一种基于模式混合原理的w型硅基槽式片上偏振旋转器
阅读说明：本技术 一种基于模式混合原理的w型硅基槽式片上偏振旋转器 (W-shaped silicon groove type on-chip polarization rotator based on mode mixing principle ) 是由 惠战强 攀登 文习建 于 2020-12-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于模式混合原理的W型硅基槽式片上偏振旋转器,属于光纤通信技术领域。该偏振旋转器包括：衬底,衬底由二氧化硅组成,在衬底的顶部设置有一段条形波导,形成偏振旋转区域；条形波导包括：W型沟槽波导、左侧阶梯型波导和右侧阶梯型波导,左侧阶梯型波导和右侧阶梯型波导分别连接在W型沟槽波导的两侧；W型沟槽波导由二氧化硅组成,左侧阶梯型波导和右侧阶梯型波导均由材料硅组成。在本发明中的偏振旋转器在300nm(1400nm-1700nm)波长范围内,对于入射光(TE/TM基模)在全波段范围内插入损耗IL＜0.4dB,模式光从input端口输入,从output端口输出,同时偏振旋转效率PCE在全波段范围内高于98.6％,1550nm中心波长处IL小于0.23dB,PCE高于99.96％。(The invention discloses a W-shaped silicon-based groove type on-chip polarization rotator based on a mode mixing principle, and belongs to the technical field of optical fiber communication. The polarization rotator includes: the substrate consists of silicon dioxide, a section of strip waveguide is arranged at the top of the substrate to form a polarization rotation area; the strip waveguide includes: the waveguide structure comprises a W-shaped groove waveguide, a left stepped waveguide and a right stepped waveguide, wherein the left stepped waveguide and the right stepped waveguide are respectively connected to two sides of the W-shaped groove waveguide; the W-shaped groove waveguide is composed of silicon dioxide, and the left stepped waveguide and the right stepped waveguide are both composed of silicon. In the invention, the polarization rotator has the insertion loss IL of less than 0.4dB in the whole wave band range for incident light (TE/TM fundamental mode) in the wavelength range of 300nm (1400nm-1700nm), mode light is input from an input port and output from an output port, meanwhile, the polarization rotation efficiency PCE is higher than 98.6% in the whole wave band range, IL is less than 0.23dB at the central wavelength of 1550nm, and PCE is higher than 99.96%.)
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种基于模式混合原理的W型硅基槽式片上偏振旋转器。
背景技术
