CN107765441A - 一种基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器，包括波导分束器、输入波导、移相器、矩形多模干涉波导、第一输出波导和第二输出波导，其中波导分束器的两个输出端分别与输入波导的一端、移相器的输入端连接，移相器的输出端、输入波导的另一端分别与矩形多模干涉波导的两个输入端连接，矩形多模干涉波导的两个输出端分别与第一输出波导、第二输出波导连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学器件，特别涉及一种基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器及其制备方法，属于光器件领域。
背景技术
氮化硅材料因其能与现有成熟的CMOS工艺结合，被认为是片上集成光路的一种理想材料。高纯的氮化硅薄膜可在低温、低压下外延生长而成，其产生难度低于硅薄膜。氮化硅波导的微加工宽容度比硅波导高，用其制成的光波导的损耗比硅制成的光波导低。并且氮化硅具有从可见光到中红外的透明带宽,对研究最为充分的固态单光子源的波长透明。
传统的多模干涉波导根据自映像效应的原理，可用于制作多模干涉型阵列波导复用器、马赫-曾德尔光开关等光通信器件，并具有插入损耗小、制作简单、容差性好等特点。
量子密钥分发是如今量子通信中的重要环节，而对光偏振的操控则是此环节中的关键步骤。偏振分束器可将两个正交的偏振光分离，能够控制光的偏振态，因此偏振分束器在量子光学中有广泛应用。近年来，集成光学发展迅速，为量子通信的集成化奠定了基础。目前用于波长为1550纳米光的多模干涉耦合器已经有了大量的研究，而使用自发参量下转换方法产生的单光子波段大多位于近红外波段，具我们所知，还没有人针对近红外波段的氮化硅多模干涉偏振分束器给出具体的设计参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、微加工难度低、适用于近红外波段、在量子光学领域应用潜力高的氮化硅偏振分束器。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器，包括波导分束器、输入波导、移相器、矩形多模干涉波导、第一输出波导和第二输出波导，其中波导分束器的两个输出端分别与输入波导的一端、移相器的输入端连接，移相器的输出端、输入波导的另一端分别与矩形多模干涉波导的两个输入端连接，矩形多模干涉波导的两个输出端分别与第一输出波导、第二输出波导连接。
上述方案中，波导分束器用于将输入光的功率等分并输出至所述移相器的输入端和输入波导的一端，移相器将经过的TE模相位增加90°，同时将经过的TM模光相位减少90°，使TE模光和TM模光在输入矩形多模干涉波导时相对于输入波导输入的TE模光和TM模光有±90°相位差，矩形多模干涉波导满足自映像效应原理，能够使输入的TE模光与TM模光分别在两输出波导处聚焦成像，并进入输出波导，实现偏振分束的功能。
其中，矩形多模干涉波导的宽度为W，长度为L，根据导模传输分析法，其基模等效宽度式中λ0为真空中波长，nr为波导等效折射率，nc为包层折射率，σ为模式极化因子，对于TE模，σ＝0；对于TM模，σ＝1。进而可得到基模与一阶模的拍长当输入光位置为时，多模干涉波导的长度时(m为整数)，TE模光与TM模光分别在两输出波导处成像，实现偏振分束的功能。为了使器件小型化，m一般取为1。
优选地，波导分束器、输入波导、移相器、矩形多模干涉波导、第一输出波导和第二输出波导的材料为氮化硅，其衬底材料为二氧化硅，覆盖层材料为空气或二氧化硅。
优选地，当覆盖层为空气时，波导分束器、输入波导、移相器、矩形多模干涉波导、第一输出波导和第二输出波导的厚度为200纳米～500纳米。
优选地，当覆盖层为空气时，波导分束器、第一输出波导、第二输出波导的宽度为200纳米～500纳米。
优选地，当覆盖层为空气时，矩形多模干涉波导的宽度为5微米～7微米，长度为45微米～65微米。
优选地，波导分束器的两个输出端分别通过楔形波导与输入波导的一端、移相器的输入端连接，移相器的输出端、输入波导的另一端分别通过楔形波导与矩形多模干涉波导的两个输入端连接，矩形多模干涉波导的两个输出端分别通过楔形波导与第一输出波导和第二输出波导连接。
同时，本发明还提供了一种以上光偏振分束器的制备方法，其具体的方案如下：
S1.在衬底上沉积一定厚度的氮化硅；
S2.运用电子束光刻技术和反应离子刻蚀技术，制备出波导分束器、输入波导、移相器、矩形多模干涉波导、第一输出波导和第二输出波导，得到光偏振分束器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的光偏振分束器在矩形多模干涉波导宽度的位置输入光，根据自映像效应原理，光会在矩形多模干涉波导长度的的整数倍位置附近聚焦。通过仿真优化前端的移相器，使TE模光和TM模光在输入矩形多模干涉波导时相对于输入波导输入的TE模光和TM模光有±90°相位差，在聚焦位置附近就会产生相干相消的效果，总体表现为特定模式的光仅从单一出口出射，两种偏振模式的光从不同出口出射，即实现偏振分束的功能。移相器、多模干涉波导、输出波导的连接处均使用了楔形结构的波导，能有效降低回波损耗。该偏振分束器可适用于近红外波段。
附图说明
图1为氮化硅光偏振分束器的俯视图。
图2为氮化硅光偏振分束器的立体结构图。
