波導極化旋轉器及其構造方法與流程

本申請要求于2014年11月06日提交的題為“波導極化旋轉器及其構造方法”、申請號為14/535,170的美國非臨時申請的權益，該申請在此通過引用并入本文。

本發明一般涉及光子器件，并且在具體實施例中涉及一種波導極化旋轉器及其構造方法。

背景技術：

一般地，單模波導可以支持兩種不同的、正交極化的模式的傳播。在集成光學中，這兩種不同的模式通常被標記為橫電(transverseelectric，te)和橫磁(transversemagnetic，tm)。te和tm模式的標記表示te和tm模式的電場的極化主軸分別平行和垂直于波導基片，即晶片、平面。還可以存在具有相對于該晶片平面旋轉的極化主軸的混合模式。

光子器件經常有偏振依賴的特性。然而，光信號處理設備，諸如，例如，開關矩陣，應該是極化無關的。極化無關的例證是：除其他特征外，具有低偏振依賴損耗(polarization-dependentloss，pdl)、低偏振模色散(polarizationmodedispersion，pmd)和由結構雙折射引起的較少的不利的偏振依賴波長特性。一種處理輸入光信號的常見方法是分別處理te和tm模式并將結果結合起來。在裝置內，光子器件可以被設計成處理te和tm模式中的一種。可替代地，該輸入光信號的te或tm模式中的一種可以旋轉成另一種的極化。在這樣的裝置中，可使用單獨的設計來處理輸入光信號的te和tm兩種模式。例如，tm模式可以旋轉成te極化并且為te模式所設計的光子元件可以用來處理該te模式和旋轉的tm模式。

技術實現要素：

一個波導極化旋轉器實施例包括光波導和覆蓋帶(overlaystrip)。所述光波導具有相對地設置在所述光波導上的輸入端和輸出端。所述光波導可操作用于在所述輸入端接收輸入光信號，所述輸入光信號具備具有輸入極化的模式。所述光波導進一步可操作用于在所述輸出端生成輸出光信號，所述輸出光信號具有正交于所述輸入極化的輸出極化。所述覆蓋帶設置在所述光波導上并且與所述光波導非正交地交叉。所述覆蓋帶具有第一端和第二端，所述第一端從所述光波導橫向偏移第一偏移距離，所述第二端從所述光波導橫向偏移第二偏移距離。

一個構造波導極化旋轉器的方法的實施例包括形成光波導，所述光波導具有在其上相對設置的輸入端和輸出端。然后在所述光波導上方形成包層。然后在所述光波導上方套準覆蓋帶。所述覆蓋帶包括在其上相對設置的第一端和第二端。所述第一端從所述光波導橫向偏移第一偏移距離，并且所述第二端從所述光波導橫向偏移第二偏移距離。所述第一端和所述第二端相對地設置在所述光波導的兩側上。所述方法進一步包括根據所述套準在所述包層上形成所述覆蓋帶。

一個光子電路的實施例包括極化分離器、波導極化旋轉器以及濾波器。所述極化分離器被配置成將接收的光信號分成第一模式和第二模式。所述第一模式和所述第二模式相對于彼此正交。所述波導極化旋轉器包括光波導，所述光波導具有相對地設置在所述光波導上的輸入端和輸出端。所述光波導可操作用于在耦合到所述極化分離器的所述輸入端接收具有輸入極化的所述第一模式。所述光波導進一步可操作用于在所述輸出端生成具有與所述輸入極化正交的輸出極化的輸出光信號。所述覆蓋帶設置在所述光波導上并與所述光波導非正交地交叉。所述覆蓋帶包括第一端和第二端，所述第一端從所述光波導橫向偏移第一偏移距離，所述第二端從所述光波導橫向偏移第二偏移距離。所述濾波器耦合到所述波導極化旋轉器的輸出端，并配置成將為所述第二模式設計的傳遞函數應用于來自所述波導極化旋轉器的輸出光信號。

