CN114019605B - 一种基于soi的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器 - Google Patents

一种基于soi的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器 Download PDF

Info

Publication number
CN114019605B
CN114019605B CN202111334523.6A CN202111334523A CN114019605B CN 114019605 B CN114019605 B CN 114019605B CN 202111334523 A CN202111334523 A CN 202111334523A CN 114019605 B CN114019605 B CN 114019605B
Authority
CN
China
Prior art keywords
grooves
wavelength grating
polarization rotator
sub
soi
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111334523.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114019605A (zh
Inventor
惠战强
文习建
韩冬冬
李田甜
葛海波
巩稼民
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Posts and Telecommunications
Original Assignee
Xian University of Posts and Telecommunications
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Posts and Telecommunications filed Critical Xian University of Posts and Telecommunications
Priority to CN202111334523.6A priority Critical patent/CN114019605B/zh
Publication of CN114019605A publication Critical patent/CN114019605A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114019605B publication Critical patent/CN114019605B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/126—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind using polarisation effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12038—Glass (SiO2 based materials)

Abstract

本发明公开了一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，属于光纤通信技术领域。该偏振旋转器包括：衬底；衬底的顶部设置有一段条形波导，形成偏振旋转区域；沿着入射光的传输方向，条形波导的其中一组对角上分别开有若干个第一凹槽和若干个第二凹槽，形成第一亚波长光栅和第二亚波长光栅；若干个第一凹槽和第二凹槽内均填充有二氧化硅。在本发明中，该偏振旋转器结构简单，易于片上集成，并且在300nm(1400nm‑1700nm)波长范围内，实现TE和TM两种输入偏振光之间的相互转化，对于入射光(TE/TM基模)在S‑到U‑波段范围内插入损耗小于0.5dB，同时偏振旋转效率高于91％。