图3为氮化硅光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，基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器包括波导分束器1、输入波导2、移相器3、矩形多模干涉波导4、第一输出波导5和第二输出波导6，其中波导分束器1的两个输出端分别与输入波导2的一端、移相器3的输入端连接，移相器3的输出端、输入波导2的另一端分别与矩形多模干涉波导4的两个输入端连接，矩形多模干涉波导4的两个输出端分别与第一输出波导5、第二输出波导6连接。
本实施例中，当覆盖层为空气时，波导分束器1、输入波导2、移相器3、矩形多模干涉波导4、第一输出波导5和第二输出波导6的厚度为200纳米～500纳米。波导分束器1、第一输出波导5、第二输出波导6的宽度为200纳米～500纳米。矩形多模干涉波导4的宽度为5微米～7微米，长度为45微米～65微米。
本实施例中，波导分束器1的两个输出端分别通过楔形波导7与输入波导2的一端、移相器3的输入端连接，移相器3的输出端、输入波导2的另一端分别通过楔形波导7与矩形多模干涉波导4的两个输入端连接，矩形多模干涉波导4的两个输出端分别通过楔形波导7与第一输出波导5和第二输出波导6连接。
本发明提供的光偏振分束器的具体工作原理过程如下：
1，不同模式(TE模、TM模)的光从波导分束器1的一端输入，经过波导分束器1后分为功率相等的两路光输出；
2，其中一路光进入移相器3，通过仿真优化后使TE模光和TM模光在输入多模干涉波导时相对于输入波导2输入的TE模光和TM模光有±90°相位差；
3，移相器3的输出端通过楔形波导7连接于矩形多模干涉波导4宽度为的位置，使相位不同的两路光进入矩形多模干涉波导4，根据自映像效应原理，不同模式的光会分别在矩形多模干涉波导4长度为处附近聚焦成像，通过仿真优化确定准确位置后，不同模式的光由楔形波导7与第一输出波导5和第二输出波导6引出。
实施例2
如图3所示是一种基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器的制备过程示意图，以波导厚度为400纳米，覆盖层为空气为例，具体工艺如下：
a)在二氧化硅衬底101上沉积400纳米厚的氮化硅102。
b)运用电子束光刻技术和反应离子刻蚀技术，制备出波导分束器1、输入波导2、移相器3、矩形多模干涉波导4、第一输出波导5和第二输出波导6，得到光偏振分束器103。
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。根据这里描述的发明实施例的结构，本发明中的组成元件可以用任何功能元件等效替代，如将结构中第一个1×2多模干涉分束器变成Y型波导来实现对输入光的功率等分的功能，或是使用其他形式的移相器等。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 (7)
1.一种基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器，其特征在于：包括波导分束器、输入波导、移相器、矩形多模干涉波导、第一输出波导和第二输出波导，其中波导分束器的两个输出端分别与输入波导的一端、移相器的输入端连接，移相器的输出端、输入波导的另一端分别与矩形多模干涉波导的两个输入端连接，矩形多模干涉波导的两个输出端分别与第一输出波导、第二输出波导连接。
2.根据权利要求1所述的基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器，其特征在于：波导分束器、输入波导、移相器、矩形多模干涉波导、第一输出波导和第二输出波导的材料为氮化硅，其衬底材料为二氧化硅，覆盖层材料为空气或二氧化硅。
3.根据权利要求2所述的基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器，其特征在于：当覆盖层为空气时，波导分束器、输入波导、移相器、矩形多模干涉波导、第一输出波导和第二输出波导的厚度为200纳米~500纳米。
4.根据权利要求2所述的基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器，其特征在于：当覆盖层为空气时，波导分束器、第一输出波导、第二输出波导的宽度为200纳米~500纳米。
5.根据权利要求2所述的基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器，其特征在于：当覆盖层为空气时，矩形多模干涉波导的宽度为5微米~7微米，长度为45微米~65微米。
6.根据权利要求1~5任一项所述的基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器，其特征在于：波导分束器的两个输出端分别通过楔形波导与输入波导的一端、移相器的输入端连接，移相器的输出端、输入波导的另一端分别通过楔形波导与矩形多模干涉波导的两个输入端连接，矩形多模干涉波导的两个输出端分别通过楔形波导与第一输出波导和第二输出波导连接。
7.一种权利要求1~6任一项所述基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.在衬底上沉积一定厚度的氮化硅；
S2.运用电子束光刻技术和反应离子刻蚀技术，制备出波导分束器、输入波导、移相器、矩形多模干涉波导、第一输出波导和第二输出波导，得到光偏振分束器。
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