專利名稱：基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光通信和光互連技術領域，尤其涉及一種基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器。
背景技術：
偏振光分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)在光學中有著非常多的應用， 如基于偏振光的成像系統、磁光信息儲存系統、光開關、光路由器、光隔離器和相干接收系統等等。特別是在相干接收系統中，偏振分束器具有重要的應用，其能夠將正交偏振態的光信號分開，然后分別傳輸和處理。在偏振分束器的應用中，通常要求高消光比和衍射效率、 寬的角度適應范圍和工作波長，同時還要求體積小、效率高、易集成，能夠提供足夠的制作寬容度等。傳統的偏振分束器大多基于晶體的雙折射效應，如Nicol棱鏡，Glan-Thomson棱鏡等。但這些器件過于厚重，昂貴，而且很難與集成光路兼容。另外一種方法是利用多層介質膜透射和反射光的偏振特性來獲得偏振光，但是薄膜偏振分束器薄膜層數達到幾十層， 對均勻性和對稱性要求較嚴，加工較難，高消光比元件的成本很高，而且需要特定的輸入角度，光譜帶寬也很低。因此，采樣新技術、新結構與新材料設計與研究高性能的偏振分束器非常重要。目前已經公開的比較好的實現方案，按照實現偏振分束功能的光學結構，主要有 Y分支、定向耦合型偏振分束器、亞波長光柵型偏振分束器、光子晶體型偏振分束器、馬赫澤德型偏振分束器、多模干涉器型偏振分束器等。Y分支型偏振分在實際應用中器件尺寸大， 而且要求加工精度高；定向耦合型偏振分束器的優點是器件尺寸小，損耗小，缺點是制作容差較小；光柵型偏振分束器容易與集成光路兼容，但需要特定的輸入角度實現高的耦合效率；光子晶體型偏振分束器設計過程和制作工藝均比較復雜；馬赫澤德型偏振分束器裝尺寸較大，通常在mm量級；馬赫澤德型偏振分束器器件尺寸過大，通常都在mm量級，不利于實際光電子模塊的集成。綜上所述，現有技術在器件設計制作復雜、集成度低、功能不易實現、耦合效率與消光比低，且與CMOS工藝的兼容性差，很難直接應用到相干接收系統中。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器，其結構簡單緊湊、功能實現容易、與CMOS工藝兼容性好，并具有高耦合效率與消光比。( 二)技術方案為解決上述問題，本發明提供了一種基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器，由上至下依次包括上包層、光柵層、波導層和下包層；其中，所述光柵層被完全刻透、與波導層位于同一層；
所述波導層的折射率大于所述上包層和下包層的折射率。優選地，所述光柵層與所述波導層的制備材料相同。優選地，所述光柵層的光柵周期的大小小于入射光波長。優選地，所述上包層為空氣。由上包層入射到所述光柵層的光，在光柵衍射的作用下被耦合進所述波導層中， 同時將TE模和TM模分開使其分別朝相反方向傳輸。所述上包層入射光的入射角度θ為10度至70度。(三)有益效果本發明偏振分束器通過采用亞波長全刻蝕光柵結構，并使其中的波導層的折射率大于所述上包層和下包層的折射率，能夠兼耦合與分束功能于一體，并具有結構簡單、尺寸小、與CMOS工藝兼容性好、制作成本低且快速等優點，能夠很好的應用光電集成電路系統當中。
圖1為本發明所述基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器的原理示意圖；圖2為TE光和TM光的耦合效率與入射角度之間的關系曲線圖；圖3為TE光和TM光的耦合效率與光柵周期的關系曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。本發明所述的基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器，由上至下依次包括上包層1、 光柵層2、波導層3和下包層4 ；其中，所述光柵層2被完全刻透，且與波導層3位于同一層； 所述波導層3的折射率大于所述上包層1和下包層4的折射率。其中，所述光柵層2與所述波導層3的制備材料相同。所述光柵層2的光柵周期的大小小于入射光波長。所述上包層4為空氣。由上包層1入射到所述光柵層2的光，在光柵衍射的作用下被耦合進所述波導層3中，同時將TE模和TM模分開，使其分別朝相反方向傳輸。優選地，所述上包層1入射光的入射角度θ為10度至70度。一般要求入射光的入射角度θ不能太大也不能太小。如果θ太大的話，入射光纖的纖維芯必然會離光柵區域比較遠，由此導致的光束發散性會在很大程度上限制耦合效率；而如果θ太小的話，從光纖入射的光會從光柵反射回光纖，也必然會降低耦合效率。在相干接收系統中，考慮到信號光耦合與分束的需要，如圖1所示，在依照本發明一種實施方式的具有高耦合效率和消光比且與CMOS工藝兼容的硅波導全刻蝕光柵偏振分束器中，光柵區域主要由兩種不同折射率(即I^n2)的材料組成，光柵上包層1和下包層4 的折射率分別為Ii1和叫，所謂的全刻蝕結構，就是指光柵線條(及折射率為n2的區域)被其他低折射率的材料所包圍，即n2 > H1, n3,此時光柵線條完全離散化，即不同于淺刻蝕光柵的蕭條，全刻蝕光柵的線條之間完全分立。在設計這種亞波長全刻蝕光柵結構的時候具有很大的靈活性，只要使用的材料滿足η2 > ηι、η3，都可以設計出不同性能的偏振分束器。
