硅基多模式干涉仪的偏振分束器的制作方法

本实用新型涉及光子宽带通信装置。更具体地，本实用新型提供了一种紧凑的硅基偏振分束器。更具体地，提供了一种用于c波段的硅锥形多模式干涉仪(mmi)宽带偏振分束器(pbs)。

背景技术：

在过去的几十年里，宽带通信网络的使用激增。在早期的互联网中，流行的应用程序仅限于电子邮件、公告板，主要是信息和基于文本的网页浏览，传输的数据量通常相对较小。如今，互联网和移动应用程序需要大量带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。例如，像脸书这样的社交网络每天处理超过500tb的数据。由于对数据和数据传输的需求如此之高，需要改进现有的数据通信系统来满足这些需求。

大规模光子集成电路正变得非常有希望用于许多应用程序，包括下一代光网络、光互连、密集波分复用(dwdm)系统、相干收发器、片上实验室等。硅基光子集成电路也变得非常受欢迎，因为它们与成熟的cmos(互补金属氧化物半导体)技术兼容，具有出色的加工控制、低成本和大量加工。此外，绝缘体上硅(soi)广泛用作制造各种硅光子器件的基板。众所周知，soi波导通常对偏振非常敏感，因此包括偏振分束器在内的许多偏振处理装置已经成为偏振敏感硅光子电路中非常重要的部件。

例如，紧凑偏振分束器在soi基板上通过简单和高容差工艺制造，设计成易于与其他硅光子器件集成，成为在宽光谱范围(例如，c波段或o波段)内进行密集波分复用(dwdm)通信的关键部件。制造用于硅光子模块的硅基偏振分束器的现有方法主要是工艺不容忍、高反射损耗、带宽限制、与标准220nmsoi平台不兼容、太长而不能与其他硅光子器件集成。

技术实现要素：

本公开提供了一种制造pbs的方法以及一种与用于宽带dwdm通信系统的pbs集成的硅光子模块，尽管其他应用也是可能的。

在现代电气互连系统中，高速串行链路已经取代并行数据总线，并且由于cmos技术的发展，串行链路速度正在快速提高。遵循摩尔定律，互联网带宽几乎每两年翻一番。但是摩尔定律将在未来十年结束。标准的cmos硅晶体管将在5nm左右停止缩放。由于工艺扩展，互联网带宽将会稳定增长。但是互联网和移动应用程序不断需要大量带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。本公开描述了将通信带宽提高到摩尔定律之外的技术和方法。

在一个实施方式中，本实用新型提供了一种硅基多模式干涉仪的偏振分束器。包括硅基板；平面结构，形成在硅基板上，该平面结构是等腰梯形形状，该等腰梯形形状具有由两个锥形边连接的第一平行边和第二平行边。第一平行边和第二平行边沿着平分这对平行边的对称线分开的长度不大于100μm。该第一平行边具有第一宽度，该第一宽度大于该第二平行边的第二宽度；一对输入端口，耦合到第一平行边，该一对输入端口分别与等腰梯形形状的平面结构的两个锥形边边缘对齐。以及一对输出端口，耦合到第二平行边，该一对输出端口分别与两个锥形边边缘对齐。该平面结构被配置为经由一个输入端口接收在c波段中任何波长的输入光波并且被分成分别输出到该一对输出端口的横向电模式光波和横向磁模式光波。

根据本实用新型一个方面，该硅基板包括绝缘体上硅基板中的一定厚度的硅层。

根据本实用新型一个方面，该平面结构的厚度与该硅层具有220nm的相同厚度。

根据本实用新型一个方面，该平面结构包括硅基多模式干涉仪，该硅基多模式干涉仪是长度不大于80μm，第一宽度不大于5μm的等腰梯形形状。

根据本实用新型一个方面，该平面结构，是长度不大于70μm且第一宽度不大于4μm的等腰梯形形状。

根据本实用新型一个方面，该平面结构的长度不大于60μm，并且第一宽度不大于3μm。

该平面结构是长度不大于50μm且第一宽度为2μm的等腰梯形形状。

根据本实用新型一个方面，该平面结构被配置为以小于1db的功率损耗向该一对输出端口中的第一输出端口输出主要在c波段中的任何波长的te模式光波，该第一输出端口是相对于接收该输入光波的一个输入端口的交叉端口；并且以小于1db的功率损耗向该一对输出端口中的第二输出端口输出主要在该c波段中的任何波长的tm模式光波，该第二输出端口相对于接收该输入光波的输入端口是条形端口，其中，该一个输入端口是经由一个输入波导接收该输入光波的该一对输入端口中的一个，并且不接收该输入光波的另一输入端口被终止。

