CN108227076A

CN108227076A - 基于硅波导的宽带偏振光束旋转器

Info

Publication number: CN108227076A
Application number: CN201711297301.5A
Authority: CN
Inventors: 林杰
Original assignee: Inphi Corp
Current assignee: Inphi Corp
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2018-06-29
Also published as: CN115061238A; US10133002B2; US9864141B1; US20180164505A1

Abstract

本申请公开了基于硅波导的宽带偏振光束旋转器。紧凑型偏振光束旋转器包括转换器波导，该转换器波导包括共享第一中间平面的具有对应锥形肋条形状的第一段和第二段并且被配置为从输入平面接收具有TM偏振模式的输入光信号并在第二中间平面将TM偏振模式转换为包括第一臂模式和第二臂模式的TE1偏振模式。所述偏振光束旋转器还包括：分束器波导，其耦接到第二中间平面，用于在第三平面处分离第一臂模式和第二臂模式，以分别耦接到第一分支波导和第二分支波导，第一分支波导用于同相传送第一臂模式以及第二分支波导用于将第二臂模式相位反转180°的；以及2×1MMI耦合器波导，用于将这两个臂模式同相组合为具有TE偏振模式的输出光信号。

Description

基于硅波导的宽带偏振光束旋转器

技术领域

本发明涉及一种宽带通信装置。更具体地，本发明提供了一种基于Si波导的宽带偏振光束旋转器，其具有低损耗和高消光比，用于偏振无关的硅光子通信系统。

背景技术

在过去的几十年中，宽带通信网络的使用激增。由于对数据和数据传输的高要求，现有的数据通信系统需要改进，以解决这些需求。

发明内容

本发明涉及光子宽带通信装置。更具体地，本发明提供一种宽带偏振光束旋转器。仅仅通过示例，本发明公开了一种紧凑型偏振光束旋转器，在SOI基板上具有由硅形成的两段锥形/肋形转换器波导，以将具有横向磁场(TM)偏振模式的光学信号转换为具有两个臂模式的至少最低阶横向电场(TE1)偏振模式。紧凑型偏振光束旋转器还包括分束器波导、一对分支波导和2x1MMI耦合器波导，以将两个臂模式组合成一个TE模式。紧凑型偏振光束旋转器可以集成在用于宽带的Si光子电路中，例如，整个C波段、偏振无关的通信系统，但是其他波长的其他应用也是可行的。

在一个实施例中，本发明提供了一种包括一个或多个偏振光束旋转器的宽带偏振分割复用器。每个偏振光束旋转器包括转换器波导，该转换器波导包括共享第一中间横截面平面的具有对应锥形肋条形状的第一段和第二段。所述第一段被配置为从输入平面接收具有TM偏振模式的输入光信号，并且所述第二段终止于第二中间横截面平面。所述转换器波导将所述TM偏振模式转换为一阶TE1偏振模式，其在第二中间横截面平面包括同相的第一臂模式和异相的第二臂模式。所述偏振光束旋转器还包括锥形分束器波导，其耦接到第二中间横截面平面，用于在第三中间横截面平面处以大于0.2μm的间隔分离第一臂模式和第二臂模式。另外，偏振光束旋转器包括第一分支波导和第二分支波导，其耦接到所述第三中间横截面平面，用于分别发送所述第一臂模式和所述第二臂模式。所述第一分支波导被配置为传送具有相同相位的第一臂模式。所述第二分支波导包括用于将第二臂模式反转180°的相位以传送的移相器。此外，偏振光束旋转器包括耦接到第一分支波导和第二分支波导的2×1MMI耦合器波导，以将第一臂模式和第二臂模式同相组合为具有TE偏振模式的输出光信号。通过偏振光束旋转器，具有TE偏振模式的输出光信号相对于具有TM偏振模式的输入光信号仅受到小于1dB的功率损耗。

可以通过本发明提供的紧凑型偏振光束旋转器来实现偏振无关的Si光子系统的许多益处。偏振光束旋转器是下一代Si光子系统中偏振管理的关键元件。本公开的偏振光束旋转器尺寸紧凑、结构简单、制造工艺方便、对绝缘体上硅(SOI)基板上进行的工艺具有高耐受性，这些都是光子系统集成的关键因素。本公开的偏振光束旋转器的特征在于鲁棒的Si波导设计，在Si光子系统所期望的整个C波段上具有小于1dB的损耗。也应该应用同样的设计原理，以形成关于O波段操作的宽带偏振光束旋转器。

