CN110998392A - 偏振分离器旋转器 - Google Patents

Abstract

在示例中，一种光子系统包括基于Si PIC的偏振分离器旋转器(PSR)，PSR包括：形成在Si PIC的第一层中的第一SiN波导和第二SiN波导，第一SiN波导和第二SiN波导中的每一个都具有耦合器部分。PSR还包括形成在Si PIC的第二层中的Si波导，第二层在第一层的上方或下方。Si波导包括：第一锥形端，该第一锥形端在第一SiN波导的耦合器部分附近并且绝热地耦合至第一SiN波导的耦合器部分；第二锥形端，该第二锥形端在第二SiN波导的耦合器部分附近并且绝热地耦合至第二SiN波导的耦合器部分；以及在第一锥形端与第二锥形端之间的第一s弯，第一s弯与第一SiN波导协作，以形成用于在第一SiN波导中传播的光的偏振旋转器。

Description

偏振分离器旋转器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年7月18日提交的美国临时申请第62/534,088号的权益和优先权。第62/534,088号申请的全部内容通过引用并入本文中。

本申请与2016年8月2日发布的美国专利第9,405,066号(在下文中称为‘066专利)相关。‘066专利的全部内容通过引入并入本文中。

技术领域

本文中讨论的实施方式涉及偏振分离器旋转器。

背景技术

除非本文中另外指出，否则本文中描述的材料不是相对于本申请中的权利要求书而言的现有技术，并且不会由于包括在本部分中而承认是现有技术。

‘066专利描述了各种两级绝热耦合光学系统。这样的系统可以包括硅(Si)光子集成电路(PIC)偏振分离器或组合器。‘066专利的Si PIC偏振分离器可以输出两个正交偏振通道。

本文中所要求保护的主题不限于解决任何缺点的实现方式或者仅在环境例如上面描述的环境中操作的实现方式。而是，仅提供该背景技术来示出可以实践本文中描述的一些实现方式的一个示例技术领域。

发明内容

本文中讨论的一些实施方式涉及偏振分离器旋转器。

在示例实施方式中，一种光子系统包括基于Si PIC的偏振分离器旋转器(PSR)。PSR可以包括：形成在Si PIC的第一层中的第一硅氮化物(SiN)波导，该第一SiN波导具有耦合器部分。PSR可以包括：形成在Si PIC的第一层中的第二SiN波导，该第二SiN波导具有耦合器部分。PSR可以包括：形成在Si PIC的第二层中的Si波导，第二层在第一层的上方或下方。Si波导可以包括：第一锥形端，所述第一锥形端在第一SiN波导的耦合器部分附近并且绝热地耦合至第一SiN波导的耦合器部分。Si波导还可以包括：第二锥形端，所述第二锥形端在第二SiN波导的耦合器部分附近并且绝热地耦合至第二SiN波导的耦合器部分。Si波导还可以包括：在第一锥形端与第二锥形端之间的第一s弯，该第一s弯与第一SiN波导协作，以形成用于在第一SiN波导中传播的光的偏振旋转器。

在另一示例实施方式中，一种方法可以包括：在形成在Si PIC的第一层中的第一SiN波导的耦合器部分处接收包括具有第一偏振的第一分量和具有与第一偏振正交的第二偏振的第二分量的光学信号。该方法还可以包括：在将第一分量传输通过第一SiN波导的耦合器部分的同时，将第二分量从第一SiN波导的耦合器部分绝热地耦合至形成在Si PIC的第二层中的Si波导的第一锥形端，第二层在第一层的上方或下方。该方法还可以包括：通过将第一分量传输通过第一SiN波导的至少部分地位于形成在Si波导中的s弯的上方的部分，来将第一分量的偏振从第一偏振旋转为第二偏振。该方法还可以包括：将第二分量从与Si波导的第一锥形端相对的Si波导的第二锥形端绝热地耦合至形成在Si PIC的第一层中的第二SiN波导的耦合器部分。

在另一示例实施方式中，一种光子系统包括PSR。PSR可以包括偏振分离器、偏振旋转器和TM模式滤波器。偏振分离器可以具有输入、用于TM通道的第一输出以及用于TE通道的第二输出。偏振旋转器可以光学地耦合至偏振分离器的第一输出。TM模式滤波器可以光学地耦合至偏振分离器的第二输出。

本公开内容的附加特征和优点将在下面的描述中阐述，并且根据该描述部分地将是明显的，或者可以通过本公开内容的实践而获知。本公开内容的特征和优点可以借助于在所附权利要求书中特别地指出的仪器和组合来实现和获得。根据下面的描述和所附权利要求书，本公开内容的这些特征和其他特征将变得更加完全明显，或者可以通过如在下文中阐述的本公开内容的实践来获知。

附图说明

为了进一步阐明本公开内容的以上及其他优点和特征，将通过参照在附图中示出的本公开内容的具体实施方式来给出对本公开内容的更具体的描述。应当理解，这些附图仅描绘了本公开内容的典型的实施方式，并且因此不应认为是对本公开内容的范围的限制。通过使用附图，将以附加的特异性和细节来描述和说明本公开内容，在附图中：