兼容CMOS(CMOS，complementary metal-oxide-semiconductor)工艺的硅光子器件在过去数十年间受到了广泛的关注，其中基于SOI(Silicon-on-insulator)平台的光子集成波导(PIC)在科研领域占据了主导地位。SOI材料的高折射率差以及亚微米级结构导致基于SOI的PIC器件具有非常高的双折射，引起了偏振相关损耗及偏振模色散，限制了SOI器件在光通信方向的应用。针对这个问题目前最有效的解决方案是引入偏振多样性系统，来降低硅基光子器件的偏振敏感性，使其对任意的偏振光都具有较好的性能，偏振多样性系统一般由偏振旋转器(PR)和偏振光分束器(PBS)组成。
当前实现偏振旋转器(PR)的原理可分为模式演变型、模式耦合型、模式混合型三种。
模式演变型偏振旋转器(PR)主要是通过波导结构的逐渐变化来实现偏振面的逐步旋转，由于结构中会出现一部分尖的边缘，实际工艺当中由于刻蚀精度等原因往往出现较大偏差，使得最终的性能参数与仿真结果差距较大，同时模式演变器件尺寸往往比较大，难以集成。模式耦合型偏振旋转器(PR)往往是通过定向耦合器来实现，当一个波导中的TE模和另外一个波导中的TM模有效折射率相同时，相位匹配条件满足，波导之间的模式就会发生耦合，从而实现旋转，然而这种耦合器件长度往往较大，且对波长敏感，就会导致器件带宽低同时难以集成。
模式混合型偏振旋转器(PR)是通过打破截面对称性使得波导中的传输模式从单一模式变为混合模式，从而当TE模或TM模光入射时，就会使得能量在不对称截面波导中的两个基模中振荡，通过模式之间的干涉，实现偏振旋转。所以实现这种原理的关键点在于设计不对称的截面波导，目前实现不对称截面的方案中大部分是通过硅材料与其他材料混合来实现截面的不对称性从而达到偏振旋转的目的。但由于制造工艺的限制，大部分不对称截面的波导制作难度都比较大，且容差较低，导致制作成本增加，实际效果不理想。
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模式混合原理的W型硅基槽式片上偏振旋转器。所述偏振旋转器包括：衬底，所述衬底由二氧化硅组成，在所述衬底的顶部设置有一段条形波导，形成偏振旋转区域；所述条形波导包括：W型沟槽波导、左侧阶梯型波导和右侧阶梯型波导，所述左侧阶梯型波导和所述右侧阶梯型波导分别连接在所述W型沟槽波导的两侧；所述W型沟槽波导由二氧化硅组成，所述左侧阶梯型波导和所述右侧阶梯型波导均由材料硅组成。
进一步地，在所述左侧阶梯型波导和所述右侧阶梯型波导外以空气为媒介包裹所述条形波导。
进一步地，所述W型沟槽波导包括：第一波导、第二波导、第三波导和第四波导；所述第一波导沿Y轴垂直分布，所述第二波导与所述第一波导的底部连接，且与所述第一波导垂直；所述第三波导与所述第二波导远离所述第一波导的一端连接，且与所述第二波导垂直；所述第四波导与所述第三波导远离所述第二波导的一端连接，且与所述第三波导垂直。
进一步地，所述衬底由二氧化硅组成，其在1550nm波长下二氧化硅的折射率为nSiO2＝1.445。
进一步地，所述W型沟槽波导由二氧化硅组成，其在1550nm波长下二氧化硅的折射率为nSiO2＝1.445；所述左侧阶梯型波导和所述右侧阶梯型波导均由材料硅组成，其在1550nm波长下硅的折射率为nSi＝3.455。
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，沿传输方向长度为LC＝4.3um。
进一步地，所述左侧阶梯型波导顶部的宽度为W1＝135nm；所述左侧阶梯型波导与所述第二波导连接位置的宽度为W2＝120nm；所述左侧阶梯型波导与所述第三波导连接位置的宽度高度为H2＝105nm；所述左侧阶梯型波导处于所述第四波导一侧的高度为H3＝150nm。
进一步地，所述右侧阶梯型波导与所述第一波导接触的位置的高度为H1＝100nm；所述右侧阶梯型波导与所述第四波导接触位置的宽度W3＝100nm。
进一步地，所述第一波导的宽度为g1＝40nm，所述第四波导的宽度为g2＝25nm。
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，基于标准的SOI晶元结构，衬底为二氧化硅波导，上面是一段由二氧化硅制成的W型沟槽波导与材料硅制成的左侧阶梯型波导和右侧阶梯型波导阶梯波导组成的条形波导；该结构组成了W型硅基槽式片上偏振旋转器，从而得到在300nm(1400nm-1700nm)波长范围内，对于入射光(TE/TM基模)在全波段范围内插入损耗IL＜0.4dB，模式光从input端口输入，从output端口输出，同时偏振旋转效率PCE在全波段范围内高于98.6％，1550nm中心波长处IL小于0.23dB，PCE高于99.96％。另外，通过公差分析得出，当该偏振旋转器该耦合区参数偏离±10nm时，该偏振旋转器在300nm带宽内保持了较高的偏振旋转效率(PCE＞98％)和较低的插入损耗(IL＜0.43dB)，制作公差大，且偏振旋转器结构简单，工艺可行性高，在片上光子集成领域具有潜在的应用价值。
