CN115657204A - 一种偏振滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及偏振滤波领域，尤其涉及一种偏振滤波器，可以有效提高对TM波的衰减，增大偏振消光比，同时，该方案还能实现元件对TE波极低的损耗，这种高性能的偏振滤波器的应用场景被有效扩大，可以应用于芯片收发两端，以及芯片耦合等部分。包括波导芯层及沿波导芯层传播方向依次设置的模式杂化区域、slab mode转换区域、slab mode吸收区域、输出区域；模式杂化区域用于将输入的TM0转换为TE1，或者保持输入的TE0；slab mode转换区域为双层taper结构，用于TE1模式向slab mode模式的转换，或者保持输入的TE0的电场束缚；slab mode吸收区域为掺杂区域，用于吸收slab mode模式下的扩展外溢部分，或者保持输入的TE0；输出区用于输出转化与掺杂后的波导。
Description
技术领域
本发明涉及偏振滤波领域，尤其涉及一种偏振滤波器。
背景技术
在近十年的时间里，硅基光子学在科研院所和工业界的共同推动下，获得了高速的发展，多种硅光产品相继商用。对比铌酸锂和III-V材料平台，硅光有两个典型的优势。第一点，硅光平台具有更高的集成度。由于硅波导芯层与包层折射率相差约为2，光模式可以被限制在一个亚微米量级的波导中，使得光波在较小的弯曲半径条件下也可实现低损耗的光传输。这样有利于实现更紧凑的光子元件，也就意味着在同样大小的晶圆上就可以容纳数量更多的光电元件。第二点，硅光工艺与CMOS工艺兼容，有希望与CMOS微电子技术集成在一起，制作出真正的电光集成芯片。
但同时，硅波导的高折射率差，也使得其光传输的偏振相关性明显，波导TE模和TM模折射率有较大差别，不同元件对偏振态高度敏感。目前，在硅光集成平台，处理偏振问题的主流技术路线，是采用偏振分离复用的方法。这种处理方法，对偏振串扰值有较高的要求，否则串扰的升高会带来信号的畸变，增加误码。因此，硅光平台对偏振滤波有强烈的需求。而常见的偏振滤波应用场景是滤除TM波，保留TE波。所以，对偏振滤波器的要求是要最大程度地滤除TM波，而又要保持对TE波最小的损耗。
在现有技术中存在类似的改进一，如美国专利号US11353655B2公开的用于产生线性偏振光的集成光学偏振器可以形成在光子集成电路(PIC)中，用于需要稳定的输出偏振状态的应用。可以通过使用已经存在于PIC中的相同材料来构建集成偏振器，而不使用其他附加层和包层，并且不对波导轮廓进行其他附加结构修改。集成偏振器包括多个预定半径的弯曲波导，这些弯曲波导依次彼此连接。弯曲波导具有高双折射和松散限制，以传导一种偏振模式并衰减另一种偏振模式。利用模式限制的程度、弯曲半径和串联连接的弯曲波导的数量来控制偏振鉴别。该方案采用级联弯曲波导的方法来滤除TM波。由于TM波和TE波的空间场分布不同，使得它们相对于同一弯曲半径的弯曲波导来说，所产生的辐射模损耗也是不同的。相比于TE波，TM对弯曲半径的减小更为敏感，损耗也就更大。所以，通过级联多个小半径的弯曲波导，可以产生一定数值的偏振相关损耗，从而达到滤除TM波的目的。
该改进一的技术方案虽然可以产生偏振滤波的效果，但它的缺点也比较明显。第一，由于单个波导产生的偏振相关损耗的数值并不大，而系统对偏振串扰的数值往往有比较高的要求，这就需要级联较多数量的弯曲波导。然而随着弯曲波导的数量增加，对TE波产生的损耗也在增加，从而使得偏振滤波的代价变大。在实际的应用中，这种方案对TE波所产生的损耗，在系统层面是难以接受的。第二，这种滤波方案，为了减小本身的插入损耗，需要把弯曲波导的半径做大，但弯曲半径的增加，也使得对TM波的滤波能力减弱。从而，需要级联更多数量的弯曲波导，这就使得滤波元件本身需要占据较大的芯片版图面积，不利于集成。
