CN1278333A - 集成的光学起偏器 - Google Patents

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Abstract

一种在有一个上表面和两个侧表面的一块硅拱棱波导(4)上形成的起偏器,该起偏器包括一部段硅拱棱波导(4),在该拱棱的上表面上或该拱棱的至少一个侧表面上有一个缓冲层(6)和一个光吸收层(7),缓冲层(6)的折射率类似于波导(4)的折射率,使得沿着波导(4)传输和入射到它的各自表面上的光进入缓冲层(6),并随后进入光吸收层(7),从而使沿着波导传输的光的TM模(磁场横模)或TE模(电场横模)衰减。

Description

集成的光学起偏器
技术领域
本发明涉及用于硅拱棱波导的一种集成的光学起偏器。
背景技术
集成光路常常要求使在其中传输的光偏振。可以采用一个单独的起偏器实现这一目的，例如其形式为连接到带有光路的芯片上的一根光导纤维。然而，优选的是起偏器与芯片为一个整体。
本发明的公开
本发明提供了在有一个上表面和两个侧表面的一块硅拱棱波导上形成的集成光学起偏器，该起偏器包括一段硅拱棱波导，在该拱棱的上表面上或该拱棱的至少一个侧表面上有一个缓冲层和一个光吸收层，缓冲层的折射率使得沿着该波导传输和入射到拱棱波导的各自表面上的光进入缓冲层，并随后进入光吸收层，从而使沿着波导传输的光的TM模(磁场横模)或TE模(电场横模)衰减。
按照本发明的另一方面，提供了在有一个上表面和两个侧表面的一块硅拱棱波导上形成起偏器的一种方法，其中一个缓冲层设在该拱棱的一部段的上表面上或该拱棱的至少一个侧表面上，一个光吸收层设在缓冲层上，缓冲层的折射率使得沿着波导传输和入射到拱棱波导的各自表面上的光进入缓冲层，并随后进入光吸收层，从而使沿着波导传输的光的TM模(磁场横模)或TE模(电场横模)衰减。
本发明的优选的特点和可选的特点将由本说明书中所附的权利要求书看清楚。
附图的简要描述
现在将仅只以示例的方式参考着附图进一步描述本发明，附图中：
图1为在绝缘体上的硅芯片中形成的一种已知的拱棱波导的剖面图；
图2示出了由图1所示的拱棱的顶部表面除去氧化物包层；
图3为一个剖面图，示出了在该拱棱上形成的一个起偏器的结构；
图4为在图3中示出的起偏器的透视图；以及
图5为在拱棱波导的一个加宽部分上形成的起偏器的另一实施例的透视图。
实现本发明的最佳方式
在这里描述的起偏器是以在绝缘体上的硅芯片为基础的。在J.Morgail等人的一篇题为“通过两阶段注入氧形成的绝缘体上的硅结构中减少缺陷的密度”的论文，该论文发表在Appl.Phys.Lett.，54，p526，1989中，它描述了一种用来形成这种类型芯片的过程。该论文描述了一种用来形成非常大尺度的整体(VLSI)的在绝缘体上的硅晶片的过程。随后，例如通过外延生长增加这样的晶片的硅层，使它适宜于做为这里描述的集成的干涉仪的基础。图1示出了在这样的芯片上形成的光学波导的剖面。该芯片包括一层硅1，一层二氧化硅3把该层硅与硅基底2分开。在硅层1中形成拱棱波导4。图1也示出了在拱棱波导4之上形成的氧化物包层5。在J.Schmidtchen等人的一篇题为“在绝缘体上的硅中的有大截面的低损耗单模光学波导”的论文，该论文发表在Electronic Letters，27，p1486，1991中和PCT专利文件号WO95/08787中给出了这种形式的波导的进一步的细节。
这种形式的波导提供了一种单模的低损耗(典型地对于波长范围1.2到1.6微米低于0.2dB/cm)波导，它的典型尺寸一般在3到5微米范围内，它可以耦合到光导纤维上，并且可以与其它的集成部件相适应。也可以容易地由传统的在绝缘体上的硅晶片制作这种形式的波导(如在上面参考的WO95/08787中所描述的那样)，因此，制作起来是相对较省钱的。
在硅拱棱波导4的一段上形成在此描述的起偏器。在优选实施例中，首先例如通过采用缓冲的氢氟酸把氧化物包层5由拱棱4的上表面除去，如在图2中所示出的那样。随后，在拱棱4上沉积一个缓冲层6，接着沉积一层光吸收层7，如在图3中所示出的那样。
图4示出了在拱棱波导的一段上这样形成的一个起偏器的透视图。该起偏器部段典型的长度为3毫米或更短，最好为1毫米或更短。
