一种含石墨烯夹层的偏振滤模器及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种含石墨烯夹层的偏振滤模器及其制作方法，包括基底、掩埋层、平板波导层、石墨烯层和脊状波导层，掩埋层位于基底的上方，平板波导层位于掩埋层的上方，石墨烯层位于平板波导层的上方，脊状波导层位于石墨烯层的上方，石墨烯层的宽度大于脊状波导层的宽度，平板波导层的宽度大于脊状波导层的宽度，石墨烯层将平板波导层和脊状波导层相间隔。利用石墨烯层对TE模式造成的损耗远大于TM模式，因此可以有效地将TE偏振模式滤掉，实现高偏振消光，继而形成仅支持TM模式通过的单偏振器件。且由于石墨烯对光的吸收谱范围很宽，覆盖从可见光到近红外光，因此本案偏振滤模器器件具有高消光比、宽带宽、高集成度、加工工艺简单的优点。的优点。的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种含石墨烯夹层的偏振滤模器及其制作方法


[0001]本专利技术涉及光子集成芯片领域，尤其涉及一种含石墨烯夹层的偏振滤模器及其制作方法。

技术介绍

[0002]薄膜铌酸锂材料平台是光子集成中不可或缺的一部分，尤其在光通信领域有着广泛的应用，是目前光通信器件向集成化、小型化、高性能化发展的主要方向。然而由于铌酸锂材料是一种双折射材料，大部分的应用需要保证器件工作在单一偏振态，以避免双折射效应引起的不同偏振态之间的串扰。因此，基于薄膜铌酸锂平台的偏振滤模器件非常重要。
[0003]目前，薄膜铌酸锂偏振滤模器的实现方式主要基于微纳光栅结构、超表面结构、以及浅刻蚀沟槽结构，其原理是将想要滤掉的特定偏振模式通过上述辅助结构耦合到波导的泄露模中，进而将能量损耗掉。
[0004]基于光栅结构及超表面结构的偏振滤模器通常由于需要满足相位匹配条件或共振条件，导致工作波长带宽范围窄，且加工微纳结构增加了工艺制造复杂度。此外，现有方案可实现的偏振消光比在20至30dB范围内，无法满足对于偏振消光比要求高的精密器件的应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一目的是提供一种利用石墨烯夹层以实现高偏振消光比的偏振滤模器。
[0006]本专利技术的第二目的是提供一种上述偏振滤模器的制作方法。
[0007]为了实现本专利技术第一目的，本专利技术提供一种含石墨烯夹层的偏振滤模器，包括基底和掩埋层，掩埋层位于基底的上方，偏振滤模器包括平板波导层、石墨烯层和脊状波导层，平板波导层位于掩埋层的上方，石墨烯层位于平板波导层的上方，脊状波导层位于石墨烯层的上方；石墨烯层的宽度大于脊状波导层的宽度，平板波导层的宽度大于脊状波导层的宽度，石墨烯层将平板波导层和脊状波导层相间隔。
[0008]更进一步的方案是，脊状波导层的长度大于等于石墨烯层；平板波导层的长度大于等于石墨烯层。
[0009]更进一步的方案是，平板波导层的厚度为300nm－600nm，脊状波导层的厚度为300nm－600nm。
[0010]更进一步的方案是，平板波导层的厚度为400nm，脊状波导层的厚度为400nm。
[0011]更进一步的方案是，脊状波导层呈梯形布置，脊状波导层的顶宽为1nm－2nm。
[0012]更进一步的方案是，脊状波导层的材料为氮化硅或铌酸锂。
[0013]更进一步的方案是，单层石墨烯层的厚度为0.34nm，石墨烯层为一层、两层或多层。
[0014]为了实现本专利技术第二目的，本专利技术提供一种偏振滤模器的制作方法，制作方法包
括：
[0015]选取晶圆，晶圆包括基底、掩埋层和平板波导层，掩埋层位于基底的上方，平板波导层位于掩埋层的上方；
[0016]将石墨烯层转移到上述平板波导层的上方；
[0017]在石墨烯层上制备脊状波导层。
[0018]更进一步的方案是，将石墨烯层转移到上述平板波导层的上方的步骤包括：将基于PMMA基底的石墨烯薄膜在去离子水中释放，石墨烯薄膜漂浮于水中上层；夹取晶圆探入到去离子水中，并于石墨烯薄膜位置下方捞起晶圆，石墨烯薄膜层转移到平板波导层的上方。
[0019]更进一步的方案是，脊状波导层可通过膜层沉积、光刻、刻蚀或膜层键合的工艺方式制备。
[0020]本专利技术的有益效果是，由于石墨烯是一种光学上各向异性的二维材料，石墨烯仅对偏振方向平行于其表面的波导模式(TE模式)造成损耗，为此，在本案偏振滤模器中，石墨烯层对TE模式造成的损耗远大于TM模式，因此可以有效地将TE偏振模式滤掉，实现高偏振消光比，继而形成仅支持TM模式通过的单偏振器件。且由于石墨烯对光的吸收谱范围很宽，覆盖从可见光到近红外光，因此基于此机理的偏振滤模器具有工作波长范围宽的特点。另外，本偏振滤模器不包含微纳光栅结构，且制作工艺与半导体工艺兼容，有效降低了加工精度要求，具有较高的加工效率。