在现有技术中还存在类似的改进二，如美国专利号US11125944B2公开了片上偏振器和形成偏振器的方法的实施例。偏振器包括在衬底上方的不同设计水平处具有不同形状的第一波导和第二波导。第一波导具有在输入端和输出端之间的主体。第二波导在形状上是螺旋形的，具有内端和渐逝地耦合到第一波导的主体的外端。在第一波导的输入端接收包括具有第一类型偏振的第一光信号和具有第二类型极性的第二光信号的光信号。第一波导将第一光信号传递到输出端，并将至少一些第二光信号传递出主体并进入第二波导的外端。第二波导衰减所接收的第二光信号。其基本结构包含一个主波导和一个环状波导。主波导可以传输不同偏振态的光，而环状波导的作用是对主波导中的某一种偏振态进行滤除。不同偏振态的光，从主波导的左侧输入时，当两个偏振态的光传输到主波导和环状波导的耦合区域时，需要滤除的某一偏振态光通过倏逝波耦合到环状波导中，而无需滤除另一偏振态光，则不发生耦合，直接从主波导中输出。耦合到环状波导中的某一偏振态的光，在该波导的环状结构中，由于激发辐射模而被逐步损耗掉，从而达到偏振滤除的效果。
该改进二的技术方案有两个缺点。第一，DC耦合存在比较明显的波长相关性。这就使得在频域，某些波长的光完全耦合到了环状波导中，而另外一些波长的光却并没有完全耦合到环状波导中，而是仍旧留在了主波导中，形成了偏振串扰。第二，基于倏逝波的耦合，在对某一个偏振态产生作用的同时，也会不可避免地对另一个偏振态产生比较大的影响，这就造成了元件的额外损耗，而这种损耗还往往具有较强的波长相关性。
发明内容
因此，针对上述的问题，本发明提出一种偏振滤波器，可以有效提高对TM波的衰减，增大偏振消光比。同时，该方案还能实现元件对TE波极低的损耗。这种高性能的偏振滤波器的应用场景被有效扩大，可以应用于芯片收发两端，以及芯片耦合等部分。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种偏振滤波器，包括波导芯层及沿波导芯层传播方向依次设置的模式杂化区域、slab mode转换区域、slab mode吸收区域、输出区域；
模式杂化区域用于将输入的TM0转换为TE1，或者保持输入的TE0；
slab mode转换区域为双层taper结构，用于TE1模式向slab mode模式的转换，或者保持输入的TE0的电场束缚；
slab mode吸收区域为掺杂区域，用于吸收slab mode模式下的扩展外溢部分，或者保持输入的TE0；
输出区用于输出转化与掺杂后的波导。
进一步的，所述slab mode转换区域处于波导芯层外形成浅蚀刻区域，所述波导芯层于slab mode转换区域的宽度由输入端至输出端呈减少趋势，和/或浅蚀刻区域的宽度由输入端至输出端呈增大趋势，从而实现TE1模式向slab mode模式的转换。
进一步的，所述slab mode吸收区域的宽度与slab mode转换区域的输出端的宽度相同，所述slab mode吸收区域通过在波导芯层外设置可在光波段形成折射率虚部的材料层，形成掺杂区域。
进一步的，所述材料层为重掺杂层或金属层。
进一步的，所述输出区的输入端的宽度与slab mode吸收区域的输出端的宽度相同。
进一步的，所述输出区的宽度由输入端向输出端的宽度呈减少趋势，和/或所述波导芯层于输出区的宽度由输入端向输出端的宽度呈增大趋势。
进一步的，所述掺杂浓度的范围为1x1016/cm3～1x1023/cm3，所述掺杂的类型为N型掺杂或P型掺杂。
进一步的，输出的波导为rib波导或ridge波导。
进一步的，输出的波导为单模波导或多模波导。
通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)、本方案表现出对TM波的衰减效应>16dB，可以有效滤除TM波。且滤除效果具有较小的波长相关性，可以适应于大带宽的应用场景。
(2)、本方案所提出的滤波器对TE波的损耗很小，在0.05dB以内。且对TE波损耗的波长相关性小，在100nm的带宽范围内，波长相关性<0.02dB.
