一種基于氮化硅的非對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光子集成電路領(lǐng)域，尤其涉及一種基于氮化硅或其他折射率在氮化硅范圍內(nèi)的半導(dǎo)體的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，比如偏振分光器、偏振分光器與旋轉(zhuǎn)器。
【背景技術(shù)】
[0002]硅光子學(xué)作為一種廣泛應(yīng)用在電信、數(shù)據(jù)通訊、互聯(lián)及傳感的通用技術(shù)平臺(tái)變得越來(lái)越重要。硅光子通過(guò)在高品質(zhì)、低成本的硅襯底上使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)可兼容晶圓級(jí)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)光子功能。然而，純無(wú)源硅波導(dǎo)設(shè)備在插入損耗、相位噪聲(可導(dǎo)致信道串音)和溫度依賴性方面受到性能限制。因?yàn)镾12(二氧化硅)包層和Si(硅)核之間存在很高的折射率反差，硅層厚度的不均勻，并且硅的熱光效應(yīng)很大。
[0003]基于氮化硅的無(wú)源設(shè)備無(wú)論是在插入損耗還是在相位噪聲方面均可具有超高的性能。主要是因?yàn)榈?η = 2)和二氧化娃(1.5)之間與娃(η = 3.5)和二氧化娃之間的折射率反差略微較低。然而兩種材料系統(tǒng)(硅和氮化硅波導(dǎo))均具有強(qiáng)烈的偏振依賴性(例如，與二氧化硅波導(dǎo)相比)。為了裝配偏振相關(guān)光路，需要將偏振分光器與旋轉(zhuǎn)器(polarizat1n splitter and rotator，PSR)作為關(guān)鍵塊。已公開(kāi)發(fā)布使用氮化娃的偏振分離器與旋轉(zhuǎn)器的數(shù)量非常有限。存在基于模式演化設(shè)計(jì)的出版物。
[0004]例如，Barwicz等人作過(guò)基于模式演化的偏振分光器與旋轉(zhuǎn)器的報(bào)告。2007年《自然光子學(xué)》第I卷第57頁(yè)刊登了《偏振透明的微光子設(shè)備使用存在極大的局限性》的文章。PSR在大波長(zhǎng)范圍中具有良好性能，曾用于以環(huán)形諧振器作為光學(xué)元件的極化分集結(jié)構(gòu)中。所述波導(dǎo)由420nm厚的SiNx構(gòu)成。然而，該設(shè)備及所有基于模式演化的PSRs的主要缺點(diǎn)通常在于其裝配的復(fù)雜性。其需要多級(jí)圖案結(jié)構(gòu)、高縱橫比特性，且局部較厚的SiNjl。
[0005]Chen等人2012年在美國(guó)光纖通信展覽會(huì)及研討會(huì)(0FC/NF0EC)上發(fā)表了文章《無(wú)需偏振相關(guān)波長(zhǎng)漂移的極化分集式密集波分復(fù)用硅接收器》(0W3G.7)，介紹了一種在極化分集結(jié)構(gòu)中的SiNx陣列式波導(dǎo)光柵。然而，這正是將SiNx作為一種高性能無(wú)源波導(dǎo)層用于活性硅光子電路上面的典型例子。在硅層更加簡(jiǎn)單直接地實(shí)現(xiàn)分離/旋轉(zhuǎn)功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種高性能且易制作的、基于氮化硅波導(dǎo)或類(lèi)似的波導(dǎo)材料的偏振相關(guān)模式轉(zhuǎn)換器或偏振分光器與旋轉(zhuǎn)器。
[0007]第一方面，本發(fā)明提供了一種基于半導(dǎo)體的偏振相關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，包括:一種用SiNx波導(dǎo)材料或其他折射率在1.7至2.3之間的固態(tài)波導(dǎo)材料制成的波導(dǎo)，且嵌于一種含S12的包層材料中或其他折射率低于1.6且高于I的固態(tài)包層材料中，其中所述波導(dǎo)包括在其縱向延伸部分的具有一個(gè)垂直非對(duì)稱結(jié)構(gòu)第一段，所述非對(duì)稱結(jié)構(gòu)包括位于所述波導(dǎo)材料之上的薄硅層，所述垂直方向薄硅層的厚度小于相同垂直方向的所述波導(dǎo)材料的厚度。
[0008]在也可稱為“絕熱椎形”的所述第一段中，所述垂直非對(duì)稱波導(dǎo)橫截面會(huì)將TM偏振模式(TMO)轉(zhuǎn)換為一階TE偏振模式(TEl)，而所述TE偏振模式(TEO)不受影響。因此，具有所述垂直非對(duì)稱性的所述絕熱椎形提供偏振轉(zhuǎn)換。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一種實(shí)現(xiàn)方式，所述娃層在垂直方向的厚度在1nm至10nm之間。所述波導(dǎo)材料在相同垂直方向的厚度可在10nm以上至600nm之間，較佳地，在300nm至500nm之間。
[0010]所述垂直非對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)在所述TMO模式轉(zhuǎn)換為所述TEl模式且TE和TM已啟動(dòng)偏振模式的輸入和輸出恰當(dāng)?shù)叵拗朴谒霾▽?dǎo)結(jié)構(gòu)中時(shí)，可使已啟動(dòng)的TEO模式保持其偏振狀態(tài)，。因此，所述模式轉(zhuǎn)換非常有效，且可容許所述橫截面尺寸的微小變化。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第二種實(shí)現(xiàn)方式，所述薄硅層可直接置于所述波導(dǎo)材料的頂部(頂部是指在所述垂直方向的頂部)。根據(jù)一種替代實(shí)現(xiàn)方式，所述薄硅層與垂直方向所述波導(dǎo)材料的所述頂部之間由包層材料的層隔開(kāi)。位于所述波導(dǎo)材料的上表面和所述薄硅層的下表面之間的所述包層材料在所述垂直方向的厚度可在Inm至10nm之間。
