[发明专利]一种硅基光波导偏振转换器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅基光波导偏振转换器及其制备方法，尤其涉及一种利用表面等离子体波提升偏振转换效率的硅基光波导偏振转化器及其制备方法，属于光通信技术领域。

背景技术

光通信是以光波为载波的通信技术，相比于电缆和无线电等，光通信具有极大的通信带宽，在多媒体和大数据时代的今天具有不可替代的地位。光纤是长距离光信息传输的载体，而光信号的处理更多的由各类光模块或光电芯片来完成。为了进一步提高光电芯片的集成度，高折射率对比的硅基光波导器件提供了良好的技术平台。但这种结构中不同偏振态的光波传输特性不一样，而光纤中的光波偏振态是随机的，这两者的耦合必然造成相关器件和系统额外的偏振损耗。研发光电芯片上高度集成的偏振转换器是解决这一问题的途径。模式耦合技术是实现偏振转换器的主要技术之一。这种技术依赖于非对称光波导中两个模式的耦合形成偏振的转换，然而普通的硅基光波导偏振转换器中两个耦合模式的有效折射率差太小，造成需要100微米左右的非对称波导才能实现足够的偏振转换，不利于光电器件芯片的高度集成化。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种硅基光波导偏振转换器及其制备方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种硅基光波导偏振转换器及其制备方法，通过非对称的硅波导层的结构，以及覆盖在硅波导层上的金属条层，实现两个偏振模式较大的有效折射率差，从而获得较高的偏振转换效率。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种硅基光波导偏振转换器，包括硅衬底、覆盖在硅衬底上表面的二氧化硅层、硅波导层和金属条层，其中，所述硅波导层的横截面呈“L”形，其下表面生长或键合在二氧化硅层的上表面上，上表面形成一高台面和一低台面，金属条层覆盖在硅波导层的低台面上。

优选地，所述硅波导层的宽度为250-600纳米（即高台面和低台面的宽度之和为250-600纳米），高度为250-600纳米，上述硅波导层宽度与高度的选取保证两个偏振模式不截止。

优选地，金属条层的金属条宽度与硅波导层低台面的宽度一致，在80-250纳米之间，金属条层可以为金、银、铝或铜的其中一种，金属条层厚度为30-100纳米。

优选地，上述硅波导层低台面的高度为100-300纳米。

优选地，上述硅基光波导偏振转换器长度为1-10微米。

上述硅基光波导偏振转换器工作时，该硅基光波导偏振转换器两端由同高度和宽度的对称硅基光波导作为输入与输出，一个微米导波模式进入到上述硅基光波导偏振转换器，同时激发出两个模式，由于硅波导层的非对称性，光波在传输过程中，上述两个模式发生耦合，即发生偏振的转换。由于硅波导层的低台面集成金属条，从而在硅波导层中形成表面等离子体波，增加了两个偏振模式间的有效折射率差，在传输1-10微米后，正好积累了π相位变化，实现了偏振的转化。

上述硅基光波导偏振转换器的制备方法，包括如下步骤：

（1）    在SOI晶片上涂覆光刻胶；

（2）    用光刻机进行曝光；

（3）    用光刻胶显影液进行显影，得到光刻胶上的图形；

（4）    利用干法刻蚀工艺将光刻胶上的图形转移到硅，形成具有一个高台面的硅波导层；

（5）    利用去胶剂或者氧等离子体刻蚀去掉剩余光刻胶；

（6）    在硅波导层高台面上涂覆光刻胶；

（7）    用光刻机进行对准曝光；

（8）    用光刻胶显影液进行显影，在硅波导上得到光刻胶上的图形；

（9）    利用干法刻蚀工艺将光刻胶上的图形转移到硅，形成硅波导层的低台面；

（10）  通过金属薄膜蒸发工艺在上一步工艺后的样品低台面上制备金属薄膜；

（11）  利用剥离工艺获得仅附着在硅波导低台面上的金属条层。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在非对称硅波导层的低台面集成金属条，从而在硅波导层中形成表面等离子体波，增加了两个偏振模式间的有效折射率差，由于偏振转换的效率与模式有效折射率差成反比，从而大大缩减偏振转换器的长度。

此外，本发明的金属条层制备在非对称硅波导的低台面上，因此可以在低台面的刻蚀工艺后直接通过金属蒸发和剥离工艺获得，不需要额外的对准光刻工艺，因此易于制备。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1是本实施例硅基光波导偏振转换器横截面示意图；