CN107765366A - 一种非对称形状的氮化硅偏振分束器及其制备方法 - Google Patents

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罗世松
刘东宁
孔嘉权
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Abstract

本发明涉及一种非对称形状的氮化硅偏振分束器，适用于800纳米至820纳米光波段，包括不同宽度和厚度的第一氮化硅波导和第二氮化硅波导，第一氮化硅波导、第二氮化硅波导相对设置。

Description

一种非对称形状的氮化硅偏振分束器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光学器件，更具体地，涉及一种非对称形状的氮化硅偏振分束器及其制备方法。
背景技术
氮化硅被认为是集成光电子器件领域极具潜力的材料，其优点有：具有从可见光到中红外的透明波段，此波段覆盖1550纳米通信波段和810纳米波段；具有CMOS加工性，易于大规模商业化生产；传输损耗比较低。
集成光学发展成为量子信息领域操控光的状态的关键技术。偏振是光的一个重要特性，偏振分束器是一种用于分开两束偏振正交的光的重要器件。光纤通信中1550纳米和810纳米的技术正在快速发展，所以量子光学中基于1550纳米和810纳米的光的应用也可能开拓广阔的应用。受益于硅基光学的发展，用于1550纳米的集成偏振分束器已经得到大量的研究。然而，据我们所知，目前为止，还没有人针对面向波长为810纳米光的集成氮化硅偏振分束器给出具体的设计参数。其原因部分是硅基材料针对810纳米波长不透明并存在加工上的问题。
传统的定向耦合器结构是一个实现超小型偏振分束器的选择，这种结构的偏振分束器具有设计和加工简便的优点。但是对称型的定向耦合器结构的偏振分束器的长度会很长，因为在对称型的偏振分束器中双折射效应比较弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于800纳米至820纳米光波段的偏振分束器，同时为克服对称型定向耦合器结构的偏振分束器的缺点，提供非对称型的定向耦合器结构的偏振分束器。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种非对称形状的氮化硅偏振分束器，适用于800纳米至820纳米光波段，包括不同宽度和厚度的第一氮化硅波导和第二氮化硅波导，第一氮化硅波导、第二氮化硅波导相对设置。
其中第一氮化硅波导、第二氮化硅波导内包括有耦合波导，不同模式（TE模、TM模）的光从同一波导端输入，通过耦合波导的耦合与模式筛选，使TE模和TM模在不同的波导端输出，实现模式分束的功能。
优选地，所述第一氮化硅波导和第二氮化硅波导的衬底为二氧化硅，覆盖层为空气或二氧化硅。
优选地，第一氮化硅波导的厚度在297至303纳米之间，宽度在425至435纳米之间；第二氮化硅波导的厚度在197至203纳米之间，宽度在645至655纳米之间。
优选地，所述第一氮化硅波导和第二氮化硅波导均包括有呈直线状的耦合波导和与耦合波导两端连接的弯曲波导，第一氮化硅波导的耦合波导和第二氮化硅波导的耦合波导之间呈平行设置，耦合波导之间留有间距。光进入耦合波导前有一段弯曲波导，弯曲波导能使光从直波导顺利过渡到耦合波导，减少不必要的损耗。
优选地，所述第一氮化硅波导和第二氮化硅波导的弯曲波导均呈S状。
优选地，所述第一氮化硅波导的耦合波导和第二氮化硅波导的耦合波导等长，第一氮化硅波导的耦合波导和第二氮化硅波导的耦合波导的长度范围为40~60微米。
优选地，所述第一氮化硅波导的耦合波导和第二氮化硅波导的耦合波导之间的间距为180~210纳米。
同时，本发明还提供了一种以上偏振分束器的制备方法，其具体的方案如下：
S1.在衬底上沉积氮化硅，沉积的氮化硅的厚度与第一氮化硅波导的厚度一致；
S2.利用电子束光刻技术确定第二氮化硅波导的形状，使用反应离子刻蚀技术对氮化硅上与第二氮化硅波导所对应的位置进行刻蚀，刻蚀掉（n-m）厚度的氮化硅，其n、m分别为第一氮化硅波导和第二氮化硅波导的厚度；
S3.运用电子束光刻和反应离子刻蚀技术，得到第一氮化硅波导和第二氮化硅波导。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的偏振分束器通过合理地选取第一氮化硅波导和第二氮化硅波导的厚度和宽度的数值，可以使得TM和TE两种模式的其中一种模式的光在厚度较小的氮化硅波导中截止，并且被截止的光可以完美地满足相位匹配条件。从厚度较小的氮化硅波导输入不同模式的光，在厚度较小的氮化硅波导中不会发生截止的模式的光直接从其末端的弯曲波导输出，而只有另外一种发生截止的模式的光可以在两波段间发生耦合。耦合波导的长度通过合理的取值，可以使得另外一种模式的光得到最大程度地耦合到厚度较大的氮化硅波导末端的弯曲波导中。这样，TE模和TM模在不同的波导端输出，实现模式分束的功能。