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模式混合原理的W型硅基槽式片上偏振旋转器的结构示意图；
图2是本发明提供的一种基于模式混合原理的W型硅基槽式片上偏振旋转器的横截面图；
图3是本发明提供的一种W型沟槽波导的结构示意图；
图4是本发明提供的分别为两种最低阶混合模式TE0和TM0在横截面的模场分布图；
图5是本发明提供的分别输入TE0和TM0模式时的偏振旋转过程图；
图6是本发明提供的是使用模式扩展的方法(eigenmode expansion，EME)计算波导中的光传播特性，对输入TE0模式转换为输出端TM0模式的情况，计算偏振转换效率以及插入损耗随耦合长度LC和入射光波长λ变化图；
图7中，(a)、(b)分别为当输入TE0模式时Ex与Ey的光电场分量传输分布图，(c)、(d)分别为当输入TM0模式时Ey与Ex的光电场分量传输分布图。
图8中，(a)、(b)分别为输入TE0模式和TM0模式时该偏振旋转器的插入损耗与偏振转换效率曲线图。
图9中，(a)-(d)是对ΔW1＝±10nm公差分析中分别输入TE0与TM0时的透射率曲线图，(e)-(h)是对ΔW1＝±10nm公差分析中分别输入TE0与TM0时的插入损耗与偏振旋转效率曲线图。
图10中，(a)-(d)是对ΔH3＝±10nm公差分析中分别输入TE0与TM0时的透射率曲线图，(e)-(h)是对ΔH3＝±10nm公差分析中分别输入TE0与TM0时的插入损耗与偏振旋转效率曲线图。
图11中，(a)-(d)是对ΔW2＝±8nm公差分析中分别输入TE0与TM0时的透射率曲线图，(e)-(h)是对ΔW2＝±8nm公差分析中分别输入TE0与TM0时的插入损耗与偏振旋转效率曲线图。
图12中，(a)-(d)是对ΔH2＝±8nm公差分析中分别输入TE0与TM0时的透射率曲线图，(e)-(h)是对ΔH2＝±8nm公差分析中分别输入TE0与TM0时的插入损耗与偏振旋转效率曲线图。
附图标记：1-衬底；2-条形波导；3-W型沟槽波导；4-左侧阶梯型波导；5-右侧阶梯型波导；6-第一波导；7-第二波导；8-第三波导；9-第四波导。
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。
需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本发明所使用的的术语“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的。
除非另有定义，本发明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。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例目的，不是旨在于限定本发明。
图1是本发明提供的一种基于模式混合原理的W型硅基槽式片上偏振旋转器的结构示意图；图2是本发明提供的一种基于模式混合原理的W型硅基槽式片上偏振旋转器的横截面图。参见图1-2，该偏振旋转器包括：衬底1，衬底1由二氧化硅组成，在衬底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包括：W型沟槽波导3、左侧阶梯型波导4和右侧阶梯型波导5，左侧阶梯型波导4和右侧阶梯型波导5分别连接在W型沟槽波导3的两侧；W型沟槽波导3由二氧化硅组成，左侧阶梯型波导4和右侧阶梯型波导5均由材料硅组成。
需要说明的是，偏振旋转器因具备实现不同模式间的相互转换而受到关注，它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。因此，偏振旋转器在光子集成回路，偏分复用相干光通信，量子通信中存在着广泛的应用。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基于一般级联结构使得偏振旋转器结构较为复杂，导致制造成本增加。故而发明提出了一种基于模式混合原理的W型硅基槽式片上偏振旋转器，不仅可以将输入光信号TE0转化为TM0模式输出，并且也可以将TM0模式转换为TE0模式输出的一种有效方案。当TE0/TM0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TM0/TE0模式。
另外，图4是本发明提供的分别为两种最低阶混合模式TE0和TM0在横截面的模场分布图；其中TE0模式主要限制W型沟槽波导中，TM0模式主要分布于左侧阶梯型波导4中，两种模式各占50％。如图4(a)，当TE0偏振态的光输入时，两种模式几乎被同等激发，由于二者在不对称波导中具有不同的传输常数，因此在传输一定长度Lπ后就会实现90°的偏振旋转，从而使得TE0模式转换成TM0模式。TM0输入时的机理与TE0类似。
