CN115373159A - 硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器 - Google Patents

硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器 Download PDF

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孙璐
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Abstract

一种硅‑铌酸锂混合集成偏振分束旋转器，包括：两个级联的定向耦合器，两定向耦合器通过一个S弯波导级联，从而实现对TE和TM两种偏振模式的传输和转换，其中：第一定向耦合器包括：两个90°的弯曲波导，通过优化弯曲波导的宽度和部分刻蚀的宽度改变两个弯曲波导的等效折射率，当满足相位匹配条件时得到最优解；第二定向耦合器包括：两个宽度相等的直波导，其级联在由弯曲波导构成的定向耦合器之后。本发明实现了铌酸锂薄膜与硅基光子器件的键合，偏振分束旋转器是实现高性能硅‑铌酸锂异质集成光电调制器的关键器件，解决了调制芯片中偏振耦合串扰的问题，能够实现低损耗、大容量、大带宽的信息互联。

Description

硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器
技术领域
本发明涉及的是一种半导体光学器件领域的技术，具体是一种硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器。
背景技术
SOI波导的超高折射率对比可以实现很小的器件尺寸，但这也使得波导中TE和TM模式的有效折射率差别很大，造成器件具有偏振敏感特性，影响器件的性能；同时偏振复用技术也在提高光纤传输容量方面有重大意义。硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器是实现大容量光互连的IQ调制器芯片的重要器件之一。
发明内容
本发明针对现有偏振分束旋转器结构较为简单，导致其对工艺容忍度较差，以及需要进一步打破垂直对称性才能实现偏振旋转的功能，提出一种硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器，具有低损耗、高消光比的偏振分束旋转功能，不仅增大了器件的工作带宽，也提高了与COMS工艺的兼容性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器，包括：两个级联的定向耦合器，两定向耦合器通过一个S弯波导级联，从而实现对TE和TM两种偏振模式的传输和转换，其中：用于相位匹配的第一定向耦合器包括：两个90°的弯曲波导，通过优化弯曲波导的宽度和部分刻蚀的宽度改变两个弯曲波导的等效折射率，当满足相位匹配条件时得到最优解；用于进一步滤除波导中残余的TM偏振模式，提高器件的消光比的第二定向耦合器包括：两个宽度相等的直波导，其级联在由弯曲波导构成的定向耦合器之后。
所述的相位匹配是指：当第一定向耦合器用于TM偏振模式到TE偏振模式的转化，两个弯曲波导的光程长度(OPL)相等，具体为：OPL＝N1k0R1θ＝N2k0R2θ，其中：N1为外弯中TM模式的等效折射率，N2为内弯中TE模式的等效折射率，k0为波数，R1和R2分别为外弯和内弯的半径，θ为弯曲的角度。
所述的两个弯曲波导的半径分别为17μm和17.62μm。
所述的两个弯曲波导宽度分别为0.6μm和0.4μm，其中内弯部分刻蚀的宽度为0.285μm。
所述的第二定向耦合器的耦合长度为10μm。
所述的S弯波导不仅有效分开了两个波导，也通过弯曲波导消除了一部分残余的TM偏振模式。
所述的S弯波导的半径为4μm。
本发明涉及上述硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器的实现方法，具体通过在SOI波导上沉积BCB胶和铌酸锂材料制备得到。
所述的偏振分束旋转器中定向耦合器的两个弯曲波导均采用部分刻蚀，即非贯穿刻蚀的结构进一步打破垂直方向上的对称性。
技术效果
本发明整体解决了现有技术中硅-铌酸锂混合集成调制器的偏振耦合串扰的问题；
与现有技术相比，本发明实现了铌酸锂薄膜与硅基光子器件的键合，偏振分束旋转器是实现高性能硅-铌酸锂异质集成光电调制器的关键器件，解决了调制芯片中偏振耦合串扰的问题，能够实现低损耗、大容量、大带宽的信息互联。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：(a)为俯视图；(b)为剖视图；
图2为本发明的仿真模场分布图；
图中：(a)为输入为TE偏振模式下的模场分布；(b)为输入为TM偏振模式下的模场分布；
图3为本发明两种偏振模式传输谱的仿真结果示意图；
图中：(a)为输入为TE偏振模式下的传输谱；(b)为输入为TM偏振模式下的传输谱。
具体实施方式
如图1(a)所示，为本实施例涉及一种采用硅-铌酸锂材料复合光波导结构，包括：两个级联的定向耦合器1、2，其中：级联的两个定向耦合器通过一个S弯波导3级联，从而实现对TE和TM两种偏振模式的传输和转换。
所述的两个级联的定向耦合器中：用于相位匹配的第一定向耦合器1包括：两个90°的弯曲波导101、102，用于进一步滤除波导中残余的TM偏振模式，提高器件的消光比的第二定向耦合器2包括：两个宽度相等的直波导201、202。
通过优化弯曲波导的宽度和部分刻蚀的宽度改变两个弯曲波导的等效折射率，当满足相位匹配条件时得到最优解；
所述的两种偏振模式的传输和转换是指：光束从第一弯曲波导101中输入，在第一弯曲波导101中传输的TM偏振模式将会转换为第二弯曲波导102中的TE偏振模式并输出；对于从第一弯曲波导101中输入的TE偏振模式，由于波导双折射很大，自动引入了很大的相位失配，交叉耦合变得很弱，因此TE偏振模式将会以较低损耗从第一弯曲波导101或第一直波导201中直接输出。
