CN107003533A - 波导极化旋转器及其构造方法 - Google Patents

Abstract

一种波导极化旋转器(200)，包括光波导(210)和覆盖带(220)。所述光波导(210)具有相对地设置在所述光波导(210)上的输入端和输出端。所述光波导(210)可操作用于在所述输入端接收输入光信号，所述输入光信号具备具有输入极化的模式。所述光波导(210)进一步可操作用于在所述输出端生成输出光信号，所述输出光信号具有正交于所述输入极化的输出极化。所述覆盖带(220)设置在所述光波导(210)上并且与所述光波导(210)非正交地交叉。所述覆盖带(220)具有第一端和第二端，所述第一端从所述光波导(210)横向偏移第一偏移距离，所述第二端从所述光波导(210)横向偏移第二偏移距离。

Description

波导极化旋转器及其构造方法

本申请要求于2014年11月06日提交的题为“波导极化旋转器及其构造方法”、申请号为14/535,170的美国非临时申请的权益，该申请在此通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及光子器件，并且在具体实施例中涉及一种波导极化旋转器及其构造方法。

背景技术

一般地，单模波导可以支持两种不同的、正交极化的模式的传播。在集成光学中，这两种不同的模式通常被标记为横电(transverse electric，TE)和横磁(transversemagnetic，TM)。TE和TM模式的标记表示TE和TM模式的电场的极化主轴分别平行和垂直于波导基片，即晶片、平面。还可以存在具有相对于该晶片平面旋转的极化主轴的混合模式。

光子器件经常有偏振依赖的特性。然而，光信号处理设备，诸如，例如，开关矩阵，应该是极化无关的。极化无关的例证是：除其他特征外，具有低偏振依赖损耗(polarization-dependent loss，PDL)、低偏振模色散(polarization mode dispersion，PMD)和由结构双折射引起的较少的不利的偏振依赖波长特性。一种处理输入光信号的常见方法是分别处理TE和TM模式并将结果结合起来。在装置内，光子器件可以被设计成处理TE和TM模式中的一种。可替代地，该输入光信号的TE或TM模式中的一种可以旋转成另一种的极化。在这样的装置中，可使用单独的设计来处理输入光信号的TE和TM两种模式。例如，TM模式可以旋转成TE极化并且为TE模式所设计的光子元件可以用来处理该TE模式和旋转的TM模式。

发明内容

一个波导极化旋转器实施例包括光波导和覆盖带(overlay strip)。所述光波导具有相对地设置在所述光波导上的输入端和输出端。所述光波导可操作用于在所述输入端接收输入光信号，所述输入光信号具备具有输入极化的模式。所述光波导进一步可操作用于在所述输出端生成输出光信号，所述输出光信号具有正交于所述输入极化的输出极化。所述覆盖带设置在所述光波导上并且与所述光波导非正交地交叉。所述覆盖带具有第一端和第二端，所述第一端从所述光波导横向偏移第一偏移距离，所述第二端从所述光波导横向偏移第二偏移距离。

一个构造波导极化旋转器的方法的实施例包括形成光波导，所述光波导具有在其上相对设置的输入端和输出端。然后在所述光波导上方形成包层。然后在所述光波导上方套准覆盖带。所述覆盖带包括在其上相对设置的第一端和第二端。所述第一端从所述光波导横向偏移第一偏移距离，并且所述第二端从所述光波导横向偏移第二偏移距离。所述第一端和所述第二端相对地设置在所述光波导的两侧上。所述方法进一步包括根据所述套准在所述包层上形成所述覆盖带。

