波導型偏振轉(zhuǎn)換器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及偏振轉(zhuǎn)換器及其制備方法，尤其涉及一種基于表面等離激元的波導型 偏振轉(zhuǎn)換器及其制備方法，屬于集成光電子技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于二氧化硅與硅之間具有較高的折射率差，硅基納米光子器件都具有較強的 偏振相關(guān)的結(jié)構(gòu)雙折射。在光纖通信應(yīng)用中，由于光纖中光傳播模式偏振態(tài)的隨機性，石圭 基納米光子器件特別是硅波導的偏振選擇性將引起偏振模色散、偏振相關(guān)損耗、波長偏振 相關(guān)等問題。此外，近年來偏振在光通信中被作為光信號中區(qū)別于波長的另一個維度進 行復用，實現(xiàn)帶寬的提高，因此對硅基納米光波導中偏振態(tài)的控制就顯得尤為重要。偏 振轉(zhuǎn)換器就是一類用于控制光波導偏振的器件，這種器件通常在硅波導上制備帶有傾斜 角度的波導結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)兩種偏振模式的轉(zhuǎn)換（札!1.〇61^6丨31.，]\1^811丨￥3￥6.16〇1111〇1· Vol. 23432-445, 2005)，但傾斜的波導坡面增加了工藝制作的難度。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的臺階 式波導結(jié)構(gòu)（Z. WangetaL，J. Opt. Soc. Am. BVoL 25747-753, 2008)依然需要多步對準光刻 來實現(xiàn)器件制備。因此，提供一種制備方法簡單，尺寸緊湊，偏振轉(zhuǎn)換效率高的偏振轉(zhuǎn)換器 具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于表面等離激元的波導型偏 振轉(zhuǎn)換器，該偏振轉(zhuǎn)換器可以在較短波導長度內(nèi)獲得高效的偏振轉(zhuǎn)換，并且其結(jié)構(gòu)簡單，制 備工藝中不需要高精度對準的多次光刻，降低了工藝難度。
[0004] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：
[0005] -種波導型偏振轉(zhuǎn)換器，包括偏振轉(zhuǎn)換波導以及與所述偏振轉(zhuǎn)換波導兩端耦合的 輸入波導和輸出波導，其中，所述偏振轉(zhuǎn)換波導包括波導層、介質(zhì)層和金屬層，所述介質(zhì)層 覆設(shè)于所述波導層的頂面和至少一側(cè)面，所述金屬層覆設(shè)于所述介質(zhì)層的頂面和一側(cè)面。
[0006] 優(yōu)選地，所述波導層為條形或脊形波導。
[0007] 優(yōu)選地，所述介質(zhì)層的材料選自折射率在1. 35~2. 2范圍內(nèi)的無機材料或有機聚 合物材料或無機材料與有機聚合物材料組合。
[0008] 優(yōu)選地，所述介質(zhì)層的厚度為5~150納米。
[0009] 優(yōu)選地，所述介質(zhì)層的材料為二氧化硅、氮化硅、氟化鎂、氧化銦錫或硒化鋅。
[0010] 優(yōu)選地，所述金屬層的材料選自金、鉬、銀、銅、鋁、鈦中的任意一種或多種的組合。
[0011] 優(yōu)選地，所述金屬層的厚度為30~200納米。
[0012] 優(yōu)選地，所述波導層的高度為200~600納米，寬度為200~600納米。
[0013] 優(yōu)選地，所述輸入波導和輸出波導具有相同的高度和寬度。
[0014] 優(yōu)選地，所述波導層包括至少兩個傳播模式，并且波導層的長度戈
其中Δβ 為最低階兩個傳播模式的傳播常數(shù)之差，所述波導層的長度誤差不超過5%。
[0015] 優(yōu)選地，所述波導層的傳播模式的電磁場分布形成的光軸相對于輸入波導的傳播 模式的光軸偏轉(zhuǎn)角為45度，誤差不超過6% ;
[0016] 其中，光軸偏轉(zhuǎn)角的定義為：
[0018] 式中Θ為光軸偏轉(zhuǎn)角，Hx (X，y)和Hy (X，y)分別為X和y偏振方向的磁場分量。
[0019] 優(yōu)選地，所述波導層制備于SOI晶片的頂層硅材料層上。
[0020] 如上所述的波導型偏振轉(zhuǎn)換器的制備方法，包括如下步驟：
[0021] (1)將波導材料層圖形轉(zhuǎn)移到SOI晶片的光刻膠上；
[0022] (2)在SOI晶片的頂層制備波導材料層；
[0023] (3)將所述波導材料層分為輸入波導、輸出波導以及波導層，在所述輸入波導和輸 出波導部分制備光刻膠掩膜；
[0024] (4)在所述波導層的頂面和至少一個偵_制備介質(zhì)層；
[0025] (5)在所述介質(zhì)層上制備金屬層；
[0026] (6)將所述輸入波導和輸出波導部分的光刻膠、介質(zhì)層和金屬薄層去除，獲得所述 波導型偏振轉(zhuǎn)換器。
