一种集成介质光波导的光吸收器和光吸收芯片的制作方法

1.本发明涉及集成光学元器件领域，尤其涉及一种集成介质光波导的光吸收器和光吸收芯片。


背景技术：

2.光学吸收器，也称为光学消除器或光沉，是集成光学元器件中的重要组件。它们用于以低回波损耗(反射)消除不希望的光。在硅基集成光子学技术中，硅(si)波导作为半导体波导，可以通过离子注入工艺掺杂形成光吸收器，这样光可以通过自由载流子吸收来消除。除硅波导外，一些介质光波导(如二氧化硅、聚合物、氮化硅、氮化铝等波导)也广泛应用于集成光子学技术。介质光波导通常不能像硅波导那样掺杂形成吸收器；因此，目前一种简单的方法是使过渡结构将光从介质光波导传输到硅，然后使用掺杂硅作为吸收器，但是这样就会引入额外的过渡结构，使元器件结构变得复杂。目前另一种方法是使用吸收材料，如锗(ge)。硅上锗广泛应用于集成光学元器件中，可以用作光电探测器，但锗外延生长会影响集成光学元器件的良率，进而影响成本。此外，介质光波导和锗吸收器的表面可以引入一些不需要的反向反射。因此，亟需一种新型的集成介质光波导的光吸收器以改善上述问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种集成波导的光学吸收器和光吸收芯片，用于减小反向反射，使光能够尽可能地被完全吸收。
4.第一方面，本发明提供一种集成介质光波导的光吸收器，该光吸收器包括波导包层、介质光波导核心和吸收材料层，波导包层包围该介质光波导核心和该吸收材料层，介质光波导核心包括第一端部和第二端部，介质光波导核心的径向尺寸从所述第一端部到所述第二端部逐渐变小，吸收材料层，能够位于所述波导上层，或位于所述波导侧方，又或者位于所述波导下层，该光吸收器可以减小反向反射，使光能够尽可能地被完全吸收。
5.可选的，介质光波导的形状为锥形或者楔形。因为锥形或者楔形的介质光波导使得光模尺寸逐渐增大，当光模式轮廓扩展到越来越大时，光模式的尾部开始接触上面的吸收材料层，因吸收材料层引入吸收，从而衰减了沿波导传播的光功率。而绝热模式渐变足够光滑，以避免突变，因此可以显著减小反向反射。
6.可选的，介质光波导核心从一侧到另一侧的宽度逐渐改变，介质波导的材料可以是但不限定于如二氧化硅、聚合物、氮化硅、氮化铝等。
7.可选的，介质光波导核心在空间上呈螺旋状或折叠环状设置，这样有助于节省光集成电路元器件上的空间，光集成电路元器件的集成化程度更高。
8.可选的，吸收材料层的材料为金属。而且，该光吸收器不需要使用离子注入掺杂工艺，也不需要引入锗等其他材料，使其结构易于制造。
9.可选地，吸收材料层的材料为硅，硅可以用于吸收某一波长的光(如可见光波段)。
10.可选地，该硅上可以通过离子注入掺杂工艺形成有pn结或pin结。这样可以通过加
反偏电压将光吸收后转换成的自由载流子移走。
11.第二方面，本发明提供一种光吸收芯片，包括偏振旋转器和如第一方面所述的光吸收器；该偏振旋转器，用于能够将输入的te偏振光旋转90度转换成tm偏振光，并输出所述tm偏振光；该光吸收器，用于吸收tm偏振光。因为光吸收器的tm偏振光的吸收效率更高，所以该结构能够更有效地吸收光波。
附图说明
12.图1为本发明提供的一种光吸收器的立体图；
13.图2为本发明提供的一种光吸收器的俯视图、侧视图和剖面图；
14.图3为本发明提供的另一种光吸收器的立体图；
15.图4至图6为本发明提供的另一种光吸收器的立体图；
16.图7为本发明提供的一种光介质波导的空间设置方式俯视图；
17.图8为本发明提供的一种光模式强度剖视图；
18.图9为本发明提供的一种光吸收芯片的吸收方式示意图。
19.图中标号：
20.10、波导包层；
21.20、介质光波导核心；
22.30、吸收材料层。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