附图说明

图1A是根据本发明的实施例的基于波导的偏振光束旋转器的俯视图；

图1B是据本发明的实施例的沿着图1A的基于波导的偏振光束旋转器的A-A'平面的剖视图；

图1C是沿着根据本发明的实施例的基于波导的偏振光束旋转器的B-B'平面的剖视图；

图2是示出根据本发明的实施例的偏振光束旋转器的功能的示意图；

图3A和图3B是示出根据本发明的实施例的(A)输入TM模式信号向前穿过偏振光束旋转器而作为TE模式信号输出的强度分布以及(B)相反地，输入TE模式信号向后穿过偏振光束旋转器而作为TM模式信号输出的强度分布的示例图；

图4是根据本发明的实施例的偏振光束旋转器的各种肋条厚度下的功率损失对C波段的曲线图；

图5是根据本发明的实施例的偏振光束旋转器的各种肋条覆盖层下的功率损失对C波段的曲线图；

图6是根据本发明的实施例的偏振光束旋转器的各种操作温度下的功率损失对C波段的曲线图。

具体实施方式

图1A是根据本发明的实施例的基于波导的偏振光束旋转器的俯视图。该图仅仅是一个示例，不应该过度地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替换和修改。参考图1A，示出了基于波导的偏振光束旋转器10的俯视图。在一些实施例中，偏振光束旋转器10包括在绝缘体上硅(SOI)基板上形成的单片图案化硅波导。在具体实施例中，SOI基板的标准平台包括在氧化物层上的220nm Si层，如图1C的剖视图所示。偏振光束旋转器10包括具有锥形肋条形状的转换器波导，该转换器波导包括位于输入平面100和第一中间横截面平面110之间的长度为L1的第一段101。锥形肋条形状的转换器波导还包括长度L2的第二段102，其耦接到第一中间横截面平面110(或自然地从其延伸)，并终止在第二横截面平面120处。第一段101的锥形形状的特征在于沿着长度L1，其宽度从在输入平面处的宽度w1增大为在第一中间横截面平面110处的较大宽度wb。第二段102的锥形形状的特征在于沿着长度L2，其宽度从第一中间横截面平面110处的宽度wb减小为在第二中间横截面平面120处的较小宽度w2。

例如，除了具有宽度为w1的单层结构的输入平面100和具有宽度为w2的另一单层结构的第二中间截面平面120之外，第一段101和第二段102也是肋形，如关于第一中间横截面平面110处的A-A'平面的图1B所示，在平面100和平面120之间形成的双层结构在较宽的基底层上包括较小宽度的肋条层。在一些实施例中，第一段101和第二段102都是通过利用在SOI基板的氧化层上方的标准Si层来将具有均匀厚度h的硅层图案化为锥形形状而制成，参考上述单层结构100或120，如图1C所示。此外，通过去除部分单层硅来图案化第一段101和第二段102以在锥形顶部上形成肋条形状从而形成双层结构，例如厚度为hb的基底层上的厚度为hr的肋条层，如图1B所示，实质上受hr+hb＝h的限制。肋条层也具有锥形形状。肋条层具有这样的宽度，该宽度沿着第一段101的长度L1从输入平面100处的w1增大到第一中间横截面平面110处的wr，并且还具有沿着第二段102的长度L2增加到在第二中间横截面平面120处的w2的宽度。

在一个实施例中，在SOI基板上以这种两段锥形肋条形状形成的转换器波导提供了狭窄的机械结构，用于有效地将在输入平面处接收的TM偏振模式的光信号通过第一中间横截面平面110直到第二中间横截面平面120而转换为一阶TE1模式。在具体实施例中，通过利用SOI基板的标准220nm Si层厚度，用于实现上述目的的紧凑型转换波导可以形成有具有以下尺寸的第一段101和第二段102：长度L1＝43μm、L2＝20μm；宽度w1＝0.45μm、wr＝0.55μm、wb＝1.55μm以及w2＝0.85μm。此处的每个尺寸与共同的高度h＝220nm(SOI基板的Si层厚度)相关联，并且可以改变至少10％的裕度。当然，也可以选择其他尺寸来实现将TM模式转换为TE1模式的类似转换结果，但是如果使用220nm标准SOI基板，则上述选择是优选的。可见，最小的是0.45μm的w1，这是标准的工艺可靠的波导尺寸。换言之，根据本发明的偏振光束旋转器10(至少对于转换器波导部分)没有需要小至100nm的某个关键波导尺寸来实现其指定的旋转器功能的传统问题，由于制造产率较差，所以这些传统选项不太适合大规模生产。