(3)、本方案的设计方案无需特殊的工艺条件，无需特殊的结构。兼容现在的硅光CMOS工艺，易于制造。
(4)、本方案的设计方案结构紧凑，易于集成。
本方案采用多段双层taper的设计（其中的taper可以理解成是宽度方向的宽度逐渐变化的状态区域），也即多段具有双层宽度变化的设计，将TM波转换成slab mode模式，以实现对TM波的有效衰减。在重掺杂区，精确设计波导芯层的宽度以及波导slab的宽度。通过这种设计，将从TM波转换而来的slab mode的模场，几乎全部扩散到slab中；同时，该结构又可以将TE波的模场紧凑地束缚在波导内部，从而使得slab mode有效衰减，而TE波却几乎不发生损耗。在双层taper中，波导芯层的变窄和波导slab的变宽，可以是在一个taper中同时完成，也可以是在两个taper中，分开完成。重掺杂区域，可以是通过掺杂来吸收slab mode，也可以是通过沉积金属，或其他可以在光波段形成折射率虚部的材料来进行吸收。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图。
图2是本发明实施例一的分段结构的尺寸标注示意图。
图3是仿真状态的TM波输入时的模式传输电场分布。
图4是仿真状态的TE偏振态输入时的模式传输电场分布。
图5是FDTD仿真的对TM偏振态的衰减效果示意图。
图6是FDTD仿真的对TE波的损耗结果。
图7是本发明实施例二的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
参考图1至图2，本实施例一提供一种偏振滤波器，包括波导芯层1及沿波导芯层传播方向依次设置的模式杂化区域L1、slab mode转换区域、slab mode吸收区域L4、输出区域L5；
模式杂化区域用于将输入的TM0转换为TE1，或者保持输入的TE0。
slab mode转换区域为双层taper结构，用于TE1模式向slab mode模式的转换，或者保持输入的TE0的电场束缚。所述slab mode转换区域处于波导芯层外形成浅蚀刻区域2，所述波导芯层于slab mode转换区域的宽度由输入端至输出端呈减少趋势，和/或浅蚀刻区域的宽度由输入端至输出端呈增大趋势，从而实现TE1模式向slab mode模式的转换。
如图2所示，slab mode转换区域包括了L2与L3，其中在区域L2中，浅蚀刻区域的宽度由输入端向输出端是基本维持不变的，而波导芯层的宽度由输入端向输出端是呈现由大到小的趋势，而在区域L3中，波导芯层的宽度是呈现由大到小的趋势，浅蚀刻区域的宽度由输入端向输出端是呈现由小到大的趋势。当然，模式杂化区域L1处位于波导芯层1外也是可以设置浅蚀刻区域2的，从而实现与L2的输入端的有效承接。
其中，在图2所示中，L1至L5的长度，W1至W5的宽度都是可以根据实际的需要来进行调整的，其中，W1为模式杂化区域L1输出端的宽度，其实际为该处浅蚀刻区域的宽度；W2为L2输出端的宽度，其实际为该处浅蚀刻区域的宽度；W3为L3输出端的宽度，其实际为该处浅蚀刻区域的宽度；W4为波导芯层于L4区域内的宽度；W5为波导芯层与掺杂区域的材料层3之间的距离宽度。对于顶硅厚度为220nm，slab厚度为90nm的硅光工艺，本方案的一组典型的结构参数范围如表一所示：
表一：
上表的数值仅为给定的一个参数范围，并不代表本方案的保护一定需要由表中的数值来进行实施。
slab mode吸收区域L4为掺杂区域，用于吸收slab mode模式下的扩展外溢部分，或者保持输入的TE0。所述slab mode吸收区域的宽度与slab mode转换区域的输出端的宽度相同，所述slab mode吸收区域通过在波导芯层外设置可在光波段形成折射率虚部的材料层3，形成掺杂区域。所述材料层为重掺杂层或金属层。所述掺杂浓度的范围为1x1016/cm3～1x1023/cm3，所述掺杂的类型为N型掺杂或P型掺杂。