根据本实用新型一个方面，该第一输出端口处的该te模式光波包括该输入光波中的te模式的清晰自像，并且该第二输出端口处的该tm模式光波包括该输入光波中的tm模式的清晰自像。

根据本实用新型一个方面，该平面结构被配置为以大于-13db的功率损耗使到该第二输出端口的在c波段中的任何波长的te模式光波的输出减少，并且同时，以大于-20db的功率损耗使到该第一输出端口的在c波段中的任何波长的tm模式光波的输出减少。

根据本实用新型一个方面，该平面结构被配置为以大于-33db的功率损耗使c波段中的任何波长的te模式光波向该一个输入端口进行小幅的反射，并且以大于-59db的功率损耗使在c波段中的任何波长的tm模式光波向该一个输入端口进行小幅的反射。

根据本实用新型一个方面，一对输入端口/输出端口中的每一个包括锥形形状，该锥形形状具有与该第一平行边/第二平行边连接并与该第一宽度/第二宽度的末端或起点对齐的第一端口宽度和与相同宽度的硅波导连接的第二端口宽度，该第一端口宽度大于该第二端口宽度。

根据本实用新型一个方面，该第一端口宽度为0.7μm，该第二端口宽度为0.45μm。

硅基偏振分束器(pbs)的任何优点都可以通过本实用新型在soi平台上基于多模式干涉仪(mmi)来实现。作为一个示例，soi平台与cmos技术完全兼容，这基本上使制造pbs的工艺成为坚固的工艺，并且由于mmi结构，pbs本身可以制造得非常紧凑，具有放松的制造公差。全硅基pbs非常适合与其他硅光子器件灵活集成。具有低损耗、高消光比和紧凑尺寸的高性能允许pbs级联成两级，以提供更高的消光比。此外，还具有低偏振相关损耗，非常适合于在c波段中宽波长范围的偏振敏感dwdm通信系统。simmi基偏振分束器的类似设计应适用于o波段。

本实用新型在公开的基于soi基板上的锥形mmi结构的偏振分束器的背景下实现了这些和其他优点。通过参考说明书的后面部分和附图，可以进一步理解本实用新型的性质和优点。

附图说明

图1是根据本实用新型实施方式的硅基偏振分束器的简化俯视图；

图2是根据本实用新型实施方式的硅基偏振分束器中的te模式光波干涉图的示例图；

图3是根据本实用新型实施方式的硅基偏振分束器中的tm模式光波干涉图的示例图；

图4是根据本实用新型一些实施方式的偏振分束器的示意性功能图；

图5是根据本实用新型实施方式的通过偏振分束器的te模式和tm模式下从1530nm到1560nm的c波段中所有波长的光传输损耗的示例图；

图6是根据本实用新型实施方式的通过偏振分束器的交叉端口处的te模式和条形端口处的tm模式下从1530nm到1560nm的c波段中所有波长的详细传输损耗的示例图；

图7是根据本实用新型实施方式的偏振分束器中的te模式和tm模式下从1530nm到1560nm的c波段中所有波长的光反射损耗的示例图。

具体实施方式

本实用新型涉及光子宽带通信装置。更具体地，本实用新型提供了一种紧凑的硅基偏振分束器。更具体地，提供了一种用于c波段的硅锥形多模式干涉仪(mmi)宽带偏振分束器。此外，本公开提供了一种制造pbs的方法以及一种与用于宽带dwdm通信系统的pbs集成的硅光子模块，尽管其他应用也是可能的。