Description

一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器。
背景技术
近年来，硅光子学的发展为高密度光子集成奠定了坚实的理论基础，使得片上硅光子器件及波导中各种光学特性得到了深入研究。偏振作为除波长、相位和振幅之外的光波又一特征参量，也被用于超快光子信息传输和处理领域。然而，光纤中光波的偏振态会随着周围环境参数(如温度、应力等)的随机变化而改变，特别是在光子集成电路(Photonicintegrated circuit，PIC)中，绝缘体上硅(Silicon on insulator，SOI)材料中纤芯与包层间的高折射率对比度进一步加剧了偏振依赖性，导致横向电模(TE)和横向磁模(TM)在高度受限的硅纳米线波导中拥有不同的传播特性，从而引起偏振相关的色散和损耗。同时，不同偏振模式在波导中会产生不同的响应(如光孤子形成与演化、四波混频、交叉相位调制等非线性光学效应强弱均与光波偏振态密切相关)，最终会对光学系统性能造成严重的影响。为消除偏振特性对光通信系统性能的影响，Barwicz等人提出了具有偏振分集功能的光子集成回路，实现了偏振透明分插滤波功能。片上偏振旋转器作为该光子集成回路中的关键器件，在光通信、光传感和光学量子计算等领域有广泛应用。
到目前为止，已经报道了各种基于SOI的片上PRs设计方案，其原理可以分为两类：模式演化和模式干涉。其中，基于模式演化的PRs通常使用具有较大制造公差的扭曲波导，由于扭曲波导可以将光轴旋转，因此该结构中的偏振方向会沿光波传输方向发生旋转。然而，此类PRs通常需要较长的波导长度(>100μm)才能实现偏振转换，有较大尺寸的器件封装需求。并且该类PRs顶层大多覆盖具有较为尖锐的棱角结构，会极大地增加制造难度。而基于模式干涉PRs的核心思想是利用旋转区域产生模式干涉效应，以实现TE与TM模式之间的转换。实现此类PRs的途径通常有两种：一种是使用非对称定向耦合器(Asymmetricdirectional coupler，ADC)，将输入波导中TE/TM模式的功率耦合到输出波导的TM/TE模式中。此方法虽然可以减小器件的长度和工艺难度，但通常很难精确满足相位匹配条件，且ADC型PRs具有较强的波长敏感性，导致其工作带宽普遍较窄。另一种途径是将波导光轴旋转以产生超模的干涉效应，从而实现偏振转换，这可以通过破坏波导结构的对称性来实现，为了进一步减小器件尺寸，表面等离子体也被用于PRs的设计中，但是由于金属层与波导间存在较大的欧姆损耗，会使器件的插入损耗增大，因此限制了这类器件的应用。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器。所述偏振旋转器包括：衬底；
所述衬底的顶部设置有一段条形波导，形成偏振旋转区域；
沿着入射光的传输方向，所述条形波导的其中一组对角上分别开有若干个第一凹槽和若干个第二凹槽，形成第一亚波长光栅和第二亚波长光栅；
所述若干个第一凹槽和第二凹槽内均填充有二氧化硅。
进一步地，所述衬底为二氧化硅衬底；所述条形波导为硅波导。
进一步地，所述条形波导的周围包覆有二氧化硅层。
进一步地，所述衬底的厚度为2μm。
进一步地，所述条形波导的厚度H＝400nm，宽度W＝400nm，长度LC＝5.75μm。
进一步地，所述第一凹槽和所述第二凹槽个数相同。
进一步地，所述第一凹槽的长度为WA＝210～290nm，所述第一凹槽的高度为HA＝135～165nm，所述第二凹槽的长度为WB＝135～165nm，所述第二凹槽的高度为HB＝210～290nm。
进一步地，所述第一凹槽和所述第二凹槽的宽度均为a＝95～130nm；
相邻所述第一凹槽之间的距离和相邻所述第二凹槽之间均为Λ＝95～130nm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在本发明中，衬底为二氧化硅，上面是一段由对角刻蚀的亚波长光栅组成的条形硅波导，结构简单，易于片上集成，并且在300nm(1400nm-1700nm)波长范围内，实现TE和TM两种输入偏振光之间的相互转化，对于入射光(TE/TM基模)在S-到U-波段范围内插入损耗小于0.5dB，同时偏振旋转效率高于91％，1550nm中心波长处插入损耗小于0.18dB，偏振旋转效率高于99.92％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器的结构示意图；
图2是本发明提供的一种条形波导的结构示意图；
图3是本发明提供的一种条形波导的截面图；
图4是本发明提供的一种超模HP1与HP2在亚波长光栅结构区域横截面上的磁场分布图；
图5是本发明提供的在一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器分别输入TE与TM模式时，磁场能量沿传输方向的能量分布图。
图6是本发明提供的在一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器分别输入TE与TM模式时，该偏振旋转器的插入损耗、偏振消光比和偏振旋转效率随波长变化的曲线图。
图7是本发明提供的一种WA、HB、WB、HA这四个结构参数的工艺容差能力图。
附图标记：1-衬底；2-条形波导；3-第一凹槽；4-第二凹槽；5-二氧化硅层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参见图1-3，一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，包括：衬底1；衬底1由二氧化硅组成，在1550nm波长下二氧化硅的折射率为nSiO2＝1.445，衬底1的厚度为2μm，衬底1的顶部设置有一段条形波导2，形成偏振旋转区域，条形波导2由硅组成，在1550nm波长下硅的折射率为nSi＝3.455，条形波导2的厚度H＝400nm，宽度W＝400nm，长度LC＝5.75μm，沿着入射光的传输方向，在条形波导2的其中一组对角上分别刻蚀有个数相同的若干个第一凹槽3和若干个第二凹槽4，形成第一亚波长光栅和第二亚波长光栅，在整个偏振旋转区，沿Z轴方向端面参数均不会发生变化，第一凹槽3的长度为WA＝210～290nm，第一凹槽3的高度为HA＝135～165nm，第二凹槽4的长度为WB＝135～165nm，第二凹槽4的高度为HB＝210～290nm，优选地，WA＝HB＝250nm，HA＝WB＝150nm，第一凹槽3和第二凹槽4的宽度均为a＝95～130nm，优选地，a＝115nm，相邻第一凹槽3之间的距离和相邻第二凹槽4之间均为Λ＝95～130nm，优选地，Λ＝115nm；条形波导2周围设置有周围包覆有二氧化硅层5，二氧化硅层5在1550nm波长下二氧化硅的折射率为nSiO2＝1.445，第一凹槽3和第二凹槽4内填充有二氧化硅。
