基于GaAs混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器制造技术

本发明专利技术涉及集成光电子器件，尤其涉及基于GaAs混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器，包括底衬，所述底衬上设置有波导芯，所述波导芯包括输入波导、TE模式耦合波导和TM模式耦合波导，表现出良好的偏振特性，该基模偏振选择器不仅结构紧凑，而且可以实现工艺容差大、插入损耗低、消光比高、传输带宽等特性，本发明专利技术的偏振选择器结构能够通过光刻、电子束刻蚀、等离子体刻蚀工艺制作，其结构简单、紧凑、工艺容差大，本发明专利技术在光子集成中的偏振控制、光通信长距传输中的偏振复用等领域具有重要的研究和应用价值。的研究和应用价值。的研究和应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于GaAs混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器


[0001]本专利技术涉及集成光电子器件，尤其涉及基于GaAs混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器。

技术介绍

[0002]随着光子集成电路的发展，绝缘体上硅（Silicon
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on
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Insulator，SOI）与互补金属氧化物（Complementary Metal
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oxide Semiconductor，CMOS）工艺具有兼容和易于集成的优点，吸引了人们对实现紧凑光子集成电路的大量关注。然而，由于 SOI 波导中衬底硅和波导之间高折射率差，引起偏振相关的色散和损耗，使波导的偏振态随机变化，使 TE 和 TM模式在 SOI 波导中具有不同的传播特性。为了解决这个问题，近年来，各种实现偏振分束的波导结构被报道，如多模干涉仪（MMI）型、 Mach
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Zehnder干涉仪（MZI）型、光子晶体、亚波长光栅型、Slot型、定向耦合（DC）型等。然而，现有的这些偏振选择器还不成熟，基于多模干涉仪结构需要一个大的多模干涉区域来实现Π相移。基于马赫
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曾德干涉仪结构在不同臂中使用不同的模式传播常数，这增强了器件的占地面积。基于亚波长光栅结构具有很强的散射，会导致额外的损失。
[0003]所设计的偏振选择器采用三波导形式，使得TE和 TM 基模模式的双折射率对比增强，可获得超紧凑的结构，同时可以提高偏振消光比。随着中红外的应用日益广泛，硅(Si)、锗(Ge)、铌酸锂（LiNbO3）等多种材料被用于制备中红外偏振器件。与Si、SiO2、LiNbO3和Ge相比，砷化镓(GaAs)具有较宽的透明范围，具体为0.9
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17μm，是一种广泛应用于各种电子和光电器件的新型材料，特别是其高非线性磁化率、低吸收、高激光损伤阈值、高热导率以及成熟的材料技术，被认为是一种很有前途的中红外光学偏振器件材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种结构简单、紧凑、工艺容差大的基于GaAs混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于GaAs混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器，包括底衬，所述底衬上设置有波导芯，所述波导芯包括输入波导、TE 模式耦合波导和TM 模式耦合波导，所述输入波导包括TE模式集中层、TM模式集中层、金属层；所述TE 模式耦合波导包括GaAs层和氮化硅层；所述TM模式耦合波导包括GaAs层；所述波导芯自输入端向输出端包括混合等离子输入波导、选择波导、分离波导、输出波导；所述混合等离子输入波导由输入波导组成；所述选择波导由相互平行的输入波导、TE 模式耦合波导、TM 模式耦合波导组成；所述分离波导由TE 模式耦合波导、TM 模式耦合波导组成，所述TE 模式耦合波
导、TM模式耦合波导之间的间距值自输入端向输出端逐渐增加；所述输出波导由相互平行TE 模式耦合波导、TM 模式耦合波导组成。
[0006]进一步地，所述混合等离子输入波导宽度W3=845nm。
[0007]进一步地，所述选择波导中耦合长度为8μm。
[0008]进一步地，所述分离波导中TE 模式耦合波导、TM 模式耦合波导均为弧形，所在圆半径为120nm。
