CN113866993A - 一种GaAs基偏振光分束器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学器件应用技术领域，涉及偏振光分束器，尤其涉及一种GaAs基偏振光分束器及其制备方法。包括GaAs光栅衬底，所述GaAs光栅衬底的上方设置有上层光栅，所述上层光栅包括以Al2O3为材质的Al2O3光栅块和以AlGaAs为材质的AlGaAs光栅块，其中，所述Al2O3光栅块和AlGaAs光栅块交替设置，所述上层光栅的厚度小于GaAs光栅衬底的厚度设置。本发明通过Al2O3和AlGaAs为材质的光栅条结构、GaAs衬底，能够将800‑880nm(80nm)宽光谱范围的入射光束分成TE、TM两束正交偏振光，并且对TE模式偏振光的反射率大于95％，最大可达到99.99％，对TM模式偏振光的透射率大于96％，最大可达99.94％，且偏振消光比大于10dB，在830‑860nm光谱范围偏振消光比可以达到20dB以上，最高可达41.37dB。
Description
技术领域
本发明属于光学器件应用技术领域，涉及偏振光分束器，尤其涉及一种GaAs基偏振光分束器及其制备方法。
背景技术
随着信息和科学技术的飞速发展，我们已经跨入了信息通信的新时代，人们对信息的需求量不断增加，并且对获取信息的速度也有了更高的要求。因此我们如今运用光波作为载波，而且光波具有极高的时间、空间带宽积，高度的并行性和无干扰性，使得它在高速传输信息的同时，可以满足较低的光损耗和信号传输过程中不会产生畸变的特点，这也使得信息可以高效率的进行传输。
在使用光波进行信息传输的过程中，我们需要使用光的不同偏振态来增加信息传输过程中的带宽并且减少不同传输信道之间的串扰问题。而偏振分束器是光网络组件中的不可或缺的光子调制器件，可用于将两束正交偏振光耦合入一根光纤中或将含正交线偏振光的单一输出分别耦合到两个光纤输出中，也可以反向应用将两束从光纤分支输入的正交偏振光束耦合到一根单模输出光纤中，具有高消光比、宽光谱、高衍射效率的偏振分束器则是理想的光学调制器件。传统的偏振分束器工作带宽小，且体积较大，部分偏振分束器加工制造过程困难，难以工业化生产，在同时消光方面的性能也不足难以满足理想光子调制器件的要求。而亚波长光栅具有独特的光学性能，其透射率与消光比高、光谱宽度宽、偏振性能好，可以实现许多传统光学器件无法实现的功能，且具有体积小、易集成等优点。
在现有技术中，尚无能够将800-880nm(80nm)波段附近的宽光谱范围内保持极高的偏振分束能力，反射谱宽度为80nm的GaAs基偏振光分束器。
发明内容
本发明针对上述的GaAs基偏振光分束器缺乏800-880nm(80nm)波段的偏振光分束器的技术问题，提出一种设计合理、结构简单且能够能够将800-880nm(80nm)宽光谱范围的入射光束分成TE、TM两束正交偏振光，并且对TE模式偏振光的反射率大于95％，最大可达到99.99％，对TM模式偏振光的透射率大于96％，最大可达99.94％，且偏振消光比大于10dB，在830-860nm光谱范围偏振消光比可以达到20dB以上，最高可达41.37dB的GaAs基偏振光分束器及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，本发明提供一种GaAs基偏振光分束器，包括GaAs光栅衬底，所述GaAs光栅衬底的上方设置有上层光栅，所述上层光栅包括以Al2O3为材质的Al2O3光栅块和以AlGaAs为材质的AlGaAs光栅块，其中，所述Al2O3光栅块和AlGaAs光栅块交替设置，所述上层光栅的厚度小于GaAs光栅衬底的厚度设置。
作为优选，所述Al2O3光栅块和AlGaAs光栅块厚度相等设置。
作为优选，所述Al2O3光栅块和AlGaAs光栅块厚度均为250nm。
作为优选，所述GaAs光栅衬底的厚度为220um。
作为优选，所述AlGaAs光栅块的折射率为3.0603，所述Al2O3光栅块的折射率为1.759。