需要说明的是，随着信息社会的高速发展，基于模式演化型偏振旋转器原理下的一般级联结构使得偏振旋转器结构较为复杂，导致制造成本增。故而本发明提出了一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，不仅可以将输入光信号TE转化为TM模式输出，并且也可以将TM模式转换为TE模式输出，可以将光束偏振方向旋转90°，在实现保留偏振信号所携带信息的同时，将一种偏振态转换为另外一种与之相互垂直的偏振态。当TE/TM模式注入时，由于波导的不对称性结构会使得在输入光在端面产生两种混合模式光并随着传输长度逐渐旋转输出TM/TE模式，在较宽的波段内(1400nm-1700nm)保持了较高的偏振转换效率和较低的插入损耗，且结构简单，工艺可行性高。
图4是是偏振旋转过程中两种超模HP1与HP2在亚波长光栅结构区域横截面上的磁场分布图，如图4所示，当向该偏振旋转器中输入一个TM(或TE)模式时，将在转换区激发产生两个超模，它们以π的相位差相互拍频，最后，经过半拍长度Lπ的整数倍后在输出端口可获得TE(或TM)模式。
图5中(a)和(b)分别为输入TE与TM模式时，磁场能量沿传输方向的能量分布图，其中Hx和Hy分别表示磁场在x方向和y方向的能量分布，由图5(a1)、(a2)和(b1)、(b2)可以看出，无论输入TE模式或TM模式，经过偏振旋转区以后原(y/x)方向上的磁场都将转换为与之垂直的(x/y)方向上，证明了输入的TE/TM模式经过偏振旋转区以后完全转换为与之偏振方向垂直的TM/TE模式。通过图5(a)、(b)中磁场的能量分布图也可以看出此波导对光有很强的限制作用，能够保证该偏振旋转器具有较低的插入损耗和较高的偏振消光比。
图6中(a)和(b)分别为输入TE与TM模式时，该偏振旋转器的插入损耗、偏振消光比和偏振旋转效率随波长变化的曲线图。可以看出：无论输入TE模式或TM模式，该偏振旋转器在1400-1700nm波长范围内的插入损耗均低于0.5dB，偏振消光比均高于10dB，偏振旋转效率均大于91％，1550nm中心波长处插入损耗小于0.18dB，偏振旋转效率高于99.92％。
图7是一种WA、HB、WB、HA这四个结构参数的工艺容差能力图，由图7(a)可以看出WA和HB的公差在±40nm以内、由图7(b)可以看出WB和HA的公差在±15nm以内该偏振旋转器仍能保持较高的工作性能，具有较大的制造公差。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，所述偏振旋转器包括：衬底(1)；所述衬底(1)的顶部设置有一段条形波导(2)，形成偏振旋转区域；其特征在于，
沿着入射光的传输方向，所述条形波导(2)的其中一组对角上分别开有若干个第一凹槽(3)和若干个第二凹槽(4)，形成第一亚波长光栅和第二亚波长光栅；
所述若干个第一凹槽(3)和第二凹槽(4)内均填充有二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，所述衬底(1)为二氧化硅衬底；
所述条形波导(2)为硅波导。
3.根据权利要求1所述的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，所述条形波导(2)的周围包覆有二氧化硅层(5)。
4.根据权利要求2所述的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，所述衬底(1)的厚度为2μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，所述条形波导(2)的厚度H＝400nm，宽度W＝400nm，长度LC＝5.75μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，所述第一凹槽(3)和所述第二凹槽(4)个数相同。
7.根据权利要求5所述的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，所述第一凹槽(3)的长度为WA＝210～290nm，所述第一凹槽(4)的高度为HA＝135～165nm，所述第二凹槽(4)的长度为WB＝135～165nm，所述第二凹槽(4)的高度为HB＝210～290nm。
8.根据权利要求7所述的一种基于SOI的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器，其特征在于，
所述第一凹槽(3)和所述第二凹槽(4)的宽度均为a＝95～130nm；
相邻所述第一凹槽(3)之间的距离和相邻所述第二凹槽(4)之间均为Λ＝95～130nm。
CN202111334523.6A 2021-11-11 2021-11-11 一种基于soi的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器 Active CN114019605B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111334523.6A CN114019605B (zh) 2021-11-11 2021-11-11 一种基于soi的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111334523.6A CN114019605B (zh) 2021-11-11 2021-11-11 一种基于soi的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114019605A CN114019605A (zh) 2022-02-08
CN114019605B true CN114019605B (zh) 2022-06-21

