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]。

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: T0 l4 R# f8 c/ x8 g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。
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' M; q6 E, p, U/ t, n: A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。
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7 g5 E/ P! c' m) jPSR工作原理
6 T% D' ^* C  D4 z0 B* E7 _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。

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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。

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0 r. ?; C! \! \$ O& n性能特征与光谱响应
PSR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。
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! u( Z1 V1 Y- i6 s$ F+ }8 J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。
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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。

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制造工艺与容差分析
. I- A3 ~* N6 ~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。
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+ e9 }- y- f. B$ j; p8 W! k! w, \7 q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。

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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。
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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。
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应用与发展
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。

50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。

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' n  k, d: }$ I2 T结论
1 R8 o2 {) A) l9 X, @2 _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。
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: Y/ ]1 o2 ]) n. u8 K5 F! _参考文献
[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
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/ ]: h# u' O2 x  Y  e3 p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。
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