附圖說明

為了更完整地理解本發明以及其優點，現在結合附圖參考以下描述，其中：

圖1是用于處理輸入光信號的te模式和tm模式兩者的光子電路的一個實施例的框圖；

圖2示出了波導極化旋轉器的一個實施例；

圖3示出了波導極化旋轉器的一個實施例的套準不敏感性；

圖4示出了波導極化旋轉器的另一個實施例；

圖5是構造波導極化旋轉器的方法的一個實施例的流程圖；

圖6是相對于晶片平面的極化角作為覆蓋偏移量的函數的曲線圖；和

圖7是傳輸功率作為整個裝置的長度的函數的曲線圖。

具體實施方式

下面詳細討論實施例的制造和使用。然而，應當理解，本發明提供可在各種各樣的特定背景下實現的許多適用的發明性概念。所討論的具體實施例僅僅是說明制造和使用本發明的具體方式，并不限制本發明的范圍。

在自由空間光學中，線性極化狀態可以相對于初始極化狀態被具有主軸定向45度的半波片旋轉90度。對于光子電路，利用具有混合模式的波導極化旋轉器可以實現等效的旋轉，所述混合模式的主軸相對于波導的晶片平面旋轉45度。波導極化旋轉器還應該具有用于實現所需的旋轉量的長度。波導橫截面中的水平和垂直不對稱性提供必要的混合模式和te與tm極化之間的耦合。

在波導的橫截面中產生不對稱通常涉及至少兩個光刻步驟。一般地，在包含波導層和覆蓋層的制造工藝中，第一步限定波導特性，第二步驟限定覆蓋的特征，其中該覆蓋創建期望的非對稱性。通常，波導和覆蓋之間形成有包層。在本文中認識到，波導和覆蓋的對準，即一種稱為套準(registration)的工藝，在構造質量波導極化旋轉器中是至關重要的。特別是，所得到的結構的極化軸的取向可以影響pdl和極化串擾。商用光刻工藝可以使波導和覆蓋套準在橫向和縱向尺寸上的幾十納米內。在某些類型的光子電路中，例如，具有多晶硅覆蓋的硅納米線波導，套準容差為幾十納米數量級，這意味著商用光刻工藝仍可產生明顯程度的缺陷。

在本文中認識到，波導極化旋轉器可構造成對于套準誤差不敏感。給定波導，其具有由第一制造步驟所限定的特征，包括材料、厚度、寬度和長度，覆蓋帶可以被設計為具有與所述波導非正交地交叉從而產生必需的垂直不對稱性的足夠的長度、寬度和厚度，以產生所需的混合模式。非正交地交叉就是以角度α交叉，其中0＜α＜90度。覆蓋帶的長度被設計成使得每個端部充分地從該波導橫向偏移，使得波導的基本模式不受到覆蓋帶影響。波導的基本模式通過求解波導極化旋轉器的橫截面的麥克斯韋方程來計算。其中，交叉覆蓋帶確實影響波導的基本模式，覆蓋帶與波導形成兩個絕熱旋轉區域。這兩個絕熱旋轉區域是關于在波導極化旋轉器的長度方向中心處繪制的并垂直于該波導的線而對稱的。波導極化旋轉器在絕熱旋轉區域的內邊界產生混合模式，所述混合模式具有從晶片平面旋轉45度的主軸。覆蓋帶可以形成為，使得形成第一絕熱旋轉區域，在其中覆蓋帶在最靠近覆蓋帶的第一端處開始與光波導交叉，并形成第二絕熱旋轉區域，在其中所述覆蓋帶在最靠近覆蓋帶的第二端處開始與光波導交叉。第一和第二絕熱區域都可以將模式的極化相對于光波導的基片平面旋轉至少30度。

描述本文中介紹的波導極化旋轉器的各種實施例之前，描述光子電路，在該光子電路中可以實現所述波導極化旋轉器。

圖1是用于處理入射光信號的te模式和tm模式兩者的光子電路100的一個實施例的框圖。光子電路100包括極化分離器110、極化旋轉器120-1、濾波器130-1和130-2、極化旋轉器120-2和極化組合器140。極化分離器110與極化旋轉器120-1、濾波器130-1、極化旋轉器120-2和極化組合器140沿一條路徑串聯耦合；并與濾波器130-2和極化組合器140沿另一條道路串聯耦合。

