CN118033817A - 基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器 - Google Patents
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Abstract
一种基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，包括：衬底以及依次设置于其上的掩埋氧化硅层、碳化硅层和设置于碳化硅层上的能够同时传播TE模和TM模的硅波导，该硅波导包括：一个绝热锥度结构和一个非对称定向耦合器，其中：绝热锥度结构在输入端为单模结构，而在另一端为多模结构。本发明通过将光模场局限在碳化硅中使得其优良的光电学特性得以利用在传输过程，利用碳化硅材料的优良特性克服传统硅的部分限制，通过离子切割和层转移技术制备，无需离子注入工艺且与CMOS兼容，制备过程较简单。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种集成光子领域的技术，具体是一种基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器。
背景技术
在集成光路中，为了实现超宽的工作带宽和较小的传输损耗，需要设计结构尺寸紧凑、耦合效率高的光器件，其中一类重要的器件是偏振分束旋转器。偏振分束旋转器(PSR)结合了偏振分束器和偏振旋转器的功能，能够分离两个偏振，并同时将其中一个偏振转换为另一个偏振。它作为一种具有紧凑占用空间的偏振管理设备引起了广泛关注。为充分利用不同材料的特性，设计制备高性能光电子集成器件，集成光子学领域一直在寻找新材料平台，该平台需要与硅基CMOS工艺兼容，同时应具备低损耗、高折射率差、高非线性系数、高功率耐受性等特性。当前多种材料被发展，其中SiC符合上述所有的光子学特性，因此SiC被认为是一个极具潜力的新型光子平台。
发明内容
本发明针对现有技术无法控制光模场在SiC层中的占比以及需要离子注入来引入非线性的不足，提出一种基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，通过将光模场局限在碳化硅中使得其优良的光电学特性得以利用在传输过程，利用碳化硅材料的优良特性克服传统硅的部分限制，通过离子切割和层转移技术制备，无需离子注入工艺且与CMOS兼容，制备过程较简单。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：衬底以及依次设置于其上的掩埋氧化硅层、碳化硅层和设置于碳化硅层上的能够同时传播TE模和TM模的硅波导，该硅波导包括：一个绝热锥度结构和一个非对称定向耦合器，其中：绝热锥度结构在输入端(w0)为单模结构，而在另一端(w3)为多模结构。
所述的绝热锥度结构的长度应该足够长，以使模态进行绝热转换。
所述的片上集成偏振分束旋转器的上包层为二氧化硅，n＝1.445。
所述的衬底和硅波导的折射率为n1≈3.42，碳化硅材料的折射率n2≈2.57。
所述的碳化硅层厚度为500nm保持恒定，硅层厚度可根据不同需求而沉积不同厚度，硅层厚度改变导致光模场局域在碳化硅层的比例值改变，具体改变情况为：光模场局域在碳化硅层的比例随硅厚度增加而减小。
技术效果
本发明充分利用碳化硅材料的优良特性，通过离子切割和层转移技术制备，无需离子注入工艺，克服传统硅的部分限制，并且与微电子CMOS工艺相兼容，制备过程较简单。本发明利用绝热锥度和非对称定向耦合器的结构来实现极化处理功能；TE和TM偏振光被分离，而TM基模也被转换为TE基模。在1520-1600nm的带宽范围内，TE通端口输出插入损耗小于-0.5dB，消光比高于27dB；在1525-1600nm的带宽范围内，TM交叉端口输出插入损耗小于-2dB，消光比高于13dB。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：a为立体图；b为俯视图；
图2为纳米线在波导的芯宽变化时的有效指数图像；
图3为本发明仿真光传播图；
图中：a为TE模，b为TM模；
图4为本发明分别输入TE0与TM0的体现波长依赖性的插入损耗图像；
图中：a为TE模，b为TM模。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种可以在SiCOI平台上加工实现的基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，包括：硅衬底4、掩埋氧化硅层3、碳化硅层2、一个绝热锥度结构102和一个非对称定向耦合器101构成的波导1，其中：锥度结构在输入端(w0)为单模结构，而在另一端(w3)为多模结构。
所述的绝热锥度结构102的长度具体为28.025μm，以使模态进行绝热转换。
所述的片上集成偏振分束旋转器的上包层为二氧化硅，n＝1.445。
所述的绝热锥度结构102的两端的宽度(w0，w3)满足：w0小于1.075μm，w3大于1.075μm，使得TM基模与TE1模之间的模态转换发生在w＝1.075μm左右的区域。
优选地，通过设置较小的w0和较大的w3避免在锥度的输入部分和输出部分的模式杂化，本实施例中管采用w0＝0.6μm(小到可以单模)和w3＝1.35μm(远离模态耦合区域)。
所述的绝热锥度结构102为三段锥度结构，其中：第二段锥度较小以绝热的同时获得一个高效的模式转换，第二段锥度的端部宽度(w1和w2)在w＝1.075μm左右的区域中选择以实现模态耦合。