图1示出了包括两级绝热耦合器的示例光学系统的截面图；

图2示出了可以在图1的光学系统中实现的解复用器系统的示例实施方式；

图3示出了可以在图2的解复用器系统中实现的示例PSR。

图4A和图4B包括与图3的Si-SiN绝热耦合器相关联的一些模拟的图形表示；

图5包括与图3的PSR相关联的一些模拟的图形表示；

图6示出了图3的Si波导的第二s弯的示例；

图7包括在到第二s弯的输入处的针对图3的第二s弯的模拟的模式分布；

图8包括在第二s弯的第一弧中的针对图3的第二s弯的模拟的弯曲模式分布；以及

图9包括与图3的PSR相关联的所有均根据本文中描述的至少一个实施方式布置的模拟。

具体实施方式

图1示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的包括两级绝热耦合器的示例光学系统100的截面图。光学系统100是其中可以实现如即时申请(instantapplication)中公开的Si PIC偏振分离器旋转器的一个示例光学系统。

更详细地，图1示出了光学系统100的各层的示例总体堆叠。图1的光学系统100可以包括：Si衬底102；形成在Si衬底102上的掩埋氧化物(BOX)层104；形成在BOX层104上并且包括一个或更多个Si波导108的Si波导层106；形成在Si波导层106上的硅氮化物(SiN)平板110；形成在SiN平板110上并且包括一个或更多个SiN波导114的SiN波导层112；包括在聚合物中介层中的一个或更多个聚合物波导116；以及形成在SiN波导层112上的一个或更多个介电层118。可替代地，一个或更多个聚合物波导116和聚合物中介层可以被包括在高折射率玻璃中介层中的一个或更多个高折射率玻璃波导或者其他合适的中介层波导和中介层取代。除了中介层(在该示例中包括聚合物波导116)以外的所有前述部件可以共同地形成Si PIC。

‘066专利公开了包括在光学系统100中的元件的各种示例细节以及各种可替选的布置(例如，不同的层顺序)和/或其他实施方式。本文中公开的实施方式可以不与‘066专利的细节、可替选的布置和/或其他实施方式的组合来实现或者与‘066专利的细节、可替选的布置和/或其他实施方式的一个或更多个组合来实现。

Si波导108中的每一个包括Si芯108A和包覆层。Si波导108中的每一个的包覆层可以包括：例如二氧化硅(SiO₂)；或者可以包括在Si波导层106中的其他合适的材料。SiN波导114中的每一个包括SiN芯114A和包覆层。SiN波导114中的每一个的包覆层可以包括：例如SiO₂；或者可以包括在SiN波导层112中的其他合适的材料。聚合物波导116中的每一个包括聚合物芯116A和聚合物包覆层116B。

Si波导层106中的一个或更多个Si波导108可以绝热地耦合至SiN波导层112中的一个或更多个对应的SiN波导114。类似地，SiN波导层112中的一个或更多个SiN波导114可以绝热地耦合至聚合物中介层中的一个或更多个对应的聚合物波导116。绝热地耦合至SiN波导的Si波导的组合可以称为Si-SiN绝热耦合器，而绝热地耦合至聚合物或其他中介层波导的SiN波导的组合可以称为SiN-中介层绝热耦合器。光可以通过对应的绝热耦合器沿任一方向传播。例如，光可以在Si-SiN绝热耦合器中从Si波导108传播到SiN波导114或者从SiN波导114传播到Si波导108。类似地，光可以在SiN-中介层波导中从SiN波导114传播到中介层波导(例如，图1中的聚合物波导116)或者从中介层波导传播到SiN波导114。

图1的光学系统100可以被描述为包括两级绝热耦合器，只要光可以依次通过两个绝热耦合器从Si波导108中的一个绝热地耦合至聚合物波导116中的一个或者光可以依次通过两个绝热耦合器从聚合物波导116中的一个绝热地耦合至Si波导108中的一个即可。本文中描述的实施方式可以更一般地在具有一级或更多级绝热耦合器的光学系统中实现。

如本文中使用的绝热耦合是如‘066专利中所描述的。通常，SiN波导114并且更具体地SiN芯114A可以具有锥形部分以将来自SiN波导114的光绝热地耦合至聚合物波导116中，或者将来自聚合物波导116的光绝热地耦合至SiN波导114中，如在‘066专利中更详细地描述的。类似地，通常，Si波导108并且更具体地Si芯108A可以具有锥形部分以将来自Si波导108的光绝热地耦合至SiN波导114中，或者将来自SiN波导114中的光绝热地耦合至Si波导108，如在‘066专利中更详细地描述的。

光学系统100的各层和/或各元件的厚度或其他尺寸可以具有任何合适的值。‘066专利中描述了各种示例。

如在‘066专利中所公开的，‘066专利的Si PIC偏振分离器或组合器可以包括两个SiN波导和一个Si波导的组合，例如以特别的方式布置的图1的SiN波导114中的两个和Si波导108中的一个。即时申请中描述的实施方式涉及两个SiN波导和一个Si波导的不同布置，例如图1的SiN波导114中的两个和Si波导108中的一个，与‘066专利的用于形成偏振分离器旋转器的Si PIC偏振分离器或组合器具有各种不同。在详细描述偏振分离器旋转器的示例实施方式之前，将描述用于这样的偏振分离器旋转器的示例操作环境，然后描述与本文中描述的Si PIC偏振分离器旋转器的设计相关的各种原理的概要。

