[发明专利]一种基于多模干涉的氮化硅光偏振分束器及其制备方法

说明书

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，n_r为波导等效折射率，n_c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：