一个光子电路的实施例包括极化分离器、波导极化旋转器以及滤波器。所述极化分离器被配置成将接收的光信号分成第一模式和第二模式。所述第一模式和所述第二模式相对于彼此正交。所述波导极化旋转器包括光波导，所述光波导具有相对地设置在所述光波导上的输入端和输出端。所述光波导可操作用于在耦合到所述极化分离器的所述输入端接收具有输入极化的所述第一模式。所述光波导进一步可操作用于在所述输出端生成具有与所述输入极化正交的输出极化的输出光信号。所述覆盖带设置在所述光波导上并与所述光波导非正交地交叉。所述覆盖带包括第一端和第二端，所述第一端从所述光波导横向偏移第一偏移距离，所述第二端从所述光波导横向偏移第二偏移距离。所述滤波器耦合到所述波导极化旋转器的输出端，并配置成将为所述第二模式设计的传递函数应用于来自所述波导极化旋转器的输出光信号。

附图说明

为了更完整地理解本发明以及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1是用于处理输入光信号的TE模式和TM模式两者的光子电路的一个实施例的框图；

图2示出了波导极化旋转器的一个实施例；

图3示出了波导极化旋转器的一个实施例的套准不敏感性；

图4示出了波导极化旋转器的另一个实施例；

图5是构造波导极化旋转器的方法的一个实施例的流程图；

图6是相对于晶片平面的极化角作为覆盖偏移量的函数的曲线图；和

图7是传输功率作为整个装置的长度的函数的曲线图。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的制造和使用。然而，应当理解，本发明提供可在各种各样的特定背景下实现的许多适用的发明性概念。所讨论的具体实施例仅仅是说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

在自由空间光学中，线性极化状态可以相对于初始极化状态被具有主轴定向45度的半波片旋转90度。对于光子电路，利用具有混合模式的波导极化旋转器可以实现等效的旋转，所述混合模式的主轴相对于波导的晶片平面旋转45度。波导极化旋转器还应该具有用于实现所需的旋转量的长度。波导横截面中的水平和垂直不对称性提供必要的混合模式和TE与TM极化之间的耦合。

在波导的横截面中产生不对称通常涉及至少两个光刻步骤。一般地，在包含波导层和覆盖层的制造工艺中，第一步限定波导特性，第二步骤限定覆盖的特征，其中该覆盖创建期望的非对称性。通常，波导和覆盖之间形成有包层。在本文中认识到，波导和覆盖的对准，即一种称为套准(registration)的工艺，在构造质量波导极化旋转器中是至关重要的。特别是，所得到的结构的极化轴的取向可以影响PDL和极化串扰。商用光刻工艺可以使波导和覆盖套准在横向和纵向尺寸上的几十纳米内。在某些类型的光子电路中，例如，具有多晶硅覆盖的硅纳米线波导，套准容差为几十纳米数量级，这意味着商用光刻工艺仍可产生明显程度的缺陷。

在本文中认识到，波导极化旋转器可构造成对于套准误差不敏感。给定波导，其具有由第一制造步骤所限定的特征，包括材料、厚度、宽度和长度，覆盖带可以被设计为具有与所述波导非正交地交叉从而产生必需的垂直不对称性的足够的长度、宽度和厚度，以产生所需的混合模式。非正交地交叉就是以角度α交叉，其中0＜α＜90度。覆盖带的长度被设计成使得每个端部充分地从该波导横向偏移，使得波导的基本模式不受到覆盖带影响。波导的基本模式通过求解波导极化旋转器的横截面的麦克斯韦方程来计算。其中，交叉覆盖带确实影响波导的基本模式，覆盖带与波导形成两个绝热旋转区域。这两个绝热旋转区域是关于在波导极化旋转器的长度方向中心处绘制的并垂直于该波导的线而对称的。波导极化旋转器在绝热旋转区域的内边界产生混合模式，所述混合模式具有从晶片平面旋转45度的主轴。覆盖带可以形成为，使得形成第一绝热旋转区域，在其中覆盖带在最靠近覆盖带的第一端处开始与光波导交叉，并形成第二绝热旋转区域，在其中所述覆盖带在最靠近覆盖带的第二端处开始与光波导交叉。第一和第二绝热区域都可以将模式的极化相对于光波导的基片平面旋转至少30度。