極化分離器110被配置成接收輸入光信號150。極化分離器110將輸入光信號150分成te模式154和tm模式152。te模式154傳播到濾波器130-2，其在將該光信號傳遞給極化組合器140之前向光信號應用傳遞函數。tm模式152傳播至極化旋轉器120-1，在其中將其極化旋轉90度至te模式的極化，產生旋轉的tm模式156。濾波器130-1對旋轉的tm模式156應用與濾波器130-2相同的的傳遞函數。在光子電路100的這個階段，輸入光信號150的te模式154和tm模式152都被濾波并具有te模式154的極化的主軸。旋轉的tm模式156隨后被極化旋轉器120-2旋轉回其初始tm極化。極化組合器140將兩種極化組合成輸出光信號160。

圖2示出了波導極化旋轉器200的一個實施例。圖2-a是波導極化旋轉器200的俯視圖。圖2-b示出了與波導極化旋轉器200的三個長度方向的部分相對應的波導極化旋轉器200的三個橫截面圖。

在圖2-a中，波導極化旋轉器200包括光波導210和覆蓋帶220。光波導210可以使用各種技術來制造，包括硅納米線、絕緣硅片(silicon-on-insulator)、硅-二氧化硅(silicon-on-silica)、磷化銦(indiumphosphide，inp)和砷化鎵(galliumarsenide，gaas)等。在硅納米線實施例中，在頂部具有二氧化硅層的硅晶片上形成晶體硅層。然后，根據需要蝕刻晶體硅層，以形成光波導210。通常，在諸如波導極化旋轉器200的光子器件中，光波導210和覆蓋帶220將由包層來分離。包層是一個或多個低折射率(相對于波導芯而言)材料層，例如，硅芯上的二氧化硅包層，其可操作用于將電磁波包含在波導芯內。覆蓋帶220是形成在包層和光波導210上的額外的傳播層。一種覆蓋技術包括：在包層上形成無定形硅，根據需要蝕刻無定形硅，并對剩余的無定形硅進行退火處理，以形成多晶體硅(polycrystallinesilicon)，有時也稱為多晶硅(polysilicon)。

波導極化旋轉器200被分為三個長度方向的部分230、240和250。在第一部分230中，輸入光信號從左到右傳播。輸入光信號包括te模式和tm模式，如圖2-b中虛線的和實線的主軸所示。圖2-b-1是波導極化旋轉器200在第一部分230的左邊界的橫截面。覆蓋帶220示出為在光波導210的上方并向左偏移，這與覆蓋帶220的左上端相對應。隨著輸入光信號沿著第一部分230傳播并且覆蓋帶220越來越接近光波導210，te和tm模式經歷到混合模式的絕熱過渡，該混合模式具有相對于圖2-b-1中所示的初始極化旋轉45度的主軸。

當光信號到達第一部分230和第二部分240之間的邊界時，te和tm模式均已旋轉了45度，如圖2-b-2中所示。該橫截面示出了光波導210上方的覆蓋帶220，在這里它影響光波導210的基本模式并形成混合模式。所述混合模式從第一部分230中的絕熱旋轉區域耦合到由光波導210和覆蓋帶220形成的第二部分240中的波導結構。隨著光信號通過第二部分240傳播，凈極化旋轉是零。這是通過整個幾乎沒有極化旋轉而實現的，或者通過一個或多個完整的旋轉，即360度的旋轉而實現的。在前者的情況下，混合模式的拍長比第二部分240的長度長得多，不產生顯著轉動。在后者的情況下，其中混合模式的極化隨光信號傳播而旋轉，第二部分240的長度被設計成使得所述混合模式的極化在第二部分240和第三部分250之間的邊界處與在第一部分230和第二部分240之間的邊界處相同，這在圖2-b-2中由兩個橫截面的對稱性所示出。除了光波導210和覆蓋帶220的其他設計特征，包括材料、厚度、寬度、和包層之外，第二部分240的長度是由覆蓋帶220的長度和覆蓋帶220的多個端部距光波導210的橫向偏移所指示的。