本实施例中采用w1＝1.005μm和w2＝1.145μm。
所述的硅-碳化硅结构混合波导折射率分布为n1≈3.42，n2≈2.57(其中n1为硅材料折射率，n2为碳化硅材料折射率)。
所述的硅-碳化硅结构混合波导既可传播TE模也可传播TM模。
所述的硅-碳化硅结构混合波导碳化硅层厚度为500nm保持恒定，硅层厚度可根据不同需求而沉积不同厚度，硅层厚度改变导致光模场局域在碳化硅层的比例值改变，具体改变情况为：光模场局域在碳化硅层的比例随硅厚度增加而减小。
经过具体实际实验，本实施通过以下方式实现上述偏振分束旋转器的偏振分束、旋转方法，包括以下步骤：
步骤1：设定仿真参数；
所述的SiCOI平台顶部的硅层厚度140nm，掩埋氧化物层厚度为3μm，二氧化硅顶部覆盖层厚度为1μm；w0＝0.6μm(小到可以单模)、w1＝1.005μm、w2＝1.145μm、w3＝
1.35μm(远离模态耦合区域)；相邻窄波导宽度选择w4＝0.6μm，Ltp1＝4μm、Ltp2＝22μm、间隙宽度为0.175μm、耦合长度Ldc＝22.23μm，第三个锥度长度由Ltp3＝Ltp1(w3-w2)/(w1-w0)给出。
步骤2：根据仿真参数，运行仿真得到仿真光传播图并计算插入损耗；
如图3所示，TM基模首先发生模式转变，由TM0模转换为TE1模，然后又在耦合区发生耦合，耦合到另一个窄光波导中并以TE基模从交叉端口输出，而TE基模是从通端口输出的，几乎没有任何耦合，实现偏振分束旋转器的偏振处理功能。
步骤3：改变仿真的参数，计算不同光波长下分别输入TE0与TM0的插入损耗，以得到本发明各参数的综合最优解；
如图4所示，在1520-1600nm的带宽范围内，TE通端口输出插入损耗小于-0.5dB，消光比高于27dB；在1525-1600nm的带宽范围内，TM交叉端口输出插入损耗小于-2dB，消光比高于13dB。
与现有技术相比，本发明通过离子切割和层转移技术制备硅-碳化硅异质集成波导，无需离子注入工艺，将光模场局域在碳化硅中使得其优良的光电学特性得以利用在传输过程中，碳化硅材料的优良特性可以克服传统硅的部分限制，并且与微电子CMOS工艺相兼容，制备过程较简单。
本发明利用绝热锥度和非对称定向耦合器的结构来实现极化处理功能；当光沿着锥度结构传播时，在窄端(w0)发射的TM基模被转换为在宽端(w3)发射的TE1模，因为它们之间存在模态杂化。然后将另一个窄光波导(w4)放置在宽波导(w3)附近，并形成一个非对称定向耦合器。通过使用这种非对称定向耦合器，然后将宽波导中的TE1模耦合到相邻窄波导的TE基模上。这样，将输入波导处的输入TM基模最终转换为非对称定向耦合器交叉端口处的TE基模输出。另一方面，输入TE偏振在通过绝热锥度结构时保持相同的偏振状态。在非对称定向耦合器的区域内，由于相位不匹配，宽波导中的TE基模不能与相邻的窄波导耦合。这样，TE和TM偏振光被分离，而TM基模也被转换为TE基模。在1520-1600nm的带宽范围内，TE通端口输出插入损耗小于-0.5dB，消光比高于27dB；在1525-1600nm的带宽范围内，TM交叉端口输出插入损耗小于-2dB，消光比高于13dB。与传统硅波导相比，本发明通过将光模场局域在碳化硅中使得其优良的光电学特性得以利用在传输过程中，碳化硅材料的优良特性可以克服传统硅的部分限制，并且与微电子CMOS工艺相兼容，制备过程较简单。
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 (6)
1.一种基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征在于，包括：衬底以及依次设置于其上的掩埋氧化硅层、碳化硅层和设置于碳化硅层上的能够同时传播TE模和TM模的硅波导，该硅波导包括：一个绝热锥度结构和一个非对称定向耦合器，其中：绝热锥度结构在输入端为单模结构，而在另一端为多模结构。
2.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征是，所述的片上集成偏振分束旋转器的上包层为二氧化硅，n＝1.445。
3.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征是，所述的衬底和硅波导的折射率为n1≈3.42，碳化硅材料的折射率n2≈2.57。
4.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征是，所述的碳化硅层厚度为500nm保持恒定，硅层厚度可根据不同需求而沉积不同厚度，硅层厚度改变导致光模场局域在碳化硅层的比例值改变，具体改变情况为：光模场局域在碳化硅层的比例随硅厚度增加而减小。
5.根据权利要求1所述的基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征是，所述的绝热锥度结构的两端的宽度(w0，w3)满足：w0小于1.075μm，w3大于1.075μm。
6.根据权利要求1或5所述的基于碳化硅片上集成的偏振分束旋转器，其特征是，所述的绝热锥度结构为三段锥度结构，其两端的宽度分别为w0＝0.6μm和w3＝1.35μm；第二段锥度的端部宽度(w1和w2)满足：w1＝1.005μm和w2＝1.145μm。
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