5、硅光子波导组件中的偏振控制

硅光子波导组件中的偏振控制

1. 不同形状波导的特性对比

在硅光子波导中，矩形和梯形波导是常见的两种类型。当脊高为2.2μm，蚀刻深度为1.5μm时，矩形波导（宽度2μm）和梯形波导（顶部宽度1.5μm，侧壁角度54°）具有相似的模式尺寸和弯曲半径。然而，梯形波导的模场与硅/氧化物边界的重叠比矩形波导小，这是导致两种波导表现不同的主要原因。

在波导制造方面，采用反应离子蚀刻时，接近垂直的侧壁角度（θ > 75°）较为常见，但精确保持θ = 90°很困难。而使用各向异性湿法化学蚀刻，在(100)取向的晶圆上，平行于< 110 >晶面的波导预计侧壁角度为54°。实际上，为了降低制造要求，侧壁角度θ < 85°是比较理想的。

2. 几何双折射与芯尺寸的关系

随着脊高的减小，几何双折射（Δngeo）对结构参数的依赖性急剧增加。以不同脊高（从4μm到1μm）、宽度W = 0.8H的波导为例，当芯尺寸较大（如H = 4μm）时，双折射通常较低，在相当大的纵横比r = h/H值范围内，Δngeo处于可接受水平（< 10⁻⁴）。但对于小芯尺寸，只有很窄的r值范围能产生低双折射。

在蚀刻深度波动D = ± 2.5%H时，从接近无双折射点提取的数据显示，对于H = 1μm的波导，蚀刻深度变化±10nm，Δngeo的变化斜率约为2×10⁻³，这对于许多应用来说过高。此外，由于制造技术的限制，精确控制波导尺寸很困难，如接触印刷光刻会导致波导宽度有100nm左右的变化，即使使用最先进的高分辨率光刻方法（如电子束直写或深紫外步进器），实现10nm级的尺寸控制也极具挑战性。因此，除了修改波导几何形状外，寻找其他控制双折射的方法是很有必要