传统的基于与马赫-曾德尔干涉仪(mzi)组合的多模式干涉仪(mmi)的偏振分束器要求硅2x2mmi的偏振非敏感设计，这很难实现和处理高容差。还需要用于tm模式的平衡分离器，这在实际产品中是无法实现的。此外，传统的硅2x2mmi设计基于厚度大于350nm的厚硅层，并且不适用于在基于标准220nm绝缘体上硅(soi)平台的最新平面化光子工艺中工作。此外，传统的硅基2×2mmi的pbs的明显缺点是太长，而无法集成在紧凑的硅光子模块中。或者，现有的与mzi组合的硅基直接耦合器制作的pbs尺寸较大、带宽有限，不适合宽带通信应用。特别地，基于直接耦合器的pbs对临界尺寸非常敏感，导致非常难以忍受的制造工艺。

一方面，本公开提供了一种用于与硅光子模块集成的c波段中的硅基的、简单设计的多模式干涉仪偏振分束器(pbs)。基本上能够基于标准220nmsoi平台的cmos工艺制造出pbs。本实用新型的pbs的以下描述是为了使本领域普通技术人员能够制造和使用本实用新型，并将其包含到特定硅光子应用的环境中。对于本领域技术人员来说，各种修改以及在不同应用中的各种用途将是显而易见的，并且本文定义的一般原理可以应用于广泛的实施方式。因此，本实用新型不限于所呈现的实施方式，而是符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

读者的注意力集中在与本说明书同时提交的所有文件和文档上，这些文件和文档对公众开放，供检查本说明书，所有这些文件和文档的内容通过引用结合于此。除非另有明确说明，否则本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可以由服务于相同、等同或类似目的的替代特征来代替。因此，除非另有明确说明，所公开的每个特征仅是一系列一般等效或相似特征中的一个示例。

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图1是根据本实用新型实施方式的硅基偏振分束器的简化俯视图。该图仅仅是一个示例，不应过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替换和修改。如图所示，硅基偏振分束器100包括等腰梯形形状的平面结构10，该平面结构具有由两个锥形边103和104连接的第一平行边101和第二平行边102。第一平行边101和第二平行边102沿着平分这对平行边的对称线105隔开长度l。第一平行边101的第一宽度w1大于第二平行边102的第二宽度w2。可选地，平面结构10由硅制成。可选地，平面结构10形成在硅基板上。可选地，硅基板是绝缘体上硅(soi)基板。可选地，soi基板具有厚度为220nm的标准硅层。可选地，平面结构10由标准厚度为220nm的硅层制成。可选地，平面结构10通过与基于soi平台的cmos工艺完全兼容的工艺制成。可选地，长度l被限制为不大于100μm，或不大于70μm，或不大于50μm。可选地，第一宽度w1和第二宽度w2约为4μm或更小。可选地，第一宽度w1和第二宽度w2约为3μm或更小。可选地，第一宽度w1和第二宽度w2约为2μm或更小。

参考图1，硅基偏振分束器100包括分别与平面结构10的第一平行边101连接的第一对光学端口111和112，并且还包括分别与平面结构10的第二平行边102连接的另一对光学端口121和122。在该实施方式中，每个光学端口111或112的特征在于连接到第一平行边101的具有较长宽度的锥形形状，并且每个光学端口121或122的特征还在于具有连接到第二平行边102的较长端部的锥形形状。另外，相应的一个端口111或112与平面结构10的相应锥形边103或104边缘对齐。类似地，相应的一个端口121或122与平面结构10的相应锥形边103或104边缘对齐。参考图1，端口121是相对于端口112的交叉端口，而端口122是相对于端口112的条形端口。可选地，这两对光学端口中的每一对都由基于单个soi基板的同一cmos工艺同时制成。在一些实施方式中，平面结构10加上四个光学端口基于soi基板上的标准220nm硅层形成具有相同厚度的2x2多模式干涉仪(mmi)。鉴于先前提供的尺寸，在标准220nm厚度的soi平台下，mmi具有非常紧凑的尺寸。