描述本文中介绍的波导极化旋转器的各种实施例之前，描述光子电路，在该光子电路中可以实现所述波导极化旋转器。

图1是用于处理入射光信号的TE模式和TM模式两者的光子电路100的一个实施例的框图。光子电路100包括极化分离器110、极化旋转器120-1、滤波器130-1和130-2、极化旋转器120-2和极化组合器140。极化分离器110与极化旋转器120-1、滤波器130-1、极化旋转器120-2和极化组合器140沿一条路径串联耦合；并与滤波器130-2和极化组合器140沿另一条道路串联耦合。

极化分离器110被配置成接收输入光信号150。极化分离器110将输入光信号150分成TE模式154和TM模式152。TE模式154传播到滤波器130-2，其在将该光信号传递给极化组合器140之前向光信号应用传递函数。TM模式152传播至极化旋转器120-1，在其中将其极化旋转90度至TE模式的极化，产生旋转的TM模式156。滤波器130-1对旋转的TM模式156应用与滤波器130-2相同的的传递函数。在光子电路100的这个阶段，输入光信号150的TE模式154和TM模式152都被滤波并具有TE模式154的极化的主轴。旋转的TM模式156随后被极化旋转器120-2旋转回其初始TM极化。极化组合器140将两种极化组合成输出光信号160。

图2示出了波导极化旋转器200的一个实施例。图2-A是波导极化旋转器200的俯视图。图2-B示出了与波导极化旋转器200的三个长度方向的部分相对应的波导极化旋转器200的三个横截面图。

在图2-A中，波导极化旋转器200包括光波导210和覆盖带220。光波导210可以使用各种技术来制造，包括硅纳米线、绝缘硅片(silicon-on-insulator)、硅-二氧化硅(silicon-on-silica)、磷化铟(Indium Phosphide，InP)和砷化镓(Gallium Arsenide，GaAs)等。在硅纳米线实施例中，在顶部具有二氧化硅层的硅晶片上形成晶体硅层。然后，根据需要蚀刻晶体硅层，以形成光波导210。通常，在诸如波导极化旋转器200的光子器件中，光波导210和覆盖带220将由包层来分离。包层是一个或多个低折射率(相对于波导芯而言)材料层，例如，硅芯上的二氧化硅包层，其可操作用于将电磁波包含在波导芯内。覆盖带220是形成在包层和光波导210上的额外的传播层。一种覆盖技术包括：在包层上形成无定形硅，根据需要蚀刻无定形硅，并对剩余的无定形硅进行退火处理，以形成多晶体硅(polycrystalline silicon)，有时也称为多晶硅(polysilicon)。

波导极化旋转器200被分为三个长度方向的部分230、240和250。在第一部分230中，输入光信号从左到右传播。输入光信号包括TE模式和TM模式，如图2-B中虚线的和实线的主轴所示。图2-B-1是波导极化旋转器200在第一部分230的左边界的横截面。覆盖带220示出为在光波导210的上方并向左偏移，这与覆盖带220的左上端相对应。随着输入光信号沿着第一部分230传播并且覆盖带220越来越接近光波导210，TE和TM模式经历到混合模式的绝热过渡，该混合模式具有相对于图2-B-1中所示的初始极化旋转45度的主轴。

当光信号到达第一部分230和第二部分240之间的边界时，TE和TM模式均已旋转了45度，如图2-B-2中所示。该横截面示出了光波导210上方的覆盖带220，在这里它影响光波导210的基本模式并形成混合模式。所述混合模式从第一部分230中的绝热旋转区域耦合到由光波导210和覆盖带220形成的第二部分240中的波导结构。随着光信号通过第二部分240传播，净极化旋转是零。这是通过整个几乎没有极化旋转而实现的，或者通过一个或多个完整的旋转，即360度的旋转而实现的。在前者的情况下，混合模式的拍长比第二部分240的长度长得多，不产生显著转动。在后者的情况下，其中混合模式的极化随光信号传播而旋转，第二部分240的长度被设计成使得所述混合模式的极化在第二部分240和第三部分250之间的边界处与在第一部分230和第二部分240之间的边界处相同，这在图2-B-2中由两个横截面的对称性所示出。除了光波导210和覆盖带220的其他设计特征，包括材料、厚度、宽度、和包层之外，第二部分240的长度是由覆盖带220的长度和覆盖带220的多个端部距光波导210的横向偏移所指示的。

