[發(fā)明專利]一種硅基淺刻蝕波導(dǎo)起偏器及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910293889.X
• 申請(qǐng)日: 2019-04-12
• 公開（公告）號(hào): CN110095840A
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡鑫倫;柯兆威
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B6/10
• 分類號(hào): G02B6/10;G02B6/126;G02B6/136
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

本發(fā)明涉及集成光子學(xué)領(lǐng)域，提出一種硅基淺刻蝕波導(dǎo)起偏器，包括由下至上依次設(shè)置的襯底、掩埋層和硅芯層，襯底的材質(zhì)為硅，掩埋層的材質(zhì)為二氧化硅；硅芯層上表面淺刻蝕有連續(xù)的突起結(jié)構(gòu)，突起結(jié)構(gòu)的寬度從突起結(jié)構(gòu)的兩端到突起結(jié)構(gòu)的中央位置線性增加。本發(fā)明還提出一種硅基淺刻蝕波導(dǎo)起偏器的制備方法，包括以下步驟：將兩個(gè)硅晶原片直接鍵合，在硅晶原片上注入制備二氧化硅掩埋層；在二氧化硅掩埋層上旋涂一層電子膠，曝光出中間的突起結(jié)構(gòu)；對(duì)突起結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行部分刻蝕；再旋涂一層電子膠，曝光出槽形區(qū)域；對(duì)槽形區(qū)域進(jìn)行部分刻蝕，然后去膠；在器件上表面覆蓋一層二氧化硅；對(duì)二氧化硅保護(hù)層上表面進(jìn)行平坦化處理。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成光子學(xué)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種硅基淺刻蝕波導(dǎo)起偏器及其制備方法。

背景技術(shù)

光波導(dǎo)器件在集成光子學(xué)領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用，它能夠提供結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好、制作簡(jiǎn)便、易于集成的功能器件，廣泛應(yīng)用于光通信領(lǐng)域。在實(shí)際的硅基光子學(xué)系統(tǒng)中，由于工藝誤差等因素，通常存在偏振模式色散、偏振相關(guān)損耗和偏振相關(guān)增益等問題，這往往會(huì)降低器件的性能。由于很多硅基器件都對(duì)偏振模式敏感，偏振管理器件就變得極為重要。目前常用的偏振管理器件包括偏振分束器、偏振旋轉(zhuǎn)器和起偏器。其中，起偏器能夠在制作簡(jiǎn)單的前提下展現(xiàn)出優(yōu)越的性能，因而得到了人們的青睞。

現(xiàn)有技術(shù)中，通過在絕緣體上覆蓋一層金屬，如鉻、銅、金等，使得絕緣體中的TM模與金屬層滿足相位匹配條件，TM模大幅度泄露到金屬層，達(dá)到消除TM模的目的，但這種方案存在工藝比較復(fù)雜，TM模的消除不能達(dá)到理想的效果等問題；在實(shí)際的器件制備過程中，因曝光、刻蝕等工藝誤差得到的波導(dǎo)，其側(cè)壁是比較粗糙的，而TE模與波導(dǎo)的粗糙側(cè)壁存在較大的重疊，因此會(huì)存在較大的傳輸損耗。另外，有人提出一種基于橫向磁波TM模在淺刻蝕硅波導(dǎo)中的側(cè)向泄露效應(yīng)的起偏器，利用一條足夠長(zhǎng)的淺刻蝕硅基直波導(dǎo)將TM模逐漸泄露掉。這種器件制作簡(jiǎn)單，但是它的長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)1mm，過大的尺寸導(dǎo)致它難以應(yīng)用于集成度日益提高的硅基光芯片平臺(tái)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的傳統(tǒng)的起偏器中TM模的消除不能達(dá)到理想效果等至少一種缺陷，提供一種硅基淺刻蝕波導(dǎo)起偏器。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種硅基淺刻蝕波導(dǎo)起偏器，包括由下至上依次設(shè)置的襯底、掩埋層和硅芯層，襯底的材質(zhì)為硅，掩埋層的材質(zhì)為二氧化硅；硅芯層上表面淺刻蝕有連續(xù)的突起結(jié)構(gòu)，突起結(jié)構(gòu)的寬度從突起結(jié)構(gòu)的兩端到突起結(jié)構(gòu)的中央位置線性增加。

本技術(shù)方案中，采用硅襯底、二氧化硅掩埋層和硅芯層組成硅基淺刻蝕波導(dǎo)起偏器。在1550nm波長(zhǎng)下，硅的折射率為3.47，二氧化硅的折射率為1.44，此時(shí)硅為高折射率材料，二氧化硅為低折射率材料，能夠提供垂直方向的緊束縛，形成結(jié)構(gòu)緊湊的起偏器器件；起偏器中的硅芯層上表面刻蝕有連續(xù)的突起結(jié)構(gòu)，使TE模在高折射率的硅芯層中正常傳輸，而TM模則泄漏到周圍的低折射率包層，達(dá)到消除TM模的目的；突起結(jié)構(gòu)的寬度逐漸拓寬，能夠減小TE模與波導(dǎo)粗糙側(cè)壁的重疊，有效降低TE模損耗。

優(yōu)選地，硅芯層的突起結(jié)構(gòu)設(shè)置在硅芯層的中央位置，且突起結(jié)構(gòu)的兩側(cè)與硅芯層的兩側(cè)之間的距離為固定值。

優(yōu)選地，起偏器的輸入端設(shè)置有輸入波導(dǎo)，起偏器的輸出端設(shè)置有輸出波導(dǎo)。

優(yōu)選地，輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)為深刻蝕條形波導(dǎo)。

優(yōu)選地，硅芯層的上表面設(shè)置有一層二氧化硅保護(hù)層。

優(yōu)選地，襯底的厚度為700μm，掩埋層的厚度為2μm，硅芯層的厚度為220nm，二氧化硅保護(hù)層的厚度為2μm，硅基淺刻蝕波導(dǎo)起偏器的長(zhǎng)度為46μm。

本實(shí)施例還涉及硅基淺刻蝕波導(dǎo)起偏器的制備方法，包括以下步驟：

S1：將兩個(gè)硅晶原片直接鍵合，然后在硅晶原片上方通過熱氧化和高密度離子注入制備二氧化硅掩埋層；