CN113219587A - 一种基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅‑二氧化硅‑氮化硅结构的集成偏振分束器，包括输入波导、偏振分束波导、第一输出波导和第二输出波导，输入波导与偏振分束波导一端连接，偏振分束波导另一端分别与第一输出波导、第二输出波导连接，偏振分束波导是由下至上依次分布的硅‑二氧化硅‑氮化硅构成的三层结构，其中，位于偏振分束波导上部的氮化硅层与中部的二氧化硅层的宽度相同并小于下部的硅层。本发明的偏振分束波导中，TE模式主要分布在下部硅层，TM模式主要分布在中间二氧化硅层，使得两种模式分开传输，不同信道的干扰减小，大大提高了偏振消光比。
Description
技术领域
本发明涉及偏振分束器技术领域，具体涉及一种基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器。
背景技术
随着5G技术的逐步应用以及数据中心高速光互连的发展，大规模的光子集成成为未来发展的方向。近年来，基于绝缘体上硅（SOI）平台的光子集成回路开始获得广泛的关注和应用。主要得益于二氧化硅和硅之间超高折射率差的特性，SOI光波导器件能将光场很好的限制在芯层，因而能够实现亚微米尺寸的器件横截面以及小半径的波导弯曲。然而，基于SOI的光子集成系统对光的偏振态十分敏感，即对于传输光的横向电场（TE）和横向磁场（TM）模式会产生不同的响应，因此对光偏振态的控制和管理就相当重要。偏振分束器作为一种能够有效分离TE和TM模式的光学器件，在SOI集成光学系统中必不可少。为此，众多偏振分束器件方案被提出，包括定向耦合器型、多模干涉（MMI）型、光子晶体型、表面等离激元型等，其中MMI型偏振分束器由于结构简单，制造容差大，成为构造偏振分束器的主要结构之一。
然而，基于MMI的偏振分束器的长度一般决定于TE和TM偏振的自镜像长度的公倍数，因此这种器件的长度一般比较长，不利于大规模光子集成。因此，如何能够显著减小MMI偏振分束器件的尺寸是未来发展的目标。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器，包括输入波导、偏振分束波导、第一输出波导和第二输出波导，所述输入波导与偏振分束波导一端连接，所述偏振分束波导另一端分别与第一输出波导、第二输出波导连接，所述偏振分束波导是由下至上依次分布的硅-二氧化硅-氮化硅构成的三层结构，其中，位于偏振分束波导上部的氮化硅层与中部的二氧化硅层的宽度相同并小于下部的硅层。
进一步的，所述输入波导和第一输出波导是由下至上依次分布的硅-二氧化硅-氮化硅构成的三层结构，且与所述偏振分束波导的三层结构一一对应。
进一步的，所述氮化硅层、二氧化硅层以及硅层的一边垂直对准。
进一步的，所述硅层的厚度为80~180纳米，二氧化硅层的厚度为40-80纳米，氮化硅层的厚度为150~400纳米。
进一步的，所述第二输出波导是单层硅结构，呈S形弯曲形状，与所述偏振分束波导下部的硅层连接。
进一步的，还包括包层，所述包层包覆在输入波导、偏振分束波导、第一输出波导和第二输出波导外侧。
更进一步的，所述集成偏振分束器的底部设于二氧化硅衬底上。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所提供的集成偏振分束器的输入光信号中TE模式主要分布在偏振分束波导的下硅层，只有很少的光分布在二氧化硅层和氮化硅层。因此TE模式经过硅层的多模干涉，可在其自镜像长度处通过第二输出波导输出。而输入的TM模式主要分布在二氧化硅层，会保持在二氧化硅层传输并通过第一输出波导输出。因此偏振分束波导的长度只需要等于TE模式在硅层中的自镜像长度，不需要满足TE和TM模式自镜像长度的公倍数条件。因此，器件长度可大大缩小，提高器件的集成度。
2、本发明所提供的集成偏振分束器TE模式主要分布于下硅层，由于硅层较宽，因此存在高阶模式，多个模式发生多模干涉现象，会在交叉端口产生TE模的像并输出。而TM偏振主要分布于中间二氧化硅层，只存在基模，不会发生多模干涉，因此保持在直通端口传输。使得两种模式分开传输，不同信道的干扰减小，大大提高了偏振消光比。
3、本发明的器件兼容成熟的CMOS加工工艺，可实现与其他硅光子器件的单片集成，对于硅光子学的发展有着重要的意义。
附图说明
图1为本发明实施例中基于硅-二氧化硅-氮化硅的集成偏振分束器的俯视图；
图2为图1的A-A’向剖面图；
图3为本发明实施例中输入波导中TE模式基模的电场分布图；
图4为本发明实施例中输入波导中TM模式基模的电场分布图；
图5（a）~图5（c）分别为本发明实施例中偏振分束波导中TE模式的基模、一阶模和二阶模的电场分布图；
图6为本发明实施例中偏振分束波导中TM模式基模的电场分布图；
图7（a）与图7（b）分别为本发明实施例在TE和TM模式基模输入下的光场传输情况。
图中：100、输入波导；200、偏振分束波导；201、氮化硅层；202、二氧化硅层；203、硅层；300、第一输出波导；400、第二输出波导；500、包层；600、二氧化硅衬底。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明实施例提供了一种基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器，请参照图1、2，包括输入波导100、偏振分束波导200、第一输出波导300和第二输出波导400，输入波导100与偏振分束波导200一端连接，偏振分束波导200另一端分别与第一输出波导300、第二输出波导400连接，偏振分束波导200是由下至上依次分布的硅-二氧化硅-氮化硅构成的三层结构，其中，位于偏振分束波导200上部的氮化硅层201与中部的二氧化硅层202的宽度相同并小于下部的硅层203。氮化硅层201、二氧化硅层202以及硅层203的一边垂直对准。
本实施例的集成偏振分束器还包括包层500，包层500包覆在输入波导100、偏振分束波导200、第一输出波导300和第二输出波导400外侧，集成偏振分束器的底部设于二氧化硅衬底600上。