图2示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的解复用器系统200的示例实施方式。解复用器系统200的一些或全部可以在Si PIC例如以上结合图1描述的Si PIC中实现。解复用器系统200包括偏振分离器旋转器202(在下文中称为“PSR 202”)、第一波分复用(WDM)解复用器(demux)204、第二WDM demux 206、第一光电换能器208、第二光电换能器210以及加法器212(为简单起见，仅示出其中的一个)。附加的加法器212在图2中用椭圆表示。

解复用器系统200中的PSR 202包括输入202A以及第一输出202B和第二输出202C。如下面更详细地描述的，PSR 202通常可以包括：形成在Si PIC的对应层中的第一SiN波导和第二SiN波导；以及形成在Si PIC的另一层中的具有两个锥形端的Si波导，Si PIC的所述另一层在其中形成有第一SiN波导和第二SiN波导的层的上方或下方。在一些实施方式中，第一WDM demux 204和第二WDM demux 206可以形成在Si PIC中的与PSR202的第一SiN波导和第二SiN波导相同的层中。例如，第一WDM demux204和第二WDM demux 206以及PSR 202的第一SiN波导和第二SiN波导都可以形成在PIC的SiN层中。

输入202A可以包括第一SiN波导的第一端，第一输出202B可以包括第一SiN波导的第二端，以及第二输出202C可以包括第二SiN波导的第二端。在输入202A处，PSR 202可以接收输入光束215，输入光束215包括具有两个正交偏振例如TE偏振和TM偏振的N个通道光学信号(例如，具有N个波长通道λ₁、λ₂、λ₃、……、λ_n的多路复用的光学信号)。输入光束215可以根据偏振而分离，其中输入光束215的在输入202A处具有TE偏振的一部分通常从第一输出202B或第二输出202C输出，而输入光束215的在输入202A处具有TM偏振的一部分通常从第二输出202C或第一输出202B中的另一个输出。

输入光束215的包括TE偏振和TM偏振的部分可以分别称为TE通道和TM通道，而与它们在PSR 202的第一输出202B处和第二输出202C处的实际偏振无关。在一些实施方式中，TM通道可以具有其通过PSR 202旋转的偏振，使得其以TM偏振进入PSR 202并且以TE偏振离开PSR 202，而这仍然称为TM通道。可替选地，TE通道可以具有其通过PSR 202旋转的偏振，使得其以TE偏振进入PSR 202并且以TM偏振离开PSR 202，而这仍然称为TE通道。

第一WDM demux 204和第二WDM demux 206中的每一个可以根据输入至第一WDMdemux 204或第二WDM demux 206的光的偏振而针对两个偏振中的一个来进行优化和/或特定于两个偏振中的一个。在示例实现方式中，TE通道和TM通道两者都可以以TE偏振离开PSR202，使得第一WDM demux 204和第二WDM demux 206两者都可以针对TE偏振来进行优化或特定于TE偏振。可替选地，TE通道和TM通道两者都可以以TM偏振离开PSR 202，使得第一WDMdemux 204和第二WDM demux 206两者都可以针对TM偏振来进行优化或特定于TM偏振。在这些和其他实施方式中，第一WDM demux 204和第二WDM demux 206中的每一个可以包括具有或不具有偏振相关的滤波器功能的中阶梯光栅。

第一WDM demux 204包括光学地耦合至PSR 202的第一输出202B的输入216。类似地，第二WDM demux 206包括光学地耦合至PSR 202的第二输出202C的输入218。

第一WDM demux 204另外地包括光学地耦合至第一光电换能器208的输出222。类似地，第二WDM demux 206另外地包括光学地耦合至第二光电换能器210的输出224。第一光电换能器208和第二光电换能器210均可以包括至少N个PN二极管、雪崩光电二极管(APD)或其他合适的光学接收器。

加法器212电耦合至第一光电换能器208和第二光电换能器210的输出，其中加法器212中的每一个电耦合至第一光电换能器208中对应的第一光电换能器的输出并且电耦合至第二光电换能器210中对应的第二光电换能器的输出。具体地，对于i＝1至N，加法器212中的第i个加法器可以电耦合至第一光电换能器208中的第i个第一光电换能器并且电耦合至第二光电换能器210中的第i个第二光电换能器，以将第一光电换能器208中的第i个第一光电换能器的电输出与第二光电换能器210中的第i个第二光电换能器的电输出求和以生成第i个组合电输出228。

