BB’处截面输入的0阶TE0模式在虚线CC’处截面输出保持不变，依然是0阶模TE0模式。

故位于虚线BB’到虚线CC’之间的第一双刻蚀波导实现了TE0模式转化为TE1模式。即输入单模输入波导100，并传输至虚线BB’处截面的TE0模式和TM0模式，经过第一双刻蚀波导的传输，在虚线CC’处截面输出的为TE1模式和TM0模式。

具体上述基于双刻蚀波导的模式转化原理具体参考已公开论文：J.Wang,M.Qi,Y.Xuan,H.Huang,Y.Li,M.Li,X.Chen,Q.Jia,Z.Sheng,A.Wu,W.Li,X.Wang,S.Zou,和F.Gan,"Proposal for fabrication-tolerant SOI polarization splitter-rotator based on cascaded MMI couplersand an assisted bi-level taper,"Optics Express 22,27869-27879(2014).

另外，虚线BB’到虚线CC’之间的第一双刻蚀波导的第二刻蚀区101的高度H2的取值除了要保证上述模式转化的需要，还应该考虑到刻蚀工艺在这个区间内比较容易控制，而且此时器件加工的工艺容差较高。第二刻蚀区101在虚线BB’处的宽度C1的最大值考虑了两次刻蚀工艺之间的对准误差(<50nm)。为了保证沿传播方向上的波导横截面的形状变得足够慢，即实现绝热模式转化，减小模式转化损耗，位于虚线BB’到虚线CC’之间的第一双刻蚀波导的长度L2要足够长，此处L2＝20-100μm。

在图1中虚线CC’到虚线DD’之间的第二双刻蚀光波导中的所述第一刻蚀区102为宽度递增的锥形波导，所述第二刻蚀区101的宽度为线性递减。

本实施例中，在图1中虚线CC’处，所述第一刻蚀区102的宽度W2＝W1+50nm～W1+200nm，所述第二刻蚀区101的宽度C2＝200nm～1000nm。在图1中虚线DD’处，所述第一刻蚀区102的宽度W3＝W2～W2+500nm，所述第二刻蚀区101的宽度C3为0nm～50nm。在虚线BB’到虚线CC’之间，所述第一刻蚀区102的宽度由W2线性增加到W3，所述第二刻蚀区101的宽度由C2线性减小到C3。并且，第二刻蚀区101的高度H2为50nm～150nm。

具体的，本实施例中，在已经确定第一刻蚀区高度H1和第二刻蚀区高度H2的基础上，通过对第一刻蚀区102在虚线DD’处的宽度W3，第二刻蚀区101在虚线DD’处的宽度C3这两个参数的设置，可以使得波导在虚线DD’处的横截面(图5所示横截面)所支持传输的光的0阶模为TE0模式，1阶模为TE1模式，而在虚线CC’处的横截面(图4所示横截面)所支持传输的光的0阶模为TE0模式、1阶模为TE1模式、2阶模为TM0模式。

因为CC’的1阶模是TE1，DD’的1阶模也是TE1，所以虚线CC’到虚线DD’之间的第二双刻蚀光波导中不会出现模式混合区。

在虚线CC’到虚线DD’之间的第二双刻蚀光波导保持支持虚线CC’截面处所支持的TE1模式和TM0模式到虚线DD’处截面，同时使得双刻蚀区域中的第二刻蚀区的宽度由C2线性减为C3，而第一刻蚀区的宽度由W2线性增加为W3，即波导从双刻蚀波导渐变为虚线DD’处的非双刻蚀的波导。

另外，第二刻蚀区101的宽度C3的最大值考虑了两次刻蚀工艺之间的对准误差(<50nm)。而为了保证波导在第二刻蚀区101的宽度从C2减小到C3的过程依然能够支持3个模式和定向耦合波导中相位匹配条件的需要，第一刻蚀区102的宽度必须慢慢变大到W3。为了保证绝热模式转化，虚线CC’处到虚线DD’之间第二双刻蚀波导的长度L3需要比较长，此处L3＝20um～100um。

