阅读说明：本技术 一种偏振器件及其制备方法 (Polarizing device and preparation method thereof ) 是由 欧欣 王成立 于 2020-07-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及集成光学技术领域,特别涉及一种偏振器件及其制备方法。包括：支撑层和模式筛选层,所述支撑层用于支撑所述所述模式筛选层；所述模式筛选层包括光吸收层和光隔离层,所述光吸收层设置在所述支撑层上,所述光隔离层设置在所述光吸收层上；所述光吸收层用于吸收预设光波导模式的光。光吸收层可以选择性吸收TM模式以及其他高阶模式的光波,光隔离层可以限制光吸收层对光波能量的吸收程度。本申请所述的偏振器件对光偏振的控制,是基于整个电路衬底进行改进来实现的,当光学结构大规模的在片上集成时,模式筛选层可对所有的光学结构中的光波进行偏振筛选,因此无须在光路上重复制备大量偏振控制结构,降低了工艺难度。(The invention relates to the technical field of integrated optics, in particular to a polarizing device and a preparation method thereof. The method comprises the following steps: the supporting layer is used for supporting the mode screening layer; the mode screening layer comprises a light absorption layer and a light isolation layer, the light absorption layer is arranged on the supporting layer, and the light isolation layer is arranged on the light absorption layer; the light absorption layer is used for absorbing light of a preset optical waveguide mode. The light absorption layer can selectively absorb light waves in a TM mode and other high-order modes, and the light isolation layer can limit the absorption degree of the light absorption layer to the light wave energy. The control of polarization of light of polarization device described in this application improves and realizes based on whole circuit substrate, when the large-scale integration on the piece of optical structure, the mode screening layer can carry out the polarization screening to the light wave in all optical structures, consequently need not prepare a large amount of polarization control structures repeatedly on the light path, has reduced the technology degree of difficulty.)

一种偏振器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，特别涉及一种偏振器件及其制备方法。

背景技术

信息技术的发展始终追求更大的集成度和更快的信息处理速度。微电子技术近年来由于物理原理方面原因，其基本原件晶体管的尺寸和性能都难以继续提高。为继续提高信息处理速度，人们想到利用另一种信息载体——光子。相比电子，光子具有更多稳定可控的调制和复用维度，如振幅、相位、波长、偏振态、模式等，具有更大的带宽、更高的频谱利用率和通信容量。集成光子学技术以其集成度高、尺寸小、与微电子工艺相兼容等优势，在数据中心、通信、传感等各个领域彰显出巨大应用价值。

集成光学领域，利用光波导来传输光波。光波被限制在光波导结构中通常具有不同的偏振模式，如准横电模(TE mode)和准横磁模(TM mode)。由于一些光学信息处理原件如电光调制器等，只支持TE模式，而且TM模式通常具有更高的弯曲损耗，波导传输过程中如果光偏振态发生改变，会加大传输损耗。利用光子传输信息，关键技术之一是需要保证光路中光子的偏振态保持稳定。为了解决这一问题，人们提出了多次片上的光偏振控制器件。如：通过级联的弯曲波导散射TM模式，保留TE模式来实现偏振控制；利用非对称的定向耦合器选择性的把TM模式耦合到另外一波导分支，实现偏振控制；还有利用超材料放置在波导两侧来选择性的除去TM模式等。以上的方法都是通过局部的结构来实现局部传播区域的偏振控制，当光学结构大规模的在片上集成时，以上方法需要在光路上重复制备大量结构来实现偏振控制，这对于工艺稳定性提出了挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的光偏振器件在大规模集成光路应用时，需重复制备大量的偏振结构实现偏振控制，造成工艺难度大的问题。