作为优选，所述上层光栅周期为642nm，占空比为0.22。
制备上述一种GaAs基偏振光分束器的方法，包括以下有效步骤：
a、首先在GaAs衬底上生长一层AlGaAs，得到晶片，并在晶片上涂覆一层光刻胶；
b、对涂覆好的晶片上通过电子束曝光技术投影图形，照射的区域即为需要刻蚀的区域；
c、将在电子束曝光后晶片进行显影处理；
d、将显影处理后的高温烘烤；
e、待高温烘烤后对晶片电子束曝光的区域进行氧化处理，将AlGaAs氧化得到Al2O3；
f、将晶片表面剩余的光刻胶去除，得到GaAs基偏振光分束器的结构。
作为优选，所述a步骤中，GaAs衬底的厚度为220um，所述AlGaAs的厚度250nm。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，
1、本发明提供一种GaAs基偏振光分束器及其制备方法，通过Al2O3和AlGaAs为材质的光栅条结构、GaAs衬底，能够将800-880nm(80nm)宽光谱范围的入射光束分成TE、TM两束正交偏振光，并且对TE模式偏振光的反射率大于95％，最大可达到99.99％，对TM模式偏振光的透射率大于96％，最大可达99.94％，且偏振消光比大于10dB，在830-860nm光谱范围偏振消光比可以达到20dB以上，最高可达41.37dB。可以在入射光为宽光谱的情况下实现良好的偏振分束效果，可广泛应用在光纤通信、光电检测、光学信息处理等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1提供的GaAs基偏振光分束器的结构示意图；
图2为实施例1提供的GaAs基偏振光分束器的工艺流程图；
以上各图中，1、AlGaAs光栅块；2、Al2O3光栅块；3、GaAs衬底；4、光刻胶。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
实施例1，如图1所示，本实施例提供一种GaAs基偏振光分束器，旨在解决现有GaAs基偏振光分束器在800-880nm(80nm)波段附近的宽光谱范围内无法保持极高的偏振分束能力的问题。为此，本实施例提供的GaAs基偏振光分束器，包括GaAs光栅衬底，在GaAs光栅衬底的上方设置有上层光栅，上层光栅包括以Al2O3为材质的Al2O3光栅块2和以AlGaAs为材质的AlGaAs光栅块1，其中，Al2O3光栅块2和AlGaAs光栅块1交替设置，且上层光栅的厚度小于GaAs光栅衬底的厚度设置。。
这样，利用上下不对称的构造以及亚波长尺度，决定了光栅对TE模式偏振光和TM模式偏振光的衍射性质具有很大差异，即偏振光分束器对不同模式偏振入射光表现出“形式双折射”效应，即偏振敏感特性。从而通过Al2O3和AlGaAs为材质的光栅条结构、GaAs衬底3，能够将800-880nm(80nm)宽光谱范围的入射光束分成TE、TM两束正交偏振光，反射谱宽度为80nm。光从上方入射进光栅层中，TE模式偏振光反射回入射区域，TM模式偏振光透射进光栅另一侧，实现光栅异侧分束。
为了使其保持极高的偏振分束能力，在本实施例中，Al2O3光栅块2和AlGaAs光栅块1厚度相等设置，具体的说，Al2O3光栅块2和AlGaAs光栅块1厚度均为250nm，同时，GaAs光栅衬底的厚度为220um。另外，AlGaAs光栅块1的折射率为3.0603，所述Al2O3光栅块2的折射率为1.759。上层光栅周期为642nm，占空比为0.22。
这样，本实施例提供的能够将800-880nm(80nm)宽光谱范围的入射光束分成TE、TM两束正交偏振光，并且对TE模式偏振光的反射率大于95％，最大可达到99.99％，对TM模式偏振光的透射率大于96％，最大可达到99.94％，且偏振消光比大于10dB，在830-860nm光谱范围偏振消光比可以达到20dB以上，最高可达41.37dB。
