一种基于石墨烯的硅波导偏振滤波器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯的硅波导偏振滤波器，包括依次设置的硅衬底层

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯的硅波导偏振滤波器及其制备方法


[0001]本专利技术属于光通信
、
集成光子器件
，具体涉及一种基于石墨烯的硅波导偏振滤波器及其制备方法
。

技术介绍

[0002]随着集成光子系统水平的快速发展，对器件尺寸的要求越来越高
。
片上偏振器是一种滤波器，它能够传输特定极化状态的光波
(
横电模
TE
或横磁模
TM)
并阻挡其他极化状态的光波
。
在紧凑的片上集成系统中，片上偏振器是不可或缺的组件，广泛应用于片上陀螺仪
、
相干光通信
、
光信号处理和传感器等领域
。
[0003]对于波导偏振器，横电模
(TE)
或横磁模
(TM)
的消除可以通过波导吸收来实现，也可以通过波导通道来解决
。
现有的波导偏振器包括金属包层波导
、
双折射聚合物波导和铌酸锂波导等，虽然这些偏振器实现了较高的偏振相关损耗
(PDL)
，但通常以较高的传播损耗为代价，并且需要复杂的缓冲层来实现带宽操作
。
[0004]近年来，石墨烯材料因其优异的光学各向异性和宽带响应引起广泛关注，并被用于实现偏振滤波
。
石墨烯材料具有高速响应
、
物理机制简单
、
热稳定性和化学稳定性的优势，适合应用于需要高透射率的光学系统中，并且石墨烯易于制备和加工，可实现大面积单层薄膜，这使得石墨烯在偏振滤波器的规模化生产和应用方面具有很大潜力
。
然而，目前基于石墨烯的波导偏振器仍面临一些挑战
。
通常情况下，用于制备波导偏振器的石墨烯层需要通过化学气相沉积
(CVD)
技术或滴涂法来实现
。
这些方法存在一定的限制，例如难以在集成器件上实现精确的位置控制和图像化
、
大面积的连续涂敷等
。
[0005]公开号为
CN110780374A
的中国专利申请公开了一种基于石墨烯
/
聚合物混合波导结构的偏振器及其制备方法，采用硅片作为衬底，以有机聚合物材料分别作为光波导的包层和芯层材料，将石墨烯薄膜掩埋在聚合物光波导的内部
。
该方法中制备方法采用的是滴涂法，将石墨烯混于去离子水中制备成溶液，再采用滴管将混有石墨烯的溶液滴在光波导芯层表面，并采取后续手段，去除不必要成分，将其制备成石墨烯薄膜
。
此方案采用滴涂法，石墨烯薄膜的厚度是通过滴涂次数决定的，厚度无法做到精确控制，且若想将石墨烯图案化，仅存在于光波导表面，需要采取刻蚀的工艺，将光波导芯层之外位置的石墨烯部分去除，工艺较为复杂
。
[0006]对于波导偏振器，在实现优化的模态重叠和损耗等参数方面，对石墨烯层的位置
、
厚度和尺寸的精确控制至关重要，基于石墨烯的波导偏振器的研究目前仍处于不成熟的阶段
。