在图2中，在操作中，第一WDM demux 204可以从PSR 202的第一输出202B接收输入光束215的TM通道，并且可以将其解复用为输出至第一光电换能器208的N个不同的波长通道λ₁、λ₂、λ₃、……、λ_n。第一光电换能器208均可以输出表示在第一光电换能器208中对应的第一光电换能器处接收到的N个不同波长通道中对应的波长通道的电信号。此外，第二WDMdemux 206可以从PSR 202的第二输出202C接收输入光束215的TE通道，并且可以将其解复用为输出至第二光电换能器210的N个不同的波长通道λ₁、λ₂、λ₃、……、λ_n。第二光电换能器210均可以输出表示在第二光电换能器210中对应的第二光电换能器处接收到的N个不同波长通道中对应的波长通道的电信号。

然后，加法器212可以将来自第一光电换能器208和第二光电换能器210的适当输出进行组合以生成表示在PSR 202的输入202A处接收到的来自输入光束215的第i个波长通道的第i个组合电信号228。具体地，第i个组合电信号228中的第一(或第二、或第三、或第N)个组合电信号包括第一光电换能器208中的表示由第一WDM demux 204输出的N个不同的波长通道中的第一(或第二、或第三、或第N)个波长通道的第一(或第二、或第三、或第N)个第一光电换能器的电输出和第二光电换能器210中的表示由第二WDM demux 206输出的N个不同的波长通道中的第一(或第二、或第三、或第N)个波长通道的第一(或第二、或第三、或第N)个第二光电换能器的电输出之和。

通过将TE通道与TM通道分离，将每个通道彼此单独地解复用，以及然后向对应的通道添加加法器212，图2的解复用器系统200可以消除或者至少显著地减少在具有偏振相关的滤波器功能的各WDM demux中可能出现的通道串扰。

诸如在‘066专利中描述的与Si PIC偏振分离器相关联的各种考虑和参数也可以适用于各PSR例如图2的PSR 202。将讨论这些考虑和参数中的一些的概要，随后讨论至少一个示例PSR。

首先，在Si-SiN绝热耦合器的Si波导和SiN波导中，SiN波导中针对TE偏振和TM偏振的有效折射率可以不随Si波导宽度而变化。至少针对至少在从约130纳米(nm)至约180nm的范围内的Si波导宽度，Si波导中针对TE的有效折射率可以显著地低于Si波导中针对TM的有效折射率。因此，如果Si波导的锥形端的尖端宽度在约130nm与180nm之间，则TE偏振和TM偏振将必然在Si-SiN绝热耦合器中具有不同的耦合效率。更具体地，其中Si尖端宽度在约130nm与180nm之间的Si-SiN绝热耦合器与针对TM偏振相比可以针对TE偏振具有好得多的耦合效率。

因此，至少在一些实施方式中，包括具有尖端宽度在130nm与180nm之间的Si波导的Si-SiN绝热耦合器可用于将TE偏振的大部分从Si波导选择性地耦合至SiN波导(或者可用于将TE偏振的大部分从SiN波导选择性地耦合至Si波导)，而不将TM偏振的大部分从Si波导耦合至SiN波导(或者不将TM偏振的大部分从SiN波导耦合至Si波导)。如参照例如图3更详细地描述的，可以将两个或更多个Si-SiN绝热耦合器进行组合以形成PSR例如以上讨论的PSR 202。

图3示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的示例PSR 300。PSR 300可以包括或对应于图2的PSR 202，并且可以在图2的解复用器系统200和/或其他系统或设备中实现。

图3包括PSR 300的俯视图。图3的俯视图包括PSR 300的材料堆叠中在不同水平处的PSR 300的各个部件的轮廓或覆盖区，这些部件在从上方观察时不一定是可见的，但是被显示为轮廓或覆盖区以示出各个部件相对于彼此的横向(例如x)和纵向(例如z)对准。

PSR 300包括：第一SiN波导302；与第一SiN波导302间隔开的第二SiN波导304；以及Si波导306。第一SiN波导302和第二SiN波导304可以形成在Si PIC的SiN波导层中例如图1的SiN波导层112中。Si波导306可以形成在Si PIC的Si波导层中例如图1的Si波导层106中，Si PIC的Si波导层在Si PIC的SiN波导层上方或下方。

第一SiN波导302包括耦合器部分308，第二SiN波导304包括耦合器部分310，以及Si波导306包括第一锥形端312和第二锥形端314。第一锥形端312在两个正交方向(例如，x和z)上与第一SiN波导302的耦合器部分308对准，使得第一锥形端312沿两个正交方向与第一SiN波导302的耦合器部分308交叠并且平行于第一SiN波导302的耦合器部分308，同时第一锥形端312沿与x方向和z方向中的每一个正交的竖直方向或y方向相对于耦合器部分308移位。第一锥形端312和第一SiN波导302的耦合器部分308通常可以形成第一Si-SiN绝热耦合器316。第一Si-SiN绝热耦合器316可以可替选地或另外地称为如图3所表示的偏振分离器，这是因为第一Si-SiN绝热耦合器316通常可以执行偏振分离功能。具体地，第一Si-SiN绝热耦合器316或偏振分离器可以分离输入光束320的两个正交偏振，使得偏振中的一个主要在第一SiN波导302中传播，而偏振中的另一个主要在Si波导306中传播。