再次参考图1A，偏振光束旋转器10包括耦接到第二中间横截面平面120(或自然地从其延伸)的分束器波导121。在第二中间横截面平面120处的光学信号的TE1模式的特征在于，两个臂模式(或子模式)，其强度在两个点处具有峰值，具有小间隔且相位相反，即，第一臂模式是同相的并且第二臂模式相对于输入TM模式是异相的。分束器波导121也呈简单的锥形，具有长度为L3的肋条，其被配置为进一步分割两个臂模式，具有沿着长度L3从在第二中间横截面平面120处的宽度w2到在第三中间横截面平面130处的宽度w3终止的增大宽度。而且，在一个具体的实施例中，该分束器波导121也由标准的220nm SOI基板形成，使得其具有与转换器波导相同的220nm的厚度。因此，L3约为15μm或更大，宽度W3约为2μm或更大，使得第一臂模式可以与第二臂模式充分地分开。当然，分束器波导121越长，宽度w3越宽，这两个臂模式的间隔就越宽。然而，设计规则是保持结构尽可能紧凑，而仍能实现足够大的间隔以便将两个臂模式分离地耦合入两个分支波导，其间隔大于通过波导工艺的最小容差间隔，使得可以高产率地完成其大量生产。以上L3和W3的建议值仅仅是一个示例，可以改变至少10％的裕度。

再次参考图1A，偏振光束旋转器10包括第一分支波导131和第二分支波导132，其基本平行放置并且分别耦接到第三中间横截面平面130的两个分离部分，用于分别引导由分束器波导121分开的第一臂模式信号和第二臂模式信号。具体地，第一分支波导131包括：锥形部分，其耦接到第三中间横截面平面130的一部分，用于主要接收第一臂模式信号；以及笔直部分，用于与输入平面100处的原始TM模式信号基本同相地向前引导该信号。第二分支波导132包括锥形部分，其耦接到第三中间横截面平面130的另一部分，用于主要接收第二臂模式信号。用于耦合第二臂模式信号的另一部分以与用于在第三中间横截面平面130上耦合第一臂模式信号的部分分离。第二分支波导132还包括具有长度L4以及变化的宽度的移相器，从第一部分的起始位置(紧邻锥形部分)到宽度逐渐增大到最大值wm的大致中间位置到宽度逐渐减小的第二部分的终止位置测量长度L4。

在具体实施例中，长度L4约为10μm，在长度L4的中间位置的最大宽度wm约为0.86μm。用于移相器的这种尺寸设置能够在长度L4上将第二臂模式信号的相位大致反转180°。因此，第二分支波导132能够在180°相位反转之后引导第二臂模式，在输入平面100处的原始TM模式信号以及通过第一分支波导131的第一臂模式信号向前同相。以上L4和wm的建议值仅仅是一个示例，可以改变至少10％的裕度。在其整个长度上，第一分支波导131和第二波导132平行放置，间隔wg设置为约0.6μm。这仍然比SOI基板上的硅波导的优选的最小波导分离尺寸200nm大得多，因此对于大量生产来说非常可行。

参考图1A，偏振光束旋转器10另外包括用于组合第一臂模式信号和第二臂模式信号的2×1多模式干涉(MMI)耦合器波导140。具体地，2×1MMI耦合波导140包括宽度为2μm的矩形部分141，该矩形部分141经由截取宽度2μm的一部分的一对锥形部分(宽度bw1或bw2均为0.7到0.9μm)耦接到第一分支波导131和第二分支波导132，间隔大于0.2μm。2×1MMI耦合器波导140包括耦接到矩形部分141的另一侧的锥形部分142，用于将组合信号引导到宽度为w5的输出平面150。由于来自第二分支波导131的第二臂(TE1)模式信号已经反转180°并且与来自第一分支波导132的第一臂(TE1)模式信号同相，所以组合信号在输出平面150处将是全功率TE模式信号。在一个实施例中，偏振光束旋转器10的输出平面150的宽度w5设置为与输入平面100的宽度w1基本相同。在一个示例中，w5＝0.45μm。

