CN111983753B - 一种应用于3d光互连的层间偏振分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于3D光互连的层间偏振分束器，包括直通波导和交叉波导，所述交叉波导包括第一条形波导，所述直通波导包括脊型波导和第二条形波导，所述脊型波导和第二条形波导通过脊型‑条形波导转换结构连接；所述脊型波导和第一条形波导在耦合区域实现耦合，且两者之间存在间隙。本发明能够在垂直方向上实现光的偏振分束。

Description

一种应用于3D光互连的层间偏振分束器
技术领域
本发明涉及集成光电子器件技术领域，特别是涉及一种应用于3D光互连的层间偏振分束器。
背景技术
随着大数据时代的发展，片上光互连在数据中心、高性能计算机等高速、高密度信息传输领域的优势更加突出，光子集成芯片已经成为国际竞争最激烈的领域之一。随着片上光子集成的集成密度越来越高，单层硅光子芯片有限空间的密集集成问题日趋严峻。三维光子集成结构可以从物理上有效地避免波导交叉，实现在有限的芯片面积上进一步增加器件的集成密度，使芯片具有更高的光互连能力。随着硅光器件集成系统复杂度的提高，片上的偏振态调控已经是一个不容忽视的问题。
由于大多数光波导器件具有很强的偏振相关性，因此能够在片上灵活的对不同的偏振实现分离，实现器件的偏振透明，有助于减少器件设计的工作量，减小系统的尺寸和复杂度。因此，层间偏振分束器对3D光互连应用有深远意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于3D光互连的层间偏振分束器，能够在垂直方向上实现光的偏振分束。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种应用于3D光互连的层间偏振分束器，包括直通波导和交叉波导，所述交叉波导包括第一条形波导，所述直通波导包括脊型波导和第二条形波导，所述脊型波导和第二条形波导通过脊型-条形波导转换结构连接；所述脊型波导和第一条形波导在耦合区域实现耦合，且两者之间存在间隙。
横电/横磁模式的光从所述直通波导的输入波导输入，经过耦合区域时，横磁模式的光耦合到所述第一条形波导，由交叉波导的输出波导输出，横电模式的光依次通过脊型波导、脊型-条形波导转换结构和第二条形波导由直通波导的输出波导输出。
所述脊型波导包括依次连接的第一直线部分、弯曲部分和第二直线部分，所述第一直线部分与所述第一条形波导在耦合区域实现耦合，所述第二直线部分通过脊型-条形波导转换结构与所述第二条形波导连接。
所述耦合区域内脊型波导和第一条形波导的间距为850nm；所述第一条形波导的宽度为700nm，厚度为400nm；所述脊型波导的脊宽度为150nm，平板区域宽度为650nm。
所述耦合区域的长度为22μm。
所述脊型-条形波导转换结构包括脊波导部分、条形波导部分以及锥形波导部分，所述脊波导部分的脊宽度逐渐过渡到所述条形波导部分的宽度，所述锥形波导部分的平板区域的宽度从脊波导部分的平板区域的宽度逐渐过渡到所述条形波导部分的宽度。
所述直通波导的输出波导端口设置有滤除残留的TM模式的光的滤波器。
所述滤波器由三条平行设置的条形波导构成，其中两侧的条形波导的宽度为500nm，中间的条形波导的宽度为560nm，中间条形波导与两侧条形波导的间距均为200nm，三条条形波导的厚度均为220nm。
所述的应用于3D光互连的层间偏振分束器还包括覆盖在所述直通波导和交叉波导上的包层，所述直通波导和交叉波导的材料折射率大于所述包层的材料折射率。
所述直通波导的材料为绝缘层上硅，所述交叉波导的材料为氮化硅，所述包层的材料为二氧化硅。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明将下层脊型硅波导作为输入波导，输入的横电(TE)/横磁(TM)模式的光首先经过耦合区域后，TM偏振的光由于满足相位匹配条件，会耦合到上层的氮化硅波导层(即交叉波导端口)，而TE偏振的光由于相位失配不能发生耦合，从下层硅波导直接输出(即直通波导端口)，同时在直通波导端口添加一个滤波器滤除残留的TM模式的光，从而增大消光比。本发明可用于3D光互连的层间偏振分束，具有工艺简便、结构简单、高消光比等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中耦合区域的截面图；
图3是本发明中耦合区域的长度示意图；
图4是本发明中脊型波导弯曲部分的长度和宽度示意图；
图5是本发明中脊型-条形波导转换结构的示意图；
图6是本发明中滤波器结构的示意图；
图7是本发明输入TE模式的光场传输图；
图8是本发明输入TM模式的光场传输图；
图9是输入TE/TM模式光的消光比随波长的变化图；
图10是输入TE/TM模式光的插损随波长的变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种应用于3D光互连的层间偏振分束器，如图1所示，包括直通波导1和交叉波导2，所述交叉波导2包括第一条形波导，所述直通波导1包括脊型波导11和第二条形波导12，所述脊型波导11和第二条形波导12通过脊型-条形波导转换结构3连接；所述脊型波导11和第一条形波导在耦合区域A实现耦合，且两者之间存在间隙。其中，所述脊型波导11包括依次连接的第一直线部分111、弯曲部分112和第二直线部分113，所述第一直线部分111与所述第一条形波导在耦合区域A实现耦合，所述第二直线部分113通过脊型-条形波导转换结构3与所述第二条形波导12连接。所述直通波导的输出波导端口设置有滤除残留的TM模式的光的滤波器4。
横电(TE)/横磁(TM)模式的光从所述直通波导的输入波导输入，经过耦合区域时，TM模式的光由于满足相位匹配条件，会耦合到所述第一条形波导，由交叉波导的输出波导输出；TE模式的光由于相位失配不能发生耦合，依次通过脊型波导、脊型-条形波导转换结构和第二条形波导由直通波导的输出波导输出，同时在直通波导的输出波导添加一个滤波器滤除残留的TM模式的光，从而增大消光比。
如图2和图3所示，所述耦合区域内脊型波导和第一条形波导的间距为850nm；所述第一条形波导的宽度为700nm，厚度为400nm；所述脊型波导的脊宽度为150nm，平板区域宽度为650nm，两波导在该尺寸下满足TM模式的相位匹配。所述耦合区域的长度为22μm。
如图4所示，脊型波导的弯曲部分的脊的宽度为150nm，平板区域的宽度为650nm，该弯曲部分的长度为20μm，宽度为5μm。
如图5所示，所述脊型-条形波导转换结构包括脊波导部分31、条形波导部分32以及锥形波导部分33，所述脊波导部分31的脊宽度从150nm逐渐过渡到所述条形波导部分32的宽度500nm，所述锥形波导部分33的平板区域的宽度从脊波导部分31的平板区域的宽度(即650nm)逐渐过渡到所述条形波导部分32的宽度500nm，其过渡长度为10μm。
如图6所示，滤波器由三条平行设置的条形波导构成，其中两侧的条形波导的宽度为500nm，中间的条形波导的宽度为560nm，中间条形波导与两侧条形波导的间距均为200nm，三条条形波导的厚度均为220nm。
本实施方式中，所述的应用于3D光互连的层间偏振分束器还包括覆盖在所述直通波导和交叉波导上的包层，所述直通波导和交叉波导的材料折射率大于所述包层的材料折射率。所述直通波导的材料为绝缘层上硅，所述交叉波导的材料为氮化硅，所述包层的材料为二氧化硅。本实施方式提供的偏振分束器加工简单，与互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)硅光工艺兼容，无需复杂甚至非标准的工艺步骤，达到了器件尺寸小、耦合效率高、损耗小、串扰小的效果。而且，在本实施方式中，器件最小尺寸参数不大于现有硅光加工技术下的最小特征尺寸。
当TE模式的光输入时，光从直通端输出，图7所示的是其光场传输图及截面光场传输图。当TM模式的光输入时，光经过第一耦合区，从交叉波导输出，其光场传输图及截面光场图如图8所示。从图7和图8中可以看到，该器件实现了层间偏振分束的预期功能。
输入TE/TM模式光的消光比和插损随波长的变化如图9和图10所示，可以看到，该器件在大于100nm的波长范围内实现了大于20dB的消光比，同时在1550nm的波长下，TE和TM模式输入时的插损均小于0.22dB。因此，该器件尺寸小、耦合效率高、损耗小，且工艺简单，在3D光互连中可以实现很好的应用。