类似地，第二锥形端314沿两个正交方向(例如，x和z)与第二SiN波导304的耦合器部分310对准，使得第二锥形端314沿两个正交方向与第二SiN波导304的耦合器部分310交叠并且平行于第二SiN波导304的耦合器部分310，同时第二锥形端314沿竖直方向或y方向相对于耦合器部分310移位。第二锥形端314和第二SiN波导304的耦合器部分310通常可以形成第二Si-SiN绝热耦合器318。第二Si-SiN绝热耦合器318可以可替选地或另外地称为如图3所表示的TM模式滤波器，这是因为第二Si-SiN绝热耦合器318通常可以执行TM模式过滤功能。例如，穿过第一Si-SiN绝热耦合器316进入Si波导306中的任何TM偏振可以被第二Si-SiN绝热耦合器318基本上阻止或过滤以不传送至第二SiN波导304中。

Si波导306的第一锥形端312和第二锥形端314中的每一个可以被配置成将输入光束320的第一偏振(例如，TE偏振)的大部分绝热地耦合在Si波导306的第一锥形端312和第二锥形端314中的对应一个与第一SiN波导302和第二SiN波导304中的对应一个之间，并且被配置成防止输入光束320中的与第一偏振正交的第二偏振(例如，TM偏振)的大部分绝热地耦合在第一锥形端312和第二锥形端314中的对应一个与第一SiN波导302和第二SiN波导304中的对应一个之间。前述可以通过向Si波导306的第一锥形端312和第二锥形端314中的每一个提供适当的尖端宽度来实现，该适当的尖端宽度通常在第一偏振与第二偏振之间进行区分。

更详细地，Si波导306的第一锥形端312可以具有被配置成将第一偏振的大部分从第一SiN波导302通过第一锥形端312绝热地耦合至Si波导306并且防止第二偏振的大部分进入Si波导306的尖端宽度。例如，第一锥形端312可以具有在130nm与180nm之间的范围内的尖端宽度，例如约134nm。因此，在该示例中，输入光束320的具有第二偏振(例如，TM偏振)的部分可以经过第一Si-SiN绝热耦合器316继续在第一SiN波导302中传播以作为TM通道322输出，然而，输入光束320的具有第一偏振(例如，TE偏振)的部分可以从第一SiN波导302被引导至Si波导306中。

类似地，Si波导304的第二锥形端314可以具有被配置成将传播通过Si波导306的第一偏振部分的大部分从Si波导306通过第二锥形端314绝热地耦合至第二SiN波导304并且防止传播通过Si波导306的第二偏振部分的大部分进入第二SiN波导304的尖端宽度。例如，第二锥形端314可以具有在130nm与180nm之间的范围内的尖端宽度，例如约134nm。因此，在该示例中，输入光束320的具有第一偏振(例如，TE偏振)的部分可以从Si波导306传送至第二SiN波导304中以作为TE通道324输出，然而，Si波导306中的具有第二偏振(例如，TM偏振)的光的任何部分可以被阻止传送至第二SiN波导304中。因此，TM模式滤波器可以提高第二SiN波导304中的TE与TM偏振的消光比。

因此，第一锥形端312和第二锥形端314的尖端宽度可以被配置成将输入光束320的第一偏振的大部分从第一SiN波导302选择性地耦合至第二SiN波导304，而不将第二偏振的大部分从第一SiN波导302耦合至第二SiN波导304。

在图3的示例中，Si波导306可以具有200μm的锥形长度(例如，第一锥形端312和第二锥形端314中的每一个沿光传播方向例如图3中的z方向可以是200μm长)，以及第一锥形端312和第二锥形端314中的每一个可以具有134nm的尖端宽度。在其他实施方式中，第一锥形端312和第二锥形端314可以具有不同的锥形长度和/或不同的尖端宽度。例如，Si波导306可以具有至少40μm的锥形长度，或者在约170μm至240μm的范围内的锥形长度，或者任何合适的长度以具有至少90％(参见对图4A和图4B的讨论)或约95％或更高的TE和TM偏振耦合效率。

如图3所示，Si波导306还可以包括光学地串联耦合在第一锥形端312与第二锥形端314之间的第一s弯326和第二s弯328。第一SiN波导302的沿z方向与Si波导306的第一s弯326交叠的一部分与Si波导306的第一s弯326的组合可以称为如图3所表示的TM到TE偏振旋转器，这是因为其可以执行TM到TE偏振旋转功能。例如，TM到TE偏振旋转器可以将第一SiN波导302中的TM通道的TM偏振旋转为TE偏振。

第二s弯328可以称为Si模式滤波器，这是因为第二s弯328可以执行模式滤波器功能。具体地，第二s弯328或Si模式滤波器可以去除任何高阶模式，所述高阶模式可以作为混合模式存在于Si波导306中，并且第二s弯328或Si模式滤波器针对基本TE模式和TM模式仍然可以允许非常低的传输损耗。