图1B是根据本发明的实施例的沿着图1A的基于波导的偏振光束旋转器的A-A'平面的剖视图。图1C是根据本发明的实施例的沿着基于波导的偏振光束旋转器的B-B'平面的剖视图。仅举例而言，AA'平面是具有肋条结构的基于波导的偏振光束旋转器10的第一中间横截面平面110。示出了波导管101，其具有肋条结构1101，该肋条结构形成为覆盖基底结构1102，基底结构1102是在SOI基板的氧化物层1001上的原始Si层的一部分。在另一示例中，BB'平面是基于波导的偏振光束旋转器10的第二中间横截面平面120。

在一个替代实施例中，本公开还提供了一种用于在标准SOI基板的220nm Si层上形成具有锥形肋条结构的Si波导的方法。具体地，该方法包括：在SOI基板的氧化层上图案化220nm Si层，以形成一定长度的波导结构(如图1C所示)，其矩形横截面具有各种宽度以及等于Si层厚度220nm的共同高度h。波导结构的宽度w可沿其长度变化，以使波导呈锥形。然后，该方法包括沿先前图案化的波导结构的长度覆盖具有各种宽度wr<w和高度hr<h的肋条图案。该第二图案化工艺去除波导结构中的部分Si材料，以在基底结构上形成肋条结构，如图1B所示。基底结构的高度为hb，宽度为wb。肋条高度hr和基底高度hb之和等于先前图案化的波导的原始高度h。基底结构保持其宽度wb与矩形波导的原始宽度w相同。

在一个具体实施例中，理想地，肋条结构优选沿着先前图案化的矩形波导的长度形成在中间位置，但是经常发生覆盖偏移，以使得肋条结构的中心线小幅偏离基底结构的中心线。下面将要注意的是，根据本公开的偏振光束旋转器可以在宽波长范围(例如，整个C波段)中基本上保持将TM转换为TE模式或者相反的其设计功能，甚至只有不到1dB的功率损耗，肋条结构具有典型的工艺覆盖偏移。

图2是示出根据本发明的实施例的偏振光束旋转器的功能的示意图。该图仅仅是一个示例，不应该过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替换和修改。如图所示，偏振光束旋转器10(图1A)被配置成在输入平面100处接收具有TM偏振模式的光学信号。具有锥形肋条结构的两个段的转换器波导被设计成将TM模式转换成一阶TE模式，即TE1模式。第一段101具有锥形肋条形状，其沿着从输入平面100到第一中间横截面平面110的长度具有增加的基底宽度以及增加的肋部宽度，其中，基底宽度和肋部宽度在输入平面处相等。该结构允许在第一段开始内耦合的TM模式沿着该长度逐渐改变其光强模式图案。第二段102也具有锥形肋条形状，其沿着从第一中间横截面平面110到第二中间横截面平面120的长度具有增加的肋条宽度，但是具有减小的基底宽度，在第二中间横截面平面处基底宽度和肋宽度再次相等。从第一中间横截面平面110直到第二中间横截面平面120，TM模式基本上朝向TE1模式变化，并且示出两个明显分开的强度峰值，一个峰值是同相的TE1子模式，另一峰值是相对于原始TM模式是异相的TE1子模式。

再次参考图2，偏振光束旋转器10包括分束器波导121，用于进一步将两个强度峰值分开得更远，直到第三中间横截面平面130。两个TE1子模式再次保持一个同相，另一个异相，但峰值强度较低，分离较宽。

现在，两个分支波导131和132用于在分束器波导121的第三中间横截面平面130处分别耦合两个TE1子模式信号。两个分支波导131和132在布局上基本上平行并具有大于0.2μm的间隔。第一分支波导131耦合一个同相TE1子模式并保持相同的相位引导其通过直到其端面。第二分支波导132被配置为具有变化的宽度而作为移相器，异相耦合另一TE1子模式并且将其相位反转180°，以使其在其端面处同相地变成TE1子模式，其距离第一分支波导131的端面至少0.2μm。

偏振光束旋转器10包括2×1MMI耦合器波导140，以耦接到第一分支波导131和第二分支波导132的两个端面，用于在输出平面150处将现在均是同相的两个TE1子模式信号组合成单个TE模式信号。输出平面150具有矩形形状，其宽度基本上等于输入平面100的宽度。TE模式信号的光功率在偏振光束旋转器10的单片形波导的整个长度上仅损失小于1dB。在一个具体实施例中，对于在整个C波段中具有波长的所有偏振光信号，可以实现上述偏振旋转功能。可选地，可以将相同的设计原理和相关的功能应用于针对整个O波段操作的宽带偏振光束旋转器。