24.实施例一
25.针对现有技术存在的问题，本发明的实施例一提供了一种集成介质光波导的光吸收器，如图1所示，包括：波导包层10、介质光波导核心20、吸收材料层30。
26.其中，波导包层10包围介质光波导核心20和吸收材料层30；介质光波导核心20包括第一端部和第二端部，介质光波导核心20的径向尺寸从第一端部到所述第二端部逐渐变小；吸收材料层30，位于该介质光波导核心上层。另外，图2为图1中的光吸收器的俯视图、侧视图和剖面图，俯视图如图2中的(a)所示，侧视图如图2中的(b)所示，剖面图如图2中的(c)所示。
27.示例性地，第一端部的径向尺寸的取值范围为[500nm，2000nm]，第二端部的径向尺寸的取值范围为[100nm，200nm]。
[0028]
值得说明的是，图1是以楔形的介质光波导核心20为例进行示意，需要说明的是，该介质光波导核心20还可以是锥形，如图3所示。
[0029]
另一种可能的实施方式下，如图4所示该吸收材料层30还可以位于该介质光波导核心20的一侧；又或者，如图5所示，吸收材料层30位于该介质光波导核心20的下层；再或者，如图6所示，该吸收材料层30还可以位于该介质光波导核心20的两侧。
[0030]
可选的，介质光波导核心20可以在空间上呈螺旋状或折叠环状设置，呈螺旋状的光吸收器的俯视图如图7中的(a)所示，呈折叠环状的光吸收器的俯视图如图7中的(b)所示，这样设置有助于节省光集成电路元器件上的空间，光集成电路元器件的集成化程度更高。
[0031]
可选地，本发明中的吸收材料层30和介质光波导核心20可以由标准的集成光子学代工厂提供，因此其结构与标准的工艺流程相兼容。该吸收材料层30的材料可以是金属，例如，可以是但不限定于铝、铜或钨，该光吸收器不需要植入，也不需要引进锗等其他材料，使其结构易于制造。介质波导的材料可以是但不限定于如二氧化硅、聚合物、氮化硅、氮化铝等。
[0032]
可选地，该吸收材料层30还可以是硅层，硅层可以用于吸收某一波长的光(如可见光波段)，将光转换为自由载流子。如图2所示，介质光波导核心20的下层设有硅层，该硅层可以吸收通过介质光波导核心20传播的可见光，硅层可以是soi衬底上的顶部硅。
[0033]
可选地，该硅层上可以通过离子注入掺杂工艺形成有pn结或pin结，从而通过施加反向偏置电压扫出光被硅吸收而转换成的自由载流子。
[0034]
实施例二
[0035]
实施例二是基于实施例一的方案，其改进之处在于，本发明还提供一种光吸收芯片，该光吸收芯片包括偏振旋转器和光吸收器，该光吸收器如实施例一所述。偏振旋转器，用于将输入的横电场(transverse electric，te)模偏振光旋转90度转换成横磁场(transverse magnetic，tm)模偏振光，并输出所述tm偏振光。光吸收器，用于吸收所述tm偏振光。因为光吸收器的tm偏振光的吸收效率更高，所以该结构能够更有效地吸收光波。
[0036]
如图8中的(a)和图8中的(b)分别显示了te和tm极化的狭窄氮化硅波导截面下的模拟模式强度剖面；图8中的(c)和图8中的(d)分别显示在波导上方引入吸收材料层后的模拟模式强度轮廓；可以看出，吸收材料层对光模分布有干扰，根据试验数据，tm模偏振光比te模偏振光的损失高，例如高10倍，因此光吸收器对tm模偏振光的吸收效率要好得多。
[0037]
如图9所示，基于上述光吸收芯片，光波的偏振首先从te模偏振光转换为tm模偏振光，然后光吸收器能够更有效地吸收tm模偏振光。
[0038]
值得说明的是，上述光吸收器、光吸收芯片可以应用于光传感，光计算，光通信，光存储，光雷达等场景，对此本发明并不做限制。
[0039]
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。