在第二部分240和第三部分250之間的邊界處，te模式和tm模式都耦合到第三部分250中它們的互補模式，即旋轉90度的模式。由于第一部分230和第三部分250的對稱性，第三部分中的絕熱旋轉區域將混合模式的極化旋轉回輸入光信號的te和tm模式的初始取向，即，-45度。然而，由于該混合模式在第三部分250的左側邊界處耦合到它們的互補模式中，光信號的模式的極化隨著光信號傳播通過第三部分250旋轉額外的45度，即，+45度，產生凈90度的極化旋轉。在波導極化旋轉器200的右端，如圖2-b-3所示，由虛線主軸表示的模式平行于基片平面，即，te極化，由實線主軸表示的模式垂直(normal)于基片平面，即tm極化。此外，覆蓋帶220偏移到光波導210的右側，在這里它不影響光波導210的基本模式。由于覆蓋帶220在第一部分起始處和第三部分末端不影響光波導210的基本模式，因此光波導的基本模式等于波導極化旋轉器在覆蓋帶的第一端和第二端的基本模式。

所述三個部分230、240和250的邊界都是理想化的。在實踐中，波導極化旋轉器實施例中的邊界不是明確限定的，因為有沿傳播軸的波導極化旋轉器200的橫截面的連續變換。為了實現理想的性能，即凈90度的極化旋轉，極化的取向在第二部分240的邊界處可不同于主軸的理想45度取向。同樣，波導極化旋轉器實施例實現的實際旋轉可不同于90度。

圖3示出了波導極化旋轉器300的一個實施例的套準不敏感性。波導極化旋轉器300包括光波導310和覆蓋帶320。波導極化旋轉器300中光波導310與覆蓋帶320交叉的部分被認為是旋轉區域330。在旋轉區域330內，波導極化旋轉器300依照上述圖2的實施例進行操作。光波導310和覆蓋帶320的長度被設計成使得整個裝置對制造過程中產生的套準誤差不敏感。

在套準過程中，覆蓋帶320位于光波導310上方，并且在一定加工容差內垂直且水平對準。例如，某些光刻工藝精確到幾十納米以內。假定光波導310和覆蓋帶320的長度足夠長，光波導310上覆蓋帶320的水平和垂直套準偏差或位置對旋轉區域330的性能沒有影響。圖3-a表示目標套準，其具有以光波導310為水平中心的旋轉區域330和沿其自身穿過旋轉區域330的長度為中心的覆蓋帶320。

在制造過程中，套準可以如圖3-b至3-e中所示的垂直和水平地變化。圖3-b示出了當套準產生使覆蓋帶320偏右的誤差時，波導極化旋轉器300內旋轉區域330的位置。圖3-c示出了當套準產生使覆蓋帶320偏下的誤差時，波導極化旋轉器300內旋轉區域330的位置。圖3-d示出了當套準產生使覆蓋帶320偏左的誤差時，波導極化旋轉器300內旋轉區域330的位置。圖3-e示出了當套準產生使覆蓋帶320偏上的誤差時，波導極化旋轉器300內旋轉區域330的位置。

圖3-b至3-e中顯而易見的是，當光波導310傳播軸線水平地定向時，水平套準誤差產生由于誤差水平移動的轉動區域，如圖3-b和3-d中所預期和示出的。可能不太直觀地，垂直套準誤差也水平移動了旋轉區域330，但比橫向套準誤差移動得少。

圖4示出了波導極化旋轉器400的另一個實施例。圖4示出了波導極化旋轉器400的尺寸，其包括光波導402和覆蓋帶404。圖4-a示出了波導極化旋轉器400的俯視圖，而圖4-b和4-c示出了各個橫截面。