图3A和图3B是示出根据本发明的实施例的(A)输入的TM模式信号向前穿过偏振光束旋转器而作为TE模式信号输出的强度分布以及(B)输入的TE模式信号相反地向后穿过偏振光束旋转器而作为TM模式信号输出的的强度分布的示例图。该图仅仅是一个示例，不应该过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替换和修改。在图3的部分(A)中，示出了在输入平面(在图的左端)处接收到的光信号在基本上分布在中心附近的TM模式中具有峰值强度，沿着基于波导的偏振光束旋转器(即，图1A的偏振光束旋转器10)的中心线向前引导该峰值强度。沿着光路，在偏振光束旋转器的大致中间横截面平面处，单个TM模式逐渐转换为彼此间具有小间隙的TE1特性的两个子模式。进一步沿着该路径，两个TE1子模式进一步分离，作为与原始TM模式信号同相并且耦接到第一分支波导的第一臂模式，以及作为与原始TM模式信号异相并且耦接到第二分支波导的第二臂模式。特别地，第一分支波导(位于图的下部位置处)仅仅与TM模式同相地引导第一臂模式，而第二分支波导(位于图中的上部位置)被配置成将第二臂模式的相位反转180°，以将异相信号转换为同相信号。尽管图中并没有明确显示每个分支的相位，但其示出通过第一个分支没有强度变化，而是沿着第二分支显示出从高到低并且再次变高的强度变化。最后，通常同相的第一臂模式和第二臂模式通过2×1MMI耦合器在输出平面(在图的右端)处组合成单个TE模式。因此，通过约120μm的偏振光束旋转器，具有TM模式的输入光信号转换为具有TE模式的输出光信号。

在图3的部分(B)中，可以看出，当TE模式信号从右端的输出平面输入并在相反的方向向左引导，以在左端的输入平面处输出TM模式时，相同的偏振光束旋转器也起到将TE模式信号转换为TM模式信号的作用。TE模式信号首先分成两部分，一部分以相同相位通过第一分支，另一部分以反相通过第二分支。然后，合并成为TE1模式信号的两个子模式。进一步通过转换器波导(反相)，TE1模式信号转换成TM模式信号。

在一些实施例中，在本发明中提供的偏振光束旋转器不仅基于在具有220nm Si层的标准绝缘体上硅基板上的波导设计，具有紧凑尺寸和简单制造，而且在硅光子系统上使用时，具有非常好的光学性能，在整个C波段上的功率损耗为低于1dB。在本发明中公开的用于形成基于波导的偏振光束旋转器的方法提供了对工艺变化非常宽容的鲁棒设计。

图4是根据本发明的实施例的偏振光束旋转器的各种肋条厚度下的功率损失对C波段的曲线图。如上所示，偏振光束旋转器包括两段锥形肋条形状的转换器波导。在预制的矩形波导中形成覆盖在基底结构上的肋条结构是关键的步骤。提供标准SOI基板的220nmSi层，在厚度具有特定长度为220nm的预制波导上进行覆盖工艺，以在基底结构1012上形成具有较小厚度hr的肋条结构1011，其中，从肋条1011的每一侧去除部分Si材料。典型的Si波导工艺变化可能导致肋条厚度的变化，这可能影响偏振光束旋转器的光学性能。如图4所示，为了表征其光学性能，提供了使用相同的覆盖图案化工艺形成的具有不同肋条厚度(90nm、110nm和130nm)的偏振光束旋转器的三个样本。对所有三个样本都测量了光功率损耗对整个C波段中的所有波长。曲线1121表示肋条厚度为110nm的偏振光束旋转器的数据。曲线1122表示肋条厚度为90nm的偏振光束旋转器的数据，在1530nm至1560nm之间的C波段上具有约-0.8dB的最大损耗。曲线1123表示肋条厚度为130nm的偏振光束旋转器的数据，在1530nm至1560nm之间的C波段上具有约-0.6dB的最小损耗。换言之，本发明的偏振光束旋转器非常鲁棒，在波长宽带中具有高性能，并且对于肋条厚度的变化具有高容差(tolerance)。