Claims (9)

1.一种应用于3D光互连的层间偏振分束器，其特征在于，包括直通波导和交叉波导，所述交叉波导包括第一条形波导，所述直通波导包括脊型波导和第二条形波导，所述脊型波导和第二条形波导通过脊型-条形波导转换结构连接；所述脊型波导和第一条形波导在耦合区域实现耦合，且两者之间存在间隙；电/横磁模式的光从所述直通波导的输入波导输入，经过耦合区域时，横磁模式的光耦合到所述第一条形波导，由交叉波导的输出波导输出，横电模式的光依次通过脊型波导、脊型-条形波导转换结构和第二条形波导由直通波导的输出波导输出。
2.根据权利要求1所述的应用于3D光互连的层间偏振分束器，其特征在于，所述脊型波导包括依次连接的第一直线部分、弯曲部分和第二直线部分，所述第一直线部分与所述第一条形波导在耦合区域实现耦合，所述第二直线部分通过脊型-条形波导转换结构与所述第二条形波导连接。
3.根据权利要求1所述的应用于3D光互连的层间偏振分束器，其特征在于，所述耦合区域内脊型波导和第一条形波导的间距为850nm；所述第一条形波导的宽度为700nm，厚度为400nm；所述脊型波导的脊宽度为150nm，平板区域宽度为650nm。
4.根据权利要求1所述的应用于3D光互连的层间偏振分束器，其特征在于，所述耦合区域的长度为22μm。
5.根据权利要求1所述的应用于3D光互连的层间偏振分束器，其特征在于，所述脊型-条形波导转换结构包括脊波导部分、条形波导部分以及锥形波导部分，所述脊波导部分的脊宽度逐渐过渡到所述条形波导部分的宽度，所述锥形波导部分的平板区域的宽度从脊波导部分的平板区域的宽度逐渐过渡到所述条形波导部分的宽度。
6.根据权利要求1所述的应用于3D光互连的层间偏振分束器，其特征在于，所述直通波导的输出波导端口设置有滤除残留的TM模式的光的滤波器。
7.根据权利要求6所述的应用于3D光互连的层间偏振分束器，其特征在于，所述滤波器由三条平行设置的条形波导构成，其中两侧的条形波导的宽度为500nm，中间的条形波导的宽度为560nm，中间条形波导与两侧条形波导的间距均为200nm，三条条形波导的厚度均为220nm。
8.根据权利要求1所述的应用于3D光互连的层间偏振分束器，其特征在于，还包括覆盖在所述直通波导和交叉波导上的包层，所述直通波导和交叉波导的材料折射率大于所述包层的材料折射率。
9.根据权利要求8所述的应用于3D光互连的层间偏振分束器，其特征在于，所述直通波导的材料为绝缘层上硅，所述交叉波导的材料为氮化硅，所述包层的材料为二氧化硅。
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