在第二部分240和第三部分250之间的边界处，TE模式和TM模式都耦合到第三部分250中它们的互补模式，即旋转90度的模式。由于第一部分230和第三部分250的对称性，第三部分中的绝热旋转区域将混合模式的极化旋转回输入光信号的TE和TM模式的初始取向，即，-45度。然而，由于该混合模式在第三部分250的左侧边界处耦合到它们的互补模式中，光信号的模式的极化随着光信号传播通过第三部分250旋转额外的45度，即，+45度，产生净90度的极化旋转。在波导极化旋转器200的右端，如图2-B-3所示，由虚线主轴表示的模式平行于基片平面，即，TE极化，由实线主轴表示的模式垂直(normal)于基片平面，即TM极化。此外，覆盖带220偏移到光波导210的右侧，在这里它不影响光波导210的基本模式。由于覆盖带220在第一部分起始处和第三部分末端不影响光波导210的基本模式，因此光波导的基本模式等于波导极化旋转器在覆盖带的第一端和第二端的基本模式。

所述三个部分230、240和250的边界都是理想化的。在实践中，波导极化旋转器实施例中的边界不是明确限定的，因为有沿传播轴的波导极化旋转器200的横截面的连续变换。为了实现理想的性能，即净90度的极化旋转，极化的取向在第二部分240的边界处可不同于主轴的理想45度取向。同样，波导极化旋转器实施例实现的实际旋转可不同于90度。

图3示出了波导极化旋转器300的一个实施例的套准不敏感性。波导极化旋转器300包括光波导310和覆盖带320。波导极化旋转器300中光波导310与覆盖带320交叉的部分被认为是旋转区域330。在旋转区域330内，波导极化旋转器300依照上述图2的实施例进行操作。光波导310和覆盖带320的长度被设计成使得整个装置对制造过程中产生的套准误差不敏感。

在套准过程中，覆盖带320位于光波导310上方，并且在一定加工容差内垂直且水平对准。例如，某些光刻工艺精确到几十纳米以内。假定光波导310和覆盖带320的长度足够长，光波导310上覆盖带320的水平和垂直套准偏差或位置对旋转区域330的性能没有影响。图3-A表示目标套准，其具有以光波导310为水平中心的旋转区域330和沿其自身穿过旋转区域330的长度为中心的覆盖带320。

在制造过程中，套准可以如图3-B至3-E中所示的垂直和水平地变化。图3-B示出了当套准产生使覆盖带320偏右的误差时，波导极化旋转器300内旋转区域330的位置。图3-C示出了当套准产生使覆盖带320偏下的误差时，波导极化旋转器300内旋转区域330的位置。图3-D示出了当套准产生使覆盖带320偏左的误差时，波导极化旋转器300内旋转区域330的位置。图3-E示出了当套准产生使覆盖带320偏上的误差时，波导极化旋转器300内旋转区域330的位置。

图3-B至3-E中显而易见的是，当光波导310传播轴线水平地定向时，水平套准误差产生由于误差水平移动的转动区域，如图3-B和3-D中所预期和示出的。可能不太直观地，垂直套准误差也水平移动了旋转区域330，但比横向套准误差移动得少。

图4示出了波导极化旋转器400的另一个实施例。图4示出了波导极化旋转器400的尺寸，其包括光波导402和覆盖带404。图4-A示出了波导极化旋转器400的俯视图，而图4-B和4-C示出了各个横截面。

