CN105319644B - 波导型偏振转换器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波导型偏振转换器，包括偏振转换波导以及与所述偏振转换波导两端耦合的输入波导和输出波导，所述偏振转换波导包括波导层、介质层和金属层，所述介质层覆设于所述波导层的顶面和至少一侧面，所述金属层覆设于所述介质层的顶面和一侧面。本发明还公开了如上所述偏振转换器的制备方法。本发明提供的基于表面等离激元的波导型偏振转换器，其制备工艺简单、尺寸紧凑、偏振转换效率高，在光子集成回路中具有重要应用前景。

Description

波导型偏振转换器及其制备方法
技术领域
本发明涉及偏振转换器及其制备方法，尤其涉及一种基于表面等离激元的波导型偏振转换器及其制备方法，属于集成光电子技术领域。
背景技术
由于二氧化硅与硅之间具有较高的折射率差，硅基纳米光子器件都具有较强的偏振相关的结构双折射。在光纤通信应用中，由于光纤中光传播模式偏振态的随机性，硅基纳米光子器件特别是硅波导的偏振选择性将引起偏振模色散、偏振相关损耗、波长偏振相关等问题。此外，近年来偏振在光通信中被作为光信号中区别于波长的另一个维度进行复用，实现带宽的提高，因此对硅基纳米光波导中偏振态的控制就显得尤为重要。偏振转换器就是一类用于控制光波导偏振的器件，这种器件通常在硅波导上制备带有倾斜角度的波导结构来实现两种偏振模式的转换(H.H.Dengetal.,J.Lightwave.Technol.Vol.23432-445,2005)，但倾斜的波导坡面增加了工艺制作的难度。在此基础上发展的台阶式波导结构(Z.Wangetal.,J.Opt.Soc.Am.BVol.25747-753,2008)依然需要多步对准光刻来实现器件制备。因此，提供一种制备方法简单，尺寸紧凑，偏振转换效率高的偏振转换器具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于表面等离激元的波导型偏振转换器，该偏振转换器可以在较短波导长度内获得高效的偏振转换，并且其结构简单，制备工艺中不需要高精度对准的多次光刻，降低了工艺难度。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种波导型偏振转换器，包括偏振转换波导以及与所述偏振转换波导两端耦合的输入波导和输出波导，其中，所述偏振转换波导包括波导层、介质层和金属层，所述介质层覆设于所述波导层的顶面和至少一侧面，所述金属层覆设于所述介质层的顶面和一侧面。
优选地，所述波导层为条形或脊形波导。
优选地，所述介质层的材料选自折射率在1.35～2.2范围内的无机材料或有机聚合物材料或无机材料与有机聚合物材料组合。
优选地，所述介质层的厚度为5～150纳米。
优选地，所述介质层的材料为二氧化硅、氮化硅、氟化镁、氧化铟锡或硒化锌。
优选地，所述金属层的材料选自金、铂、银、铜、铝、钛中的任意一种或多种的组合。
优选地，所述金属层的厚度为30～200纳米。
优选地，所述波导层的高度为200～600纳米，宽度为200～600纳米。
优选地，所述输入波导和输出波导具有相同的高度和宽度。
优选地，所述波导层包括至少两个传播模式，并且波导层的长度为其中Δβ为最低阶两个传播模式的传播常数之差，所述波导层的长度误差不超过5％。
优选地，所述波导层的传播模式的电磁场分布形成的光轴相对于输入波导的传播模式的光轴偏转角为45度，误差不超过6％；
其中，光轴偏转角的定义为：
式中θ为光轴偏转角，Hx(x,y)和Hy(x,y)分别为x和y偏振方向的磁场分量。
优选地，所述波导层制备于SOI晶片的顶层硅材料层上。