图5是本发明提供的分别输入TE0和TM0模式时的偏振旋转过程。其中S1与S2分别为该结构中存在的两个混合模式。由于横截面的不对称性，输入TE0或TM 0模式时，光波导中产生混合光模式。需要通过合理设计横截面的尺寸，使得产生的两种混合模式偏振态S1、S2与x轴和y轴分别成45°角，即每一个混合模式中的横向电场分量和横向磁场分量都相同，使得TE0模和TM0模充分混合，从而可以实现偏振旋转功能。
进一步地，在左侧阶梯型波导4和右侧阶梯型波导5外以空气为媒介包裹条形波导2。为了增大该偏振旋转器垂直方向的折射率不对称，使用空气作为包层即nAir＝1。
进一步地，参见图3，W型沟槽波导3包括：第一波导6、第二波导7、第三波导8和第四波导9；第一波导6沿Y轴垂直分布，第二波导7与第一波导6的底部连接，且与第一波导6垂直；第三波导8与第二波导7远离第一波导6的一端连接，且与第二波导7垂直；第四波导9与第三波导8远离第二波导7的一端连接，且与第三波导8垂直。
进一步地，衬底1由二氧化硅组成，其在1550nm波长下二氧化硅的折射率为nSiO2＝1.445。
进一步地，W型沟槽波导3由二氧化硅组成，其在1550nm波长下二氧化硅的折射率为nSiO2＝1.445；左侧阶梯型波导4和右侧阶梯型波导5均由材料硅组成，其在1550nm波长下硅的折射率为nSi＝3.455。
进一步地，衬底1的厚度为2μm。
进一步地，条形波导2的厚度H＝400nm，宽度W＝400nm，沿传输方向长度为LC＝4.3um。
进一步地，左侧阶梯型波导4顶部的宽度为W1＝135nm；左侧阶梯型波导4与第二波导7连接位置的宽度为W2＝120nm；左侧阶梯型波导4与第三波导8连接位置的宽度高度为H2＝105nm；左侧阶梯型波导4处于第四波导9一侧的高度为H3＝150nm。
进一步地，右侧阶梯型波导5与第一波导6接触的位置的高度为H1＝100nm；右侧阶梯型波导5与第四波导9接触位置的宽度W3＝100nm。
进一步地，第一波导6的宽度为g1＝40nm，第四波导9的宽度为g2＝25nm。
需要说明的是，图6使用模式扩展的方法(eigenmode expansion，EME)计算波导中的光传播特性，对输入TE0模式转换为输出端TM0模式的情况，计算了随耦合长度Lc和入射光波长λ变化的偏振转换效率。图4中(a)给出了在此条件下分析了插入损耗随旋转区长度LC及入射光波长λ的变化，从中可以看出随着LC的增长该偏振旋转器工作波段从短波长向长波长移动，为尽可能提高1400nm-1700nm间输入TE0模式的转换效率，此处选择Lc＝4.3μm。同理，图4(b)中给出了在此条件下分析了偏振转换效率随随旋转区长度LC及入射光波长λ的变化。其表明该偏振旋转器的旋转区长度度在4.3um±100nm时对于转换效率的影响较小，超出后对性能影响较为严重，因此选择该偏振旋转器的旋转区长度Lc＝4.3μm，由此得到定义该偏振旋转器所有结构参数：H＝W＝400nm，W1＝135nm，W2＝120nm，W3＝100nm，H1＝100nm，H2＝105nm，H3＝150nm，g1＝40nm，g2＝25nm，偏振旋转长度LC＝4.3μm。在以上参数设置下，该偏振旋转器可实现在较宽(300nm)的工作波段内可同时实现将输入偏振光TE0转换为TM0和将输入偏振光TM0转换为TE0模式输出。在300nm的带宽内插入损耗均较低，偏振转换效率较优。公差分析表明该偏振旋转器在当前光纤通信的E到U波段内仍具有较高的工作性能。
图7中，(a)、(b)分别为当输入TE0模式时Ex与Ey的光电场分量传输分布图，由图可以看出光电场分量Ex随着在旋转区传输距离的增加逐渐减弱直至消失，而光电场分量Ey逐渐增加至最强。(c)、(d)分别为当输入TM0模式时Ey与Ex的光电场分量传输分布图，由图可以看出光电场分量Ey随着在旋转区传输距离的增加逐渐减弱直至消失，而光电场分量Ex逐渐增加至最强。由图7可以得出无论输入的是TE0模还是TM0模式，该偏振旋转器都保持了较好的偏振旋转性，证明了该偏振旋转器良好的互易性。输出端光场强度也证明了之前的高偏振转换效率。
图8中，(a)、(b)分别为输入TE0模式和TM0模式时该偏振旋转器的插入损耗与偏振转换效率。可以看出无论输入TE0或TM0模式，该偏振旋转器的转换效率在1400nm-1700nm波长范围内始终高于98.6％，在中心波长1550nm处高达99.96％以上，插入损耗低于0.4dB，中心波长1550nm处的插入损耗仅有0.23dB。
现代DUV光刻工艺普遍可以达到片内线宽平整度优于0.6nm，片上线宽平整度优于2.6nm，200mm SOI晶元内部非均匀性小于1％，由此选择宽度方向公差最大值为宽度的1％，高度方向公差最大为10nm。
