CN109633814B - 一种真零级集成光波导型半波片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真零级集成光波导型半波片。包括一段双折射光波导和两段锥形光波导，输入光波导经双折射光波导和输出光波导连接，且在在所述输入光波导与所述双折射光波导之间、所述双折射光波导与所述输出光波导之间均经锥形光波导连接；所述的输入光波导和输出光波导中，准TE模的有效折射率等于准TM模的有效折射率；所述的双折射波导和两段锥形光波导中，准TE模的有效折射率与准TM模的有效折射率均存在差异。本发明所公开的的半波片可以实现左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之间的相互转换，且具有结构简单，高精度和性能可靠的重要特点。

Description

一种真零级集成光波导型半波片
技术领域
本发明涉及了属于光器件、集成光学领域的一种光学半波片，尤其是涉及一种真零级集成光波导型半波片。
背景技术
集成光学是在光通信、光计算及光信息处理等新兴技术需求的基础上应运而生的。集成光学的概念在1969年被首次提出，其基本思想是指在同一块衬底的表面上，用折射率略高的材料制作光波导，并以此为基础再制作光源、光调制器、分路器、耦合器、光栅等各种器件。通过这种集成化，可以实现光学系统的小型化、轻量化、稳定化和高性能化的目的。部分集成光学器件已经在光通信、光传感，以及光互连领域获得实际应用，并且体现出光路集成的巨大优势。
波片能够使相互垂直的两振动间产生光程差(或相位差)，在传统光学领域用来实现对光束的偏振转换。在集成光学领域中，也需要使用偏振转换器件来转换光的偏振状态，譬如偏振复用技术中需要对光导波的偏振状态进行转换；在光干涉器件中也需要对光导波的偏振状态进行控制，以获得最优的干涉效果。截至目前，人们针对集成光路中的偏振转器已经进行了一些研究工作，设计并制作了铌酸锂、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体以及聚合物光波导芯片上设计并制作了偏振转换器。譬如杨建义等(杨建义，Zhou Qingjun，江晓清，王明华，RayT.Chen，基于斜极化法的电光聚合物光波导偏振转换器，半导体学报，2003，24[11]:1217-1221)提出通过对电光聚合物波导的电极化制作集成光波导波导偏振转换器。这些偏振转换器材料通常具有精细的结构，或者需要对光波导器件制作工艺进行精确的控制，制约了器件性能，提高了器件的制作成本，并因此使偏振转换器在集成光路中的使用受到一定限制。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种真零级集成光波导型半波片。
本发明所采用的技术方案是：利用波导几何尺寸产生的双折射效应，具体说通过波导芯部横截面高度和宽度的不同产生条形光波导中准TE模导波与准TM模导波之间折射率的差异，使耦合进入光波导内部的准TE模导波与准TM模导波之间产生半波长的光程差(对应180度相移)，形成集成光波导型真零级半波片。
本发明包括输入光波导、输出光波导、一段双射光波导和两段锥形光波导，输入光波导经双折射光波导和输出光波导连接，且在在所述输入光波导与所述双折射光波导之间、所述双折射光波导与所述输出光波导之间均经锥形光波导连接；所述的输入光波导和输出光波导中，准TE模的有效折射率等于准TM模的有效折射率；所述的双折射波导和两段锥形光波导中，准TE模的有效折射率与准TM模的有效折射率均存在差异。
所述的双折射波导和两段锥形光波导中，准TE模的有效折射率与准TM模的有效折射率的差异使得经过双折射波导或者每根锥形光波导的准TE模导波与准TM模导波之间从输入到输出累计产生180度相移。
所述的准TE模导波与准TM模导波有效折射率的差异通过光波导芯部几何尺寸的差异产生的双折射效应来实现。具体是通过双折射光波导和两段锥形光波导的波导芯部横截面高度和宽度进行设置。
所述的半波片在二氧化硅基片上通过沉积技术制作；或者在玻璃基片上通过离子交换方式或者激光直写方式制作；或者在SOI基片上通过刻蚀方式制作；或者在Ⅲ-Ⅳ化合物半导体(包括GaAs，InP)基片上通过外延生长和刻蚀方式制作。
所述的Ⅲ-Ⅳ化合物半导体包括GaAs和InP。
具体实施中，根据具体的应用需求，选择光波导材料和光波导制作技术，并根据所选用波导材料的光学性能和光波导制作工艺参数数据，设计合理的波导结构参数和折射率参数。
本发明的有益效果是：由于器件的工作原理基于波导双折射的机理，因此器件具有简单的结构，对光波导材料和制作工艺没有特殊需要，用常规的集成光波导材料采用常规工艺即可实现；此外，由于可以通过光学设计实现真零级波片，器件在更宽的波长范围内具有更高的相移精度，因此具有更宽的工作波长范围。