本發明所提供的基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器不僅能夠將空間輸入的光耦合到波導中，還同時能夠將TE模和TM模分開并使其分別朝相反方向傳播。對于一般的淺刻蝕光柵，由于光柵的刻蝕高度與波導層的厚度不一致，因此在將其與其他器件一起制作的時候，需要進行第二次光刻，而對于全刻蝕的光柵只需要一步光刻就可以與其他器件集成起來，減少了制作的成本和時間，同時不需要加任何的覆蓋層和反射層，結構非常簡單， 制作起來也非常方便。由于本發明的偏振分束器采用的是亞波長全刻蝕光柵結構，此時波導是強調制的，波導微擾理論不再適用，普通光柵的布拉格條件此也不再成立，因此要分別考慮TE和 TM模的布洛赫模(Bloch mode)色散模型，結合這兩個模型，可以找到合適的點實現TE和 TM能夠分別耦合到波導兩端，即實現偏振分束。首先對于入射光的入射角度θ，一般要求不能太大也不能太小。圖2給出了 TE光和TM光的耦合效率與入射角度之間的關系曲線圖，圖3給出了 TE光和TM光的耦合效率與光柵周期的關系曲線圖。根據圖2和圖3，適當選擇入射角度和光柵周期，就可以得到光耦合效率、高消光比的基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器。本發明所提出的基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器能在比較寬的3dB帶寬范圍內實現比較高的耦合效率和消光比，雖然消光比指標相比其他類型的偏振分束器仍不太高，但是考慮偏振分束器兼耦合與分束功能于一體，具有結構簡單、尺寸小、與CMOS工藝兼容、制作成本低且快速等優點，能夠很好的應用到光電集成電路系統當中。淺刻蝕光柵在科研上已經研究的比較成熟了，而全刻蝕光柵作為一種新穎的結構，無論是在理論依據上還是在設計上相比都有明顯的不同，而且制作加工更為簡單經濟，因此這種結構對設計耦合器和偏振分束器來說都有著比較重要的意義。以上實施方式僅用于說明本發明，而并非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發明的范疇，本發明的專利保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器，其特征在于，由上至下依次包括上包層 (1)、光柵層O)、波導層C3)和下包層(4)；其中，所述光柵層( 被完全刻透，且與所述波導層⑶位于同一層；所述波導層(3)的折射率大于所述上包層(1)和下包層的折射率。
2.如權利要求1所述的基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器，其特征在于，所述光柵層(2)與所述波導層(3)的制備材料相同。
3.如權利要求1所述的基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器，其特征在于，所述光柵層O)的光柵周期的大小小于入射光波長。
4.如權利要求1所述的基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器，其特征在于，所述上包層⑴為空氣。
全文摘要
本發明公開了一種基于亞波長全刻蝕光柵的偏振分束器，由上至下依次包括上包層、光柵層、波導層和下包層；其中，所述光柵層被完全刻透、與波導層位于同一層；所述波導層的折射率大于所述上包層和下包層的折射率。本發明通過采用亞波長全刻蝕光柵結構，并使其中的波導層的折射率大于所述上包層和下包層的折射率，能夠兼耦合與分束功能于一體，并具有結構簡單、尺寸小、與CMOS工藝兼容性好、制作成本低且快速等優點，能夠很好的應用光電集成電路系統當中。
文檔編號G02B27/28GK102402019SQ20111041824
公開日2012年4月4日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者伍丹華, 周治平, 隋昕 申請人:北京大學