参考图1，每个光端口111、112、121和122分别被配置为与硅波导131、132、141和142耦合。可选地，每个硅波导自然地从相应一个光学端口的较短端以锥形延伸，并且在soi基板上以相同的cmos工艺形成。在一个实施方式中，至少一个硅波导(例如，波导132)用于引导输入光波通过第一对光学端口中的一个(例如，用作输入端口的端口112)进入被配置为2x2mmi的平面结构10。在该实施方式中，输入光波是全偏振光波，并且在平面结构10内受到多模式散射。在该实施方式中，第一对光端口中的另一光端口111被终止(基本上没有从硅波导131接收任何光波)。在该实施方式中，第二对光学端口121和122中的两个将用作两个输出端口。在该实施方式中，端口121是相对于输入端口112的交叉端口，端口122是相对于输入端口112的条形端口。

图2是根据本实用新型实施方式的硅基偏振分束器中的te模式光波干涉图的示例图。该图仅仅是一个示例，不应过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替换和修改。如图所示，绘制了限制在平面结构内的横向电(te)模式光波的散射/干涉强度。通过平面结构的长度，te模光波在不同位置以不同的强度和相位来回散射。相对较暗的颜色部分表示较高强度的te模式光波。在第二平行边，te模式光波基本上形成自像，表明来自端口112的te模式光波主要通过端口121输出，通过端口122输出的比例低得多。可选地，平面结构的长度l在90至100μm的范围内，或在80至90μm的范围内，或在70至80μm的范围内，或在60至70μm的范围内，或在50至60μm的范围内，或在40至50μm的范围内。可选地，宽度(w1或w2)约为4μm，或3μm，或2μm或更小，其中，w1大于w2。在平面结构的厚度基于soi基板的标准硅层保持在220nm的条件下，设定用于限定在c波段中形成偏振分束器的平面结构的任何尺寸l、w1和w2。

图3是根据本实用新型实施方式的硅基偏振分束器中的tm模式光波干涉图的示例图。该图仅仅是一个示例，不应过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替换和修改。如图所示，绘制了限制在同一平面结构内的横向磁模式光波的散射/干涉强度。通过平面结构的长度，tm模式光波在不同位置以不同的强度和相位来回散射。相对较暗的颜色部分表示较高强度的tm模式光波。在第二平行边，tm模式光波基本上形成自像，表明来自端口112的tm模式光波主要通过端口122输出，而通过端口121输出的比例低得多。

在结合图2和图3的实施方式中，当经由输入端口112从硅波导132输入全偏振光波时，输入光波中的te模式和tm模式基本上分离，其中，te模式光波输出到交叉端口121，而tm模式光波输出到条形端口122。换言之，硅基2x2mmi平面结构基本上形成偏振分束器(pbs)。图4是根据本实用新型一些实施方式的偏振分束器的示意性功能图。如图所示，包含混合te模式和te模式的输入光波输入到一个输入端口(mmi的第二输入端口被终止且未示出)，并被pbs分成具有主要te模式和次要te模式的第一输出和具有主要te模式和次要te模式的第二输出。第一输出通过相对于输入端口的交叉端口退出，第二输出通过相对于输入端口的条形端口退出。参考图1至图4，pbs基本上是平面结构10，输入端口被置于端口112(端口111被终止，尽管端口111可以用作输入端口，而端口112被终止)，并且第一输出端口是交叉端口121，第二输出端口是条形端口122。就光功率而言，te模式光从输入端口112到交叉端口121的传输损耗相当小，而te模式光从输入端口112到条形端口122的传输损耗相当大。tm模式光从输入端口112到相应条形端口122的传输损耗相当小，而从输入端口112到交叉端口121的传输损耗相当大。在该实施方式中，图1的平面结构10被具体配置为等腰梯形形状，其中，与输入端口耦合的第一平行边大于与输出端口耦合的第二平行边，产生至少以下优点，即，1)mmi结构的紧凑尺寸，其提供具有低损耗和高消光比的偏振te/tm模式分离功能，2)平面结构内部的基本上抑制的反射损耗，以及3)上述两个优点扩展到宽波长范围，例如，整个c波段。下面将显示更多的测试结果来说明这些优点。