图3另外地包括根据至少一个实施方式的针对图3中的一些参数的各种示例值的表330。例如，第一锥形端312(和/或第二锥形端314)的尖端可以具有约134nm的尖端宽度w_tip，尖端宽度w_tip可以在第一锥形端312与第一s弯326连接的情况下扩展至350nm的宽度w_Si。第一SiN波导302(和/或第二SiN波导304)可以具有1微米(μm)的宽度w_SiN，在一些实施方式中，宽度w_SiN可以沿着第一SiN波导302(和/或第二SiN波导304)的长度是恒定的。可替选地或另外地，第一SiN波导302(和/或第二SiN波导304)的宽度w_SiN可以是第一锥形端312的宽度w_Si的至少两倍。第一锥形端312(和/或第二锥形端314)沿z方向可以具有200μm的长度L1。第一s弯326沿z方向可以具有510μm的长度L2。第二s弯328沿z方向可以具有60μm的长度L3。在其他实施方式中，PSR 300的参数可以具有除了表330中列出以及本文中描述的示例值之外的其他值。

图4A和图4B包括与根据本文中描述的至少一个实施方式布置的图3的第一Si-SiN绝热耦合器316相关联的一些模拟的图形表示400A、400B。图4A另外地示出了第一Si-SiN绝热耦合器316以及结合图3的表330提及的示例参数值中的一些。

图4A的图形表示400A是根据L1(在图形表示400A中标记为“SiN-Si分离器长度(μm)”)的TE和TM偏振耦合效率的模拟，假定了针对图4A的第一Si-SiN绝热耦合器316表示的其他参数值。TE和TM偏振耦合效率的模拟还假定了传播通过第一Si-SiN绝热耦合器316的光的波长为1.26μm。其他波长的光可以呈现出相同或相似的耦合效率。

曲线402表示从第一SiN波导302到Si波导306的TE耦合效率，而曲线404表示从第一Si-SiN绝热耦合器316之前的第一SiN波导302到第一Si-SiN绝热耦合器316之后的第一SiN波导302的TM耦合效率。从曲线402和404可以看出，在约200μm的长度L1处，针对每个偏振的耦合效率为约95％。从曲线402和404还可以看出，对于至少40μm的锥形长度，针对每个偏振的耦合效率为至少90％，而对于在从约170μm至约240μm的范围内的锥形长度，针对每个偏振的耦合效率为约95％或更高。

图4B中的图形表示400B包括针对第一SiN波导302的耦合部分308中和Si波导306的第一锥形端312中的光学模式的模式模拟。

图4A另外地包括TE和TM偏振输入模式到在第一SiN波导302的耦合部分308中和Si波导306的第一锥形端312中的光学模式的模拟的耦合效率的表406，假定了进入第一Si-SiN绝热耦合器316的光具有1.31μm的波长。TE输入主要地耦合至“模式1”，“模式1”是主要地限制在Si波导306中的模式，而TM输入主要地耦合至“模式4”，“模式4”是主要地限制在第一SiN波导302中的模式。

图5包括与根据本文中描述的至少一个实施方式布置的图3的PSR300相关联的一些模拟的图形表示500A、500B。更详细地，图形表示500A模拟了在图3的Si波导306的第一s弯326的第一弧中的TE传播，以及图形表示500B模拟了在第一SiN波导312中(以及部分地在Si波导306的第一s弯326的第一弧中)的TM传播。图形表示500A另外地包括在其他实施方式中可以相同或不同的各种示例参数。

图5另外地包括原始TE和TM输入偏振模式到在Si波导306和第一SiN波导302的s弯分离之后(例如，在第一s弯326之后)在Si波导306(Si TE0、Si TM0、Si混合模式(HM)1、SiHM2)中和第一SiN波导302(SiN TE0、SiN TM0、SiN TE1、SiN TM1)中的模式的模拟的耦合效率的表502。在s弯分离之后，原始TE偏振输入(在表502中标记为“SiN TE0输入”)主要地耦合至Si TE0模式，并且约2％至3％的输入耦合至Si HM1。原始TM偏振输入(在表502中标记为“SiN TM输入”)主要地耦合至SiN TE0，并且约5％至6％耦合至Si TM0。

在一些实施方式中，第一s弯326可以包括两个弧，每个弧具有相对大但不同的弯曲半径。例如，第一s弯326的第一弧可以具有41,668μm的弯曲半径，而第一s弯326的第二弧可以具有约833μm的弯曲半径。

图6示出了根据本文中描述的至少一个实施方式布置的图3的Si波导306的第二s弯328的示例。在示例实施方式中，Si波导306通常可以具有350nm的宽度。然而，在示例实施方式中，针对第二s弯328，Si波导306的宽度可以缩窄至约180nm。在到第二s弯328的输入处，Si波导306可以在约5μm的长度内从350nm的宽度缩窄至180nm的宽度。可替选地或另外地，在第二s弯328的输出处，Si波导306也可以在约5μm的长度内从180nm的宽度扩展至350nm的宽度。第二s弯328的一个或两个弧可以具有25μm的弯曲半径。在其他实施方式中，前述参数的值可以与前述相同或不同。

