一种偏振无关的波分复用器

1.本实用新型涉及一种偏振无关的波分复用器，属于半导体光信号传输技术领域。


背景技术：

2.由于光纤具有低损耗、低串扰、抗电磁场干扰和宽带宽等优点，逐步取代了传统金属线和同轴电缆成为长距离通信的主要传输媒质，以光波为载波、光纤为传输介质的光纤通信承担了全球范围内的大部分通信数据传输任务。波分复用技术的运用有利于充分利用光纤通信的大带宽，它将不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到同一根光纤中传输，最后在接收端经解复用器将各种波长的光载波分离。绝缘衬底上的硅(soi)基光子器件的制备与现代发展成熟的互补金属氧化物半导体(cmos)工艺相兼容，能够实现紧凑的器件结构和廉价的大规模集成，是光纤通信领域的一大研究热点。在波分复用技术中波分复用器是关键器件，目前主要分为4种结构：刻蚀衍射光栅(edg)、微环谐振滤波器(mrr)、级联mzi和阵列波导光栅(awg)。其中awg的综合性能优良，相较于级联mrr和级联mzi，awg的结构尺寸更小，并且通过设计优化可提升其插入损耗和串扰性能；相较于edg，awg更适用于密集波分复用。然而，光纤中传输有te与tm两种不同模式的光信号，因为硅光子芯波导与包层材料的折射率差极大，从光纤进入到波导中的两种模式的有效折射率、模场分布和传输损耗等均存在较大的差异，特别是在awg中，相同波长不同偏振模式的两种光会被聚焦到输出平板波导的不同位置上，从而进入到不同的输出波导中，产生较大的偏振相关损耗(pdl)，从而大大降低了波分复用器的工作效率甚至无法完成波分复用的工作。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术存在的问题及不足，本实用新型提供一种偏振无关的波分复用器，本实用新型能有效避免阵列波导光栅的偏振相关损耗问题，实现偏振无关的波分复用器。
4.本实用新型使用偏振分束旋转器将输入的tm模式光转换为te模式光，而输入的te模式光保持偏振态不变，再通过硅基光开关将偏振分束旋转器的不同输出通道输出的te模式光从硅基光开关的同一输出通道输出，而后输入至阵列波导光栅，在阵列波导光栅中完成多种波长的分离后输出以进行下一步的利用，因此无论输入光是te模式光还是tm模式光，都能使输入至阵列波导光栅的是te模式光，有效避免了阵列波导光栅的偏振相关损耗问题，实现了偏振无关的波分复用器。
5.本实用新型技术方案是：一种偏振无关的波分复用器，从下到上依次为衬底层、埋氧层、器件层和上包层，其中上包层含有加热电极和电极引线，所述器件层包括偏振分束旋转器110、硅基光开关120和阵列波导光栅130，偏振分束旋转器110与硅基光开关120相连，硅基光开关120与阵列波导光栅130相连。
6.作为本实用新型的进一步方案，所述偏振分束旋转器110由宽度不同的两个脊型波导构成的非对称定向耦合结构实现tm模式光到te模式光的转换与分离，输入光为tm模式
光时，由于宽波导中tm模式光的有效折射率与窄波导中te模式光的有效折射率相等，满足相位匹配条件，通过一定的耦合长度，从偏振分束旋转器输出通道ⅰ2输出te模式光；输入光为te模式光时，不满足相位匹配条件，从偏振分束旋转器输出通道ⅱ3直接输出te模式光，所以无论是te模式光输入还是tm模式光输入，均只有te模式光输出，并且输出通道不同，同时使用非对称定向耦合结构实现的偏振分束旋转器可以实现性能优异、结构简单且尺寸较小的器件结构。
7.作为本实用新型的进一步方案，所述硅基光开关120包括2
×
2多模干涉耦合器ⅰ121、2
×
2多模干涉耦合器ⅱ122、硅基光开关输入通道ⅰ4、硅基光开关输入通道ⅱ5、相移臂a、相移臂b和硅基光开关输出通道ⅰ6、硅基光开关输出通道ⅱ7，其中2
×
2多模干涉耦合器ⅰ121、2
×
2多模干涉耦合器ⅱ122分别存在多模干涉耦合区x1、多模干涉耦合区x2，硅基光开关输入通道ⅰ4、硅基光开关输入通道ⅱ5分别输入由偏振分束旋转器110对输入tm模式光旋转后的te模式光和原输入的te模式光；
8.所述硅基光开关120在相移臂a、相移臂b处增添电极，通过热光调制改变两臂的相位关系，仅从硅基光开关输出通道ⅱ7输出所有te模式光。
9.作为本实用新型的进一步方案，所述阵列波导光栅130包括输入波导8、自由输入平板波导131、阵列波导132、自由输出平板波导133和输出波导9；输入波导8的数目为1，输出波导9的数目为任意正整数，自由输入平板波导131与自由输出平板波导133均设置为罗兰圆结构，输入波导8连接自由输入平板波导131，自由输入平板波导131通过阵列波导132连接自由输出平板波导133，自由输出平板波导133连接输出波导9。
10.所述阵列波导光栅130设计在te模式下工作，且无论输入tm偏振态或者te偏振态的光信号，输入到阵列波导光栅中的都是te模式光，使该阵列波导光栅都能正常工作，取得有益效果。
11.作为本实用新型的进一步方案，所述偏振分束旋转器110、硅基光开关120、阵列波导光栅130具体数量均为1。
12.所述衬底层材料为硅，埋氧层材料为二氧化硅，器件层中使用硅材料制作偏振分束旋转器110、硅基光开关120和阵列波导光栅130，上包层材料为二氧化硅，加热电极材料为tin，电极引线材料为金属铝。
13.本实用新型的工作原理是：当一束含有多种波长的tm模式光从偏振分束旋转器输入通道1进入偏振分束旋转器110时，由非对称定向耦合结构实现偏振分束旋转功能，将输入的tm模式光转换为te模式光后从偏振分束旋转器输出通道ⅰ2输出；而当输入为一束含有多种波长的te模式光时，由于不满足偏振分束旋转器110的相位匹配条件，输入的te模式光将从偏振分束旋转器输出通道ⅱ3直接输出。对于上述两种不同模式输入光的情况，偏振分束旋转器输出通道ⅰ2和偏振分束旋转器输出通道ⅱ3输出的te模式光分别从硅基光开关输入通道ⅰ4和硅基光开关输入通道ⅱ5进入硅基光开关120，在硅基光开关120的相移臂a、相移臂b处增添的电极在通电状态下进行热光调制，改变两臂的相位关系，从而达到指定通道输出的效果，相移臂调制过程具体为：当输入光从硅基光开关输入通道ⅰ4进入硅基光开关120时，相移臂a与相移臂b的温度相同，两臂相位差为0，控制光路为交叉状态，即从硅基光开关输入通道ⅰ4进入的te模式光将从硅基光开关输出通道ⅱ7输出；当输入光从硅基光开关输入通道ⅱ5进入硅基光开关120时，在相移臂b上加热改变其温度，产生的相移为π，控制
光路为直通状态，即从硅基光开关输入通道ⅱ5进入的te模式光将从硅基光开关输出通道ⅱ7输出。通过硅基光开关输出通道ⅱ7输出的te模式光信号从阵列波导光栅输入波导8进入自由输入平板波导131，在其中发生衍射后以相同的相位进入相邻波导间具有固定长度差的阵列波导132，使相同波长的光信号在阵列波导132输出端的相邻波导间存在固定的相位差，从而不同波长的光在第二自由衍射区会聚焦到自由输出平板波导133的不同位置上，最后由若干个阵列波导光栅输出波导9输出，完成多种波长的分离。
14.本实用新型的有益效果是：
15.1、本实用新型引入偏振分束旋转器110，有效实现了输入的tm模式光到te模式光的转换，从而在同种模式光信号下避免了awg器件因偏振敏感引起的偏振相关损耗，使awg实现偏振无关。
16.2、本实用新型引入硅基光开关120，通过热光调制改变两臂的相位关系使不同输入通道输入的te模式光都由硅基光开关输出通道ⅱ7输出，实现偏振分束旋转器110转变的te模式光和原输入的te模式光都可由阵列波导光栅输入波导8输入至阵列波导光栅130实现波长分离。
17.3、本实用新型引入阵列波导光栅130，可实现te模式下一束多波长光信号不同波长的分离，实现光通信网络中波分复用的作用，有效利用了光纤的大带宽。
18.4、本实用新型设计偏振无关的波分复用器制备与成熟的cmos工艺兼容，结构简单，插入损耗低，串扰良好，获得的器件性能与之前相比有较大的提升。
附图说明
19.图1为本实用新型提供的偏振无关波分复用器的连接示意图；
20.图2为本实用新型提供的偏振分束旋转器的示意图；
21.图3为本实用新型提供的硅基光开关的示意图；
22.图4为本实用新型提供的阵列波导光栅的示意图。
23.图中：1-偏振分束旋转器输入通道；2-偏振分束旋转器输出通道ⅰ；3-偏振分束旋转器输出通道ⅱ；4-硅基光开关输入通道ⅰ；5-硅基光开关输入通道ⅱ；6-硅基光开关输出通道ⅰ；7-硅基光开关输出通道ⅱ；8-阵列波导光栅输入波导；9-阵列波导光栅输出波导；a-相移臂；b-相移臂；x1-多模干涉耦合区；x2-多模干涉耦合区；110-偏振分束旋转器；120-硅基光开关；130-阵列波导光栅；121-2
×
2多模干涉耦合器ⅰ；122-2
×
2多模干涉耦合器ⅱ；131-自由输入平板波导；132-阵列波导；133-自由输出平板波导。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。
25.实施例1：如图1-图4所示，一种偏振无关的波分复用器，从下到上依次为衬底层、埋氧层、器件层和上包层，其中上包层含有加热电极和电极引线，所述器件层包括偏振分束旋转器110、硅基光开关120和阵列波导光栅130，偏振分束旋转器110与硅基光开关120相连，硅基光开关120与阵列波导光栅130相连。
26.所述偏振分束旋转器110由宽度不同的两个脊型波导构成的非对称定向耦合结构实现tm模式光到te模式光的转换与分离，输入光为tm模式光时，由于宽波导中tm模式光的
有效折射率与窄波导中te模式光的有效折射率相等，满足相位匹配条件，通过一定的耦合长度，从偏振分束旋转器输出通道ⅰ2输出te模式光；输入光为te模式光时，不满足相位匹配条件，从偏振分束旋转器输出通道ⅱ3直接输出te模式光，所以无论是te模式光输入还是tm模式光输入，均只有te模式光输出，并且输出通道不同，同时使用非对称定向耦合结构实现的偏振分束旋转器可以实现性能优异、结构简单且尺寸较小的器件结构。
27.所述硅基光开关120包括2
×
2多模干涉耦合器ⅰ121、2
×
2多模干涉耦合器ⅱ122、硅基光开关输入通道ⅰ4、硅基光开关输入通道ⅱ5、相移臂a、相移臂b和硅基光开关输出通道ⅰ6、硅基光开关输出通道ⅱ7，其中2
×
2多模干涉耦合器ⅰ121、2
×
2多模干涉耦合器ⅱ122分别存在多模干涉耦合区x1、多模干涉耦合区x2，硅基光开关输入通道ⅰ4、硅基光开关输入通道ⅱ5分别输入由偏振分束旋转器110对输入tm模式光旋转后的te模式光和原输入的te模式光；
28.所述硅基光开关120在相移臂a、相移臂b处增添电极，通过热光调制改变两臂的相位关系，仅从硅基光开关输出通道ⅱ7输出所有te模式光。