如上所述的波导型偏振转换器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将波导材料层图形转移到SOI晶片的光刻胶上；
(2)在SOI晶片的顶层制备波导材料层；
(3)将所述波导材料层分为输入波导、输出波导以及波导层，在所述输入波导和输出波导部分制备光刻胶掩膜；
(4)在所述波导层的顶面和至少一个侧面制备介质层；
(5)在所述介质层上制备金属层；
(6)将所述输入波导和输出波导部分的光刻胶、介质层和金属薄层去除，获得所述波导型偏振转换器。
本发明的一些优选的实施方案中，基于表面等离激元构建了一种新型的波导型偏振转换器。与现有波导型偏振转换器相比，该偏振转换器通过在波导层上沉积介质层和非对称金属层来实现偏振偏振转换波导中两个传播模式的光轴旋转，从而获得输出波导中模式偏振态相对输入波导中模式偏振态的转换。相比于现有技术中的台阶型或斜面型偏振转换器所必须的在波导层顶面上进行高精度对准光刻的工艺，该偏振转换器结构简单，其制备工艺中不需要高精度对准的多次光刻，降低了工艺难度，提高器件良品率。此外，本发明的波导型偏振转换器可以在小于10微米的尺寸内获得高于99％的偏振转换，具有重要应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的内容，下面将对实施例做简单的介绍。本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。附图是本发明的理想化实施例的示意图，作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。图中的表示是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。
图1为本发明实施例1中的波导型偏振转换器的立体图。
图2为本发明实施例1中输入波导支持的传播模式1在输入波导横截面内的磁场分布图示。
图3为本发明实施例1中输入波导支持的传播模式2在输入波导横截面内的磁场分布图示。
图4为本发明实施例1中偏振转换波导支持的传播模式1在偏振转换波导横截面内的磁场分布图示。
图5为本发明实施例1中偏振转换波导支持的传播模式2在偏振转换波导横截面内的磁场分布图示。
图6为本发明实施例1中输入波导支持的传播模式1在偏振转换器中进行偏振转换时，纵向电场Ey在通过波导层中心时在平行于SOI晶片表面的平面内的分布图示。
图7为本发明实施例1中输入波导支持的传播模式1在偏振转换器中进行偏振转换时，横向电场Ex在通过波导层中心时在平行于SOI晶片表面的平面内的分布图示。
图8为本发明实施例1中输入波导支持的传播模式2在偏振转换器中进行偏振转换时，横向电场Ex在通过波导层中心时在平行于SOI晶片表面的平面内的分布图示。
图9为本发明实施例1中输入波导支持的传播模式2在偏振转换器中进行偏振转换时，纵向电场Ey在通过波导层中心时在平行于SOI晶片表面的平面内的分布图示。
图10为本发明实施例1中偏振转换效率以及光轴偏转角与波导层参数的变化关系图。
图11为本发明实施例1中偏振转换波导的传输损耗以及偏振转换波导长度与介质层参数的变化关系图。
图12为本发明实施例1中偏振转换效率以及插入损耗与波长的变化关系图。
图13为本发明实施例1中偏振转换效率与偏振转换波导长度误差的变化关系图。
图14a-14g为本发明实施例1中偏振转换器制备方法的工艺流程图。
图15为本发明实施例2中偏振转换波导支持的传播模式1在偏振转换波导横截面内的磁场分布图示。
图16为本发明实施例2中偏振转换波导支持的传播模式2在偏振转换波导横截面内的磁场分布图示。
图17为本发明实施例3中的波导型偏振转换器的结构示意图。