为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种偏振器件，包括：支撑层和模式筛选层，

所述支撑层用于支撑所述所述模式筛选层；

所述模式筛选层包括光吸收层和光隔离层，所述光吸收层设置在所述支撑层上，所述光隔离层设置在所述光吸收层上；

所述光吸收层用于吸收预设光波导模式的光。

进一步的，所述光吸收层为金属光吸收层。

进一步的，所述金属光吸收层的材料包括金、钛、铜、铂、镍、铬中的至少一种。

进一步的，所述金属光吸收层的厚度为2nm-50nm。

进一步的，所述偏振器件还包括光波导介质层，所述光波导介质层设置在所述光隔离层上，所述光波导介质层中设有至少一个光波导结构。

进一步的，所述光隔离层的折射率小于所述光波导介质层。

进一步的，所述光波导介质层的材质包括铌酸锂、石英、硅、二氧化硅、金刚石、碳化硅、氮化硅。

进一步的，所述光波导结构包括矩形波导结构、脊形波导结构、梯形波导结构、弧形波导结构中的至少一种。

进一步的，所述光隔离层的材质包括二氧化硅、二氧化钛、空气腔、玻璃介质中的至少一种；和/或，

所述光隔离层的厚度为50nm-5μm。

第二方面，本申请实施例公开了一种偏振器件的制备方法，包括：

在支撑层上制作金属光吸收层；

在所述金属光吸收层上制作光隔离层；

在所述光隔离层上制作光波导介质层；

在所述光波导介质层中制作光波导结构。

采用上述技术方案，本申请实施例所述的偏振器件及其制备方法具有如下有益效果：

本申请实施例所述的偏振器件，直接在支撑层上设置光吸收层和光隔离层，光吸收层可以选择性吸收TM模式以及其他高阶模式的光波，光隔离层可以限制光吸收层对光波能量的吸收程度，从而保证光路中光子的偏振态保持稳定。本申请所述的偏振器件对光偏振的控制，是基于整个电路衬底进行改进来实现的，当光学结构大规模的在片上集成时，模式筛选层可对所有的光学结构中的光波进行偏振筛选，因此无须在光路上重复制备大量偏振控制结构，降低了工艺难度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例的偏振器件结构示意图；

图2为本申请一个实施例的不同光隔离层厚度下各个偏振模式的传播距离；

图3为本申请一个实施例的TE0模式的模场分布示意图；

图4为本申请一个实施例的TM0模式的模场分布示意图；

图5为本申请一个实施例的TE1模式的模场分布示意图；

图6为本申请一个实施例的TM1模式的模场分布示意图；

以下对附图作补充说明：

101-支撑层；102-金属光吸收层；103-光隔离层；104-光波导结构。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

为了保证光路中光子的偏振态保持稳定，人们提出了多种片上的光偏振控制器件。然而现有的偏振控制器件都是通过局部的结构来实现局部传播区域的偏振控制，当光学结构大规模的在片上集成时，需要在光路上重复制备大量结构来实现偏振控制，工艺实现难度大，造成成本较高。

本申请实施例公开了一种偏振器件，包括：支撑层101和模式筛选层，支撑层101用于支撑模式筛选层；模式筛选层包括光吸收层和光隔离层103，光吸收层设置在支撑层101上，光隔离层103设置在光吸收层上；光吸收层用于吸收预设光波导模式的光。

本申请实施例所述的偏振器件，直接在支撑层101上设置光吸收层和光隔离层103，光吸收层可以选择性吸收TM模式以及其他高阶模式的光波，光隔离层103可以限制光吸收层对光波能量的吸收程度，从而保证光路中光子的偏振态保持稳定。本申请所述的偏振器件对光偏振的控制，是基于整个电路衬底进行改进来实现的，当光学结构大规模的在片上集成时，模式筛选层可对所有的光学结构中的光波进行偏振筛选，因此无须在光路上重复制备大量偏振控制结构，降低了工艺难度。