光波导402具有宽度410、长度430以及高度或厚度450。光波导402被具有厚度470的包层从覆盖带404分开。覆盖带404具有宽度420、长度440和厚度460。在某些实施例中，覆盖宽度420不大于波导宽度410。覆盖带404在光波导402上的套准是根据第一偏移480和第二偏移490完成的。第一偏移480纯粹地在光波导402的基片平面内定义，并且是从光波导402的边缘至覆盖带404的最近边缘测量的。在可替代实施例中，如图4-B所示，中心到中心的偏移482可以定义为从光波导402的中心到覆盖带404的中心。第二偏移490可以类似地被定义，但是在光波导402的相对侧上。第一偏移480和第二偏移490可以通过对光波导402和覆盖带404形成的波导结构求解麦克斯韦方程来确定，以找到覆盖带404不会影响光波导402的基本模式的最小偏移。可替代地，可以得到几个商用“模式求解器”和仿真系统来通过实验确定偏移。也可以增加最小偏移，以容纳预期的套准和加工误差。更具体地，当光波导402被定向成其传播轴线为水平的时，第一偏移480和第二偏移490可包括套准和加工误差的竖直容差。第一偏移距离和第二偏移距离可包括根据对于形成光波导和形成覆盖带的加工容差而确定的容差部分。

除了具有如在图2中所示的足够长的绝热旋转区域，覆盖长度440可以被确定成满足为第一偏移480和第二偏移490所确定的偏移值。覆盖长度440还可以包括对于水平套准和加工误差的容差。

图5是构造波导极化旋转器的方法的一个实施例的流程图。该方法起始于开始步骤510。在第一形成步骤520中，形成光波导。该光波导具有相对地设置在波导上的输入端和输出端。在第二形成步骤530中，在光波导上形成包层。在套准步骤540中，在光波导上套准覆盖带。该覆盖带具有在覆盖带上相对设置的第一端和第二端。所述第一端从光波导横向偏移第一偏移距离。第二端从光波导横向偏移第二偏移距离。覆盖带与光波导非正交地交叉，从而将覆盖带的第一端和第二端设置在光波导的相对的两侧上。然后，在第三形成步骤550中形成覆盖带。该方法随后终止于结束步骤560。

图6是一波导极化旋转器实施例的相对于晶片平面的极化角的曲线图600。曲线图600包括第一模式610和第二模式620。第一模式610和第二模式620的极化被计算为以微米为单位的覆盖带距光波导的偏移量的函数。曲线图600示出了一种极化，作为一组特定的光波导和覆盖带尺寸的覆盖偏移量的函数。极化还在很大程度上取决于光波导和覆盖带的宽度、长度、材料以及厚度。

一种通过波导极化旋转器实施例传播的给定模式，将经历逐渐的90度极化旋转。例如，第一模式610到达第一部分同时具有相对于晶片平面大约90度的极化。随着第一模式610进入第二部分，根据曲线图600，其极化主轴是相对于晶片平面成大约55度。由于对称性，第一模式610以相同的极化过渡出第二部分。然而，第一模式610在第二部分的边界和第三部分耦合到其互补模式，而不是遵循第一模式610的曲线。第一模式610由于其遵循了第二模式620的曲线，因此经历了净90度的极化旋转。第二模式620随着其传播通过该波导极化旋转器实施例而经历了类似的旋转。

图7是传输功率作为以微米为单位的装置长度的函数的曲线图700。装置长度指的是具有与图6中曲线图600的尺寸相等的尺寸的波导极化旋转器中的旋转区域的长度。曲线图700示出了TM模式710和TE模式720。曲线图700还示出了对于给定的光波导和覆盖带的尺寸，以及给定的第一偏移480和第二偏移490，最佳长度大致为19微米。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但是该描述并非旨在以限制性的意义来解释。参考这些描述，本发明的各种修改和示例性实施例的组合、和其他实施例对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这种修改或实施例。

Claims (20)

1.一种波导极化旋转器，包括：

光波导，具有相对地设置在所述光波导上的输入端和输出端，所述光波导可操作用于：

在所述输入端接收输入光信号，所述输入光信号具备具有输入极化的模式，以及

在所述输出端生成输出光信号，所述输出光信号具有正交于所述输入极化的输出极化；和

覆盖带，设置在所述光波导上并且与所述光波导非正交地交叉，并且具有第一端和第二端，所述第一端从所述光波导横向偏移第一偏移距离，所述第二端从所述光波导横向偏移第二偏移距离。