图18为本发明实施例3中偏振转换波导支持的传播模式1在偏振转换波导横截面内的磁场分布图示。
图19为本发明实施例3中偏振转换波导支持的传播模式2在偏振转换波导横截面内的磁场分布图示。
图20为本发明实施例4中的波导型偏振转换器的结构示意图。
图21为本发明实施例4中偏振转换波导支持的传播模式1在偏振转换波导横截面内的磁场分布图示。
图22为本发明实施例4中偏振转换波导支持的传播模式2在偏振转换波导横截面内的磁场分布图示。
具体实施方式
如前所述，本发明的目的是提供一种波导型偏振转换器，该偏振转换器可以在较短波导长度内获得高效的偏振转换，并且其结构简单，制备工艺中不需要高精度对准的多次光刻，降低了工艺难度。该波导型偏振转换器包括偏振转换波导以及与所述偏振转换波导两端耦合的输入波导和输出波导，其中，所述偏振转换波导包括波导层、介质层和金属层，所述介质层覆设于所述波导层的顶面和至少一侧面，所述金属层覆设于所述介质层的顶面和一侧面。
通过在输入和输出波导之间的波导层上制备介质层和非对称的金属包覆层，构成偏振转换波导。偏振转换波导至少包括两个导波模式，非对称的金属包覆层使得偏振转换波导中两个传播模式的光轴相对于输入波导中传播模式的光轴发生旋转。当光在一定长度的偏振转换波导中传播后，在偏振转换波导与输出波导的界面处发生模式耦合，结果造成输出波导中模式偏振态相对输入波导中模式偏振态的改变。当偏振偏振转换波导中两个传播模式的光轴相对输入波导中传播模式光轴偏转角为45度，并且偏振转换波导长度满足其两个传播模式积累的传输相位差为π时，输出波导中模式偏振态相对于输入波导中模式偏振态旋转90度，即实现完全的偏振转换。为了满足完全的偏振转换，波导层的长度设置为其中Δβ为最低阶两个传播模式的传播常数之差，波导层的长度误差不超过5％，即偏振消光比不低于20分贝；通过改变波导层、介质层、金属层的材料结构参数可以调节光轴偏转角为45度，误差不超过6％，即偏振消光比不低于20分贝，其中，光轴偏转角的定义为：
式中θ为光轴偏转角，Hx(x,y)和Hy(x,y)分别为x和y偏振方向的磁场分量，x为偏振转换波导横截面内平行于晶片面的方向，y为偏振转换波导横截面内垂直于x的方向，光波导的传播方向为z方向。该偏振转换器结构简单，其制备工艺中不需要高精度对准的多次光刻，降低了工艺难度，提高器件良品率；并且可以在较短波导长度内获得高效的偏振转换。
下面结合若干具体实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
参阅图1，本实施例基于表面等离激元的波导型偏振转换器包括偏振转换波导2以及与偏振转换波导2两端耦合的输入波导1和输出波导3，其中，偏振转换波导包括波导层22、介质层33和金属层44，介质层33覆设于波导层22的顶面和其中一侧面，金属层44覆设于介质层33之上。本实施例中，输入波导1、偏振转换波导2以及输出波导3通过在SOI晶片(包括硅衬底00、二氧化硅绝缘层11和顶层硅材料)的顶层硅材料中制备形成。其中，输入波导1、偏振转换波导2以及波导层22为条形波导，材料均为硅，介质层33的材料为二氧化硅，金属层44的材料为银。
设定z方向为光波导的传播方向，y方向垂直于衬底00，x方向垂直于yz平面。本实施例中，波导层22的高和宽均为310纳米；介质层33覆设于波导层22的顶面和其中一侧面，厚度为50纳米；金属层44覆设于介质层33之上，厚度为80纳米；波导层22的长度为9.7微米。在此实施例中，输入波导1、输出波导3与偏振转换波导2中的波导层22的高度和宽度一致。
