偏振分束器及其形成方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种偏振分束器及其形成方法。
背景技术
偏振是指横波的振动矢量(垂直于波的传播方向)偏于某些方向的现象。在长距离的光通信中，光纤作为光信号的传输通道，其保偏能力较差，其中的偏振态具有较大的随机性。而在硅基光电子中，由于TE(Transverse Electric，横电)偏振态的传播损耗较低，所以器件一般均基于TE偏振态而设计，且在常见的硅波导的TE与TM(Transverse Magnetic，横磁)偏振模式的有效折射率相差较大，二者之间不会发生不同偏振态之间的转化，具有较好的保偏能力。所以在光信号从光纤进入硅光芯片时，首先应该对输入信号的偏振态进行控制。
偏振控制在许多应用领域起着非常关键的作用，例如通信，生物传感，量子光学等，而高效率和小尺寸的偏振控制器件在这些领域具有非常重要的应用价值。
因此，如何有效分离TE偏振态与TM偏振态，扩展偏振光的应用领域，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种偏振分束器及其形成方法，用于解决现有的偏振分束器存在的不能片上集成、尺寸较大、结构复杂与工作波长范围较窄等问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种偏振分束器，包括：
衬底；
位于所述衬底表面且均沿第一方向延伸的第一波导、狭缝波导和第二波导；所述第一波导、所述狭缝波导与所述第二波导在沿与所述第一方向垂直的第二方向上平行排列，且所述狭缝波导位于所述第一波导与所述第二波导之间；所述第一方向为光线的传播方向，所述第一方向与所述第二方向均为平行于所述衬底的方向；
所述光线中的横磁偏振光能够自所述第一波导经所述狭缝波导耦合至所述第二波导。
优选的，所述第一波导与所述第二波导的材料相同，且所述第一波导与所述第二波导对称分布于所述狭缝波导的相对两侧。
优选的，所述狭缝波导包括沿第三方向依次叠置的第一材料层、狭缝层和第二材料层，所述第一材料层与所述第二材料层的折射率均大于所述狭缝层的折射率；所述第一材料层、所述第一波导与所述第二波导同层设置；所述第三方向为垂直于所述衬底的方向。
优选的，在所述第一方向上，所述第一波导与所述第二波导的长度均大于所述狭缝波导。
优选的，所述第一波导与所述第二波导均为硅波导；所述第一材料层为硅材料层，所述第二材料层为氮化硅材料层，所述狭缝层的材料为二氧化硅。
优选的，所述第一材料层的厚度为200nm～240nm，所述第二材料层的厚度为280nm～320nm。
优选的，所述狭缝层的厚度为30nm～70nm。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种偏振分束器的形成方法，包括如下步骤：
提供衬底；
于所述衬底表面形成均沿第一方向延伸的第一波导、狭缝波导和第二波导；所述第一波导、所述狭缝波导与所述第二波导在沿与所述第一方向垂直的第二方向上平行排列，且所述狭缝波导位于所述第一波导与所述第二波导之间；所述第一方向为光线的传播方向，所述第一方向与所述第二方向均为平行于所述衬底的方向；所述光线中的横磁偏振光能够自所述第一波导经所述狭缝波导耦合至所述第二波导。
优选的，所述第一波导与所述第二波导的材料相同，且所述第一波导与所述第二波导对称分布于所述狭缝波导的相对两侧。
优选的，所述衬底为SOI衬底；于所述衬底表面形成均沿第一方向延伸且相互平行的第一波导、狭缝波导和第二波导的具体步骤包括：
刻蚀所述SOI衬底的顶层硅，形成所述第一波导、所述第二波导和所述第一材料层；
沉积二氧化硅于所述第一材料层表面，形成所述狭缝层；
沉积氮化硅于所述狭缝层表面，经过光刻与刻蚀后形成所述第二材料层；
沉积二氧化硅材料于所述第一波导、所述第二波导与所述狭缝波导表面，形成上包层。
本发明提供的偏振分束器及其形成方法，通过设置相互平行排列的第一波导、狭缝波导和第二波导，使得输入第一波导中的光线的TM偏振模式能够经所述狭缝波导耦合至第二波导，而输入所述第一波导中的光线的TE偏振模式则会继续沿着所述第一波导输出，从而实现了对光线中TM偏振模式与TE偏振模式的分离，实现了片上偏振分束功能，可以分离得到较为纯净的偏振态，扩大了偏振光的应用领域。并且，本发明提供的偏振分束器结构简单，尺寸较小，工作波长范围较宽，在未来的偏振复用以及传感等方面有着诸多潜在的应用。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式中偏振分束器的俯视结构示意图；