[0009]本专利技术的有益效果在于：本申请是得到一种基于GaAs混合等离子体结构的三波导中红外基模偏振选择器，使用了GaAs，通过改变波导的尺寸，使模式达到相位匹配，从而达到偏振分离的效果，本申请首先在为中红外波段，采用混合等离子体波导因具有较大的模式双折射效应可有效降低现有光集成器件尺寸，利于实现片上紧凑型密集集成，优化波导结构尺寸，使得仅有一种偏振态能耦合至波导交叉端而另一种偏振态因相位失配无法耦合将直接输出，此次采用三波导，输入波导为混合等离子体波导，能有效支持两种差异较大的偏振态模式，通过进一步对TE 模式耦合波导和TM 模式耦合波导结构优化及倏逝场耦合可实现对输入偏振态的高效分离。最后为避免输出端产生额外的模式耦合并提高器件偏振消光比，在波导的输出端加入了一段Ｓ弯型波导。
[0010]本专利技术的基模偏振选择器表现出良好的偏振特性，该基模偏振选择器不仅结构紧凑，而且可以实现工艺容差大、插入损耗低、消光比高、传输带宽等特性，本专利技术的偏振选择器结构能够通过光刻、电子束刻蚀、等离子体刻蚀工艺制作，其结构简单、紧凑、工艺容差大，本专利技术在光子集成中的偏振控制、光通信长距传输中的偏振复用等领域具有重要的研究和应用价值。
附图说明
[0011]图1为波导芯俯视示意图；图2为波导芯结构示意图；图3为波导芯左视示意图；图4为在输入波导两种基模的实部随宽度的变化而变化示意图；图5为在TE耦合波导基模的实部随宽度的变化而变化示意图；图6为在TM耦合波导基模的实部随宽度的变化而变化示意图；图7在不同波导间距下输入TE模式的归一化透射率曲线；图8在不同波导间距下输入TM模式的归一化透射率曲线；图9耦合长度L1的变化对TE模式的传输在Cross端口上归一化透射率影响曲线；图10耦合长度L1的变化对TM模式的传输在Cross端口上归一化透射率影响曲线；图11耦合长度L1的对变化ER的影响曲线；图12耦合长度L1的对变化IL的影响曲线；图13为在3300
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3700 nm内，波长 λ 的变化对TE模式的传输在Cross端口上归一化透射率影响曲线；图14为在3300
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3700 nm内，波长 λ 的变化对TM模式的传输在Cross端口上归一化透射率影响曲线；图15为在3300
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3700 nm内，波长 λ 的变化对ER的影响曲线；
图16为在3300
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3700 nm内，波长 λ 的变化对IL的影响曲线；图17为光在设计的三波导中红外基模选择器中的传播TE
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Ey。
[0012]图18为光在设计的三波导中红外基模选择器中的传播TM
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Ez。
具体实施方式
[0013]在本专利技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0014]下面将结合专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0015]实施例1如图1
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18所示，一种基于GaAs混合等离子体结构的三波导中红外基模选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GaAs混合等离子体结构的三波导中红外基模选择器，其特征在于，包括底衬，所述底衬上设置有波导芯，所述波导芯包括输入波导、TE 模式耦合波导和TM 模式耦合波导，所述输入波导包括TE模式集中层、TM模式集中层、金属层；所述TE 模式耦合波导包括GaAs层和氮化硅层；所述TM模式耦合波导包括GaAs层；所述波导芯自输入端向输出端包括混合等离子输入波导、选择波导、分离波导、输出波导；所述混合等离子输入波导由输入波导组成；所述选择波导由相互平行的输入波导、TE 模式耦合波导、TM 模式耦合波导组成；所述分离波导由TE 模式耦合波导、TM 模式耦合波导组成，所述TE 模式耦合波导、TM模式耦合波导之间的间距值自输入端向输出端逐渐增加；所述输出波导由相互平行TE 模式耦合波导、TM 模式耦合波导组成。2.根据权利要求1所述的基于GaAs混合等离子体结构的三波导中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王芳，刘花，郭彩霞，袁秋林，杨豪强，王旭，于坤，常钦，刘玉芳，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：