参阅图2-5，图2为本实施例中输入波导1支持的传播模式1在输入波导1横截面内的磁场分布图示；图3为本实施例中输入波导1支持的传播模式2在输入波导1横截面内的磁场分布图示；图4为本实施例中偏振转换波导2支持的传播模式1在偏振转换波导2的横截面内的磁场分布图示；图5为本实施例中偏振转换波导2支持的传播模式2在偏振转换波导2的横截面内的磁场分布图示。对比图4、5和图2、3，可以看出偏振转换波导2中的光轴相对于输入波导1中的光轴发生了旋转。
对输入波导1支持的传播模式1在本实施例提供的偏振转换器中偏振转换进行仿真，结果如图6和图7所示。图6为输入波导1支持的传播模式1在偏振转换器中进行偏振转换时，纵向电场Ey在通过波导层22中心时在平行于SOI晶片表面的平面内的分布图示；图7为输入波导1支持的传播模式1在偏振转换器中进行偏振转换时，横向电场Ex在通过波导层22中心时在平行于SOI晶片表面的平面内的分布图示。从图6和图7中可以看出，输入波导1支持的传播模式1从输入波导1耦合进入偏振转换波导2，经过9.7微米长度的传输，转换成为另一偏振态的光从输出波导3中输出。对输入波导1支持的传播模式2在本实施例提供的偏振转换器中偏振转换进行仿真，结果如图8和图9所示。图8为输入波导1支持的传播模式2在偏振转换器中进行偏振转换时，横向电场Ex在通过波导层22中心时在平行于SOI晶片表面的平面内的分布图示；图9为输入波导1支持的传播模式2在偏振转换器中进行偏振转换时，纵向电场Ey在通过波导层22中心时在平行于SOI晶片表面的平面内的分布图示。从图8和图9中可以看出，输入波导1支持的传播模式2从输入波导1耦合进入偏振转换波导2，经过9.7微米长度的传输，转换成为另一偏振态的光从输出波导3中输出。
下面进一步分析器件结构参数对偏振转换的影响。
图10为本实施例中偏振转换效率以及光轴偏转角与波导层参数的变化关系图。偏振转换效率定义为经偏振转换后所得传播模式的能量与偏振转换后所有传播模式能量总和的比值。从图10中可以看出，在不同厚度的金属层44的情况下，随着波导层22尺寸变化，偏振转换效率具有最大值。图10同时还示出了在不同厚度的金属层44情况下，光轴偏转角随波导层22尺寸的变化关系，可以看出若要实现光轴偏转角为45度，需要综合考虑波导层22尺寸与金属层44厚度。
图11为本发明实施例1中偏振转换波导2的传输损耗以及偏振转换波导2的长度与介质层33参数的变化关系图。通过对偏振转换波导2的传输损耗与介质层33厚度的变化关系分析，可以看出介质层33厚度增加可有效降低偏振转换波导2的传输损耗。但是图11中同样显示了偏振转换波导2的长度随介质层33的厚度增加而增加这一特性，这也说明需要权衡偏振转换波导2的传输损耗和偏振转换波导2的长度对介质层33进行设计。
图12为本实施例中偏振转换效率以及插入损耗与波长的变化关系图。通过分析偏振转换效率与波长的关系，可以看出偏振转换效率达到99％以上时(消光比大于20分贝)工作半宽为140纳米，这也说明本实施例中偏振转换器具有较大的工作半宽。图12还同时显示在工作波长为1.55微米时，器件的插入损耗为2.2分贝。
图13为本实施例中偏振转换效率与偏振转换波导2的长度误差的变化关系图。对本实施例所提供的偏振转换器的偏振转换效率与偏振转换波导2的长度误差分析，可以看出偏振转效率达到99％以上时，偏振转换波导2的长度容差可达到±500纳米。
参阅图14a-14g，如上所述的波导型偏振转换器的制备方法，包括如下步骤：
(1)提供一SOI晶片(包括硅衬底00、二氧化硅绝缘层11和顶层硅材料20a),利用光刻工艺将波导材料层图形55转移到SOI晶片的光刻胶上，如图14a和14b所示；
(2)利用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺在SOI晶片上制备波导材料层20b(由顶层硅材料20a制备形成)，如图14c所示；