对应图6所示，为图1中虚线DD’到虚线GG’之间的所述定向耦合波导的截面情况，主要为虚线EE’或虚线FF’处截面。再结合参考图1所示，所述定向耦合波导依次包括：从虚线DD’到虚线EE’之间的耦合过渡区、虚线EE’到虚线FF’之间的主要耦合区和虚线FF’和虚线GG’之间去耦合过渡区；其中，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；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。具体的，所述定向耦合波导每一部分的情况如下：

A)图1中虚线DD’到虚线EE’之间的耦合过渡区。

所述定向耦合波导的直通波导104在靠近所述双刻蚀波导一端(即图1中虚线DD’处)与所述双刻蚀波导的第一刻蚀区102的尾端顺次相连，宽度和所述第一刻蚀区102的宽度一致，均为W3。所述弯曲波导103从所述双刻蚀波导102和所述直通波导104边界所在的平面(即图1中虚线DD’所在截面)起始，位于所述直通波导104的一侧，宽度为W4。

在图1中虚线EE’处，所述直通波导104的宽度依然为W3，所述弯曲波导103的宽度依然为W4，所述直通波导104和弯曲波导103之间的距离为G1，且小于在图1中虚线DD’处距离。

这部分在直通波导104一侧引入一段半径为R，宽度为W4的圆弧状的弯曲波导作为直通波导的相邻波导。相邻波导为圆弧状的弯曲波导可以保证直通波导104和弯曲波导103之间的间距缓慢减小，从而避免突然引入一根直的相邻波导而引起的额外模式失配损耗。圆弧状的弯曲波导的半径R越大，弯曲波导和直通波导之间的间距变化就越慢，可需要直通波导的长度L4更长，增加器件面积。但是圆弧状的弯曲波导的半径R若太小，会带来弯曲损耗过大。在本实施例中，所述弯曲波导的弧度为R＝5μm～50μm，L4＝0μm～50μm，W4＝200nm～500nm，通过调节这三个参数，保证在DD’面上的两根波导间距大于1μm。其中W4的取值由EE’到FF’之间的定向耦合波导决定。

该区域作为双刻蚀波导和主要耦合区之间的过渡区，输入的模式主要在直通波导104中传输。但随着直通波导104和弯曲波导103的间距逐渐降低，两者之间的耦合会逐渐加强，直通波导104的部分功率会传到弯曲波导103中，为主要耦合区中的模式转换提供前提条件。

B)图1中虚线EE’到虚线FF’之间的主要耦合区。

在图1中虚线FF’处，所述直通波导104的宽度依然为W3，所述弯曲波导103的宽度依然为W4，所述直通波导104和弯曲波导103之间的距离依然为G1。

这部分的波导横截面示意图如图6所示，直通波导104和弯曲波导103之间的间隔为G1。所述间隔G1的最小值由工艺精度决定。而G1越大，为了完成模式转化，直通波导和弯曲波导的长度L5就越长，使得器件尺寸越长，所以G1不能太大。弯曲波导宽度W4取值需要满足相位匹配条件，也就是宽度为W4的相邻波导的0阶模TE0模的有效折射率和宽度为W3的直通波导的1阶模TE1模式的有效折射率相等。根据耦合模理论(具体可参考作者为K.Okamoto，书名为“Fundamentals of optical waveguides”的书籍)，在这样的相位匹配条件满足之后，光功率会在两根波导之间周期性变化，因此经过一定的长度L5后，直通波导中TE1可以完全转化为相邻波导中的TE0。而此时直通波导中TE0模式的有效折射率肯定与相邻波导中的任何模式的有效折射率不相同，所以TE0模式依然在直通波导中传输。主要耦合区的长度L5在确定了G1和W4之后，根据耦合模理论可以确定。具体的，在本实施例中，G1＝0.1μm～0.25μm，W4为200nm～500nm，L5为0μm～50μm。