Family

ID=80063797

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111334523.6A Active CN114019605B (zh) 2021-11-11 2021-11-11 一种基于soi的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114019605B (zh)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4847436B2 (ja) * 2004-02-26 2011-12-28 シオプティカル インコーポレーテッド シリコン−オン−インシュレータ（ｓｏｉ）構造における光の能動操作
WO2011024301A1 (en) * 2009-08-25 2011-03-03 Fujikura Ltd. Manufacturing method of planar optical waveguide device with grating structure
US8948549B2 (en) * 2012-11-27 2015-02-03 Teraxion Inc. Polarization rotator assembly including a subwavelength composite portion
JP6089077B1 (ja) * 2015-08-25 2017-03-01 沖電気工業株式会社 導波路型光回折格子及び光波長フィルタ
CN109001858B (zh) * 2018-08-31 2023-02-24 中国地质大学（武汉） 一种基于表面等离子体亚波长光栅的偏振分束器
CN110989080B (zh) * 2019-12-19 2020-12-08 东南大学 一种基于反向耦合原理的光栅辅助型起偏器
CN112526675B (zh) * 2020-12-21 2022-07-22 西安邮电大学 一种基于模式混合原理的w型硅基槽式片上偏振旋转器
CN112630995B (zh) * 2021-01-11 2022-06-17 东南大学 硅基偏振旋转器转换光信号偏振态的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114019605A (zh) 2022-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7065272B2 (en) Fiber-to-waveguide coupler
Van et al. Propagation loss in single-mode GaAs-AlGaAs microring resonators: measurement and model
CN110618487B (zh) 一种基于亚波长光栅结构的多模干涉型偏振不敏感功分器
US7881571B2 (en) Coupling device with compensated birefringence
US10317584B2 (en) Grating coupler and preparation method
Zhou et al. Hyperuniform disordered network polarizers
CN112262342A (zh) 光相位调制器和光调制器
CN112711093B (zh) 一种偏振分束器结构及偏振分束方法
JP2015504183A (ja) 基板への結合損失を削減したフォトニック結晶導波路
Nakayama et al. Passive plasmonic demultiplexers using multimode interference
CN111273398B (zh) 一种高耦合效率的m型波导光栅耦合器的设计方法
CN110780381B (zh) 非对称三波导结构的偏振分束器及其制备方法
US20210141251A1 (en) Active region-less modulator and method
Xie et al. Ultra-compact subwavelength-grating-assisted polarization-independent directional coupler
Xu et al. Proposal for compact polarization splitter using asymmetrical three-guide directional coupler
CN112255724A (zh) 基于铌酸锂的波导阵列及其制造方法
Qiu et al. Narrow-band add-drop filter based on cladding-modulated apodized multimode Bragg grating
CN105759351B (zh) 一种基于垂直耦合原理的硅基槽波导起偏器
JP3800088B2 (ja) フォトニック結晶導波路
CN112526675B (zh) 一种基于模式混合原理的w型硅基槽式片上偏振旋转器
CN114019605B (zh) 一种基于soi的对角刻蚀亚波长光栅型片上偏振旋转器
Fukazawa et al. H-tree-type optical clock signal distribution circuit using a Si photonic wire waveguide
Zhao et al. Side-coupled Fabry-Perot resonator filter based on dual-waveguide Bragg grating
WO2003062909A2 (en) Polarisation converter
Le et al. The design of multimode interference couplers with arbitrary power splitting ratios on an SOI platform

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant