[发明专利]一种基于氮化硅的非对称波导结构

说明书

本发明涉及一种基于半导体的偏振相关模式转换器，包括：一种用SiN_X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，且内嵌于一种含SiO₂的包层材料中或其他折射率低于1.6且高于1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垂直非对称结构的第一段，所述非对称结构包括位于所述波导材料之上的薄硅层，在垂直方向的所述薄硅层的厚度小于相同垂直方向的所述波导材料的厚度。

技术领域

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

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SiO₂(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。

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。主要是因为氮化硅(n＝2)和二氧化硅(1.5)之间与硅(n＝3.5)和二氧化硅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(polarization splitter and rotator，PSR) 作为关键块。已公开发布使用氮化硅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。

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1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SiN_X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SiN_X层。

Chen等人2012年在美国光纤通信展览会及研讨会(OFC/NFOEC)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》(OW3G.7)，介绍了一种在极化分集结构中的SiN_X阵列式波导光栅。然而，这正是将SiN_X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

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。

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SiN_X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SiO₂的包层材料中或其他折射率低于1.6且高于1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。

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(TM0)转换为一阶TE偏振模式(TE1)，而所述TE偏振模式(TE0)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。

根据本发明的第一种实现方式，所述硅层在垂直方向的厚度在10nm至100nm之间。所述波导材料在相同垂直方向的厚度可在100nm以上至600nm之间，较佳地，在300nm至500nm之间。