(3)将所述波导材料层20b分为输入波导1、输出波导2以及波导层22；利用光刻工艺进行套刻，在所述输入波导1和输出波导3部分制备光刻胶掩膜66,如图14d所示；
(4)通过薄膜沉积工艺在波导层22顶面和至一个侧面沉积介质层33,如图14e所示；
(5)通过金属薄膜沉积工艺结合剥离或刻蚀方法在介质层33顶面和一个侧面制备金属层44，如图14f所示；在金属薄膜沉积时倾斜衬底以保证波导层另一个侧面没有金属沉积；
(6)采用剥离工艺，将输入波导和输出波导部分的光刻胶、介质层和金属薄膜去除，在波导材料层20b的波导层22形成偏振转换波导2，最终获得所述波导型偏振转换器，如图14g所示。
实施例2
本实施例提供的基于表面等离激元的波导型偏振转换器结构与实施例1类似，不同在于偏振转换波导中波导层22的高度为250纳米，宽度为360纳米；介质层33在波导层22底部部分的厚度为40纳米，侧壁部分厚度为50纳米；金属层44厚度为100纳米；偏振转换波导的长度为9.07微米。输入波导1、输出波导3与偏振转换波导2中的波导层22的高度和宽度一致。
参阅图15和图16，图15为本实施例中偏振转换波导2支持的传播模式1在偏振转换波导2横截面内的磁场分布图示；图16为本实施例中偏振转换波导2支持的传播模式2在偏振转换波导2横截面内的磁场分布图示。
本实施例提供的偏振转换器可实现99.9％的偏振转换效率。
本实施例提供的偏振转换器的制备方法可参照实施例1中的制备的偏振转换器的工艺流程。
实施例3
如图17所示，本实施例提供的基于表面等离激元的波导型偏振转换器的结构与实施例1类似，不同在于：在波导层22的顶面、一个侧面的侧壁和同侧二氧化硅绝缘层11平面上依次沉积介质层33和金属层44。其中，偏振转换波导中波导层22的高度和宽度分别为280纳米；介质层33在波导层22的顶部、侧壁及二氧化硅绝缘层11的平面上方部分的厚度均为30纳米；金属层44在波导层22上方、侧壁及二氧化硅绝缘层11的平面上方部分的厚度均为80纳米，偏振转换波导的长度为4.3微米。输入波导1、输出波导3与偏振转换波导2中的波导层22的高度和宽度一致。
参阅图18和图19，图18为本实施例中偏振转换波导2支持的传播模式1在偏振转换波导2横截面内的磁场分布图示；图19为本实施例中偏振转换波导2支持的传播模式2在偏振转换波导2横截面内的磁场分布图示。
本实施例提供的偏振转换器可实现99.1％的偏振转换效率。
本实施例提供的偏振转换器的制备方法可参照实施例1中的制备的偏振转换器的工艺流程。
实施例4
如图20所示，本实施例提供的基于表面等离激元的波导型偏振转换器的结构与实施例3类似，不同在于：偏振转换波导中波导层22为脊形波导结构。其中，偏振转换波导中的波导层22的平板部分的高度为50纳米，脊高为300纳米，脊宽为350纳米；介质层33在波导层22的顶部、侧壁及平板上方部分厚度为30纳米；金属层44在波导层22上方、侧壁及平板上方部分厚度为80纳米；偏振转换波导的长度为8.2微米。输入波导1、输出波导3与偏振转换波导2中的波导层22的尺寸一致。
参阅图21和图22，图21为本实施例中偏振转换波导2支持的传播模式1在偏振转换波导2横截面内的磁场分布图示；图22为本实施例中偏振转换波导2支持的传播模式2在偏振转换波导2横截面内的磁场分布图示。
本实施例提供的偏振转换器可实现99.4％的偏振转换效率。
本实施例提供的偏振转换器的制备方法可参照实施例1中的制备的偏振转换器的工艺流程。