附图2是本发明具体实施方式中偏振分束器的截面示意图；
附图3是本发明具体实施方式中狭缝波导的结构示意图；
附图4是本发明具体实施方式中Si条形波导和Si3N4/Si狭缝波导内的模式有效折射率曲线；
附图5是本发明具体实施方式中偏振分束器的形成方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的偏振分束器及其形成方法的具体实施方式做详细说明。
本具体实施方式提供了一种偏振分束器，附图1是本发明具体实施方式中偏振分束器的俯视结构示意图，附图2是本发明具体实施方式中偏振分束器的截面示意图。如图1、图2所示，本具体实施方式提供的偏振分束器包括：
衬底；
位于所述衬底表面且均沿第一方向延伸的第一波导10、狭缝波导11和第二波导12；所述第一波导10、所述狭缝波导11与所述第二波导12在沿与所述第一方向垂直的第二方向上平行排列，且所述狭缝波导11位于所述第一波导10与所述第二波导12之间；所述第一方向为光线的传播方向，所述第一方向与所述第二方向均为平行于所述衬底的方向；
所述光线中的横磁(TM)偏振光能够自所述第一波导10经所述狭缝波导11耦合至所述第二波导12。
具体来说，如图1所示，所述第一方向为X轴方向，所述第二方向为Y轴方向。所述第一波导10、所述狭缝波导11和所述第二波导12均沿X轴方向延伸。以下以所述第一波导10与所述第二波导12均为条形波导为例进行说明。
光线自所述第一波导10的输入端101进入所述第一波导10。由于对于所述光线中横磁(TM)模式的偏振光而言，所述狭缝波导11与所述第一波导10达到了相位匹配的条件，具有较高的耦合效率。因此，光线在所述第一波导10中传输一段距离后，所述光线中的TM偏振光会先耦合至所述狭缝波导11，再经所述狭缝波导11耦合至所述第二波导12，最后经所述第二波导12的第二输出端121输出。对于所述光线中横电(TE)模式的偏振光而言，由于所述狭缝波导11与所述第一波导10的有效折射率存在较大的差别，使得所述狭缝波导11与所述第一波导10之间TE偏振光的耦合效率较低。所以，所述光线中的TE偏振光会继续沿着所述第一波导10传输，直至自所述第一波导10的第一输出端102输出，从而达到了偏振分离的目的，实现了片上偏振分束功能，可以分离得到较为纯净的偏振态，扩大了偏振光的应用领域，在未来的偏振复用以及传感等方面有着诸多潜在的应用。
另外，本具体实施方式提供的偏振分束器可以采用集成工艺制备，工艺简单，尺寸较小，在较宽的波长范围内均可以实现较高的消光比，且易于与其他半导体器件进行集成。
为了简化所述偏振分束器的制造工艺，节省制造成本，优选的，所述第一波导10与所述第二波导12的材料相同，且所述第一波导10与所述第二波导12对称分布于所述狭缝波导11的相对两侧。
具体来说，所述第一波导10与所述狭缝波导11之间的第一距离S1和所述第二波导12与所述狭缝波导11之间的第二距离S2相等。即所述第一波导10中与所述狭缝波导11对应的部分和所述第二波导12中与所述狭缝波导11对应的部分对称分布于所述狭缝波导11的相对两侧。
附图3是本发明具体实施方式中狭缝波导的结构示意图。为了简化所述狭缝波导的结构，优选的，如图2和图3所示，所述狭缝波导11包括沿第三方向依次叠置的第一材料层111、狭缝层112和第二材料层113，所述第一材料层111与所述第二材料层113的折射率均大于所述狭缝层112的折射率；所述第一材料层111、所述第一波导10与所述第二波导12同层设置；所述第三方向为垂直于所述衬底的方向。
具体来说，所述第三方向为Z轴方向。所述狭缝波导11包括沿Z轴正方向依次叠置的所述第一材料层111、所述狭缝层112和所述第二材料层113。所述第一材料层111与所述第二材料层113的折射率均大于所述狭缝层112的折射率。所述第一材料层111、所述第二材料层113与所述狭缝层112的具体材料，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
为了更好的分离TE偏振光和TM偏振光，优选的，在所述第一方向上，所述第一波导10与所述第二波导12的长度均大于所述狭缝波导11。
优选的，所述第一波导10与所述第二波导12均为硅波导；所述第一材料层111为硅材料层，所述第二材料层113为氮化硅材料层，所述狭缝层112的材料为二氧化硅。
优选的，所述第一材料层111的厚度H1为200nm～240nm，所述第二材料层113的厚度H3为280nm～320nm。更优选的，所述第一材料层111的厚度H1为220nm，所述第二材料层113的厚度H3为300nm。