图6另外地包括基于对应的输入偏振来自第二s弯328的模拟的TE、TM和HM偏振传输的表600A、600B。针对表600A的模拟的偏振是针对具有1.26μm波长的光，而针对表600B的模拟的偏振是针对具有1.34μm波长的光。基本的TE模式和TM模式的传输(即，TE00输入到TE00输出和TM00输入到TM00输出)非常高，而TE00输入或TM00输入到HM1输出的传输非常低。这指示了由第二s弯328进行的高阶模式滤波动作。因此，由TE偏振输入激发的HM1模式可以在第二s弯之后去除。

图7包括根据本文中描述的至少一个实施方式布置的在到第二s弯328的输入处的针对第二s弯328的模拟的模式分布，其中到第二s弯328的输入的宽度w_Si为180nm。从图7可以看出，TE00偏振模式和TM00偏振模式(到在第二s弯328中存在任何TM00偏振的程度)基本上被限制于到第二s弯328的输入。

图8包括根据本文中描述的至少一个实施方式布置的在第二s弯328的第一弧中的针对第二s弯328的模拟的弯曲模式分布，其中，第二s弯328的宽度w_Si为180nm，并且第一弧的弯曲半径为25μm。从图8可以看出，TE00偏振模式和TM00偏振模式(到在第二s弯328中存在任何TM00偏振的程度)基本上被限制于第二s弯328的第一弧，而高阶模式不被支持并且被辐射掉。

再次参照图3，第一SiN波导302的输出可以称为TM端口，这是因为其是TM通道的主要输出，而第二SiN波导304的输出可以称为TE端口，这是因为其是TE通道的主要输出。图9包括与根据本文中描述的至少一个实施方式布置的图3的PSR 300相关联的模拟900A和900B。

模拟900A是根据针对TE通道(图9中的“TE->TE端口”)和TM通道(图9中的“TM->TM端口”)两者的波长的PSR中的光损耗(图9中的“PSR损耗(dB)”)的模拟。曲线902表示针对TE通道的模拟，而曲线904表示针对TM通道的模拟。如图9所示，在1.27μm至1.33μm的波长范围内，任一通道中的模拟光损耗均不超过约0.37dB。

模拟900B是根据针对TE通道(图9中的“PER-TE”)和TM通道(图9中的“PER-TM”)两者的波长的偏振消光比(PER)(图9中的“PER(dB)”)的模拟。曲线906表示针对TE通道的模拟，而曲线908表示针对TM通道的模拟。如图9所示，在1.27μm至1.33μm的波长范围内，每个通道中的PER均超过约22dB。

关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据适合于上下文和/或应用将复数转换为单数和/或将单数转换为复数。为了清楚起见，可以在本文中明确地阐述各种单数/复数置换。

在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式实施。所描述的实施方式在所有方面仅被认为是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是由前述描述来指示。落入权利要求书等同含义和范围内的所有改变均应包含在其范围之内。

Claims (20)

1.一种光子系统，包括基于硅(Si)光子集成电路(PIC)的偏振分离器旋转器(PSR)，其中，所述PSR包括：

形成在Si PIC的第一层中的第一硅氮化物(SiN)波导，所述第一SiN波导具有耦合器部分；

形成在所述Si PIC的所述第一层中的第二SiN波导，所述第二SiN波导具有耦合器部分；以及

形成在所述SiPIC的第二层中的Si波导，所述第二层在所述第一层的上方或下方，所述Si波导包括：

第一锥形端，所述第一锥形端在所述第一SiN波导的所述耦合器部分附近并且绝热地耦合至所述第一SiN波导的所述耦合器部分；

第二锥形端，所述第二锥形端在所述第二SiN波导的所述耦合器部分附近并且绝热地耦合至所述第二SiN波导的所述耦合器部分；以及

在所述第一锥形端与所述第二锥形端之间的第一s弯，所述第一s弯与所述第一SiN波导协作，以形成用于在所述第一SiN波导中传播的光的偏振旋转器。

2.根据权利要求1所述的光子系统，其中，

具有两个正交偏振的光的输入光束通过所述PSR基于所述两个正交偏振被分离为TM通道和TE通道；

所述TM通道主要从所述第一SiN波导输出；

所述TE通道在从所述第一SiN波导传送至所述Si波导以及从所述Si波导传送至所述第二SiN波导之后主要从所述第二SiN波导输出。

3.根据权利要求2所述的光子系统，其中，所述偏振旋转器被配置成将传播通过所述第一SiN波导的所述TM通道的偏振从TM偏振旋转到TE偏振。

4.根据权利要求1所述的光子系统，其中，所述Si波导的所述第二锥形端被配置成与所述第二SiN波导的第一端协作以形成TM模式滤波器，以基本上过滤掉存在于所述Si波导中的至少一些TM偏振，使所述TM偏振不被传送至所述第二SiN波导。

