IEEE SiPhotonics2025 | 基于模式演化的氮化硅和硅层间绝热垂直过渡的偏振旋转器

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引言
硅基光电子(SiPh)因其占用空间小、成本低和与大面积晶圆工艺兼容的特点，成为光子集成线路的理想平台。这些优势使硅基光电子非常适合高密度集成和光学器件的大规模生产。该平台的应用已经超出了光通信领域，扩展到了成像和传感等领域。在所有这些应用中，偏振操控都发挥着关键作用。

在光通信领域，偏振分集复用技术可以增加传输容量。在传感应用中，通过测量接收光相对于发射光的偏振状态变化，可以估计物体表面状态。硅基光电子平台上之前的偏振操控方法包括使用脊形锥结构和等离子体波导的基于模式演化的偏振旋转器(PR)，以及通过连接锥形结构和方向耦合器实现的偏振分束-旋转器(PSR)。

( e, U- \0 J( n$ D  s, ~1 o8 S本文介绍了一种新概念：双层偏振旋转器，该旋转器通过使用具有不同光轴的绝热垂直锥形结构实现氮化硅(SiN)和硅(Si)层之间的偏振旋转和模式耦合。与以往的实现方式不同，这种设计不需要脊形加工或空气包覆，这些工艺通常因加工难度大而容易受到制造变异的影响。相反，它可以使用商业代工厂的标准工艺，在带有氮化硅波导层的薄膜硅绝缘体(SOI)上制造[1]。

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设计原理
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图1：(a) PR的横截面视图，红色标示设计变量。(b) PR的示意平面图。(c) 不同横截面处的模场强度分布，显示从SiN输入到Si输出的转变，同时进行偏振旋转。
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# U0 ?5 `. W7 U4 O* E该设计使用了一种硅基光电子平台，在薄膜SOI上有一个氮化硅波导层，如图1(a)所示。为了实现氮化硅和硅层之间的偏振旋转和模式耦合，双层偏振旋转器需要两个关键元素。首先，氮化硅和硅的垂直锥形结构实现两层之间的模式转换。其次，硅和氮化硅的非对称定位促进了横电模式(TE)和横磁模式(TM)之间的模式转换。

在图1(b)所示的偏振旋转器(PR)区域中，氮化硅波导和硅波导之间的宽度关系被反转，以满足第一个要求。此外，为了满足第二个要求，两个波导具有不同的光轴，使它们在横向方向上逐渐分离。
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9 s3 g( ]1 X3 e. E* A2 @通过满足这些要求，图1(c)所示的横截面(i)-(v)处的模场强度分布展示了输入到氮化硅波导的TE/TM模式如何转变到硅波导，同时进行偏振旋转。这种旋转是由于模式在PR区域中被氮化硅对角拉动而产生的。
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实际设计实现
对于实际器件设计，设计变量仅限于宽度方向的尺寸，因为厚度值通常在代工厂工艺中是固定的。三个主要设计变量包括氮化硅宽度(wSiN)、硅宽度(wSi)和两个波导中心之间的横向偏移(doffset)。

) o; i8 e' X, J  G/ W这些变量设置为如图1(b)所示的特定值，并在PR区域中线性变化。这些值是通过考虑代工厂的设计规则、PR区域两端的反射率以及PR区域内传播模式的有效折射率变化而确定的。
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图2：(a)模式有效折射率和(b)每种模式转换的TE偏振分数的计算结果。水平轴表示PR区域中的归一化传播距离。
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2 `' F2 U' |8 M( C4 D' v: A' ^0 ?图2显示了沿着归一化传播距离在PR区域中计算的模式有效折射率和TE偏振分数。在混合区域，两种模式之间的模式有效折射率差异很小，TE偏振分数互换，TE和TM的混合模式被激发，导致偏振转换。