其中，本实施例提供的GaAs基偏振光分束器对入射光束角度左右共允许8°之内的偏差。此外，还探讨器件参数变化对反射光谱和偏振消光比的影响，工艺容差在20nm以内，对本本实施例的衍射效率影响较小，仍保持较大的偏振消光比，故本本实施例易与GaAs基光电器件集成。
本实施例提供提供的GaAs基偏振光分束器实现良好的偏振分束效果，可广泛应用在偏振分光、光纤通信、光电检测、光学信息处理等领域。
实施例2，本实施例提供实施例1的制备方法
首先，在GaAs衬底3上生长一层AlGaAs，并在AlGaAs上涂覆一层光刻胶4；
具体的，AlGaAs厚度为250nm，衬底采用GaAs材料，厚度为220um。在涂覆光刻胶4的时候不能掺杂有其他杂质，且厚度影响着工艺质量，需要通过机器严格控制在合理区间。
对涂覆好的结构上通过电子束曝光技术投影图形，照射的区域即为需要刻蚀的区域，可以实现高分辨率的自动识别，相应的非矩形区域不被电子束曝光。
具体的，曝光技术能使光刻胶4中的分子链发生了断裂，产生了溶解挥发。在电子束曝光后的相应位置还会残留有一些光刻胶4，还需要对其进行显影处理，即浸入在无机弱碱性水溶液中。经过显影液浸泡后需要进行高温烘烤，让没有电子束曝光区域的胶实现硬化进而具有抗蚀性。
经过电子束曝光与显影处理后，会露出了一系列的AlGaAs形条，在这些位置向下进行氧化，从而在AlGaAs层获得与上层光刻胶4区域形状及大小相同的Al2O3光栅块2。在本实施例中，采用湿法氧化的方法进行，湿法氧化是对高铝组分的AlGaAs材料进行氧化，实质就是氮气携带氧化剂(水蒸气)与含高铝组分的AlGaAs材料中的Al在高温环境中发生反应，因为Al的含量和活性都比Ga高，AlAs化合物与水蒸气反应生成三氧化二铝(固体)、氧化砷(气体)和氢气(气体)，从而完成高铝组分的AlGaAs材料氧化为三氧化二铝的过程。而由于没有电子束曝光区域受到硬化后的光刻胶4的保护，从而使其不会发生这样。
最后，晶片顶层Al2O3上层对应光刻胶4的位置变成了空气，然后将剩余的胶去掉并烘干即可得到需要的亚波长光栅结构。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种GaAs基偏振光分束器，包括GaAs光栅衬底，其特征在于，所述GaAs光栅衬底的上方设置有上层光栅，所述上层光栅包括以Al2O3为材质的Al2O3光栅块和以AlGaAs为材质的AlGaAs光栅块，其中，所述Al2O3光栅块和AlGaAs光栅块交替设置，所述上层光栅的厚度小于GaAs光栅衬底的厚度设置。
2.根据权利要求1所述的一种GaAs基偏振光分束器，其特征在于，所述Al2O3光栅块和AlGaAs光栅块厚度相等设置。
3.根据权利要求2所述的一种GaAs基偏振光分束器，其特征在于，所述Al2O3光栅块和AlGaAs光栅块厚度均为250nm。
4.根据权利要求3所述的一种GaAs基偏振光分束器，其特征在于，所述GaAs光栅衬底的厚度为220um。
5.根据权利要求4所述的一种GaAs基偏振光分束器，其特征在于，所述AlGaAs光栅块的折射率为3.0603，所述Al2O3光栅块的折射率为1.759。
6.根据权利要求5所述的一种GaAs基偏振光分束器，其特征在于，所述上层光栅周期为642nm，占空比为0.22。
7.制备上述权利要求1～6所述的一种GaAs基偏振光分束器的方法，其特征在于，包括以下有效步骤：
a、首先在GaAs衬底上生长一层AlGaAs，得到晶片，并在晶片上涂覆一层光刻胶；
b、对涂覆好的晶片上通过电子束曝光技术投影图形，照射的区域即为需要刻蚀的区域；
c、将在电子束曝光后晶片进行显影处理；
d、将显影处理后的高温烘烤；
e、待高温烘烤后对晶片电子束曝光的区域进行氧化处理，将AlGaAs氧化得到Al2O3；
f、将晶片表面剩余的光刻胶去除，得到GaAs基偏振光分束器的结构。
8.根据权利要求7所述的一种GaAs基偏振光分束器的制备方法，其特征在于，所述a步骤中，GaAs衬底的厚度为220um，所述AlGaAs的厚度250nm。
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