一种基于氮化硅的非对称波导结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光子集成电路领域，尤其涉及一种基于氮化硅或其他折射率在氮化硅范围内的半导体的波导结构，比如偏振分光器、偏振分光器与旋转器。
【背景技术】
[0002]硅光子学作为一种广泛应用在电信、数据通讯、互联及传感的通用技术平台变得越来越重要。硅光子通过在高品质、低成本的硅衬底上使用互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)可兼容晶圆级技术以实现光子功能。然而，纯无源硅波导设备在插入损耗、相位噪声(可导致信道串音)和温度依赖性方面受到性能限制。因为S12(二氧化硅)包层和Si(硅)核之间存在很高的折射率反差，硅层厚度的不均匀，并且硅的热光效应很大。
[0003]基于氮化硅的无源设备无论是在插入损耗还是在相位噪声方面均可具有超高的性能。主要是因为氮化娃(η = 2)和二氧化娃(1.5)之间与娃(η = 3.5)和二氧化娃之间的折射率反差略微较低。然而两种材料系统(硅和氮化硅波导)均具有强烈的偏振依赖性(例如，与二氧化硅波导相比)。为了装配偏振相关光路，需要将偏振分光器与旋转器(polarizat1n splitter and rotator，PSR)作为关键块。已公开发布使用氮化娃的偏振分离器与旋转器的数量非常有限。存在基于模式演化设计的出版物。
[0004]例如，Barwicz等人作过基于模式演化的偏振分光器与旋转器的报告。2007年《自然光子学》第I卷第57页刊登了《偏振透明的微光子设备使用存在极大的局限性》的文章。PSR在大波长范围中具有良好性能，曾用于以环形谐振器作为光学元件的极化分集结构中。所述波导由420nm厚的SiNx构成。然而，该设备及所有基于模式演化的PSRs的主要缺点通常在于其装配的复杂性。其需要多级图案结构、高纵横比特性，且局部较厚的SiNjl。
[0005]Chen等人2012年在美国光纤通信展览会及研讨会(0FC/NF0EC)上发表了文章《无需偏振相关波长漂移的极化分集式密集波分复用硅接收器》(0W3G.7)，介绍了一种在极化分集结构中的SiNx阵列式波导光栅。然而，这正是将SiNx作为一种高性能无源波导层用于活性硅光子电路上面的典型例子。在硅层更加简单直接地实现分离/旋转功能。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种高性能且易制作的、基于氮化硅波导或类似的波导材料的偏振相关模式转换器或偏振分光器与旋转器。
[0007]第一方面，本发明提供了一种基于半导体的偏振相关模式转换器，包括:一种用SiNx波导材料或其他折射率在1.7至2.3之间的固态波导材料制成的波导，且嵌于一种含S12的包层材料中或其他折射率低于1.6且高于I的固态包层材料中，其中所述波导包括在其纵向延伸部分的具有一个垂直非对称结构第一段，所述非对称结构包括位于所述波导材料之上的薄硅层，所述垂直方向薄硅层的厚度小于相同垂直方向的所述波导材料的厚度。
[0008]在也可称为“绝热椎形”的所述第一段中，所述垂直非对称波导横截面会将TM偏振模式(TMO)转换为一阶TE偏振模式(TEl)，而所述TE偏振模式(TEO)不受影响。因此，具有所述垂直非对称性的所述绝热椎形提供偏振转换。
[0009]根据本发明的第一种实现方式，所述娃层在垂直方向的厚度在1nm至10nm之间。所述波导材料在相同垂直方向的厚度可在10nm以上至600nm之间，较佳地，在300nm至500nm之间。
[0010]所述垂直非对称波导结构的合理设计在所述TMO模式转换为所述TEl模式且TE和TM已启动偏振模式的输入和输出恰当地限制于所述波导结构中时，可使已启动的TEO模式保持其偏振状态，。因此，所述模式转换非常有效，且可容许所述横截面尺寸的微小变化。
[0011]根据本发明的第二种实现方式，所述薄硅层可直接置于所述波导材料的顶部(顶部是指在所述垂直方向的顶部)。根据一种替代实现方式，所述薄硅层与垂直方向所述波导材料的所述顶部之间由包层材料的层隔开。位于所述波导材料的上表面和所述薄硅层的下表面之间的所述包层材料在所述垂直方向的厚度可在Inm至10nm之间。
[0012]所述波导材料与所述薄硅层之间存在或不存在分隔层的结构均可对波导中相关TE、TM模式构成足够限制。
[0013]根据本发明的第三种实现方式，所述薄硅层在所述波导的纵向长度在100 μπι至800 μπι之间，较佳地，在200 μπι至600 μπι之间。与使用其他顶部包层材料以形成垂直非对称的其他氮化硅波导相比(例如，二氧化硅底部包层与一种折射率为1.7的材料顶部包层)，所述不对称段的总长度可以更短，从而有利于集成波导电路的构建。
[0014]根据本发明的第四种实现方式，所述薄硅层在第一末端和/或第二末端有一个或多个锥状过渡区，其中所述第一和第二末端分别根据同所述波导纵向上的所述波导的垂直非对称部分的输入和输出端定义。与所述对称波导结构和所述非对称波导结构间的急剧过渡相比，所述椎形过渡区域可以有利于减少电磁波进入或离开所述波导结构的垂直非对称部分时所产生的反射。一个或多个所述过渡区可表现为三角形的形式，且所述三角形的顶端背离所述薄硅层的相应末端。根据再一种实现方式，所述过渡区可包括两个或互相紧挨的三角形，且所述的两个或更多三角形的顶端均背离所述硅层的相应末端。根据一种优选的实施方式，位于所述第一末端的所述过渡区包括单个三角形，且位于所述第二末端的所述过渡区包括两个互相紧挨的三角形。
[0015]根据本发明的第五种实现方式，所述过渡区还可包括一个在所述一个或更多三角形的底与所述硅层的全宽之间形成过渡的梯形区域，。所述梯形还可从所述过渡区域外侧部分向所述硅层两端之间的中间部分构成平滑过渡，其中所述硅层包括其全宽。
[0016]根据本发明的第六种实现方式，同一横截面中，所述薄硅层在水平方向的宽度等于所述波导材料在水平方向的宽度。根据本实施例，只有位于所述波导垂直非对称部分的所述第一末端和/或所述第二末端的所述过渡区域，如果存在的话，具有薄硅层，且其宽度小于同一横截面中所述波导材料的对应宽度。
[0017]本发明第二方面指一种偏振分光器与旋转器，包括本发明第一方面中的所述偏振相关模式转换器和所述第二段，其中所述第二包括将来自所述偏振相关模式转换器的TEl模式转换为TEO模式、并将其耦合至第一输出端口的构件，以及无需在第二输出端口的转换而耦合来自所述偏振相关模式转换器的TEO模式的构件。因此，所述联合的偏振分光器与旋转器的第二段可在所述第一输出端口提供TEO模式(为原始TE模式)且在第二输出端口提供TEO模式(由所述原始TM模式转换得到)。
[0018]对于本发明所述第二方面的所述第二段，无需垂直非对称性。根据本发明的第七种实现方式，所述第二段包括垂直对称性。这有利于所述部分的便利生产。
[0019]根据本发明的第八种实现方式，所述第二段中的构件方式可包括一种定向耦合器。根据本发明的第九种实现方式，作为一种替代方式，所述第二段中的所述构伯还包括Y形接头、用于在所述Y形接头各分支间引入相移的相位段、以及多模干涉耦合器。两种实现方式均可实现以下效果:将TEl模式转换为TEO模式，并将其耦合到所述第一输出