6 t4 k8 M, t* o# H; l5 @为了最小化PR损耗，抑制传播过程中模式有效折射率的变化非常重要。在混合区域，对于两种转换——氮化硅(TE)和硅(TM)之间，以及氮化硅(TM)和硅(TE)之间——模式有效折射率的变化保持最小。这种对模式有效折射率的精细控制确保了高效的偏振转换和最小的损耗。
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- l  `  B0 X4 D0 C$ N) o性能分析

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6 N; s8 ]( K! y: L; C( q4 H( w图3：当TE模式从氮化硅波导输入时，硅波导输出处的偏振消光比(PER)。(a)在1.55 μm波长下的PR长度依赖性。(b)在PR长度为500 μm时的波长依赖性。实线表示设计尺寸的特性，虚线显示带有制造变异的特性。

对于图1(b)所示的器件，使用特征模式展开(EME)方法计算了1.55 μm波长下的偏振消光比(PER)。当TE模式从氮化硅波导输入时，PER通过计算硅波导输出处TM模式与TE模式的功率比得出。
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2 v$ }! B" h; Y0 y; H' u* U该计算还考虑了间隙和doffset的±3σ制造变异，这些是使用两层结构的PR结构中独特的变异来源。图3(a)显示，即使有这些变异，在PR长度为500 μm时，计算的PER仍超过20 dB。这一结果表明该设计对典型的制造变异具有稳健性，这对商业可行性至关重要。

: o% M7 x/ x1 s/ C. O此外，还计算了PR长度为500 μm时PER的波长依赖性，如图3(b)所示。PR特性的变化足够小，使得在整个C波段范围内实现了超过20 dB的PER。虽然图中没有明确显示，但氮化硅(TM)和硅(TE)之间的转换在整个C波段范围内也表现出超过20 dB的PER。这种宽带性能使该器件适用于光通信中的广泛应用。

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- \3 j) J! M# E6 C. m7 w* Z测量结果

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图4：(a)插入损耗(IL)和(b)偏振消光比(PER)的波长依赖性测量结果。

* E2 I  s4 e) @. c9 G! c4 R使用商业代工厂的标准工艺制造的PR进行了测量。当TE模式输入到氮化硅波导时，测量了插入损耗(IL)和PER。IL定义为氮化硅TE模式输入和硅TM模式输出之间的功率差，并使用切回法测量。PER通过从TE和TM的每个输出功率中减去波导损耗和端面耦合损耗来评估。
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! ?8 ?: P8 M! k: p( Q8 B如图4(a)所示，测量的IL在C波段范围内约为0.2 dB。这种极低的插入损耗对于偏振旋转器件来说是一个重要成就，证明了模式转换过程的高效率。图4(b)显示整个C波段范围内测量的平均PER为20 dB或更高。评估结果中观察到的波纹归因于测量设置本身的固有PER，而非器件性能。
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6 [9 h9 W' E6 X6 O* q计算结果与测量结果之间的强相关性验证了设计方法，并确认了使用标准代工厂工艺制造该器件的可行性。低插入损耗和高偏振消光比证明了绝热垂直过渡概念在实现氮化硅和硅层之间高效偏振旋转方面的有效性。

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结论
+ N" z/ v, |" o" T, X" J本文介绍了一种新概念的偏振旋转器，实现了氮化硅波导和硅波导之间的模式转换。该器件不需要脊形波导或空气包覆结构，可以使用商业代工厂的标准工艺制造。计算结果显示，即使考虑两层之间的制造变异，在整个C波段范围内PER也超过20 dB。测量结果确认了约0.2 dB的IL和整个C波段范围内平均20 dB或更高的PER。
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这种偏振旋转的创新方法代表了硅基光电子技术的显著进步，为集成光子线路中的偏振操控提供了稳健且可制造的解决方案。低插入损耗、高偏振消光比和宽带性能的组合使该器件特别适合光通信、传感和其他依赖高效偏振控制的新兴领域的应用。
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参考文献
[1] Fujisawa, Y. Sugimoto, H. Uemura, K. Tanaka, and K. Uesaka, "Mode-evolution based polarization rotator with adiabatic vertical transition between SiN and Si layers," in IEEE SiPhotonics, 2025
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