附图说明
[0021]图1是本专利技术偏振滤模器实施例的截面示意图。
[0022]图2是本专利技术偏振滤模器实施例的结构图。
[0023]图3是本专利技术偏振滤模器实施例中TE模式的模场分布图。
[0024]图4是本专利技术偏振滤模器实施例中TM模式的模场分布图。
[0025]图5是本专利技术偏振滤模器实施例在两种脊状波导材料下的损耗示意图。
[0026]以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。
具体实施方式
[0027]参照图1至图2，偏振滤模器包括基底11、掩埋层12、平板波导层13、石墨烯层14和脊状波导层15，掩埋层12位于基底11的上方，平板波导层13位于掩埋层12的上方，石墨烯层14位于平板波导层13的上方，脊状波导层15位于石墨烯层14的上方。
[0028]以基于薄膜铌酸锂平台的晶圆为例说明，基底11可采用硅基底，掩埋层12可采用二氧化硅掩埋层，平板波导层13为薄膜铌酸锂，脊状波导层15为氮化硅，采用z切薄膜铌酸锂材料平台，二氧化硅层厚度为2μm，薄膜铌酸锂的平板波导层13厚度为300nm至600nm，优选400nm，脊状波导层15呈梯形布置，脊状波导层的厚度为300nm至600nm，优选400nm，脊状波导层15的顶宽为1μm－2μm，优选2μm，脊状波导层15的侧壁倾角为60
°
至90
°
，优选75
°
。
[0029]另外，石墨烯层14的宽度大于脊状波导层15的宽度，平板波导层13的宽度大于脊状波导层15的宽度，石墨烯层14的宽度的小于或等于平板波导层13的宽度，继而石墨烯层14将平板波导层13和脊状波导层15相间隔，脊状波导层15与平板波导层13为分离的。
[0030]本案采用的石墨烯层是单层厚度的，单层石墨烯的厚度为0.34nm，双层石墨烯厚度0.68nm，以此类推，本案较佳实施例是使用的单层石墨烯层，因为考虑到插损要小，即对另一个希望保留的偏振模式损耗不能太大，多层石墨烯会引入更大的插损，比如两层石墨烯带来的损耗翻倍，但这可根据实际的特殊应用需求进行调配，如布置一体多层的石墨烯层，且石墨烯层的厚度亦可适应调整。
[0031]参照图3和图4，图3和图4展示了仿真得出的TE与TM偏振模式的模场分布图与模式的有效折射率，由于铌酸锂在z方向和x方向的材料折射率不同，得到的TE与TM模式的模场分布与有效折射率neff也不同，TE偏振模式的有效折射率虚部Im(n
eff
)大于TM模式的虚部，意味着TE模式的损耗更大，从而可实现高偏振消光。
[0032]模式的单位长度损耗可由8.68(2π/λ)Im(n
eff
)计算得出，参照图5，图5对比了两种脊波导材料氮化硅SiN和铌酸锂LN在TE与TM两种偏振模式的损耗值，在1550nm工作波长下，以器件长度以5mm为例，石墨烯层的长度为5mm，平板波导层13和脊状波导层15的长度至少为5mm，平板波导层13的长度和脊状波导层15的长度可以分别大于石墨烯层的长度，石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含石墨烯夹层的偏振滤模器，包括基底和掩埋层，所述掩埋层位于所述基底的上方，其特征在于：所述偏振滤模器包括平板波导层、石墨烯层和脊状波导层，所述平板波导层位于所述掩埋层的上方，所述石墨烯层位于所述平板波导层的上方，所述脊状波导层位于所述石墨烯层的上方；所述石墨烯层的宽度大于所述脊状波导层的宽度，所述平板波导层的宽度大于所述脊状波导层的宽度，所述石墨烯层将所述平板波导层和所述脊状波导层相间隔。2.根据权利要求1所述的偏振滤模器，其特征在于：所述脊状波导层的长度大于等于所述石墨烯层；所述平板波导层的长度大于等于所述石墨烯层。3.根据权利要求1所述的偏振滤模器，其特征在于：所述平板波导层的厚度为300nm－600nm，所述脊状波导层的厚度为300nm－600nm。4.根据权利要求3所述的偏振滤模器，其特征在于：所述平板波导层的厚度为400nm，所述脊状波导层的厚度为400nm。5.根据权利要求3所述的偏振滤模器，其特征在于：所述脊状波导层呈梯形布置，所述脊状波导层的顶宽为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝婷，陆龙钊，周赤，吉贵军，卢金龙，胡彦斌，赵希，
申请(专利权)人：珠海光库科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：