29.偏振分束旋转器输出通道ⅰ2和偏振分束旋转器输出通道ⅱ3输出的te模式光分别由硅基光开关输入通道ⅰ4和硅基光开关输入通道ⅱ5进入硅基光开关120，通过在相移臂a、相移臂b处增添加热电极并在通电状态下进行热光调制实现相位转变而仅由硅基光开关输出通道ⅱ7输出，调制过程具体为：当输入光从硅基光开关输入通道ⅰ4进入硅基光开关120时，相移臂a与相移臂b的温度相同，两臂相位差为0，控制光路为交叉状态，即从硅基光开关输入通道ⅰ4进入的te模式光将从硅基光开关输出通道ⅱ7输出；当输入光从硅基光开关输入通道ⅱ5进入硅基光开关120时，在相移臂b上加热改变其温度，产生的相移为π，控制光路为直通状态，即从硅基光开关输入通道ⅱ5进入的te模式光将从硅基光开关输出通道ⅱ7输出。
30.所述阵列波导光栅130包括输入波导8、自由输入平板波导131、阵列波导132、自由输出平板波导133和输出波导9；输入波导8的数目为1，输出波导9的数目为16，自由输入平板波导131与自由输出平板波导133均设置为罗兰圆结构，输入波导8连接自由输入平板波导131，自由输入平板波导131通过阵列波导132连接自由输出平板波导133，自由输出平板波导133连接输出波导9。
31.该阵列波导光栅设计在te模式下工作，具体的波长分离过程为：含有不同波长的te模式光信号从阵列波导光栅输入波导8进入自由输入平板波导131，在其中发生衍射后以相同的相位进入相邻波导间具有固定长度差的阵列波导132，使相同波长的光信号在阵列波导132输出端的相邻波导间存在固定的相位差，不同波长的光会聚焦到自由输出平板波导133的不同位置上，最后由阵列波导光栅输出波导9输出，完成多种波长的分离；由于在进入阵列波导光栅130前输入的tm模式光信号会被偏振分束旋转器110转换至te模式光信号，所以解决了不同偏振模式输入光在awg中由于偏振敏感所引起的偏振相关损耗问题。
32.所述一种偏振无关的波分复用器中偏振分束旋转器110、硅基光开关(120)、阵列波导光栅130具体数量均为1。
33.本实例中所述偏振无关的波分复用器制作在8英寸的soi晶圆上，衬底层厚度为725μm，埋氧层厚度为2μm，器件层厚度为220nm。其中偏振分束旋转器使用平板层厚度为30nm，刻蚀深度为190nm的脊型波导结构，窄脊型波导宽度为200nm，宽脊型波导宽度为
500nm；硅基光开关中多模干涉耦合器的多模干涉耦合区长度为18
±
1μm，宽度为4
±
0.5μm，输入输出波导均使用直波导，长度为12
±
0.5μm，宽度为0.7
±
0.5μm，用于热光调制的加热电极使用的材料为tin，厚度为100nm，电极引线使用的材料为金属al，长度为600nm；阵列波导光栅通道间隔为3.2nm，中心工作波长为1550nm，罗兰圆半径为265.87um，阵列波导间距为3um，输出波导间距为3um，阵列波导数目为61，相邻阵列波导的长度差为11.626um，衍射级数为19，阵列波导采用脊型波导，脊宽为400nm，平板层厚度为70nm，刻蚀深度为150nm。
34.本实施例所述一种偏振无关的波分复用器的制备方法为常规方法，具体过程如下：
35.步骤一：该器件基于8英寸的soi晶圆，经过清洗、光刻形成偏振分束旋转器、硅基光开关和阵列波导光栅等结构的图形，采用硅浅刻蚀工艺形成偏振分束旋转器、硅基光开关和阵列波导光栅的脊型波导初步结构，去胶后进行清洗。
36.步骤二：采用二次光刻和硅刻蚀工艺，得到完整的脊型波导和条形波导结构，完成偏振分束旋转器、硅基光开关和阵列波导光栅的制备，去胶后进行清洗。
37.步骤三：采用pecvd方法在器件层上方沉积sio2层作为波导的包覆层，厚度为1μm，再通过cmp工艺抛光处理得到上表面光滑的sio2层。
38.步骤四：采用pvd方法在sio2层上表面沉积tin材料得到加热电极，厚度为100nm，采用光刻与干法刻蚀技术完成tin加热电极的制作，去胶后进行清洗。
39.步骤五：采用pecvd方法沉积1μm厚度的sio2层后，通过光刻和sio2刻蚀工艺得到tin加热电极上方的金属引线孔，去胶后进行清洗。