本申请实施例中，支撑层101为用于支撑偏振器件结构，可选的，支撑层101为独立的支撑衬底可选的，在集成光路中，支撑层101为光路结构的衬底。可选的，支撑层101为衬底硅、绝缘体上硅等常见的晶圆衬底。光吸收层设置在衬底层上，光吸收层能够吸收光波导结构104中的横磁模和其他高阶模式的光。光吸收层为折射率较大的材质沉积而成，如金属、金属氧化物等。光隔离层103设置在光吸收层的表面，用于防止光吸收层过度吸收光波导结构104中的光，造成光波损耗过大，不利于光波传输。

光吸收层为金属光吸收层102。

本申请实施例中，光波是电磁波，在金属中传播时会因热损耗而衰减，造成金属媒质对光的吸收。吸收媒质中的光波是单色平面波，金属最主要的光学性质是它对光的吸收和反射，而反射率和吸收率均由其复折射率：n’＝n－iχ决定；式中n为实折射率，χ是消光系数，决定波的衰减。由于金属的折射率中消光系数较大，因此光吸收层优选选用金属层作为光吸收层。

金属光吸收层102的材料包括金、钛、铜、铂、镍、铬中的至少一种。

本申请实施例中，光吸收层的材质可选用光波吸收效应较好的金属制作，以保证金属光吸收层102能有效吸收横磁模及其其他高阶模式的光波，从而实现稳定的偏振效果。可选的，金属光吸收层102可以为单层金属层，也可以为包括多层金属层。金属层可以由单种金属制作而成，也可以由多种金属复合或合金制作而成。

金属光吸收层102的厚度为2nm-50nm。

本申请实施例中，金属光吸收层102具有吸收横磁模及其其他高阶模式的光波作用，金属光吸收层102的厚度由金属的材质、金属的折射率等因素决定。

偏振器件还包括光波导介质层，光波导介质层设置在光隔离层103上，光波导介质层中设有至少一个光波导结构104。

本申请实施例中，光波导介质层由一个至多个光波导结构104构成，光波导结构104用于引导光波在其中传播。光波导结构104与金属光吸收层102之间间隔有光隔离层103，光波在光波导结构104中传播，金属光吸收层102将光波中的横磁模以及其他的高阶模式的光波吸收，仅留下横电模在光波导结构104中传播，从而实现偏振的稳定控制。在实际应用中，模式筛选层可以设置在光波导结构104的任意表面。

光隔离层103的折射率小于光波导介质层。

本申请实施例中，为了保证光波能够在光波导结构104中的传播，光隔离层103的折射率必须小于光波导介质层的折射率。

光波导介质层的材质包括铌酸锂、石英、硅、二氧化硅、金刚石、碳化硅、氮化硅。

本申请实施例中，光波导介质层的材质选择取决于光波导模式以及光波导结构104类型。

光波导结构104包括矩形波导结构、脊形波导结构、梯形波导结构、弧形波导结构中的至少一种。

本申请实施例中，光波导结构104可以为平面波导结构，也可以为三维波导结构。在一些实施例中，光波导介质层中设有多个光波导结构104，多个光波导结构104的类型可以相同，也可以不同。由于金属光吸收层102用于吸收横磁模，从而使横电模保留在光波导结构104中，因此光波在光波导结构104中需同时存在横磁模和横电模。

