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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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。

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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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。

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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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。

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。

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

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。

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。

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。

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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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。