本发明这种真零级集成光波导型半波片可以实现左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之间的相互转换。所述的真零级集成光波导型半波片可用于将输入的左旋圆偏振光转换为右旋圆偏振光输出(如图2所示)，这种情况下，输入左旋圆偏振光的偏振方向在xy坐标平面内；所述的真零级集成光波导型半波片也可以将输入的右旋圆偏振光转换为左旋圆偏振光输出(如图3所示)，这种情况下，输入右旋圆偏振光的偏振方向在xy坐标平面内。
本发明这种真零级集成光波导型半波片具有结构简单、高精度和性能可靠的重要特点。
附图说明
图1为本发明所涉及的真零级集成光波导型半波片的波导芯部结构示意图。
图2为本发明所涉及的真零级集成光波导型半波片将输入的左旋圆偏振光转换为右旋圆偏振光输出的示意图。示意图中光导波沿z轴正方向传播；在器件的输入光波导1一侧和输出光波导2一侧分别标出了输入光和输出光的偏振状态。
图3为本发明所涉及的真零级集成光波导型半波片将输入的右旋圆偏振光转换为左旋圆偏振光输出的示意图。示意图中光导波沿z轴正方向传播；在器件的输入光波导1一侧和输出光波导2一侧分别标出了输入光和输出光的偏振状态。
图中：(1)为输入光波导；(2)为双折射光波导；(3)为输出光波导；(4)为锥形光波导。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明所涉及的真零级集成光波导型半波片，主要实施步骤如下：
(A)光波导结构设计
所述的半波片在二氧化硅基片上通过沉积技术制作；或者在玻璃基片上通过离子交换方式或者激光直写方式制作；或者在SOI基片上通过刻蚀方式制作；或者在Ⅲ-Ⅳ化合物半导体(包括GaAs，InP)基片上通过外延生长和刻蚀方式制作。
如图1所示，本发明具体实施包括输入光波导1和输出光波导3、一段双折射光波导2和两段锥形光波导4，输入光波导1经双折射光波导2和输出光波导3连接，且在在输入光波导1与双折射光波导2之间、双折射光波导2与输出光波导3之间均经锥形光波导4连接；输入光波导1和输出光波导3中，准TE模的有效折射率等于准TM模的有效折射率。双折射波导2和两段锥形光波导4中，准TE模的有效折射率与准TM模的有效折射率均存在使得经过双折射波导2或者每根锥形光波导4的准TE模导波与准TM模导波之间从输入到输出累计产生180度相移。
(B)器件结构设计
设计真零级集成光波导型半波片结构。为了实现半波片的功能，器件结构设计在双折射光波导2和两段锥形光波导4中，准TE模导波与准TM模导波之间累计产生180度相移。
具体实施中，双折射光波导2的宽度为20.0～30.0μm，长度63058～81907μm；锥形光波导4的长度的确定以保证波导展宽和收缩过程中不激发高阶模为原则，长度600～1000μm。
在器件设计基础上完成掩模版的设计与制作。
(C)器件应用
采用合理的光波导芯片制作技术实现集成光波导型半波片的制作，器件制作可以在现有标准的光波导芯片生产线上进行。并完成对波导制作工艺的优化。
工作模式一：
如图2所示，输入光波导1一侧输入线偏振光，光导波沿z轴正方向传播，输出光波导2一侧输出圆偏振光。
工作模式二：
如图3所示，输入光波导1一侧输入圆偏振光，光导波沿z轴正方向传播，输出光波导2一侧输出线偏振光。
实施例1：
用二氧化硅基片上的二氧化硅掺杂波导实现真零级集成光波导型半波片制作。
(A)光波导结构设计
光波导芯部成分SiO2-GeO2，光波导包层成分SiO2，折射率差0.75％；工作波长1550nm；光波导芯层厚度6.5μm。
(B)器件结构设计
输入光波导(1)宽度6.5μm，长度500μm；输出光波导(3)宽度6.5μm，长度500μm；双折射光波导(2)的宽度为20.0μm，长度81907μm；锥形光波导(4)的长度600μm。
完成掩膜版的设计与制作。
(C)器件制作
准备直径6英寸，厚度1.0～1.2mm的高纯二氧化硅基片。
器件制作工艺过程分以下几步。
沉积下包层。采用PECVD技术在高纯二氧化硅基片上沉积10～15μm的SiO2薄膜材料，所用气体未SiH4和N2O。主要工艺参数包括：SiH4:N2O＝17:2000、射频功率500～1000W、温度300℃、淀积时间沉积腔压强300mTorr。并通过退火消除薄膜中的应力。
沉积光波导芯层。采用PECVD技术在SiO2薄膜材料上沉积6.5μm的SiO2-GeO2薄膜材料，所用气体未SiH4、GeH4和N2O。沉积完成后，进行He和O2气氛中的高温退火。主要工艺参数包括：10％GeH4:SiH4:N2O＝20:17:2000、射频功率500～1000W、温度300℃、淀积时间沉积腔压强300mTorr。并通过退火消除薄膜中的应力。