沿着拱棱波导4传播的不偏振的光包括磁场横模(TM)和电场横模(TE)，把图3中所示的起偏器设计成使TM模衰减。TM模与拱棱波导的顶表面的入射角非常小。因此，为了使TM模的相当大的一部分穿过这一表面传输，而不是全部由该表面在内部反射，必须在此表面上提供一层折射率尽可能接近硅波导的折射率的材料。硅的折射率高，大约为3.5，因此，在其上沉积的缓冲层6最好也有高的折射率。
如果缓冲层6由折射率至少为2的一种材料形成，TM模的一个可观的部分将进入缓冲层，并因此进入在其上沉积的光吸收层7，使得TM模衰减。
例如可以由硒化锌或类似的介电材料形成缓冲层6，硒化锌的折射率大约为2.5。
光吸收层7最好为一个金属层，例如为铝层.金属层7使由波导接收的光衰减。
使用高折射率的缓冲层6对于形成用于要求高性能的应用的起偏器是非常重要的，例如要求有高性能的消光比，比如消光比至少为40dB。
也可以使用天然氧化物层5作为缓冲层，但是，该起偏器的性能受到限制，这是因为在硅(它的折射率大约为3.5)与氧化物层(它的折射率大约为1.5)之间的折射率差相对较大。用这样的结构可以获得在大约3毫米的长度上(在TM与TE模之间)大约10-12dB的消光比(在某些情况下这可能是令人满意的)。
氧化物层5的厚度也是难以控制的，这是因为它可能生长得太厚，并因此使消光比进一步降低，因而不能理想地适用于可重复的生产过程，但是，在某些情况下这可能是令人满意的。
由于这些原因，最好除去氧化物层并用如上所述的折射率较高的一个缓冲层6替代它。该缓冲层必须用有适当的折射率的材料制成，并且，不应该是一种氧化物(否则，可能重新形成天然的二氧化硅层)。所选用的材料的折射率越高，它随温度的改变将越少影响偏振的消光比。对于折射率高的缓冲层，在较宽的缓冲层厚度范围内出现TM模的相当明显的衰减，折射率越高，在更大的厚度处出现最大的衰减。
图5示出了一种改进形式的起偏器。在此实施例中，拱棱波导4在该起偏器部段的每一侧有倾斜的区域4C，并且，该起偏器在波导的部段4A上形成，此部段比通到此部段和离开此部段的波导部段4B要宽。起偏器部段4A典型地为至少8微米宽，最好10微米宽。
此实施例有许多优点。第一，它容许在除去氧化物层5时使用的掩模的对准精度可以有较大的改变，从而提高了在制作过程中所容许的公差。第二，缓冲层6和金属层7的影响增加，这是因为现在它们在沿着波导传输的波的大部分上伸展。在4微米宽的拱棱波导中，波的可观的部分在硅层1超过拱棱4的横向尺寸的区域传输，因此不受施加到该拱棱的顶表面上的层的影响，而在10微米宽的拱棱波导中，波的大部分在拱棱中和在该拱棱4下面的硅层1的区域中传播，从而受施加到拱棱4的顶面上的层的影响。
倾斜的区域4C典型地有大约1毫米的长度。
缓冲层6的典型的宽度在20到500埃的范围内，最好在80到220埃的范围内，这取决于缓冲层的折射率。例如对于折射率比2.0高的缓冲层可以使用大约170埃的厚度，而折射率大约为1.5的二氧化硅的缓冲层可能只有大约30埃的厚度。
金属层7的厚度典型地为1-2微米，但是，可以薄得多，例如500埃或更薄，只要它能吸收光就可以。
如在图4中所示出的那样，缓冲层和金属层7可以伸展进倾斜的区域4C。
将会认识到，可以把缓冲层6和金属层7设置在拱棱4的侧表面或两侧面上，以便衰减TE模。然而，如上所述，把这些层设置在拱棱4的上表面上通常比较容易。如果把缓冲层和金属层既设置在拱棱4的顶表面上也设置在侧表面上，它们可能使TE模和TM模都衰减，从而使该装置不能用做起偏器。
如上所述，这里描述的起偏器的一个明显的特点是，它与拱棱波导为一个整体。因此，它可以形成在绝缘体上的硅芯片上构成的集成光路的一部分，并有这样带来的所有好处。因此，避免了使用分开的在芯片以外的起偏器的困难。
如上面所讨论的，由于TM模与拱棱波导的上表面的入射角较小，为了提供高性能的起偏器最好要有折射率高的缓冲层。然而，应该注意到，也可以通过提高拱棱波导4的高度来增大入射角度。如上面所提到的，拱棱波导典型的宽度大约为4微米，高度大约为4微米(由硅层1的顶面测量)。然而，在某些情况下，可以使用较大的拱棱波导，例如高度达到10微米的波导。