附图说明
图1为氮化硅偏振分束器的结构示意图。
图2为氮化硅偏振分束器的侧面示意图。
图3为氮化硅偏振分束器的制备流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1、2所示，本发明提供的氮化硅偏振分束器包括相对设置的具有不同宽度和厚度的第一氮化硅波导1和第二氮化硅波导2，其中，第一氮化硅波导1的厚度在297至303纳米之间，宽度在425至435纳米之间；第二氮化硅波导2的厚度在197至203纳米之间，宽度在645至655纳米之间。所述第一氮化硅波导1和第二氮化硅波导2的衬底为二氧化硅，覆盖层为空气或二氧化硅。
本实施例中，第一氮化硅波导1和第二氮化硅波导2均包括有呈直线状的耦合波导3和与耦合波导3两端连接的呈S状的弯曲波导4，第一氮化硅波导1的耦合波导3和第二氮化硅波导2的耦合波导3之间呈平行设置，耦合波导3之间留有间距。所述第一氮化硅波导1的耦合波导3和第二氮化硅波导2的耦合波导3等长，第一氮化硅波导1的耦合波导3和第二氮化硅波导2的耦合波导3的长度范围为40~60微米。所述第一氮化硅波导1的耦合波导3和第二氮化硅波导2的耦合波导3之间的间距为180~210纳米。
上述方案中，本发明提供的偏振分束器通过合理地选取第一氮化硅波导1和第二氮化硅波导2的厚度和宽度的数值，可以使得TM和TE两种模式的其中一种模式的光在厚度较小的氮化硅波导（第二氮化硅波导2）中截止，并且被截止的光可以完美地满足相位匹配条件。从厚度较小的氮化硅波导输入不同模式的光，在厚度较小的氮化硅波导中不会发生截止的模式的光直接从其末端的弯曲波导4（出射端5）输出，而只有另外一种发生截止的模式的光可以在两波段间发生耦合。耦合波导3的长度通过合理的取值，可以使得另外一种模式的光得到最大程度地耦合到厚度较大的氮化硅波导（第一氮化硅波导1）末端的弯曲波导4（交叉端6）中。这样，TE模和TM模在不同的波导端输出，实现模式分束的功能。
实施例2
本实施例提供了一种实施例1的分束器的制备方法，其制备过程如图3所示，设第一氮化硅波导1和第二氮化硅波导2的厚度分别为300纳米和200纳米，覆盖层为空气为例，具体工艺如下：
a)在二氧化硅衬底7上沉积300纳米厚的氮化硅8。
b)运用电子束光刻技术确定第二氮化硅波导2的形状，用反应离子刻蚀的方法刻蚀100纳米厚的氮化硅8。
c)运用电子束光刻和反应离子刻蚀技术，得到200纳米厚和300纳米厚的氮化硅波导。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非对称形状的氮化硅偏振分束器，适用于800纳米至820纳米光波段，其特征在于：包括不同宽度和厚度的第一氮化硅波导和第二氮化硅波导，第一氮化硅波导、第二氮化硅波导相对设置。
2.根据权利要求1所述的非对称形状的氮化硅偏振分束器，其特征在于：所述第一氮化硅波导和第二氮化硅波导的衬底为二氧化硅，覆盖层为空气或二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的非对称形状的氮化硅偏振分束器，其特征在于：第一氮化硅波导的厚度在297至303纳米之间，宽度在425至435纳米之间；第二氮化硅波导的厚度在197至203纳米之间，宽度在645至655纳米之间。
4.根据权利要求1所述的非对称形状的氮化硅偏振分束器，其特征在于：所述第一氮化硅波导和第二氮化硅波导均包括有呈直线状的耦合波导和与耦合波导两端连接的弯曲波导，第一氮化硅波导的耦合波导和第二氮化硅波导的耦合波导之间呈平行设置，耦合波导之间留有间距。
5.根据权利要求4所述的非对称形状的氮化硅偏振分束器，其特征在于：所述第一氮化硅波导和第二氮化硅波导的弯曲波导均呈S状。
6.根据权利要求4所述的非对称形状的氮化硅偏振分束器，其特征在于：所述第一氮化硅波导的耦合波导和第二氮化硅波导的耦合波导等长，第一氮化硅波导的耦合波导和第二氮化硅波导的耦合波导的长度范围为40~60微米。
7.根据权利要求4所述的非对称形状的氮化硅偏振分束器，其特征在于：所述第一氮化硅波导的耦合波导和第二氮化硅波导的耦合波导之间的间距为180~210纳米。
8.一种根据权利要求1~7任一项所述非对称形状的氮化硅偏振分束器的制备方法，其特征在于：包括有以下步骤：
S1.在衬底上沉积氮化硅，沉积的氮化硅的厚度与第一氮化硅波导的厚度一致；
S2.利用电子束光刻技术确定第二氮化硅波导的形状，使用反应离子刻蚀技术对氮化硅上与第二氮化硅波导所对应的位置进行刻蚀，刻蚀掉（n-m）厚度的氮化硅，其n、m分别为第一氮化硅波导和第二氮化硅波导的厚度；
S3.运用电子束光刻和反应离子刻蚀技术，得到第一氮化硅波导和第二氮化硅波导。
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