中红外偏振分光与旋转器技术

逍遥设计自动化

引言
中红外光谱区域（2-20 μm）在医疗诊断、环境监测等领域具有广泛应用。本文探讨一种新型的中红外偏振分光与旋转器（PSR）设计，该设计在3.1-3.6 μm波长范围内运行，具有出色的性能特征[1]。
. }. c" V7 k  ~( L6 \

ipjowhraoig6401666200.png

0 ]: I% a+ d  Z2 N  r
  @  [5 Y2 Y* K& r) }1
: C1 W- \) {( r, X' s中红外光子技术基础
中红外光谱在光谱技术应用中占据核心地位。硅绝缘体（SOI）平台因其与CMOS工艺的兼容性和成熟的制造工艺，已成为集成光子技术的首选平台。硅材料在中红外光谱范围内（特别是悬浮硅波导的2-7 μm范围）具有极低的吸收损耗，适合用于一氧化碳、甲烷和氨气等多种气体的检测。
/ t+ S  W9 A/ b/ [' O3 {

jimfaonseks6401666300.png

图1：PSR的示意图，展示了(a)俯视图及设计参数和(b)3D视图，包括完全刻蚀和部分刻蚀波导层的横截面。该图展示了偏振分光与旋转器的基本结构。
% W5 r9 w/ N3 A; H& `0 r
2
PSR工作原理
该PSR采用弯曲和锥形分叉波导结构，建立在SOI平台上。器件包含2微米埋氧层，并由二氧化硅覆盖。技术创新点在于分叉波导设计，两个分支具有不同的半径和角度，采用曲率随长度线性增加的绝热曲线设计。

器件的工作过程涉及横电（TE）和横磁（TM）模式的操控。当光进入器件时，基本TM模式在12微米长的锥形段内转换为一阶TE模式，而基本TE模式保持原有偏振状态。这种模式转换在紧凑的结构中高效实现。
4 A# _. j% S2 p

5hkrq10meku6401666400.png

0 ^* ]" @% P3 e% Q$ f图2：模式剖面和光传播示意图，展示了(a-d)不同模式的电场强度平方分布，以及(e-f)TE和TM模式在器件中的传播俯视图。该图说明了PSR中的模式转换和传播特性。

/ G1 L# r/ ~9 P$ g6 B3
性能特征与光谱响应
. O  N' T# h/ _  }' G" P% fPSR在工作波长范围内表现出优异的性能指标。技术分析显示，在3.1-3.5 μm范围内，端口1的偏振转换损耗保持在0.5 dB以下，表明转换效率高。端口2的插入损耗在整个光谱范围内均低于0.5 dB，显示出良好的传输特性。

绝热弯曲在减少传输损耗的同时保持了紧凑的尺寸。上分支由两条曲线组成，半径分别为7 μm和12 μm，弯曲角度分别为25度和36度。

ybfffzdmmf26401666501.png

图3：计算得到的光谱传输特性，显示了(a)两个端口的TE传输，(b)TE输入时的串扰，(c)TM输入时的串扰，以及(d)TE和TM模式的反射。该图展示了器件在不同波长下的性能。
6 G/ R2 m' l" q; }& H/ a5 D
4
制造工艺与容差分析
7 N% y& M3 l& J2 v! R制造过程采用标准CMOS双重刻蚀光刻工艺。设计包含两个硅层：500 nm完全刻蚀层和250 nm部分刻蚀层。这种双层方法在保持制造兼容性的同时，实现了精确的模式传播控制。
1 ?5 W. ~$ p5 {, o, g( k! g0 K0 F7 i
6 X. C2 J& ?" _9 G容差分析显示了优异的制造稳定性。当刻蚀深度在230-270 nm范围变化时，器件仍能保持性能稳定。同样，槽宽在70-110 nm范围内变化时，性能也保持稳定。这种稳定性源于波导几何结构和模式转换机制的精心设计。
. F* y/ }' R! K/ O) b  X

e4iomje0cfr6401666601.png

  I, l- u$ x) p5 y! s图4：不同刻蚀深度下PSR的光谱传输特性，展示了器件对制造变化的容忍度。该图说明了设计对制造变化的稳健性。
0 h4 O' {5 [' L7 ]# \# U3 V" s

trptmpgdbzi6401666701.png

) r& z' d* m3 _; b图5：不同槽宽下的光谱传输特性，展示了器件在不同制造参数下的性能稳定性。该图显示了器件在槽宽变化时如何保持性能。
8 [6 P3 F1 J2 b' d
9 ^& g) K2 C- [/ D' C: W5
+ H/ i3 O0 E6 M$ A* I应用与发展
0 v( _$ H2 O% D! \3 t+ r1 t该PSR设计在中红外领域具有广泛应用。器件在宽波长范围内保持低插入损耗（低于0.5 dB）和低串扰（低于-20 dB）的特性，使其在光谱应用中具有重要价值。与量子级联激光器的兼容性解决了中红外光子系统中的关键需求。

: z: l; Y/ D. h6 Z$ }! V50微米的紧凑尺寸相比现有解决方案（通常需要数百微米或更长）是显著进步。这种微型化结合稳定的性能特征，为中红外波段的集成光子线路提供了新的技术支持。
- d" z& H+ ?" d% r: q6 ?
6
; m' A7 ?  H$ k) p. ~结论
这种PSR设计在中红外光子技术领域展现了显著的技术优势。在紧凑尺寸内实现高效的偏振处理，同时保持与标准制造工艺的兼容性，使其在中红外光谱精确偏振控制应用中具有重要作用。

- Y( M( Y/ O6 R& y  W5 B$ n% @! _参考文献
1 e! Q8 V% S( A  b& f0 o/ S# N' i, v[1] H. Zafar and M. F. Pereira, "An efficient and compact midinfrared polarization splitter and rotator based on a bifurcated tapered-bent waveguide," Scientific Reports, vol. 15, Art. no. 5160, Feb. 2025, doi: 10.1038/s41598-025-89420-3
END

软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请

欢迎转载

6 _# C$ ^  W4 g$ K# U转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

3 Q7 X- l: u6 R2 ], o; N) h- u" ?
/ ^& i# \% J" O' s" w* z
" q2 K5 Z( \2 D; O+ ~  u$ h

udyu5uqpops6401666801.gif

关注我们

, q$ O6 |% U! E5 f) K, ^

5 j/ h2 U1 ?8 y) Z3 Q+ z( u qr45ccxepae6401666901.png

icgp2paw5qx6401667001.png 8 s/ n, }  e: O# q' Z

( v# s2 R  _+ X+ k) `1 S o5s5ltyn5h16401667101.png

                     
! W2 }4 ~6 n1 ~8 h
) s2 c) Z, y3 k8 Y
4 t& F+ p0 }; @- q8 ]+ s
关于我们：
) v4 A5 L" Z. x" U. C深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）