输出区L5用于输出转化与掺杂后的波导。所述输出区的输入端的宽度与slabmode吸收区域的输出端的宽度相同。所述输出区的宽度由输入端向输出端的宽度呈减少趋势，和/或所述波导芯层于输出区的宽度由输入端向输出端的宽度呈增大趋势。输出的波导为rib波导或ridge波导。输出的波导为单模波导或多模波导。
以图2为例，L1区域为模式杂化区域，该区域结构为双层taper结构，包含波导芯层与浅刻蚀部分。该区域的功能是实现模式的杂化，将输入的TM0转换为TE1。同时，如果输入的是TE0，则不改变其偏振态，使其仍旧保持TE的偏振态传输。
在图2中，L2+L3区域为slab mode转换区域，该区域结构为双层taper结构，包含波导芯层与浅刻蚀部分。该区域的功能是实现TE1模式向slab mode模式的转化。通过减小波导芯层的宽度，并且增加波导浅刻蚀层的宽度，TE1模式逐渐过渡转化为slab mode，原本束缚在波导芯层附近的模场，被外溢扩展到slab区域，而波导芯层几乎不再有模式电场的分布。同时，TE0在该区域的波导结构的变换过程中，始终保持电场的紧束缚，几乎不发生模场的扩展。该区域波导芯层和slab层宽度的变化，可以分两次进行，即先变化波导芯层的宽度或者先变化波导浅刻蚀的宽度。也可以一次性进行，即同时改变波导芯层宽度和波导浅刻蚀宽度。分两次进行宽度的变化，可以在同等长度下，实现更小的损耗。
在图2中，L4区域为slab mode吸收区域。该区域保持从L2+L3区域转换而来的波导芯层和slab层宽度不变，增加重掺杂区域。由于slab mode的模场在L2+L3区域被扩展外溢，使得其在L4的掺杂区域被吸收。而传输的TE0的模场是始终保持电场的紧束缚，几乎不发生模场的扩展，所以TE0在该区域几乎不发生衰减。对slab mode进行吸收的，可以是重掺杂层，也可以是金属层或其他可以在光波段形成折射率虚部的材料。
在图2中，L5区域为输出区。在该区域波导芯层宽度和浅刻蚀宽度逐步过渡恢复至普通单模波导宽度或者其他所需要的波导类型或波导宽度。输出的波导类型可以是rib波导或者ridge波导，可以是单模波导或多模波导。相应的波导芯层和浅刻蚀层宽度根据所需波导类型而定。在该L5区域，由于slab mode在L4区域已被有效吸收，所以，该区域只输出TE0单一偏振。
再参考图3，当输入端口是TM波输入时，模式传输的电场分布结果。从仿真结果中，可以清晰地观察到，输入的TM波，首先被转化成TE1模式。而转化的TE1模式，随后又被转换成slab mode模式。从图中可以明显看到场分布的扩张。Slab mode在传输过程中，在重掺杂区域，被有效吸收掉。在元件后面的部分，已经几乎观察不到场的分布，这说明了对TM偏振态的良好的滤波性能。
而对于输入端口TE偏振态的输入，情况却不同，其仿真结果如图4所示。从图中可以看出，TE0模式在波导结构的变换过程中，始终保持电场的紧束缚，几乎不发生衰减。
FDTD仿真的具体数值结果如图5所示。图5显示本方案偏振滤波器对TM偏振态的衰减效果。从图中可以看出，在1.25um-1.35um波长范围内，滤波器对TM0的衰减值>16dB。可以有效降低芯片中的偏振串扰，提升芯片性能。
图6显示的是本方案偏振滤波器对TE波的损耗结果。从图中可以看出，在1.25um-1.35um波长范围内，滤波器对TE0的损耗<0.05dB。而且在整个100nm带宽的频域范围内，TE波损耗的波长相关性很小，展现出滤波器良好的性能。
相应地，对比现有技术，本方案也体现出对应的有益效果：
(1)、本方案表现出对TM波的衰减效应>16dB，可以有效滤除TM波。且滤除效果具有较小的波长相关性，可以适应于大带宽的应用场景。
(2)、本方案所提出的滤波器对TE波的损耗很小，在0.05dB以内。且对TE波损耗的波长相关性小，在100nm的带宽范围内，波长相关性<0.02dB.