优选的，所述狭缝层112的厚度为30nm～70nm。更优选的，所述狭缝层112的厚度为50nm。
附图4是本发明具体实施方式中Si条形波导和Si3N4/Si狭缝波导内的模式有效折射率曲线，图4中Si条形波导的厚度为220nm，Si3N4/Si狭缝波导中狭缝层的厚度为50nm，Si3N4层(即所述第二材料层113)的厚度为300nm。在图4中，第一曲线411表示TE偏振模式的有效折射率随狭缝波导宽度变化的曲线，第二曲线412表示TE偏振模式的有效折射率随条形波导宽度变化的曲线，第三曲线421表示TM偏振模式的有效折射率随狭缝波导宽度变化的曲线，第四曲线422表示TM偏振模式的有效折射率随条形波导宽度变化的曲线。
所述第一波导10、所述狭缝波导11和所述第二波导12的宽度，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。如图4所示，采用Si3N4/Si作为所述狭缝波导12，能够更加有效的提高TM偏振模式的有效折射率，同时对TE偏振模式的有效折射率基本没有影响，从而可以在较短的距离内实现偏振态的分离，有助于进一步减小所述偏振分束器的尺寸。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种偏振分束器的形成方法，附图5是本发明具体实施方式中偏振分束器的形成方法流程图，本具体实施方式形成的偏振分束器的具体结构可参见图1-图3。如图1-图3、图5所示，本具体实施方式提供的偏振分束器的形成方法，包括如下步骤：
步骤S51，提供衬底。其中，所述衬底优选为SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)衬底。所述SOI衬底包括沿Z轴方向依次叠置的底层硅、埋氧化层和顶层硅。
步骤S52，于所述衬底表面形成均沿第一方向延伸的第一波导10、狭缝波导11和第二波导12；所述第一波导10、所述狭缝波导11与所述第二波导12在沿与所述第一方向垂直的第二方向上平行排列，且所述狭缝波导11位于所述第一波导10与所述第二波导12之间；所述第一方向为光线的传播方向，所述第一方向与所述第二方向均为平行于所述衬底的方向；所述光线中的横磁偏振光能够自所述第一波导10经所述狭缝波导11耦合至所述第二波导12。
优选的，所述第一波导10与所述第二波导12的材料相同，且所述第一波导10与所述第二波导12对称分布于所述狭缝波导11的相对两侧。
优选的，于所述衬底表面形成均沿第一方向延伸且相互平行的第一波导10、狭缝波导11和第二波导12的具体步骤包括：
刻蚀SOI衬底的顶层硅，形成所述第一波导10、所述第二波导12和所述第一材料层111；
沉积二氧化硅于所述第一材料层111表面，形成所述狭缝层112；
沉积氮化硅于所述狭缝层112表面，经过光刻与刻蚀后形成所述第二材料层113；
沉积二氧化硅材料于所述第一波导10、所述第二波导12与所述狭缝波导11表面，形成上包层。
具体来说，首先，通过对所述SOI衬底的顶层硅进行光刻、刻蚀，同时形成沿Y轴方向平行排列、且相互间隔的第一波导10、第二波导12和第一材料层111，其中，所述第一材料层111位于所述第一波导10与所述第二波导12之间。然后，采用PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)工艺沉积二氧化硅材料于所述第一材料层111表面，形成所述狭缝层112。接着，采用LPCVD(Low Pressure ChemicalVapor Deposition，低压化学气相沉积)工艺沉积氮化硅于所述狭缝层112表面，经过光刻与刻蚀后形成所述第二材料层113。最后，采用PECVD工艺沉积二氧化硅材料于所述第一波导10、所述第二波导12、所述第二材料层113和所述埋氧化层表面，形成上包层。
本具体实施方式提供的偏振分束器及其形成方法，通过设置相互平行排列的第一波导、狭缝波导和第二波导，使得输入第一波导中的光线的TM偏振模式能够经所述狭缝波导耦合至第二波导，而输入所述第一波导中的光线的TE偏振模式则会继续沿着所述第一波导输出，从而实现了对光线中TM偏振模式与TE偏振模式的分离，实现了片上偏振分束功能，可以分离得到较为纯净的偏振态，扩大了偏振光的应用领域。并且，本发明提供的偏振分束器结构简单，尺寸较小，工作波长范围较宽，在未来的偏振复用以及传感等方面有着诸多潜在的应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