图9中，(a)、(b)为W1的制造公差ΔW1＝±10nm时，输入TE0模式时输出端TE0与TM0模式的透过率，(c)、(d)为ΔW1＝±10nm时，输入TM0模式时输出端TE0与TM0模式的透过率。从(a)、(b)可以看出当ΔW1＝±10nm输入TE0模式，在1400nm-1700nm波长范围内输出端TE0模式的透过率小于-15dB；而当输入TM0模式，输出端TM0模式的透过率小于-15dB。(e)、(g)为ΔW1＝+10nm时分别输入TE0和TM0模式的偏振转换效率(PCE)与插入损耗(IL)，(f)、(h)为ΔW1＝-10nm时分别输入TE0和TM0模式的偏振转换效率(PCE)与插入损耗(IL)。可以看出ΔW1＝+10nm时，两种模式在1400-1700nm波长范围内的PCE＞98.5％，IL＜0.45dB，ΔW1＝-10nm在1400-1700nm波长范围内的PCE＞97.8％，IL＜0.4dB。
图10中，(a)、(b)为H3的制造公差ΔH3＝±8nm时，输入TE0模式时输出端TE0与TM0模式的透过率，(c)、(d)为ΔH3＝±8nm时，输入TM0模式时输出端TE0与TM0模式的透过率。从(a)、(b)可以看出当ΔH3＝±8nm输入TE0模式，在1400nm-1700nm波长范围内输出端TE0模式的透过率小于-15dB；而当输入TM0模式输出端TM0模式的透过率小于-15dB。(e)、(g)为ΔH3＝+8nm时分别输入TE0和TM0模式的偏振转换效率(PCE)与插入损耗(IL)，(f)、(h)为ΔH3＝-8nm时分别输入TE0和TM0模式的偏振转换效率(PCE)与插入损耗(IL)。可以看出ΔH3＝+8nm时，TE0模式在1400nm-1700nm波长范围内的PCE＞97％，IL＜0.45dB，TM0模式在的PCE＞96.5％，IL＜0.45dB，ΔH3＝-8nm时两种模式在1400nm-1700nm波长范围内的PCE＞98.5％，IL＜0.42dB。
图11中，(a)、(b)为W2的制造公差ΔW2＝±8nm时，输入TE0模式时输出端TE0与TM0模式的透过率，(c)、(d)为ΔW2＝±8nm时，输入TM0模式时输出端TE0与TM0模式的透过率。从(a)、(b)可以看出当ΔW2＝±8nm输入TE0模式，在1400nm-1700nm波长范围内输出端0TE0模式的透过率小于-15dB；而当输入TM0模式输出端TM0模式的透过率小于-15dB。(e)、(g)为ΔW2＝+8nm时分别输入TE0和TM0模式的偏振转换效率(PCE)与插入损耗(IL)，(f)、(h)为ΔW2＝-8nm时分别输入TE0和TM0模式的偏振转换效率(PCE)与插入损耗(IL)。可以看出ΔW2＝+8nm时，TE0模式在1400nm-1700nm波长范围内的PCE＞97.5％，IL＜0.42dB，TM0模式在的PCE＞96.5％，IL＜0.45dB，ΔW2＝-8nm时两种模式的PCE＞98.6％，IL＜0.4dB。
图12中，(a)、(b)为H2的制造公差ΔH2＝±8nm时，输入TE0模式时输出端TE0与TM0模式的透过率，(c)、(d)为ΔH2＝±8nm时，输入TM0模式时输出端TE0与TM0模式的透过率。从(a)、(b)可以看出当ΔH2＝±8nm输入TE0模式，在1400nm-1700nm波长范围内输出端0TE0模式的透过率小于-15dB；而当输入TM0模式输出端TM0模式的透过率小于-15dB。(e)、(g)为ΔH2＝+8nm时分别输入TE0和TM0模式的偏振转换效率(PCE)与插入损耗(IL)，(f)、(h)为ΔH2＝-8nm时分别输入TE0和TM0模式的偏振转换效率(PCE)与插入损耗(IL)。可以看出ΔW2＝+8nm时，两种模式在1400nm-1700nm波长范围内的PCE＞97.3％，IL＜0.42dB；ΔH2＝-8nm时TE0模式的PCE＞98.5％，IL＜0.4dB，TM0模式的PCE＞97.6％，IL＜0.42dB。
值得说明的是，在本发明中，基于标准的SOI晶元结构，衬底为二氧化硅波导，上面是一段由二氧化硅制成的W型沟槽波导与材料硅制成的左侧阶梯型波导和右侧阶梯型波导阶梯波导组成的条形波导；该结构组成了W型硅基槽式片上偏振旋转器，从而得到在300nm(1400nm-1700nm)波长范围内，对于入射光(TE/TM基模)在全波段范围内插入损耗IL＜0.4dB，模式光从input端口输入，从output端口输出，同时偏振旋转效率PCE在全波段范围内高于98.6％，1550nm中心波长处IL小于0.23dB，PCE高于99.96％。另外，当该偏振旋转器耦合区域结构参数偏离±10nm时，该偏振旋转器在较宽的波段内(1400nm-1700nm)保持了较高的偏振转换效率和较低的插入损耗PCE＞98.6％(IL<0.4dB)，且结构简单，工艺可行性高。
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。
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