[发明专利]一种磷化铟基光学混频器及其制备方法

权利要求书

1.一种磷化铟基光学混频器，包括：

一外延片器件层，形成于一磷化铟衬底之上，用于实现混频；

一二氧化硅上包层，形成于所述外延片器件层之上，用于保护外延片器件层，并提高外延片器件层稳定性；以及

一金属薄膜，形成于所述二氧化硅上包层之上，用于控制偏振；

其中，所述外延片器件层包括通过直波导依次连接的：

一模斑转换器，将带有相位信息的信号光耦合进入所述外延片器件层；

一1×2多模干涉耦合器，将由所述模斑转换器耦合进入所述外延片器件层的带有相位信息的信号光均分成两束功率和相位相等的光；

一第一偏振转换器，将由所述1×2多模干涉耦合器均分的两束功率和相位相等的光中其中一束光的偏振态极化旋转90°；

一第二偏振转换器，将由所述1×2多模干涉耦合器均分的两束功率和相位相等的光中，经过一段直波导后的其中另一束光的偏振态极化旋转90°；

一2×2多模干涉耦合器，将由所述第一偏振转换器和所述第二偏振转换器旋转后的两束信号光耦合输出TE和TM两种模式信号光；

一第三偏振转换器，将由所述2×2多模干涉耦合器输出的TM模式信号光的偏振态极化旋转90°变为TE模式的信号光；

一波导型偏振器，对由所述2×2多模干涉耦合器输出的TE模式信号光以及由所述第三偏振转换器旋转后的TE模式信号光进行TE模式信号光的过滤，以滤除残余TM模式信号光；以及

一4×4多模干涉耦合器，将由所述波导型偏振器过滤后的TE模式信号光与TE模式本振光进行多模干涉，完成对TE模式输入信号的混频。

2.根据权利要求1所述的磷化铟基光学混频器，其特征在于，所述1×2多模干涉耦合器的干涉区长度L＝3L_π/8；所述2×2多模干涉耦合器的干涉区长度为L＝L_π/2；所述4×4多模干涉耦合器的干涉区长度为L＝3L_π/4；其中L_π为拍长，L_π＝4n_rw_e²/3λ₀，式中，n_r为多模干涉区对应模式下的有效折射率；w_e为对应模式下的有效宽度，λ₀为器件的工作波长。

3.根据权利要求1所述的磷化铟基光学混频器，其特征在于，所述第一偏振转换器与第二偏振转换器之间的距离L满足L＝π/(2(β_TE-β_TM))，其中，β_TE为TE模式的传播常数，β_TM为TM模式的传播常数。

4.根据权利要求1所述的磷化铟基光学混频器，其特征在于，所述二氧化硅上包层厚度为1μm-3μm。

5.根据权利要求1所述的磷化铟基光学混频器，其特征在于，所述金属薄膜位于所述第三偏振转换器与4×4多模干涉耦合器之间的直波导上方，采用的材料是Ag、Au、Cu或Al，厚度为100nm-200nm。

6.一种制备权利要求1至5中任一项所述的磷化铟基光学混频器的方法，包括：

步骤1：在磷化铟衬底上制备外延片器件层；

步骤2：在外延片器件层之上形成二氧化硅上包层；以及

步骤3：在二氧化硅上包层之上形成金属薄膜；其中，所述在磷化铟衬底上制备外延片器件层，具体包括：

在磷化铟衬底上，通过光刻、刻蚀和腐蚀工艺制备得到一外延片器件层，所述外延片器件层包括由直波导依次连接的模斑转换器、1×2多模干涉耦合器、第一偏振转换器、第二偏振转换器、2×2多模干涉耦合器、第三偏振转换器和4×4多模干涉耦合器；其中，刻蚀工艺的刻蚀厚度为4μm-5μm。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一偏振转换器、第二偏振转换器与第三偏振转换器是通过直波导一侧的倾斜侧壁实现的，所述倾斜侧壁通过溴-甲醇溶液湿法腐蚀得到，倾斜侧壁的倾角为50°-60°。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述金属薄膜生长于第三偏振转换器与4×4多模干涉耦合器之间的直波导上方的二氧化硅上包层之上，与第三偏振转换器与4×4多模干涉耦合器之间的直波导形成波导型偏振器。