图5是根据本实用新型实施方式的通过偏振分束器的te模式和tm模式下从1530nm到1560nm的所有波长的光传输损耗的示例图。参考图5，根据本实用新型的从pbs的输入到交叉输出的te模式光波相对于从1530nm到1560nm的c波段波长的传输损耗te_x被绘制为曲线202。从pbs的输入到条形输出的tm模式光波相对于从1530nm到1560nm的c波段波长的传输损耗tm-bar被绘制为曲线201。曲线201和202都显示了在c波段中的所有波长上非常小的功率损耗(<1db)，这表明pbs将te模式和te模式分开，以使te模式退出到交叉端口，而te模式退出到条形端口。同时，根据本实用新型的从pbs的输入到条形输出的te模式光波相对于从1530nm到1560nm的c波段波长的传输损耗te_bar被绘制为曲线203。从pbs的输入到交叉输出的tm模式光波相对于从1530nm到1560nm的c波段波长的传输损耗tm-x被绘制为曲线204。曲线203和204都显示了在c波段中的所有波长上相当大的功率损耗。对于曲线203，在大约1550nm处，损耗至少大于-13db。对于曲线204，在大约1560nm处，损耗大于-20db，在大约1530nm处，甚至大于-27db。基于通过图5中给出的交叉端口或条形端口的te模式或tm模式的传输损耗，可以确定每个输出端口的te或tm消光比。特别地，对于整个c波段的所有波长，在交叉端口，tm消光比大于25db，而在条形端口，te消光比也大于25db。

图6是根据本实用新型实施方式的通过偏振分束器的交叉端口处的te模式和条形端口处的tm模式下从1530nm到1560nm的c波段中所有波长的详细传输损耗的示例图。参考图6，图5中的曲线201和202再次以传输损耗的扩展比例示出。如图所示，交叉端口处的te模式的损耗在整个c波段相对平坦，小于-0.5db。在1530nm处，条形端口处的tm模式的损耗稍大，但略高于-0.9db。

图7是根据本实用新型实施方式的偏振分束器中的te模式和tm模式下从1530nm到1560nm的c波段中所有波长的光反射损耗的示例图。参考图7，根据本公开的pbs(特别是来自图1的pbs100的交叉端口121)中的te模式光波的光反射功率损耗非常大，约为-33db。此外，图7示出了根据本实用新型的pbs(特别是来自图1的pbs100的条形端口122)中的tm模式光波的光反射功率损耗甚至更大，在整个c波段的宽波长范围内超过-59db。

在又一方面，本公开提供了一种被部署用于dwdm通信系统的硅光子模块。硅光子模块包括基于形成在标准220nmsoi平台上的2×2mmi的偏振分束器。可选地，硅光子模块包括无源元件，例如，多路复用器或多路分解器、偏振旋转器、偏振分离器等。可选地，硅光子电路包括调制器、耦合器、移相器等部件，其耦合到有源装置(激光器或光电探测器)，用于传输或接收宽带光信号或将光信号转换成电信号。可选地，宽带可以是从1530nm到1560nm的c波段。可选地，宽带可以是从1270nm到1330nm的o波段。本文描述的pbs的特征在于在soi基板上形成的具有等腰梯形形状的硅板结构。等腰梯形的第一平行边和第二平行边由两个锥形边连接。第一平行边和第二平行边沿着平分这对平行边和第一平行边的对称线分开的长度不大于100μm。第一平行边的第一宽度大于第二平行边的第二宽度。具有优化紧凑尺寸的pbs具有不大于50μm的长度，并且第一宽度略大于2μm，第二宽度略小于2μm，对于由pbs相对于输入端口分别分成交叉端口和条形端口的te模式和tm模式光波，产生<1db的传输损耗。同时，无论是te模式反射还是tm模式反射，pbs的反射损耗都低于33db。可选地，当采用两级级联的pbs时，可以实现大于60db的消光比。

虽然以上是具体实施方式的完整描述，但是可以使用各种修改、替代结构和等同物。因此，上述描述和图示不应被视为限制由所附权利要求书限定的本实用新型的范围。