以上实施例中，各部分的材料以及尺寸参数的选择只是较佳的实施例的选择，在另外的一些实施例中，可以参照以上较佳的实施例进行变更。例如，介质层的材料可以选自折射率在1.35～2.2范围内的无机材料或有机聚合物材料或无机材料与有机聚合物材料组合，较为优选的材料为二氧化硅、氮化硅、氟化镁、氧化铟锡或硒化锌；金属层的材料可以选自金、铂、银、铜、铝、钛中的任意一种或多种的组合。对于波导层、介质层以及金属层的尺寸参数的选择，可以参照实施例1中关于器件结构参数对偏振转换的影响的分析进行合理的选择，其中，介质层的厚度优选的范围是5～150纳米，金属层的厚度优选的范围是30～200纳米，波导层的高度优选的范围是200～600纳米，宽度优选的范围是200～600纳米。以上实施例中，金属层位于介质层上并且完全覆盖了介质层，在另外的一些实施例中，金属层的布置也可以选择是不完全覆盖介质层，例如：介质层覆设于波导层的顶面和两个侧面，而金属层只覆设于顶面的介质层其中一个侧面的介质层上。
本发明所揭示的乃较佳实施例的一种或多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟悉该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。

Claims (12)

1.一种波导型偏振转换器，包括偏振转换波导以及与所述偏振转换波导两端耦合的输入波导和输出波导，其特征在于，所述偏振转换波导包括波导层、介质层和金属层，所述波导层为对称的条形波导，所述介质层覆设于所述波导层的顶面和至少一侧面，所述金属层覆设于所述介质层的顶面和一侧面。
2.根据权利要求1所述的波导型偏振转换器，其特征在于，所述介质层的材料选自折射率在1.35～2.2范围内的无机材料或有机聚合物材料或无机材料与有机聚合物材料组合。
3.根据权利要求2所述的波导型偏振转换器，其特征在于，所述介质层的厚度为5～150纳米。
4.根据权利要求2所述的波导型偏振转换器，其特征在于，所述介质层的材料为二氧化硅、氮化硅、氟化镁、氧化铟锡或硒化锌。
5.根据权利要求1所述的波导型偏振转换器，其特征在于，所述金属层的材料选自金、铂、银、铜、铝、钛中的任意一种或多种的组合。
6.根据权利要求5所述的波导型偏振转换器，其特征在于，所述金属层的厚度为30～200纳米。
7.根据权利要求1所述的波导型偏振转换器，其特征在于，所述波导层的高度为200～600纳米，宽度为200～600纳米。
8.根据权利要求7所述的波导型偏振转换器，其特征在于，所述输入波导和输出波导具有相同的高度和宽度。
9.根据权利要求1-8任一所述的波导型偏振转换器，其特征在于，所述波导层包括至少两个传播模式，并且波导层的长度为其中Δβ为最低阶两个传播模式的传播常数之差，所述波导层的长度误差不超过5％。
10.根据权利要求9所述的波导型偏振转换器，其特征在于，所述波导层的传播模式的电磁场分布形成的光轴相对于输入波导的传播模式的光轴偏转角为45度，误差不超过6％；
其中，光轴偏转角的定义为：
式中θ为光轴偏转角，Hx(x,y)和Hy(x,y)分别为x和y偏振方向的磁场分量。
11.根据权利要求1所述的波导型偏振转换器，其特征在于，所述波导层制备于SOI晶片的顶层硅材料层上。
12.权利要求1-11任一项所述的波导型偏振转换器的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)将波导材料图形转移到SOI晶片的光刻胶上；
(2)在SOI晶片的顶层制备波导材料层；
(3)将所述波导材料层分为输入波导、输出波导以及波导层，在所述输入波导和输出波导部分制备光刻胶掩膜；
(4)在所述波导层的顶面和至少一个侧面制备介质层；
(5)在所述介质层上制备金属层；
(6)将所述输入波导和输出波导部分的光刻胶、介质层和金属薄层去除，获得所述波导型偏振转换器。
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