一种二硫化钼波导层、其制备方法及偏振分束旋转器与流程

本发明属于偏振分束领域，具体涉及一种二硫化钼波导层、其制备方法及偏振分束旋转器。

背景技术：

1、近年来，随着云计算、云存储的迅速发展，数据流量急剧增长，对宽带传输速度和容量提出了更高的需求。光具有波长、偏振、模式等多个维度参量，可分别发展波分复用(wdm)、偏振复用(pdm)以及模式复用(mdm)等技术，为实现大容量、高速率、低能耗、低成本的数据传输提供了有力支撑。因此，实现片上光互连技术是解决电互联瓶颈问题的关键，能有效提升数据传输速率和容量。其中，偏振分离器(ps)和偏振转换器(pr)可以分别实现正交偏振的横电(te)和横磁(tm)波导模式的分离和转换，有效解决不同偏振模式而导致的偏振相关损耗问题，是偏振复用调制系统的关键器件。偏振分束旋转器(psr)结合了偏振分离器与偏振转换器的功能，可以直接将两个偏振态直接分离转换而不需要多个器件组合，有效缩减器件的尺寸，实现高密度的片上集成。

2、目前的偏振分束旋转器件大部分采用定向耦合器的形式，通过优化设计使得非对称耦合系统中两条波导的某一偏振模满足相位匹配条件，从而选取合适耦合区长度使之完全交叉偏振耦合：而对于另一个偏振模，由于双折射效应，几乎总不满足相位匹配条件，因而可以很好地抑制其交叉耦合。由此可以很好地实现两个偏振模的有效分离与转换。绝缘体上硅(soi)平台由于紧凑的足迹和兼容互补金属氧化物半导体(cmos)制造工艺的优势，引起了紧凑高效光子集成电路的兴趣，旨在实现高密度、低损耗的片上光互连。但是由于硅的各向同性，硅波导在常规250nm的高度下最大的双折射仅为0.7，导致采用非对称定向耦合结构的psr最小尺寸要几十微米，这限制了偏振调控器件的高密度集成。尽管诸如亚波长光栅、等离子体波导和二维材料复合波导等新颖的设计可以将psrs的尺寸缩小到10μm左右，但也伴随着结构复杂、制造困难和损耗增加的问题。因此，结构简单的超紧凑psr需要进一步开发。

3、过渡金属二硫化物(tmds)，由于其层状结构而表现出较大的光学各向异性，而具有显著的双折射。特别是二硫化钼(mos2)，具有接近1.4的极端双折射(面内折射率为4.07，面外折射率为2.7)，结合通讯波段低吸收的特点，有望在更小的尺寸上实现偏振的分离与转换，这同时为片上集成的偏振调控器件拓宽了新的材料选择。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种二硫化钼波导层、其制备方法及偏振分束旋转器。针对解决集成偏振多样性光子平台偏振敏感性问题的需求，提出一种基于二硫化钼材料的adc-psr设计，利用二硫化钼的显著双折射特性，实现超紧凑且结构简单的偏振分束旋转器。

2、在阐述本
技术实现要素：
之前，定义本文中所使用的术语如下：

3、术语“tm0”是指：横磁波零阶模式。

4、术语“te0”是指：横电波零阶模式。

5、术语“te1”是指：横电波一阶模式。

6、术语“adc-psr”是指：非对称定向耦合偏振分束旋转器。

7、术语“绝缘体上范德华平台”是指：包含衬底层、氧化层和范德华材料波导层的结构平台。

8、为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种二硫化钼波导层，所述二硫化钼波导层包括：非对称定向耦合器和s型弯波导；其中：

9、所述非对称定向耦合器包括直通波导和交叉波导；

10、优选地，所述直通波导、所述交叉波导和所述s型弯波导的条数均各为1条。

11、根据本发明第一方面的二硫化钼波导层，其中，

12、所述直通波导和所述交叉波导平行；

13、所述s型弯波导连接在所述直通波导上；

14、所述非对称定向耦合器将输入的横磁波零阶模式(tm0)交叉耦合转化为横电波零阶模式(te0)，而输入的横电波零阶模式(te0)不发生耦合直接从所述直通波导输出；和/或