掩膜。用溅射法制备厚度为300nm的Al掩膜。
光刻。采用标准的光刻技术，经涂胶、前烘、曝光、坚膜、显影、后烘工序，实现图形转移。
刻蚀。用反应离子刻蚀法刻蚀Al掩膜和光波导芯层，残留光刻胶、掩膜采用湿法化学腐蚀除去。
沉积上包层。刻蚀完成后，经过清洗，然后采用PECVD法进行上包层沉积。PECVD法典型工艺气体为SiH4和N2O，主要工艺参数包括：SiH4:N2O＝17:2000、射频功率500～1000W、温度300℃、淀积时间沉积腔压强300mTorr。并通过多次退火消除薄膜中的应力。
(D)器件应用
根据不同的应用场景，调整输入光的偏振状态，获得相应合理的输出光偏振状态。
比如，这种器件可以用于集成光学光隔离器中，在系统中用于实现左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之间的相互转换的功能，替代传统的分立光学元件。这种二分之一波片在1500～1600nm的波长范围内准TE模与准TM模之间相移的实际值与理想值之间的偏差小于0.08度，具有工作波长范围宽和相移准确度高的典型特点。而且，其体积小于传统光学元件的10％，对简化系统，提高系统可靠性具有明显作用。
实施例2：
用硅酸盐玻璃基片上的离子交换波导实现真零级集成光波导型半波片制作。
(A)光波导结构设计
光波导采用Ag+/Na+离子交换技术制作，折射率差1.0％；工作波长1550nm；光波导芯层厚度9.0μm。
(B)器件结构设计
输入光波导(1)宽度9.0μm，长度500μm；输出光波导(3)宽度9.0μm，长度500μm；双折射光波导(2)的宽度为30.0μm，长度63058μm；锥形光波导(4)的长度1000μm。
完成掩膜版的设计与制作。
(C)器件制作
准备直径4英寸，厚度1.0～1.5mm的K9硅酸盐玻璃基片。
确定离子交换工艺参数，包括：离子交换300℃、离子交换熔盐成分(mol比)NaNO3:Ca(NO3)2:AgNO3＝60:40:1、离子交换时间2.5小时。电场辅助离子迁移过程中，温度260℃，离子交换熔盐成分(mol比)NaNO3:Ca(NO3)2＝60:40；电场辅助离子迁移时间5小时。
真零级集成光波导型半波片的制作与性能测试，并根据测试结果对器件参数和制作的工艺条件进行优化。
(D)器件应用
根据不同的应用场景，调整输入光的偏振状态，获得相应合理的输出光偏振状态。
这种器件可以用于全息干涉系统中的半波片，在系统中将线偏振光转换为圆偏振光，实现传统的分立光学元件的功能。这种二分之一波片在1500～1600nm的波长范围内准TE模与准TM模之间相移的实际值与理想值之间的偏差小于0.10度，具有工作波长范围宽和相移准确度高的典型特点。而且，其体积小于传统光学元件的10％，对简化系统，提高系统可靠性具有明显作用。
这种器件可以用于集成光学光隔离器中，在系统中用于实现左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之间的相互转换的功能，替代传统的分立光学元件，其体积小于传统光学元件的10％，对简化系统，提高系统可靠性具有明显作用。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种真零级集成光波导型半波片，包括输入光波导（1）和输出光波导（3），其特征在于：还包括一段双折射光波导（2）和两段锥形光波导（4），输入光波导（1）经双折射光波导（2）和输出光波导（3）连接，且在所述输入光波导（1）与所述双折射光波导（2）之间、所述双折射光波导（2）与所述输出光波导（3）之间均经锥形光波导（4）连接；所述的输入光波导（1）和输出光波导（3）中，准TE模的有效折射率等于准TM模的有效折射率；所述的双折射光波导（2）和两段锥形光波导（4）中，准TE模的有效折射率与准TM模的有效折射率均存在差异；
所述的双折射光波导（2）和两段锥形光波导（4）中，准TE模的有效折射率与准TM模的有效折射率的差异使得经过双折射光波导（2）和每根锥形光波导（4）的准TE模导波与准TM模导波之间从输入到输出累计产生180度相移；
所述的准TE模导波与准TM模导波有效折射率的差异通过光波导芯部几何尺寸的差异产生的双折射效应来实现。
2.根据权利要求1所述的一种真零级集成光波导型半波片，其特征在于：所述的半波片在二氧化硅基片上通过沉积技术制作；或者在玻璃基片上通过离子交换方式或者激光直写方式制作；或者在SOI基片上通过刻蚀方式制作；或者在Ⅲ-Ⅳ化合物半导体基片上通过外延生长和刻蚀方式制作。
3.根据权利要求2所述的一种真零级集成光波导型半波片，其特征在于：所述的Ⅲ-Ⅳ化合物半导体包括GaAs和InP。
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