5.根据权利要求1所述的光子系统，其中，所述Si波导还包括耦合在所述第一s弯与所述第二锥形端之间的第二s弯。

6.根据权利要求5所述的光子系统，其中，所述第一锥形端的长度在从约170微米(μm)至240μm的范围内。

7.根据权利要求6所述的光子系统，其中，

所述第一锥形端的尖端的宽度在130纳米(nm)与180nm之间的范围内；并且

所述第一SiN波导的宽度是所述第一锥形端的最宽部分的宽度的至少两倍。

8.根据权利要求5所述的光子系统，其中，

所述第一s弯包括具有约41668微米(μm)的弯曲半径的第一弧和具有约833μm的弯曲半径的第二弧；以及

所述第二s弯包括均具有约25μm的弯曲半径的第一弧和第二弧。

9.根据权利要求1所述的光子系统，其中，所述第二SiN波导与所述第一SiN波导横向地间隔开并且平行于所述第一SiN波导延伸。

10.根据权利要求1所述的光子系统，还包括：

形成在所述Si PIC的所述第一层中的第一波分解复用器(WDM demux)，其中，所述第一WDM demux包括输入和多个输出，并且其中，所述第一WDM demux的所述输入光学地耦合至所述第一SiN波导的输出；以及

形成在所述SiPIC的所述第一层中的第二WDM demux，其中，所述第二WDM demux包括输入和多个输出，并且其中，所述第二WDM demux的所述输入光学地耦合至所述第二SiN波导的输出。

11.根据权利要求10所述的光子系统，其中，所述第一WDM demux包括第一中阶梯光栅，并且其中，所述第二WDM demux包括第二中阶梯光栅。

12.一种方法，包括：

在形成在硅(Si)光子集成电路(PIC)的第一层中的第一硅氮化物(SiN)波导的耦合器部分处接收包括具有第一偏振的第一分量和具有与所述第一偏振正交的第二偏振的第二分量的光学信号；

在将所述第一分量传输通过所述第一SiN波导的所述耦合器部分的同时，将所述第二分量从所述第一SiN波导的所述耦合器部分绝热地耦合至形成在所述SiPIC的第二层中的Si波导的第一锥形端，所述第二层在所述第一层的上方或下方；

通过将所述第一分量传输通过所述第一SiN波导的至少部分地位于形成在所述Si波导中的s弯的上方的部分，来将所述第一分量的所述偏振从所述第一偏振旋转为所述第二偏振；以及

将所述第二分量从与所述Si波导的所述第一锥形端相对的所述Si波导的第二锥形端绝热地耦合至形成在所述Si PIC的所述第一层中的第二SiN波导的耦合器部分。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述Si波导的所述s弯包括第一s弯，所述方法还包括将所述第二分量传输通过耦合在所述第一s弯与所述第二锥形端之间的第二s弯，以去除高阶光学模式。

14.一种光子系统，包括偏振分离器旋转器(PSR)，其中，所述PSR包括：

偏振分离器，具有输入、用于TM通道的第一输出以及用于TE通道的第二输出；

偏振旋转器，光学地耦合至所述偏振分离器的所述第一输出；以及

TM模式滤波器，光学地耦合至所述偏振分离器的所述第二输出。

15.根据权利要求14所述的光子系统，还包括光学地耦合在所述偏振旋转器与所述TM模式滤波器之间的高阶模式滤波器。

16.根据权利要求14所述的光子系统，其中，

所述偏振分离器包括形成在Si光子集成电路(PIC)中的第一硅(Si)-硅氮化物(SiN)绝热耦合器；并且

所述TM模式滤波器包括形成在所述SiPIC中的第二Si-SiN绝热耦合器。

17.根据权利要求14所述的光子系统，其中：

所述偏振分离器包括：形成在硅(Si)光子集成电路(PIC)中的第一硅氮化物(SiN)波导的耦合器部分；以及形成在所述SiPIC中的Si波导的第一锥形端，其中，所述Si波导的所述第一锥形端在两个正交维度中与所述第一SiN波导的所述耦合器部分对准；并且

所述TM模式滤波器包括：形成在所述SiPIC中的第二SiN波导的耦合器部分；以及所述Si波导的第二锥形端，其中，所述Si波导的所述第二锥形端在两个正交维度中与所述第二SiN波导的所述耦合器部分对准。

18.根据权利要求17所述的光子系统，其中，所述偏振旋转器包括：

形成在所述Si波导中的在所述第一锥形端与所述第二锥形端之间的s弯；以及

所述第一SiN波导的沿所述第一SiN波导的光传播方向与所述s弯交叠的部分，所述第一SiN波导的所述部分光学地耦合至所述偏振旋转器的所述第一输出。

19.根据权利要求18所述的光子系统，还包括光学地耦合在所述偏振旋转器与所述TM模式滤波器之间的高阶模式滤波器，其中，所述s弯包括第一s弯，并且所述高阶模式滤波器包括形成在所述Si波导中的在所述第一s弯与所述第二锥形端之间的第二s弯。

20.根据权利要求14所述的光子系统，还包括：

光学地耦合至所述偏振分离器的第一波分解复用器(WDM demux)，其中，所述第一WDMdemux包括输入和多个输出，并且其中，所述第一WDM demux的所述输入光学地耦合至所述偏振分离器的所述第一输出；以及

光学地耦合至所述TM模式滤波器的第二WDM demux，其中，所述第二WDM demux包括输入和多个输出，并且其中，所述第二WDM demux的所述输入光学地耦合至所述TM模式滤波器的输出。

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