主要耦合区的直通波导104和弯曲波导103的形状都是直条状的，只要两者的宽度满足相位匹配条件，直通波导104的模式就会转换为旁边直条状的弯曲波导103中的模式。

C)图1中虚线FF’和虚线GG’之间的去耦合过渡区。

在图1中虚线GG’处，即所述定向耦合波导的末端，所述直通波导104的宽度为W6，且小于W3，所述弯曲波导的宽度为W5，且大于W4，所述直通波导104和弯曲波导103之间的距离为G2，且大于G1。

在去耦合过渡区，直通波导104的宽度由W3线性减小到W6。而弯曲波导103的宽度通过一段S形的弯曲波导或者其他类型的弯曲波导由W4增加到W5，弯曲波导的偏移量需要保证图1中虚线GG’处的直通波导104和弯曲波导103之间的间距为G2。本实施例中，G2＝1μm～2μm，可以保证虚线GG’处的直通波导104和弯曲波导103之间模式已经不再耦合，但是G2也不宜过大，不然器件会变长。在去耦合过渡区的长度L6主要由G2来决定，G2越大，L6就越大。本实施例中，去耦合过渡区的长度L6为10μm～30μm。

具体的，对应图1所示，图1中虚线DD’到虚线GG’之间的所述定向耦合波导对于虚线DD’所在截面输入的TE0模式，能够保持在虚线GG’所在截面输出TE0模式不变；对于输入TE1模式，可将其耦合到相邻的弯曲波导103中，并转化为弯曲波导103中的TE0模式在虚线GG’所在截面输出。

去耦合过渡区作为主要耦合区和两个输出端口之间的过渡区，通过将直通波导104和弯曲波导103的间距缓慢变大，减少它们之间的模式耦合，达到最终在输出端口去耦合的目的。

继续参考图1，结合图7，本实施例中，所述直通波导104和所述弯曲波导103还分别连接有直条状的单模输出波导。具体参考图1中虚线GG’到虚线HH’之间的单模输出波导。

对于从输入波导输入的TE0模式，将从直通输出波导中输出，依然保持TE0模式不变；而对于从输入波导输入的TM0模式，将从上方的相邻输出波导以TE0模式输出。直通输出波导宽度W6和相邻波导宽度W5都在350nm～650nm之间取值，来保证单模传输。输出波导长度为L7，没有限制。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种偏振分束旋转器，其特征在于，所述偏振分束旋转器至少包括：

2.根据权利要求1所述的偏振分束旋转器，其特征在于：

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；

其中，所述第一刻蚀区的宽度线性递增；

3.根据权利要求1或2所述的偏振分束旋转器，其特征在于：所述单模输入波导的宽度为350nm～650nm，高度为200nm～500nm。

4.根据权利要求3所述的偏振分束旋转器，其特征在于，包括：

所述第二刻蚀区的波导高度为50nm～150nm；

5.根据权利要求1所述的偏振分束旋转器，其特征在于：进入所述偏振分束旋转器的光的波长范围为1.25μm～1.75μm。

6.根据权利要求1所述的偏振分束旋转器，其特征在于：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，

7.根据权利要求6所述的偏振分束旋转器，其特征在于：在所述耦合过渡区，所述弯曲波导为半径为5μm～50μm的圆弧状；在所述去耦合过渡区，所述弯曲波导为S状。

8.根据权利要求6所述的偏振分束旋转器，其特征在于，包括：

9.根据权利要求6至8中任一项所述的偏振分束旋转器，其特征在于：所述耦合过渡区的长度为0μm～50μm，所述主要耦合区的长度为0μm～50μm，所述去耦合过渡区的长度为10μm～30μm。

10.根据权利要求6所述的偏振分束旋转器，其特征在于：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。