光波導402具有寬度410、長度430以及高度或厚度450。光波導402被具有厚度470的包層從覆蓋帶404分開。覆蓋帶404具有寬度420、長度440和厚度460。在某些實施例中，覆蓋寬度420不大于波導寬度410。覆蓋帶404在光波導402上的套準是根據第一偏移480和第二偏移490完成的。第一偏移480純粹地在光波導402的基片平面內定義，并且是從光波導402的邊緣至覆蓋帶404的最近邊緣測量的。在可替代實施例中，如圖4-b所示，中心到中心的偏移482可以定義為從光波導402的中心到覆蓋帶404的中心。第二偏移490可以類似地被定義，但是在光波導402的相對側上。第一偏移480和第二偏移490可以通過對光波導402和覆蓋帶404形成的波導結構求解麥克斯韋方程來確定，以找到覆蓋帶404不會影響光波導402的基本模式的最小偏移。可替代地，可以得到幾個商用“模式求解器”和仿真系統來通過實驗確定偏移。也可以增加最小偏移，以容納預期的套準和加工誤差。更具體地，當光波導402被定向成其傳播軸線為水平的時，第一偏移480和第二偏移490可包括套準和加工誤差的豎直容差。第一偏移距離和第二偏移距離可包括根據對于形成光波導和形成覆蓋帶的加工容差而確定的容差部分。

除了具有如在圖2中所示的足夠長的絕熱旋轉區域，覆蓋長度440可以被確定成滿足為第一偏移480和第二偏移490所確定的偏移值。覆蓋長度440還可以包括對于水平套準和加工誤差的容差。

圖5是構造波導極化旋轉器的方法的一個實施例的流程圖。該方法起始于開始步驟510。在第一形成步驟520中，形成光波導。該光波導具有相對地設置在波導上的輸入端和輸出端。在第二形成步驟530中，在光波導上形成包層。在套準步驟540中，在光波導上套準覆蓋帶。該覆蓋帶具有在覆蓋帶上相對設置的第一端和第二端。所述第一端從光波導橫向偏移第一偏移距離。第二端從光波導橫向偏移第二偏移距離。覆蓋帶與光波導非正交地交叉，從而將覆蓋帶的第一端和第二端設置在光波導的相對的兩側上。然后，在第三形成步驟550中形成覆蓋帶。該方法隨后終止于結束步驟560。

圖6是一波導極化旋轉器實施例的相對于晶片平面的極化角的曲線圖600。曲線圖600包括第一模式610和第二模式620。第一模式610和第二模式620的極化被計算為以微米為單位的覆蓋帶距光波導的偏移量的函數。曲線圖600示出了一種極化，作為一組特定的光波導和覆蓋帶尺寸的覆蓋偏移量的函數。極化還在很大程度上取決于光波導和覆蓋帶的寬度、長度、材料以及厚度。

一種通過波導極化旋轉器實施例傳播的給定模式，將經歷逐漸的90度極化旋轉。例如，第一模式610到達第一部分同時具有相對于晶片平面大約90度的極化。隨著第一模式610進入第二部分，根據曲線圖600，其極化主軸是相對于晶片平面成大約55度。由于對稱性，第一模式610以相同的極化過渡出第二部分。然而，第一模式610在第二部分的邊界和第三部分耦合到其互補模式，而不是遵循第一模式610的曲線。第一模式610由于其遵循了第二模式620的曲線，因此經歷了凈90度的極化旋轉。第二模式620隨著其傳播通過該波導極化旋轉器實施例而經歷了類似的旋轉。

圖7是傳輸功率作為以微米為單位的裝置長度的函數的曲線圖700。裝置長度指的是具有與圖6中曲線圖600的尺寸相等的尺寸的波導極化旋轉器中的旋轉區域的長度。曲線圖700示出了tm模式710和te模式720。曲線圖700還示出了對于給定的光波導和覆蓋帶的尺寸，以及給定的第一偏移480和第二偏移490，最佳長度大致為19微米。

雖然已參照示例性實施例描述了本發明，但是該描述并非旨在以限制性的意義來解釋。參考這些描述，本發明的各種修改和示例性實施例的組合、和其他實施例對于本領域的技術人員將是顯而易見的。因此，所附權利要求旨在涵蓋任何這種修改或實施例。