图5是根据本发明的实施例的偏振光束旋转器的各种肋条覆盖层下的功率损失对C波段的曲线图。覆盖图案化工艺也可能导致肋条结构的位置偏离基底结构的中心线。图5示出了可能的覆盖变化形成的肋条结构。再次，提供了具有不同覆盖层(0、+60nm和-60nm)的偏振光束旋转器的三个样本。所有三个样本都测量了光功率损耗对整个C波段中的所有波长。曲线1221表示具有0覆盖的偏振光束旋转器的数据，在1530nm至1560nm之间的波长处具有略小于-0.6dB的最小损失。曲线1222表示具有+60nm覆盖的偏振光束旋转器的数据，在1530nm处具有稍微超过-0.8dB的最大损耗。曲线1223表示具有-60nm覆盖的偏振光束旋转器的数据，在1530nm至1560nm之间的C波段上具有约-0.7dB的损耗。数据表明，本发明的偏振光束旋转器非常鲁棒，在波长宽带中具有高性能，并且对于肋条覆盖变化的变化具有高耐受性。

此外，本发明提供的偏振光束旋转器在对温度不敏感方面被证明具有高光学性能。图6是根据本发明的实施例的偏振光束旋转器的各种操作温度下的功率损失对C波段的曲线图。如图所示，偏振光束旋转器的样本在300K至360K的宽温度变化下在整个C波段上测量其TM到TE信号转换损失。曲线1321示出了在300K下操作的偏振光束旋转器的数据，产生从-0.57dB到-0.66dB的损耗。曲线1322示出了在320K下操作的偏振光束旋转器的数据，产生了在-0.59dB和-0.65dB之间的更窄的损耗范围。曲线1323示出了在340K下操作的偏振光束旋转器的数据，产生从-0.56dB到-0.68dB的损耗。曲线1324示出了在360K下操作的偏振光束旋转器的数据，产生-0.6dB至-0.67dB之间的损耗范围。因此，证明偏振光束旋转器对整个C波段的温度变化非常不敏感。

因此，本发明尤其提供了一种基于波导的偏振光束旋转器、一种用于集成在偏振复用器/解复用器中的偏振无关的装置、一种偏振无关的硅光子通信系统以及一种用于使用SOI基板制造偏振光束旋转器的方法，其基本上消除了由于现有技术的限制和缺点而导致的一个或多个问题。一方面，本发明提供了一种包括一个或多个偏振光束旋转器的宽带偏振分割复用器。每个偏振光束旋转器包括转换器波导，该转换器波导包括共享第一中间平面的具有对应锥形肋条形状的第一段和第二段。所述第一段被配置为从输入平面接收具有TM偏振模式的输入光信号，并且所述第二段以第二中间横截面平面终止。所述转换器波导将所述TM偏振模式在第二中间横截面平面转换为包括同相的第一臂模式和异相的第二臂模式的一阶TE1偏振模式。所述偏振光束旋转器还包括锥形分束器波导，其耦接到第二中间横截面平面，用于在第三中间横截面平面处，以大于0.2μm的间隔分离第一臂模式和第二臂模式。另外，偏振光束旋转器包括第一分支波导和第二分支波导，其耦接到所述第三中间横截面平面，用于分别发送所述第一臂模式和所述第二臂模式。所述第一分支波导被配置为传送具有相同相位的第一臂模式。所述第二分支波导包括用于将第二臂模式反转了180°的相位而传送的移相器。此外，偏振光束旋转器包括耦接到第一分支波导和第二分支波导的2×1MMI耦合器波导，以将第一臂模式和第二臂模式同相组合为具有TE偏振模式的输出光信号。通过偏振光束旋转器，具有TE偏振模式的输出光信号相对于具有TM偏振模式的输入光信号仅受到小于1dB的功率损耗。偏振光束旋转器可以反向使用，用于将TE模式信号转换为TM模式信号。