[0027] 本發(fā)明的一些優(yōu)選的實施方案中，基于表面等離激元構(gòu)建了一種新型的波導型偏 振轉(zhuǎn)換器。與現(xiàn)有波導型偏振轉(zhuǎn)換器相比，該偏振轉(zhuǎn)換器通過在波導層上沉積介質(zhì)層和非 對稱金屬層來實現(xiàn)偏振偏振轉(zhuǎn)換波導中兩個傳播模式的光軸旋轉(zhuǎn)，從而獲得輸出波導中模 式偏振態(tài)相對輸入波導中模式偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換。相比于現(xiàn)有技術(shù)中的臺階型或斜面型偏振轉(zhuǎn) 換器所必須的在波導層頂面上進行高精度對準光刻的工藝，該偏振轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，其制 備工藝中不需要高精度對準的多次光刻，降低了工藝難度，提高器件良品率。此外，本發(fā)明 的波導型偏振轉(zhuǎn)換器可以在小于10微米的尺寸內(nèi)獲得高于99%的偏振轉(zhuǎn)換，具有重要應(yīng) 用前景。
【附圖說明】
[0028] 為了更清楚地說明本發(fā)明的內(nèi)容，下面將對實施例做簡單的介紹。本發(fā)明提供優(yōu) 選實施例，但不應(yīng)該被認為僅限于在此闡述的實施例。附圖是本發(fā)明的理想化實施例的示 意圖，作為示意圖不應(yīng)該被認為嚴格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系。本發(fā)明所示的實施例不 應(yīng)該被認為僅限于圖中所示的區(qū)域的特定形狀。圖中的表示是示意性的，不應(yīng)該被認為限 制本發(fā)明的范圍。
[0029] 圖1為本發(fā)明實施例1中的波導型偏振轉(zhuǎn)換器的立體圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明實施例1中輸入波導支持的傳播模式1在輸入波導橫截面內(nèi)的磁場 分布圖示。
[0031] 圖3為本發(fā)明實施例1中輸入波導支持的傳播模式2在輸入波導橫截面內(nèi)的磁場 分布圖示。
[0032] 圖4為本發(fā)明實施例1中偏振轉(zhuǎn)換波導支持的傳播模式1在偏振轉(zhuǎn)換波導橫截面 內(nèi)的磁場分布圖示。
[0033] 圖5為本發(fā)明實施例1中偏振轉(zhuǎn)換波導支持的傳播模式2在偏振轉(zhuǎn)換波導橫截面 內(nèi)的磁場分布圖示。
[0034] 圖6為本發(fā)明實施例1中輸入波導支持的傳播模式1在偏振轉(zhuǎn)換器中進行偏振轉(zhuǎn) 換時，縱向電場E y在通過波導層中心時在平行于SOI晶片表面的平面內(nèi)的分布圖示。
[0035] 圖7為本發(fā)明實施例1中輸入波導支持的傳播模式1在偏振轉(zhuǎn)換器中進行偏振轉(zhuǎn) 換時，橫向電場E x在通過波導層中心時在平行于SOI晶片表面的平面內(nèi)的分布圖示。
[0036] 圖8為本發(fā)明實施例1中輸入波導支持的傳播模式2在偏振轉(zhuǎn)換器中進行偏振轉(zhuǎn) 換時，橫向電場E x在通過波導層中心時在平行于SOI晶片表面的平面內(nèi)的分布圖示。
[0037] 圖9為本發(fā)明實施例1中輸入波導支持的傳播模式2在偏振轉(zhuǎn)換器中進行偏振轉(zhuǎn) 換時，縱向電場E y在通過波導層中心時在平行于SOI晶片表面的平面內(nèi)的分布圖示。
[0038] 圖10為本發(fā)明實施例1中偏振轉(zhuǎn)換效率以及光軸偏轉(zhuǎn)角與波導層參數(shù)的變化關(guān) 系圖。
[0039] 圖11為本發(fā)明實施例1中偏振轉(zhuǎn)換波導的傳輸損耗以及偏振轉(zhuǎn)換波導長度與介 質(zhì)層參數(shù)的變化關(guān)系圖。
[0040] 圖12為本發(fā)明實施例1中偏振轉(zhuǎn)換效率以及插入損耗與波長的變化關(guān)系圖。
[0041] 圖13為本發(fā)明實施例1中偏振轉(zhuǎn)換效率與偏振轉(zhuǎn)換波導長度誤差的變化關(guān)系圖。
[0042] 圖14a_14g為本發(fā)明實施例1中偏振轉(zhuǎn)換器制備方法的工藝流程圖。
[0043] 圖15為本發(fā)明實施例2中偏振轉(zhuǎn)換波導支持的傳播模式1在偏振轉(zhuǎn)換波導橫截 面內(nèi)的磁場分布圖示。
[0044] 圖16為本發(fā)明實施例2中偏振轉(zhuǎn)換波導支持的傳播模式2在偏振轉(zhuǎn)換波導橫截 面內(nèi)的磁場分布圖示。
[0045] 圖17為本發(fā)明實施例3中的波導型偏振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046] 圖18為本發(fā)明實施例3中偏振轉(zhuǎn)換波導支持的傳播模式1在偏振轉(zhuǎn)換波導橫截 面內(nèi)的磁場分布圖示。
[0047] 圖19為本發(fā)明實施例3中偏振轉(zhuǎn)換波導支持的傳播模式2在偏振轉(zhuǎn)換波導橫截 面內(nèi)的磁場分布圖示。
[0048] 圖20為本發(fā)明實施例4中的波導型偏振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0049] 圖21為本發(fā)明實施例4中偏振轉(zhuǎn)換波導支持的傳播模式1在偏振轉(zhuǎn)換波導橫截