[0012]所述波導(dǎo)材料與所述薄硅層之間存在或不存在分隔層的結(jié)構(gòu)均可對(duì)波導(dǎo)中相關(guān)TE、TM模式構(gòu)成足夠限制。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的第三種實(shí)現(xiàn)方式，所述薄硅層在所述波導(dǎo)的縱向長(zhǎng)度在100 μπι至800 μπι之間，較佳地，在200 μπι至600 μπι之間。與使用其他頂部包層材料以形成垂直非對(duì)稱的其他氮化硅波導(dǎo)相比(例如，二氧化硅底部包層與一種折射率為1.7的材料頂部包層)，所述不對(duì)稱段的總長(zhǎng)度可以更短，從而有利于集成波導(dǎo)電路的構(gòu)建。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第四種實(shí)現(xiàn)方式，所述薄硅層在第一末端和/或第二末端有一個(gè)或多個(gè)錐狀過(guò)渡區(qū)，其中所述第一和第二末端分別根據(jù)同所述波導(dǎo)縱向上的所述波導(dǎo)的垂直非對(duì)稱部分的輸入和輸出端定義。與所述對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和所述非對(duì)稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)間的急劇過(guò)渡相比，所述椎形過(guò)渡區(qū)域可以有利于減少電磁波進(jìn)入或離開(kāi)所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的垂直非對(duì)稱部分時(shí)所產(chǎn)生的反射。一個(gè)或多個(gè)所述過(guò)渡區(qū)可表現(xiàn)為三角形的形式，且所述三角形的頂端背離所述薄硅層的相應(yīng)末端。根據(jù)再一種實(shí)現(xiàn)方式，所述過(guò)渡區(qū)可包括兩個(gè)或互相緊挨的三角形，且所述的兩個(gè)或更多三角形的頂端均背離所述硅層的相應(yīng)末端。根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式，位于所述第一末端的所述過(guò)渡區(qū)包括單個(gè)三角形，且位于所述第二末端的所述過(guò)渡區(qū)包括兩個(gè)互相緊挨的三角形。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第五種實(shí)現(xiàn)方式，所述過(guò)渡區(qū)還可包括一個(gè)在所述一個(gè)或更多三角形的底與所述硅層的全寬之間形成過(guò)渡的梯形區(qū)域，。所述梯形還可從所述過(guò)渡區(qū)域外側(cè)部分向所述硅層兩端之間的中間部分構(gòu)成平滑過(guò)渡，其中所述硅層包括其全寬。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第六種實(shí)現(xiàn)方式，同一橫截面中，所述薄硅層在水平方向的寬度等于所述波導(dǎo)材料在水平方向的寬度。根據(jù)本實(shí)施例，只有位于所述波導(dǎo)垂直非對(duì)稱部分的所述第一末端和/或所述第二末端的所述過(guò)渡區(qū)域，如果存在的話，具有薄硅層，且其寬度小于同一橫截面中所述波導(dǎo)材料的對(duì)應(yīng)寬度。
[0017]本發(fā)明第二方面指一種偏振分光器與旋轉(zhuǎn)器，包括本發(fā)明第一方面中的所述偏振相關(guān)模式轉(zhuǎn)換器和所述第二段，其中所述第二包括將來(lái)自所述偏振相關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的TEl模式轉(zhuǎn)換為T(mén)EO模式、并將其耦合至第一輸出端口的構(gòu)件，以及無(wú)需在第二輸出端口的轉(zhuǎn)換而耦合來(lái)自所述偏振相關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的TEO模式的構(gòu)件。因此，所述聯(lián)合的偏振分光器與旋轉(zhuǎn)器的第二段可在所述第一輸出端口提供TEO模式(為原始TE模式)且在第二輸出端口提供TEO模式(由所述原始TM模式轉(zhuǎn)換得到)。
[0018]對(duì)于本發(fā)明所述第二方面的所述第二段，無(wú)需垂直非對(duì)稱性。根據(jù)本發(fā)明的第七種實(shí)現(xiàn)方式，所述第二段包括垂直對(duì)稱性。這有利于所述部分的便利生產(chǎn)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的第八種實(shí)現(xiàn)方式，所述第二段中的構(gòu)件方式可包括一種定向耦合器。根據(jù)本發(fā)明的第九種實(shí)現(xiàn)方式，作為一種替代方式，所述第二段中的所述構(gòu)伯還包括Y形接頭、用于在所述Y形接頭各分支間引入相移的相位段、以及多模干涉耦合器。兩種實(shí)現(xiàn)方式均可實(shí)現(xiàn)以下效果:將TEl模式轉(zhuǎn)換為T(mén)EO模式，并將其耦合到所述第一輸出