另一方面，本发明提供了一种包括一个或多个偏振光束旋转器的偏振无关的硅光子通信系统。所述一个或多个偏振光束旋转器中的每个包括转换器波导，该转换器波导包括共享第一中间平面的具有对应锥形肋条形状的第一段和第二段。所述第一段被配置为从输入平面接收具有TM偏振模式的输入光信号，并且所述第二段以第二中间横截面平面终止。所述转换器波导在第二中间横截面平面将所述TM偏振模式转换为包括同相的第一臂模式和异相的第二臂模式的至少最低阶TE1偏振模式。所述偏振光束旋转器还包括锥形分束器波导，其耦接到第二中间横截面平面，用于在第三中间横截面平面处，以大于0.2μm的间隔分离第一臂模式和第二臂模式。另外，偏振光束旋转器包括第一分支波导和第二分支波导，其耦接到所述第三中间横截面平面，用于分别发送所述第一臂模式和所述第二臂模式。所述第一分支波导被配置为传送具有相同相位的第一臂模式。所述第二分支波导包括用于通过反转180°的相位传送第二臂模式的移相器。此外，偏振光束旋转器包括耦接到第一分支波导和第二分支波导的2×1MMI耦合器波导，以将第一臂模式和第二臂模式同相组合为具有TE偏振模式的输出光信号。通过偏振光束旋转器，具有TE偏振模式的输出光信号相对于具有TM偏振模式的输入光信号仅受到小于1dB的功率损耗。偏振光束旋转器可以反向使用，用于将TE模式信号转换为TM模式信号，使得硅光子系统能够在任一通信方向中发送和接收偏振的光学信号。

Claims

1.一种用于宽带操作的偏振光束旋转器，包括：

转换器波导，包括共享第一中间横截面平面的具有对应锥形肋条形状的第一段和第二段，所述第一段被配置为从输入平面接收具有横向磁场(TM)偏振模式的输入光信号，并且所述第二段终止于第二中间横截面平面，所述转换器波导在所述第二中间横截面平面将所述横向磁场偏振模式转换为包括同相的第一臂模式和异相的第二臂模式的一阶横向电场(TE1)偏振模式；

分束器波导，具有锥形并耦接到所述第二中间横截面平面，以用于在第三中间横截面平面处分离所述第一臂模式和所述第二臂模式；

第一分支波导和第二分支波导，耦接到所述第三中间横截面平面，以用于分别传输所述第一臂模式和所述第二臂模式，所述第一分支波导被配置为传送具有相同相位的第一臂模式，所述第二分支波导包括用于传送第二臂模式的移相器；以及

2×1多模干涉(MMI)耦合器波导，耦接到所述第一分支波导和所述第二分支波导，以将所述第一臂模式和所述第二臂模式同相组合为具有横向电场偏振模式的输出光信号。

2.根据权利要求1所述的偏振光束旋转器，其中，所述转换器波导、所述分束器波导、相移波导、规则波导和2×1多模干涉耦合器波导中的每一个包括在绝缘体硅片(SOI)基板上形成的硅材料的单块体。

3.根据权利要求2所述的偏振光束旋转器，其中，所述绝缘体硅片基板包括标准绝缘体硅片平台上的220nm Si层，所述绝缘体硅片平台针对所述转换器波导、所述分束器波导、相移波导、规则波导以及2×1多模干涉耦合器波导中的每一个应用最大厚度。

4.根据权利要求1所述的偏振光束旋转器，其中，所述第一段包括输入波导，所述输入波导在第一基底上具有第一肋条，所述第一基底和所述第一肋条均具有锥形形状并具有在第一宽度的输入平面与具有第一中间基底宽度和第一中间肋条宽度的第一中间横截面平面之间的第一长度，其中，所述第一中间基底宽度大于所述第一宽度，所述第一中间肋条宽度大于所述第一宽度且小于所述第一中间基底宽度，并且所述第一肋条和第一基底的厚度之和等于220nm Si层的总厚度。

5.根据权利要求4所述的偏振光束旋转器，其中，所述第二段包括在第二基底上的第二肋条，所述第二基底和所述第二肋条均具有锥形形状，并具有在所述第一中间横截面平面与具有第二宽度的所述第二中间横截面平面之间的第二长度，其中，所述第二宽度大于所述第一中间肋条宽度且小于所述第一中间基底宽度，并且所述第二肋条和所述第二基底的厚度之和等于220nm Si层的总厚度。

6.根据权利要求1所述的偏振光束旋转器，其中，锥形的所述分束器波导包括在所述第二中间横截面平面与具有第三宽度的第三中间横截面平面之间的第三长度，其中，所述第三宽度大于第二宽度并且足够用于间隔大于0.2μm的第一部分和第二部分，所述第一部分被配置为与所述第一分支波导耦接，并且所述第二部分被配置为与所述第二分支波导耦接。