如图1(b)所示，本实施例涉及上述硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器的波导宽度通过MODE和3D-FDTD仿真结果取最优解，即满足相位匹配条件(两个弯曲波导101和102输出端口的损耗最小且串扰最小)，对应第一和第二弯曲波导的宽度分别为0.6μm和0.4μm，其中内弯部分刻蚀的宽度为0.285μm。
所述的第一弯曲波导101的半径R1＝R2+Wg+(W1+W3)/2，当第二弯曲波导102的半径R2取17μm时，第一弯曲波导101的半径为17.62μm；两个弯曲波导之间的间距Wg为120nm。
所述的部分刻蚀的深度为H1-H2＝0.13μm，其中H1＝0.22μm为顶层硅的厚度。
所述的两个直波导201和202的耦合长度通过3D-FDTD仿真结果取最优解，即第一直波导201的波导输出端口损耗最小的情况，取值为10μm；两个直波导201和202之间的间距为200nm。
本实施例涉及的硅-铌酸锂材料复合光波导结构，具体是在SOI基片上沉积BCB胶和铌酸锂薄膜实现的。
所述的SOI基片由3μm的氧化层和220nm的顶层硅组成。
所述的BCB胶的厚度为300nm；
所述的铌酸锂薄膜的厚度为300nm。
本实施例采用的复合光波导结构模型，能够显著提升电场-光场相互作用，大幅增强电光调制效率。
本实施例采用3D时域有限差分法(3D-FDTD)对所述结构的偏振模式耦合过程进行仿真。仿真过程中光源分别为TE偏振模式和TM偏振模式，在两个输出端口放置监测器监测输出的TE偏振模式和TM偏振模式信号，记录对应模式的传输谱。
经过具体实际实验，在Lumerical仿真软件中，网格精确度设置为3，能够得到的实验数据是：在1500nm到1600nm的波长范围内，对于TE偏振模式，串扰小于-20dB，插入损耗小于0.69dB。对于TM偏振模式，串扰小于-23dB，插入损耗小于0.66dB。在1550nm处，TE偏振模式的串扰为-33dB，插入损耗为0.41dB，TM偏振模式的串扰为-32dB，插入损耗为0.31dB。进而能够实现低损耗、低串扰、大容量的偏振复用。
与现有技术相比，本发明在硅-铌酸锂材料复合光波导结构上设计的偏振分束旋转器，在100nm的大带宽波长范围内具有低损耗、低串扰、大工艺容忍度，是高性能硅-铌酸锂异质集成电光调制器的关键器件。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器，其特征在于，包括：两个级联的定向耦合器，两定向耦合器通过一个S弯波导级联，从而实现对TE和TM两种偏振模式的传输和转换，其中：
用于相位匹配的第一定向耦合器包括：两个90°的弯曲波导，通过优化弯曲波导的宽度和部分刻蚀的宽度改变两个弯曲波导的等效折射率，当满足相位匹配条件时得到最优解；
用于进一步滤除波导中残余的TM偏振模式，提高器件的消光比的第二定向耦合器包括：两个宽度相等的直波导，其级联在由弯曲波导构成的定向耦合器之后。
2.根据权利要求1所述的硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器，其特征是，所述的相位匹配是指：当第一定向耦合器用于TM偏振模式到TE偏振模式的转化，两个弯曲波导的光程长度相等，具体为：OPL＝N1k0R1θ＝N2k0R2θ，其中：N1为外弯中TM模式的等效折射率，N2为内弯中TE模式的等效折射率，k0为波数，R1和R2分别为外弯和内弯的半径，θ为弯曲的角度。
3.根据权利要求1或2所述的硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器，其特征是，所述的第一弯曲波导的半径R1＝R2+Wg+(W1+W3)/2，当第二弯曲波导的半径R2取17μm时，第一弯曲波导101的半径为17.62μm；两个弯曲波导之间的间距Wg为120nm。
4.根据权利要求1或2所述的硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器，其特征是，所述的第一和第二弯曲波导的宽度分别为0.6μm和0.4μm，其中内弯部分刻蚀的宽度为0.285μm。
5.根据权利要求1或2所述的硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器，其特征是，当第一直波导的波导输出端口损耗最小时，两个直波导的耦合长度为10μm，间距为200nm。
6.根据权利要求1所述的硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器，其特征是，所述的S弯波导的半径为4μm，该S弯波导不仅有效分开了两个波导，也通过弯曲波导消除了一部分残余的TM偏振模式。
7.一种根据权利要求1～6中任一所述硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器的实现方法，其特征在于，通过在SOI波导上沉积BCB胶和铌酸锂材料制备得到，其中：偏振分束旋转器中定向耦合器的两个弯曲波导均采用部分刻蚀，即非贯穿刻蚀的结构进一步打破垂直方向上的对称性。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的SOI基片由3μm的氧化层和220nm的顶层硅组成。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征是，所述的BCB胶的厚度为300nm；所述的铌酸锂薄膜的厚度为300nm。
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