(3)、本方案的设计方案无需特殊的工艺条件，无需特殊的结构。兼容现在的硅光CMOS工艺，易于制造。
(4)、本方案的设计方案结构紧凑，易于集成。
本方案采用多段双层taper的设计（其中的taper可以理解成是宽度方向的宽度逐渐变化的状态区域），也即多段具有双层宽度变化的设计，将TM波转换成slab mode模式，以实现对TM波的有效衰减。在重掺杂区，精确设计波导芯层的宽度以及波导slab的宽度。通过这种设计，将从TM波转换而来的slab mode的模场，几乎全部扩散到slab中；同时，该结构又可以将TE波的模场紧凑地束缚在波导内部，从而使得slab mode有效衰减，而TE波却几乎不发生损耗。在双层taper中，波导芯层的变窄和波导slab的变宽，可以是在一个taper中同时完成，也可以是在两个taper中，分开完成。重掺杂区域，可以是通过掺杂来吸收slab mode，也可以是通过沉积金属，或其他可以在光波段形成折射率虚部的材料来进行吸收。
本实施例二的具体设计方案如图7所示，其与实施例一的区别在于：
slab mode吸收区域L4，设计成一平直的状态。这样设计也同样能够达到本方案的目的。也即，slab mode吸收区域L4的形状可以是弯曲波导设计，也可以是直波导设计。弯曲波导设计，可以减小因散射造成的串扰光。而直波导设计，结构更紧凑，占用面积更小。
实施例二的方案可以参考表一给定的参数，也可以根据实际的需要进行相应的设置。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种偏振滤波器，其特征在于：包括波导芯层及沿波导芯层传播方向依次设置的模式杂化区域、slab mode转换区域、slab mode吸收区域、输出区域；
模式杂化区域用于将输入的TM0转换为TE1，或者保持输入的TE0；
slab mode转换区域为双层taper结构，用于TE1模式向slab mode模式的转换，或者保持输入的TE0的电场束缚；
slab mode吸收区域为掺杂区域，用于吸收slab mode模式下的扩展外溢部分，或者保持输入的TE0；
输出区用于输出转化与掺杂后的波导。
2.根据权利要求1所述的一种偏振滤波器，其特征在于：所述slab mode转换区域处于波导芯层外形成浅蚀刻区域，所述波导芯层于slab mode转换区域的宽度由输入端至输出端呈减少趋势，和/或浅蚀刻区域的宽度由输入端至输出端呈增大趋势，从而实现TE1模式向slab mode模式的转换。
3.根据权利要求1所述的一种偏振滤波器，其特征在于：所述slab mode吸收区域的宽度与slab mode转换区域的输出端的宽度相同，所述slab mode吸收区域通过在波导芯层外设置可在光波段形成折射率虚部的材料层，形成掺杂区域。
4.根据权利要求3所述的一种偏振滤波器，其特征在于：所述材料层为重掺杂层或金属层。
5.根据权利要求1所述的一种偏振滤波器，其特征在于：所述输出区的输入端的宽度与slab mode吸收区域的输出端的宽度相同。
6.根据权利要求5所述的一种偏振滤波器，其特征在于：所述输出区的宽度由输入端向输出端的宽度呈减少趋势，和/或所述波导芯层于输出区的宽度由输入端向输出端的宽度呈增大趋势。
7.根据权利要求1至6任一权利要求所述的一种偏振滤波器，其特征在于：所述掺杂浓度的范围为1x1016/cm3～1x1023/cm3，所述掺杂的类型为N型掺杂或P型掺杂。
8.根据权利要求1至6任一权利要求所述的一种偏振滤波器，其特征在于：输出的波导为rib波导或ridge波导。
9.根据权利要求1至6任一权利要求所述的一种偏振滤波器，其特征在于：输出的波导为单模波导或多模波导。
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