15、所述s型弯曲波导将输入所述直通波导与所述交叉波导之间的耦合分开。

16、本发明的第二方面提供了制备第一方面所述的二硫化钼波导层的方法，所述方法包括以下步骤：

17、(1)选定波导高度，并求解出波导模式的有效折射率，根据相位匹配条件，确定直通波导端和交叉波导端的波导宽度；

18、(2)选定直通波导端和交叉波导端的波导间距，根据相位匹配条件下耦合长度与奇、偶模式有效折射率的关系，确定非对称定向耦合器的长度。

19、根据本发明第二方面的方法，其中，所述步骤(1)中还包括：

20、(a)在选定波导高度后分析并计算矩形二硫化钼波导在波长1.55μm下的波导宽度与有效折射率的关系图；

21、(b)确定直通波导的宽度；

22、(c)确定交叉波导的宽度。

23、根据本发明第二方面的方法，其中，

24、所述步骤(a)中，所述波导高度为180～300nm，优选为200～250nm，更有选为210～230nm，最优选为220nm；

25、所述步骤(b)中还包括：在有效折射率与波导宽度的曲线关系图中找到横磁波零阶模式(tm0)的截止宽度，在同时支持横磁波零阶模式(tm0)和横电波零阶模式(te0)的波导宽度区域确定直通波导的宽度；和/或

26、所述步骤(c)中还包括：根据相位匹配条件，在有效折射率与波导宽度的曲线关系图中找到直通波导的宽度和横磁波零阶模式(tm0)有效折射率，从而确定横电波零阶模式(te0)有效折射率对应的交叉波导的宽度。

27、根据本发明第二方面的方法，其中，

28、所述步骤(b)中，所述直通波导的宽度为360～460nm，优选为400～460nm，更优选为430～460nm，最优选为455nm；和/或

29、所述步骤(c)中，所述交叉波导的宽度为230～242nm，优选为232～242nm，更优选为233～242nm，最优选为235nm；所述相位匹配条件为直通波导输入横磁波零阶模式(tm0)有效折射率等于交叉波导的输入横电波零阶模式(te0)有效折射率。

30、根据本发明第二方面的方法，其中，所述步骤(2)中还包括：仿真计算不同波导间距下等效的奇模和偶模有效折射率，进而求解并分析波导间距与耦合长度的关系曲线图，确定非对称定向耦合器的长度；

31、优选地，所述耦合长度随波导间距增加呈线性增长；

32、优选地，所述非对称定向耦合器的波导间距为100～240nm，优选为120～210nm，更优选为150～200nm，最优选为150nm；和/或

33、优选地，所述非对称定向耦合器的长度为5.7～11.2nm，优选为6.8～10.6nm，更优选为7.9～9.9nm，最优选为7.9μm。

34、本发明的第三方面提供了一种偏振分束旋转器，所述偏振分束旋转器自下而上依次包括：

35、衬底层；

36、位于所述衬底层上的氧化层；和

37、第一方面所述的二硫化钼波导层或按照第二方面所述的方法制备的二硫化钼波导层；

38、优选地，所述偏振分束旋转器还包括：覆盖在所述二硫化钼波导层上的包覆层。

39、根据本发明第三方面的偏振分束旋转器，

40、所述衬底层的材料选自以下一种或多种：硅、蓝宝石、碳化硅，最优选为硅；

41、所述氧化层的材料为二氧化硅或氮化硅，最优选为氮化硅；

42、当所述偏振分束旋转器包括包覆层时：所述包覆层的材料为二氧化硅或氮化硅，最优选为氮化硅；所述包覆层的厚度为0.1～10μm，优选为0.5～7μm，更优选为1～5μm，最优选为1.5～3μm；

43、所述衬底层的厚度为300～700μm，优选为400～650μm，更优选为450～600μm，最优选为500μm；

44、所述氧化层的厚度为1～5μm，优选为2～4μm，更优选为2.5～3.5μm，最优选为3μm；和/或

45、所述二硫化钼波导层的厚度为180～300nm，优选为200～250nm，更优选为210～230nm，最优选为220nm。

46、根据本发明第三方面的偏振分束旋转器，其中，

47、所述二硫化钼波导层的层间与层内键合结构具有差异性；和/或

48、所述衬底层、所述氧化层和所述二硫化钼波导层共同构成了绝缘体上范德华平台。

49、本发明的原理：偏振分束旋转器主要实现的功能是在一个输入端口同时输入te模式与tm模式，在两个输出端口分别输出te或tm模式。器件采用非对称定向耦合器构型，根据模式耦合的基本原理，输入波导中的光场能量通过倏逝场经过一定的长度耦合到与之相邻的波导，光能量在耦合波导之间振荡传输。由于存在能量耦合，在波导的传输过程中，初始的主偏振分量会向另一偏振分量耦合能量，从而改变输出的偏振态。在相位匹配的条件下，即输入波导te或tm模式的有效折射率等于交叉波导tm或te模式的有效折射率能够实现最高的偏振转换效率。

50、本发明的二硫化钼波导层及偏振分束旋转器可以具有但不限于以下有益效果：

51、1、基于二硫化钼的偏振分束旋转器能够实现tm0和te0模式的分离，并将tm0模式转换成te0模式输出，从而解决偏振依赖性问题。

52、2、本发明设计的超紧凑二硫化钼偏振分束旋转器有比较高效的传输性能。