偏振分束器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学器件领域，特别是涉及一种偏振分束器。
【背景技术】
[0002] 随着人们对信息传输、处理速度要求的不断提高和多核计算时代的来临，基于金 属的电互连将会由于过热、延迟、电子干扰等缺陷成为发展瓶颈。而采用光互连来取代电互 连，可以有效解决这一难题。在光互连的具体实施方案中，硅基光互连以其无可比拟的成本 和技术优势成为首选。硅基光互连既能发挥光互连速度快、带宽大、抗干扰、功耗低等优点， 又能充分利用微电子工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等优势，其发展必将推动 新一代高性能计算机、光通信系统的发展，有着广阔的市场应用前景。
[0003] 在过去，硅基光互连的研究重点主要是在硅基上实现各种光功能性器件，如硅基 电泵浦激光器、电光调制器、光电探测器、波分复用器件及模分复用器件等。除了片上光互 连之外，其他形式的光互连不可避免地需要和外部世界连接。在现阶段的技术背景下，往往 采用光纤作为对外连接媒介。但是，一方面，光纤中的偏振态是随机的；另一方面，SOI波导 有着比传统集成光波导（如二氧化硅波导）大得多的材料折射率差，使得TE和TM模式的 有效折射率差别很大，造成器件性能对偏振态极其敏感。因此，如果不妥善解决器件性能 偏振敏感的问题，硅基光子学将只能局限于不与外界连接的研究状态，无法像传统集成光 学那样可以实现更加复杂的器件回路或者器件网络，更加无法实现光互连替代电互连的目 标。目前一种解决方案是针对每种器件专门设计其偏振不敏感的结构，但是，在偏振不敏感 优化尺寸下的器件一般情况下都不是性能最佳的，而且这些器件往往需要特殊的器件结构 和复杂的工艺控制，效果很难保证；另一个解决方案是采用方形波导，但此方案需要精确控 制尺寸，在工艺上很难实现，而且遇到耦合、弯曲等构型时依然是偏振敏感的。
[0004] 一种更加有效的方案是采用极化分集机制。从光纤耦合进入芯片的任意偏振的光 可以看成是TE和TM模式的线性叠加，这两个正交的分量在经过一个偏振分束器（1 X 2端 口）后，分别在不同的端口输出。而后续再经过一个偏振旋转器后，可以转化为同样的TE 模式。然后这两路光分别经过两个工作于TE模式的硅基功能器件，实现各种功能和信号处 理。输出的光再通过相反的过程将偏振态重新组合起来，在输出端由另外一根光纤接收。在 这样的机制下面，功能性器件全部工作于TE模式，外界偏振态不影响内部工作，因此极大 地降低了对功能器件的设计要求，显著地提高硅基光子器件在光互连、光通信等领域的可 行性和应用前景。
[0005] 上述极化分集机制的核心器件是偏振分束器。基于定向耦合器、多模干涉耦合器 和马赫-增德尔干涉仪的硅基偏振分束器已经于近期在理论和实验上被证明，但是这些器 件通常对波导宽度和长度有很严格的限制，使得器件对工艺要求很高，而且波长敏感。而基 于模式演化效应的偏振分束器的带宽较大，但是它的工艺比较复杂。
[0006] 目前硅光子业界关注的一个热点是100Gb/S相干光通信收发器，该模块要求偏振 分束器具有很大的带宽、稳定的工艺容差和CMOS工艺兼容的加工流程。
【发明内容】
[0007] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种偏振分束器，用于解 决现有技术中偏振分束器所存在的工艺要求高，且带宽较窄的问题。
[0008] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种偏振分束器，所述偏振分束器 至少包括：形成在SOI材料的顶层硅上的波导，所述波导至少包括第一级Y分支波导、第二 级Y分支波导、第三级Y分支波导，以及模式转化器；所述第二级Y分支波导包括第三分支 波导和第四分支波导；
[0009] 其中，所述模式转化器连接第一级Y分支波导的根波导和第二级Y分支波导的根 波导；所述第四分支波导连接所述第三级Y分支波导的根波导；
[0010] 所述第一级Y分支波导的根波导的宽度S1的取值范围为S1>1 μ m。
[0011] 优选地，所述第一级Y分支波导包括第一分支波导和第二分支波导，其中，所述第 二分支波导的宽度大于所述第一分支波导的宽度，所述第一分支波导的宽度W1的取值范 围为 330nm〈Wl〈490nm。
[0012] 优选地，所述第一级Y分支波导的长度L1的取值范围为Ll>100 μ m。
[0013] 优选地，所述第一分支波导和第二分支波导在远离所述第一级Y分支波导的根波 导的一端之间的距离G1的取值范围为Gl>2 μ m。
[0014] 优选地，所述第四分支波导的宽度大于所述第三分支波导的宽度，所述第三分支 波导的宽度W3的取值范围为250nm〈W3〈310nm。
[0015] 优选地，所述第二级Y分支波导的长度L3的取值范围为L3>100 μ m。
[0016] 优选地，所述第三分支波导和第四分支波导在远离所述第一级Y分支波导的根波 导的一端之间的距离G2的取值范围为G2>2 μ m。
[0017] 优选地，所述第四分支波导的宽度等于所述第三级Y分支波导的根波导的宽度。