2.如权利要求1所述的波导极化旋转器，其中所述覆盖带包括多晶硅。

3.如权利要求1所述的波导极化旋转器，其中所述光波导的基本模式等于所述波导极化旋转器在所述覆盖带的所述第一端和所述第二端的基本模式。

4.如权利要求1所述的波导极化旋转器，其中所述光波导具有波导宽度，并且所述覆盖带具有不大于所述波导宽度的覆盖宽度。

5.如权利要求1所述的波导极化旋转器，还包括设置在所述光波导和所述覆盖带之间的包层。

6.如权利要求1所述的波导极化旋转器，其中所述光波导包括硅纳米线波导。

7.如权利要求1所述的波导极化旋转器，其中所述覆盖带以大于零度且小于90度的角度与所述光波导交叉。

8.如权利要求1所述的波导极化旋转器，其中所述输入光信号的模式的主轴平行于所述波导极化旋转器的基片平面。

9.一种构造波导极化旋转器的方法，包括：

形成光波导，所述光波导具有在其上相对设置的输入端和输出端；

在所述光波导上方形成包层；

套准覆盖带，所述覆盖带具有在其上相对设置的第一端和第二端，其中：

所述第一端从所述光波导横向偏移第一偏移距离，并且所述第二端从所述光波导横向偏移第二偏移距离，以及

所述第一端和所述第二端相对地设置在所述光波导的两侧上；和

根据所述套准在所述包层上形成所述覆盖带。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述形成所述光波导包括在绝缘基片上形成硅。

11.如权利要求9所述的方法，其中所述形成所述包层包括在所述光波导周围形成二氧化硅。

12.如根据权利要求9所述的方法，其中所述形成所述覆盖带包括在所述包层上形成多晶硅。

13.如权利要求9所述的方法，其中所述第一偏移距离包括容差部分，所述容差部分根据所述形成所述光波导和所述形成所述覆盖带的加工容差而确定。

14.如权利要求9所述的方法，其中所述形成所述覆盖带包括：

形成第一绝热旋转区域，在其中所述覆盖带在最靠近所述覆盖带的所述第一端处开始与所述光波导交叉；和

形成第二绝热旋转区域，在其中所述覆盖带在最靠近所述覆盖带的所述第二端处开始与所述光波导交叉。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述第一绝热区域可操作用于将模式的极化相对于所述光波导的基片平面旋转至少30度。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述模式是横磁TM模式。

17.如权利要求9所述的方法，其中所述形成所述覆盖带包括形成具有覆盖宽度和覆盖长度的多晶硅层，所述覆盖宽度不大于所述光波导的波导宽度，所述覆盖长度至少足够长以满足所述第一偏移距离和所述第二偏移距离。

18.如权利要求17所述的方法，其中增加所述覆盖长度以容纳所述光波导沿传播轴的套准和加工误差。

19.一种光子电路，包括：

极化分离器，被配置成将接收的光信号分成第一模式和第二模式，其中所述第一模式和所述第二模式相对于彼此正交；

波导极化旋转器，具有：

光波导，所述光波导具有相对地设置在所述光波导上的输入端和输出端，所述光波导可操作用于在耦合到所述极化分离器的所述输入端接收具有输入极化的所述第一模式，并在所述输出端生成具有与所述输入极化正交的输出极化的输出光信号，和

覆盖带，所述覆盖带设置在所述光波导上并且与所述光波导非正交地交叉，并且具有第一端和第二端，所述第一端从所述光波导横向偏移第一偏移距离，所述第二端从所述光波导横向偏移第二偏移距离；以及

滤波器，耦合到所述波导极化旋转器的输出端，并配置成将为所述第二模式设计的传递函数应用于来自所述波导极化旋转器的输出光信号。

20.如权利要求19所述的光子电路，其中所述第一模式是横电TE模式。