40.步骤六：采用pvd方法沉积得到al金属层，再通过光刻与干法刻蚀工艺得到金属al引线，长度为600nm，金属al引线与加热电极tin连通。
41.上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：
1.一种偏振无关的波分复用器，从下到上依次为衬底层、埋氧层、器件层和上包层，其中上包层含有加热电极和电极引线，其特征在于：所述器件层包括偏振分束旋转器(110)、硅基光开关(120)和阵列波导光栅(130)，偏振分束旋转器(110)与硅基光开关(120)相连，硅基光开关(120)与阵列波导光栅(130)相连。2.根据权利要求1所述的偏振无关的波分复用器，其特征在于：所述偏振分束旋转器(110)由宽度不同的两个脊型波导构成的非对称定向耦合结构实现tm模式光到te模式光的转换与分离，无论是te模式光输入还是tm模式光输入，均只有te模式光输出，并且输出通道不同；输入光为tm模式光时，从偏振分束旋转器输出通道ⅰ(2)输出te模式光；输入光为te模式光时，从偏振分束旋转器输出通道ⅱ(3)直接输出te模式光。3.根据权利要求1所述的偏振无关的波分复用器，其特征在于：所述硅基光开关(120)包括2
×
2多模干涉耦合器ⅰ(121)、2
×
2多模干涉耦合器ⅱ(122)、硅基光开关输入通道ⅰ(4)、硅基光开关输入通道ⅱ(5)、相移臂a、相移臂b和硅基光开关输出通道ⅰ(6)、硅基光开关输出通道ⅱ(7)，其中2
×
2多模干涉耦合器ⅰ(121)、2
×
2多模干涉耦合器ⅱ(122)分别存在多模干涉耦合区x1、多模干涉耦合区x2，硅基光开关输入通道ⅰ(4)、硅基光开关输入通道ⅱ(5)分别输入由偏振分束旋转器(110)对输入tm模式光旋转后的te模式光和原输入的te模式光；所述硅基光开关(120)在相移臂a、相移臂b处增添电极，通过热光调制改变两臂的相位关系，仅从硅基光开关输出通道ⅱ(7)输出所有te模式光。4.根据权利要求1所述的偏振无关的波分复用器，其特征在于：所述阵列波导光栅(130)包括输入波导(8)、自由输入平板波导(131)、阵列波导(132)、自由输出平板波导(133)和输出波导(9)；输入波导(8)的数目为1，输出波导(9)的数目为任意正整数，自由输入平板波导(131)与自由输出平板波导(133)均设置为罗兰圆结构，输入波导(8)连接自由输入平板波导(131)，自由输入平板波导(131)通过阵列波导(132)连接自由输出平板波导(133)，自由输出平板波导(133)连接输出波导(9)。5.根据权利要求1所述的偏振无关的波分复用器，其特征在于：所述偏振分束旋转器(110)、硅基光开关(120)、阵列波导光栅(130)具体数量均为1。

技术总结
本实用新型涉及偏振无关的波分复用器，从下到上依次为衬底层、埋氧层、器件层和上包层，其中上包层含有加热电极和电极引线，所述器件层包括偏振分束旋转器、硅基光开关和阵列波导光栅，偏振分束旋转器与硅基光开关相连，硅基光开关与阵列波导光栅相连。本实用新型使用偏振分束旋转器将输入的TM模式光转换为TE模式光，而输入的TE模式光保持偏振态不变，再通过硅基光开关将偏振分束旋转器的不同输出通道输出的TE模式光从硅基光开关的同一输出通道输出，而后输入至阵列波导光栅，在阵列波导光栅中完成多种波长的分离后输出以进行下一步的利用，本实用新型有效避免了阵列波导光栅的偏振相关损耗问题，实现了偏振无关的波分复用器。器。器。


技术研发人员：方青 高维宇 董润宇 刘世平 陈华 李天文
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/9/3