技术实现思路

[0007]鉴于上述，本专利技术的目的是提供一种基于石墨烯的硅波导偏振滤波器及其制备方法，将石墨烯粉末通过机械混合混在聚合物光刻胶中制备含有石墨烯的聚合物波导，能够实现对带有石墨烯的聚合物波导位置
、
厚度和尺寸的精确控制和图案化，适用于偏振滤波
器的精准高效制备和广泛应用
。
[0008]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的技术方案如下：
[0009]本专利技术实施例提供的一种基于石墨烯的硅波导偏振滤波器，包括依次设置的硅衬底层
、
二氧化硅下包层
、
硅波导
、
聚合物波导和二氧化硅上包层；所述聚合物波导中混有石墨烯
。
[0010]优选地，所述石墨烯为单层或多层石墨烯粉末，通过机械混合手段均匀分布于聚合物波导的聚合物中
。
[0011]优选地，通过改变石墨烯浓度进而调控硅波导偏振滤波器对横磁模的透过率
。
[0012]优选地，所述硅波导为脊波导，整体长度为5‑
20
μ
m
，非脊宽度为3‑5μ
m
，非脊厚度为
100
‑
230nm
，脊宽度为
0.5
‑1μ
m
，脊厚度为
70
‑
100nm。
硅波导在硅波导偏振器中的作用是作为光波的传播介质，通过特定的设计和制造实现对特定光波的限制
、
引导和传输，将硅波导制成脊波导能够提高传输效率和稳定性，减少能量损耗，并改善传输模式的质量
。
[0013]优选地，所述聚合物波导的宽边尺寸与脊波导的脊宽度尺寸一致，长度小于脊波导整体长度
。
聚合物波导的主要作用是作为光波的传输介质，通过引导不同偏振状态的光波来实现偏振分离，具有低损耗
、
高带宽和高可靠性的特点
。
在硅波导偏振器中，将聚合物波导与硅波导结合使用，硅波导和聚合物波导可以共同构成一个光学调控系统，其中聚合物波导主要负责对光波的调控，而硅波导则主要负责光波的传输
。
具体来说，硅波导可以作为光波的传输通道，将光波从一处传输到另一处，而聚合物波导则可以对光波的偏振状态参数进行调控，从而实现光波的调制功能，二者结合能够实现对光波的传输和调控，通过改变聚合物波导的形状和尺寸来优化光波的传输性能
。
[0014]优选地，所述聚合物波导中混有石墨烯，其中石墨烯的浓度范围为
0.1mg/ml
‑
1mg/ml。
[0015]优选地，所述二氧化硅上包层厚度为
0.4
‑1μ
m
，二氧化硅下包层厚度为1‑2μ
m
，二氧化硅下包层和二氧化硅上包层用于保护硅波导和聚合物波导
。
[0016]优选地，所述聚合物波导的材料为
EPO
聚合物，
EPO
聚合物同时作为一种光刻胶进行使用，所述
EPO
聚合物为包括2‑
甲氧基
‑1‑
甲基乙基乙酸酯
、
环氧树脂及丙烯酸酯的聚合物
。
[0017]为实现上述专利技术目的，本专利技术实施例还提供了一种上述基于石墨烯的硅波导偏振滤波器的制备方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1，采用化学气相沉积法或磁控溅射法，于硅衬底层上生长二氧化硅下包层；
[0019]步骤2，采用化学气相沉积法于二氧化硅下包层表面生长一层硅薄膜；
[0020]步骤3，于硅薄膜表面涂敷一层光刻胶，通过光刻操作包括前烘
、
曝光和显影，暴露硅薄膜两侧待刻蚀区域，利用
ICP、IBE
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于石墨烯的硅波导偏振滤波器，其特征在于，包括依次设置的硅衬底层
、
二氧化硅下包层
、
硅波导
、
聚合物波导和二氧化硅上包层；所述聚合物波导中混有石墨烯
。2.
根据权利要求1所述的基于石墨烯的硅波导偏振滤波器，其特征在于，所述石墨烯为单层或多层石墨烯粉末，通过机械混合手段均匀分布于聚合物波导的聚合物中
。3.
根据权利要求1所述的基于石墨烯的硅波导偏振滤波器，其特征在于，通过改变石墨烯浓度进而调控硅波导偏振滤波器对横磁模的透过率
。4.
根据权利要求1所述的基于石墨烯的硅波导偏振滤波器，其特征在于，所述硅波导为脊波导，整体长度为5‑
20
μ
m
，非脊宽度为3‑5μ
m
，非脊厚度为
100
‑
230nm
，脊宽度为
0.5
‑1μ
m
，脊厚度为
70
‑
100nm。5.
根据权利要求4所述的基于石墨烯的硅波导偏振滤波器，其特征在于，所述聚合物波导的宽边尺寸与脊波导的脊宽度尺寸一致，长度小于脊波导整体长度
。6.
根据权利要求1所述的基于石墨烯的硅波导偏振滤波器，其特征在于，所述聚合物波导中混有石墨烯，其中石墨烯的浓度范围为
0.1mg/ml
‑
1mg/ml。7.
根据权利要求1所述的基于石墨烯的硅波导偏振滤波器，其特征在于，所述二氧化硅上包层厚度为
0.4<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王盼，张磊，刘玲玲，张萌徕，焦文婷，高阳，尹坤，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：