光隔离层103的材质包括二氧化硅、二氧化钛、空气腔、玻璃介质中的至少一种；和/或，光隔离层103的厚度为50nm-5μm。

本申请实施例中，光隔离层103由常见的光导材料制成，具体材料的选择可根据光波导的材质、结构以及使用成本等方面综合考量。由于光隔离层103的厚度会对光波的吸收程度造成影响，若光隔离层103的厚度太薄，金属光吸收层102会将光波导结构104中的光波全部吸收；若光隔离层103的厚度太厚，金属光吸收层102无法吸收光波导结构104中的横磁模和其他高阶模式的光波，无法起到偏振过滤作用，因此光隔离层103的厚度应根据光隔离层103的材质选择合适的厚度，可选的，光隔离层103的厚度为50nm-5μm。如图2所示，图2中示出了光隔离层103的厚度对偏振控制性能的影响。通过改变光隔离层103的的厚度，分别计算波导中各个模式的传播长度，曲线1为TE0模式，曲线2为TE1模式，曲线3为TM0模式，曲线4为TM1模式。以光隔离层103的材质选用二氧化硅为例，当光隔离层103的厚度小于300nm时，各个模式的传播长度都很小，原因为各个模式的光功率都大量被金属所吸收。当光隔离层103的厚度大于700nm时，TE0模式的传播长度是其他模式的1000倍，约30dB，所以通过调节光隔离层103的厚度，可以使片上偏振选择比达到30dB。应当注意的是，光隔离层103的厚度不能过大，否则不能有效的除去TM0、TE1、TM1的模式。

本申请实施例还公开了一种偏振器件的制备方法，包括：在支撑层101上制作金属光吸收层102；在金属光吸收层102上制作光隔离层103；在光隔离层103上制作光波导介质层；在光波导介质层中制作光波导结构104。

本申请实施例中，支撑层101可选为衬底硅、绝缘体上硅等常见的晶圆衬底，在支撑层101上制作金属光吸收层102，可选的，金属光吸收层102的材质为金、钛、铜、铂等；可选的，金属光吸收层102的制作方法包括电子束蒸发，磁控溅射，分子束外延等。金属光吸收层102制作完成后在金属光吸收层102上制作光隔离层103，可选的，光隔离层103的材质为二氧化硅、二氧化钛、空气腔、玻璃介质等，光隔离层103的厚度为50nm-5μm。光隔离层103制作完成后在光隔离层103上沉积光波导介质层，然后在光波导介质层中制作光波导结构104，可选的，光波导结构104包括矩形波导结构、脊形波导结构、梯形波导结构、弧形波导结构。本申请实施例所述的制备方法，提供了一种大规模集成光路偏振控制方式，通过在波导结构下设置金属光吸收层102，来选择性吸收横磁模以及其他高阶模式的光波。上述对偏振实现方法的改进不仅限于区域结构，而是对整个电路衬底进行改进，因此本申请所述的偏振器件结构可以适用于大规模集成光路中整体的偏振控制。

本申请实施例中，通过设计偏振器件结构参数，验证本申请实施例所述的偏振器件的偏振控制效果。图3至图6示出了光波导结构104中所支持的TE0和TM0基础模式及其对应的高阶模式TE1和TM1分别通过光波导结构104的模场分布情况。图3至图6中矩形框为光波导结构104，光波导结构104区域外为光波被光吸收层吸收情况。从图3至图6的模场分布可以直观的看到，只有TE0模式的模场被紧密的束缚在矩形结构的光导波介质层中，而TM0、TE1、TM1的模分布均受到结构中金属光吸收层102的吸收作用。下面通过数值计算方法准确计算各个模式的损耗情况。

计算图3中的TE0模式，光波导结构104的有效折射率为1.615，虚部无穷小，表明其传播损耗可以忽略不计。计算图4中的TM0模式，光波导结构104的有效折射率为1.5-6×10-4i，可知其虚部k＝-6×10^-4，根据公式：

其中，λ为目标波长；换算为吸收系数α，吸收系数α再换算为其传播长度1/α功率损耗1/e时的传播长度，其中e＝2.7182为100微米。同样的计算方法，计算图5中的TE1高阶模式，其有效折射率为1.6-1.5×10-5i，其传播长度为672微米。计算图6中的TM1高阶模式，其有效折射率为1.5-1.9×10-3i，其传播长度为5.3微米。对比这些模式可以发现，在金属光吸收层102的作用下，TM0、TE1、TM1等模式都在特定的传播长度内被衰减掉，而TE0模式则被留下，从而实现偏振控制的作用。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。