Claims (15)

1.一种在有一个上表面和两个侧表面的一块硅拱棱波导上形成的集成光学起偏器，该起偏器包括一部段硅拱棱波导，在该拱棱的上表面上或该拱棱的至少一个侧表面上有一个缓冲层和一个光吸收层，缓冲层的折射率使得沿着波导传输和入射到拱棱波导的各自表面上的光进入缓冲层，并随后进入光吸收层，从而使沿着波导传输的光的TM模(磁场横模)或TE模(电场横模)衰减。
2.按照权利要求1中所述的集成光学起偏器，其中，缓冲层的折射率为2或更高。
3.按照权利要求2中所述的集成光学起偏器，其中，缓冲层为硒化锌。
4.按照权利要求1、2或3中所述的集成光学起偏器，其中，缓冲层的厚度在20到500埃的范围内，最好在80到220埃的范围内。
5.按照上述任一项权利要求中所述的集成光学起偏器，其中，光吸收层为一个金属层。
6.按照权利要求5中所述的集成光学起偏器，其中，金属层由铝形成。
7.按照上述任一项权利要求中所述的集成光学起偏器的长度为3毫米或更小，最好为1毫米或更小。
8.按照上述任一项权利要求中所述的集成光学起偏器，其中，拱棱波导的宽度和高度尺寸可以高到10微米，最好在3到5毫米范围内。
9.按照上述任一项权利要求中所述的集成光学起偏器，其中，在拱棱的比通到该拱棱和离开该拱棱的拱棱部段要宽的一部段上形成起偏器。
10.按照权利要求9中所述的集成光学起偏器，其中，拱棱波导在形成起偏器的较宽的部段与通到该部段和离开该部段的部段之间倾斜。
11.按照权利要求8或9和10中所述的集成光学起偏器，其中，在拱棱的至少8微米宽最好10微米宽的一部段上形成起偏器。
12.一种在有一个上表面和两个侧表面的一块硅拱棱波导上形成起偏器的方法，其中一个缓冲层设在该拱棱的上表面上或该拱棱的至少一个侧表面上，一个光吸收层设在缓冲层上，缓冲层的折射率使得沿着波导传输和入射到拱棱波导的各自表面上的光进入缓冲层，并随后进入光吸收层，从而使沿着波导传输的光的TM模(磁场横模)或TE模(电场横模)衰减。
13.按照权利要求12中所述的方法，其中，由拱棱段的一部段的上表面或侧表面中至少之一除去氧化物层，并把折射率为2或更高的一个缓冲层沉积在其上。
14.按照权利要求12中所述的方法，其中，采用氢氟酸除去氧化物层。
15.按照权利要求13或14中所述的方法，其中，缓冲层为硒化锌。
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