[0018] 优选地，所述第三级Υ分支波导包括第五分支波导和第六分支波导，所述第六 分支波导的宽度大于所述第五分支波导的宽度，所述第五分支波导的宽度W4的范围为 290nm〈W4〈350nm。
[0019] 优选地，所述第五分支波导和第六分支波导远离所述第三级Y分支波导的根波导 的两端之间的距离G3为3 μ m>G3>l μ m。
[0020] 优选地，所述模式转化器的两端的宽度分别与所连接的第一级Y分支波导的根波 导或者第二级Υ分支波导的根波导的宽度相同。
[0021] 优选地，所述第一级Υ分支波导的根波导的宽度S1小于或等于所述第二级Υ分支 波导的根波导的宽度S2。
[0022] 优选地，所述模式转化器的长度L2的范围为0 μ m〈L2〈50 μ m。
[0023] 优选地，进入所述偏振分束器的光的波长范围为1. 25 μ m~1. 75 μ m。
[0024] 如上所述，本发明的偏振分束器，具有以下有益效果：
[0025] 1、因为非对称Y分支波导的模式分配就是宽带的，可以工作在上百到几百个纳米 的波长范围内。本发明的实施例中提供的偏振分束器中利用了三个非对称Y分支波导级 联，利用了非对称Y分支波导的宽带特性，解决了传统偏振分束器带宽较窄（传统偏振分束 器带宽通常只有几十纳米）的缺点。
[0026] 2、本发明的实施例中提供的偏振分束器加工工艺比较简单，本领域技术人员皆能 理解，本发明提供的偏振分束器利用常规的CMOS工艺就可以实现。
【附图说明】
[0027] 图1显示为本发明的实施例中提供的偏振分束器的俯视图的示意图。
[0028] 图2显示为图1中所示的偏振分束器在AA'位置的器件横截面示意图。
[0029] 图3显示为图1中所示的偏振分束器在BB'位置的器件横截面示意图
[0030] 图4显示为图1中所示的偏振分束器在CC'位置的器件横截面示意图
[0031] 图5显示为图1中所示的偏振分束器在DD'位置的器件横截面示意图
[0032] 图6显示为图1中所示的偏振分束器在EE'位置的器件横截面示意图
[0033] 元件标号说明
[0034]
[0035]
【具体实施方式】
[0036] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0037] 请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明 本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其 组件布局型态也可能更为复杂。
[0038] 参考图1至图6所示，本实施例中提供的偏振分束器为形成在SOI材料上，所述波 导部分（图1中标号100、102、103、104所在部分）形成在顶层娃中，顶层娃的厚度H1的范 围为200nm~500nm，二氧化硅上包层105厚度C1的范围1 μ m~5 μ m，二氧化硅下包层 106厚度C2的范围为Ιμπι~5μπι。其中，顶层硅的厚度H1和二氧化硅下包层C2的取值 由市场上售卖的各种规格的SOI圆片材料决定，二氧化硅上包层105是由化学气相沉积工 艺形成，其厚度C1是根据形成所述化学气相沉积工艺进行的条件决定的。
[0039] 如图1所示，整个硅基偏振旋转器分成四个部分，包括形成在SOI材料的顶层硅上 的波导，所述波导至少包括由AA'到BB'之间的第一级Y分支波导100、CC'到DD'之间的 第二级Y分支波导102、从DD'至lj EE'之间的第三级Y分支波导103,以及BB'至lj CC'之间 的模式转化器101。
[0040] 所述第一级Y分支波导包括宽度为W1的第一分支波导和宽度为W2的第二分支波 导，所述第二级Y分支波导包括宽度为W3的第三分支波导和宽度为S3的第四分支波导；所 述第三级Y分支波导包括宽度为W4的第五分支波导和宽度为W5的第六分支波导。
[0041] 所述模式转化器101连接第一级Y分支波导的根波导和第二级Y分支波导的根波 导；宽度为S3的所述第四分支波导连接所述第三级Y分支波导的根波导。
[0042] 具体的，本实施例提供的所述偏振分束器如下所述：
[0043] 在图1中所示的AA'到BB'之间为第一级Y分支波导的第一分支波导和第二分支 波导。第一分支波导和第二分支波导从AA'线处起始，作为整个偏振分束器的入口，在BB' 处汇合为根波导。所述第一级Y分支波导的根波导的宽度为S1，取值范围为S1>1 μ m。所 述第一分支波导的宽度W1的取值范围为330nm〈Wl〈490nm。所述第一级Y分支波导的长度 L1的取值范围为Ll>100 μ m。所述第一分支波导和第二分支波导在远离所述第一级Υ分支 波导的根波导的一端之间的距离G1的取值范围为Gl>2 μ m。
[0044] 在图1所示的BB'到CC'之间为所述模式转化器101。所述模式转化器的两端的 宽度分别与所连接的第一级Y分支波导的根波导或者第二级Y分支波导的根波导的宽度相 同。优选的，所述第一级Y分支波导的根波导的宽度S1小于或等于所述第二级Y分支波导 的根波导的宽度S2。所述模式转化器的长度L2的范围为0 μ m〈L2〈50 μ m。所述第二级Y 分支波导的长度L3的取值范围为L3>100 μ m。
[0045] 在图1所示的CC'到DD'之间为所述第二级Y分支波导，其包括从CC'处的根波 导开始分叉的第四分支波导和第三