在本实施例中，输入波导100和第一输出波导300也是由下至上依次分布的硅-二氧化硅-氮化硅构成的三层结构，且与偏振分束波导200一一对应。第二输出波导400是单层硅结构，呈S形弯曲形状，与偏振分束波导200下部的硅层203对应，只能容纳基模。输入波导100、第一输出波导300和第二输出波导400的宽度相等，均为400nm，以保证单模传输。偏振分束波导200的硅层203宽度为1200nm，支持多个导波模式；二氧化硅层202和氮化硅层201的宽度均为400nm，与输入波导100和第一输出波导300相同。整个器件的硅层203、二氧化硅层202和氮化硅层201的高度分别为100nm、50nm和200nm。
在输入波导100中，由于材料边界处的高折射率差，垂直于边界的电场分量将出现不连续性，使得TE和TM偏振的模式分布与普通硅线波导完全不同。请参阅图3、4，其TE模式主要分布在硅层，而TM模式主要分布在中间的二氧化硅层202。因此，TE和TM模式天然地在不同材料层进行传输，具有不同的传播常数和有效折射率，利于实现两种偏振态的分离。
偏振分束波导200是在输入波导100的三层结构的基础上，增大最下层硅的宽度，形成硅层203、二氧化硅层202和氮化硅层201的三层结构。该结构能够承载3种TE偏振的导波模式，分别为TE0、TE1和TE2模，它们主要分布在硅层203区域，如图5（a）~图5（c）所示。而对于TM偏振，该结构只支持基模TM0，其模式主要分布在二氧化硅层202，如图6所示。
光信号在实施例所述的偏振分束器中的传输特征如下：包含TE和TM模式的输入信号从输入波导100中输入，TE模式主要分布在硅层203并传输进入偏振分束波导200。TE模式在偏振分束波导200中诱导出三个TE导模，并发生多模干涉现象。根据多模干涉原理，当偏振波导长度等于TE模式的拍长时，在交叉输出端会产生TE模的像，并通过第二输出波导400输出。
另一方面，TM模式在进入输入波导100时主要分布于二氧化硅层202，进入偏振分束波导200后诱导出TM基模，主要分布于二氧化硅层202。由于模式不匹配，TM基模不会与其他模式发生耦合，因此保持在二氧化硅层202传输，最终通过第一输出波导300输出。因此，TE和TM偏振态实现了有效的分离。由于第二输出波导400是一个S形波导，与第一输出波导300的间距逐渐增大，故两个波导中传输的模式不会互相耦合，使TE和TM模式各自具有很高的消光比。
图7（a）~图7（b）分别为TE和TM偏振模式在该实例中的传输情况。从输入波导100输入的TE偏振在偏振分束波导200中发生多模干涉效应，从交叉输出波导输出。从输入波导100输入的TM偏振在偏振分束波导200中保持单模传输，从直通输出波导输出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器，其特征在于：包括输入波导、偏振分束波导、第一输出波导和第二输出波导，所述输入波导与偏振分束波导一端连接，所述偏振分束波导另一端分别与第一输出波导、第二输出波导连接，所述偏振分束波导是由下至上依次分布的硅-二氧化硅-氮化硅构成的三层结构，其中，位于偏振分束波导上部的氮化硅层与中部的二氧化硅层的宽度相同并小于下部的硅层。
2.根据权利要求1所述的基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器，其特征在于：所述输入波导和第一输出波导是由下至上依次分布的硅-二氧化硅-氮化硅构成的三层结构，且与所述偏振分束波导的三层结构一一对应。
3.根据权利要求1所述的基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器，其特征在于：所述氮化硅层、二氧化硅层以及硅层的一边垂直对准。
4.根据权利要求1所述的基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器，其特征在于：所述硅层的厚度为80~180纳米，二氧化硅层的厚度为40-80纳米，氮化硅层的厚度为150~400纳米。
5.根据权利要求1所述的基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器，其特征在于：所述第二输出波导是单层硅结构，呈S形弯曲形状，与所述偏振分束波导下部的硅层连接。
6.根据权利要求1所述的基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器，其特征在于：还包括包层，所述包层包覆在输入波导、偏振分束波导、第一输出波导和第二输出波导外侧。
7.根据权利要求1所述的基于硅-二氧化硅-氮化硅结构的集成偏振分束器，其特征在于：所述集成偏振分束器的底部设于二氧化硅衬底上。
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|---|
| SUN, X等: "Compact and broadband polarization beam splitter based on a silicon nitride augmented low-index guiding structure", 《OPTICS LETTERS》 * |
| XIAOWEI GUAN等: "Extremely small polarization beam splitter based on a multimode interference coupler with a silicon hybrid plasmonic waveguide", 《OPTICS LETTERS》 * |
| YANG LIU 等: "Polarization beam splitter based on a silicon nitride–silica–silicon horizontal slot waveguide", 《OPTICS LETTERS》 * |
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